Approche inverse de conception d’un biosystème d’oxydation du méthane : de la haute efficacité observée sur le terrain à l’analyse approfondie en laboratoire

Les émissions de méthane (CH4) provenant des sites d’enfouissement demeurent l’un des défis les plus urgents à relever dans le cadre des efforts mondiaux de la lutte contre les changements climatiques. Au Canada, les sites d’enfouissement constituent la troisième source anthropique de CH4, un gaz dont le potentiel de réchauffement planétaire est 28 fois supérieur à celui du dioxyde de carbone (CO2) sur un horizon de 100 ans, et 86 fois supérieur sur un horizon de 20 ans. Bien que des systèmes de captage du biogaz soient généralement installés dans les sites d’enfouissement actifs, afin de produire du gaz naturel renouvelable, les émissions fugitives et résiduelles restent largement non traitées. Dans ce contexte, les biosystèmes d’oxydation du méthane (BOMs) suscitent un intérêt croissant en tant que solution économique et pratique en entretien pour atténuer ces émissions. Toutefois, les facteurs qui influencent leur performance en conditions réelles demeurent encore peu compris. Cette thèse a été développée selon une approche de conception inverse, débutant par le suivi d’un BOM à l’échelle installé au Complexe Environnemental de Saint-Michel (CESM), à Montréal, et poursuivie par des essais en laboratoire visant à mieux comprendre son comportement. Le biofiltre du CESM a été construit pour traiter un biogaz pauvre en méthane (~1,7 %) à débit élevé (~1944 m3/jour). Sur une période de 54 semaines, le biofiltre a maintenu une efficacité moyenne d’élimination du CH4 de 96 %, malgré le fait qu’une portion limitée de la couche d’oxydation du méthane (COM) soit demeurée active en raison d’une obstruction partielle du filtre. Ces résultats ont soulevé des questions fondamentales sur les facteurs ayant permis une telle performance, notamment la composition du gaz, l’adaptation microbienne et la configuration du système. Des expériences en laboratoire ont donc été menées en utilisant le même matériau (compost et copeaux de bois) employé sur le terrain. Une première étude a évalué l’influence de la disponibilité en oxygène (O2) dans le biogaz en faisant varier le ratio O2/CH4 sous un temps de séjour de lit vide (TSLV) de 90 minutes. Les résultats ont confirmé qu’un ratio O2/CH4 ≥ 3,0 était essentiel pour atteindre des efficacités d’oxydation supérieures à 99,5 %, tout en soulignant l’importance de prendre en compte les pertes d’O2 liées à la respiration hétérotrophe. Par la suite, l’acclimatation microbienne a été étudiée au moyen de différentes stratégies de montée en charge du biogaz. Quatre colonnes de laboratoire ont été soumises à des profils d’augmentation de débit distincts — linéaire, exponentiel, type premier ordre et constant. Les résultats ont démontré que ces stratégies influençaient significativement la rapidité et la profondeur d’oxydation complète du CH4Autrement dit, les profils linéaires et exponentiels permettant une élimination plus rapide dans des couches plus minces. Un essai à long terme a confirmé des taux d’oxydation soutenus dépassant 3800 gCH4·m-3·j-1, et a introduit le concept d’efficacité cumulative afin d’évaluer la performance globale en fonction du temps. Enfin, ces résultats techniques ont été traduits en indicateurs climatiques concrets, démontrant l’impact potentiel des BOM dans les bilans d’émissions de gaz à effet de serre (GES) municipaux et soulignant leur rôle dans les plans d’action climatique. Les résultats de cette thèse contribuent à l’amélioration des méthodologies de conception des BOM, à la validation de stratégies de suivi de performance et à l’élargissement des connaissances issues des essais en laboratoire pour appuyer la mise en œuvre à échelle.

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