Brevet FR2380227A1 — publié le 19780908

On sait que certains produits organiques, ou les eaux contenant ces produits organiqùes, ne peuvent être rejetés sans risques dans le milieu environnant ; par exemple, le rejet de matières organiques dans les rivières conduit à un abaissement de leur teneur en oxygène, préjudiciable à la vie des poissons ou autres organismes vivant dans ce milieu. Ce rejet est également source d'odeurs nauséabondes. Un procédé classique d'épuration consiste à aérer les eaux résiduelles de façon à oxyder les matières organiques. On recueille des boues dont il est souvent difficile de se débarasser. Des traitements annexes sont le plus souvent nécessaires, par exemple, une floculation-décantation ou une flottation. En outre, ce procédé connu consomme une quantité appréciable d'énergie. Le procédé de l'invention est basé sur une fermentation anaérobie et permet non seulement de réduire la quantité de boue formée mais aussi de recueillir celle-ci sous forme stabilisée, utilisable comme engrais. Il permet aussi de produire un gaz de fermentation è pouvoir calorifique élevé (pouvoir calorifique minimum : 6 000 à 7 000 Kilocalories par Nm3). La fermentation est également favorisée par entrainement continu de dioxyde de carbone hors du fermenteur, ce qui permet aux réactions équilibrées de se déplacer dans un sens favorable. Le procédé est applicable en particulier aux rejets industriels, agricoles et urbains et notamment aux suivants : abattoirs, distilleries, levureries-féculeries, stations d'équarrissages, amidonneries, fromageries, fabriques d'aliments pour bétail, unités de fabrication de produits chimiques, de protéines, de produits pharmaceutiques, etc Le procédé de l'invention comprend les étapes suivantes a) On envoie l'effluent contenant la matière organique dans une zone de fermentation et on le brasse dans cette zone au moyen d'un gaz (A) qui ne contient pas d'oxygène en quantité appréciable et dont l'origine est indiquée plus loin, et l'on sépare de cette zone un gaz (B), contenant du méthane et du dioxyde de carbone et un liquide boueux (C). b) On envoie le gaz (B) dans une zone de lavage par un agent alcalin aqueux, de manière à débarasser le gaz d'au moins une partie du dioxyde de carbone et on recueille séparément un gaz (D! et une phase aqueuse alcaline (E) c! On recycle une partie du gaz (D à la zone de fermentation où il constitue le gaz (A) indiqué plus haut, tandis que le reste de gaz (D) constitue le gaz combustible produit par le procédé. d) On envoie une partie du liquide boueux (C) dans une zone de décantation, pour obtenir séparément une boue concentrée (F) et un liquide éclairci (G). e) On renvoie une partie de la boue concentrée (F) à la zone de fermentation et on soutire une autre partie de cette boue que l'on décharge du procédé. f) On renvoie au moins une partie de la phase aqueuse alcaline (E) à la zone de fermentation. g) On décharge du procédé au moins une partie du liquide éclairci (G! Selon un perfectionnement à cette technique, on prélève une partie du liquide éclairci (G) et on l'utilise comme phase aqueuse de lavage pour l'étape (b), après addition d'un agent alcalin. On peut éviter ainsi toute consommation d'eau externe. Selon un autre perfectionnement, on injecte l'agent alcalin aqueux directement dans la conduite de gaz (Bo et l'on comprime le mélange gaz liquide résultant, par exemple, au moyen d'une pompe à anneau liquide ou par tout autre dispositif approprié tel que, par exemple, une trompe à eau, avant de l'envoyer dans une zone de séparation gaz-liquide. La chaleur dégagée par la compression est ainsi directement récupérée par les fluides. Selon un mode opératoire préféré, la zone de fermentation utilise le principe du gazosiphon : le brassage du liquide est obtenu par injection du gaz recyclé de l'étape (c) au bas d'une (ou plusieurs) conduite(s) ou cheminée(s) disposée(s) à l'intérieur du fermenteur. Cette cheminée est en communication avec le reste du fermenteur, à la fois au voisinage de son extrémité inférieure et de son extrémité supérieure. Le gaz entraîne le liquide du bas vers le haut à l'intérieur de la cheminée ; le liquide se sépare du gaz en haut de la cheminée et se déverse dans le reste du fermenteur ; il redescend à l'extérieur de la cheminée pour être repris à nouveau au bas de la cheminée. La cheminée peut être cylindrique et disposée au centre du fermenteur. Selon une variante, la cheminée centrale sert à la descente du liquide et le gaz élévateur est alors injecté au bas de la zone annulaire entourant la cheminée : le liquide circule donc en sens contraire de celui décrit plus haut. Comme exemples de dispositifs de type gazosiphon, on pourra se référer aux brevets français I.529.536, 1.603.547 et 2.054.466. L'agent alcalin aqueux est, de préférence, une solution aqueuse de soude ou de potasse. L'emploi de carbonate de sodium ou de potassium est. moins avantageux car il ne permet pas une dissolution aussi efficace du dioxyde de carbone ; on risque aussi d'observer un dépôt de bicarbonate de sodium. L'ammoniac est également moins désirable. La quantité d'agent alcalin à mettre en oeuvre est fonction de la quantité de matière organique présente dans la charge et du pH que l'on désire obtenir pour la fermentation. En règle habituelle, le pH est choisi entre 5 et 9 et de préférence entre 6 et 8. La température de fermentation est habituellement choisie entre 250C et 450C et de préférence entre 300C et 40qu. La figure jointe illustre un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple. L'effluent à traiter, contenant des matières organiques fermentescibles est envoyé par la conduite I dans le fermenteur 2. Celui-ci comporte au moins une cheminée interne telle que 3. Le liquide atteint le niveau 4. Un gaz contenant une forte proportion de méthane est injecté au bas de la cheminée par la ligne 5. Ce gaz entraîne le liquide de bas en haut dans la cheminée. En haut de la cheminée, le gaz se sépare du liquide, lequel redescend, comme indiqué par les flèches, pour être repris au bas de la cheminée. Le temps de séjour moyen est fonction des caractéristiques de l'effluent à traiter. Il est habituellement de 0,5 à 20 jours. Lors de son passage dans le fermenteur, le gaz s'enrichit en dioxyde de carbone. Un mélange de liquide et de boue est évacué par la conduite 6 et envoyé au dégazeur 7. De préférence, ce dégazeur fonctionne sous pression réduite et, de ce fait, un dispositif d'aspiration est prévu, sur la ligne 8. Ce dispositif peut avantageusement être constitué par une pompe à anneau liquide 20. Le gaz provenant de cette opération de dégazage est évacué par la conduite 8. Le mélange dégazé de liquide et de boue est envoyé par la conduite 9, qui sert de jambe barométrique, dans le décanteur-épaississeur IO, lequel est ouvert à l'atmosphère. Les boues anaérobies sont en partie recyclées au fermenteur 2, par la ligne Il, en partie soutirées par la ligne I2, après passage dans la pompe I3. La phase légère est évacuée par la ligne I4 ; elle peut être rejetée ou soumise à des traitements complémentaires de purification, par exemple, un traitement aérobie. Les gaz constitués principalement de CH4 et C02, évacués du fermenteur 2 par la conduite 15 et du dégazeur 7 par la conduite 8, sont lavés par une solution aqueuse de soude amenée par la ligne I8 et envoyés par l'intermédiaire de la pompe I6 dans le séparateur I7. On recueille en tête un gaz au moins partiellement débarrassé de CO2, dont une partie est soutirée et constitue la production de gaz de l'installation (ligne I9). L'autre partie est recyclée par la ligne 5 jusqu'au fermenteur 2.La phase liquide, qui contient du carbonate de sodium et éventuellement de la soude non convertie, est soutirée par le bas (ligne 21) et renvoyée au fermenteur où elle assure la neutralisation des acides formés lors de la fermentation, avec dégagement de C02. De manière preféree, on dispose. sur le circuit de cette ligne 2I, un échangeur de chaleur 26 alimenté, soit en eau chaude, soit en eau froide. Le rôle de cet échangeur est de permettre un contre précis de la température de fermentation. Cet échangeur peut, par exemple, être constitué par un chemisage de la ligne 21 ou par tout autre moyen habituel d'échange de chaleur. Si la perte de charge dans la ligne 21 devient trop élevée, à cause, par exemple, de la mise en place d'un échangeur de chaleur, il pourra être nécessaire d'adjoindre une pompe 22 sur ce circuit 21. Une partie de la phase liquide issue du séparateur I7 peut être recyclée par la ligne 23 vers la zone de lavage du gaz ; elle reçoit la soude (ligne I8) et de l'eau (ligne 24) prise de préférence sur l'eau clarifiée du décanteur IO par l'intermédiaire de la pompe 25. Le volume total d'eau (ligne24) et de soude (ligne I8) est de préférence sensiblement égal au volume de solution aqueuse à réaction basique recyclée par la ligne 21. A titre d'exemple, on a obtenu des taux de réduction de la demande biologique en oxygène (DBO) de 85 à 90 %. Les frais d'exploitation du procédé sont environ deux fois plus faibles que dans le procédé classique à boues activées, dès que la DBO de l'eau à épurer atteint 3000 à 4000 mg d'oxygène par litre. A partir de 8000 à IO 000 mg 02/litre, la production de gaz de fermentation assure l'équilibre énergétique global du procédé. EXEMPLE Un effluent aqueux dont la DBO est de 10 000 mg O2 /litre alimente, au débit de 100 m /jour, unfermenteur du type gazosiphon contenant 1150 m de liquide expansé à niveau constant. Ce fermenteur est alimenté, en outre, par 5 m /jour de solution alcaline en provenance du fond du laveur de gaz et 3 par IO m jour de boues concentrées provenant du fond du décanteur à boues. La valeur du pH dans le fermenteur est d'environ 7 et la température de 350C. La mise en circulation du contenu du fermenteur est assurée par un débit de 4800 Nm /jour de gaz riche en méthane provenant de la tête du laveur de gaz. 3 On soutire en permanence du fermenteur 115 m de liquide par jour, qui sont envoyés après dégazage au décanteur à boues. Le décanteur sépare 100 m /jour d'eau clarifiée dont 5 m /jour sont prélevés, additionnés de 280 Kg/jour de soude NaOH et injectés dans la boucle de lavage du gaz comprenant la pompe à anneau liquide. Le reste de l'eau décantée, soit 95 m /jour d'eau épurée à 1000 mg 02/litre de DBO, est envoyé au traitement final de fermentation aérobie. Dans le fond du décanteur, on récupère I5 m /jour de boue concentrée dont IO m /jour sont renvoyés au fermenteur et 5 m /jour de boue concentrée à 7 % poids de matière sèche sont retirés de l'unité pour subir un traitement approprié en vue de leur utilisation comme composant d'engrais. A la partie supérieure du fermenteur s'échappent 5250 m /jour d'un gaz contenant 4250 m /j. de méthane, 785 m /j. de gaz carbonique, 215 m /j. d'autres gaz tels que 02, N2, CO, H2S, etc... Ce gaz est aspiré par la pompe à anneau liquide, comprimé et lavé par la solution alcaline. En tête de laveur s'échappent, sous une pression de I bar relatif, 5165 m /jour 5165 degazdont4800m /jour4800 sont recyclés au fermenteur. L'excédent, soit 365 m jour dont 300 m jour de méthane et 50 m /jour de C02, constitue la production nette de gaz combustible de pouvoir calorifique au moins égal à 6500 Kcal /Nm3. REVENDICATIONS I. Procédé d'épuration d'un effluent aqueux contenant des matières organiques fermentescibles, qui comprend les étapes suivantes a) On envoie l'effluent cbntenant la matière organique dans une zone de fermentation et on le brasse dans cette zone au moyen d'un gaz (A) qui ne contient pas d'oxygène en quantité appréciable et dont l'origine est indiquée plus loin, et l'on sépare de cette zone un gaz (B), contenant du méthane et du dioxyde de carbone, et un liquide boueux (C). b) On envoie le gaz (B) dans une zone de lavage par un agent alcalin aqueux, de manière à débarasser le gaz d'au moins une partie du dioxyde de carbone et on recueille séparément un gaz (D) et une phase aqueuse alcaline (E). c) On recycle une partie du gaz (D) à la zone de fermentation où il constitue le gaz (A) indiqué plus haut, tandis que le reste de gaz (D) constitue le gaz combustible produit par le procédé. d) On envoie une partie du liquide boueux (C) dans une zone de décantation, pour obtenir séparément une boue concentrée (F) et un liquide éclairci (G). e) On renvoie une partie de la boue concentrée (F) à la zone de fermentation et on soutire une autre partie de cette boue que l'on décharge du procédé. f) On renvoie au moins une partie de la phase aqueuse alcaline (E) à la zone de fermentation. g) On décharge du procédé au moins une partie du liquide éclairci (G). 2. Procédé selon la revendication I, dans lequel on prélève une partie du liquide éclairci (G) et on l'utilise comme phase aqueuse de lavage dans l'étape (b) après addition d'un agent alcalin. 3. Procédé selon la revendication I ou 2, dans lequel on injecte l'agent alcalin aqueux directement dans la conduite du gaz (B) et l'on comprime le mélange résultant, avec échauffement concommitant avant de séparer le gaz (D) de la phase alcaline (E). 4. Procédé selon l'une des revendications I à 3, dans lequel le brassage de l'effluent, au cours de l'étape (a) est obtenu par injection du gaz recyclé de l'étape (c) au bas d'une conduite d'entrainement du liquide présent dans le fermenteur, le liquide entrainé étant ensuite séparé du gaz en haut de la conduite et renvoyé au bas de la dite conduite en passant à l'extérieur de celle-ci. 5. Procédé selon la revendication 3, dans lequel la compression est effectuée au moyen d'une pompe à anneau liquide ou d'une trompe à eau. 6. Procédé selon l'une des revendications I à 5, dans lequel l'agent alcalin est la soude ou la potasse. 7. Procédé selon l'une des revendications I à 6, dans lequel le peul, au cours de l'étape de fermentation, est de 5 à 9. 8. Procédé selon l'une des revendications I à 7, dans lequel le liquide boueux (C) obtenu à l'étape (a) est soumis à un dégazage sous pression réduite avant d'être envoyé à l'étape (d). 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel l'effluent à purifier présente une demande biologique en oxygène d'au moins 3000 mg d'O2 par litre.