Brevet FR2534274A1 — publié le 19840413

La présente invention a pour objet un procédé et un installation de production de biogaz, c'est-à-dire une installation de fermentation métbanique d'effluents organiques, fonctionnant de façon économique pour la production de gaz. Actuellement, notamment dans l'agriculture, divers procédés ont été préconisés pour la production de gaz par fermentation méthanique continue, des lisiers, effluents d'industries agro-alimentaires ou autres. Pour cela, on emploie soit des techniques de fermentation anaérobie en cellules libres ne permettant pas de dépasser une productivité de 0,8 à 1,2 volume de biogaz par volume de réacteur et par jour, et dans ce cas la charge volumique n'excède pas 5 kg. de DCO par m3, et la teneur en méthane du biogaz se situe entre 55 et 70 %, soit des techniques plus performantes notamment celles faisant usage de supports pour immobiliser les cellules, mais elles n'ont guère dépassé le stade du laboratoire, des problèmes. de colmatage étant intervenus lors du passage au stade industriel. Il existe encore d'autres techniques employant la digestion par contact ou la digestion par flux ascendant en lit de boues. Malheureusement les performances d'un grand nombre d' instal- lations de fermentation méthanique sont liraitées à cause de la proportion importante de matières difficilement fermentescibles (cellulose, hérni cellulose) qui se trouve dans le substrat à méthaniser. Le "ballast" inutile occupe un volume mort dans le réacteur et nuit â sa productivité. De plus, la composition du substrat à traiter est rarement prise en compte et est susceptible de varier dans le temps avant digestion. En outre, la plupart des installations ne font pas appel à un procédé de rétention des microorganismes responsables de la réaction à l'intérieur de l'appareil. Une augmentation du nombre de ces microorganismes présents dans le substrat, à l'intérieur du digesteur, per- mettrait d'accrortre la cinétique de la réaction. la présente invention a pour but d'éliminer les inconvénients précités et de réaliser une unité de production de biogaz de grandes performances tout en ayant une simplification de conduite et une amélioration du bilan énergétique. Selon l'invention, l'effluent brut est stocké dans une fosse de collecte où il est homogénéisé. Il subit ensuite un tamisage afin de le rendre compatible avec une fermentation métbanique par filtre anaérobie. Après passage dans le fermenteur, le substrat est évacué dans une fosse pour un post-traitement. Plus précisément, selon l'invention, l'effluent est stocké dans la fosse de collecte à une température supérieure à 160C et subit un prétraitement consistant en un processus de vieillissement, afin de solubiliser au mieux la matière organique et de briser microbiologiquement une partie des longues chaînes carbonées (cellulose, hémi cellulose). L'ensemencement naturel induit une acidogénèse.Les temps de rétention dans la fosse se situent entre 12 heures et quatre jours suivant la nature du substrat traité, par exemple - 12 à 24 heures pour les effluents des industries agro-alimentaires - 2 jours au mInimum pour du lisier de bovins et des fientes de volailles - 3 jours au minimum pour les lisiers de porcs à faible teneur en cellulose. Il faut noter que pour certains effluents une dilution est nécessaire avant la phase de vieillissement. Après vieillissement et afin d'obtenir un effluent homogène, les matières insolubles et non fermentescibles sont éliminées. La granulometrie doit être inférieure à 100 microns. On utilise un tamis vibrant dont le système d'évacuation des particules solides évite le colmatage et permet le traitement des liquides à forte charge organique. Les mailles des grilles du tamis doivent se situer entre 200 et 800 microns suivant l'e!ffluent traité et les débits de tamisage varient de 3 à 15 m3/h. toujours selon l'invention, le substrat est alors dirigé vers un digesteur ; il traverse tout d'abord un premier échangeur à contrecourant dont le fluide chaud (effluent sortant du digesteur) est à 350C environ, et ensuite un second échangeur à contre-courant où le fluide chaud (eau) est à 500C environ, l'échangeur étant dimensionné pour éviter tout colmatage par le liquide chargé, tout en gardant un coefficient d'échange acceptable. La vitesse du liquide chargé dans l'échangeur doit être supérieure à 0,32 m/s, soit un débit supérieur à 1,25 m3/h pour un diamètre intérieur du tube central de 37,2 mm et un diamètre intérieur de 1 'enveloppe. de 60 mm. Compte tenu du procédé selon l'invention qui implique des temps de rétention hydraulique très courts dans le digesteur, l'alimentation en substrat est faite par une pompe volumétrique et répartie de façon homogène sur la journée. la quantité d'effluent à traiter déterminera le débit d'alimentation et la fréquence de fonctionnement de la pompe qui sera commandez au moyen d'une horloge, et en tout état de cause le débit devra toujours être supérieur à 1,25 m3Ai. Une caractéristique de l'invention consiste également à utiliser le liquide sortant du digesteur après sa fermentation méthanique à 350C environ comme fluide chaud dans le premier échangeur à contrecourant. Après son passage dans les deux échangeurs précités, le substrat est introduit dans le digesteur par le bas à proximité du circuit de recirculation. On accroît la cinétique de production de biométhane par fixation sur supports des micro-organismes responsables de la réaction et une autre des caractéristiques de l'invention est de répartir uniformiment cette activité biologique sur un garnissage interne du digesteur faisant office de filtre anaérobie. Selon l'invention, ledit garnissage est composé d'anneaux en matière plastique de 50 itrn, nermettant d'atteindre des taux de charge de 12 à 23 kg DCO/m3/jour, repré- sentant un temps de séjour de 0,4 à 4,5 jours suivant la concentration de la matière organique. Toujours selon l'invention, le substrat, après introduction dans le digesteur, est recyclé afin de répartir l'activité biologique sur tout le garnissage en évitant tout phénomène de décantation.Le débit de recyclage doit être par heure de 20 à 35 % du volume utile du réacteur. Le débit du liquide recyclé doit aboutir dans le ciel gazeux afin de diminuer le volume des mousses apparaissant au cours du régime transitoire. Dans le procédé selon l'invention, aucune croûte ne se forme en surface, le tamisage ayant supprimé toutes les particules susceptibles de flotter dans le substrat. Le substrat est soutiré du digesteur par tropvplein, afin d'équilibrer le liquide sortant avec le débit du liquide entrant et il est stocké dans une fosse pour être utilisé campe engrais par épandage. Le gaz produit est disposnible sous une pression de 5000 Pa dans le digesteur. Il peut être utilisé immediatement ou après épuration. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la descripe tion d'une réalisation de l'invention et à l'examen des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est un schéma de l'unité de production de biogaz selon l'invention invention - la figure 2 est une vue du digesteur de l'unité de production de biogaz. En se reportant à la figure 1 représentant schematiquement l'unité de production de biogaz selon llinvention, on voit qae l'effluent brut arrive en 1 et est stocké par exemple dans une fosse de collecte 2, de préférence à une température supérieure à 16Qc. L'effluent reste dans cette fosse 2 d'une demi-journée à quatre jours pour y subir un processus de vieillissement suivant sa nature et se solubilise partiellement. L'effluent est alors repris par une pcope 3 et dirigé vers un tamis d'épuration 4 dont les mailles se situent entre 200 et 800 microns, afin d'éliminer les particules de grosse taille souvent non fermentiscibles avec des temps de séjour réduits. Le tamisat est séparé de l'effluent et stocké en 5 pour utilisation éventuelle. L'effluent tamise est stocké dans une fosse 6, afin d'évi- ter les ruptures de charges. A noter que le tamisage n'est pas toujours nécessaire selon le substrat à traiter. Cet effluent est repris par une pompe (à membrane) 7 pour être dirigé vers un digesteur 8 (ou fermenteur) (fig. 2). Il traverse au préalable un premier échangeur à contre-courant/où il récupère partiellement la chaleur du lisier sortant ; il traverse ensuite un second échangeur (10) ou il est porté à une temperature entre 350C et 430C. Le fluide chaud du premier échangeur 9 est constitué par le liquide sortant du digesteur 8 après fermentation. Le second echan- geur 10 est alimenté par de l'eau à 500C au maxfimlm. L'effluent réchauffé est alors introduit dans le digesteur 8 à sa base en 11, à proximite du circuit de recirculation 12. Le digesteur 8 est constitué par une cuve verticale, cylindorique comportant à sa base une grille 13 au-dessus de laquelie est disposé un garnissage 14 constitué d'anneaux en matière plastique de 30 mm à 100 mm de diamètre. Au sommet de la cuve est disposée une cheminée de mise à l'atmosphère 15. La cuve est entourée par les échangeurs 9 et 10. Le circuit de recirculation 12 est constitué par une canalisation 16, prenant, au moyen d'une pompe 17, l'effluent sous la grille 13 pour le déverser à la partie supérieure du digesteur 8 en 18 sur tout le garnissage 14, évitant ainsi le phEnamene de décantation. Le débit de recyclage doit être par heure voisin de 10 à 35 % du volume utile de la cuve.Ce débit doit aboutir au ciel gazeux, afin de diminuer le volume des mousses qui pourraient apparaître au cours du régime transitoire. L'effluent traverse le garnissage 14 et fermente avec un temps de séjour compris entre 0,4 et 4,5 jours. A ce stade, il est soutiré par tro#pîein au moyen d'une canalisation recourbée 19 disposée au sommet du digesteur 8 et traverse le premier échangeur à contre-courant 9 pour réchauffer 1 'ef- fluent arrivant au digesteur, comme décrit plus haut. L'effluent est ensuite dirigé vers une fosse 20 (ou une cuve de stockage) où il pourra être repris soit directement, soit après un traitement éventuel d'épuration. Le gaz produit dans le digesteur 8 est disponible à une pression comprise entre 500 et 5000 Pa. Ce gaz est prélevé au sommet de la cuve au moyen d'une canalisation 21 (figure 2) comportant un dispositif séparateur 22 pour l'évacuation des mousses ou autres, et est dirigé vers un épurateur 23 de te connu, le cas échéant, com- primé en 24 puis transféré vers un épurateur secondaire 25 et de là vers une capacité de stockage 26. Ce gaz peut être utilisé pour 1 'ob- tention d'eau chaude, pour la production d'électricité au moyen de groupes électrogènes ou pour le chauffage de bâtiments d'élevage ou d'habitation. Il faut noter également que l'on a prévu autour du digesteur 8 un réchauffeur 29 qui, le cas échéant, par temps froid, permet d'élever la température de l'effluent à l'intérieur de la cuve. Ce réchauffeur 29 est alimenté par eau chaude, par une canalisation 30. Par ailleurs, l'ensemble du digesteur 8, les deux échangeurs à contrecourant 9-10 et le réchauffeur 29 sont noyés dans un calorifugeage afin de maintenir une température constante et stable. Bien entendu, divers dispositif s peuvent compléter 1 'instal- lation ci-dessus décrite. Par exemple, des sondes de température peu- vent être disposées sur les échangeurs pour assurer une temperatlme constante ou s'assurer de la température de l'effluent dans le digesteur, les pompes peuvent être couplées avec des horloges et l'ensemble commandé de manière telle que ces divers paramètres commandent le débit de effluent ou la production optimum du gaz, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. - Procédé de production de biogaz à partir d'effluents organiques, caractérisé en ce que l'affluent utilisé subit un processus de vieillissement d'une durée d'une demi-journée à quatre jours à une température de 10 à 200C (de préférence 160C), qu'il est ensuite tamisé, éventuellement réchauffé, avant d'être dirigé à la base d'un digesteur à 1 1intérieur duquel il est recyclé plusieurs fois sur un garnissage intérieur faisant office de filtre anaérobie, afin d'assurer une répartition uniforme de l'activité biologique avant d'être soutiré, pour être utilisé par épandage, le gaz étant recueilli au sommet du digesteur pour utilisation ou stockage. 2. - Procédé de production de biogaz à partir d'effluents organiques selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'effluent est réchauffé entre 350C et 450C. 3. - Procédé de production de biogaz à partir d'effluents organiques selon la revendication 1, caractérisé en ce que le débit horaire de recyclage est de 10 à 35 % du volume utile du digesteur. 4. - Installation de production de biogaz à partir d'efflu- ents organiques, caractérisée en ce qu'elle comprend une fosse de stockage de l'affluent (2), un tamis (4), une seconde fosse de stockage (6), deux échangeurs à contre-courant (9-10), un digesteur (8), des moyens de recyclage de l'affluent (12-17), des moyens (19) d'evacuation de l'affluent fermenté, et des moyens (21) pour recueillir le biogaz, des moyens d'épuration (23) et de stockage du biogaz (28). 5. - Installation de production de biogaz à partir d'effluents organiques selon la revendication 4, caractérisée en ce que le tamis (4) comporte des mailles de 200 à 800 microns. 6. - Installation de production de biogaz à partir d'effluents organiques selon la revendication 4, caractérisée en ce que le premier échangeur à contre-courant (9) est chauffé par l'affluent sortant du digesteur (8). 7. - Installation de production de biogaz à partir d'effluents organiques selon la revendication 4, caractérisée en ce que le digesteur (8) est constitué par une cuve verticale oompDrtant à sa base une grille (13) audessus de laquelle est disposé un garnissage (14) constitué d'anneaux en matière plastique de 30 à 100 mm de dia mètre, ladite cuve étant entourée de deux échangeurs à contre-courant (9-10), d'un réchauffeur (29), l'ensemble étant revêtu d'un calorifugeage (30), ladite duve étant en outre munie d'un circuit de recyclage (12) de l'affluent constitué par une canalisation prenant, au moyen d'une pompe (17), l'affluent sous la grille (13) pour le déverser à la partie supérieure du digesteur (8) sur le garnissage (14). 8. - Installation de production de biogaz à partir d'effluents organiques selon la revendication 4, caractérisée en ce que le biogaz recueilli au sommet du digesteur (8) passe dans un séparateur (22) et dans un ou plusieurs épurateurs (23) pour être ensuite stocké ou utilisé.