Recyclage matière et valorisation énergétique des biodéchets : enjeux et solutions apportées par la méthanisation

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1 Recyclage matière et valorisation énergétique des biodéchets : enjeux et solutions apportées par la méthanisation 30 septembre 2021 Paris 15 ème Journée technique organisée avec le soutien de

2 Les caractéristiques des digestats issus de la méthanisation de biodéchets Julie JIMENEZ, Chercheur INRAe, LBE Narbonne

3 Contexte: méthanisation et bilan matière Biogas CH 4 +CO 2 +H 2 +H 2 O+ NH 3 +H 2 S MO biodegradable (sucres, lipides, protéines) NH4 MO microorganismes NH4 MO non biodégradable (lignine, protéines complexes, ) Eau MO biodegradable MO non biodégradable (lignine, protéines complexes, ) Eau Matière minérale (P, K, oligoéléments) Matière minérale (N, P, K, oligoéléments) Substrat frais en matière brute Digestat brut Les biodéchets et la méthanisation 30/09/2021 3

4 Contexte: digestat et besoins des agrosystèmes Digestat brut NH4 Eau MO microorganismes MO biodegradable MO non biodégradable (lignine, protéines complexes, ) Matière minérale (N, P, K, oligoéléments) Tous les ingrédients sont là. Quel état? Disponible ou non? Stable?Toxicité? Effet environnement? Les biodéchets et la méthanisation 30/09/2021 4

5 Contexte: pas «UN» digestat mais «DES» digestats Challenge du digestat Pas UN mais DES digestats! Les biodéchets et la méthanisation 30/09/2021 5

6 Contexte: pas «UN» digestat mais «DES» digestats Typologies des digestats d origine agricole et urbaine Substrats fibreux MS MV/MS élevé (>15%) élevé (65 à 80%) MS < 10% C/N < 10 C/N élevé (>10) NTK élevé NTK relativement (50 à >130 bas (< Substrats 35 g/kg MS) «rapides» (biodég.) g/kg MS) MV/MS bas (40 à 65%) Méthanisation Voie sèche Méthanisation voie humide Guilayn et al Les biodéchets et la méthanisation 30/09/2021 6

7 Le biodéchet est : Focus sur les digestats de biodéchets tout déchet non dangereux biodégradable de jardin ou de parc, tout déchet non dangereux alimentaire ou de cuisine issu notamment des ménages, des restaurants, des traiteurs ou des magasins de vente au détail, ainsi que tout déchet comparable provenant des établissements de production ou de transformation de denrées alimentaires. Article R du code de l'environnement Dans le cadre de cette présentation: Déchets non dangereux alimentaires ou de cuisine Déchets provenant des grandes et moyennes surfaces (denrées alimentaires) FFOM (fraction fermentescible des ordures ménagères) Les biodéchets et la méthanisation 30/09/2021 7

8 Composition du digestat de biodéchet C/N C/Norg MS (%) MV (% MS) N disponible N-NH4/NT (%NT) NT (g/kgms) P (g/kgms) Fumiers, ensilages Boues, IAA, biodéchets Déchets alimentaires, lisiers porcins K (g/kgms) Territorial FFOM, biodéchets, voie sèche Fumiers bovins, voie sèche Voie humide Voie sèche D après Guilayn (2019) Pauvre en MO et faible C/N: potentiel amendant plus faible? Riche en N, P, K : fort potentiel fertilisant? FFOM: C/N fort: amendant/structurant intéressant? Les biodéchets et la méthanisation 30/09/2021 8

9 Valeur amendante des digestats de biodéchets ISMO (basé sur incubations sur sols en laboratoires sur 39 digestats bruts) Valeur amendante plus faible vis-à-vis de l ensemble des digestats N=39 N=4 N=4 Manques données sur digestats bruts de biodéchets/ffom! Données INRAe Les biodéchets et la méthanisation 30/09/2021 9

10 Valeur fertilisante N des digestats de biodéchets Exemples: 100 kg N digestat = Keq kg N engrais Digestat brut de biodéchets sur blé Digestat brut de biodéchets sur colza (Levavasseur et al., 2018, 2019) et Houot (2020) C/N digestats biodéchets compris entre 2-5: 60 +/-18% (sur 5 références d essais au champ en France avec des digestats bruts de biodéchets; données COMIFER) Les biodéchets et la méthanisation 30/09/

11 Impact ajout biodéchet sur la qualité du digestat (1) Impacts des co-substrats (tels que biodéchets) Enquête sur 74 sites méthanisation agricole (Concept-Dig, 2019) Classe Intrants 1 Fumiers+Vgtx 2 Fumiers + Vgtx+ Lisier Rum. 3 Fumiers 4 Lisier Ruminant 5 Lisier NR + Biodéchets 6 Lisier NR 7 Lisier Ruminant + Graisse/Biodéchets 8 Lisier NR+ Graisse+biodéchets Ajout biodéchets: Hypothèse: Forte valeur fertilisante (N et P) et faible valeur amendante vis-à-vis des autres digestats Effet fertilisant augmente de classe 1 à classe 8 Les biodéchets et la méthanisation 30/09/

12 MS, MV (%MB); C/N g/kgms Impact ajout biodéchet sur la qualité du digestat (2) Projet PIA-MAPPED (ADEME, 2019) 5 digestats base lisier porcin (>60-90% en masse) Co-substrats: ensilage maïs, fumier, biodéchets, aliments chevaux, résidus aliments bétail 9,00 350,00 8,00 7,00 6,00 Résidus aliments betail 300,00 250,00 Résidus aliments betail 5,00 ensilage mais 200,00 ensilage mais 4,00 3,00 2,00 1,00 fumier bovin biodéchets aliments chevaux 150,00 100,00 50,00 fumier bovin biodéchets aliments chevaux 0,00 MS MV C/N 0,00 N_tot NH4 P2O5 K2O Digestat lisier porc + fumier = Typologie 3 (fumier) Digestat lisier porc + ensilage = Typologie 6 (non ruminant) Digestat lisier porc + biodéchet = Typologie 8 (non ruminant + graisses/biodéchets) Les biodéchets et la méthanisation 30/09/

13 %MO Impact ajout biodéchet sur la qualité du digestat (3) Projet PIA-MAPPED (ADEME, 2019) 5 digestats base lisier porcin (>60-90% en masse) 100,00 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 Lignine Cellulose Hemicellulose Soluble NDF Soluble à l'eau Résidus aliments bétail Données INRAe(LBE, OPAALE, ECOSYS) Fibres Van Soest ensilage maïs fumier bovin aliment pour chevaux biodéchets Incubations sol 175j Les biodéchets et la méthanisation 30/09/ C sol efficace (kgc/tmb) (ismo) N minéral dispo (kgn/tmb) Stockage du C dans le sol (kgc/tmb) 5,08 4,20 7,25 9,57 16, N dispo (kgn/tmb) 1,47 1,70 2,25 2,20 2,73 Lisier de porc + fumier bovin Lisier de porc + ensilage mais Lisier de porc + résidus aliments pour bétail Lisier de porc + aliment pour chevaux Lisier de porc + biodechets Lisier de porc + résidus aliments pour bétail Lisier de porc + biodechets Lisier de porc + aliment pour chevaux Lisier de porc + ensilage mais Lisier de porc + fumier bovin

14 Impacts sur la biologie du sol Peu de données scientifiques sont disponibles (Sadet-Bourgeteau, 2020): D après certaines études: un apport de digestats augmente la biomasse et l activité microbienne des sols (notamment par rapport à un système sans apport de PRO) D autres travaux ne reportent aucun effet des digestats de méthanisation sur ces mêmes paramètres, notamment vis-à-vis d un PRO non digéré Variabilités de facteurs expérimentaux tels que le type de digestats, la quantité apportée, le type de sol Premiers résultats (Thèse Victor Moinard): effet négatif possible à court terme (NH 3?): à investiguer Programmes de recherche en cours: programme METHABIOSOL (Casdar/Ademe) et Fertidig (Ademe) Les biodéchets et la méthanisation 30/09/

15 Innocuité des digestats Résistante aux T C de cuisson Revue de littérature sur l inactivation des pathogènes selon plusieurs facteurs et analyse statistiques: Jiang et al Effet significatif de la T C (thermophile) CSTR vs Batch: pas d effet mais voie sèche semble avoir un effet Potentielle inactivation via les AGV et NH 3 : à approfondir Pas d effet du temps de séjour (sauf si AGV produits) Pas d effet significatif de la composition des substrats Données digestats biodéchets en co-digestion mésophile, en dessous des normes : E. coli < 10 2 /gmb, Salmonella (absence), Enterocoques < LOD jusqu à /gmb en co-digestion avec boues Les biodéchets et la méthanisation 30/09/

16 Digestats et réglementation Statut du digestat: sortie du statut de déchets dans les cas suivants Cahier des charges DigAgri (8/11/2020) Les biodéchets et la méthanisation 30/09/ JO n /11/20

17 Digestats et réglementation Digestats vs critères produits (dernier texte EU) SOF LOF OSI "Solid" "Liquid" 20 SOF 15 LOF 5 OSI 7.5 SOF LOF OSI - SOF LOF 10 OSI - Post-traitements nécessaires! SOF LOF OSI - SOF:Solid Organic Fertilizer LOF: Liquid Organic Fertilizer OSI: Organic Soil Improver pas assez secs (MS), trop minéralisé (NH4/TN), pas assez organique (MV) pour norme amendement organique pas assez NPK pour atteindre la norme fertilisants Les biodéchets et la méthanisation 30/09/

18 Digestats et réglementation Métaux: En dessous des normes Hors limites: boues STEP (type 2) et certains FFOM (type 5) D après Guilayn (2019) Les biodéchets et la méthanisation 30/09/

19 Perspectives en R&D Post-traitements Post-traitements possibles pour valorisation (extrait Thèse F. Guilayn, 2019) Les biodéchets et la méthanisation 30/09/

20 Post-traitements classiques Séparation de phases Presse à vis Centrifugation Intérêts: 2 produits de qualités différentes Liquide plutôt valeur fertilisante Solide plutôt valeur amendante Potentiellement se rapprochant des normes NFU et Guilayn, F., et al., Digestate mechanical separation: Efficiency profiles based on anaerobic digestion feedstock and equipment choice. Bioresour. Technol. 274, Les biodéchets et la méthanisation 30/09/

21 Stockage Post-traitements classiques Projets Concept-Dig (ADEME, 2019) et MethaPolSol (ADEME, 2019): Digestats effluents d élevage Digestats bruts et liquides: C: impact peu significatif 5-6%Corg de biodégradation pour les digestats bruts et 6-10%Corg pour les phases liquides N: Impact dû à la volatilisation de l ammoniac qui peut être maîtrisée ou non (Couverture : - 80% d émission, Pilotage du croutage : jusqu à % d émission) Digestat solide: impact significatif 24-40% C org et montée en T C INRAe, OPAALE (R. Girault) Les biodéchets et la méthanisation 30/09/

22 Compostage Retrouvé sur les usines de traitement des FFOM en co-compostage avec déchets verts (structurant) Intérêts: Hygiénisation avec montée en T C Produit normé NFU Produit stabilisé: amendant Moins intérêt fertilisant Post-traitements classiques (exemple: Keq = 0.08, ANR DIVA, 2013) Les biodéchets et la méthanisation 30/09/

23 Récupération de nutriments stripping NH3, evapoconcentration, ajout adsorbants (biochars, ), cristallisation (P) Focus matière organique: Granulation, séchage, compostage/vermicompostage, pyrolyse (biochars), extractions acides humiques (biostimulants) Récupération énergie Post-traitements alternatifs et R&D Conversion thermique, production microalgues (biocarburants), saccharification puis fermentation, Les biodéchets et la méthanisation 30/09/

24 Conclusions Digestats de biodéchets: co-substrat Peu de données recensées sur valeur amendante, fertilisante, impact du la biologie et structure du sol des digestats de biodéchets: projet FertiDig (ADEME, ) et MéthaBiosol (CASDAR, ADEME, ) Innocuité et hygiénisation: programmes de recherche en cours Selon quantité de biodéchets: digestat = produit, sinon statut de déchets Post-traitements nécessaires Les biodéchets et la méthanisation 30/09/

25 Perspectives R&D Pyrolyse ou Carbonisation hydrothermale sur digestats biodéchets/ffom Wang and Lee, 2021 Les biodéchets et la méthanisation 30/09/