Brevet FR2674844A1 — publié le 19921009

La présente invention a trait au domaine du traitement des lisiers d'animaux constitués, comme lton sait, de mélanges de litières et de souillures et déjections solides et liquides jonchant le sol des étables, écuries et autres lieux d'élevage d'animaux. Elle concerne tout spécialement un procédé et une installation permettant d'opérer les séparations solides/liquides et d'épurer les fractions liquides jusqu obtention de fluides aptes à être rejetés, sans pollution, dans le milieu naturel. On sait que la production de lisiers animaux, qui est considérable dans les régions à élevages intensifs, pose des problèmes cruciaux dans certains secteurs géographiques, comme c'est le cas, par exemple en France dans la province de Bretagne ou est concentré près de 50% de la production porcine nationale. Ces lisiers, généralement épandus sur les sols agricoles, de façon plus ou moins contrôlée, portent des atteintes graves à l'environnement, par pollution des eaux de surface et des eaux souterraines, outre évidemment les nuisances olfactives. Les excédents de lisiers doivent être traités pour éliminer ou fortement diminuer les polluants carbonés, azotés et phosphorés, sources de nombreuses nuisances dont les principales sont l'eutrophisation des cours d'eau et des littoraux ainsi que l'augmentation des teneurs en nitrates des eaux souterraines. Parmi les procédés de traitement déjà connus, hormis les processus physico-chimiques qui entraînent des coûts d'investissement et de fonctionnement élevés et souvent prohibitifs, on signalera le traitement biologique, dont notamment la méthanisation c'est-à-dire une fermentation anaérobie contrôlée. Ce processus, qui permet d'éliminer une partie de la matière organique, n'a pratiquement pas d'effet sur les pollutions azotées et phosphorées pour lesquelles il faut envisager un post-traitement anaérobie par des boues activées "à faible charge" et, souvent, une coprécipitation physico-chimique des composés du phosphore. Jusqu'à ce jour, les résultats obtenus par de tels traitements ne sont encore suffisants pour pouvoir considérer que les effluents sont aptes à être envoyés, sans risque, dans le milieu naturel. Partant de ces considérations et à la suite de séries d'essais ayant pour but d'optimiser des séries de processus de traitement, en particulier par usage de la voie biologique, l'invention a pour but de proposer un procédé d'ensemble et une installation adaptée, permettant, au départ de lisiers bruts de diverses origines - et en particulier de lisiers porcins d'obtenir des flux de rejets dont les teneurs en produits polluants sont suffisamment minimes pour pouvoir supprimer tout risque dans l'environnement. Selon le processus général du procédé de l'invention, on combine les étapes successives suivantes a) stockage en cuve de lisiers bruts dégrillés; b) séparation liquide-solide par centrifugation avec ajout d'agent floculant, les résidus solides étant récupérés comme engrais agricoles; c) épuration biologique des liquides issus de la centrifugation par traitement selon une phase anoxie puis selon une phase aérobie, suivie d'une clarification avec recirculation de la liqueur mixte de la seconde phase à la première et recyclage des boues décantées depuis la clarification jusqu'à la phase anoxie, les boues en excès de la clarification étant éliminées; d) éventuellement, décoloration complémentaire de l'effluent issu de la clarification. L'opération classique de dégrillage consiste, comme on le sait, en la séparation grossière des plus gros éléments solides, dans le cas présent des grandes pailles ou autres tiges de céréales, d'avec la fraction liquide et les particules solides de faible diamètre. Le stockage en cuve constitue un passage obligé dans tout procédé de traitement et il permet de recueillir périodiquement divers mélanges de lisiers prélevés dans les préfosses d'élevage d'animaux. Généralement on trouve dans ces cuves des lisiers dit "frais" dont l'âge est inférieur à une semaine, et des lisiers "âgés" qui peuvent avoir plusieurs semaines, voire plusieurs mois. Dans le cas, par exemple, de lisiers bruts issus de l'élevage de porcs, les valeurs moyennes des différents paramètres représentatifs sur un nombre de 37 échantillons de lisiers frais et de 9 échantillons de lisiers âgés, sont résumés dans le tableau 1 ci-dessous ou TAC est le titre alcalimétrique complet . MES est la concentration de matières en suspension DCO correspond à la Demande Chimique en Oxygène NTK la teneur totale en Azote (Kjehldahl) . N-NH4 la teneur en azote issu de l'ammoniac . P la teneur en phosphore (total ou issu de phosphore) TABLEAU no 1 pH TAC Extrait MeS DCO NTK H-NH4 P total P-P04 sec gCaO/L g/l g/t g/l g/L g/l g/l g/l Lisiers "frais" 7.73 ~1.48 76.55 68.91 103.6 9.28 3.8 1.94 1.34 lisiers "ases" 8.17 11.38 61.93 58.37 96.07 9.47 1.67 Conformément à la première phase opérationnelle du procédé de l'invention on procède à une centrifugation des lisiers bruts avec addition d'un agent floculant afin d'optimiser les taux de capture des fractions particulaires. Parmi les floculants utilisables on peut citer avantageusement des polyélectrolytes comme par exemple des polymères cationiques; ceci bien entendu å titre non limitatif. La quantité de floculants varie, bien entendu, selon les cas d'espèces mais elle est généralement comprise entre 3 et 7 kg par tonne d'extrait sec.Les conditions de la centrifugation (vitesse, temps de séjour, etc) sont évidemment adaptées aux cas d'espèce et du domaine de l'homme de l'art. Après l'opération précitée, les rendements d'élimination ou abattements des paramètres descriptifs du tableau 1 précité sont déjà très significatifs puisque de l'ordre de 77% pour l'extrait sec; 95% pour MES; 72% pour la DCO; 65% pour NTK; 32% pour l'azote de NH4; 93% pour le phosphore total et 91% pour P de P04. Quant aux résidus solides ou lies de centrifugation, ils peuvent être avantageusement utilisés comme engrais agricoles. Conformément à une réalisation avantageuse, on procède lors de la centrifugation et/ou lors de la mise en service de l'installation, à une dilution initiale des lisiers par une eau de surface ou eau résiduaire présentant une concentration faible, voire nulle en azote ammoniacal. On peut alors pallier, de cette façon, les effets inhibiteurs des fortes concentrations en ammoniaque des lisiers centrifugés sur l'ensemencement et le développement de la biomasse épuratrice lors de la phase ultérieure de traitement biologique. Selon la deuxième étape du procédé, on effectue un traitement biologique des lisiers centrifugés en deux phases successives, la première en milieu anoxie ou les lisiers sont utilisés comme source de carbone et ou a lieu la réduction des nitrates en azote gazeux, la seconde en milieu aéré pour assurer la nitrification. Selon une variante opératoire, on peut éventuellement faire précéder la phase anoxie d'une phase anaérobie pour provoquer une déphosphatation biologique accrue. La charge volumique, appliquée sur l'ensemble des capacités anoxie et aérobie et exprimée en terme de DB05, est généralement comprise entre 0,3 et 0,65 kg/m3/jour. Lors de la phase aérobie le mode d'oxygénation avantageusement adopté, par insufflation d'air dans le réacteur, permet d'éviter les chutes de températures de la liqueur mixte, phénomène constaté lorsqu'on met en oeuvre des appareils d'aération de surface selon les techniques connues, lesquels conduisent à des chutes de rendement d'épuration. En pratique, selon l'invention, on utilise avantageusement des aérateurs profonds de type "oxytubes" qui permettent de procéder au séquençage de l'insufflation de l'air sans provoquer de colmatage sur les diffuseurs d'air. Ce séquençage de l'aération permet d'améliorer l'alimentation des nitrates recirculés par mise en anoxie partielle de la zone normalement aérée. Ce séquençage peut également être régulé par une mesure en continue du potentiel redox de la liqueur mixte. Grâce à la recirculation des boues décantées et de la liqueur mixte, on peut prélever la quasi totalité des nitrates à dénitrifier à la sortie de la cuve aérobie et du clarificateur pour la ramener, par les recyclages, dans la zone anoxie disposée en tête du traitement. Dans certains cas, il peut être nécessaire d'ajouter certains réactifs lors de cette étape de traitement biologique comme par exemple de la chaux pour accélérer le processus de nitrification ou encore de chlorure ferrique pour faciliter la coprécipitation du phosphore. Toutefois, il s'est avéré qu'en général, lors des expérimentations faites sur des lisiers porcins, les concentrations résiduelles des effluents biologiques en phosphore total et phosphore soluble n'étaient généralement pas supérieures à 20-25 mgl et 10 à 15 mg/l. Les boues produites lors du traitement biologique, qui peuvent par exemple correspondre à 0,4 kg par Kg de DB05 éliminé ou encore 600 à 700 litres par m3 de lisiers traités, sont traités par centrifugation, les produits centrifugés étant envoyés sur l'étape biologique alors que les refus sont mélangés aux solides issus de la première étape de centrifugation pour donner des engrais comme expliqué ci-avant. Selon une étape finale particulièrement intéressante à mettre en oeuvre dans le procédé de l'invention, on peut procéder à l'élimination ou au moins l'atténuation de la couleur brune intense des effluents, imputable à la présence de pigments biliaires oxydés non biodégradables dans les déjections des animaux. Après l'expérimentation de plusieurs méthodes et d'un assez grand nombre de réactifs il a été trouvé que l'addition aux lisiers traités de produits choisis dans le groupe constitué par : le charbon actif pulvérulent, l'hypochlorite de sodium et le chlorure ferrique, permettait d'obtenir les meilleurs résultats. En particulier, le FeC13 permet non seulement d'assurer la décoloration des lisiers traités mais de procurer un affinage important de la quantité des effluents. Le procédé selon l'invention peut être mis en oeuvre dans une installation générale de traitement dont les phases ou dispositifs sont illustrés sur le schéma-bloc de la figure unique du dessin annexé qui permettra simultanément de décrire un exemple de réalisation, correspondant à la moyenne des résultats obtenus sur six mois d'expérimentations dans une unité de traitement de lisiers porcins. Un ensemble de traitement conforme à l'invention comporte essentiellement : une cuve 1 de récupération et stockage des lisiers bruts; une centrifugeuse 2, où l'on additionne avantageusement au moins un agent floculant 3 et d'où l'on décharge en 4 les lies ou gâteaux de solides qui peuvent être utilisés comme matériaux d'épandage au sol, à titre d'engrais; éventuellement, une cuve de stockage 5 des lisiers centrifugés; un ensemble d'épuration biologique comprenant un réacteur en anoxie 6, le réacteur en aérobie 7 et un clarificateur 8. En fonctionnement normal et comme dit ci-avant, on effectue des recyclages, selon 9, de la liqueur mixte des réacteurs, alors que les boues retirées du clarificateur 8 sont en partie envoyées selon 10 dans le réacteur en anoxie et en partie recyclées, selon ll dans le système de centrifugation 2; elles viennent ensuite grossir la partie semi-solide ou lie 4 que l'on évacue de la centrifugeuse. Selon une mise en oeuvre préférentielle, l'ef fluent 12 issu du clarificateur est soumis à une décoloration pour atténuer, voire supprimer, la couleur brun foncé difficilement acceptable lors du rejet sur le site. L'addition, avantageusement, de chlorure ferrique à des doses de 3 à 5 g/l, entraîne rapidement l'insolubilisation des pigments biliaires oxydés non biodégradables. Les précipités obtenus ne sédimentent pas mais flottent en surface. En opérant dans une installation du type précité pour le traitement de lisiers porcins pendant une durée de 6 mois à raison de 0,5 m3 de lisiers/jour, on a obtenu les résultats consignés dans le tableau n0 2 ci-dessous TABLEAU n0 2 TAC Extrait MES DCO NTK N(NH4) P total (en CaO) sec lisiers bruts (g/l) 11.48 76.55 68.9 103.60 9.28 3.80 1.94 lisiers centrifugés (g/l) 7.33 17.60 3.99 29.70 3.28 2.60 0.15 effluent du clarificateur Lors de la centrifugation on a utilisé comme floculant le polymère cationique type F0 4290 (Floerger) au taux de 5,7 kg par tonne de MES. Dans le traitement biologique, on utilisait des charges volumiques correspondant à 0,5 kg de DBO par m3 et par jour et des charges massiques de 0,1 kg DBO/kg de MES et par jour. Les productions de boues et la consommation d'oxygène, dans l'étape de traitement biologique, étaient respectivement égales à 0,43 kg et 1,51 kg par kg de DBO éliminé. Comme on peut le constater d'après le tableau 2, les taux d'abattement des diverses pollutions étaient tout à fait satisfaisants, les effluents obtenus étant aptes à être rejetés en rivière, notamment après décoloration. REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement de lisiers d'animaux, en particulier de lisiers porcins en vue d'éliminer les différentes formes de pollution et d'obtenir un effluent liquide de qualité compatible avec un rejet dans le milieu naturel, caractérisé en ce que l'on opère selon la combinaison des étapes successives suivantes a) stockage en cuve de lisiers bruts dégrillês; b) séparation liquide-solide par centrifugation avec ajout d'agent floculant, les résidus solides étant récupérés comme engrais agricoles; c) épuration biologique des liquides issus de la centrifugation par traitement selon une phase anoxie puis selon une phase aérobie, suivie d'une clarification, avec recirculation de la liqueur mixte de la seconde phase à la première et recyclage des boues décantées depuis la clarification jusqu'à la phase anoxie, les boues en excès de la clarification étant éliminées; d) éventuellement, décoloration complémentaire, de l'effluent issu de la clarification. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que une phase de traitement en anaérobie précède la phase anoxie. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, lors de la centrifugation, les lisiers sont dilués par une eau de surface ou une eau résiduaire à faible teneur en azote ammoniacal. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que, lors de la phase aérobie, l'insufflation de l'air est faite de façon séquencée. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'une partie des boues issues de la clarification est recyclée à la centrifugation. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la décoloration de l'effluent traité est effectuée par le charbon actif, l'hypochlorite de sodium ou, avantageusement, le chlorure ferrique. 7. Installation pour le traitement de lisiers selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle comporte un conteneur (1) de réception et stockage des lisiers bruts; une centrifugeuse (2) d'où les résidus solides ou lies (4) sont éliminés; éventuellement, une cuve de stockage (5) des lisiers liquides centrifugés; un ensemble d'épuration biologique combinant un réacteur en anoxie (6) suivi d'un réacteur en aérobie (7), et un clarificateur (8). 8. Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle est munie de moyens pour le recyclage (9) des liqueurs mixtes des réacteurs (6, 7) de traitement biologique, ainsi par des moyens pour l'envoi d'une partie (10) des boues de clarification (8) dans le réacteur en anoxie et d'une partie (11) de ces boues dans la centrifugeuse (2). 9. Installation selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisée en ce que le réacteur en aérobie (7) est muni de moyens pour l'insufflation d'air en profondeur et de manière séquencée.