Brevet FR2541669A1 — publié le 19840831

t S,1649 La présente invention a trait au domaine de la valorisation de déchets liquides et/ou solides de diverses sources et nature, Elle concerne plus spécialement le traitement, à la fois en atmosphère extérieure (phase aérobie) et en milieu clos (phase anaérobie) de déchets et matières polluées organiques respectivement solides ou semi-so-lides et liquides, en vue de la production directe et simultanée de compost, de biogaz et de liquide épuré. Le volume croissant des déchets et résidus de tous types constitue un problème de plus en plus préoccupant pour les in- dustriels et les municipalités, compte-tenu notamment du fait que ces déchets présentent généralement de grands dangers pour l'environne- ment-et pour les atres vivants. Bien souvent, on adopte la solution, pour les rési- dus liquidesde solidification de ces déchets par un traitement physico- chimique donnant lieu à une pétrification, les masses dures obtenues restant sur le site de traitement ou pouvant être utilisées pour la réalisation de structures de fondation ou divers rev Stements de sols. Selon un autre objectif, on peut chercher à valori- ser une partie au moins de ces déchets, par exemple en visant la produe- tion d'énergie calorifique ou mieux encore, lorsqu'il s'agit de résidus organiques, plus ou moins riches en carbone et autres substances non minérales, en mettant en oeuvre les techniques connues de fermentation en milieu aérobie et/ou anaérobie en vue d'obtenir soit des composts, engrais et divers amendements pour les sols soit une production de gaz dit %"biogaz" riche en méthane et utilisable comme combustible pour l'obtention d'énergie thermique ou 'E:ectrique ou encore pour la- fabrication de produits chimiqueso L'invention se situe dans ce domaine de valorisation des déchets organiques et a essentiellement pour but à la fois de trans- former des déchets organiques solides en matériaux utiles notamment pour l'agriculture et d'assurer le traitement de déchets organiques li- quides en vue de les dépolluer et d'obtenir d'une part du biogaz et d'au- tre part des fluides épurés directement utilisables pour l'industrie ou la consommation. Parmi les déchets ou sous-produits solides utilisa- bles comme matières premières dans l'invention on peut citer en parti- culier, des fractions de tri d'ordures ménagères, des pailles, des reiures et écorces de bois et matériaux ligneux, des pulpes de raisin, 2 - 54 i 669 dréches, de la bagasse, des tourbes, des herbacées etc. Quant aux résidus liquides, ils peuvent concerner en particulier tous les rejets concentrés provenant notamment des indus- tries agricoles et agro-alimentaires telles que par exemple: sucreries, distilleries vinicoles, brasseries et industries-de la fermentation, abattoirs et conserveries de viande, industries laitières, industries de la féculerie, porcheries etc ainsi, bien entendu, que toutes les boues primaires et des boues biologiques en excès récupérées dans les stations d'épuration des eaux urbaines. Dans l'exposé qui suit, on utilisera également le terme de déchets ou résidus semi-solides pour désigner des matériaux norma- lement solides mais qui ont une teneur en eau généralement comprise entre 30 % et 90 %, par exemple de l'ordre de 45 à 80 % environ. Il est déjà bien connu d'assurer la fermentation en tas, donc en milieu agrobie, de divers résidus agricoles solides pour la production de compost Toutefois, il s'agit d'opérations lon- gues qui se prêtent généralement très mal à l'industrialisation Par ailleurs, on sait produire du biogaz par fermentation anaérobie de ré- sidus semi-solides ou de boues dans des digesteurs; toutefois, ces appareils doivent être habituellement chauffés pour obtenir un rende- ment correct et la masse à traiter doit être agitée et brassée;- en outre, la concentration des boues doit être faite dans des décanteurs, par exemple lamellaires, séparés du digesteur. Le but essentiel de l'invention est de proposer un procédé associant les deux types de fermentation aérobie et anaérobie de façon telle que l'on puisse assurer le traitement simultané de déchets solides ou semi-solides et de déchets liquides afin d'obtenir à la sortie d'une seule installation, la production: de matériaux solides riches en substances fertilisantes, de biogaz apte à servir de combustible ou autre et, enfin, de liquides épurés immédiatement réutilisables et admissibles par l'environnement. Un autre but est d'utiliser les calories de la fer- mentation aérobie pour assurer, sans apport extérieur, l'équilibre thermique idéal de la digestion anaérobie des déchets ou résidus li- quides. Un autre but encore est de fournir un type de diges- teur ne nécessitant aucun organe mécanique d'agitation et dans lequel 3 254 j 669 le brassage des matières boueuses est effectuée par la seule pression du gaz généré par la fermentation en milieu clos. Enfin, d'autres buts apparaîtront encore dans la description qui suit, notamment la mise en oeuvre de micro-organismes et/ou enzymes, de préférence fixés sur certains supports, dans le but d'accélérer les processus de transformations biologiques et d'accroî- tre les rendements de production dans les unités industrielles. Pour resoudre les problèmes et atteindre les résultats susvisés, l'invention propose un procédé de traitement simultané de résidus au moins en partie organiques, selon les caractéristiques générales duquel: les déchets solides ou semi-solides, après mélange et éventuel broyage à la granulométrie désirée, sont soumis à une fermentation aérobie sur la périphérie d'un appareillage clos travail- lant en milieu anaërobie o sont introduitsaprès séparation solide-li- quide et éventuellement homogéneisation, les déchets liquides;après quoi l'on récupère en continu ou discontinu, d'une part à la sortie de l'appareillage le liquide épuré et le biogaz produit et, d'autre part, l'amendement solide issu du processus aérobies Les boues de digestion recueillies à la partie in- férieure du fermenteur clos sont avantageusement recyclées à la phase de mélange et de broyage des déchets carbones solides, par exemple à la partie supérieure du composteur comme on le verra plus loin, en vue d'assurer une humidification de ces déchets jusqu'à au moins 55 % et de subir également le traitement aérobie En outre, la fraction sédimentai- re solide des matières premières liquides à traiter (comme par exemple des eaux résiduaires brutes) est recupéree et additionnée à la masse des résidus à composter en-atmosphère libre. Le traitement aeroble favorise, comme on le sait, l'hydrolyse du substrat et produit, notamment par udtabolisation des poly- saccharides, une grande quantité d'énergie sousforme de calories qui, selon l'invention, sont utilisgs pour chauffer les parois du digesteur. Ce dernier se trouve dons naturellement maintenu 'a une température variant de 35 C à 50 'C environ selon l'état d'avancement du processus agrobie. L'introduction des résidus-liquides dans le mi- lieu anaérobie peut etre faite de haut en bas, mais, plus avantageuse- mant, de bas en haut dans le digesteur En outre, dans la zone périphé- rique de compostage comme au sein du digesteur, il est souvent utile d'introduire un inoculue; choisi par exemple dans le groupe des levures, 4 2541469 cinétiques des bactéries, enzymes afin de favoriser les/réactions de décomposition des substrats et d'engendrer la formation d'ilots de prolifération de microorganismes en phase aérobie ainsi que d'accélérer la phase de méthanogénèse généralement lente dans le milieu anaérobie, par exemple par ensemencement de bactéries appropriées telles que méthano- sarcina, également fixées sur support. Selon un mode de réalisation préféré, l'incorporation de ces inoculum se fait en milieu fixé, les produits de fixation étant constitués avantageusement par de fines particules, de granulométrie 0,1 à 100 microns environ, de produits minéraux comme par exemple: des verres poreux, gels de silice, divers oxydes métalliques ou encore des argiles cuites (ou chamottes) qui conviennent particulièrement bien. Dans le digesteur, comme on le verra plus loin, on met avantageusement en oeuvre des plaques, en système lamellaire, qui servent à la fois de supports fixes pour l'immobilisation des enzymes (par exemple) et de moyens de récupération des boues résiduelles du liquide à épurer. L'invention a également pour objet une installation d'ensemble adaptée à la mise en oeuvre du procédé susdécrit et permet- tant la production industrielle de biogaz, de liquide épuré et de com- post pour amendements agricoles, horticoles ou autres usages. L'installation comporte essentiellement: a) une série de moyens, connus en soi, des types: tamis droits ou rotatifs et bâches de réception pour la séparation solide-liquide et le stockage des dé- chets liquides à traiter; mélangeurs-broyeurs pour la préparation préa- lable des déchets solides et semi-solides; pompes de relevage et cana- lisation d'amenée et circulation des matières à traiter et évacuation des produits obtenus; b) au moins un ensemble constitué par la combi- naison d'un composteur périphérique situé à l'air libre et d'un diges- teur ou fermenteurcentral fermé, étanche aux liquides et gaz, muni d'un compartiment inférieur haute pression et d'un compartiment supé- rieur basse pression qui communiquent entre eux par des tubes ouverts et équipé di canalisations d'éjection des boues du radier et de sortie de l'effluent liquide traité et du gaz généré, ainsi que des moyens habituels se sécurité dont: prises de température, hublot, échelle d'accès, soupape hydraulique de sécurité. Avantageusement, le digesteur est pourvu de plaques verticales pour la fixation des bactéries et l'écoulement des boues au fond du radier, ces plaques pouvant/par exemple, être fixées sur une grille inférieure qui délimite le compert Zment du radier. 2541669 Le stockage du biogaz produit par le fermenteur anaerobie peut être effectué de diverses façons Par exemple, le fermenteur peut être muni sur sa partie supérieure d'un gazomètre ou cloche dont la pression de service est maintenue constante et contrôlée par manomètre Selon une variante, l'installation peut inclure un gazomètre souple, par exemple en tissu nylon imprégné de néoprène et hypalon (ou autres matériaux équivalents), installd sous abri pour assurer sa protection. De nombreuses autres caractéristiques apparaitront dans la description qui suit, relative à des modes de réalisation non limi- tatifs et illustrés par les dessins annexes qui représentent schémati- quement: Figure 1: une vue générale de principe d'une installation de mise en oeuvre du procédé de l'invention; Figure 2 une vue en coupe, simplifiée, d'un digesteur selon l'invention muni ici d'une cloche à gaz; Figures 3 et 4: des représentations de montage de plusieurs digesteurs (ici deux) respec- tivement en série et en parallèle dans une unité de production industrielle Figure 5: l'illustration schématique d'un ensemble modulaire composite:fermenteurs adrobie et digesteurs anaérobie sous forme de structure "nid d'abeille". Telle que représenté sur les dessins, en particulier la figure 1, une installation de production simultanée de compost, biogaz et liquide épurd selon l'invention comprend essentiellement, de gauche _ droite une partie amont A relative aux traitements préalables et à l'amenée des matières premières (déchets solides, semi-solides et liquides); la partie centrale B proprement opérationnelle pour la mise en oeuvre du procédé mixte: aérobie-anaérobie; et la zone aval C de récupération et éventuellement traitement des produits finaux obtenus. On se référera tout d'abord à la fraction amont A Les déchets carbonés solides-(bois, paille, écorces, sciure etc) sont amenus par transporteur 1, ainsi que les éventuels ajouts,nutritifs 2, dans un mélangeur-broyeur 3 o la granulométrie des résidus est maintenue dans une fourchette de 5 à 40 mm, généralement entre 6 et 12 mm On incorpore également à ces matières solides, par le circuit 4, les boues ou résidus pâteux extraits du fond du digesteur (voir ci-après) de façon à conférer aux matières premières une humidité optimale -par exemple de 50 à 70 Z selon les types de substratîr et à leur apporter déjà les concentrats de microorganismes facilitant la dégradation Quant aux déchets liquides 5 -par exemple ici des eaux résiduaires brutes ils sont tout d'abord amenés dans un séparateur solide- liquide 6, par exemple de type tamis à tambour filtrant, de façon à récupérer les résidus semi-solides 7 que l'on associe aux déchets précités, le filtrat 8 étant envoyé dans un bac de stockage 9. Ce bac peut avoir un compartiment 10 de nouvelle sédimentation d'ou les produits solides sont regroupés par le circuit 34 aux résidus 7, alors que dans la bâche 11 de réception du liquide on procède avanta- geusement à une acidification pour faciliter la première phase d'acido- génèse de la fermentation anaérobie. Pour l'étape opérationnelle de fermentation B, on dirige par 12 l'ensemble des déchets solides ou semi-solides sur le tas 13 de fer- Tentation à l'air alors que la masse liquide du récipient 11 est amenée par pompe 14 et canalisation 15 dans le digesteur clos 16 Le processus de dégradation aérobie des déchets solides ou assimilés s'effectue, selon l'invention, sur toute la périphérie du digesteur 16 et il peut bien entendu être accéléré par insufflateur d'air et apport des complé- ments de microflore pour obtenir des rapports C/N et C/P les plus appropriés à la production de compost fertilisant, selon les types de matières premières mises en oeuvre La chaleur dégagée par cette fer- mentation, dont là durée peut varier par exemple de trois à vingt jours environ, sert au chauffage naturel et permanent du digesteur 16. Comme on peut le voir sur les figures 1 à 4, le digesteur 16 est divisé en deux compartiments I et II séparés par un plafond 17 à poutres 18 et entre lesquels des communications sont établies par des tubes latéraux 19 et la canalisation centrale 20 au sein de laquelle est amenée, par la conduite 15, la masse liquide à fermenter, par exemi- ple de bas en haut Selon une caractéristique de l'invention, la pres- sion du gaz généré dans ce bioréacteur 16 sert à l'agitation pulsatoire de la masse à traiter En effet, pendant cette génération de gaz (CH 4 et Co 2) la pression qui existe dans le compartiment I provoque le déplace- 7 -2541669 ment du liquide d'un certain niveau dans le compartiment II par le(s) tuyau(x) 19 A un niveau donné, l'ouverture de la vanne 21 d'évacuation du gaz du compartiment poutres 18 fixes au plafond 17 du compartiment I Les boues 22 accumu- lées au fond du radier sont, comme dit ci-dessus, renvoyées par la canalisation 4 pour apporter l'humidité nécessaire aux déchets concas- sés solides. Dans la zone C ont lieu les évacuations de produits traités et générés à savoir: la récupération du biogaz 25, 25 ' avec dispositifs cofnande et de/sécurité 26, soit vers le gazomâtre soit directement depuis celui-ci lorsqu'il est disposé en cloche 27 au-dessus du digesteur 16 (figure 2);; le soutirage de l'effluent traité 28, par exemple de l'eau épuréesi le résidu liquide amené en 5 est constitué par des eaux résiduaires; le soutirage 4 des boues recyclées; et, enfin, l'évacuation en 29 du compost fermenté pour l'utilisation, par exemple, comme amendement agricole. En pratique, le digesteur est en outre équipé des éléments classiques pour ce type d'appareillage et non représentés, dans un but de simplification, sur les figures, dont: hublots de surveillance, trous d'homme, échelle d'accès, systèmes de sécurité et contrôle de température, pression etc Afin d'obtenir un bon coefficient de transmission thermique, il peut tre muni sur sa surface extérieure, sauf celle en contact avec le compost, de matériaux tels que: matelas de laine de roche, grillage de maintien et revêtement de protection en toile de jute et enduit bitumineux Le radier est également et de préférence calorifugé. En production industrielle, les ensembles de fermenteurs ou 8 2541669 composteurs aérobie et de digesteurs anaérobie selon l'invention peuvent être agencés selon diverses dispositions, comme par exemple en série comme indiqué sur la figure 3 ou encore en parallèle selon l'illustration de la figure 4 Dans le premier cas, l'effluent liquide 28 ' issu du premier digesteur est réintroduit dans le conduit central du second digesteur avant sa récupération finale en 28 alors que, dansl&e second cas, l'alimentation des digesteurs par les déchets liquides à traiter se fait indépendamment par 15 et 15 ' Dans les deux cas, les productions de biogaz, selon 25 et 25 ', sont regroupées ainsi que les recyclages 4 des boues en excès et les alimentations 12 en compost. Conformément à une réalisation intéressante, les ensembles précités sont conçus pour utiliser au maximum la chaleur dégagée par le processus aérobie et les transferts thermiques aux bioréacteurs clos Une mise en place particulièrement intéressante est illustrée- schématiquement sur la figure 5 ok l'on voit que les digesteurs 16, 16 ', 16 " etc sont enfermés, selon une structure en "nid d'abeille", entre les cloisons 30, 30 ', 30 " etc, ici hexagonales et par exemple en béton, des fermenteurs à l'air libre o les déchets solides humidifiés 13 subissent le compostage. Comme on le comprendra par la description qui précède, l'installation selon l'invention est conçue pour le traitement de tous types de matières résiduelles organiques (cellulosiques, pro- téiques, polysaccharidiques, lipidiques, etc) tant sous forme solide que:sous forme pâteuse et/ou liquide et l'on peut, bien entendu, sans sortir du cadre de l'invention, prévoir diverses variantes d'adaptation et des dimensionnements appropriés selon les types de substrats utilisés et les taux de productions des produits liquides et gazeux désirés 9 2541 669 R E V E N D I C A T IONS 1 Prodgdé de traitement simultané de déchets organiques solides ou semisolides et de déchets organiques liquides en vue de la production à la fois de compost et de biogaz, caractérisé en ce que les déchets solides ou semi-solides, après mélange et éventuelle- ment broyage à la granulométrie désirée, sont soumis à une fermentation aérobie sur la périphérie d'un appareillage fermé travaillant en milieu anaérobie o sont introduits, après séparation solide-liquide et éventuellement homogénéisation, les déchets liquides; après quoi l'on récupère, en continu ou discontinu, d'une part à la sortie de l'appareillage le liquide épuré et le biogaz et, d'autre part, l'amen- dement solide issu du processus aérobie. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux processus anaérobie et aérobie sont mis en oeuvre par addition, à la charge de déchets à traiter, de microorganismes ou enzymes fixés sur des supports. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les supports sont constitués par de fines particules de produits minéraux choisis: dans le groupe constitué par: verres poreux, gels de silice, oxydes métalliques, argiles cuites (chamottes). 4 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les supports, dans le processus anaérobie, sont constitués par des plaques assujetties audit appareillage. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la fraction solide des déchets liquides est mélangée aux déchets solides ou semi-solides avant la mise en place autour dudit appareillage, et en ce que les boues recueillies à la base de ce dernier sont recyclées à la phase mélange-broyage des déchets solides en vue d'assurer une humidification de ceux-ci. 6 Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle comporte essentiellement: a) une série de moyens, connus en soi, des types: tamis droits ou rotatifs ( 6) et bâches de réception ( 9) pour la séparation solide-liquide et le stockage des déchets liquides à traiter; mélangeurs-broyeurs ( 3) pour la préparation préalable des 2541669 déchets solides et semi-solides; pompes de relevage ( 14) et canalisa- tion ( 12, 15, 25, 28) d'amenée et circulation des matières à traiter et évacuation des produits obtenus; b) au moins un ensemble constitué par la combinaison d'un composteur périphérique situé à l'air libre et d'un digesteur ( 16) ou fermenteur central fermé, étanche aux liquides et gaz, muni d'un compartiment inférieur (I) haute pression et d'un compartiment supérieur (II) basse pression qui communiquent entre eux par des tubes ouverts ( 19) et siphon ( 20), et équipé de canalisations( 4) d'éjection des boues du radier et de sortie de l'effluent liquide traité ( 28) et du gaz généré ( 25), ainsi que des moyens habituels de sécurité dont: prîses de température, hublot, échelle d'accès, soupape hydrauli- que de sécurité; le mélange et le brassage de la biomasse dans le diges- teur ( 16) se faisant de manière pulsatoire par utilisation de la pres- sion du biogaz accumulé dans le compartiment (I) pour déplacer le liqui- de vers le compartiment (II), ce liquide redescendant par le siphon( 20) lors de l'ouverture d'une vanne ( 21). 7 Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que les deux compartiments (I) et (II) du digesteur ( 16) sont séparés par un plafond ( 17) à poutres ( 18) et en ce que ces compartiments sont munis d'une série de plaques lamellaires ( 23) pour la fixation des microorganismes etl'évacuation des boues ( 4), ces dernières étant re- cyclées dans le mélange à humidifier des déchets solides ( 1,2,7); le liquide pollué à traiter étant introduit, par le bas ou le haut, dans le siphon central ( 20) du digesteur. 8 Installation selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, caractérisée en ce que le digesteur ( 16) est surmonté d'une cloche à gaz ( 27) ou relié par canalisation ( 25) à un gazomètre en matériau souple. 9 Installation selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisée en ce qu'elle comporte plusieurs composteurs pour les déchets solides ( 13) et plusieurs fermenteurs ( 16) pour les déchets liquides, ces dispositifs étant disposés soit en série soit en paral- lèle. Installation selon la revendication 9, caractérisée en ce que chaque digesteur ( 16,16 ',16 ") est noyé au sein d'un composteur ( 30,30 ',30 ") selon Un assemblage en '"id d'abeille".