L’effet de serre est un phénomène naturel et essentiel à la vie sur Terre. Toutefois, l’émission constante et en grande quantité dans l’atmosphère de gaz à effet de serre (GES), dont les principaux sont le CO₂, le CH₄ (méthane), l’oxyde nitreux (N₂O) et le gaz fluoré à effet de serre (F-GES), a intensifié ce phénomène, entraînant ce que l’on appelle aujourd’hui le réchauffement climatique. Parmi ces gaz, le CH₄ attire une attention particulière en raison de son potentiel de réchauffement global (PRG) 28 fois supérieur à celui du CO₂ sur un horizon de 100 ans (Environnement et Changement climatique Canada, 2024) et de 86 fois supérieur sur un horizon de 20 ans (IPCC, AR5, 2013).

Au Canada, les émissions de CH₄ proviennent principalement des lieux d’enfouissement, du traitement des eaux usées, des systèmes de gestion des déchets animaux, de l’exploitation minière du charbon ainsi que des installations de production et de distribution de pétrole et de gaz naturel (Environnement et Changement climatique Canada, 2019). À lui seul, le secteur des déchets est responsable de 19 % des émissions nationales de CH₄ dans le pays (Gouvernement du Canada, 2024a).

Dans cette optique, la Ville de Montréal s’est engagée à atteindre la carboneutralité d’ici 2050. Pour parvenir à cet objectif ambitieux, des mesures rigoureuses sont mises en place, comme l’adoption du Plan Climat 2020-2030 (Ville de Montréal, 2020). Parmi les nombreuses solutions envisagées, l’une d’entre elles concerne l’installation d’un biosystème pour détruire le biogaz appauvri en méthane produit au Complexe environnemental de Saint-Michel (CESM), à Montréal.

Le méthane produit par les lieux d’enfouissement

Le biogaz, comme on appelle les gaz émis par les lieux d’enfouissement, contient de 50 % à 60 % de CH₄ en volume. Lorsqu’il atteint un certain seuil de concentration et lorsque les débits sont significatifs, il devient économiquement viable de le capter et de le valoriser en gaz naturel renouvelable. Ce dernier peut donc être utilisé comme source d’énergie pour produire de l’électricité, chauffer des bâtiments ou encore alimenter des véhicules. Cette récupération du biogaz est surtout réalisée durant la période où le lieu d’enfouissement reçoit des matières résiduelles ainsi que pour une période d’environ 40 ans après la fermeture du site.

Éventuellement, la production de biogaz diminue au point où même une simple destruction du CH₄ n’est plus possible au moyen des technologies conventionnelles de captage et de brûlage. La concentration en CH₄ dans le biogaz produit pendant cette dernière phase est faible (moins de 2 %) et on dit que le biogaz est appauvri en méthane.

Les biosystèmes

L’une des solutions économiques et viables pour le traitement du biogaz appauvri est l’utilisation de biosystèmes. Ces systèmes peuvent également être employés durant la phase active, notamment pour traiter les émissions fugitives de CH₄ qui s’échappent à certains endroits du lieu d’enfouissement. L’objectif de ces technologies est le même : concevoir un système à faible coût, nécessitant peu d’intervention humaine, capable de réduire le PRG du CH₄ en le transformant en CO₂ par un processus d’oxydation biologique.

Parmi les solutions les plus étudiées figurent les biofiltres. On peut les imaginer comme une sorte de purificateur d’air. Le biogaz est aspiré par de grandes pompes et dirigé à travers un réseau de conduites vers le biofiltre. Une fois sur place, ce biogaz est distribué uniformément, dans ce qu’on appelle la couche de distribution de gaz (CDG), avant de traverser un matériau poreux et riche en matière organique, comme du compost, qui agit comme un filtre biologique. Le schéma de la Figure 1 illustre ce processus.

Le choix de ce matériau poreux et biologiquement actif est crucial, car il sert d’habitat à des bactéries spécialisées, appelées méthanotrophes. Ces micro-organismes se nourrissent du CH₄ et, grâce à une réaction chimique appelée oxydation, le transforment en CO₂ et en eau, dans ce qu’on appelle la couche d’oxydation du méthane (COM, représentée à la Figure 1).

Pour que cette transformation se fasse de manière efficace, deux conditions doivent être respectées : d’abord, le biogaz doit être bien réparti à la base du biofiltre ; ensuite, le matériau filtrant doit posséder les bonnes propriétés physiques et biologiques pour permettre la fixation et l’activité des bactéries, tout en assurant l’écoulement de l’eau, qu’elle provienne des précipitations ou du processus d’oxydation. Si ce n’est pas le cas, la transformation complète du CH₄ en CO₂ ne se produira pas de manière uniforme, ce qui réduit l’efficacité du biosystème. Ainsi, le choix du type de matériau, l’épaisseur de chaque couche et l’inclinaison du biofiltre sont des paramètres critiques. Et c’est précisément sur ces aspects que porte la recherche menée par le groupe BioMethoxUS.

Le cas de Montréal

Le Complexe Environnemental de Saint-Michel (CESM) est situé sur l’île de Montréal, en plein cœur d’un quartier résidentiel. Il s’étend sur 192 hectares. Ce lieu d’enfouissement était autrefois une carrière de calcaire (carrière Miron), qui a été exploitée de 1925 à 1984. L’élimination de matières résiduelles y a débuté en 1968. L’enfouissement des déchets ménagers a cessé en 2000, après l’accumulation d’environ 36 millions de tonnes de matières résiduelles. Toutefois, des matières résiduelles inertes issues des industries et des commerces, ainsi que des sols faiblement contaminés, y ont été déposés jusqu’en 2009.

Le biogaz capté au CESM provient de deux sources : un réseau de puits et de conduites de gaz, ainsi qu’un système de collecte installé dans des tranchées de ventilation (Franzidis et al., 2008). Le premier est utilisé pour produire de l’électricité depuis 1996, tandis que le second, ayant des concentrations de CH₄ avoisinant moins de 2 % en volume, était trop pauvre pour être traité par des moyens conventionnel.

La solution retenue pour essayer de traiter le biogaz appauvri extrait des tranchées de ventilation a été de construire un biofiltre pilote capable de traiter 10 % du débit total de ces tranchées. Tous les détails sur la conception, la construction, le suivi et le calcul de l’efficacité de ce biofiltre ont été publiés par Almeida et al. (2024). À la suite de cette étude, certaines questions ont été soulevées concernant des aspects concrets, par exemple : quelle a été la réduction des émissions de GES, exprimée en tonnes d’équivalent CO₂ ? À quelle autre source émettrice de CO₂ cette réduction peut-elle être comparée? Quels sont les défis de ce type de biosystème? Les réponses à ces questions constituent précisément l’objectif de cet article.

Les résultats concrets

Avec les résultats obtenus au cours des 56 mesures effectuées avec des chambres de flux sur le biofiltre du CESM d’octobre 2021 à décembre 2022, il a été possible d’identifier un flux moyen de biogaz de 1944 m³/jour avec une concentration moyenne de CH₄ de 1,71 % (pourcentage volume/volume). À partir de ces données et en utilisant un facteur de 28 pour le potentiel de réchauffement global du CH₄, 266,8 tonnes de CO₂ équivalent (t éq. CO₂), représentant environ 10 % des gaz captés par les tranchées de ventilation, auraient été émises dans l’atmosphère. Comme l’efficacité moyenne d’oxydation du CH₄ avec le biofiltre était de 96 %, la quantité de GES émis a donc été bien inférieure, comme l’illustre la Figure 2.

On peut observer à la Figure 2 la différence entre la quantité de CO₂ équivalent émise par jour avec et sans l’utilisation du biofiltre. Au total, le biofiltre a émis 16,0 t éq. CO₂ en raison des 4 % de CH₄ qui n’ont pas pu être traités, notamment pendant la période d’acclimatation des bactéries au flux de biogaz au cours des trois premiers mois suivant la construction du biofiltre. Cette faible émission s’explique par le fait que le CO₂ issu du biogaz fait déjà partie du cycle naturel du carbone, et que le CO₂ produit lors de l’oxydation du CH₄ est considéré comme un carbone biogénique, c’est-à-dire provenant d’une source biologique, ce qui le rattache également au cycle naturel du carbone. Si on compare le total des émissions de CO₂ équivalent sans et avec le biofiltre, on constate que le système a atténué 94 % des émissions.

En 2022, les émissions de GES de la collectivité montréalaise ont atteint 11 179 kt éq. CO₂, dont 173 kt provenaient uniquement des activités municipales (Ville de Montréal, 2024). Considérant un biofiltre à pleine échelle pour traiter tout le biogaz appauvri, c’est-à-dire 100 % du biogaz provenant des tranchées de ventilation du CESM, on aurait pu éviter l’émission de 2,19 kt éq. CO₂ par an, soit 10 fois plus qu’à ce moment. Cela correspond à 1,5 % des émissions de GES liées aux activités municipales de la Ville de Montréal en 2022. Si on considère une voiture particulière à essence parcourant 20 000 km par an, celle-ci émettra 4,6 t de CO₂ par an. Ainsi, le biofiltre permet de compenser l’équivalent des émissions annuelles de 477 voitures. Et tout cela grâce à un seul projet, sur un seul lieu d’enfouissement de la Ville.

D’un point de vue économique, les coûts de conception, de construction, d’exploitation et d’entretien du biofiltre pilote se sont élevés à 275 000 $ pour cette période. On estime que la durée de vie de ce biofiltre serait d’environ sept ans, ce qui permettrait de capter 15 364 t éq. CO₂ pendant ce temps, soit un coût de 17,90 $/t CO₂. Ce coût pourrait être encore plus bas si on considérait un potentiel de réchauffement du CH₄ égal à 86 ou si la concentration de CH4 dans le biogaz est plus élevée. Actuellement, la taxe carbone fédérale du Canada est fixée à 80 $ par t éq. CO₂ pour les combustibles fossiles (Gouvernement du Canada, 2024b). Autrement dit, le coût d’évitement obtenu avec le biofiltre du CESM est inférieur au prix établi pour la taxe carbone pour les combustibles fossiles actuelle et le biofiltre deviendrait donc compétitif sur le plan économique dans l’éventualité d’un élargissement de la taxe fédérale sur le carbone au-delà des combustibles fossiles.

Les contraintes

La construction de ce type de biosystème repose encore sur des matériaux qui doivent être choisis avec soin. L’ingénierie de conception est en développement et l’Université de Sherbrooke est une pionnière en conception de biosystèmes. La conception fait appel à divers domaines du génie, des sciences de l’environnement et de la microbiologie.

De surcroît, le système de mesure du flux de gaz traité par le biofiltre demeure une approche ponctuelle. Un projet en cours de notre groupe évalue le suivi en continu des émissions de la totalité de la surface du biofiltre. On vise à démontrer que les mesures ponctuelles pondérées par la surface totale du biofiltre sont fiables en tant qu’estimation du flux de gaz traité. Cela permettrait ensuite aux projets utilisant ce type de biosystème de participer à des programmes de crédits carbone.

De nombreuses recherches continuent d’être menées par notre groupe – et ailleurs – pour développer davantage les méthodologies et les critères de conception, afin de permettre l’utilisation de nouveaux matériaux et de nouvelles approches qui contribueraient à réduire les émissions de CH₄ à l’aide des biosystèmes.

Conclusion

Les biofiltres offrent une solution de rechange qui a démontré une faisabilité technico-économique pour traiter le CH₄ émis par les lieux d’enfouissement, en particulier lorsque la captation classique n’est plus rentable. L’expérience menée au CESM a démontré leur efficacité pour traiter un biogaz appauvri, avec une réduction de 96 % des émissions de CH₄ provenant des tranchées de ventilation. Cela représente une avancée considérable dans la lutte contre les GES, en raison du potentiel de réchauffement du CH₄.

Toutefois, leur mise en œuvre pose encore plusieurs défis, comme l’optimisation de la conception et la nécessité d’un suivi plus à long terme de leur performance. Les recherches en cours nous mènent chaque jour à des améliorations, ouvrant continuellement la voie à l’utilisation de biosystèmes encore plus efficaces.