Brevet FR2474901A1 — publié le 19810807

La présente invention concerne un procédé et un équipement pour le traitement de matièresorganiques contenant des composés azotés, le procédé consistant en une digestion anaérobie de la matière organique avec libération d'un gaz biologique contenant du méthane et du dioxyde de carbone. Comme matières organiques qu'on peut traiter selon le procédé de l'invention, on peut citer les excréments des élevages de porcs et de bovins, les résidus des industries alimentaires et chimiques, les boues d'égouts urbaines et divers types de masses biologiques que l'on peut soumettre à une digestion anaerobie pour obtenir un gaz biologique. On a récemment utilisé divers procédés dans la technolo- gie du traitement des matières organiques précitées. Certains de ces procédés reposent uniquement sur un traitement physi- que ou mécanique approprié tel qu'une déshydratation ou une dessiccation pour former un engrais ou une matière brute destiné à être soumis à un traitement ultérieur. Pendant ce traite ment la composition de la matière organique ne subit pratiquement pas de changerent. On effectue parfois une partie du traitejent à température élevée pour détruire les microorganismesdaigereux. voir la demande de brevet allemand DOS n 520 287 et le brevet britannique n I 492 396. On utilise égulement une oxydation biologique aérobie pour la liquéfaction de -es matieres organiques selon diverses technologies. Les irobl'-es communs de ces technologies sont la non-utilisation des composants utiles et de l'énergie présents dans la matière organique traitée l'importance des coûts d'investissement et des coûts de fonctionnement, et la sensibilité des processus biologiques aux influences ex- térleures. Selon la demande de brevet allemand DOS n 27253906, on stérilise des excréments avec des hydroxydes alcalins avant d'effectuer une oxydation aérobie pour réduire les effets précités. De plus, on transforme partiellement l'urée en ammoniac et en ses composés durant ce processus. Le traitement comportant une oxydation aérobie consomme beau- coup d'énergie pour le fonctionnement de l'équipement d'aération. On consomme ainsi 2 hWh pour éliminer un kg de barisre organique sLDe. Un autre inconvénient est la production de nitrates très indés!rables d-ns l'eau rsiduaire On a utilisé la digestion anaérobie depuis longtemps pour traiter les résidus principalement dans les installa- tions de traitement des eaux d'égout. On effectue le trai- tement dans des cuves chauffées fermées pour éviter le dé- gagement d'odeurs indésirables. On obtient un gaz biolo- gique contenant environ 60 %' de méthane et 35 % de dioxyde de carbone comme sousproduits à raison d'environ 500 à 700 litres par kg de matière organique sèche mis en oeuvre, selon la composition de la matière. Le pouvoir calorifique du gaz est d'environ 25 000 kJ/m3 standard. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4 057 401 décrit un procédé qui utilise un chauffage additionnel de la cuve de digestion par le rayonnement solaire pour intensifier le processus de chauffage. Un inconvénient fondamental des procédés de purification par digestion anaérobie connus à ce jour est l'insuffisance de l'utilisation de tous les composés utiles présents dans les matières organiques et la forte contamination du produit de digestion que l'on doit soumettre à une purification ultérieure par exemple à une purification biologique. Cette postpurification est très difficile dans le cas des rejets des élevages et on ne la réalise qu'après une forte dilution par mélange avec de l'eau d'égout urbaine. On est donc forcé d'implanter les installations d'engraissement au voisinage des grandes villes bien que cela soit indésirable pour d'autres raisons. De même que dans la purification aérobie, dans les procédés récents utilisant une digestion anaérobie, la majeure partie de l'azote qui constitue le composant le plus utile de la matière r-siduaire, est transférée dans la solution de façon désavantageuse sous forme d'ammoniac et oxydée en nitrates lors de la purification biologique ultérieure. Les nitrates qui demeurent dans l'eau claire constituent des composants très nocifs. L'invention a pour objet de résoudre le problème complexe du traitement des matières organiques contenant des composés azotés avec un rendement maximal en produit utile sans apport d'énergie extérieure et sans effets indésirables sur l'environnement. L'invention a pour caractéristique que l'on chauffe à la température d'ébullition le produit liquide après la digestion anaérobie pour chasser par distillation l'ammo- niac fixé sous forme de carbonate et que l'on transforme les queues de distillation en un produit utile et une eau claire ou qu'on les rejette sous forme d'une eau résiduaire prépurifiée. On peut de façon avantageuse effectuer la distillation jusqu'à une teneur résiduelle inférieure à 250 mg de NH3/kg de résidu de distillation. Selon l'invention, on peut, de plus alcaliniser le produit de queue avec une quantité équivalente de chaux pouvant atteindre 20 g de CaO/kg, puis carbonater avec du dioxyde de carbone à une alcalinité finale de 0,01 à 1,5g de CaO/kg, puis séparer mécaniquement de l'eau pure, la boue de carbonatation formée sous forme d'un concentré matière organique-phosphate-chaux. On peut utiliser pour la carbonatation, le gaz biologique de la digestion anaérobie ou le dioxyde de carbone obtenu lors de la distillation de l'ammoniac du produit liquide ou par combustion du gaz biologique. L'équipement permettant la mise en pratique du procédé qui vient d'être décrit consiste en une chambre de digestion munie d'une canalisation de sortie du gaz biologique et d'une canalisation pour le produit digéré, la canalisation pour le produit digéré con- duisant à l'entrée d'une colonne de distillation et la cana-- lisation de gaz biologique étant raccordée par un réservoir de gaz et une autre canalisation à l'équipement de chauf- fage de la colonne de distillation tandis que l'évacuation d'ammoniac de la colonne de distillation est raccordée à un équipement de traitement de l'ammoniac et la sortie de la fraction de queue est raccordée à un équipement de traitement du produit de queue. L'avantage fondamental de l'invention est l'utilisa- tion complète de tous les composés utiles et de toute l'énergie qui sont présents dans les matières organiques contenant des composés azotés, pour obtenir des produits finals convenant comme engrais sous une forme concentrée ou comme fourrage artificiel. Le procédé de l'invention permet de traiter de façon efficace le produit digéré après la digestion anaérobie et l'utilisation générale de la digestion anaérobie comme une source importante d'énergie dont l'emploi était à ce jour limité par les difficultés de la mise en oeuvre du pro- duit digéré. Le procédé de l'invention est caractérisé par un degré élevé d'élimination des comp'osés organiques et l'élimination pratiquement totale du phosphore, de l'azote et des micro-organismes infectieux de l'eau produite dans le procédé. Il joue le rôle des 'traitements secondaires et îo tertiaires de l'eau tels qu'on l'entend dans la technologie des eaux. En ce qui concerne l'utilisation des rejets solides, il constitue une technologie sans gaspillage car on récupère tous les composants d'origine de la matière organique sous forme d'un produit utile. La déshydratation des boues de carbonatation ne nécessite pas une centrifugation coûteuse. Les procédés de filtration ordinaires suffisent et l'eau obtenue présente un degré élevé de pureté par suite-des effets de coagulation et de stérilisation de la chaleur et de l'action de flocu- lation et d'absorption de la chaux et on peut la réutiliser par exemple dans l'installation d'engraissage. La chaux est la seule matière que l'on doive fournir au procédé mais elle est transférée dans les produits utiles finales.Le dioxyde de carbone utilisé pour la car- bonatation est disponible sous forme du gaz biologique produit dans le procédé ou du produit gazeux de la distilla- tion. Les besoins énergétiques du procédé sont faibles et la totalité de l'énergie consommée peut être fournie par la combustion du gaz biologique produit par le procédé.Lorsqu' on applique le procédé à des installations importantes d'en- graissage, il permet leur existence indépendante quelles que soient les conditions d'alimentation en eau et d'hygiène régionale. La figure unique annexée illustre schématiquement une des formes possibles de l'équipement permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. L'invention va maintenant être décrite en détail. Une source de matière organique 1, par exemple des étables de grande capacité pour l'élevage des bovins, est raccordée par la canalisation 2 à la chambre de digestion 3 qui est conçue pour retenir le gaz biologique. La chambre de d- gestion 3 comporte deux canalisations de sortie. La canali- sation du produit digéré 4 conduit par un séparateur 5 et les échangeurs de chaleur 8, 9 à l'entrée d'une colonne de distillation 11, Le séparateur comporte une sortie des suspensions brutes 33. La canalisation de gaz biologique 6 est raccordée au réservoir de gaz 10 et la canalisation 18 conduit à l'équipement de chauffage 13 placé au fond de la colonne de distillation 11. La canalisation d'évacuation de l'ammoniac 14- est de plus raccordée à un équipement connu de traitement de l'ammoniac qui n'est pas représenté sur la figure. La sortie du produit de queue 16 de la colonne de distillation ll est raccordée à la cuve de traitement par la chaux 20 qui est munie d'un dispositif de dosage de la chaux 21 et de la canalisation d'évacuation d'ammoniac 19. La cuve de traitement par la chaux 20 est de plus raccordée par la canalisation 22 à la cuve de carbonatation 23 qui comporte une entrée de gaz biologique 25 et une sortie de gaz 28. ,L'entrée de gaz biologique 25 est équipée d'un insufflateur 26. L'échangeur de chaleur 8 est placé dans la sortie de gaz 28 qui est raccordée au réservoir de gaz 10. La cuve de carbonatation 23 est raccordée par la canalisation 27 au dècanteur 50 qui comporte une sortie de produit utile 31 et une sortie d'eau claire 3' traversant l'échangeur de chaleur 9. L'équipement fonctionne de la façon suivante. Les matières organiques sont transportées à partir de la source de matière organique par la canalisation 2 dans la chambre de digestion 5 o ils subissent une digestion métha- nique dans des conditions anaérobies et libèrent le gaz biologique qui est conduit dans le rservoir de gaz 10. La structure de la chambre de digestion 3 est la structure ordinaire de ces chambres utilisées dans les installations de traiterent des rejets. Le produit digéré est transporté dans le séparateur 5 o l'on sépare la suspension brute qui peut gtre utilisée commre engrais. Le produit liquide du séparateur 5 traverse les échangeurs de chaleur 8 et 9 o il est préchauffé par le gaz quirtant 1 cuve de carbonata- tion 23 et par l'eau claire, et est introduit dans la colon- ne de distillation 11 o il est chauffe par le gaz biologique de la digestion anaérobie. Le produit liquide est chauffé dans la colonne de distillation 11 à la température d'ébulli- tion et une phase gazeuse, qui contient principalement de l'ammoniac et du dioxyde de carbone, est-transformée en un produit utile dans des équipements connus ne nécessitant pas une description détaillée, par exemple sous forme d'une solution aqueuse concentrée d'ammoniaque, de carbonate d'ammonium, d'ammoniac anhydre, d'urée, etc. On peut utiliser le dioxyde de carbone comme gaz de carbonatation dans le traitement du produit de queue de la colonne de distillation il dans la cuve de carbonatation 23. Après que 70 à 90 % de l'ammoniac fixé sous forme de carbonate aient été éliminés par distillation, on arrête le chauffage de la colonne de distillation 11 et on évacue le produit de queue ou on le pompe à nouveau dans la cuve de traitement par la chaux 20 o on ajoute de la chaux pour qu'il se produise une nouvelle libération d'ammoniac. On traite l'ammoniac libéré comme l'ammoniac de la colonne de distillation 11. Dans la présente description, le terme chaux désigne l'oxyde de calcium, l'hydroxyde de calcium en poudre ou l'hydroxyde de calcium sous forme d'un lait de chaux. Pour accélérer le processus, on peut si on le désire, munir la cuve de traitement par la chaux 20 d'installations de chauffage, par exemple d'une entrée de vapeur d'eau ou la concevoir pour qu'elle fonctionne simultanément comme cuve de carbonatation. Egalement, on peut supprimer la cuve de traitement par la chaux 20 et doser directement de la chaux dans la partie inférieure de la colonne de distillation 11 dont la structure doit être conçue à cet effet. ôi le degré de purification de l'eau peut ^tre moins important on peut refroidir le produit de queue de la colonne de distillation 11 dans l'"changeur de chaleur et l'évacuer directement à l'égout sous forme d'eau claire. Lorsque le traitement par la chaux est achevé, on carbonate le produit de queue alcalin obtenu dans la cuve de carbonatation 23 par le gaz biologique, qui est trans- porté sous pression élevée par l'insufflateur 26 à partir du réservoir de gaz 10. Le précipité formé de phosphate et de carbonate de calcium clarifie de façon très efficace le produit de queue alcalinisé, absorbe les collo5des, retient le phosphore et améliore la filtrabilité de la suspension. On conduit la boue carbonatée ainsi produite dans le décan- teur 30 ou dans un appareil de filtration d'un type quel- conque o on sépare l'eau et le produit utile, c'est-à-dire le concentré de matière organique-phosphate-chaux. On utilise le concentré, après séchage ou directement à l'état humide, comme composant d'engrais ou de mélange alimentaire pour animaux. Le composant liquide est de l'eau fortement purifiée, dépourvue de germes infectieux et ayant la teneur minimale en azote, en composés organiques et en phosphore. On peut donc soit directement le réutiliser par exemple dans le fonctionnement de l'installation d'engraissement, soit l'évacuer à l'égout. La qualité des produits finals, y compris l'eau, dépend des paramètres de la colonne de distillation utilisée, c'est-à-dire du nombre de plateaux et des taux de reflux, de la dose de chaux et similaires. Cependant ces facteurs jouent également un rôle sur l'écono- mie globale du procédé et par conséquent on les détermine selon les méthodes connues en tenant compte des paramètres désirés des produits effluents. L'invention est illustrée par les exemples non limitatifs suivants. EXEMPLE I La matière organique de départ à traiter consiste en 300 kg de déjections liquides produites en une journée par 300 porcs élevés en porcherie. Composition des déjections liquides eau -92 % substance sèche 8 % partie organique de la substance sèche 80 % azote total 6 g/kg îei dq ections phosphore total 2 g/kg de déjections liquide La digestion méthanique anaérobie des déjections liquides pendant 16 jours à la température de 38,5C pro- duit 120 t)3 standards de gaz biologique constitué de 64 % de méthane et 35 % de dioxyde de carbone. On sépare avec un séparateur à grille le produit semblable à de l'humus en grains grossiers et on introduit le produit liquide résiduel dans une colonne de distillation comportant 18 plateaux. La colonne de distillation fonctionne en régime atmosphérique (pression atmosphérique en tête de colonne). La colonne de distillation produit 70 kg d'eau ammoniacale contenant 250 g de NH3/kg. On alcalinise le produit de queue chauffé de la colonne de distillation dans un réacteur clos chauffé directement par de la vapeur d'eau qui sert de cuve de traitement par la chaux et de carbonatateur, avec 12 g de CaO/kg de produit de queue. On carbonate ensuite la charge du réacteur avec du gaz biologique à la température de 800C jusqu'à une alcalinité résiduelle de 0,10 g de CaO/kg de produit de queue. Dans un décanteur on sépare de l'eau, la boue de carbonatation granuleuse qui se sépare rapide- ment de la phase liquide et contient du phosphate et du carbonate de calcium et on refroidit l'eau dans un échangeur de chaleur avant de la rejeter. On déshydrate la boue de carbonatation du décanteur dans un filtre-presse et on l'utilise comme engrais phosphaté concentré. EXEMPLE 2 La matière résiduaire de départ que l'on traite selon l'invention est une boue épaissie d'une installation de traitement mécanique et biologique destinée à purifier une combinaison d'eau d'égout urbaine et d'effluent d'indus- trie alimentaire. La boue épaissie a la composition sui- vante eau 93 % substance sèche 7 % partie organique de la substance sèche 77 % azote total 4,5 g/kg de boue phosphore total 1,5 g/kg de boue On traite la boue comme dans l'exemple 1. Cependant par suite de la teneur moindre en substance sèche, en azote et en phosphore, on obtient relativement moins de produit final, c'est-à-dire de gaz biologique, d'eau ammoniacale et de boue phosphatée et carbonatée. Pour cette raison on utilise moins de CaO (6 g de CaO/kg de boue) pour alcalini- ser le produit de queue de la colonne de distillation avant la carbonatation. REVLNDICATIONS 1. Procédé pour traiter des matières organiques con- tenant des composés azotés dans lequel la matière organique subit tout d'abord une digestion anaérobie avec libération simultanée de gaz biologique caractérisé en ce qu'il consiste à chauffer à la température d'ébullition un pro- duit liquide obtenu après digestion anaérobie, en chasser par distillation l'ammoniac fixé sous forme de carbonate et traiter le produit de queue de la distillation pour obtenir un produit utile et de l'eau claire ou rejeter le produit de queue sous forme d'une eau prépurifiée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on effectue la distillation jusqu'à une teneur résiduelle inférieure à 250 mg de NH3/kg de produit de queue. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on alcalinise le produit de queue de la distillation avec une quantité équivalente de chaux pouvant atteindre g de CaO/kg avec élimination simultanée d'ammoniac, puis on le carbonate avec du dioxyde de carbone jusqu'à une alcalinité finale comprise entre 0,01 et 1,5 g de CaO/kg puis on sépare mécaniquement le produit utile en un concen- tré de matière organique, de phosphate et de chaux et en eau claire. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on utilise pour la carbonatation le gaz biologique de la digestion anaérobie ou du dioxyde de carbone obtenu par distillation du produit liquide ou par combustion du gaz biologique. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lors de la distillation, on chauffe le produit liquide par la chaleur obtenue par la combustion du gaz biologique de la digestion anaérobie. 6. Procédé selon la revendication 3, caractéris t n ce que l'on préchauffe le produit liquide à distiller par la chaleur de l'eau claire du décanteur. 7. Equipement pour la mise en pratique du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste en une chambre de digestion (5) munie d'une canalisation de gaz biologique (6) et d'une canalisation de produit dig;ér (9), la canalisation de produit digèr,'_ (9) conduisant à l'entrée d'une colonne de distillation (11) et la canalisation de gaz biologique étant raccordée par l'intermédiaire d'un réservoir de gaz (10) et d'une autre canalisation (18) à un équipement de chauffage (13) de la colonne de distillation (11) qui comporte une canalisation d'évacuation de l'ammoniac (14) et une sortie du produit de queue (16), la canalisation d'évacuation de l'ammoniac (14) étant raccordée à un équi- pement de traitement de l'ammoniac et la sortie du produit de queue (16) étant raccordée à un équipement de traitement du produit de queue. 8. Equipement selon la revendication 7, caractérisé en ce que la sortie du produit de queue (16) est raccordée à une cuve de traitement par la chaux (20) qui comporte une canalisation de sortie (22) qui est raccordée à une cuve de carbonatation (23) elle-même raccordée à un décanteur (30) par une autre canalisation (27). 9. Equipement selon la revendication 7, caractérisé en ce que la colonne de distillation (11) est munie d'un équipement de dosage de la chaux et en ce que la sortie du produit de queue (16) est raccordée à la cuve de carbonata- tion (23) qui est elle-même raccordée au décanteur (30). 10. Equipement selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que la cuve de carbonatation (23) est munie d'une entrée de gaz biologique (25) et d'une sortie de gaz (28) qui sont toutes deux raccordées par leurs autres extrémités au réservoir de gaz (10). 11. Equipement selon la revendication 7, caractérisé en ce que la sortie du produit de queue est raccordée à une cuve de traitement par la chaux et de carbonatation qui est munie d'une entrée de gaz biologique et d'une sortie de gaz, qui sont toutes deux raccodées par leurs autres extrémités au réservoir de gaz.