Brevet FR2483910A1 — publié le 19811211

Le présente invention se rapporte à un dispositif particulièrement simplifié de traitement du lisier de porc et plus généralement des solutions aqueuses contenant des déchets organiques. Le problème des nuisances occasionnées par la collecte, le stockage et l'épandage du lisier de porc a déja fait l'objet de nombreuses études spécialisées et divers procédés ont été proposés pour réduire ou supprimer la pollution qui en résulte. I1 a notamment été établi qu'une oxygénation convenable du lisier se traduisait à terme par une prépondérance de la fermentation aérobie et inodore sur la fermentation anaérobie qui est fortement polluante. Cette oxygénation s'accompagne d'une réduction sensible de la concentration en azote ammoniacal. I1 faut souligner l'importance des processus d'oxydo-réduction pour l'élimination des espèces chimiques nauséabondes. En effet, l'oxygène dissous dans la phase liquide agit comme oxydant suivant l'équation de principe L'ammoniac dissous est réduit suivant le schéma et, plus généralement de nombreuses molécules organiques sont susceptibles d'être oxydées suivant des réactions telles que Une analyse électrochimique plus approfondie montre que, dans la plupart des cas, plusieurs schémas réactionnels sont possibles et qu'ils dépendent de facteurs caractéristiques du milieu tels que le PH, le potentiel oxydo-réducteur ou encore la température.Dans le cas de molécules azotées, il est en particulier nécessaire que le solvant ne présente pas un potentiel oxydo-réducteur inférieur à - 400 mV, sans quoi, l'azote ne se stabiliserait pas au degré d'oxydation zéro, comme dans l'équation (2), mais à des degrés supérieurs, conduisant inévitablement à la formation de nitrites, sels particulièrement nocifs pour ltenvironnement. I1 apparait ainsi que l'utilisation de l'oxygène moléculaire Q2 dissous dans la phase liquide est bien adaptée à l'oxydation de l'azote ammoniacal puisque le potentiel normal d'une électrode à oxygène correspondant h l'équation (1) est de 4C1 mV. Le potentiel oxydo-réducteur réel est inférieur à cette valeur car il dépend de la concentration en oxygène dissous, et en tout état de cause, l'oxygène doit d'abord être dissous avant de pouvoir réagir.De ce fait, le meilleur dispositif pour l'oxygénation de la phase liquide sera celui qui permettra la dissolution d'oxygène gazeux la plus rapide, la plus complète et pour une dépense minimale d'énergie. Accessoirement, on devra réaliser une agitation convenable de la masse liquide, de telle sorte que le milieu soit homogène chimiquement et bactériologiquement. Les divers dispositifs actuellement utilisés pour le traitement oxygénant du lisier de porc sont fondés sur l'emploi de turbines de surface qui, par l'agita- tion qu'elles créent, mettent en contact le liquide avec l'atmosphère tout en homogénéisant le bain. Ces dispositifs présentent plusieurs inconvénients 1) ils nécessitent des moteurs d'assez forte puissance, en général plus de 5 ki; 2) ils comportent des pièces métalliques exposées à la corrosion; 3) leur prix de revient, incluant l'amortissement, l'entretien et la consommation d'électricité est élevé. Le dispositif objet de la présente invention permet de pallier ces différents inconvénients. Il découle directement de l'analyse du processus de dis;olution de l'oxygène dans une phase liquide. Si l'on considère l'interface gaz-liquide, il est clair qu'à chaque instant la quantité d'oxygène dissous, par unité de temps, dans la phase liquide sera exprimée par une relation du type (O2) = K.Po.S (5) avec ( 2) = concentration d'oxygène dissous, S = surface de contact liquide-gaz, P = pression partielle d'oxygène au dessus du liquide, K = constante de propor o tionnalité dépendant de divers facteurs tels que la nature du liquide et la température. I1 apparait ainsi que le facteur prépondérant permettant d'accroître la masse d'oxygène dissous est la surface S. Dans le cas où l'air est introduit sous forme de bulles dans le liquide, la surface Si et le volume V. d'une bulle de rayon R sont égales à :Si = 4#R, Vi = (4/3)w R3. Le nombre de bulles par unité de volume de gaz est n = (Vi)-1 = 3(4TTR3)i. La surface de contact par unité de volume est donc S = nSi = 3(4#R )-14#R = 3 R-1 (6) Ainsi, pour 1 m3 d air insufflé sous forme de bulles de rayon R = 3 mm, la 2 surface de contact est de 1000 m La pression partielle d'oxygène P intervient également dans la cinétique o de dissolution de l'oxygène. Dans l'atmosphère, cette pression partielle est égale à 20 s environ de la pression atmosphérique.Si l'air est introduit sous forme de bulles au sein du liquide, la pression totale sera égale h la somme ie la pression atmosphérique, de la pression hydrostatique correspondant 9 la profondeur d'immersion et de la surpression provenant e la tension superficielle du liquide. On peut admettre avec une borne approximation qAe cette pression totale est voisine de la somme de la pression atmosphérique et de la pression de refoulement du compresseur.Au sein d'une bulle immergée, la pression partielle d'oxygène, qui est égale à 20 ,% de la pression totale, sera plus élevée qu'à la surface du liquide ce qui, d'après la relation (5),favorise la dissolution de l'oxygène. On doit d'ailleurs remarquer que la quantité limite d'oxygène dissous dépend de la pression partielle P0 et qu'il est donc parfaitement concevable d'obtenir, au voisinage des bulles, un liquide sursaturé en oxygène par rapport à la concentration normale à la pression atmosphérique.Pour une pression 0, la concentration en oxygène dissous présente un maximum qui correspond à la saturation. I1 faut donc introduire dans la relation (5) un facteur différentiel pour tenir compte du fait que la concentration en oxygène ne peut augmenter indéfiniment ou, qu'en d'autres termes, la dissolution d'une molécule d'oxygène dans le liquide sera d'autant moins probable que la concentration en oxygène dissous sera plus élevée.L'évolution de la concentration en oxygène dissous, au cours du temps, est reliée à la concentration limite par la relation dC = KPoS(CL - C)dt (7) avec dC = variation de la concentration en oxygène dissous, K = constante de proportionnalité, S = surface d'échange liquide-gaz, CL = concentration limite en oxygène dissous, dt = variation du temps, C = concentration en oxygène dissous. Par intégration on obtient la concentration C C = CL(1 - exp(- KPoSt)) (8) ou, en remplaçant S par sa valeur C = CL(1 - exp(- DR t)) (9) Par ailleurs, le travail utile W fourni par le compresseur est W = PAV = (P + 2hR )Vt (io) h avec Ph = pression hydrostatique, À = tension superficielle, R = rayon des bulles, V = débit volumétrique, t = temps. Si nous définissons le rendement comme le rapport de la concentration en oxygène dissous sur le travail utile fourni R(W) = CW , le rendement apparait comme une fonction du rayon des bulles R(W) = F(R) qui présente un maximum pour une valeur du rayon R. Cette valeur dépend de plusLeurs facteurs et, en particulier, de la tension superficielle A. Ce résultat exprime simplement le fait que Si l'on chercne à augmenter la quantité d'oxygène dissous en diminuant la taille des bulles, il existe un seuil au delà duquel il faut dépenser beaucoup plus d'énergie pbur un même enricnissement du bain en oxygène, c'est à dire qu'il existe une valeur optimale du rayon des bulles. Ainsi, l'utilisation de microbulles qui présenterait l'avantage d'augmenter la surface de contact entre le liquide et l'air, conformémeht à la relation (6), se traduirait par un accroissement du coût énergétique : comme la pression interne d'une bulle gazeuze est d'autant plus élevée que son diamètre est faible, la formation de microbulles requiert une haute pression entrainant une forte dépense d'énergie.En revanche des bulles de petit diamètre, de l'ordre du millimètre, peuvent être engendrées avec une faible surpression. La relation (9) montre que la quantité d'oxygène dissous augmente avec le temps. I1 est donc intéressant que le temps de contact entre l'air et le liquide soit assez long. Ce résultat est partiellement atteint lorsque l'air est introduit sous forme de bulles puisque celles-ci, pour atteindre la surface, mettent un temps qui augmente avec la profondeur d'immersion et la viscosité du milieu. L'aspect quantitatif du processus doit aussi être envisagé : il faut en effet dissoudre dans le liquide toute la quantité d'oxygène requise pour l'oxydation complète des éléments réducteurs qu'il contient. Comme seule une partie de 1 'oxygène mis en contact avec lui est dissous, le volume d'air mis en jeu doit être très important. Les turbulences créées par le déplacement des bulles à l'intérieur du liquide peuvent être à l'origine d'interactions entre bulles voisines. De telles interférences doivent être évitées dans la mesure cà elles conduisent nécessairement à la formation de bulles beaucoup plus grosses et donc moins actives. Ce phénomène parasite peuetre limité au maximum si les bulles, à la sortie de l'aérateur, présentent un diamètre sensiblement constant : les pressions internes sont alors très voisines et il est donc peu probable qu'une petite bulle vienne se détendre dans une grosse. L'effet de brassage provoqué par le déplacement des bulles d'air dans un liquide est directement lié au dianètre de celles-ci. En effet, les forces de frottement mises en jeu par une bulle progressant vers la surface sont exprimées par la relation F=KfSv (11) avec F = force de frottement, K f = facteur de forme dépendant de la viscosité du liquide, S = surface normale au déplacement, v = vitesse de la bulle. Pour des n 2 bulles sphériques, S = #R. Comme le nombre de bulles par unité de volume est n n - 3(45 R3) , il en résulte que la surface totale normale au déplacement pour un volume d'air unitaire sera ST = nS = )(4R) .La force de frottement mise en n jeu par unité de volume d'air insufflé s'écrit-donc : = K 3(4R) v (12) f I1 apparaît ainsi que les forces de frottement induites par le déplacement es bulles sont en raison inverse du rayon de celles-ci. Ces forces ont pour princi-i effet de mettre en mouvement la masse liquide, ce qui explique que le rendement de l'énergie cinétique transférée au liquide par rapport à l'énergie potentielle des bulles soit excellent. On sait, par ailleurs, que la formation de mousse constitue un problème sérieux pour les dispositifs de traitement du lisier de porc. On constate que ce phénomène parasite est fortement réduit si on introduit l'air sous forme de bulles au sein du liquide.Ceci s'explique simplement si l'on considère que la surpression interne d'une bulle dans le liquide est de la forme P = 2AR1 (13) avec P = différence de pression entre l'intérieur de la bulle et le milieu extérieur, À = tension superficielle du liquide, R 2 rayon de la bulle; alors que la surpression à l'intérieur d'une bulle de gaz dans l'atmosphère, par exemple une bulle de savon, est deux fois plus élevée P = 4ÂR1 (14) De ce fait, lorsqu'une bulle atteint la surface, elle ne peut donner naissance à une mousse que Si la valeur R est modifiée par un facteur 2. Cette transfornation brutale produit généralement l'éclatement de la bulle. Cette analyse suggère donc qu'il est avantageux d'introduire l'air sous forme de petites bulles en vue d'obtenir une oxygénation optimale du liquide. Par ailleurs, la quantité d'énergie requise pour une tell + pération dépend directement du rendement de l'aérateur utilisé et de celui du compresseur. Il est clair qu'un bon aérateur doit présenter les caractéristiques suivantes 1) ltécart-type sur la distribution des diamètres des bulles gazeuzes doit être faible; 2) la perte de charge propre à l'aérateur doit être minimale; 3) le diamètre des bulles doit être aussi proche que possible de la taille de l'orifice de sortie du gaz. Cette dernière proposition découle du fait que la formation d'une petite bulle nécessite plus d'énergie qu'une grosse et que, d'après ce qui précède, les petites bulles sont plus actives que les grosses. En pratique le diamètre des bulles sera choisi dans le domaine 10 2~ 10-4 m. L'optimisation de la géométrie interne et externe de l'aérateur permet d'obtenir l'ensemble des caractéristiques 1), 2) et 3). On doit, en particulier, éviter les orifices de sortie circulaires qui favoriseraient la formation de grosses bulles, et assurer une éjection horizontale des gaz. titre d'exeaple, nullement limitatif, il a été possible de traiter 3 complètement une fosse de 200 m de lisier de porc dans les conditions suivantes - Lisier stocké,sans traitement préalable ni décantation, dans une fosse circulaire sur une hauteur de 1,80 m. - Température extérieure comprise entre 12 et 22 Q C. - Le dispositif de traitement utilisé comprend : a) une turbine d'une puissance 3 de 1,1 kY, assurant un débit de 90 m3 par heure, avec une pression de refoulement de 0,16 bar au nximum; b) cette turbine est reliée, au moyen d'un tuyau souple, un diffuseur d'air qui a fait l'objet du brevet nO 2.384.451 par M. FURIE et PRiT et qui présente les caractéristiques essentielles définies ci-dessus. - Le diffuseur d'air, d'une longueur de 3 m, est posé à 20 cm environ du fond de la fosse. - Le tuyau et le diffuseur sont en chlorure de polyvinyl, insensible à la corrosion par le lisier. - La turbine a fonctionné pendant les deux tiers du temps avec des cycles de 6 minutes. L'odeur caractéristique du lisier non traité a diminué fortement au bout d'une quarantaine d'heures. Le lisier a pu être épandu, sans gêne pour l'environnement au bout de so heures. Par ailleurs, l'effet de brassage induit par le traitement a été suffisant, bien que le diamètre de la cuve soit de 12 n. Cet exemple est cité ici comme une simple illustration, nullement limitative, des possibilités du procédé objet de la présente invention. Il est en effet possible d'opérer avec des fosses plus profondes et avec une pression de refoulement plus grande. On peut également utiliser tout aérateur remplissant les conditions énoncées ci-dessus. L'aérateur peut être fixe ou mobile, à profondeur constante ou variable. Ce procédé peut s'appliquer également à tous les déchets organiques liquides ou liquéfiés, aux eaux contenant des déjections d'organismes vivants ou aux eaux de lavage provenant d'industries alimentaires. Le dispositif objet de la présente invention permet de désodoriser et d'horogénéiser le lisier de porc ou toute autre solution aqueuse contenant des déchets organiques, avec une dépense d'énergie faible et sans adjonction de produits chimiques synthétiques. REVENDICATIONS 1) Procédé de traitement du lisier de porc et plus généralement de solutions aqueuses contenant des déchets organiques caractérisé en ce qu'il consiste en l'introduction de grandes quantités d'air dans le liquide, sous forme de petites bulles de même taille. 2) Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que le diamètre des bulles formées se situe dans l'intervalle 10 2 10 10-4 1. 3) Dispositif suivant les revendications 1 et 2 caractérisé en ce qu'il comporte un aérateur induisant une perte de charge minimale et formant des bulles dont les diamètres sont aussi proches que possible de la taille des orifices de sortie du gaz. 4) Dispositif suivant les revendications 1, 2 et 3 caractérisé en ce que l'éjection de l'air se fait horizontalement.