Brevet FR2477522A1 — publié le 19810911

La présente invention a pour objet un procédé de traitement complet d'épuration d'effluents riches en matières organiques, comportant dans une première étape une fermentation anaérobie et dans une deuxième étape une culture d'algues. Il est bien connu de soumettre des effluents comportant des matières organiques à des fermentations anaérobie en particulier pour produire du méthane. Il s'agit de ce que l'on appelle la fermentation méthanique. Il est également connu d'épurer les effluents liquides en les soumettant dans des lagunes à des cultures d'algues. L'utilisation de ce procédé étant toutefois limitée à la fois par la composition des effluents qui ne conviennent pas tous à une bonne épuration et par la taille des lagunes qu'il est nécessaire de prévoir pour obtenir un rendement d'épuration suffisant. La présente invention a pour objet un procédé permettant, dans le cas d'un effluent particulier, l'effluent issu d'un élevage intensif de porcs que l'on dénommera ci-après "lisiers", à la fois de produire une quantité importante de méthane, source d'énergie et d'obtenir une épuration complète du lisier permettant le rejet à la nature. Le lisier de porc est constitué essentiellement par les urines, les fécès et les résidus alimentaires des animaux auxquels s'ajoutent souvent les eaux de lavage. Il se présente sous la forme d'un effluent liquide épais, fortement chargé en matière organique. Les déchets d'élevages intensifs, de type lisiers, sont des effluents contenant de 1 à 5 % de matières organiques en majorité biodégradables par voie anaérobie. La fermentation anaérobie peut être réalisée soit en une seule phase, soit en deux phases. Dans ce dernier cas la première phase au cours de laquelle on transforme progressivement les matières organiques, molécules complexes, notamment polysaccharides, composés cellulosiques protéines et lipides, en acides organiques à chaînes courtes et alcools est généralement dénommée phase d'acidification, et la deuxième phase, au cours de laquelle ces composés sont transformés par fermentation en méthane, est dénommée phase méthanique. La mise en oeuvre de cette fermentation pose un certain nombre de problèmes liés aux cinétiques différentes de transformation des produits du milieu et aux activités différentes des diverses bactéries présentes dans le milieu notamment en fonction des conditions physicochimiques, température, pH, etc. du milieu de fermentation. L'invention a pour but un procédé permettant à la fois d'optimiser les conditions de la fermentation anaérobie et donc d'obtenir des rendements en méthane importants et de permettre grâce à la complémentarité des deux étapes l'épuration complète de l'effluent particulier traité. L'invention a pour objet un procédé de traitement complet, d'épuration en deux étapes, d'effluents riches en matières organiques de type lisiers avec production simultanée de méthane caractérisé en ce qu'au cours d'une première étape on réalise une fermentation anaérobie à deux étages, le premier étage de la fermentation, dit d'acidification, étant mis en oeuvre dans un réacteur à une température comprise entre 30 et 420 C, dans un domaine de pH compris entre 4.5 et 6.5 et avec un temps de séjour de l'effluent compris entre 5 et 20 jours, le deuxième étage de la fermentation, dit méthanique, étant mis en oeuvre dans un réacteur à une température comprise entre 48 et 600 C, dans un domaine de pH compris entre 6.8 et 8.3 et avec un temps de séjour compris entre 5 et 20 jours puis au cours d'une deuxième étape, après avoir dilué l'effluent issu de la première étape, on l'indroduit dans une lagune d'une profondeur généralement comprise entre 10 et 30 cm où on réalise une culture d'algues à la température ambiante avec un temps de séjour de 3 à 10 jours. Enfin à l'issue de cette deuxième étape on effectue une séparation par décantation, permettant le rejet du surnageant dans le milieu naturel. Les diverses bactéries anaérobie strictes et facultatives sont présentes dans le milieu de fermentation. On peut citer par exemple methanobacterium suboxydans methanobacterium propionicum methanosarcina methanica methanobacterium omelianskü methanobacterium formicium methanosarcina barkerü etc. Ces bactéries ont des activités diverses et certaines participent activement à la première phase de la fermentation, acidification, et d'autres activement à la deuxième phase, fermentation méthanique. Il a été constaté avec surprise que les conditions opératoires physico-chimiques de ces deux phases de la fermentation avaient une grande importance sur l'optimisation de cette première étape, et sur la qualité de l'effluent envoyé à la deuxième étape, permettant une nette amélioration globale de la qualité de l'épuration. Il est en effet important que la première phase soit mise en oeuvre dans la zone de température dite mésophile (300 C jours, en regard du temps de séjour lors de la phase méthanique. la deuxième phase soit mise en oeuvre dans la zone de température dite thermophile (480 C Les deux phases sont réalisées dans des conditions de pl sensiblement différentes 4.5 à 6.5 pour la phase d'acidification 6.8 à 8.3 pour la phase méthanique, et de préférence entre 7.7 et 8.3 pour cette deuxième phase. Pour la réalisation de cette première étape on assurera dans un milieu de fermentation une agitation intermittente et douce. On pourra utiliser pour cela tout moyen d'agitation convenable; par exemple une recirculation des gaz produits par le réacteur de première phase assure une homogénéisation suffisante de ce réacteur. L'effluent issu de la première étape comporte encore une charge organique importante représentant 50 % de la charge initiale. Cet effluent est alors dilué de telle sorte que sa DCO (Demande Chimique en Oxygène) soit inférieure à 2.000 mg/l et dirigé vers une lagune d'une profondeur comprise entre 10 et 30 cm dans laquelle se développent des algues. Ces algues vertes unicellulaires comportent en général 80 ; de chlorophycées de genre chlorella. Le temps de séjour de l'effluent dilué dans la lagune est généralement compris entre 3 et 10 jours et la température du milieu est de préférence comprise entre 18 et 300 C. Il faut noter que la fermentation anaérobie préalable de l'effluent est indispensable au bon fonctionnement en épuration de la lagune. En effet la teneur en matières en suspension des lisiers bruts est trop importante pour permettre l'installation des micro-organismes photosynthétiques dans la lagune. A la sortie de la lagune, à l'issue de la deuxième étape, l'effluent est séparé par décantation. Le surnageant, épuré, peut alors être rejeté dans le milieu naturel. En fait, on en utilise généralement une partie pour diluer, à l'entrée, l'effluent issu de la première étape. Les algues récupérées par décantation en sortie de lagune peuvent être utilisées de différentes façons . soit comme engrais, . soit comme élément d'alimentation pour le bétail, par incorporation, après séchage, aux rations d'alimentation, . soit comme charge, des fermenteurs de première étape, en mélange avec le lisier, afin d'être bioconverties en méthane. Exemple Le procédé d'épuration de l'invention a été réalisé sur un lisier de porc répondant -aux caractéristiques suivantes . Azote total 4.200 mg/l . Azote ammoniacal 2.800 mg/l . DCO 16.500 mg/l . Matières sèches 15 g/l dont matières organiques 7.5 g/l . pH 7.7 Les conditions opératoires des étapes du procédé étaient les suivantes - Première étape Acidification Méthanisation Volume (1) 100 50 T (O C) 37 50 pH 6.3 8.1 Temps de séjour (j) 14 7 Agitation Mécanique discontinue Mécanique discontinue - Deuxième étape Temps de séjour : 7 jours Température : 17 à 250 C pH diurne : 8.7 nocturne : 7.8 Les résultats suivants ont été obtenus Sortie du réacteur Sortie du réacteur d'acidification de méthanisation Azote total (mg/l) 3.200 2.500 Azote ammoniacal (mg/l) 2.200 2.100 DCO (mg/l) 15.000 8.500 Matières sèches (g/l) 13 12 dont matières organiques (g/l) 6.5 3.6 pH 6.3 8.1 La production totale de gaz est de 950 îjkg de matière organique et la composition du gaz est en volume . Méthane : 63 % . Gaz carbonique :23 % . Azote : 14 ob L'effluent issu du réacteur de méthanisation est dilué dix fois et introduit dans la lagune où se développent les algues. Les caractéristiques de l'effluent d'entrée et de la phase liquide de sortie sont les suivantes Entrée Sortie % épuration surnageant DCO mg/l 850 77 91 Azote mg/l total 250 35 86.5 Phosphore mg/l total 224 120 46.5 Lors de la première étape le gaz, c'est-à-dire essentiellement un mélange de méthane et de gaz carbonique, est produit principalement au cours de la deuxième phase et accessoirement au cours de la première phase. Ce mélange peut être utilisé tel quel comme combustible. On peut par exemple en brûler une fraction pour chauffer une autre fraction du gaz et réintroduire ce gaz chauffé dans le fermenteur, pour assurer à la fois le chauffage et l'agitation du fermenteur. Il est également possible de séparer les constituants du mélange, méthane et gaz carbonique, pour obtenir d'une part du méthane pur et d'autre part du gaz carbonique qui pourra être recyclé dans le réacteur méthanique en vue de produire un surcroît de méthane. REVENDICATIONS 1 - Procédé de traitement complet, en deux étapes, d'épuration d'ef fluents riches en matières organiques de type lisiers, avec production simultanée de méthane caractérisé en ce que, au cours d'une première étape on réalise une fermentation anaérobie à deux étages, le premier étage de la fermentation, dit d'acidification, étant mis en oeuvre dans un réacteur à une température comprise entre 30 et 420 C, dans un domaine de pH compris entre 4.5 et 6.5 et avec un temps de séjour de l'effluent compris entre 5 et 20 jours, le deuxième étage de la fermentation, dit méthanique, étant mis en oeuvre dans un réacteur à une température comprise entre 48 et 600 C, dans un domaine de pH compris entre 6.8 et 8.3 et avec un temps de séjour compris entre 5 et 20 jours, puis au cours d'une deuxième étape, après avoir dilué l'effluent issu de la première étape, on l'introduit dans une lagune où on réalise une culture d'algues à la température ambiante avec un temps de séjour de l'effluent de 3 à 10 jours, enfin, à l'issue de cette deuxième étape on effectue une séparation par décantation, per mettant le rejet du surnageant dans le milieu naturel. 2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que lors de la première étape le temps de séjour de l'effluent dans le réacteur du premier étage est compris entre 12 et 20 jours et que le temps de séjour de l'effluent dans le réacteur de deuxième étage est compris entre 5 et 10 jours. 3 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la deuxiè me phase de la première étape est réalisée à un pH compris entre 7.7 et 8.3. 4 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la dilu tion de l'effluent issu de la première étape est telle que l'effluent introduit en deuxième étape a une DCO inférieure à 2.000 mg/l. 5 - Procédé selon l'une des revendications 1 et 4 caractérisé en ce que la culture de la deuxième étape est réalisée avec les algues vertes unicellulaires comportant en général 80 % de chlorophycées du genre chlorella.