Brevet FR2474474A1 — publié le 19810731

La présente invention a pour objet à titre de produit industriel nouveau, un système de traitement continu aérobie puis anaérobie de tous les déchets organiques broyés en provenance des agglomérations pour en produire de l'énergie sous forme de gaz méthane combustible, d'eau chaude et d'engrais de bonne qualité. Actuellement plusieurs installations artisanales de fermentation de matières organiques appliquées aux déchets des exploitations agricoles ou à ceux des collectivités urbaines existent en France et dans le monde. Toutefois, aucune installation collective de collecte et de traitement regroupant tous les déchets organiques d'une agglomération, n'a été réalisée de façon artisanale ou industrielle. L 'out de la présente invention est d'assurer la collecte et le transport par voie de canalisation de l'ensemble des déchets organiques en provenance d'une agglomération urbaine ou rurale (ordures ménagères, eaux vannes, 11- sier, fumier, refus de cultures, culture énergétique d'algues) et de réaliser leur traitement dans une station qui produit du méthane, de l'eau chaude et des engrais. La station d'épuration constitue une véritable "Station Service de gaz" servant de carburant aux véhicules agricoles et de transport ou au chauffage des bâtiments publics ou privés. Ce dispositif est conçu pour entre installé sur un réseau d'assainis~ sement existant ou lors de la création d'un réseau nouveau. La conception des appareillages formant l'invention permet une réalisation répétitive à l'échelon industriel concourant à en abaisser le cott et en améliorer la technologie. L'assainissement des agglomérations à partir d'un tel procédé permettra d'alléger les charges d'investissement et d'entretien devenant toujours plus lourdes et de permettre un gain énergétique appréciable. Conformément à l'invention, 1l'introduction des déchets dans le réseau se fait par l'intermédiaire de boites de branchement spéciales assurant le mélange homogène entre matières solides préalablement broyées et les éléments liquides par aspersion des solides broyés par les liquides afin de faciliter leur écoulement gravitaire. La manutention et la main-d'oeuvre sont diminuées au maximum par cette circulation des matières par voie semi-humide dans des canalisations. L'effluent ainsi formé s'écoule dans un réseau et un bassin d'aération ventilés par des capteurs solaires à tube qui activent sa fermentation aérobie avant son arrivée à la station de traitement et de production. Cette station est constituée de trois parties :au sous-sol, la cellule de production et de traitement et, au rez-de-chaussée, la cellule de stockage du gaz et la cellule d'évaporation de l'eau clarifiée. Deux digesteurs horizontaux situés dans la cellule de production de la station fonctionnent alternativement ou simultanément pour produire du CH4 (65 %), C02 (30 à 33 %), NH3 (2 à 5 %) et des traces de H2 S. Chaque di- - gesteur horizontal est isolé thermiquement afin d'éviter l'incidence des variations atmosphériques sur la fermentation méthanique. Le gaz brut qui s'y dégage est stocké dans un gazomètre à cloche fixé sur chaque digesteur horizontal et servant d'accès en cas de réparation. Les digesteurs horizontaux assurent également la séparation des matières solides et liquides par décantation grâce aux cloisons siphoSdes qui les compartimentent. Les eaux clarifiées sont dirigées dans deux bassins formant la cellule d'évaporation ou une partie épurée par distillation solaire est évacuée de la station, l'autre partie chauffée étant réinjectée en tbete de cuve dans des serpentins servant à chauffer l'effluent en fermentation anaérobie. A l'a sortie du serpentin, l'effluent est évacué de la station dans les bassins de lagunage.Un thermostat situé dans une cloison sipholde du digesteur relié à un groupe de commande électronique, régule l'arrivée de l'eau chaude afin que la température de la cuvaison reste constante à 370. Au cas où la température de la cuve ne nécessite pas un apport de chaleur, l'eau en provenance des bassins d'évaporation va chauffer un ballon d'eau chaude qui servira de stockage et de régulateur des digesteurs en cas de panne du solaire. Des mélangeurs électroniques brassent l'effluent pour éviter la formation de croûte.Un doseur tampon rejette de la chaux dans la cuvaison pour maintenir un PH alcalin Les boues de décantation sont évacuées par pompage et stockées dans un silo digesteur vertical qui récupère le reliquat gazeux en évacuant les résidus liquides existant encore dans les boues par un trop-plein formant joint hydraulique. Une fois rempli de boues sédimentées, le silo digesteur vertical est vidé par une tonne à lisier qui assure leur transport et leur déversement sur les champs d'épandage. Les eaux sortant de l'évaporateur solaire et des serpentins de chauffage des digesteurs sont évacuées dans un bassin de lagunage où chlorelles, jacintes et oxygène ambiant finissent de les épurer avant qu'elles soient rejetées dans la rivière ou le milieu naturel. L'alimentation électrique de la station est réalisée soit par une éolienne, par cellules photovoltafques ou par utilisation d'un groupe électrogène fonctionnant avec une partie du gaz méthane produit. Au sortir des gazomètres surmontant les digesteurs, le biogaz brut est raffiné et séparé du C02 NH3 - H2 S dans un épurateur à tubes concentriques contenant de la chaux, du charbon de bois et des copeaux de fer avant d'être stocké dans des gazomètres souples formés de chambre à air de camion assemblées en série. Le méthane provenant des gazomètres souples sera ensuite comprimé à 130 kg/cm2 dans des bouteilles fixes qui constituent la réserve. A la sortie des bouteilles, le CH4 est détendu à 2 kg/cm2 pour s'acheminer vers les points de distribution par canalisations souples fixées sur poteaux E.D.F. ou conduits souterrains. A chaque branchement particulier la pression du gaz sera ramenée à 20 g/cm2 avant d' & re utilisé pour les usages domestiques. Un compteur à gaz totalisateur sera installé à la sortie des bouteilles dans la station. Des compteurs à gaz seront également installés sur chaque branchement particulier. Une forme de l'invention est décrite ci-après à titre indicatif et nullement limitatif en se référant aux dessins annexés. La figure 1 est une vue d'ensemble de l'installation. Les matières organi ques en provenance des eaux vannes et ordures ménagères des habitations individuelles (1), des habitations collectives (2), des fumiers et lisiers des exploitations agricoles (3), des industries fournissant des déchets organiques (4), des refus de cultures et d'exploitations forestières (5), des cultures énergétiques (6), après avoir été préalablement broyées, sont mélangées dans des boites de branchement ventilées (A). Ces effluents ##écoulent ensuite dans des canalisations de branchements par- ticuliers (B) jusqu'aux regards principaux (C) reliés par des canalisations principales ventilées (D) jusqu'à un puits de relevage (E). De ce puits de relevage, les effluents sont refoulés à un niveau plus élevé et s'écoulent par gravité dans un bassin d'aération (F) avant d'arriver à la station de traitement (G) productrice de CH4. Les boues décantées sont refoulées dans un silo digesteur vertical de stockage (H) pour entre reprises par une tonne à lisier (I) et entre déversées sur les champs d'épandage. Les eaux clarifiées par distillation solaire et décantation sont évacuées dans une lagune (J) où une plantation d'algues achève l'épuration avant leur rejet à la rivière (x)* L'électricité alimentant les pompes de refoulement et l'éclairage de la station est fournie par une éolienne (L) ou un groupe électrogène fonctionnant avec une partie du méthane produit par la station. Le gaz obtenu est distribué dans l'agglomara- tion par une conduite souterraine (M) et aérienne (N) posée en mixte sur supports E.D.F. ou P.T.T. Le figure 2 est une coupe transversale d'une partie (A 1) de la botte de branchement (A) formée d'une coque plastique (7) recevant les eaux des WC (8) par un conduit (9). Ces eaux après s'#tre écoulées sur une grille (10) vont dans un tuyau (11) qui les mène dans la deuxième partie de la botte de branchement des cuisines et bains (A 2). Un aérateur solaire à tube (12) assure l'accélération de la ventilation du branchement particulier (A) et de sa canalisation (B). Il est constitué d'un tuyau en acier peint en noir (13) et calorifugé dans sa partie basse par un bourrelet en polystyrène (14).. Sur sa partie hors toiture, deux tubes concentriques de verre avec interstice sous vide (15) l'entourent ; le soleil en chauffant le tube noir sous verre accélère le chaud fage de l'air qui sty trouve et, par la mimez sa remontée dans le tube, amplifiant ainsi le phénomène naturel de thermocirculation naturel. Le capteur à tube est terminé par un chapeau avec ailettes de ventilation (16). La botte de branchement (A 1) est fixée au mur du sous-sol au niveau désiré par des goujons et écrous de scellement (17). La figue 3 est une coupe transversale de la partie (A 2) de la botte de branchement (A) formée d'un réservoir (18) recevant les eaux de cuisines (19) et bains (20) par un tuyau (21) et les ordures ménagères (22) après broyage (23) par un conduit (24). Les eaux des cuisines et des bains s'écoulent sur les ordures ménagères broyées qui glissent sur la grille (25) avant d'être évacuées par une canalisation (26) de collecte de l'ensemble des rejets. La botte de branchement (A 2) est également fixée au mur du sous-sol au niveau désiré par des goujons et écrous de scellement (27). Les branchements des exploitations agricoles, des industries, refus de cultures et cultures énergétiques sont du même type. La figure 4 est une coupe longitudinale de l'assemblage des deux parties (A 1) et (A 2) de la botte de branchement (A). La jonction des deux parties se fait par la canalisation (28). La figure 5 est une coupe des regards principaux (C) reliés entre eux par le réseau principal (D). Les regards (C) sont ceux utilisés habituellement dans l'assainissement. Ils seront munis d'aérateurs solaires à tube (13) du type décrit dans la figure 2 et qui accélèrent la ventilation du reseau. On aura soin de percer les pastilles d'aération (29) prévues à cet effet dans la plupart des tampons-regards en fonte fabriqués actuellement. La figure 6 représente l'élévation coupe suivant BB du puits de relevage (E) recevant les effluents de la canalisation (D) dans le panier dégrilleur (30). Ce puits de relevage est constitué par un cuvelage en acier galvanisé (31), d'un socle acier (32) scellé dans une semelle béton armé (33) par des goujons et écrous (34). Un pont roulant muni d'un chariot à poulie (35) permet de remonter les pompes et le panier dégrilleur. Une rembarde en tube avec chatnes (36) assure la protection contre la chute dans le puits. Des pompes immergées (37) asservies aux flotteurs à mercure (38) en fonction des niveaux de remplissage du puits, refoulent l'effluent dans une canalisation (39). Les effluents relevés passent par un bassin d'aération solaire (F). La figure 7 représente la vue de dessus coupe suivant AA du puits de relevage (E) et du bassin d'aération solaire (F). Les figures 8 et 9 représentent successivement la coupe transversale et la vue en perspective du bassin d'aération solaire (F). La cuve (40), en acier peint en noir et à section triangulaire, est surmontée d'un assemblage d'aérateurs solaires à tube (12) coté Sud, et de tubes en fer entourés de bourrelets isolants (41) coté Nord. Ces tubes étant reliés horizontalement par des tubes de transit (42). L'ensemble de ce dispositif permet d'assurer une aspiration d'air (43) et une insufflation d'air chaud (44) sur l'effluent. L'effluent, après fermentation aérobie accélérée, est évacué par le conduit (45) vers la station (G). La figure 10 représente une vue en perspective de la station de traitement (G). Les murs de la station sont à ossature bois et béton cellulaire. Une toiture à deux pans la recouvre, le pan Nord (46) étant recouvert de shingle et le pan Sud (47) ainsi qu'une partie des murs Est et Ouest forment verrière. Cette station de traitement (G) dont on a soigné l'esthétique s'intègre particulièrement dans l'architecture locale. La figure 11 est la coupe longitudinale de la station de traitement (G). On y voit la cellule de production du gaz (G1) et la cellule de stockage des gaz (G2). Dans la cellule de production (G1) située au sous-sol de la station deux digesteurs à axe horizontal ( 1) et (02) disposés en batterie fonctionnent alternativement ou simultanément. Ce dispositif permet une production continu de gaz sans perturbation en cas de réparation. Chaque digesteur horizontal est constitué d'une cuve cylindrique (48) en acier inoxydable entourée d'un serpentin de chauffage (49), d'un bourrelet isolant en mousse de polyuréthane (50) et d'une jaquette de finition en tôle émaillée (51). Trois cloisons siphoPdes démontables (52) constituées de demi-disques évidés en acier contenant un thermostat de réglage des températures, subdivisent chaque digesteur en trois compartiments. Le premier compartiment, situé dans le sens de l'écoulement des effluents, reçoit les déchets par une canne d'injection (53) munie d'une vanne (54) commandée depuis le rez-de-chaussée de la station par une tige et un volant de manoeuvre (55). Le deuxième compartimet appelé décanteur-digesteur sédimente les matières en suspension de l'effluent, active et favorise la fermentation anaérobie et la production de CH4 qui est stocké dans sa partie supérieure, dans un gazomètre constitué par un cylindre central (56) entouré d'un autre cylindre (57) formant avec le premier, joint hydraulique dans lequel coulisse une cloche cylindrique (58). Cette cloche gazométrique est guidée, dans sa montée ou sa descente, par des galets (59) coulissant sur guides tubulaires (60). Le cylindre (56) forme trou d'homme et permet l'accès à l'intérieur du digesteur en cas de réparation ou d'entretien. Cet accès est facilité par une échelle amovible et pliante (61). Des mélangeurs à turbine (62) permettent de brasser le mélange en évitant la formation de crotte. Un tuyau de vidange (63) situé à la base du décanteur-digesteur et muni d'une pompe à axe horizontal (64) permet de vidanger les boues décantées après digestion et de les envoyer dans le tuyau de refoulement (65) vers le silo digesteur vertical (H). Le troisième compartiment du digesteur appelé clarificateur, assure le passage de l'effluent libéré de ses matières en suspension par l'intermé- diaire d'une canalisation (66) munie d'une canne d'injection (67), d'une vanne (68), d'une tige et d'un volant de manoeuvre (69) actionnés depuis le rèz- de-chaussée. A la base du clarificateur, une vanne de vidange (70) permet 1 'é- vacuation du reliquat de boues dans la canalisation de vidange (63). La figure 12 représente la coupe transversale de la station (G) on y voit les cellules de production (G1), de stockage (G2) et d'évaporation (G3). L'effluent arrivant des digesteurs horizontaux ( 1) et (02) s'écoule dans les deux bassins de transit (P1) et (P2) de la cellule d'évaporation (G3). Ces bassins sont constitués d'un caisson en tle d'acier enduit de peinture noire (71) posé sur couche de polystyrène (72) et sur semelle béton (73). Les murs de la cellule d'évaporation (G3) sont peints en noir. L'eau arrivant dans les bassins d'évaporation est chauffée par l'é nergie solaire captée par la serre (47) qui transite les gouttelettes d'eau distillée s'écoulant dans la rigole de décharge (74) et par la fontaine d'évacuation (75) vers les bassins de lagunage. Les bassins d'évaporation (P1) et (P2) peuvent également servir de bassins d'aquaculture pour l'acclimatation et la production d'algues ou de plantes méthanogènes ou protéllniques ( chlorelles, jacintes d'eau, spiruline). La figure 13 représente la vue de dessus coupe de la cellule de production (G1) et d'évaporation (G3). L'effluent qui ne s'est pas évaporé après ce passage dans les bassins (P1) et (P2) s'écoule par gravité par une canalisation de transit (76) dans les serpentins de régulation (49) des digesteurs ( 1) (02) et (H) avant de s'évacuer dans le réseau de transit (77) aux bassins de lagunage. Les serpentins (49) régulent la température à l'intérieur des digesteurs en permettant de chauffer ou refroidir leur température de telle sorte qu'elle reste voisine de 370 qui est idéale pour la méthanisation. Cette régulation est réalisée par un circuit by-pass (78) muni d'électrovannes de commande (79), d'un préparateur cellulaire (80) raccordé en circuit primaire à la canalisation (76) et en circuit secondaire à la canalisation (Si) venant également du bassin d'évaporation. L'unité electronique (82) raccordée aux sondes (52) des digesteurs régule la tempéralare. La figure 14 est la vue de dessus de la cellule de stockage du méthane (G2). Elle comporte les deux gazomètres (56) des digesteurs horizontaux qui, reliés avec le silo gazomètre S par un tuyau (83), envoient le gaz brut dans des cellules de raffinage (Q1) et (Q2) qui, elles#n#mes, sont reliées à deux gazomètres souples de stockage de gaz raffiné (R1) et (R2). Les gazomètres souples sont constitués de chambres à air de camions (84) assemblées les unes au autres en série et posées sur un axe horizontal (85) maintenu sur des pieds et cadres en tube (86). De ces gazomètres souples, le méthane, épuré est comprimé à 130 kg/cm2 par un compresseur classique (87), est mis en bouteilles fixes (88) constituant la réserve finale. A la sortie de ces bouteilles un compteur (89) comptabilise le gaz et un détenteur (90) ramène sa pression à 2 kg/cm2 avant qu'il soit distribué par une canalisation souterraine (M) et aérienne (N) avant d'être utilisé par les usagers après avoir été détendu à 20 g/cm2* La cellule 15 représente la cellule de raffinage (Q) constituée par un réservoir cylindrique (91) formant récipient hermétique qui renferme deux tubes concentriques (92) et (93). L'ensemble est fermé par un couvercle hermétique (94). Le gaz brut arrive par l'orifice (95), passe dans la partie compnse entre le réservoir (91) et le tube (92) remplie de chaux qui le sépare du C02~ Ensuite, il passe par les orifices (96) pratiqués dans le tube (92), arrive dans la partie comprise entre le tube (92) et le tube (93) remplie de charbon de bois qui absorbe le NH3. Le méthane passe ensuite par les trous (97) pratiqués dans le tube (93) rempli de copeaux de fer absorbant le H2 Spour sortir épuré par ce tube formant conduit vers les gazomètres souples (R1) et (R2). La figure 16 représente le s310 digesteur vertical (H). 11 est constitué d'une cuve en acier inoxydable/scellée dans une semelle béton armé (99) isolée par une couche de polystyrène (100). Le socle (101) est arrimé à la semelle par des goujons et écrous de fixation (102). Le fond de la cuve (loi) est en forme de cane pour favoriser la sédimentation des boues et leur évacuation par le point bas ainsi créé. La cuve (98) est entourée d'un serpentin de chauffage (103), d'un bourrelet d'isolation en mousse de polyuréthane (104) et d'une jaquette en tale émaillée (105) qui forme joint hydraulique (106) en haut de la cuve et dans lequel coulisse les parois d'une cloche gazométrique (107) guidée par des galets (108) sur portique (109). Un chariot-poulie (110) permet à l'aide d'une channe (111) et d'une manivelle à crémaillère (112) de soulever la cloche pour accéder à l'intérieur du silo-digesteur à l'aide d'une échelle (113). Ce digesteur# reçoit par pompage les eaux en provenance des digesteurs horizontaux. Les boues se décantent dans la cuve (98) alors que les eaux clarifiées passent par le joint hydraulique (106) formant trop plein, pour s'écouler vers la lagune. Le biogaz résiduel se dégage dans la cloche et s'évacue dans le tuyau (83). Le tuyau de vidange (114) arrivant dans un regard (115) permet, par son branchement à la tonne à lisier (I), l'évacuation des boues vers les champs d'épandage. La présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui constitue un exemple auquel de nombreuses modifications peuvent être apportées sans qu'on s'écarte de la présente invention. Les deux digesteurs horizontaux peuvent entre remplacés à l'intérieur de la station par deux silo-digesteurs creusés dans le-sol. Les figures 17 et 18 montrent que les digesteurs horizontaux (o) peuvent se présenter également sous forme de containers transportables sur les lieux d'épandage par un chariot porte-outil (116) tiré par un tracteur (117). Lorsque le digesteur horizontal aura terminé sa production de CH4 et que les boues décantées atteindront leur remp#lissage maximal, il sera déconnecté des circuits de la station de traitement. Les bras de relevage articulés (118) du chariot porte-outil (116) commandés par vérins hydrauliques (119) saisissent le digesteur container (o) par ses attaches (120) et le place en position de transport. Une rampe d'arrosage (121) est fixée sur la canalisation de vidange (63) et l'épandage des boues a lieu par gravité. Après le vidage des boues sur les champs d'épandage, la remise en place et à terre du container peut avoir lieu à la station de traitement avec raccordement aux différents circuits fixes. REVENDICATIONS 10- Dispositif destiné à l'assainissement de tous les déchets organiques en provenance d'une agglomération avec production de méthane, d'eau chaude et d'engrais de qualité caractérisé par le fait que l'on emploie des capteurs solaires à tubes et des digesteurs pour provoquer respectivement dans le réseau et la station d'épuration, une fermentation aérobie et anaérobie. 2*- Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que les capteurs solaires constitués d'un tube acier peint en noir placé dans une double gaine de verre avec interstice sous vide et revêtement arrière réfléchissant et isolant assurent la ventilation, l'aération et le réchauffement de l'effluent. 3#- Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que les boites de branchements particuliers formées d'une coque à section trapézo#dale dont le bas fait goulotte d'évacuation, assurent sur une grille transversale perforée, le mélange par aspersion des solides broyés par les liquides et permettent le transport gravitaire des matières solides par voie semi-humide dans les canalisations. 4' Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que le digesteur horizontal à section cylindrique est compartimenté par des cloisons siphordes qui lui permettent d'assurer gravitairement le passage de l'effluent d'une fermentation aérobie à une fermentation anaérobie productrice de méthane. 50- Dispositif selon les revendications 1 et 4 caractérisé par le fait que le sommet des digesteurs horizontaux et verticaux sont surmontés d'une cloche coulissant dans un joint hydraulique profond formé de deux cylindres concentriques dont le centre constitue accès pour permettre la visite à l'intérieur de ces appareils. 6 - Dispositif selon les revendications 1 et 5 caractérisé par le fait que le joint hydraulique du digesteur vertical formé par i 'embottement de la cloche dans deux cylindres concentriques forme trop plein des eaux clarifiées en présence de l'effluent et du tuyau de vidange du trop plein. 7 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que les deux bassins en tôle peinte en noir, surmontés d'une toiture formant serre et clos par des murs en verre forme distillateur solaire en épurant les eaux en provenance du trop plein des digesteurs. 8 - Dispositif selon les revendications 1 et 7 caractérisé par le fait que les bassins de distillation solaire forment biothermocapteur en utilisant la chaleur dégagé par la captation solaire et le dégagement thermique occasionné par la fermentation aérobie de l'effluent pour chauffer les digesteurs par des serpentins qui les entourent extérieurement. 90. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que l'on épure le biogaz brut en le séparant du C02 - NH3 - H2S qu'il contient par passage dans trois tubes concentriques fermés hermétiquement formant filtre et contenant successivement de la chaux, du charbon de bois et des copeaux de fer. 100. Dispositif selon les revendications let 4 caractérisé par le fait que les digesteurs horizontaux peuvent se présenter sous forme de containers transportables sur les lieux d'épandage par un chariot à bras articulés tiré par un tracteur.