Caractérisation d’intrants de méthanisation et évaluation de leur influence sur la minéralisation de l’azote

Présentation du LBE

Le Laboratoire de Biotechnologie de l'Environnement (LBE) est une unité de recherche du centre Occitanie-Montpellier de l’INRAE, située à Narbonne. Les recherches qui y sont menées visent à développer le concept de bioraffinerie environnementale en mobilisant des systèmes biotechnologiques pour valoriser les résidus, déchets, effluents organiques ainsi que certaines biomasses en produits d'intérêt industriel (bioénergies, biomolécules, amendements et fertilisants organiques) tout en minimisant leur impact environnemental et sanitaire.

Présentation d’ENGIE et du Lab CRIGEN

La mission d'ENGIE Research & Innovation (R&I) est d'ouvrir de nouvelles voies pour accélérer la transition énergétique vers le zéro carbone en faisant passer à l'échelle les technologies innovantes, en concevant les systèmes énergétiques de demain et en connectant les équipes de recherche et d'affaires, ENGIE et les écosystèmes externes.

ENGIE R&I dispose de 3 centres de recherche dont ENGIE Lab CRIGEN, qui est le centre de R&D dédié aux nouvelles énergies (hydrogène, biogaz et GNL), aux nouveaux usages de l’énergie dans les villes, bâtiments et industries de demain, et aux technologies émergentes (sciences informatiques, IA, drones, robots, nanotechnologies et capteurs). ENGIE Lab CRIGEN conduit des projets de R&D et développe des pilotes pour les entités opérationnelles et corporate d’ENGIE et les clients externes. Situé en région parisienne, il compte 190 collaborateurs. Sa valeur ajoutée réside dans l'innovation, la transformation des idées et des connaissances scientifiques en applications industrielles éprouvées ou en offres commerciales différenciantes.

Contexte scientifique

Dans  le  contexte  actuel  de  crise  environnementale,  la  valorisation  des  résidus organiques en produits d’intérêts constitue un levier majeur pour réduire notre dépendance aux ressources fossiles. Un des procédés les plus utilisés à grande échelle pour valoriser ces matières est la méthanisation, aussi appelée digestion anaérobie. Ce procédé permet la production de biogaz lors de la décomposition de la matière organique par différents microorganismes en absence d’oxygène. Le biogaz, majoritairement composé de dioxyde de carbone et de méthane, peut être valorisé pour produire de l’électricité et de la chaleur, ou épuré afin d’injecter le biométhane dans le réseau de gaz naturel ou l’utiliser en carburant. De plus, la matière résiduelle (appelée digestat) contient, en plus du carbone résiduel, de l’azote, du phosphore et du potassium qui sont des éléments essentiels à la croissance des plantes. Le digestat peut être valorisé en fertilisant organique agricole et permettre ainsi un retour au sol de la matière organique et de ces nutriments en alternative aux engrais synthétiques d’origine fossile.

L’azote joue un rôle clé : il est apporté sous forme organique par les intrants puis minéralisé en azote ammoniacal au cours de la méthanisation. La gestion de cette forme d’azote est un enjeu de performance des procédés : l’azote ammoniacal est essentiel à la croissance des microorganismes, mais peut également être inhibiteur de la production de biogaz à fortes concentrations. De plus, il s’agit d’un produit d’intérêt pour la valorisation des digestats en fertilisants agricoles, puisqu’il est directement assimilable par les plantes. La gestion de l’azote présente également un enjeu environnemental de la filière de méthanisation : lors du stockage des digestats avant leur valorisation agricole, une forte concentration en azote ammoniacal combinée à un pH alcalin peut provoquer des pertes importantes d’azote sous forme d’ammoniac, précurseur de particules fines. Enfin, si le digestat n’est pas correctement utilisé dans ses applications agricoles, un surplus d’azote peut participer à l’eutrophisation des milieux aquatiques.

Plusieurs facteurs peuvent influencer la production d’azote ammoniacal lors de la minéralisation de la matière organique, en particulier les caractéristiques physico-chimiques des intrants, la température et le pH. Cependant, le suivi, le contrôle et la prédiction des concentrations en azote ammoniacal restent des défis majeurs pour les unités de méthanisation industrielles, qui utilisent des intrants de composition variable en fonction de leurs disponibilités et des saisons. Ainsi, une meilleure compréhension des processus influençant la minéralisation de l’azote en méthanisation est nécessaire pour optimiser cette filière.

Objectifs

Ce stage est proposé dans le cadre d’une thèse Cifre (ANRT) réalisée en collaboration entre le ENGIE Lab CRIGEN et le LBE INRAE pour optimiser la gestion de l’azote en méthanisation afin de limiter les pertes de performances tout en améliorant la valeur fertilisante des digestats. Dans ce contexte, l’objectif du stage est d’améliorer la compréhension de la minéralisation de l’azote en fonction des caractéristiques des intrants utilisés en méthanisation.

Après avoir réalisé un état de l’art sur le sujet, plusieurs intrants et/ou mélanges d’intrants seront utilisés lors de tests permettant la détermination du potentiel méthanogène et du potentiel de minéralisation de l’azote. Ce protocole, établi au cours de la thèse, est réalisé en mode batch et permet le suivi de la production de biogaz et d’azote ammoniacal afin de déterminer la minéralisation du carbone et de l’azote organique. Outre le screening des intrants, l’effet de la température pourra être étudié en réalisant des expérimentations en conditions mésophile et thermophile, et des prélèvements microbiologiques pourront être réalisés pour évaluer l’impact des communautés microbiennes sur la minéralisation de l’azote. En parallèle, une caractérisation fine des propriétés physico-chimiques des intrants sera conduite. En particulier, une méthode de fractionnement de la matière organique couplée à l’analyse de la composition chimique des différentes fractions permettra d’estimer l’accessibilité et la biodisponibilité des différents constituants azotés et carbonés. Des analyses de données permettront d’évaluer les relations entre les caractéristiques des intrants et les potentiels mesurés au cours de essais expérimentaux afin de mieux comprendre les mécanismes clés mis en jeu lors de la minéralisation de l’azote et ainsi prédire l’azote ammoniacal présent dans les digestats de méthanisation.