Plateforme pour l’eau, le gaz et la chaleur
Le développement d’une économie circulaire est un des défis de la société moderne. La méthanisation fait partie des outils à notre disposition pour faciliter cette évolution. Il s’agit en effet d’une solution technologique vertueuse, mature et exploités au niveau mondial qui permet de diminuer la dépendance des ressources fossiles et de valoriser les déchets.
La technologie de méthanisation repose sur un processus biologique naturel qui, sous l’action de microorganismes et sous conditions d’anaérobiose (absence d’oxygène), permet la conversion de la matière organique en biogaz. Celui-ci est un mélange gazeux de méthane et de dioxyde de carbone, dont la combustion produit de l’énergie utile.
Le processus de méthanisation, ou digestion anaérobie, est un phénomène qui se retrouve aussi bien dans le système digestif des bovins que dans les marais. Même si ces milieux sont très différents, ils partagent des caractéristiques communes nécessaires au bon déroulement de la méthanisation. Ces caractéristiques sont donc répliquées et entretenues dans les installations de production de biogaz. Elles se composent d’au moins un digesteur fermé dans lequel les microorganismes intervenant dans la méthanisation se développent. Ce digesteur est alimenté de déchets organiques (d’origine agricole, des invendus de marché, des déchets verts, de déchets de cuisine, des boues d’épuration, des effluents de l’industrie agro-alimentaire, etc) qui vont être dégradés biologiquement par les différents microbes. Les matières qui ne sont pas transformées en biogaz font partie du digestat, qui concentre les nutriments (azote, phosphore, potassium, etc.) présents dans les substrats de départ et qui est valorisé agronomiquement. Pour un bon déroulement du processus non seulement les conditions d’anaérobiose conditions d’anaérobiose doivent être remplies, mais également des conditions essentielles pour la vie doivent être présentes: la présence en suffisance d’eau, la disponibilité de macro- et de micronutriments, des bonnes conditions de température et de pH, l’absence de toxiques, etc. [1, 2].Techniquement trois procédés de digestion principaux existent, qui dépendent de la consistance (exprimée en pourcentage de matière sèche, % MS) du mélange à traiter par méthanisation et du mode d’alimentation. La technologie la plus répandue est la voie liquide à alimentation continue, qui a lieu en digesteurs de type infiniment mélangé (fig. 1). La matière à faible teneur en matière sèche (10-12% MS) y est brassée en permanence, permettant une homogénéité dans tout le volume de digestion. Pour des matières de consistance plus épaisse (20–30% MS), la voie solide à alimentation continue en digesteur à flux piston est utilisée (fig. 2). Le système a un brassage lent qui assure l’avancement de la matière dans la longueur du digesteur, la dégradation ayant lieu de manière progressive. Lorsque les matières à dégrader sont de nature plus solide (MS > 35%), la voie solide à alimentation discontinue en digesteurs de type box/garage est appropriée (fig. 3). Le principe consiste à alimenter, digérer et vidanger la matière par cycles consécutifs. La production de biogaz devient régulière avec l’utilisation de plusieurs digesteurs box/garage fonctionnant simultanément mais de façon décalée. Un temps de séjour dans le digesteur d’entre 30 et 40 jours est courant, mais il peut être diminué ou augmenté selon la facilité de dégradation des matières alimentées [1, 2].
Le processus de méthanisation est divisé en 4 étapes consécutives, chacune réalisée par un groupe différent de microorganismes (fig. 4). La matière organique complexe est ainsi dégradée progressivement en matières plus simples jusqu’à la production finale de biogaz:
Les microorganismes responsables des différentes étapes cohabitent tous dans le même environnement. Pourtant, ils n’ont pas les mêmes critères concernant leur milieu pour fonctionner de façon optimale. C’est pourquoi l’intérieur du digesteur doit proposer un compromis afin de présenter des conditions de fonctionnement adéquates pour que tous les microorganismes puissent se développer et un temps de séjour suffisant pour permettre leur croissance et éviter leur lessivage du digesteur.
La constance dans les conditions de fonctionnement (alimentation, pH, température, etc.) permet un équilibre entre les étapes du processus, ce qui assure la stabilité et la résilience du système. Les variations et perturbations de ces conditions influencent l’activité microbienne et la présence des différents composants intervenant dans le processus, dont la quantité ou la vitesse de production sera affectée. Notamment les bactéries acidogènes sont inhibées par la présence d’hydrogène, intermédiaire du processus, même à de faibles concentrations. Un déséquilibre de cette concentration entraine une diminution de leur activité et donc une accumulation des acides, qui a son tour fait baisser le pH. Ce phénomène, connu par le terme d’acidose, a des effets sur la production de méthane, qui peut ralentir voire s’arrêter complètement.
L’équilibre entre les différentes étapes est aussi influencé par des composants présents dans l’alimentation. La dégradation de matières contenant des quantités importantes d’azote ou de soufre peut avoir un effet inhibiteur des dernières étapes. La présence dans les intrants d’antibiotiques, métaux lourds ainsi que d’autres produits synthétiques peut également être vecteur d’inhibition et/ou de toxicité de l’activité biologique [1, 2].
Ainsi, lorsque des instabilités sont constatées dans la biologie du digesteur, les principales causes sont:
Les microorganismes étant à l’origine de la production de méthane, il y a une corrélation directe entre la stabilité de l’activité biologique et la qualité et la quantité de biogaz résultantes. Le digesteur est un environnement fermé et la population microbienne est invisible à l’œil nu, il est donc compliqué de se renseigner directement sur l’équilibre du processus. En cas de dysfonctionnement, les conséquences vont d’une diminution de la production de biogaz jusqu’à son arrêt complet, le besoin de vidanger, réinoculer et redémarrer le digesteur, sans oublier le besoin de gérer en externe les matières à méthaniser. Les mesures de facteurs physico-chimiques offrent un aperçu rapide de la situation microbienne et, ensemble avec les données d’exploitation du site, permettent de conduire un digesteur de façon à limiter les risques de dysfonctionnement et les problématiques qui en découlent [3–6].
Des mesures continues ou quotidiennes sont effectuées directement sur une installation de biogaz, les plus courantes étant présentées par la suite. Le type de substrats entrant le digesteur est suivi par enregistrement informatique. Des systèmes de pesée et des débitmètres renseignent des quantités de matières solides et liquides alimentées. La température est relevée automatiquement ou de manière manuelle, quotidiennement. La quantité et la composition des gaz produits est aussi surveillée automatiquement ou ponctuellement. D’autres paramètres comme le pH, le potentiel d’oxydoréduction et la conductivité peuvent être mesurés par des boitiers multi-paramètres ou des sondes fixes. De surcroît, un changement drastique dans les valeurs de pH n’informerait que trop tard d’un dysfonctionnement, car cela voudrait dire que toute la capacité à tamponner le pH du milieu (encadré 1) a été épuisée. Si l’anticipation est exclue, il renseigne malgré tout sur le processus.
Le suivi ponctuel de paramètres tels que la teneur en matière sèche ou la teneur en matière en matière sèche volatile, le paramètre FOS/TAC ou le pH est facilement réalisable avec un petit laboratoire suffisamment équipé sur site.
Le suivi en laboratoire externe est réalisé lorsque le détail des concentrations des AGV présents veut être déterminé ou que le taux d’azote ou la présence de micronutriments est d’intérêt.
Comme l’équilibre du processus de méthanisation est fragile, il est important d’être au courant du bon fonctionnement de la biologie. Les paramètres de suivi reflètent cette activité biologique du digesteur. Des anomalies dans les résultats favorisent la détection précoce de dysfonctionnements avant qu’il ne soit trop tard. Le suivi de plusieurs paramètres contribue à l’anticipation de situations critiques. Plus de paramètres sont suivis, plus il est possible d’avoir une vision globale de l’état de l’installation. C’est utile pour déterminer les critères stabilisant le processus de digestion et optimisant la production de produits finis (biogaz et digestat), tant en quantité qu’en qualité. Savoir à quel point les bactéries se conforment à la quantité d’intrants alimentés assure de ne pas les traiter en sous- ou surrégime, tout en restant flexible sur la diversification des substrats et la charge hydraulique. En évitant des baisses de pH, les équipements et les installations sont préservés. Tous ces points accumulés renforcent la longévité et la rentabilité des installations.
Le suivi du rapport FOS/TAC, ratio entre les acides gras volatils et l’alcalinité, est applicable aux digesteurs en voie liquide comme en voie solide, agricoles, industriels et stations d’épuration d’eaux usées. La méthodologie, d’abord développée pour les digesteurs en voie liquide, est adaptée pour correspondre au mode de fonctionnement des technologies de digestion en voie solide. En particulier les tranches de valeurs du rapport FOS/TAC pour la voie solide sont peu trouvées dans la littérature. Empiriquement, il a été déterminé qu’elles sont propres à chaque installation et lors de la conduite du digesteur c’est la stabilité dans la mesure de ce paramètre qui est recherchée.
Le suivi du paramètre FOS/TAC est conseillé, car il décrit le milieu dans lequel prospèrent les microorganismes et c’est ce milieu qui va influencer leurs réactions et par conséquent l’acidification du milieu et la production de biogaz. Il identifie les risques d’inhibition, l’état de la biologie et l’adéquation de l’alimentation. Les suivis avancés sont particulièrement recommandés pour les digesteurs dont les intrants fluctuent ou sont facilement dégradables, ou encore s’ils sont sous-dimensionnés. Anticiper les situations d’acidose évite des pertes économiques importantes pour les opérateurs.
La valeur appelée FOS (de l’allemand Flüchtige Organische Säuren) représente la concentration d’AGV présente dans le milieu de digestion. TAC (de l’allemand Totales Anorganisches Carbonat) est une mesure de l’alcalinité, c’est-à -dire de la capacité à tamponner le pH. De nombreuses paires d’acides-bases faibles sont existantes dans le digesteur, comme l’acide carbonique (H₂CO₃/HCO₃−), l’acide phosphorique (H₃PO₄/H₂PO₄−/HPO₄2−/PO₄3−), l’ammoniac (NH₄+/NH₃) et les ions OH−. Cependant, leur effet tampon est négligeable comparé à celui du carbonate (CaCO₃, sous la forme HCO₃−/CO₃2−). Ceci s’explique par leurs concentrations moins importantes et leurs valeurs de pKa (encadré 1) plus éloignées. Dans la pratique, l’alcalinité est donc proportionnelle à la teneur en carbonates. Le niveau de l’alcalinité indique à quel point la capacité tampon est utilisée. Plus il y a d’acides dans le milieu, plus la capacité tampon se réduit. Indiquer la proportion d’AGV par rapport aux carbonates sous forme de ratio (FOS/TAC) révèle clairement où en est le système, puisque les deux sont liés. Si la quantité d’AGV augmente et/ou l’alcalinité diminue, le ratio augmente ce qui est défavorable aux microorganismes qui sont suralimentés. À l’inverse, les microorganismes sont trop nombreux par rapport au substrat alimenté et la compétition entraîne une chute de la population. L’idéal reste un rapport FOS/TAC, compris dans les intervalles adéquats pour l’installation, qui ne varie que très légèrement [7, 8].
Les mesures se font par titrage avec un acide fort. Le but est de déterminer la concentration d’une substance dans l’échantillon en connaissant le volume de l’échantillon et la quantité de l’acide fort dosé entre des limites spécifiques de pH. Cet acide fort réagit avec la substance de l’échantillon pour faire baisser le pH jusqu’à la valeur souhaitée qui correspond au pKa de la substance à déterminer de l’échantillon.
Pour obtenir les valeurs FOS et TAC, il faut faire un titrage en deux étapes selon la méthode de Nordmann [9] (fig. 5). Dans un premier lieu, l’acide fort (ici l’acide sulfurique, H₂SO₄) réagit avec les carbonates du système qui tamponnent le pH. Une fois la capacité tampon épuisée (pH d’environ 5), l’acide fort réagit avec les AGV et la titration finalise une fois que le pH du mélange atteint 4,4. L’ensemble des AGV a des pKa trop proches; ils ne peuvent donc pas être déterminés indépendamment (tab. 1). Les volumes d’acide fort utilisés pour la titration servent au calcul des teneurs FOS et TAC, qui sont respectivement exprimées en concentration équivalente d’acide acétique (HAc) et en carbonate (CaCO₃).
| Acide | pK2 | Â |
| Acide carbonique | 6,35 | TAC |
| Acide acétique | 4,76 | FOS (AGV) |
| Acide propionique | 4,86 | |
| Acide butyrique | 4,82 | |
| Acide valérique | 4,84 |
La méthode de titration FOS/TAC (fig. 6)révèle de nombreux avantages lorsqu’elle est effectuée dans un cadre routinier. Robuste et peu coûteuse, elle ne nécessite pas d’analyse en laboratoire externe.
D’autres méthodes de titrage plus développées existent, proposant le titrage à cinq ou huit points, mais le titrage à deux points s’avère une méthode plus simple, rapide et même plus précise quand la composition exacte de l’échantillon est inconnue.
Selon les technologies de digestion et le concept développé par le constructeur du digesteur, les échantillons sont prélevés différemment (fig. 7 et 8). Pour les digesteurs en voie solide à alimentation discontinue, il n’est pas possible d’échantillonner dans un digesteur box/garage pendant la durée du cycle de digestion, seul le percolât étant disponible pour le suivi. En voie liquide continue, un seul prélèvement dans le digesteur ou à sa sortie est suffisant. Pour la voie solide à alimentation continue, plusieurs points d’échantillonnage le long du digesteur reflètent un niveau de digestion différent. Les endroits pour pouvoir prélever la matière étant techniquement limités et afin d’avoir une vue d’ensemble du processus, il est recommandé d’au moins faire deux prélèvements, un dans les premiers mètres du digesteur et un à sa sortie.
Selon la valeur du rapport FOS/TAC observée des appréciations sur le fonctionnement de l’activité biologique sont possibles et des actions correctives sur l’alimentation du digesteur peuvent être proposées. Des tabelles sont utilisées couramment (tab. 2; [3, 10]), elles sont cependant pertinentes pour le suivi de digesteurs en voie liquide et extrapoler ces appréciations à d’autres technologies a des limites. Faire des comparaisons à ces valeurs de référence, d’une installation ou entre installations peut amener à des fausses conclusions. Chaque installation est différente, particulièrement au niveau de l’alimentation, et a une capacité d’adaptation à son propre rythme et ses propres contraintes opérationnelles. Ce n’est pas une valeur absolue qui va donner plus d’informations, mais une tendance dans les valeurs. Si la valeur du rapport FOS/TAC est relativement stable, la biologie se porte bien. Mais si d’une mesure à l’autre de grands écarts sont remarqués, cela traduit un dysfonctionnement. C’est la raison pour laquelle un suivi régulier de ce paramètre est important. Sans valeurs de référence concernant le digesteur en question, il n’est pas possible de déterminer si la valeur du rapport FOS/TAC se trouve dans un intervalle acceptable.
| FOS/TAC | Appréciation |
| >0,6 | Trop haut ! Arrêt temporaire de l’alimentation. |
| 0,5–0,6 | Suralimentation. Réduction de l’alimentation. |
| 0,3–0,5 | Optimum. Ne rien changer. |
| 0,2–0,3 | Sous-alimentation. Augmentation légère de l’alimentation. |
| <0,2 | Sous-alimenté. Augmenter l’alimentation. |
Dans un deuxième temps, la comparaison entre installations (même de technologie identique) ne donne non plus une sécurité pour l’utilisation de valeurs de référence pour le rapport FOS/TAC, car la manière de prélever les échantillons, de les préparer et d’effectuer les mesures peut différer d’un site à l’autre. Le moment de la prise l’échantillon (moment de la journée, avant ou après une séquence d’alimentation, etc.), le temps entre le prélèvement et la mesure, les appareils, les dilutions, les effets de matrice propres à chaque installations, etc. sont tous des facteurs qui influencent les résultats. Par conséquent, chaque installation ne peut se reposer que sur ses propres expériences pour déterminer l’état de santé de son digesteur. Une fois les résultats disponibles reçus, il est possible d’ajuster notamment l’alimentation et les paramètres de fonctionnement afin d’optimiser au mieux la digestion anaérobie. L’anticipation de la diminution de la capacité tampon fournit une marge de manœuvre aux exploitants avant de se retrouver dans une situation critique irréversible. Un suivi régulier sur le long-terme permet de mettre en avant la corrélation entre le rapport FOS/TAC et la production de biogaz, ainsi que des effets saisonniers dûs au type d’alimentation notamment (déchets céréaliers après les récoltes, marc de raisin après les vendanges, diminution des déchets verts lors des vacances d’été, feuilles mortes en automne, sapins de Noël en janvier, etc.).
Ecorecyclage SA à Lavigny est une installation industrielle de méthanisation et de compostage fondée par Luc Germanier et qui appartient maintenant à Holdigaz SA. Elle valorise les déchets de 62 communes du canton de Vaud, ce qui représente environ 40% de la population. Annuellement, 35 000 tonnes de déchets organiques sont traités, pour produire sous forme de biogaz 22 GWh/an, l'équivalent de la consommation annuelle moyenne de chaleur de près de 1500 ménages. Ce biogaz est traité pour être enrichi en biométhane et être injecté dans le réseau de gaz naturel. La matière méthanisée est ensuite valorisée annuellement en 18 000 m3 d’engrais liquide et 15 à 20 000 m3 de compost, utilisés en agriculture, horticulture et par des privés. La société propose aussi un service de déchetterie pour les habitants de la région, un service d’aménagements des espaces extérieurs et de la vente de divers produits de composts, engrais et matériaux pour aménagements [11].
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La figure 9 montre la conception de l’installation Ecorecyclage avec les éléments décrits par la suite:
Ecorecyclage récupère les biodéchets ménagers des communes, les invendus d’acteurs de la grande distribution et les déchets de PME telles que les paysagistes, jardiniers, agriculteurs, viticulteurs, maraîchers, restaurateurs, centres collecteurs de céréales, etc. Les principaux apports de déchets sont les déchets verts (branchages, feuilles, gazon, etc.) et les biodéchets issus des collectes porte-à -porte. Ces matières sont de nature hétérogène et les quantités et contenu varient selon les saisons. Dès leur réception sur le site, ces déchets sont triés en fonction de leur nature et subissent différents prétraitements (broyage; séparation de matières indésirables) avant d’être acheminés vers les unités de méthanisation et/ou de compostage.
Avant méthanisation, le criblage permet la séparation d’éléments plastiques et ferreux, qu’on retrouverait autrement avec le digestat et/ou le compost final. Les branchages grossiers sont également séparés et envoyés en compostage, les matières ligneuses n’étant pas dégradables lors du processus de méthanisation (encadré 1). Également les emballages arrivant avec les invendus de marchés sont en grande mesure séparés grâce à une unité de déconditionnement. Les indésirables sont envoyés en incinération et la pulpe organique obtenue vers la méthanisation.
Actuellement l’installation de Lavigny comprend deux digesteurs. Mis en service en 2021, un digesteur infiniment mélangé traite sous conditions mésophiles (env. 39 °C, encadré 1) les intrants de nature liquide (effluents de l’industrie agro-alimentaires, pulpe organique, etc). Depuis 2008 le site compte avec un digesteur en voie solide à alimentation continue de type flux piston, selon la technologie Kompogas®. Ce dernier traite le reste des intrants méthanisables réceptionnés ainsi que le digestat issu du digesteur infiniment mélangé. En effet, il fonctionne sous conditions de température thermophiles (env. 53 °C, encadré 1) et est reconnu par les autorités comme ayant un effet hygiénisant sur les matières traitées.
Les deux digesteurs produisent du biogaz qui est épuré et enrichi en biométhane pour être ensuite injecté dans le réseau de gaz géré par Holdigaz SA. Le digestat issu du digesteur solide est séparé par pressage en deux fractions: une fraction liquide (qui est stockée et valorisée agronomiquement grâce à ses atouts fertilisants); une fraction solide qui est envoyée vers les unités de compostage et devient un produit amendant du sol.
C’est particulièrement le digesteur en voie solide qui va être abordé par la suite, car cela fait près 12 ans que le suivi analytique du rapport FOS/TAC est réalisé périodiquement (voir aussi encadré 2).
Le site mesure en continu les heures de fonctionnement de différents équipements électromécaniques ainsi que les paramètres de rendement énergétique tels que la quantité totale de biogaz produit et brûlé par les torchères; les concentrations de méthane, de dioxyde de carbone et de sulfure d’hydrogène dans le biogaz produit; les différentes pressions et l’énergie de chauffage du digesteur. Le digesteur est surveillé en termes de quantité alimentée et de charge hydraulique, en termes des quantités de matière extraite et recirculée. Les températures à l’entrée, au milieu et à la sortie du digesteur ainsi que les températures maximales et minimales extérieures sont mesurées. Finalement, le pH dans le digesteur et les différents niveaux du digesteur, fosses et espaces de stockages sont aussi surveillés.
Selon la configuration du digesteur et des points de prélèvement disponibles, trois échantillons sont prélevés afin de surveiller le digesteur à flux piston à Ecorecyclage SA. Un échantillon obtenu à mi-longueur du digesteur; un échantillon en sortie du digesteur (digestat sortie brut) et un échantillon de la phase liquide obtenue après pressage (digestat liquide ou jus de presse), les deux derniers prélevés dans la halle de la presse.
Les analyses FOS/TAC peuvent se faire sur place avec le matériel nécessaire. Un titreur automatique portable permet de mesurer les valeurs FOS, TAC, FOS/TAC et de pH. Un four et une balance disponibles sur site sont utilisés pour la détermination du taux de matière sèche. Une attention particulière est portée pour conserver la méthode de traitement et de préparation des échantillons (prise de volumes représentatifs, temps court entre prélèvement et analyse, tamisage de l’échantillon, etc.).
Les données de suivi de l’exploitation pour le digesteur en voie solide concernent l’alimentation totale, la production de biogaz totale, le taux de méthane dans le biogaz et la production de méthane normalisée aux quantités alimentées (fig. 10) [12]. Elles sont mises à l’égard des valeurs d’AGV et d’alcalinité résultant des analyses effectuées sur le site. Les analyses du rapport FOS/TAC sont réalisées depuis 2013. Un extrait de ces données, de mars 2021 à mars 2024, est présenté. De mars à août 2021, l’alimentation journalière du digesteur était plutôt élevée (~80 t/j). Durant cette même période, le seul signe de rendement affecté était celui de la production de méthane normalisée à la quantité de substrats alimentés, passant de 100 à 50 Nm3/t. Les valeurs du facteur physico-chimique FOS ont dans le même temps reflété une anomalie, en augmentant de 7000 à 15 000 mg/l, accentuant constamment le ratio FOS/TAC. Puis, le système a atteint sa limite et a commencé à montrer des signes explicites de surcharge. La production de biogaz totale a baissé et le taux de méthane est passé de 60 à 52%. Le FOS a encore augmenté de 15 000 à plus de 20 000 mg/l et le TAC a baissé à partir de septembre 2021 de 14 000 à 12 000 mg/l, indiquant que la capacité tampon était affaiblie. Cette combinaison d’événements a engendré une hausse très importante du rapport FOS/TAC qui, de 0,5, a augmenté jusqu’à sa valeur maximale sur ces trois ans: 1,7. L’alimentation a été diminuée progressivement entre septembre et novembre 2021 pour atteindre 55 t/j environ, maintenue jusqu’au mois d’avril 2022. Fin 2021 à début 2022, la quantité et la qualité du biogaz s’améliorent. Le FOS est redescendu à 11 000 mg/l et le TAC est remonté à 18 000 mg/l. Cependant, le FOS/TAC était inférieur à 1 dès décembre 2021, explicitant le lien direct avec la réduction de la quantité d’intrants.
La production de biogaz maximale (plus de 16 000 Nm3 par jour) comprenant le plus haut taux de méthane observé sur la période (presque 60%) a été atteinte en octobre 2023. Ce record de production n’est pas corrélé à un maximal dans les quantités d’alimentation. En revanche, le ratio FOS/TAC observé dans le même temps est de 0,5. En observant la production de méthane normalisée à la quantité de substrats alimentés, il est possible d’observer que sa valeur la plus basse (~50 Nm3/t) en août 2021 et en juin 2022 correspond à un FOS/TAC compris entre 1 et 1,2. Alors que sa valeur la plus haute (~150 Nm3/t) en janvier 2022, février 2023 et mars 2024 correspond à un FOS/TAC entre 0,5 et 0,6. Les variations liées au temps de séjour et aux possibles changements en la nature des intrants ne sont pas à négliger, ce dernier étant difficile à connaitre pour les matières si hétérogènes réceptionnées sur l’installation. Cependant les résultats montrent comme plus le FOS/TAC est proche de 0,5, plus le bon rendement entre la quantité d’intrants et la production de biogaz et de méthane est atteignable. Fin 2023/début 2024, le système produisait plus de méthane normalisé à la quantité d’intrants qu’en printemps 2021 pour une alimentation du digesteur équivalente. Cela signifie que les microorganismes se sont adaptés au rythme d’alimentation soutenu. Ce phénomène se traduit aussi par des valeurs FOS/TAC plus stable. Particulièrement depuis janvier 2023, le FOS et le TAC subissent moins de variations. Il y a donc une corrélation directe entre le rendement de l’installation et le rapport FOS/TAC observé.
Ce qu’il est important de noter, c’est que l’intervalle de la valeur FOS/TAC pour lequel l’installation de Lavigny fonctionne adéquatement ne correspond pas aux valeurs empiriques de référence pour apprécier l’état de la biologie (tab. 2). Avec un FOS/TAC entre 0,4 et 0,6, l’action à entreprendre serait de réduire l’alimentation du digesteur. Cette différence met en évidence l’impossibilité d’une comparaison entre différentes installations et l’importance d’un suivi propre pour chacune.
La moyenne du rapport FOS/TAC durant les trois premières années d’analyses, entre mars 2013 et juillet 2016, se trouvait aux alentours de 1. Par la suite, le FOS/TAC était globalement plus bas mais a subi quelques brusques pics dépassant les 1,5. Le maximum atteint était près de 2,3 en mars 2015 (fig. 11). L’identification de ces épisodes de pic du rapport FOS/TAC ont permis des interventions rapides dans l’alimentation et éviter des dysfonctionnements majeurs. Ce n’est vraiment que depuis deux ans que les valeurs se sont stabilisées sur le long terme, coïncidant avec l’augmentation de capacité de digestion du site après la mise en service du digesteur en voie liquide. La vigilance et la bonne conduite de ces unités sont clés du succès à présent et à l’avenir.
Dans un monde où l’intelligence artificielle et autres innovations ne cessent d’être améliorées, peu de nouvelles technologies pour le suivi des installations de méthanisation sont développées. Dans le cadre de certaines recherches, l’hybridation in situ en fluorescence (de l’anglais Fluorescence In Situ Hybridation, FISH) a été utilisée [13–15]. C’est une technique de microscopie permettant de distinguer les microorganismes entre eux. En particulier, Dinova et al. [13] ont déterminé une interdépendance entre la production de méthane et le ratio bactéries/archées. Ce ratio indique le niveau de stress des archées. Si les conditions ne leur conviennent pas, leur réponse de défense est de se multiplier. Ce qui veut dire qu’elles utilisent l’énergie prioritairement pour croître et la production de méthane s’en retrouve négativement impactée. Cependant, ce genre d’analyses (FISH, DAPI, autres types de spectroscopie, séquençage, etc.) sont peu répandues. Elles sont coûteuses car elles requièrent un matériel adapté et de l’expertise. De plus, elles se font obligatoirement en laboratoire externe. Il n’est donc pas possible d’en user pour un suivi régulier et souple des installations de méthanisation.
Le développement de techniques de suivi du rapport FOS/TAC en ligne apporteraient un avancement important. La méthodologie par spectroscopie proche infrarouge pourrait présenter une solution. Cependant des verrous existent encore pour l’analyse des échantillons bruts, ces obstacles d’analyse du brut principalement associés à : l’interférence de l’eau, l’hétérogénéité et/ou la variabilité du type et de la qualité des matières, la complexité associée au mélange d’intrants, la puissance du signal nécessaire [4].
De meilleures techniques alternatives n’étant pas encore suffisamment matures, le meilleur atout des opérateurs pour le suivi biologique du digesteur reste donc, pour le moment, le suivi FOS/TAC.
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[1] Inspectorat Suisse du Compostage et de la Méthanisation (2021): Cours de base pour les employés d’installations de compostage et de méthanisation. ISBN : 978-3-9525045-0-5
[2] S3D; APESA pour l’ADEME (2014): Biologie des digesteurs – Guide complet à destination des exploitants d’unités de méthanisation.
[3] Drosg, B. (2013): IEA Bioenergy. Process monitoring in biogas plants. ISBN: 978-1-910154-02-1
[4] Pautremat, N. et al. (2018): Conditions de pilotage de la production de méthane dans les procédés de digestion anaérobie. Etude RECORD n°17-0160/1A
[5] APESA; Biomasse Suisse pour l’ADEME (2014): Guide méthodologique pour le suivi et l’établissement des bilans de performances d’une installation de méthanisation.
[6] Esteves, S. et al. (2013): Analyses et recommandations de surveillance – pour l’optimisation des unités de méthanisation et de biométhane, synthèse. Numéro du contrat: IEE/10/130. Référence du livrable: Tâche 5.2
[7] Viaut, M. (2022): Un suivi renforcé du ratio FOS/TAC: le suivi d’un digesteur grâce au ratio FOS/TAC a permis de résoudre une situation critique. Hach
[8] Kalkman, I. (2020): FOS/TAC Quotient for the optimization of methane production from biomass. Methrom
[9] Voss, E. et al. (2009): FOS/TAC – Deduction, Methods, Application and Significance.
[10] DEULA-Nienburg: Our Knowledge-Your success. Accessed March 1st, 2018
[11] Le site internet d’Ecorecyclage (consulté le 13/08/2024):
[12] Dutu, V.; Jost, F. (2023, 2024): Rapports FOS/TAC bimensuels, EREP SA pour Ecorecyclage SA
[13] Dinova, N. et al. (2018): FISH analysis of microbial communities in a full-scale technology for biogas production. Engineering in Life Sciences 18(12): Balkan Biotech II, pages 914–923. ISSN: 1618-0240
[14] Nettmann, E. et al. (2010): Polyphasic Analyses of Methanogenic Archaeal Communities in Agricultural Biogas Plants. Applied and Environmental Microbiology 76(8): 2540–2548. ISSN : 0099-2240
[15] Morel, E. (2006): Développement et validation de la mesure en ligne de la fluorescence pour la surveillance et le contrôle d’un réacteur anaérobie mésophile/thermophile [Ph.D. thesis, École Polytechnique de Montréal]. URL: (consulté le 16/08/2024).
Microorganismes unicellulaires qui ont apparu très tôt dans l’histoire de la vie, lorsque l’atmosphère était pauvre en oxygène. Ceci explique leur vitesse de croissance lente et la production de méthane comme rejet du métabolisme.
Aptitude d’un système à absorber des acides ou des bases sans que la valeur du pH soit affectée
Logarithme de la constante d’équilibre du couple acide-base de la substance. Cette constante d’équilibre est liée à la valeur du pH pour laquelle l’acide et la base de la paire sont présents en quantités équivalentes.
Conditions de température pour la méthanisation, modérées (32–40 °C) ou élevées (50–57 °C). Le processus sous conditions mésophiles ou thermophiles repose sur de groupes de microorganismes différents dont l’activité est possible pour ces plages de température.
La lignine contenue dans le bois n’est pas dégradable par méthanisation. Les microorganismes intervenant dans le processus ne disposent pas des enzymes nécessaires.
Pourquoi est-ce que cela fait plus de 10 ans que vous réalisez le suivi FOS/TAC?
Pour des raisons sécuritaires. Il y a peu d’indicateurs qui renseignent du bon fonctionnement à l’intérieur du digesteur. Notre mission première étant de traiter et de valoriser des déchets, il nous incombe de ne jamais interrompre la chaîne de production et pouvoir traiter ces matières, qui arrivent journalièrement. S’il y a rupture de chaîne durable liée à la biologie, nous pourrions être amenés à refuser momentanément les déchets, ce qui n’est pas acceptable pour les communes et les clients. Le suivi FOS/TAC est un moyen de nous assurer, que même si nous sommes régulièrement au-delà des limites usuelles recommandées pour maintenir la biologie, le système reste stable et fonctionnel. En effet, il y a toujours des messages contradictoires entre ce que les fournisseurs recommandent et la nécessité de traiter les arrivages en flux tendu. Par le suivi externalisé du rapport FOS/TAC nous avons pu éviter des accidents biologiques en apportant rapidement les correctifs, et par ailleurs nous avons pu optimiser les recettes d’alimentation grâce à l’historique de mesures.
La production de biogaz qui résulte du traitement des déchets est une composante importante, qui participe aussi à l’équilibre économique du site. Il est donc de notre intérêt que la biologie soit performante, et le suivi des indicateurs FOS/TAC y contribue grandement.
Quel est votre intérêt à suivre l’évolution FOS/TAC en plus des paramètres mesurés quotidiennement par vous-même dans votre installation (température, pH, intrants, biogaz produit, taux de méthane, etc.)?
Les paramètres suivis quotidiennement n’apportent pas les informations internes que le FOS/TAC fournit. On peut directement mettre en lien le graphe FOS/TAC avec celui de l’alimentation du digesteur et en tirer des conclusions pratiques sur l’alimentation. Faire ce suivi deux fois par mois permet d’amener des éléments de réponses à certains phénomènes inexpliqués. Quant au pH, on a testé plusieurs instruments de mesure mais la mécanique n’a jamais tenu le coup. Une raison aussi pour ce suivi est que l’alimentation est très variée et fluctue en fonction des saisons. Donc savoir comment écouler ces gros arrivages sans trop perturber la biologie est important.
Le recommanderiez-vous à d’autres installations et si oui pourquoi?
Je le recommanderais pour les installations qui traitent des déchets divers et variés avec un grand pouvoir méthanogène. La pratique nous montre que nous sommes très souvent à la limite des capacités de la biologie par rapport aux tonnes traitées, au dimensionnement initial du digesteur et aux recommandations des fournisseurs. Par ailleurs nous devons viser la performance, et le suivi de ces indicateurs est essentiel. Le temps de séjour est court donc il n’y a pas beaucoup de temps de réaction disponible, limitant le champ d’action possible et la marge de manœuvre. La base de données accumulée après ces 12 ans de suivi permet d’analyser rapidement un changement de situation et nous permet d’anticiper de futurs problèmes.
Afin de garantir la continuité de l’analyse et la rigueur des rapports périodiques, je recommande de charger un organe externe spécialisé pour les réaliser.
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