Brevet FR2521975A1 — publié le 19830826

La présente invention concerne un appareil perfec tionné pour le traitement anaérobie d'effluents résiduaires, applicable aux effluents présentant une teneur élevée en éléments polluants et plus particulièrement aux effluents des industries agro-alimentaires telles que brasseries, sucreries, conserveries, levureries etc*.. Le procédé de "digestion anaérobie" ou dégradation anaérobie de la pollution organique dans les effluents résiduaires est basé sur la fermentation méthanogène, récupératrice d'énergie par production de gaz mgthane, carburant stockable et utilisable directement. La digestion anaérobie est d'autant plus stable et rapide qu'elle s'opère à une température suffisante et constante. Pour le développement optimal des bactéries mésophiles auxquelles il est le plus souvent fait appel, la température idéale est voisine de 35C. S'il s'agit de bactéries thermophiles, la température optimale est plus élevée mais ne dépasse pas 60ex. Aussi ce procédé est-il particulièrement bien adapté au traitement des effluents résiduaires des industries agro-alimentairea, dont la température est relativement élevée. Le réchauffement de ces effluents avant traitement n'est pas toujours nécessaire. Par ailleurs, il est connu depuis longtemps d'utiliser le procédé de digestion anaérobie pour la stabilisation des boues provenant des stations d'épuration d'eaux résiduaires urbaines. Il s'agit alors essentiellement de dégrader la matière organique contenue dans des suspensions liquides présentant des concentrations en matières sèches de plusieurs dizaines de grammes par litre. Du fait de la nature et de la haute concentration des matières en suspension de ces boues, la séparation de l'eau interstitielle en est très difficile et nécessite des temps de décantation extrêmement longs. Le type de réacteur, appelé fermenteur, mis en oeuvre pour assurer la fermentation est généralement une seule phase, sans recyclage. La masse boueuse est introduite dans le fermenteur.La matière organique qu'elle contient est soumise i l'action de la flore anaérobie ep#atrice et contribue à la formation de nouveaux micro-organismes, mais une partie de lamatière vivante est évacuée à l'extérieur avec la boue digérée sortanten surverse. Un équilibre se produit ainsi dans la formation et l'élimination des différentes espèces bactérien nes. Lorsque la digestion anaérobie est mise en oeuvre sur des effluents dont la teneur enmatières sèches est seulement de quelques grammes par litre, il est connu d'utiliser un traitement en deux phases: la phase de fermentation proprement dite est suivie d'une phase de clarification (le plus souvent par décantation) par laquelle on sépare du liquide interstitiel le maximum de matières en suspension plus ou moins floculées qui sont riches enmicroorganismes et constituent des boues. Ces boues sont ensuite recyclées dans lefermenteur méthanique et permettent d'S~ assurer une concentration élevée de micro -organismes, facteur favorable à l'application d'importantes charges de pollution et à la réduction des temps de séjour pour un même rendement d'épuration.Une fois l'équilibre atteint, les boues enexcès formées sont régulièrement extraites du système. On connaît des installations pour la mise en oeuvre du procédé de traitement en deux phases, ces installations comportant un fermenteur et undécanteur fonctionnellement reliés et dans lesquels les boues formées au cours du traitement sont recyclées du décanteur dans le fermenteur. Des installations de ce type sont décrites dans les brevets français n0 2 355 783 du 23 juin 1977, 2 426 651 et 2426652 du 23mai 1979, dans lesquelles on réalise une décantation à l'intérieur même dufermenteur de façon à limiter au maximum le volume de boues décantées à recycler dans le fermenteur. Ces fermenteurs sont des réacteurs à lit de boues dont le fonctionnement est similaire, sur le plan hydraulique, à celui des unités de décantation dites "à lit de boue" mettant en oeuvre, pour la clarification d'eau de rivière, des floculants chimiques. L'effluent à traiter est introduit à la base du réacteur et traverse, de bas en haut, un lit de boues de concentration sensiblement décroissante.Au-dessus du lit de boues proprement dit, la concentration du liquide en matières en suspension est faible et une zone de décantation complémentaire aménagée au-dessus du fermenteur permet la séparation de la plus grande partie des matières en suspension restant dans l'effluent quittant la zone de fermentation. Dans ce type d'installation l'introduction de ltef- fluent à traiter se fait à la base de l'appareil et la collecte de l'effluent clarifié à la partie supérieure de la zone de décantation. L'alimentation du décanteur depuis le fermenteur proprement dit et le retour des boues décantées vers la zone de fermentation se font par des ouvertures aménagées dans la paroi interne délimitant les deux zones. Ce type d'appareil présente l'avantage d'être compact en ménageant dans une même enceinte deux phases de traitement. Il permet également de maintenir, tout au long du procédé les bactéries en phase anaérobie et à température sensiblement constante. Ses aménagements techniques présentent toutefois certains inconvénients, en particulier en ce qui concerne le retour des boues décantées dans le fermenteur et le mode d'introduction de la liqueur à épurer à la base du réacteur : en effet, l'absence de contrô- le positif du point de prélèvement et du débit de retour des boues décantées recyclées ne permet pas d'éviter le risque de perturbations sérieuses du processus de décantation dans la zone réservée à cet effet.En particulier les orifices, situés dans la partie inférieure du décanteur et réservés à l'écoulement des boues décantées vers le fermenteur placé en dessous, peuvent tre traversés par des courants de sens contraire : l'intensité et la direction des mouvements de masse liquide à l'intérieur du fermenteur varient suivant l'importance du dégagement gazeux; il est alors fort difficile d'éviter, même par des déflecteurs soigneusement disposés, la pénétration de bulles de gaz dans la zone de décantation à travers les orifices inférieurs aménagés dans la paroi séparant les deux zones ainsi que le développement de trop forts courants d'échange et de circulation entre la zone de décantation et celle de fermentation. Un autre inconvénient est le risque de bouchage des conduits d'alimentation de l'appareil: en effet il est bien connu que le bon fonctionnement d'un réacteur à lit de boues nécessite une alimentation de l'ouvrage la plus uniforme possible sur toute la surface de l'appareil. Or les débits introduits dans les réacteurs anaérobies étant relativement faibles (le plus souvent inférieurs à 1 m3/(h. m2) et les liqueurs d'alimentation contenant souvent des matières en suspension en quantité non négligeable, l'alimentation simultanée et à débit constant de tous les conduits répartis régulièrement sur toute la surface du radier de l'appareil est peu fiable. On est donc amené à une alimentation cyclique de ces conduits, les uns après les autres, de façon à maintenir des vitesses suffisantes dans ceux-ci et d'éviter leur bouchage. Cependant un autre incon vénientapparait alors qui est le risque de survitesses trop importantes localisées dans le litde boues et perturbantcelui-ci. L'invention permet d'éviter ces inconvénients. La présente invention consiste en un appareil pour le traitement anaérobie d'effluents résiduaires comportant dans une même enceinte au moins un fermenteur méthanogène et au moins un décanteur de boues chargées de micro-organismes anaérobies, ces boues étant recyclées du, ou des, décanteurs vers le, ou les, fermenteurs, caractérisé en ce qu'il comporte une cloison continue pour séparer hydrauliquement décanteur (s) etfermenteur (s), des moyens de pompage, à débit réglable, pour le recyclage des boues décantées et des moyens d'alimentation pulsée pour l'introduction de l'effluent résiduaire à traiter dans le, ou les, fermenteurs. Conformément à une caractéristique de l'invention, les moyens de pompage pour le recyclage des boues décan tées et les moyens d'alimentationpulsée pour l'introduc tion de l'effluent à traiter dans le, ou les fermenteurs sont mis en action par le gaz produit dans le fermenteur. Suivant une autre caractéristique de l'invention les moyens de pompage pour le recyclage des boues décantees dans le fermenteur sont constitués par au moins une pompe à émulsion fonctionnant à l'aide du gaz de fermentation produit dans l'appareil. Suivant encore une autre caractéristique de l'invention, les moyens de recyclage des boues du décanteur vers le fermenteur sont constitués par des pompes centrifuges ou volumétriques à entratnement mécanique. Egalement suivant une des caractéristiques de l'invention, l'alimentation pulsée de l'appareil en effluent à traiter est assurée au moyen d'une série de siphons comprimés au gaz de fermentation et dont l'ouverture simultanée est commandée par le niveau liquide dans le conduit d'arrivée générale de l'effluent à traiter. Cependant, également conformément à l'invention, l'alimentation pulsée peut autre assurée au moyen d'un dispositif à chasse avec siphon auto-amorçant monté sur le circuit de l'effluent brut. Enfin, l'alimentation pulsée peut être assurée au moyen d'une vanne i ouverture discontinue. L'appareil comporte en outre, toujours conformément à l'invention, des moyens pour injecter le gaz de fermentation produit, éventuellement surpressé dans les ramifications de distribution d'effluent à traiter à la base du fermenteur, à des fins de nettoyage ou de brassage. L'appareil constitue un ensemble compact contenant fermenteur et décanteur, suivant tnllte conf#guration voulue par exemple fermenteur et décanteur superposes ou juxtaposés, cette dernière disposition ayant l'avantage d'une faible hauteur d'appareil. L'ensemble peut comporter deux décanteurs disposcs de part et d'autre d'un fermenteur ou deux fermenteurs disposés de part et d'autre d'un décanteur. Le décanteur est avantageusement fermé par un couvercle maintenant le décanteur dans une atmosphère de gaz produit. La description qui va suivre faite en référence aux dessins annexés, permettra de mieux comprendre l'invention. Sur ces dessins La figure 1 est une coupe verticale de l'appareil suivant l'invention dans l'un de ses modes de réalisation. Les figures 2 et 3 sont des vues schématiques du dispositif de recyclage des boues du décanteur vers le fermenteur suivant deux formes de réalisation de l'invention. Les figures 4 et 5 sont des vues schématiques d'autres formes de réalisation de l'invention applicables aussi bien à des appareils rectangulaires que circulaires. Les figures 6 et 7 représentent schématiquement des variantes possibles des dispositifs d'alimentation pulsée de l'appareil. Les figures 8 et 9 représentent schématiquement en coupe (fig. 8) et en vue de dessus (fig. 9) les dispositifs d'injection de gaz de fermentation surpressé pour le nettoyage des ramifications d'alimentation du fermenteur ou le brassage du fond de l'appareil. Dans l'exemple traité à la figure 1, l'appareil est constitué par une enceinte 1 fermée par un couvercle la. Cette enceinte comporte à sa partie inférieure un fermenteur 2 et à sa partie supérieure un décanteur 3 séparés par une cloison continue 4. L'alimentation du fermenteur en effluent à traiter est réalisée par l'intermédiaire du collecteur 5 et de ramifications 6 munies d'orifices régulièrement répartis et disposés au voisinage du radier. Un dispositif à siphon 7 recevant l'effluent à traiter véhiculé par une tuyauterie 8 et relié par la canalisation 7a au collecteur 5 permet d'assurer une alimentation pulsée du réacteur. A chaque amorçage du siphon, les ramifications 6 sont traversées par un débit permettant à la fois une bonne répartition hydraulique sur toute la surface du radier et une vitesse suffisante d'autocurage des ramifications. Un cloisonnement 10 régnant sur une certaine hauteur à l'intErieur du réacteur délimite une chambre de collecte de gaz 9 et permet ainsi une alimentation périphérique du décanteur en maintenant une surface importante 11, de l'ordre de 10 * de la surface totale du décanteur, pour le dégagement du gaz occlus dans la liqueur provenant du fermenteur. L'effluent clarifié est collecté dans la goulotte 12. Les boues déposées au fond du décanteur 3 sont ramenées dans le puits central 13 au moyen d'un dispositif de raclage à entrainement central 14. Toute autre disposition du fond du décanteur, telle que parois dont la pente assure le glissement naturel des boues vers un point de reprise central, peut être également utilisée sans sortir du cadre de l'invention. Le retour à débit et/ou cadence réglable des boues décantées dans le fermenteur est assuré par une pompe 15 débitant dans la canalisation 7a d'amenée de l'effluent au fermenteur. La pompe 13 est mécanique, (pompe centrifuge par exemple), ou pneumatique. Le réglage du débit, ou de la cadence, du retour des boues est obtenu en agissant sur le fonctionnement de la pompe. L'appareil comporte enfin une tuyauterie 16 munie d'une vanne 16a pour la vidange du fermenteur et une tuyauterie 17 d'évacuation du gaz produit de la chambre de collecte. Les figures 2 et 3 représentent schématiquement le dispositif de pompage pneumatique utilisé, conformément à l'invention, pour le recyclage des boues du décanteur vers le fermenteur. Dans l'exemple représenté à la fig. 2, des pompes à émulsion 18, alimentées par la canalisation 18a sur laquelle est prévue un surpresseur 19, en gaz de fermentation provenant de la chambre de collecte 9, permettent le recyclage des boues de la prise 13, située au fond du décanteur, vers le fermenteur par la canalisation 18b reliant les pompes à émulsion à la canalisation 7a d'amenée de 1'effluent au fermenteur. Les chambres 20 de dégazage des pompes à émulsion sont en équilibre avec les chambres 9 de collecte de gaz. Dans le cas de la figure 2 les boues recyclées sont réintroduites au bas du fermenteur. Dans le cas de la figure 3, elles sont réintroduites aux environs de son tiers supérieur, comme le montrent les flèches F.Un système de baffles 21 délimite alors, à la périphérie de l'appareil, une chambre de dégazage 20 et, à cet endroit, l'alimentation du décanteur en liqueur traitée est interrompue. Un autre exemple d'exécution de l'ouvrage objet de l'invention est donné par la figure 4. Les dispositions représentées par les figures 4 et 5 sont applicables aussi bien à un ouvragé constitué par une enceinte 1, telle que cuve, de forme rectangulaire (en plan) qu'à un ouvrage de forme circulaire. Dans la disposition de la figure 4, le décanteur 22 est situé dans l'axe de la cuve 1 et est flanqué latéralement de deux zones de fermentation 23 fonctionnant en paallèle. Une série dé trémies 24 (une seule si l'ouvrage est circulaire) sont aménagées au fond du décanteur et équipées de pompes à émulsion 25, alimentées par la tuyauterie 26 sur laquelle est intercalé un surpresseur 27, en gaz de digestion recueilli par la tuyauterie 28 débouchant dans la canalisation d'évacuation 29 sur laquelle est piquée la tuyauterie 26. Ces pompes à émulsion refoulent dans une chambre fermée 30, placée dans l'axe de l'appareil, servant à la collecte et au dégazage des boues recyclées. Par des tuyauteries 31, ces boues dégazées sont, comme le montre la figure 4, retournées dans le collecteur 32 d'alimentation des fermenteurs 23 en liqueur à traiter. Cette alimentation se réalise par les ramifications 33, de façon pulsée comme déjà décrit pour les appareils 6 de la figure 2. L'appareil représenté dans la figure 5 est de conception analogue et fonctionne de manière semblable à celui de la figure 4, mais il ne comporte qu'un seul compartiment de fermentation 23 juxtaposé au décanteur 22 et les boues recyclées sont retournées directement dans le fermenteur et sensiblement au niveau du tiers supérieur de ce dernier, par les tuyauteries 34. Dans les différentes formes de réalisation de l'invention, l'alimentation pulsée de l'appareil en effluent i traiter peut être réalisée suivant plusieurs variantes. Dans ce qui précède, on a décrit un dispositif constitué d'une chambre générale d'arrivée équipée d'un siphon 7 unique auto-amorçant relié au collecteur 5, 32 auquel sont également reliées les différentes ramifications internes 6, 33 de distribution au réacteur. Ce siphon peut être remplacé par une vanne automatique (non représentée) commandée par le niveau dans la chambre d'arrivée. Une autre disposition, particulièrement intéressante pour les grandes unités, consiste å utiliser plusieurs siphons sous pression installés en parallèle sur le même canal d'alimentation. La figure 6 donne une coupe simplifiée de l'appareil et la figure 7 schématise les liaisons hydropneumatiques de ce système. Les ramifications 33 d'équirépartition sont alimentées & partir d'un canal gé nival 34 recevant l'effluent brut et équipé d'une série de siphons sous pression 35. Les cloches des siphons 35 sont sous pression de gaz fourni par un surpresseur 36 aspirant dans la tuyauterie 37 de collecte du gaz produit et cette pression, fixée par une canne de palpage 38 (voir fig. 7) dans le canal 34, augmente avec le niveau dans celui-ci.Quand cette pression atteint une valeur préréglée, un pressostat 39 commande la fermeture de la vanne 40 d'alimentation en gaz sous pression et ouvre la vanne 41 de mise en communication avec les cloches des siphons, de sorte que tous les siphons s'amorcent et vident le canal jusqutau bas des cloches puis la vanne 41 se ferme et la vanne 40 s'ouvre. Enfin, l'appareil objet de la présente invention peut, dans ses différents modes de réalisation, être équipé de dispositifs permettant l'injection de gaz sous pression dans toutes les ramifications de distribution effluent brut au bas du réacteur, considérées isolément ou non. Les figures 8 et 9 représentent, de façon simplifiée, ce complément d'installation qui présente entre autres trois avantages : - permettre, par injection de gaz sous pression, le net toyage périodique des ramifications qui, à la longue, peuvent ~'encrasser par les apports de matières lourder ou les développement bactériens. - rendre possible aisément la transformation du réacteur pour disposer dJun'fermenteur "par contact", homogène, brassé au gaz; cette modification est spécialement inté ressente si la nature des effluents i traiter a évolué et justifie un traitement dans un réacteur de ce type. - en cas de vidange de l'appareil, faciliter, par un brassage énergique du fond, l'évacuation par le système de vidange, sans manoeuvres pénibles, des dépôts qui seraient formés å la longue. Coli le montrent les fig. 8 et 9, chaque ramitica- tion 42 est reliée au collecteur général d'aliientation 43 en effluent brut par une vanne 44. Le surpresseur 45, alimenté on gaz i partir de la chambre 46 de collecte de gaz produit dans le ou les fermenteurs, refoule dans une tuyauterie 47 comportant des piquages avec vannes 48 sur les ramifications 42. On interrompt alors l'alimentation en effluent de l'appareil pour permettre l'insufflation du gaz produit par les moyens décrits dans les ramifications 42. Eventuellement, les vannes 44 et 48 peuvent être automatisées et programmées. Ainsi qu'on l'a déjà fait remarquer plus haut, la disposition suivant laquelle fermenteur etdécanteur sont juxtaposés présente l'avantage d'une faible hauteur d'appareil. En outre, cette disposition est particulièrement avantageuse lorsqu'on désire réaliser une méthanisationen deuxphases acidification dans un premier appareil, méthanogénisation dans le second appareil, ces deux appareils pouvant constituer aisément un ensemble trqès compact. REVENDICATIONS 1 - Appareil pour le traitement anaérobie d'effluents résiduaires comportant dans une meme enceinte au moins unfermenteur méthanogène et au moins un décanteur des boues chargées de microorganismes anaérobies, ces boues étant recyclées du décanteur vers le fermenteur, caractérisé en ce qu il comporte une cloison continue (4) pour séparerhydrauliquement décanteur (s) et fermenteur (s), des moyens de pompage (15, 18, 25)pour le recyclage à débit réglable des boues décantées et des moyens d'alimentation pulsée (7, 35) pour l'introduction de l'effluent à traiter dans le oules fermenteurs (2, 23). 2 - Appareil suivant la revendication 1, caractérisé ence qu'il comporte deux décanteurs disposés de part et d'autre d'unfermenteur. 3 - Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte deux fermenteurs disposés de part et d'autre d'un décanteur. 4 - Appareil suivant la revendication 1, caractérisé ence qu'il comporte un décanteur circulaire disposé au-dessus du fermenteur, 5 - Appareil suivant l'une quelconque des revendicationsprécédentes, caractérisé en ce que les moyens de pompage des boues décantées et les moyens d'alimentation en effluent à traiter sont mis enaction à l'aide de gaz produit dans le fermenteur. 6 - Appareil suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé ence que les moyens de pompage pour le recyclage des boue s décantées vers le fermenteur consistent en au moins une pompe à émulsion (18, 25) fonctionnant à l'aide du gaz surpressé produit dans l'appareil. 7 - Appareil suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de pompage pour le recyclage des boues décantées vers le fermenteur consistent enau moins une pompe centrifuge ou volumétrique à entrafnement mécanique (1 s). 8 - Appareil suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation pulsée pourl'intro- duction de l'effluent à traiter dans le fermenteur consistent en une pluralité de siphons (35) mis sous pression par le gaz de fermentation produit dans l'appareil et dont l'ouverture simultanée est commandée par le niveau liquide dans le conduit d'arrivée (34) de l'effluent à traiter. 9 - Appareil suivant l'une quelconque des revendicationsprécédentes, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation pulsée pour Pintro- duction de l'effluent à traiter dans le fermenteur consistent en un dispositif (7) à chasse avec siphon auto -amorçant monté sur le conduit d'arrivée (8) de l'effluent à traiter. 10 -Appareil suivant l'une quelconque des revendicationsprécédentes, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation pulsée pour l'introduction de l'effluent à traiter dans le fermenteur consistent en une vanne à ouverture discontinue. 11 - Appareil suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé ence que le gaz de fermentation produit dans l'appareil est injecté dans les ramifications (6, 33) de distribution de l'effluent à traiter dans le fermenteur, à des fins de nettoyage oude brassage du milieu se trouvant dans le fond de l'appareil. 12 - Appareil suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé ence que le décanteur est muni d'un couvercle (la) le maintenant sous une pression de gaz produit dans le fermenteur.