Brevet FR2510605A1 — publié le 19830204

L'invention a pour objet un procédé et un appareillage pour réaliser une méthanogenèse. Les matières organiques d'orig e animale et végétale peuvent conduire, par des débradations successives ou si- multanées, en milieu aérobie ou anaérobie, à des composés gazeux dont les plus importants sont le métnane, le dioxyde de carbone et I'ammoniac. Composées d'éléments plus ou moins polymérisés et imbriqués, ces matières organiques constituent la plupart du temps un substrat solide, fibreux ou non; c'est le cas des décuets organiques urbains ou agricoles. Mais ce substrat peut également être liquide, le sérum de lait en étant un exemple caractéristique. La composition des substrats reste très variable. La grande majorité de ces substrats est constituée par des composés ternaires tels que sucres, amidons, hémicelluloses, celluloses et lignines, mais des corps quaternaires comme les protides et les peptides peuvent aussi y être associés. la dégradation de ces substrats en vue de leur utilisation implique trois phases essentielles : une hydrolyse, une solubilisation, et, en dernier lieu, une gazéification. La décomposition progressive des composés initiaux conduit par lignolyse, pectinolyse, hémicellulolyse, cellulolyse, amylolyse, protéolyse et peptolyse à des constituants plus simplifiés dont la dégradation fait apparaitre ensuite des alcools, des cétones, des acices gras volatils et semivolatils, des amines, de l'amnionlac, de l'wiydrogène, du sul fure d'hydrogène, du dioxyde de carbone, et en dernier lieu du métnane. Les agents participant à ces dégradations proviennent d'nabitats d'origine à la fois animale, végétale, et tellurique. Plus de cent espèces principales ont été dénombrées, à savoir des psychroprliles, des mésophiles et des thermophiles. Elles évoluent dans des milieux à pH et à potentiels d'oxydo-réduction tres variables, avec des plages différentes suivant les espèces (variation du pH : 5,5 à 8,5 - variation du rd : + 200 à la densité de population est très élevée au début des dégradations (au total jusqu'à 10 à 15 milliards de protristes, cnampignons, bactéries et pages par gramme de fumier par exemple).Ces populations hétérogènes cnt tendance à se simplifier au fur et à mesure des dégradations, sous l'action de facteurs physiques et biologiques et de la suppression de certains aliments rapidement consommés. les différentes phases où-interviennent ces fac teurs sont les suivantes - une phase froide et aérée, essentiellement urolytique, sac carolytique et peptolytique; - une phase mésophile et semi-aérée au cours de laquelle, la température s'élevant, les agents intestinaux participent à une phase putrifiante avec production de sulfure d'hydro gène, de produits phénoliques, d'ammoniac, de dioxyde de carbone, et aussi d'acides gras volatils et semi-volatils; - une phase thermophile et aérée, au cours de laquelle des ferments tloermogènes, fongiques et bactériens apparaissent entre 400C et 600 C; leur action est lignolytique, hemi cellulolytique et cellulolytique; les celluloses et hemi- celluloses étant imbriquées daims les lignines, le rendement de la fermentation mélanique dépend de la délignification amorcée par les populations fongiques; l'hydrolyse se pour suit également en milieu semi-aérobie et en milieu anaéro bie mésophile ou thermopaile avec des espèces adaptées; - une phase liquide réductrice, au cours de laquelle apparais sent des alcools et des acides gras; le milieu doit alors être tampon par des composés organiques ammoniaqués, des amines, Mais également des composés minéraux alcalins et alcalino-terreux entratnant la formation de sels; - une phase finale de méthanisation, qui peut être réalisée par des ferments très différents, sporogènes ou non, coc cus bâtonnets, mésogènes ou thermogènes. Par le brevet no 2 305 113, on coulait une installation de digestion de matières organiques dans laquelle la matière à travailler est introduite, après avoir été humidifiée, dans un compartiment cylindrique dans lequel elle subit une fermentation aérobie sous pression, puis elle est poussée par un piston tasseur, à travers un siphon coudé, dans un petit compartiment de fermentation anaérobie pais dans un grand compartiment. Dans le coude du siphon, des fourches s'opposent à un reflux de la matière. le brevet précité prévoit également un puits d'extraction dans lequel la matière fermentée est entraînée par une griffe. l'invention permet de réaliser und fermentation dans des conditions meilleures que si l'on utilise le système décrit ci-dessus. Les améliorations apportées sont, par exemple, le remplacement d'une poussée mécanique par une poussée pneumatique, une forme différente de la cuve qui permet une meilleure circulation, et la présence d'un digesteur auquel peut ou non être associé un gazomètre intégré. les différences entre l'invention et le brevet précité résultent clairement, par exemple, de l'examen des revendications 1, 9 et 12 de ce brevet. Le procédé suivant l'invention pour réaliser une méthanogenèse est caractérisé par la succession des opérations suivantes : a) un ensemencement est effectué à partir d'un substrat provenant de milieux divers tels que de la terre, du purin, du fumier et des boues d'égout ou de marais, en même temps qu' une humidification progressive qui peut atteindre 75 ; b) une insufflation d'air est effectuée à travers le substrat ; c) le substrat est immergé dans un milieu à fort pouvoir de tampon puis ensemencé en population mAthanogène par un levain constitué par des reliquats de fermentation, dilués, liquides et 50- lides ; d) une agitation du milieu est réalisée pour améliorer le rendement et la vitesse de fermetation ; et e) on utilise l'apport calorifique des réactions exothermiques pour maintenir la fermentation en milieu mésophile ou thermophile , avec utilisation éventuelle d'un calorifuge pour améliorer le bilan thermique. L'élévation de températuresqui résulte de l'insufflation d'air indiquée précddemment permet aux germes mésophiles et thermophiles de se développer. De plus, cette oxydation permet d'éliminer les composés trop rapidement acidogènes responsables du ralentissement ou de l'arrt prématuré de la fermentation méthanique. L'appareillage suivant l'invention pour-réaliser une ithanogenèse comprend un broyeur ou hacheur projecteur qui permet d'une part la réduction du substrat solide en masses filamenteuses ou fragmentées automissnt un large passage d'un courant d'air surpressé entre les particules, et d'autre part l'introduc tion du substrat dans le puits d'alimentation dtun réacteur, et il est caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison : une cuve de fermentation anaérobie divisée verticalement par une cloison centrale en deux parties reliées respectivementwpar un siphon équipé de façon connue d'une série de channes à pliage unidirectionnel pour empêcher tout retour du substrat, à un puits d'alimentation oil s'effectue de façon connue un prétraitement aérobie, muni d'un couvercle hermétique et auquel sont associés un compresseur et au moins un échangeur de chaleur, et à un puits d'évacuation ; des moyens reliés au puits d'évacua- tion pour séparer les produits solides fermentés du liquide qui doit être recyclé ; et des appareils connus pour les mesures physico-chimiques nécessaires, c'est-à-dire le débit de gaz, la pression, la température, le pH, le rH, et la teneur en oxygène. D'après une caractéristique de l'invention, une seconde série de chaînes est suspendue au dôme de la cuve pour assurer le dégazage du substrat et la dislocation du "chapeau" qui a tendance à se former au cours de la fermentation ; la cloison précitée laisse à son extrémité inférieure un passage pour la circulation directe des matières lourdes vers le puits d'évacuation ; et le levain produit par la méthanogenèse peut être recyclé au bas de la cuve par ouverture d'un robinet ad hoc. D'après une autre caractéristique de l'invention, il existe deux échangeurs de chaleur reliés à un épurateur ; le puits d'alimentation possède deux séries de fentes situées à une certaine distance l'une de l'autre et à une certaine distance, respectivement, du couvercle et de l'extrémité inférieure du puits ; l'air qui provient du surpresseur via le premier des échangeurs de chaleur s'écoule vers le haut à travers les fentes inférieures puis à travers les fentes supérieures, sort par le sommet du puits et est envoyé à l'épurateur précité avec interposition d'un robinet sur chacun des tuyaux de liaison à un des échangeurs de chaleur ; et la aérie supérieure de fentes est reliée avec interposition d'un robinet à un circuit de recyclage du levain produit par la méthanogenèse. Du sommet du dOme de la cuve part un tuyau par lequel les gaz résultant de la méthanisation arrivent à une valve hydraulique, située soit en dehors de la cuve soit dans celle-ci, et destinée à provoquer des oscillations de la masse en fermentation; en sortant de cette valve, ces gaz sont envoyés à un gazomètre qui peut se trouver soit en dehors de la cuve soit au-dessus de celle-ci. Dans ce dernier cas, les gaz s'échappent par un tuyau qui traverse la cuve et aboutit à un siphon de condensation destiné à récupérer l'eau présente dans les gaz chauds provenant de la fermentation. Dans les deux cas, les gaz sont emmenés à un épurateur. Les produits fermentés solides sortant du puits d'éva- cuation sont déversés sur un traisporteur, tandis que les produits liquides sont récupérés dans un cuvon et peuvent autre recyclés soit dans le puits d'alimentation, soit au fond de la cuve, soit au fond du puits d'évacuation. On peut éventuellement prévoir dans le système d'évacuation des produits fermentés ou dans les moyens de séparation des produits solides et liquides, une injection d'air provenant d'un surpresseur. Cette aération forcée accélère le processus de transformation du substrat en vue de son utilisation en compost. On va maintenant décrire plus en détail, à titre d'exemples non limitatifs, un mode de réalisation de l'invention et une variante, avec référence aux dessins annexés sur lesquels : L'ensemble deffigures 1 et lA est une coupe schématique d'un appareillage suivant l'invention. La figure 2 est une coupe par Il-Il de la figure 1. La figure 3 est un plan des canalisations de l'appareillage des figures 1 et 1A. La figure 4 est une coupe,analogue à la figure 1,d'une variante. La figure 5 est une coupe par V-V de la figure 4. La figure 6 est un plan analogue à la figure 3 mais montrant les canalisations de l'appareillage de la figure 4. Sur la figure 1, on voit en 1 un puits d'alimentation fermé par un couvercle2 parfaitement étanche. Le substrat préalablement broyé ou haché est introduit, après ouverture du couvercle 2 qui est ensuite refermé, dans le puits 1 qui constitue une chambre de préfermentation aérobie. Un surpresseur 3 (figure 3) pour réaliser l'oxygénation envoie par un tuyau 4 muni d'un robinet 5 de l'air à la partie inférieure de la chambre de prétraitement, après le remplissage du puits d'alimentation, pour oxygéner l'ensemble du substrat broyé, et pendant le prétraitement aérobie, pour homogénéiser et uniformiser la tempé rature issue de ce prétraitement.A travers des fentes 6, l'air traverse, en coran ascendant, la colonne de substrat contenue dans le puits 1 et des fentes 7 situées à la partie supérieure du puits, et est amené, par un tuyau 8 et après ouverture d'un robinet 9, à un échangeur de chaleur 10. Après avoir traversé l'échangeur 10, l'air est amené par le tuyau 8 à un épurateur il (figure 3). Mais cet air peut aussi être amené, par un robinet 12 et un tuyau 13, à un échangeur de chaleur 14 dont le racle sera indiqué plus loin, et ensuite, par un tuyau 15, à l'épurateur 11. L'apport calorifique amené au puits i assure le maintien de la température du milieu mésophile ou thermophile dans une cuve de méthanisation 16, décrite ci-après plus en détail, à laquelle le substrat est amené comme on va maintenant l'indiquer. Après fermeture des robinets 9 et 12, l'air provenant du surpresseur 3 arrive par le tuyau 4 et le robinet 5 au puits 1, se comprime au sommet de ce puits, et pousse le substrat à travers un siphon 17 dans la cuve 16, dans laquelle s'effectue la fermentation anaérobie et qui est divisée en deux parties par une cloison centrale 18. Des channes 19 à pliage unidirectionnel freinent, de façon connue, tout retour du substrat en cours de fermentation anaérobie vers la chambre de prétraitement 1. L'aération du puits d'alimentation 1 s'opère en ouvrant les robinets 5 et 9, le robinet 12 étant fermé ainsi qu' un robinet 20 situé sur un tuyau 21 relié à l'échangeur de chaleur 14 et à un cuvon 22 qui sera décrit ci-après (figures 1, lA et 3). Des channes 23 suspendues au dôme 16a de la cuve 16 assurent le dégazage du substrat et la dislocation du "chapeau" qui a tendance à de former au cours de la fermentation, en créant des cheminées par lesquelles les gaz s'évacuent. les matières dégazées s'alourdissent et redescendent dans le fond de la cuve, avant de passer par un siphon 24 à un puits d'évacuation 25 qui se trouve à 1800 du puits d'alimentation 1 (voir figures 1 et 2), se rattache. latéralement au fond de la cuve 16 par le siphon 24, et possède à son sommet un couvercle 26 un siphon de sortie 27 et un déversoir 28 à ouverture réglable 29. les gaz accumulés dans les parties hautes du puits d'évacuation 25 sont amenés au système d'épuration 11 par une tuyauterie souple amovible 30 et le tuyau 15 précité (figure 3). On peut prévoir une insufflation d'air en un point approprié du circuit d'évacuation, à partir du surpresseur 3, grâce à un tuyau 31 muni d'un robinet 32 et dont le point d'arrivée est choisi en fonction des besoins et n'et pas représenté. De préférence, Si l'injection d'air se fait dans le puits d'évacuation 25, elle se produit à travers des fentes analogues aux chambres 6 et 7 du puits d'alimentation 1. Qu'il y ait ou non une aération forcée du puits d'évacuation 25, les gaz accumulés dans les parties hautes sont évacués par le tuyau 30 vers l'épurateur 11. Les gaz résultant de la fermentation anaérobie à lein- térieur de la cuve 16 forment une poche au sommet de celle-ci. Cette accumulation de gaz, en se comprimant, exerce sur le niveau supérieur du substrat dans la cuve une poussée qui abaisse le niveau de ca substrat en cours de fermentation. Les gaz resultant de la méthanisation sortent par un tuyau 33 muni d'un robinet 34 et se dirigent vers un gazomètre 35, par l'intermédiaire d'une valve hydraulique 36 dont le r81e est de provoquer des oscillations de la masse en fermentation qui se traduisent par un flux et un reflux entre la cuve 16, le puits d'alimentation 1 et le puits d'évacuation 25. La pression dans ID tuyau 33 qui réunit la cuve 16 au gazomètre 35 puis, par le tuyau 8, à l'épurateur 11, est la mQme que celle qui règne dans la cuve. Quand cette pression est supérieure à celle exercée par la hauteur d'eau de la valve 36, c'est cette hauteur d'eau, réglable, qui détermine le seuil de déclenchement et donc le rythme de pulsion (plus la hauteur d'eau est faible, et plus les pulsions sont fréquentes et inversement). L'air s'échappe au travers de la valve 36 et se dirige vers le gazomètre 35. Il n'y a donc plus d'accumulation de gaz à l'intérieur de la cuve 16, donc plus de pression sur le substrat, et plus d'abaissement du niveau supérieur de ce substrat, qui reprend son niveau initial. On constate donc un abaissement du niveau du substrat dans la cuve 16 avant le déclenchement de la valve 36 et un retour au niveau initial après son déclencheent. La cloison verticale 18 permet la circulation du substrat dans la cuve, comme l'indiquent les flèches. Un passage 37 sous la cloison 18 permet la circulation directe des matières lourdes vers le puits d'évacuation 25. L'action des channes 23 vient se combiner avec le flux et le reflux du substrat assurés par la valve hydraulique 36. Ces chaînes doivent avoir une densité supérieure à celle du substrat Plusieurs pulsions quotidiennes assurent l'évacuation des produits fermentés, d'une manière intermittente, par un réglage de l'ouverture 29 du déversoir 28. Ce déversoir (figure 1A) aboutit à un pressoir 38 qui sépare la partie solide fermentée du liquide ou levain et qui peut éventuellement autre soumis à l'insufflation d'air mentionnée précédemment.Un tapis transporteur 39 évacue la matière solide, tandis que le liquide est récupéré dans le cuvon 22. Ce levain peut être utilisé de différentes façons sous l'action d'une pompe 40 située sur le tuyau 21, après un réchauffage à l'aide de l'échangeur de chaleur 14. Il peut : a) entre recyclé dans la partie supérieure du puits d'alimentation 1 par le tuyau 2 et le robinet 20 ; b) être injecté dans la bas de la cuve 16 par le tuyau 20 et un tuyau 41 muni d'un robinet 42 ; c) entre envoyé dans le bas du puits d'évacuation 25 par un tuyau 43 muni d'un robinet 44 Bien que l'on ait indiqué précédamment que le tuyau 33 relie le gazomètre 35 à l'épurateur 11 par le tuyau 8, il est possible, dans une variante non représentée, d'envoyer les gaz résultant de la fermentation anaérobie dans un autre épurateur. Si l'on se reporte maintenant aux figures 4 à 6, on voit un second mode de réalisation de l'invention. Les puits d'alimentation 1 et d'évacuation 25 sont identiques à ceux de la figure 1, et l'évacuation du substrat se fait par le déversoir 28 à la façon indiquée précédemment. La cuve 16' ressemble à la cuve 16 et possède comme elle une cloison 18', mais contient une valve hydraulique 36' qui est identique à la valve 36, et elle est surmontée d'un gazomètre 35'. La valve 36' se trouve sur un tuyau 33' dont une extrémité part, comme le tuyau 33 de la figure 1, du sommet 16'a de la cuve, et dont l'autre extrémité débouche dans le gazomètre 35'.Dans ce dernier débouche un tuyau 45 qui aboutit d'une part à un siphon de condensation 46 destiné à réeupérer l'eau présente dans les gaz chauds provenant de la fermentation et qui se condensent dans le tuyau 45, et d'autre part, comme le tuyau 33, dans le tuyau 8 amenant à l'épu- rateur 11 avec interposition d'un robinet 47. Toutefois, dans une variante non représentée, les gaz résultant de la fermentation anaérobie dans la cuve 16' peuvent être envoyés à un autre épu rater. Enfin, il est prévu un ensemble (non représenté) d'appareils connus destinés à des mesures physico-chimiques, à savol: le débit de gaz, la pression, la température, le pH, le rH, et la teneur en oxygène. Le choix et le positionnement de ces appareils sont bien connus des hommes de l'art, et il n'est donc pas nécessaire de les décrire ou d'indiquer leur positionnement. R3VENDICATI ONS i - Procédé pour réaliser une méthanogenèse, caractérisé par la succession des opérations suivantes : a) un ensemencement est effectué à partir d'un substrat provenant de milieux divers tels que de la terre, du purin, du fumier et des boues d'égout ou de marais, en mEme temps qu'une humidification progressive qui peut atteindre 75 ffi ; b) une insufflation d'air est effectuée à travers le substrat ; c) le substrat est immergé dans un milieu à fort pouvoir de tampon puis ensemencé en population méthanogène par un levain constitué par des reliquats de fermentations, dilués , liquides et solides ; d) une agitation du milieu est réalisée pour améliorer le rendement et la vitesse de fermentation ; et e) en utilise l'apport calorifique des réac tions exothermiques pour maintenir la fermentation en milieu mésophile ou thermophile, avec utilisation éventuelle d'un calorifuge pour améliorer le bilan thermique. 2 - Appareillage pour réaliser une méthanogenèse, comprenant un broyeur ou hacheur projecteur qui permet d'une part la réduction du substrat solide en masses filamenteuses ou fragmentées autorisant un large passage d'un courant d'air surpressé entre les particules, et d'autre part l'introduction du substrat dans le puits d'alimentgtion d'un réacteur, et caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison : a) une cuve de fermentation anaérobie (16 ou 16') divisée verticalement par une cloison centrale (18 ou 18') en deux parties reliées respectivement par un siphon (17) équipé de façon connue d'une série de channes (19) à pliage unidirectionnel pour empocher tout retour du substrat, à un puits d'alimentation (1) où s'effectue de façon connue un prétraitement aérobie, muni d'un couvercle hermétique (2) et auquel sont associés un surpresseur (3) et au moins un échangeur de chaleur (10), et à un puits d'évacuation (25) ; b) des moyens (22 et 38 à 40) reliés au puits d'évacuation (25) pour séparer les produits solides fermentés du liquide qui doit être recyclé ; et c) des appareils connus pour les mesures physico-chimiques nécessaires, c'est-à-dire le débit de gaz, la pression, la température, le pH, le rH, et la teneur en oxygène. 3 - Appareillage suivant la revendication 2, caractérisé en ce que : a) une seconde série de channes (23) est suspendue au dôme (16a ou 16'a) de la cuve pour assurer le dégazage du substrat et la dislocation du*"chapeau" qui a tendance à se for mer au cours de la fermentation ; b) la cloison (18 ou 18') précitée laisse à son extrémité inférieure un passage (37) pour la circulation directe des matières lourdes vers le puits d'évacuation (25) ; et c) le levain produit par la méthanoge- nèse peut être recyclé au bas de la cuve par ouverture d'un robinet ad hoc (42). 4 - Appareillage suivant la revendication 2, caractérisé en ce que : a) il existe deux échangeurs de chaleur (10, 14) reliés à un épurateur (11) ; b) le puits d'alimentation (13 possède deux séries de fentes (6, 7) situées à une certaine distance l'une de l'autre et à une certaine distance, respectivement, du couvercle (2) et de l'extrémité inférieure du puits ; c) l'air qui provient du surpresseur (3) via le premier (10) des échangeurs de chaleur s'écoule vers le haut à travers les fentes inférieures (6) puis à travers les fentes supérieures (7), sort par le sommet du puits et est envoyé à l'épurateur (11) précité avec interposition d'un robinet (9 ou 12) sur chacun des tuyaux de liaison (8 et 13) à un des échangeurs de chaleur (10 et 14) ; et d) la série supérieure (7) de fentes est reliée avec interposition d'un robinet (20) à un circuit (21) de recyclage du levain produit par la méthanogenèse. 5 - Appareillage suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le substrat contenu dans le puits d'alimentation (1) est poussé à travers le siphon (17) dans la cuve (16 ou 16') où s'effectue la fermentation sous l'action d'air provenant du surpresseur (3) après fermeture des robinets (9 et 12) précités. 6 - Appareillage suivant la revendication 2, caractérisé en ce que du sommet du dôme (16a) de la cuve (16) part un tuyau 433) par lequel les gaz résultant de la méthanisation arrivent à une valve hydraulique (36) destinée à provoquer des oscillations de la masse en fermentation et en sortant de cette valve sont envoyés à un gazomètre (35) relié à un épurateur (11). 7 - Appareillage suivant la revendication 2, caractérisé an ce que les produits fermentés solides sortent du puits d'évacuation (25) et sont évacués par un transporteur (39), tandis que les produits liquides sont récupérés dans un cuvon (22) et peuvent être recyclés soit dans le puits d'alimentation (1), soit au fond de la cuve (16 ou 16'), soit au fond du puits d'évacuation (25). 8 - Appareillage suivant la revendication 2, caracté risé en ce que la cuve de fermentation anaérobie (16') contient une valve hydraulique 36') destinée à provoquer des oscillations de la masse en fermentation et supporte un gazomètre (35') d'où le gaz peut s'échapper par un tuyau (45) qui traverse la cuve (16') et aboutit d'une part à un siphon de condensation (46) destiné à récupérer l'eau présente dans les gaz chauds provenant de la fermentation, et d'autre part à un épurateur (11).