Brevet FR2543129A1 — publié le 19840928

l 2543129 La présente invention est relative à des perfection- nements apportés aux installations et aux procédés d'épu- ration biologique et de préparation des gaz combustibles par fermentation anaérobie en deux phases. Il est connu depuis très longtemps de préparer les gaz combustibles par fermentation anaérobie de biomasses et de très nombreuses installations des fermentations méthaniques ont été décrites Ces installations utilisent soit la digestion conventionnelle du mélange intégral sans la sépa- ration culture/effluent traité; soit un procédé par contact comportant un dispositif de séparation liquide/solide en aval du digesteur permettant de récupérer la biomasse et de la réinjecter dans le réacteur; soit encore un procédé basé sur la présence du lit de boues dans le fond de réacteur à travers lequel percole de bas en haut l'effluent. La raréfaction des sources d'énergie et l'augmentation continuelle de leur prix ainsi que la nécessité absolue d'épuration des déchets organiques de plus en plus nombreux à conduit de nombreux chercheurs à étudier de plus près le mécanisme de la fermentation méthanique On est ainsi arrivé à construire des installations pour une fermentation anaé- robie en deux phases, dans deux digesteurs distincts. (Cf notamment le Brevet US 4 022 665). En effet, la fermentation méthanique de matières orga- niques s'accomplit par l'intervention successive de deux populations microbiennes différentes Une première étape dite phase acidogène consiste en une hydrolyse de sub- stances polymérisées et la dégradation des substrats simples aboutissant à la formation d'acides gras volatils, dont le principal est l'acide acétique Une deuxième étape dite phase méthanogène (et qui se déroule normalement en asso- ciation avec la première phase) transforme les acides gras volatils en méthane et gaz carbonique Or les bactéries responsables de l'acidification ont des vitesses de croissance et de cinétique de beaucoup supérieures ( 4 à 10 fois) à celles des bactéries méthanogènes, lesquelles, de plus, sont très sensibles à une baisse du p H au-dessous de la neutralité Cette inhibition de la méthanogénèse se traduit non seulement par l'accumulation des acides gras volatils mais également par la modification de la composition des acides gras volatils avec une augmentation notable des acides propionique et butyrique au détrimentde l'acide acétique, lesquels acides proprio Lnique et butyrique sont beaucoup plus difficilement dégradés D'o l'idée préconisée notamment par GHOSH et Collob / J Wat Pollut Control. Feder 47 ( 1) p 30-45 ( 1975),par KEENANL j Environmental Sciences Health ( 1976) II p 525-5483, par Massey et Collab. LJ Wat Pollut Control Feder ( 1978) 50 ( 9) p 2204-2222 et par d'autres encore, de séparer les deux phases afin de mieux contrôler ces différentes activités et de les optimiser. Ainsi on est arrivé (surtout dans le cas de substrat à forte concentration et dont la charge est essentiellement soluble. sans qu'il y ait de phase de solubilisation) à séparer les phases d'acidogénèse et de méthanogèneseen maintenant les deux populations bactériennes dans deux réacteurs séparés fonctionnant en série La solution ainsi préconisée présente toutefois un inconvénient de taille, à savoir la nécessité de construire de multiples réacteurs et d'augmenter ainsi le coût des installations. La présente invention s'est par conséquent donné pour but de fournir une installation et un procédé d'épuration biologique et de préparation des gaz combustibles par fermen- tation anaérobie de déchets organiques (et notamment de déchets des laiteries, des brasseries, des abattoirs, des sucreries, etc), qui répondent mieux aux nécessités de la pratique que les installations et procédés visant au même but antérieurement connus, notamment en ce qu'ils permettent une importante simplification et importante économie de cons- truction et de fonctionnement, tout en séparant les deux phases d'acidogénèse et de méthanogénèse ce qui a pour 3 2543129. résultat: d'augmenter les vitesses de transformation en maintenant chaque population bactérienne dans des conditions optimales; de réduire l'inhibition des bactéries méthanogènes par les acides gras volatils produits par les bactéries acidogènes de mieux contrôler le processus en contrôlant la teneur en acides gras ainsi que le profil des acides produits. La présente invention a pour objet une installation de préparation des gaz combustibles par fermentation anaérobie en deux phases, caractérisée en ce que la séparation des phases d'acidogénèse et de méthanogénèse est effectuée dans un seul et même réacteur comportant deux zones bien distinctes a) une zone morte au fond du réacteur constitutée d'un lit de boues sur lequel sont greffés les microorganismes acido- gènes et b) une zone agitée supérieure dans laquelle le substrat acidifié subit la méthanoqénèse, la zone du fond étant délimitée par une chicane fixée sur la paroi intérieure du réacteur, laquelle chicane fait avec la paroi un angle d'environ 300. Conformément à l'invention, le volume de la zone agitée est environ 4 àl O fois plus grand que le volume de la zone morte délimitée par les chicanes. Selon un mode de réalisation avantageux de l'objet de la présente invention, les boues de la zone acidogène arrivent vers le fermenteur à partir d'un réservoir à l'aide d'une tuyauterie qui traverse la zone supérieure méthanogène et qui se déverse directement dans la zone acidogène inférieure. Suivant un mode de réalisation particulièrement avanta- geux de l'objet de la présente invention, les boues sont fixées sur un support formé de particules solides, organiques ou minérales. Suivant une modalité particulièrement avantageuse de ce mode de réalisation le support est formé de particules-de lignine divisée. 4 2543129 Normalement dans tout fermenteur les bactéries sont fixées soit sur un support naturel (matières en suspension cu substrat), soit sur un support artificiel (garnissage). La lignine divisée (obtenue par exemple par l'hydrolyse acide des copeaux) utilisée conformément à la présente invention permet d'améliorer grandement la productivité grace notamment à: sa grande surface spécifique, ce qui permet aux microorga- nismes de se fixer avec une densité élevée, son poids spécifique élevé (environ 1,4) ce qui permet une décantation accélérée des cellules et la possibilité de les recycler en totalité, sa biodégrabilité faible en raison de la structure de la molécule et donc une faible consommation, son pouvoir adsorbant important, ce qui permet depiéger les produits inhibiteurs rejetés par-les cellules et par là d'augmenter la vitesse d'assimilation du substrat par les microorganismes. Conformément à l'invention la partie supérieure de la zone agitée méthanogène est munie d'un trop plein qui déverse le liquide en provenance de cette zone vers un décanteur par l'intermédiaire d'un déflecteur pour la séparation du liquide des boues entraînées, lesquelles boues sont recyclées vers le réservoir'd'alimentation de la zone acidoqène. Egalement conformément à l'invention le fermenteur est en outre muni d'une tuyauterie d'évacuation des gaz, d'une double enveloppe et/ou d'un serpentin de chauffage, d'une tuyauterie d'évacuation des boues et d'un agitateur. La présente invention-a en outre pour objet un procédé de préparation de gaz combustibles par fermentation anaérobie à l'aide d'une installation conforme à la présente invention, procédé caractérisé en ce qu'un effluent industriel dont la demande chimique en oxygène (DCO) est comprise entre 5 et g/l, alimente un fermenteur unique comportant deux zones une zone inférieure acidogène et une zone supérieure 2543129 méthanogène l'alimentation étant opérée à travers un lit de boue acidogène, dont le volume correspond à un temps de sé- jour hydraulique compris entre l et 48 heures suivant la con- centration de l'effluent, en ce que une fois l'alimentation terminée on laisse décanter un certain temps, puis on agite le liquide se trouvant dans la zone supérieure méthanoqène, en ce que les gaz (CH 4 + C 02) produits sont récoltés dans un ré- servoir approprié et en ce que le liquide déversé par le trop plein situé dans la partie supérieure méthanogène est récolté dans un décanteur à partir duquel les boues décantées sont recyclées vers le fermenteur et l'effluent épuré rejeté. Selon un mode de réalisation avantageux de l'objet de l'invention, la température du fermenteur est maintenue entre 320 et 36 C. Outre les dispositions qui précèdent, l'invention comprend encore d'autres dispositions, qui ressortiront de la description qui va suivre. La présente invention vise plus particulièrement les procédés et les installations de production du gaz combustible conformes auxdispositions qui précèdent, ainsi que les moyens propres à la mise en oeuvre de ces procédés et à la réali- sation de ces installations, de même que les procédés d'en- semble et les chaînes de fabrication dans lesquels sont inclus les procédés et les installations conformes à la présente invention. Il doit être bien entendu, toutefois, que l'installation décrite dans ce qui va suivre et représentée sur le dessin, est donnée uniquement à titre d'illustration de l'objet de l'invention, mais n'en constitue en aucune manière une limitation. L'installation conforme à la présente invention qui produit du méthane par fermentation anaérobie et est repré- sentée schématiquement à la figure 1 comprend, non limitati- vement, un fermenteur 1 comportant deux zones: la zone supérieure 2 méthanogène et la zone inférieure 3, acidogène. La chicane 4 fixée sur la partie intérieure du fermenteur l sépare les deux zones L'-angle a délimité par la chicane 4 et la paroi du fermenteur l est d'environ 30 ; cette chicane comporte une partie tronconique 4 a prolongée par une partie cylindrique 4 b s'étendant jusque dans la partie inférieure de la zone d'acidogénèse. L'alimentation se fait par-l'intermédiaire d'un circuit qui part des cuves de stockage 6 et qui aboutit au réservoir 7 à partir duquel le tuyau 8 alimente le fermenteur 1 Le tu- yau d'alimentation 8 plonge directement dans la zone de boues acidogènes 3 et toutes les particules solides en suspension dans le liquide d'alimentation sont retenues dans la zone de boues et petit à petit solubilisés par la fermentation acido- gène Un robinet de purge 20 est prévu à la partie supérieure de la zone de boues acidogènes. Dès que l'alimentation est terminée on met l'agitateur 9 en marche et la température du fermenteur 1 est maintenue vers 350 à l'aide du serpentin de chauffage 10 Le gaz pro- duit (environ 70 % de CH 4 et 30 % de C 02) est récolté à l'ai- de de la-tuyauterie il munie d'une soupape 12. On peut prévoir à l'intérieur de la chicane 4, soit un aubage redresseur (non représenté) pour éviter que le liquide inférieur ne tourne lorsque l'agitateur fonctionne, soit un organe d'obturation séquentiel (non représenté) qui ne met en communication les deux zones 2 et 3 que pendant les phases d'alimentation et éventuellement de décantation. A la hauteur du niveau supérieur 14 du liquide de la zone supérieure 2 se trouve un déversoir 13 qui fonctionne pendant l'alimentation du fermenteur 1 et qui amène le liquide dans le décanteur 16 par intermédiaire d'un déflec- teur 15 Le liquide clair épuré est évacué par la tuyauterie 18 tandis que les boues entraînées décantées sont recyclées à l'aide de la tuyauterie 17 vers le réservoir 7 Le fer- menteur l est muni également d'un robinet-de purge 19 pour pouvoir évacuer, si nécessaire, les boues ou une partie de boues du fermenteur 1. Grace à cette séparation du fermenteur en deux zones, on obtient un maximum du rendement en acides volatils (prin- cipalement en acide acétique) dans la zone inférieure acido- gène 3 (contenant des boues sur un support de lignine divisée, par exemple) et un maximum de transformation des acides volatils en méthane dans la zone supérieure 2 agitée. Le fonctionnement de l'installation peut être illustré non limitativement, par l'exemple suivant: Effluent industriel d'alimentation; lactosérum de laiterie-fromagerie, Teneur en matières organiques: 50 g/l, Teneur en DCO: 60 g/l, Teneur en matières en suspension: 8 g/l, Volume total du fermenteur: 250 m 3, Débit journalier: 100 m Volume utile du lit de boue acidogène; 50 m 3 (correspondant à un temps de séjour hydraulique de 12 heures) Volume utile de la zone agitée: 200 m 3 (correspondant à un temps de séjour de 2 jours environ). Cycle d'une opération dure environ 4 heures et se répartit ainsi: Alimentation: 15 minutes Temps de décantation après l'alimentation; 75 minutes Mise en route de l'agitation: 150 minutes Concentration en acides gras volatils à la sortie de la zone acidogène: 20 à 25 g/l, soit une productivité en acides gras volatils de l'ordre de 2 g/l réacteur/heure. Epuration: 90 % sur DCO 80 % sur les matières en suspension. Production du gaz: 300 à 500 1/kg DCO environ soit 1500 à 2500 m 3/jour soit 6 à 10 m 3 de gaz/m cuve/jour. Dans le cas d'un effluent industriel particulièrement riche en matière organique (DCO > 100 g/l) il est très utile de le diluer, par exemple, à l'aide de l'effluent épuré 18 d'une opération précédente Les séquences d'agitation, d'ali- mentation et de décantation d'un fermenteur sont bien entendu programmées en fonction de la vitesse de décantation des par- ticules en suspension dans le réacteur de façon à les mainte- nir plus longtemps dans le réacteur sans trop utiliser de dé- canteur extérieur et de la recirculation. Ainsi que cela ressort de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes de mise en oeuvre, de réalisation et d'application qui viennent d'être décrits de façon plus explicite; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes qui peuvent venir à l'esprit du techni- cien en la matière sans s'écarter du cadre, ni-de la portée, de la présente invention, en particulier les variantes liées à la nature de l'effluent à traiter, et notamment la variante selon laquelle si, par exemple, l'effluent à traiter ne néces- site qu'une acidogénèse réduite ou nulle, l'importance relati- ve de la zone acidogène sera réduite en conséquence. REVENDICATIONS 1 ) Installation de préparation des gaz combustibles par fermentation anaérobie en deux phases, caractérisée en ce que la séparation des phases d'acidogénèse et de méthanogénèse est effectuée dans un seul et même réacteur comportant deux zones bien distinctes: a) une zone morte au fond du réacteur constituée d'un lit de boues sur lequel sont greffés les mi- croorganismes acidogènes et b) une zone agitée-supérieure dans laquelle le substrat acidifié subit la méthanogénèse, la zone du fond étant délimitée par une chicane fixée sur la pa- roi intérieure du réacteur,laquelle chicane fait avec la pa- roi un angle d'environ 30 . 2 ) Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que le volume de la zone agitée est d'environ 4 à 10 fois plus grand que le volume de la zone morte délimitée par les chicanes. 3 ) Installation selon la revendication 1 ou la reven- dication 2, caractérisée en ce que l'importance relative de la zone d'acidogénèse est ajustable en fonction de la nature de l'effluent à traiter. ) Installation selon l'une quelconque des revendica- tions 1 et 2, caractérisée en ce que les boues de la zone acidogène arrivent vers le fermenteur à partir d'un réservoir à l'aide d'une tuyauterie qui traverse la zone supérieure mé- thanogène et qui se déverse directement dans la zone acidogène intérieure. ) Installation selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisée en ce que les boues sont fixées sur un support formé de particules solides, organiques ou minéra- les. ) Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que le support est formé de particules de lignine divi- sée. ) Installation selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisée en ce que la partie supérieure de la zone agitée méthanogène est munie d'un trop plein qui déver- se le liquide en provenance de cette zone vers un décanteur par l'intermédiaire d'un déflecteur pour la séparation du li- quide des boues entraînées, lesquelles boues sont recyclées vers le réservoir décanteur d'alimentation de la zone acido- gène. ) Installation selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 7, caractérisée en ce que le fermenteur est en outre muni d'une tuyauterie d'évacuation des gaz, d'une double en- veloppe et/ou d'un serpentin de chauffage, d'une tuyauterie d'évacuation des boues et d'un agitateur. ) Procédé de préparation de gaz combustibles par fer- mentation anaérobie à l'aide d'une installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'un effluent industriel dont la charge polluante est constituée essentiellement par la matière organique dissoute et dont la demande chimique en oxygène (DCO) est comprise entre 5 et g/l alimente un fermenteur unique comportant deux zones une zone inférieure acidogène et une zone supérieure méthano- gène l'alimentation étant opérée à travers un lit de boue acidogène dont le volume correspond à un temps de séjour hydraulique compris entre 1 et 48 heures suivant la concen- tration de l'effluent, en ce que une fois l'alimentation ter- minée on laisse décanter un certain temps puis on agite le li- quide se trouvant dans la zone supérieure méthanogène, en ce que les gaz (CH 4 + C 02) produits sont récoltés dans un réser- voir approprié et en ce que le liquide déversé par le trop plein situé dans la partie supérieure méthanogène est récolté dans un décanteur à partir duquel les boues décantées sont recyclées vers le fermenteur, et l'effluent épuré rejeté. ) Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la température du fermenteur est maintenue entre 320 et 360 C.