Brevet FR2260535A1 — publié le 19750905

Il est connu que l'aération de suspensions aqueuses, notamment de boues d'épuration et de purins, lors de processus de fermentation microbiologiques de nature aérobie conduisent souvent à la formation de matières surnageantes et/ou de mousse. On peut citer comme exemple à ce sujet la mousse maintes fois débordante produite notamment par une teneur élevée en phosphate dans les stations d'épuration biologique et les matières surnageantes solides qui se produisent lentement dans les traitements aérobies (en présence d'air) des purins. Cela étant, les matières surnageantes et la mousse gênent l'introduction d'air dans la suspension et par conséquent diminuent aussi l'efficacité de l'aération. Pour remédier à ces inconvénients on a essayé Jusqu'à présent de s'en tirer dans les cas semblables par des moyens mécaniques et chimiques. Mais les procédés mécaniques - enlèvement et destruction de la mousse ou des matières surnageantes - entratnent des opérations additionnelles et par conséquent déplacent simplement les difficultés en direction de la phase de destruction. Mais par ailleurs l'addition d'agents anti-mousse peut n'être pas entièrement satisfaisante car ceux-ci peuvent parfois perturber l'allure désirée de la fermentation. Les recherches qui ont conduit à la présente invention avaient par conséquent pour objectif de mettre au point un moyen grSce auquel l'aération d'une suspension aqueuse tendant à former des matières surnageantes et de la mousse est assurée et la formation de matières surnageantes et de mousse est, en même temps, empêchée, Cet objectif est atteint grSce au nouvel appareil selon l'invention qui doit être utilisé dans un procédé de préférence continu.Cet appareil est caractérisé en ce qu'il est constitué par un ou plusieurs récipients disposés en série et réunis entre eux par un trop-plein ou plusieurs récipients disposés côte à côte et, dans ceux-ci, un ou plusieurs dispositifs d'agitation disposés de préférence excentriquement par rapport à la section horizontale du récipient, dont l'excentricité éventuelle, la profondeur d'immersion, l'aire, la forme et l'inclinaison des pales et la vitesse de rotation sont déterminées en fonction de l'étendue de la surface de la suspension et de la viscosité prévue de cette suspension de façon qu un tourbillon (trombe) se produise dans la suspension, accompagné d'un effet d'aspiration sur l'air qui se trouve au-dessus. Grsce à cet appareil on réalise pour la première fois en une seule opération et sans aucun additif une aération non entachée des inconvénients connus d'une telle suspension aqueuse. Le tourbillon mentionné et l'effet d'aspiration qui en ré#sulte provoquent en même temps l'aération de la suspension et la suppression de la formation de masses surnageantes et de mousse, cela parce que, gracie à cette aspiration, les premiers germes conduisant à la formation de matières surnageantes et de mousse parviennent dans le liquide turbulent et disparaissent. La combinaison de divers paramètres, notamment 1. la profondeur d'immersion de l'appareil d'agitation, 2. l'aire, la forme et l'inclinaison des pales, 3. la vitesse de rotation (nombre de tours/minute) et éventuellement 4. l'excentricité par rapport à la section horizontale du récipient est déterminante pour la formation du tourbillon. Il convient d'insister présentement sur le fait qu'une excentricité de l'agitateur est certes à préférer mais toutefois n'est pas une condition nécessaire. Mais avec une disposition centrale de l'agitateur, on court le risque (en particulier lors de l'utilisation de récipients de section horizontale circulaire) que la totalité du volume de la suspension se mette en mouvement en décrivant des cercles et que la turbulence et le mélange intime de la suspension soient compromis. Il est par conséquent avantageux, avec une disposition centrale, de mettre en place dans le récipient une ou plusieurs chicanes. Avec les grands réservoirs, on doit incorporer plusieurs dispositifs d'agitation, en échiquier. Mais les paramètres sus-mentionnés doivent non seulement être en harmonie les uns avec les autres, mais aussi être choisis en relation fonctionnelle d'une part avec l'étendue de l'aire de la suspension, et aussi d'autre part en fonction de la viscosité à prévoir de la suspension. Ce n'est qu'après un choix approprié des proportions correctes qu'on obtient un tourbillon d'énergie suffisante pour que l'appareil puisse remplir ses deux fonctions. Par contre, la forme de la section horizontale du récipient n'a qu'une importance secondaire ; il peut en particulier être rond, carré, rectangulaire, allongé, ovale ou elliptique. Par sa nature meAme, le nouvel appareil d'aération a comme application principale des processus de fermentation microbiologiques du type aérobie. a Il s'est avéré avantageux - en particulier pour l'application principale mentionnée ci-dessus - de compléter cet appareil en plaçant, en plus et en amont du ou des récipients d'aération, un récipient collecteur qui assure le recueil du liquide aqueux, la préparation de la suspension et l'alimenta- tion continue du ou des récipients d'aération, qui comprend un mélangeur et qui est relié au premier des récipients d'aération disposés en série ou avec chacun des récipients d'aération disposés côte à caste par une conduite d'arrivée comportant un régulateur de débit des trop-pleins. Grâce à l'addition du récipient collecteur susmentionné on peut notamment assurer un fonctionnement continu et régulier de l'appareil, même quand l'arrivée de la suspension aqueuse à la station d'épuration est discontinue ou s'effectue par à-coups. De plus, il permet de préparer la suspension à l'endroit choisi, immédiatement avant son envoi au récipient d'aération. De plus, il peut aussi Qtre avantageux - en particulier dans le cas de processus de fermentation microbiologique de nature aérobie - de compléter l'installation en plaçant, en plus et en aval du ou des récipients d'aération, un réservoir de stockage qui assure le maintien de l'homogénéité et de l'aération du produit liquide pendant sa conservation, qui est équipé d'un ou plusieurs dispositifs d'agitation tournant lentement, de modèle classique ou, lors de l'application du principe de la fosse d'oxydation, est équipé d'un appareillage d'agitation tournant rapidement et relié au trop-plein ou aux trop-pleins du ou des récipients d'aération par un régulateur de débit pour trop-plein. Grâce à l'adjonction du réservoir de stockage mentionné on peut notamment éviter ltévacuation immédiate, impérative dans le cas contraire, de la suspension après l'exécution de l'aération, sans toutefois que la suspension perde de son homogénéité pendant la durée de sa conservation ou que sa composition se modifie du fait d'une teneur insuffisante en alr et d'un processus de fermentation rétrograde (anaérobie) Comme processus de fermentation micro-biologiques, l'appareil - surtout sous sa forme de réalisation "récipient collecteur/récipient d'aération/réservoir de stockage" - met en oeuvre, dans une application particulièrement rationnelle et avantageuse, une nouvelle forme de fermentation aérobie de déchets agricoles et urbains dans un milieu liquide.On utilise alors, comme substrat pour l'aération, une suspension aqueuse constituée par un mélange d'urine et d'excréments provenant d'un élevage de bétail agricole ou par une boue d'épuration des eaux résiduaires et de sources solides de carbone sous une forme aussi finement divisée que possible, de préférence sous forme broyée, et on maintient dans cette suspension un rapport pondéral carbone/azote égal ou supérieur à 5 et une teneur en oxygène d'au moins 0,4 mg/litre. Cette application préférée de l'appareil selon l'invention est décrite en détail ci-après. On utilise, comme source solide de carbone, en particulier des glucides ou des matières constituées principalement par des glucides ou dégradables dans une large mesure en glucides, de préférence des matières ou des déchets propres à l'agriculture, tels que la paille broyée ou la sciure de bois, ou encore des balayures ménagères broyées (ordures ménagères). Avec ce choix, les combinaisons ci-après semblent particulièrement rationnelles et peuvent être utilisées selon les conditions locales : mélange d'excréments liquides et solides + paille broyée ou sciure de bois ; mélange d'excréments liquides et solides + balayures ménagères ; boues d'épuration + balayures ménagères. En pratique, le rapport carbone/azote désiré peut être facilement atteint si l'on ajoute au substrat environ 2 à 4 en poids des sources de carbone simples (par exemple de paille broyée ou de sciure de bois) par rapport au volume du substrat. Les balayures ménagères doivent être ajoutées en une proportion quelque peu supérieure par rapport à ces sources de carbone, car elles contiennent en règle générale une certaine quantité d'azote ; c'est pourquoi leur addition est réalisée de préférence en une quantité comprise entre 5 et 10 % en poids (rapportée au volume du substrat, ctest-à-dire dans le sens de 5 à 10 kg pour 100 litres de substrat). L'addition des sources solides de carbone peut être réalisée avantageusement de façon continue. Dans la mesure où les considérations économiques le permettent, on règlera avantageusement le rapport pondéral carbone/azote dans la suspension à une valeur supérieure à la valeur minimale fixée de 5, le rapport optimal étant compris entre 5 et 15, de préférence voisin de 10. De même, la teneur en oxygène de 0,4 mg/litre - mesurée dans le volume total de la suspension - ne représente qu'une limite inférieure ; il est par conséquent avantageux de veiller à obtenir une teneur supérieure en oxygène, par exemple de 3 à 4 mg par litre. Ceci est obtenu simplement en augmentant l'intensité de l'aération, de la façon la plus simple en augmentant la vitesse de rotation de l'appareil d'agitation. Parfois, une viscosité trop élevée de la suspension peut compromettre les possibilités d'agitation et aussi, par conséquent, l'intensité de l'aération ; dans ce cas, on peut diminuer la viscosité par dilution avec de l'eau dans une proportion telle que, pour maintenir la teneur désirée en oxygène, on dispose d'une intensité d'aération suffisante. Etant donné que la viscosité de la suspension dépend en parti culier de sa teneur en matières solides, on doit en tenir compte lors de l'addition des sources de carbone. On doit par conséquent ajouter les sources de carbone solides au substrat en une proportion telle (poids/volume) que le rapport C désiré N soit atteint, mais on doit veiller en même temps, éventuellement par dilution, à réaliser une aération suffisante en ce qui concerne la teneur en oxygène du liquide. Pour une fermentation aérobie, une température dans la région mésophile, de préférence entre environ 25 et 400C, est avantageuse. La régulation de la température est réalisée en faisant varier la vitesse de rotation de l'appareil d'agitation ou en interrompant par intermittence l'aération ; dans ce dernier cas, les intervalles doivent certes être déterminés de façon que la teneur minimale en oxygène du liquide soit garantie en permanence. Mais en règle généraie, la température désirée est atteinte et maintenue, sans autre intervention, par la chaleur dégagée par la fermentation. La température interne de la suspension qui fermente dépend en partie de la température extérieure ; par conséquent le procédé devrait être avantageusement exécuté dans des récipients calorifugés. La durée du processus de fermentation aérobie dépend en partie de la température extérieure et est en général comprise entre 3 et 8 jours. Le maintien de la température favorable de fermentation est essentiel pour des considérations d'hygiène. Dans le cas d'une exécution correcte de la fermentation, la teneur initiale en azote du substrat est parfaitement maintenue et la suspension qui a fermenté est inodore. Par conséquent, l'absence d'odeur du produit signifie également que la fermentation s'est déroulée correctement, Enfin il ne se forme dans ces conditions aucune substance toxique comme, en particulier, l'acide benzorque, des phénols et l'hydrogène sulfuré H2S. De plus, il a semblé intéressant d'obtenir davantage de renseignements sur la nature chimique de l'azote lié qui reste dans la suspension après sa fermentation. Des analyses qualitatives et quantitatives ont conduit à la découverte inattendue que l'azote est présent dans une large mesure ou même en quasi-totalité sous la forme d'amino-acides (protéines microbiennes). Cela étant, les amino-acides représentent pour les plantes et les micro-organismes du sol la source d'azote préférée ; sous cette forme, notamment, l'apport d'azote est utilisé de façon optimale lors des phénomènes biochimiques. Il convient aussi de mentionner, à ce point de vue, la conversion observée du phosphore minéral en composés phosphorés organiques, qui se produit au cours de la fermentation. Par conséquent, le produit de la fermentation aérobie décrite, exécutée à l'aide de l'appareil selon l'invention, des déchets agricoles et urbains, constitue un engrais excellent qui est inoffensif aussi bien pour les plantes que pour les êtres vivants présents dans le sol, et est parfaitement inodore. Pour les mêmes raisons, ce produit convient aussi pour servir à l'alimentation du bétail. Cela étant, on décrit en détail, à l'aide du dessin annexé, un exemple de réalisation de l'appareil selon l'invention lors de son application préférée. La figure 1 est une coupe longitudinale et la figure 2 une vue en plan. Le récipient collecteur 1 sert à recevoir les purins et les boues d'épuration et en même temps de prémélangeur ainsi que pour l'addition de la source de carbone. Dans ce but, il comporte un mélangeur. Le passage dans le ou les récipients 2 et de là dans le réservoir de stockage 3 est réalisé par dosage, continuement ou par à-coups. Les récipients communiquent par les trop-pleins 6. Un dispositif d'agitation 4 tournant rapidement est installé dans le récipient 2. La capacité de ce récipient est déterminée d'une part d'après le débit d'introduction ou de passage de la suspension (liquide) à traiter biologiquement et, d'autre part, en fonction de la puissance d'agitation et d'aspiration de l'agitateur. Il est avantageux d'utiliser, à la place d'un seul récipient 2, deux de ces récipients, pour accélérer ainsi le processus de fermentation, en particulier quand le substrat traité est destiné à être utilisé comme aliment du bétail. Dans les stations d'épuration ayant une production de matières à traiter (boues d'épuration) beaucoup plus importante que dans l'élevage du bétail (purin), il est nécessaire de disposer cste à cote plusieurs récipients 2 pour mener à bien la dégradation biologique. Le réservoir de stockage 3 est équipé d'appareils d'agitation 5 tournant lentement dont la tâche consiste à mainte nir la fermentation aérobie et l'homogénéité pendant le stockage dans un intervalle de température compris entre 10 et 250C. A la fosse à purin ou au silo à purin correspond, dans une station d'épuration, un silo de stockage pour matières liquides (engrais) à base de boues d'épuration et d'ordures ménagères, silo qui est équipé d'agitateurs tournant lentement. REVENDICATIONS 1.- Appareil pour l'aération de suspensions aqueuses ayant tendance à former des matières surnageantes et des mousses, appareil caractérisé en ce qu'il est constitué par un ou plusieurs récipients disposés en série et réunis entre eux par un trop-plein, ou plusieurs récipients disposés côte à côte, etss dans ceux-ci > un ou plusieurs dispositifs d'agitation, disposés de préférence excentriquement par ra#pport à la section horizontale du récipient, dont l'excentricité éventuelle, la profondeur d'immersion, l'aire, la forme et l'inclinaison des pales et la vitesse de rotation sont déterminées en fonction de l'étendue de la surface de la suspension et de la viscosité prévue de cette suspension de façon qu'un tourbillon se produise dans la suspension, accompagné d'un effet d'aspiration sur l'air qui se trouve au-dessus. 2.- Appareil selon la revendication I, caractérisé en ce qu'il comprend, en plus et en amont du ou des récipients d'aération, un récipient collecteur qui assure le recueil du liquide aqueux, la préparation de la suspension et l'alimentation du ou des récipients d'aération , qui comprend un mélangeur et qui est relié au premier des récipients d'aération disposés en série ou avec chacun des récipients d'aération disposés côte à c8te par une conduite d'arrivée comportant un régulateur de débit des trop-pleins. 3.- Appareil selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qutil comprend, en plus et en aval du ou des récipients d'aération, un réservoir de stockage qui assure le maintien de l'homogénéité et de l'aération du produit liquide pendant sa conservation, qui est équipé d'un ou plusieurs dispositifs d'agitation tournant lentement, de modèle classique, ou, lors de l'application du principe de la fosse d'oxydation, est équipé d'un appareil d'agitation tournant rapidement et relié au trop-plein ou aux trop-pleins du ou des récipients d'aération par un régulateur de débit pour trop-plein. 4.- Application de l'appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 à un processus de fermentation microbiologique aérobie. 5.- Application selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'on utilise l'appareil pour la fermentation aérobie d'une suspension aqueuse constituée par un mélange d'urine et d'excréments provenant d'un élevage de bétail ou par une boue d'épuration des eaux résiduaires et des sources solides de carbone sous une forme aussi finement divisée que possible, de préférence broyée, un rapport pondéral carbone/azote d'au moins 5 et une teneur en oxygène d'au moins 0,4 mg/litre étant maintenus daps cette suspension. 6.- Application selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'on utilise comme sources de carbone solides des glucides ou des matières constituées principalement par des glucides ou dégradables dans une large mesure en glucides, de préférence des matières ou des déchets propres à l'agriculture, tels que la paille broyée ou la sciure de bois ou encore des balayures ménagères (ordures ménagères). 7.- Application selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisée en ce qu'on maintient dans la suspension un rapport pondéral carbone/azote compris entre 5 et 15, de préférence voisin de 10. 8.- Application selon la revendication 5, caractérisée en ce que la température de la suspension est maintenue, dans le récipient d'aération, entre 25 et 400C et, dans le récipient de stockage, entre 10 et 250C,