Brevet FR2580294A1 — publié le 19861017

PROCèDE DE FERMENTATION ET PERFECTIONNEMENT AUX FERMENTEURS A GARNISSAGE On sait que les matières carbonées en solution ou en suspension peuvent être digérées par des bactéries anaérobies de sorte que le carbone présent soit transformé en gaz carbonique et en méthane. Le principe de cette transformation du carbone organique en gaz carbonique (CO2) et méthane (CH4) a été étudié et il est admis que La transformation se fait en deux phases successives, les deux étant anaérobies : Première phase dite acidogène sous L'action d4une population de bactéries. Les molécules organiques sont transformées en acides gras volatils (dits AGV) et principaLement en acide acétique et propionique avec dégagement concommitant de gaz carbonique (CO). Seconde phase dite méthanogéne. Une seconde population de bactéries transforment les AGV présents en méthane et en gaz carbonique selon la réaction schématique CH3 (CH2)n C02 H CH4 et CC2. En fait, il y a des étapes intermédiaires mais dans la technique de fermentation on ne s'intéresse qu'au résultat final. Les brevets français ne81/01564 et n 82/09806 ont décrit des procédés et appareillages pour réaliser les fermentations méthanogènes. Les études théoriques ont montré que la première phase (acidogène) était rapide et que la deuxième phase (méthanogène) était lente. Les essais à différentes échelles menés à bien par la demanderesse lui ont montré que la faible vitesse de la deuxième phase était due, au moins en partie, au manque de concentration en bactéries méthanogènes. Les essais ayant montré que les boues évacuées d'un fermenteur conventionnel étaient très riches en bactéries vivantes, il fallait proposer une solution pour recycler les bactéries, ou ce qui est équivalent les boues. Une des caractéristiques de l'invention est de procéder à un recyclage des boues pour pallier la perte des bactéries, ledit recyclageétant permis par la forme donnée au fermenteur. Une autre caractéristique de L'invention est la séparation des biogaz issus des deux étapes de réaction, cette séparation étant permise par la forme donnée intérieurement au fermenteur. La présente invention est également caractérisée Dar la différence des temps de séjour de l'effluent à traiter dans la zone acidogène (passage rapide) et dans la phase méthanogène (passage lent). On pourra comprendre l'invention en suivant la description du procédé, puis ensuite la description de fermenteurs permettant de mettre en oeuvre le procédé. DESCRIPTION DU PROCEDE L'effluent à traiter doit être suffisamment fluide pour pouvoir être pompé et descendre une canalisation ou traverser un garnissage sous la seule action de la gravité. On opérera dans un fermenteur vertical comportant une partie avec garnissage et une partie libre. La phase acidogène rapide sera menée dans La oartie libre avec un temps de séjour rapide et la phase méthanogene dans la partie avec garnissage avec un temps de séjour long. Pour simplifier la description on suppose, sans que cela soit obligatoire, que la partie libre est en bas du fermenteur et que la partie avec garnissage est au-dessus. Entre les deux sera placé le dispositif de séparation des boues décrit plus loin. L'effluent à traiter est introduit par une pompe avec unevitessenotable dans la partie basse du fermenteur (c'est-à-dire dans la partie libre). Pour améliorer le brassage et le mélangeage dans cette zone basse, on a intérêt à prévoir des arrivées tangentielles pour le liquide. La première fermentation effectuée dans cette zone avec un temps de séjour d'environ une heure et une production d'un gaz évacué par une canalisation (placée à la partie haute de cette zone) donne un effluent intermediaire riche en acides gras volatils et un gaz très riche en C02 (C02 + traces d'hydrogène et méthane). La pression dans ce premier compartiment est suffisante pour que cet effluent intermédiaire monte par une canalisation jusqu'au-dessus du niveau supérieur du garnissage ou il est déversé après dégazage. La deuxième phase à vitesse lente se fait dans le garnissage avec une vitesse de déplacement due à la seule gravité à l'intérieur du garnissage. On constate en outre que la biomasse se fixe sur le garnissage si celui-ci est bien divisé. On doit choisir un garnissage possédant l'ensemble des propriétés un peu contradictoires puisque l'on veut qu'il ait une grande surface pour fixer beaucoup de bactéries et que néanmoins le substrat s'écoule à travers. On verra dans les exemples que les garnissages du type FLOCOR E ou R conviennent. En partie haute du fermenteur, on recueille les gaz de deuxième phase très riche en méthane (70 % à 80 X) et en C02 (20 à 30 %). Le liquide ayant traversé le garnissage est soumis dans le fermenteur à une décantation. Le liquide clair peut être rejeté car sa demande chimique en oxygène (en abrégé DCO) a été réduite et est en dessous des normes interdisant le rejet. Les boues s'écoulent grace à la forme du fermenteur et sont recueillies pour être recycles au niveau de La pompe d'alimentation. On recycle ainsi une forte population bactérienne et on augmente la biomasse présente et active dans le fermenteur. DESCRIPTION D'UN PREMIER TYPE DE FERMENTEUR POUR LA MISE EN OEUVRE DU PROCEDE En suivant La figure 1, on voit que le premier type de fermenteur est composé d'un corps cylindrique 4 posé sur un fond 2 et fermé à la partie supérieure par un toit conique 3. En partant du haut la partie cylindrique est coupée successivement, de façon optionnelle par une grille horizontale supérieure 7, par une grille horizontale inférieure 6 et par une cloison conique 102. Ladite cloison est soudée hermétiquement par sa péri phérie à la paroi cylindrique 4 et comporte à son sommet 106 (placé sur l'axe du fermenteur) une canalisation descendante 5 traversant de façon étanche le fond 2. La zone 1 comprise au-dessus de la grille 6 contient un garnissage 8. On peut utiliser plusieurs sortes de garnissages suivant des techniques bien connues, en particulier des garnissages ordonnés ou des garnissages en vrac. La demanderesse a utilisé avec succès les garnissages "FLOCOR" (marque déposée d'IMPERIAL CHEMICAL INDUS TRIES) des types E et R seuls ou ensemble. La zone 105 située sous la cloison 102 est le lieu de la première phase de réaction. Une canalisation 9 partant de la partie supérieure de ladite zone 105 conduit à la partie haute du fermenteur. A noter que,pour simplifier la figure, on a dessiné une canalisation 9 unique et extérieure. En fait, on peut utiliser une pluralité de telles canalisations et, en particulier dans les pays froids, on peut placer ces canalisations à l'intérieur du corps du fermenteur. Sinon, il y aura intérêt à les calorifuger soigneusement. A la partie haute une canalisation 10 alimente une pluralité d'éclateurs ou de pommes de douches 107. Le but est de répartir au mieux le liquide provenant de la partie 105 sur toute la surface de la grille 7. La circulation des liquides est assuré par une pompe 12 reliée du coté aspiration par la tubulure 11 à la tubulure 5 et du côté refoulement à la tubulure 15 entrant dans la partie 105 le plus près possible du fond 2. Le substrat à traiter est amené (sous charge de préférence) dans la canalisation 15. Une série devannesl3, 14, 19 et 108 permettent de mettre en service, d'isoler ou de vidanger. Les gaz produits dans la zone 1 s'échappent par la canalisation 18, les gaz produits par La partie 105 s'échappent par La canalisation 17. On n'a pas représenté la garde nécessaire pour séparer gaz et liquide pouvant sortir par 17. A la base de la partie 105, on a également une tuyauterie 16 par laquelle on peut insuffler un gaz. Dans la zone comprise entre la cloison 102 et la grille 6, on a placé une bavette 103 juste au-dessus de la tubulure 104 de sortie de l'effluent épuré. Sur la figure 2, on a figuré un détail de la canalisation 15. Pour améliorer le brassage dans la partie 105, la canalisation 15 est composée de 2 ou 4. (ou plus) canalisations tangentes. La figure 2 comporte 2 canalisations 15 arrivant tangen tiellement à la paroi cylindrique. De la meme manière, on améliore la sortie de l'effluent ayant subi la première phase en te collectant par une série de sorties 25, réunies extérieurement (cas de la figure 2) ou intérieurement (non figuré) par une canalisation torique 26 réunie à la canalisation verticale 9 extérieure (cas de la figure 2) ou intérieure (non figurée). Les figures 3 et 4 représentent ensemble une amélio ration de la collecte de l'effluent épuré. Sous la grille 6, est placée une bavette de tôle 103 ayant la forme d'un tronc de cône et soudée par sa plus grande périphérie à la-paroi cylindrique 4 du fermenteur. Entre cette bavette et la paroi cylindrique, on a disposé une canalisation torique 140 munie d'une pluralité de trous 141 à sa partie inférieure. Cette canalisation 140 est réunie à la cana lisation 104 de sortie de l'effluent épuré. On retrouve les éléments précédemments décrits sur une vue en perspective partiellement écorchée. Les repères ont été conservés par rapport aux figures précédentes et on s'y reportera. Comme on le verra dans l'exemple de conditions de fonctionnement, il peut être nécessaire de séparer au niveau de la canalisation 9 les gaz (pratiquement du gaz carbonique) produits en première phase dans la zone 105 (voir figure 1).La fig.5 est une représentation, en arraché partiel, du fernenteur selon l'invention. 1 Pour cela, comme le montre, la fiacre 6, on nrolot7e vers le haut la canalisation 9 par la canalisation 60 qui se termine par une partie évasée 61. Le liquide issu de la canalisation 9 atteint le niveau libre 62 et peut redescendre par la canalisation 64 vers la canalisation 10 alimentant les pommes de douche 107.La hauteur de la partie évasée doit être telle que la différence de niveau entre 62 et 107 corresponde à une pression suffisante pour bien répartir le liquide. DESCRIPTION D'UN DEUXIEME TYPE DE FERMENTEUR On suivra cette description sur la figure 7. Par rapport à la description du premier fermenteur, on peut se borner à remarquer les différences. La séparation entre les zones où se font les deux phases est obtenue par une cloison conique 70 ayant son sommet en haut de cette zone 105, à quelques centimètres sous La grille 6. Le cône se prolonge vers le haut par une canalisation 71 qui alimente les pommes de douche 107. La périphérie de la cloison conique 70 est soudée d'une manière étanche à La paroi cylindrique 4. Une canalisation torique 72 est située dans la partie basse de la zone comprise entre le cône 70 et le cylindre 4. Cette canalisation débouche dans la canalisation 11 reliée à la pompe 12. On retrouve comme sur le premier type les différentes vannes nécessaires. FONCTIONNEMENT DES FERMENTEURS On peut expliquer le fonctionnement sur un type et la transposition est évidente au deuxième type. On considère donc le fermenteur du premier type représenté sur les figures 1 à 6. Par la canalisation 15, on introduit (sous charge) le liquide à traiter. La disposition tangentielle des arrivées (figure 2) introduit un mouvement rapide de rotation, ce qui homogénéise la zone 105 et en même temps aide à maintenir en suspension les diverses particules présentes dans le substrat. La première phase de réaction dite acidogene se déroule rapidement en transformant le carbone organique présent en acides gras volatils et en gaz carbonique. Ce dernier s'échappe en plus grande partie par la tubulure 17. On n'a pas figuré le dispositif laissant sortir le gaz sans sortie de liquide car différents types satisfaisants sont connus. Le Liquide ayant déjà réagi monte par la canalisation 9 en entraînant une partie du C02. Le dispositif de la figure 6 permet de récupérer le gaz alors que Le liquide est amené par ta canalisation 10 à un ensemble d'éclateurs. Une pluie est ainsi répandue sur toute la surface de la grille 7. Ce liquide descend lentement par gravité à travers le garnissage 8.Les essais de la demanderesse ont montré que la biomasse (ctest-å-dire bactéries anaérobies capables de transformer Les acides gras en méthane) se fixaient remarquablement bien sur un garnissage de matière plastique. Le méthane produit passe à travers le garnissage vers le haut et est recueilli par la canalisation 18. L'effluent ayant subi la deuxième phase de réaction en traversant le garnissage sort par la grille 6 et entre dans la zone de décantation au-dessus du cône. Les vitesses de traversée du garnissage sont faibles et la zone 109 est ainsi très calme si bien que les matières en suspension restant malgré les deux réactions successives se déposent sur le cône 102 sous forme d'une boue qui s'écoule lentement vers le bas du cône et la canalisation 5. On peut avoir intérêt à revêtir la surface du cône (côté zone 109) d'un produit antiadhérence tel que du PTFE (poly tétrafluoroéthylène) connu sous la marque déposée "TEFLON" de Dupont de Nemours. Les peintures pour sol à base de polyuréthanne conviennent également. Une pompe à faible débit (de l'ordre du dixième du débit de substrat frais) aspire les boues de la canalisation 5 et les recycle dans la canalisation 15. Pour recueillir L'effluent épuré (par les deux réactions successives et par la décantation finale) on dispose (figures 3 et 4) d'une canalisation torique 140 place sous une bavette de protection 103. La bavette évite que des boues ne soient entrainées vers la canalisation 140 au lieu de décanter. EXEMPLE DE FONCTIONNEMENT On construit un fermenteur selon la figure 1 ayant pour dimensions : diamètre intérieur : 150 mm hauteur totale. 1,25 mètre Les deux grilles 6, 7 sont espacées de 1 mètre, la grille basse étant à 20 cm du fond. La cloison conique 102 a un angle au sommet de 60 et est soudée corps cylindrique 4 environ 30 millimètres plus bas que la grille 6. La pompe 12 est une pompe péristaltique de débit réglable entre 0,1 et 2 litres/heure. Le fermenteur est rempli sur la grille d'environ 18 litres d'anneaux FLOCOR. Le substrat à traiter est une vinasse de distillation de vin blanc présentant une demande chimique en oxygène (DCO) de 25 g/litre et une demande biologique à 5 jours (DE05-) de 18 g/litre. On alimente le fermenteur avec un débit de 16 litres jour de substrat à traiter et la pompe péristaltique est réglée à 0,3 litrelheure. On sort (aprés 8 jours de stabilisation) par la canalisation 104 un effluent présentant une DCO résiduaire de 3,75 g/litre et une DB05 résiduaire de 1,8 g/litre. On analyse les gaz sortant de la partie basse (105) par la canalisation 17. La production est de 24,6 litres (conditions normales de température et pression) comprenant 96 à 98 % du C02, 1 à 2 % de méthane et sans doute environ 1 % d'hydrogène. De la même manière les gaz sortant de la partie haute par la canalisation 18 sont suivis : production journalière environ 130 Litres (conditions normales de température et pression) comprenant entre 70 et 75 Z de méthane et 25 à 30 Z de C02. On a constaté qu'une partie importante de ce gaz carbonique n'était pas produit dans la partie haute mais provenait de la partie basse : il était entraîné dans la canalisation 9 en meme temps que le liquide ayant subi là première phase de fermentation. Cet inconvénient est supprimé par le montage de la figure 6. Grâce au recyclage par la canalisation 5 des boues ayant décanté et glissant sur la cloison 102, l'effluent sortant est débarrassé presque intégralement des particules en suspension. L'exemple décrit en détail ci-dessus ne constitue qu'un cas parmi les différentes possibilités de réalisation entrant dans le cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de fermentation anaérobie de substrats fluides carbonés par L'action de bactéries, caractérisé en ce que la fermentation se fait en deux temps, dans deux zones séparées du fermenteur, que le premier temps (acidogène) est fait en milieu agité par des bactéries flottantes, que le deuxième temps (méthanogène) est fait par ruissellement descendant à travers un garnissage sur lequel la biomasse est fixée et que les bactéries de ce deuxième temps qui seraient entrainées sont séparées et recyclées. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les bactéries du deuxième temps entraînées sont séparées par décantation dans le fermenteur même et sont recyclées avec le substrat à traiter. 3. Procédé selon la revendication 1 et 2 , caractérisé en ce que les gaz produits au cours du premier et du deuxième temps sont recueillis séparément. 4. Fermenteur pour le traitement anaérobie de substrats fluides carbonés sous L'action de bactéries, caractérisé en ce que ce fermenteur a la forme d'un cylindre à axe vertical fermé par un fond plat à sa partie inférieure, par un couvercle conique à sa partie superieure et qu'une cloison conique divise ce fermenteur en deux chambres,-et que la chambre supérieure comporte un garnissage reposant sur une grille horizontale occupant toute la section du fermenteur. 5. Fermenteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la cloison conique forme un entonnoir prolongé à sa partie basse étroite par une canalisation traversant de manière étanche la chambre inférieure et le fond du fermenteur et qu'une ou plusieurs canalisations mettent en communication la chambre inférieure avec la partie de la chambre supérieure comprise entre le haut du garnissage et le couvercle conique. 6. Fermenteur selon. la revendication 4, caractérisé en ce que la cloison conique forme un entonnoir renversé prolongé à sa partie haute étroite par une canalisation traversant de manière etanche le garnissage de la chambre supérieure et débouchant sous le couvercle conique au-dessus de la grille horizontale supérieure. 7. Fermenteur selon les revendications 4 à 6, caractérisé en ce que le liquide issu de la chambre inférieure par la ou lesdites canalisations est pulverisé sur toute la section haute du garnissage par des pommes de douches ou des eclateurs. 8. Fermenteur selon L'une quelconque des revendications précédentes, cardctérisé en ce que la surface supérieure de la cloison conique est revêtue d'un revêtement antiadhérent tel entre autres que le PTFE ou les polyuréthannes. 9. Fermenteur selon L'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé enQe que le liquide à traiter est introduit dans la chambre inférieure par une ou plusieurs canalisations tangentielles de manière à créer une circulation tourbillonnaire dans ladite chambre inférieure. 10. Fermenteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les boues coulant sur la cloison conique sont aspirées par une canalisation torique percee d'une pluralité de trous et reliée à une pompe extérieure au fermenteur et que la même pompe refoule lesdites boues dans la canalisation d'amenée du substrat à traiter. 11. Fermenteur selon L'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la sortie du liquide traité est protégée des boues traversant la grille inférieure par une bavette conique. 12. Fermenteur selon L'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tubulure centrale traverse de haut en bas le fermenteur et que la cloison conique, les grilles et le toit sont fixés sur ladite tubuLure.