Les carences en oligo-éléments nuisent-elles imperceptiblement à votre rendement en biogaz ?

Pourquoi les oligo-éléments sont indispensables à la production de méthane

La digestion anaérobie est un processus biologique à plusieurs étapes. C’est l’étape finale, la méthanogenèse, où les microorganismes convertissent les produits intermédiaires en méthane, qui est la plus sensible aux carences en oligo-éléments et qui détermine de façon critique le rendement en biogaz.

Les microorganismes qui produisent le méthane sont hautement spécialisés et exigeants sur le plan nutritionnel. Contrairement à la communauté microbienne qui assure la dégradation initiale de la matière organique, les organismes productrices de méthane dépendent d’oligo-éléments particuliers pour assurer leurs fonctions métaboliques de base. Le nickel, le cobalt et le sélénium ne sont pas facultatifs. Ils sont intégrés aux enzymes nécessaires au fonctionnement de ces organismes [1,2]. Sans un apport suffisant sous une forme qu’ils peuvent utiliser, la production de méthane est bloquée à la source, quelle que soit la quantité de matière organique introduite dans le système.

Ce problème est particulièrement difficile à détecter, car les symptômes ressemblent à ceux de beaucoup d’autres problèmes. La production de gaz irrégulière, la hausse des acides organiques et l’instabilité du procédé sont les mêmes signaux d’alerte que ceux observés en cas de surcharge, de variations de température ou de composés inhibiteurs [1]. En l’absence de tests spécifiques, une carence en oligo-éléments peut passer inaperçue pendant des mois, et la perte de rendement ne se manifeste jamais clairement.

Quels éléments limitent le plus souvent les performances

Tous les micronutriments ne présentent pas le même risque de carence, et la composition du substrat constitue le facteur principal déterminant quels éléments peuvent devenir limitants. Les installations traitant l’ensilage de maïs-fourrage ou fonctionnant en mono-digestion de cultures énergétiques sont systématiquement les plus vulnérables, car ces substrats sont naturellement pauvres en cobalt, en nickel et en sélénium [3,4]. Les systèmes traitant les résidus alimentaires présentent un défi similaire [5]. Les systèmes à base de fumier sont généralement mieux tamponnés, mais le sélénium peut tout de même s’avérer insuffisant, en particulier dans les régions où les sols sont naturellement pauvres en sélénium. Le tableau ci-dessous présente les éléments les plus pertinents pour la digestion anaérobie, leur rôle biologique, les signes de carence et les scénarios de substrat où une limitation est la plus probable.

Le nickel, le cobalt et le sélénium sont les éléments les plus universellement limitants, en particulier dans les systèmes à base végétale et dans ceux qui traitent les résidus alimentaires [3,4,5]. Même lorsqu’ils sont nominalement présents dans le substrat, le nickel et le cobalt sont rapidement soustraits à la disponibilité biologique dans le digesteur en se précipitant sous forme de sulfures métalliques insolubles. La concentration de ces micronutriments peut sembler suffisante en théorie, mais leur disponibilité biologique est souvent très faible, limitant ainsi les processus décrits précédemment. C’est une distinction que l’analyse du substrat ne permet pas à elle seule de révéler.

Le chlorure ferrique comme vecteur de dosage des micronutriments

Corriger les carences en oligo-éléments ne nécessite pas un programme chimique distinct. Le chlorure ferrique — un sel de fer largement utilisé dans la plupart des installations commerciales à biogaz pour le contrôle du sulfure d’hydrogène — constitue un vecteur tout trouvé pour administrer l’ensemble des micronutriments en complément de sa fonction principale. Le caractère acide des solutions de FeCl₃ permet de maintenir les oligo-éléments, tels que le nickel, le cobalt et le sélénium sous une forme dissoute et biodisponible, ce qui les empêche de précipiter dans les lignes de dosage avant qu’ils n’atteignent le digesteur [5]. Il en résulte une seule opération de dosage qui assure simultanément le contrôle du H₂S et l’apport en micronutriments sans réservoirs supplémentaires, sans pompes secondaires, sans modification de l’infrastructure existante.

Les doses doivent être établies à partir d’analyses du digestat plutôt qu’à partir de cibles génériques, car les besoins varient en fonction de la composition du substrat et de la charge organique. On doit surveiller l’alcalinité lors de l’ajustement des doses de FeCl₃, car des ajouts plus importants peuvent affecter le pouvoir tampon du pH si ce n’est pas géré avec soin.

Mise en pratique

Le point de départ est toujours le même : tester avant de doser. Une analyse ciblée du digestat mesurant la teneur en nickel, en cobalt, en sélénium et en fer donne une image claire des carences existantes et du niveau de supplémentation nécessaire. Le dosage peut ensuite être introduit progressivement et ajusté en fonction des performances, du rendement en méthane, des niveaux d’acides organiques et de la stabilité du procédé. Tous constituent des indicateurs fiables permettant de déterminer si la communauté microbienne réagit.

Pour de nombreuses installations, le retour sur investissement est significatif. La supplémentation dans les systèmes carencés démontre des améliorations du rendement en méthane allant de 15–20 % à l’échelle industrielle [6] à 23–39 % dans des études contrôlées [4,5], souvent accompagnées souvent accompagnées d’une amélioration notable de la stabilité du procédé en quelques semaines. Cela constitue un résultat significatif pour un ajout mineur à un programme chimique existant.

L’équipe d’Aquasan est à votre disposition pour vous accompagner dans l’analyse du digestat réalisée par une tierce partie, l’élaboration d’une stratégie de supplémentation grâce à notre gamme de produits spécialement conçus pour le biogaz, ainsi que l’optimisation continue des procédés pour les systèmes de digestion anaérobie de toutes tailles et de tous types de substrat.

Références

[1]  Šafarič L, Shakeri Yekta S, Svensson BH, Schnürer A, Bastviken D, Björn A. (2020). Effect of Cobalt, Nickel, and Selenium/Tungsten Deficiency on Mesophilic Anaerobic Digestion of Chemically Defined Soluble Organic Compounds. Microorganisms, 8(4), 598. https://doi.org/10.3390/microorganisms8040598

[2]  Thauer RK, Friedmann HC. (1990). Structure and function of the nickel porphinoid, coenzyme F430, and of its enzyme, methyl coenzyme M reductase. FEMS Microbiology Reviews, 7(3–4), 339–348. https://doi.org/10.1111/j.1574-6968.1990.tb04930.x

[3]  Lebuhn M, Baur F, Munk B, Gronauer A. (2008). Biogas production from mono-digestion of maize silage — long-term process stability and requirements. Water Science & Technology, 58(8), 1645–1651. https://doi.org/10.2166/wst.2008.495

[4]  Pobeheim H, Munk B, Johansson J, Guebitz GM. (2011). Impact of nickel and cobalt on biogas production and process stability during semi-continuous anaerobic fermentation of a model substrate for maize silage. Water Research, 45(2), 781–787. https://doi.org/10.1016/j.watres.2010.08.037

[5]  Jiang Y, Dennehy C, Lawlor PG, Hu Z, McCarthy G, Gardiner GE, Zhan X. (2016). Enhanced Anaerobic Digestion of Food Waste by Supplementing Trace Elements: Role of Selenium (VI) and Iron (II). Frontiers in Environmental Science, 4, 8. https://doi.org/10.3389/fenvs.2016.00008

[6]  Gioelli F, Dinuccio E, Balsari P, Juliet A. (2018). Methodological approach for trace elements supplementation in anaerobic digestion: Experience from full-scale agricultural biogas plants. Journal of Environmental Management, 223, 827–836. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2018.06.100