Digestate-derived biochar as a functional carbon material to enhance methane yield and process stability in the anaerobic co-digestion of agro-industrial wastes

Transformer les déchets en énergie est un concept familier dans le monde moderne, mais le processus est souvent un équilibre délicat. Au cœur de cet effort se trouve la digestion anaérobie, une méthode naturelle où des microbes décomposent la matière organique en l'absence d'oxygène pour produire du biogaz, un combustible riche en méthane. Ce carburant peut alimenter des foyers et des véhicules, offrant une alternative plus propre aux combustibles fossiles. Cependant, le processus est fragile. Lorsque les agriculteurs et les transformateurs alimentaires mélangent différents types de déchets pour nourrir ces communautés microbiennes, le système peut devenir instable. Les microbes peuvent produire trop d'acide, ou l'environnement peut devenir trop toxique avec l'ammoniac, provoquant le ralentissement ou l'arrêt de toute l'opération. Pour maintenir le système en bon fonctionnement, les scientifiques cherchent depuis longtemps des additifs qui puissent agir comme un tampon, stabilisant l'environnement et aidant les microbes à travailler plus efficacement. Une voie prometteuse consiste à utiliser des matériaux riches en carbone, qui peuvent absorber les sous-produits nocifs et fournir une surface pour la croissance de bactéries bénéfiques.

Dans une étude récente, des chercheurs ont exploré une solution spécifique à ce problème : transformer les déchets solides restants du processus de digestion lui-même en un outil pour améliorer le processus. Après la décomposition initiale des déchets, un matériau appelé digestat subsiste. Bien que souvent utilisé comme engrais, la partie solide de ce digestat peut être chauffée dans un environnement pauvre en oxygène pour créer une substance poreuse, semblable au charbon, appelée biochar. Les chercheurs ont posé une question simple mais significative : si l'on prenait ce résidu solide, qu'on le transformait en biochar et qu'on l'ajoutait de nouveau dans la cuve de digestion, cela aiderait-il à produire plus de carburant et à maintenir la stabilité du système ? Ils ont testé cela en créant le biochar à partir de la fraction solide du digestat et en le chauffant à une température spécifique, puis en le mélangeant à des lots de déchets agricoles et industriels dans des cadres de laboratoire contrôlés.

L'équipe a testé cinq doses différentes de cet additif de biochar pour trouver le dosage idéal. Ils ont observé que l'ajout du matériau modifiait effectivement le résultat, mais seulement jusqu'à un certain point. Lorsqu'ils ajoutaient une petite quantité, le système s'améliorait, mais en ajouter trop n'apportait pas de gain et ajoutait simplement un volume inutile. La dose la plus efficace s'est avérée être de un pour cent du poids total du mélange. À ce niveau spécifique, les résultats étaient clairs et mesurables. Le volume total de gaz produit a bondi de manière significative, passant de 619 millilitres à 992 millilitres dans des conditions standards. Plus important encore, la quantité de méthane, le composant énergétique précieux, est passée de 322 millilitres à 565 millilitres. Le gaz est également devenu plus riche en méthane, passant de 52 % à 57 %, ce qui signifie que le carburant était de meilleure qualité.

Au-delà de la simple production de gaz, le biochar a aidé le système à fonctionner plus sereinement. Les chercheurs ont mesuré les niveaux d'acides gras volatils, qui sont des sous-produits acides pouvant empoisonner les microbes s'ils s'accumulent, et ont constaté que ces niveaux avaient chuté. De même, la concentration d'azote ammoniacal total, une autre substance pouvant inhiber le processus, a diminué. La quantité de sulfure d'hydrogène, un gaz toxique et malodorant souvent associé au biogaz, a également baissé. En analysant la rapidité avec laquelle le gaz était produit au fil du temps, les chercheurs ont déterminé que les microbes commençaient à travailler plus tôt et atteignaient leur vitesse de pointe plus rapidement en présence de biochar. Cela suggère que le matériau a aidé la communauté microbienne à s'établir plus rapidement et à fonctionner avec une plus grande efficacité.

L'étude a également examiné si cette idée pourrait fonctionner dans une véritable usine de biogaz à grande échelle. Les chercheurs ont calculé les flux d'énergie et de matières nécessaires pour prendre les déchets solides, les sécher, les chauffer pour en faire du biochar et les réinjecter dans le système. Ils ont constaté qu'une usine n'aurait pas besoin de convertir la totalité de ses déchets solides en biochar pour obtenir des bénéfices ; seule une partie serait nécessaire. Cependant, ils ont identifié un obstacle majeur : l'énergie requise pour sécher les déchets solides humides avant le chauffage est substantielle. Bien que le concept de recyclage des déchets en un additif utile soit fondé, la mise en œuvre pratique dépend de la capacité d'une usine à récupérer suffisamment de chaleur pour rendre le processus de séchage efficace. L'étude conclut que, bien que cette approche circulaire soit très prometteuse pour améliorer la production de méthane et la stabilité, une utilisation réussie à grande échelle nécessitera des tests rigoureux des capacités de séchage locales et un suivi à long terme pour garantir que le système reste stable au fil du temps.