Soutenance mémoire
Les déchets ménagers et les ordures ménagères résiduelles en France
Définitions préliminaires
L’étude se focalise sur la valorisation des ordures ménagères résiduelles. En ce sens, il est nécessaire de définir ce que représente ce gisement par rapport aux déchets municipaux. Ceux-ci regroupent l’ensemble des déchets dont la gestion relève de la compétence de la collectivité. Ils sont composés des déchets issus des espaces « publics » (espaces verts, marchés, voiries, assainissement) et des déchets ménagers et assimilés (DMA). Les DMA sont les déchets issus de l’activité domestique quotidienne des ménages et les déchets des activités économiques collectés dans les mêmes conditions que ceux-ci. Ces déchets sont ceux provenant de la collecte traditionnelle des ordures ménagères résiduelles (OMR), des collectes sélectives, des déchetteries, des collectes d’encombrants et des collectes de déchets verts (ADEME et al. 2010). Les OMR, appelées aussi « poubelle grise », constituent la partie des ordures ménagères (OM) qui restent en mélange après les collectes sélectives ; elles contiennent entre autres une importante fraction fermentescible (FFOMR).
Traitement et valorisation des OMR
Etat actuel du traitement
L’évolution du traitement des déchets municipaux (hors refus) entre 2002 et 2016 en France . Différentes technologies sont utilisées : la mise en décharge (stockage) et l’incinération (avec ou sans récupération d’énergie), le tri avant recyclage, le compostage et la méthanisation. Les modes de traitement évoluent très nettement vers une réduction de la mise en décharge (-39% depuis 2010) et la part de déchets incinérés continue d’augmenter (+24% depuis 2010). Les installations d’incinération et de stockage son aussi de plus en plus équipées pour permettre la récupération d’énergie sous forme d’électricité, de chaleur ou de gaz (ADEME 2019). Mais on assiste vraisemblablement à une augmentation des traitements (et des installations) visant à valoriser la matière : le recyclage et le compostage ont en effet augmenté de 127 et 103% respectivement, depuis 2010. Le traitement par méthanisation a aussi augmenté depuis 2010, passant de 0.1 à 0.9 Mt (+800%). Toutefois, la valorisation par voie biologique (compostage et méthanisation) reste encore minoritaire, représentant seulement 18% des traitements en 2016.
En ce qui concerne les OMR, les données évolutives sur les dernières années ne sont pas disponibles . Par rapport aux déchets municipaux, le traitement des OMR était très majoritairement orienté vers l’incinération avec récupération d’énergie et vers le stockage dans des installations prévues à cet effet. Ainsi, ce sont principalement les fractions des déchets municipaux autres que les OMR qui sont responsables des tendances . Les valorisations matière et organique ne représentent qu’une fraction très faible (7.14%) des traitements appliqués aux OMR. Etant donné la forte teneur en matières organiques des OMR d’une part, et les problématiques liées à l’incinération (rejets toxiques, imbrûlés), il n’est pas inconcevable d’évoluer vers un recours plus large aux traitements biologiques.
La plateforme AGV : une autre voie de valorisation des OMR ?
Comme l’indique la LTECV de 2015, valoriser les OMR constitue un enjeu majeur à l’échelle nationale. De plus, l’épuisement attendu des ressources pétrolières fossiles nécessite de trouver des voies de production visant à réduire la dépendance à ces ressources et permettant de répondre aux besoins en énergie et en matériaux.
Aux paragraphes précédents, nous avons vu que les OMR sont majoritairement traitées par incinération. Ce mode de traitement permet, en général, la production d’énergie sous forme de chaleur et/ou d’électricité ainsi qu’une réduction considérable du volume des déchets jusqu’à 90% si ceux-ci contiennent majoritairement des matériaux d’emballage, des papiers, cartons, plastiques et déchets d’horticulture (Hoornweg and Bhada-Tata 2012). Cependant, l’incinération est considérée comme efficace lorsque la teneur en eau du déchet ne dépasse pas 30% (Makarichi, Jutidamrongphan, and Techato 2018), ce qui est rarement le cas des déchets solides municipaux et des OMR . Aussi, l’incinération est une méthode de traitement controversée du fait des sousproduits qu’elle génère. Si la gestion de ceux-ci n’est pas optimale, les risques liés aux émissions atmosphériques sont très élevés (ADEME 2012). De plus, la fraction organique n’a pas d’intérêt à être incinérée.
Alors pourquoi continuer de traiter nos OMR par incinération ? Il existe en effet d’autres voies de traitement permettant de valoriser ces ordures qui contiennent une grande partie de matière organique, et ainsi de progresser un peu plus vers une économie circulaire. Le concept de bioraffinerie s’inscrit parfaitement dans ce cadre. Il s’agit d’une approche innovante de gestion environnementale où des produits de nature organique, arrivés au stade de déchets, sont considérés comme des ressources encore valorisables et renouvelables, et utilisés pour la fabrication de bio-produits à forte valeur ajoutée : bio-énergies, bio-carburants, bio-matériaux (Yin, Yu, Wang, et al. 2016; Strazzera et al. 2018). On peut alors citer l’exemple de la digestion anaérobie. C’est un processus naturel au cours duquel des composés organiques complexes sont décomposés en dioxyde de carbone et en méthane. Les procédés de digestion anaérobie sont donc particulièrement intéressants en termes de réduction de la matière organique (Toerien 1967; Abbassi-Guendouz et al. 2012). Le biogaz produit par digestion anaérobie contient environ 65% de méthane, 35% de dioxyde de carbone et des traces d’autres gaz (sulfure d’hydrogène, dihydrogène, diazote). Il est valorisable en tant que source de chaleur et d’énergie car il est énergétiquement efficace, et il est produit de manière propre puisque ce procédé génère peu de composés dangereux (Appels et al. 2011).
A grande échelle et de manière générale, la fabrication de produits d’intérêt via la digestion anaérobie se focalise majoritairement sur le biogaz, qui est le produit final du processus méthanogène anaérobie (Dogan, et al. 2008). Néanmoins, il est aussi possible de produire des composés chimiques à forte valeur ajoutée à partir des OMR, par la mise en œuvre des premières étapes de la digestion anaérobie, que l’on peut appeler « fermentation acidogène ». Ces composés à forte valeur ajoutée sont donc des intermédiaires de la digestion anaérobie. Parmi ceux-ci, on trouve notamment des acides organiques dits acides gras volatils (AGV), qui sont des acides mono-carboxyliques (une seule fonction –COOH) linéaires à courte chaîne comportant 2 à 6 atomes de carbone (Strazzera et al. 2018). Les déchets solides municipaux contiennent une importante fraction organique, qui constitue un substrat optimal pour la fermentation acidogène (Traverso et al. 2000; Dogan et al. 2009), cette fraction se trouvant principalement dans les OMR. Les déchets alimentaires sont des éléments facilement dégradés et rapidement solubilisés. Lors de la dégradation, la fraction organique labile, c’est-à-dire celle qui est solubilisée en premier lieu, est immédiatement consommée par les micro organismes anaérobies et convertie en AGV (Kawai et al. 2014).
Les rendements de production d’AGV et alcools légers que l’on peut obtenir à partir de la fraction organique des déchets municipaux en fermentation acidogène sont prometteurs et représentent plus de 40% de la DCO totale entrante (Dogan et al. 2009). De plus, la plateforme AGV présente un intérêt croissant pour la communauté scientifique et pour les industries. En effet, les AGV produits par fermentation acidogène sont une source de carbone renouvelable. Après diverses transformations possibles via des procédés biologiques, chimiques et thermochimiques, ils offrent un très grand nombre d’applications dans les secteurs pharmaceutique, alimentaire et les industries chimiques par exemple (Atasoy et al. 2018). En dehors des bio-carburants (méthanol, éthanol, biodiesel, méthane et hydrogène), ils peuvent être utilisés entre autres pour la fabrication de bioplastiques par voie microbienne (polyhydroxyalkanoates ou PHA), de produits commerciaux de type méthyl ou éthyl esters, de textiles et produits pharmaceutiques (Yin, Yu, Wang, et al. 2016; Dogan et al. 2009; Seong-Jin Lim et al. 2008; Sans et al. 1993; N.-J. Kim, Lim, and Chang 2018).On peut également citer l’utilisation des AGV comme source de carbone et d’énergie pour les micro organismes dans les procédés d’élimination biologique de nutriments (azote et phosphore) des eaux usées (S.-J. Lim et al. 2000). La production d’AGV offre donc une plus large gamme de possibilités que la production de biogaz. Par ailleurs, les AGV présentent un avantage économique par rapport au biogaz : celui-ci se vendrait au prix de 150 $/t alors que les prix de vente des AGV et autres intermédiaires de la digestion anaérobie peuvent aller de 400 à 4250 $/t, avec des tailles de marchés qui peuvent être importantes pour l’acide acétique notamment (Calt 2015; Bastidas-Oyanedel et al. 2015). Les AGV semblent aussi présenter un intérêt économique croissant avec la taille de la chaîne carbonée.
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Table des matières
Introduction générale
1. Les déchets ménagers et les ordures ménagères résiduelles en France
Définitions préliminaires
Composition
Traitement et valorisation des OMR
1.3.1. Etat actuel du traitement
1.3.2. La plateforme AGV : une autre voie de valorisation des OMR ?
Conclusions
2. La fermentation acidogène en culture mixte
Généralités
Processus biologiques impliqués
2.2.1. Hydrolyse
Acidogenèse
2.3.2. Acétogenèse
2.3.3. Méthanogenèse
2.3.4. Autres réactions en conditions anaérobies
Aspects cinétiques
Conclusions
3. Procédés de digestion de la matière
Caractéristiques des procédés de digestion anaérobie
3.1.1. Voie solide, voie humide
3.1.2. Procédés continus, discontinus, semi-continus, séquentiels
3.1.3. Procédés mésophiles, thermophiles
3.1.4. Procédés agités et statiques
3.1.5. Procédés en une ou plusieurs étapes
Procédés pour la fermentation acidogène des ordures ménagères résiduelles
3.2.1. Procédés existants
3.2.2. Réacteur à lit percolant pour la fermentation acidogène en voie sèche
Conclusions
4. Paramètres influençant les processus biologiques et chimiques de production d’AGV
Qualité du substrat
Inoculation : origine et prétraitement de l’inoculum, taux d’inoculation
pH et concentration en AGV
Température
Pression partielle en dihydrogène
Conclusions
5. Caractéristiques physiques, hydrostatiques et hydrodynamiques en réacteur à lit percolant
Description d’un massif de déchets dans un réacteur à lit percolant : milieu poreux
5.1.1. Théorie des écoulements multiphasiques en milieux poreux
5.1.2. Modèle à double porosité : description générale
Caractéristiques physiques du massif de déchets et méthodes de mesure
5.2.1. Les masses volumiques et densités
5.2.2. La porosité
5.2.3. La granulométrie
5.2.4. La compressibilité
Caractéristiques hydrostatiques et hydrodynamiques du massif de déchets
5.3.1. La teneur en eau, la distribution de l’eau, la capacité au champ
5.3.2. La perméabilité et la conductivité hydraulique
Conclusions
6. Mise en œuvre de la fermentation acidogène en réacteur à lit percolant
Immersion et/ou percolation
Volume, fréquence, mode de recirculation
Dilution et remplacement du lixiviat
Contrôle du pH
Conclusions
7. Bilan, objectifs et réalisation
Conclusion générale
