Brevet FR2687929A1 — publié le 19930903

PROCEDE D'EPURATION D'EXCREMENTS ANIMALIERS ET SON DISPOSITIF La présente invention se rapporte à un procédé d'épuration d'excréments animaliers et à son dispositif, notamment à un procédé d'épuration de lisier de porcs. Les élevages animaliers posent, entre autres problèmes, celui de la transformation des excréments des animaux Ce problème est bien connu: les excréments sont malodorants et chargés principalement de matières nitrées qui sont un important facteur de pollution lorsqu'ils sont rejetés directement dans la nature en quantités industrielles, aussi bien dans l'air par les dégagements gazeux très importants d'ammoniac, que dans le sol pour la partie liquide ou soluble. Lorsque la quantité des excréments est faible on sait transformer cette matière par réaction bactériologique anaérobique dans des citernes fermées, comme on le fait par exemple très couramment dans les habitations domestiques. Mais le principe de fonctionnement de ces fosses n'est pas ou très difficilement adaptable à la production de matière d'un élevage animalier, production dix à cent fois supérieure ou plus. Une des solutions parmi les plus simples a été d'évacuer directement et simplement ces déchets sans chercher à les transformer On les recueille dans un réservoir pour les épandre sur les champs, de préférence sur ceux qui sont cultivés afin d'utiliser directement la partie fertilisante qu'ils contiennent, comme engrais. Cependant cet épandage, outre la nuisance considérable qu'il provoque par l'odeur caractéristique des matières fécales, apporte au sol une quantité de matières, notamment nitrées, à absorber très supérieure à sa capacité d'absorption et de dégradation naturelles, d'o une pollution très importante des sols qui se constate par une très forte teneur en nitrates des nappes phréatiques. Pour éviter cet épandage on a réalisé des procédés de traitement de ces lisiers. L'un de ces procédés consiste à le brûler. Cependant ce procédé est coûteux car il suppose un séchage préalable sans dégagement d'ammoniac puis une installation d'incinération. Un autre procédé consiste en une dégradation bactérienne des matières nitrées Schématiquement le lisier est passé dans un crible puis centrifugé en présence de polymères; les matières lourdes et solides sont séparées pendant que la fraction restante, la plus importante en volume et en produits nitrés subit, en présence de bactéries, une double réaction chimique (oxydation - réduction) pendant lesquelles l'azote, présente (sous forme ammoniacale, nitrique, ou organique) est libérée sous forme gazeuse. Cependant ce procédé ne filtre pas les métaux lourds ni la "DCO" dure (demande chimique en oxygène) c'est à dire la partie des molécules qui sont très difficiles à dégrader (non dégradées après onze jours de séjour dans les bassins de traitement) Ces éléments se retrouvent présents dans l'effluent final ce qui interdit tout rejet en rivière. En outre ce procédé implique des investissements proportionnellement très lourds et ne peut être économiquement viable que pour des élevages très importants en nombre, par exemple de 100 000 porcs produits par an le volume annuel traité étant de l'ordre de 100 000 mètres cubes. L'invention a pour objectif de réaliser un procédé peu coûteux, permettant de réaliser des installations de petits volumes pour élevages d'au moins 3000 porcs produits par an, et simple et robuste afin de pouvoir être mis en oeuvre et entretenu par l'éleveur lui-même sans utilisation de connaissances techniques approfondies. Un second objectif est la réalisation d'un procédé du type à dégradation bactérienne connu permettant d'obtenir en sortie, d'une part un effluent épuré: sensiblement sans charge minérale, pratiquement exempt de bactérie, et dont la teneur en matière organique est très faible, et utilisable directement en irrigation ou même rejetable en rivière après traitement tertiaire, d'autre part un produit organique compostable. L'invention a pour objet un procédé d'épuration en continu d'excréments animaliers dans lequel on recueille la matière en totalité, on la tamise pour en extraire les matières sèches, on lui fait subir un traitement séparation qui détermine deux fractions, la plus légère étant soumise à une épuration par traitement biologique avec des boues bactériennes ou boues biologiques, caractérisé en ce que le fractionnement se fait par floculation et sédimentation, la floculation étant réalisée par introduction de chaux. L'invention est encore remarquable par les caractéristiques suivantes: la fraction la plus lourde est déshydratée mécaniquement avant d'être compostée; on ajoute à la chaux un polymère, et de préférence fortement cationique; le fractionnement est effectué de la manière suivante: dans une cuve de mélange, on introduit en continu successivement: le lisier tamisé, de l'eau et la chaux, puis éventuellement des boues bactériennes et enfin les polymères, l'ensemble étant continuellement brassé; ce mélange se déverse en continu par gravité dans une cuve de séparation dans laquelle les matières organiques précipitent, les métaux lourds et le phosphore étant entraînés avec la fraction solide organique floculée par la chaux; les sédiments sont évacués par pompage et stockés dans un silo; la partie surnageante, liquide, est évacuée par trop plein dans un bassin d'épuration. l'épuration biologique comporte une succession continue de phases d'aération et d'anoxie avec recyclage, le liquide épuré étant évacué dans une cuve de clarification; l'épuration est effectuée de la manière suivante: le surnageant de la cuve de décantation est amené par gravité en continu dans une cuve d'épuration o la dégradation des matières organiques azotées est réalisée en anoxie: le liquide repose sans agitation pendant un certain temps dans cette cuve d'o il est conduit en continu vers un bassin d'aération; le liquide est alors soumis à une aération, l'air étant introduit en quantité déterminée, notamment par des injecteurs; * il est ensuite repris par une pompe qui le recycle dans la cuve d'épuration. le trop plein du bassin d'aération est déversé en continu dans une cuve de clarification o le liquide décante lentement: les sédiments, essentiellement des boues biologiques, sont reconduits en continu en partie en bassin d'aération et le surplus dans la cuve de mélange, et le liquide épuré surnageant est évacué de la cuve par débordement et conduit dans un réservoir; en variante et de façon préférentielle, le recyclage entre les zones d'épuration en anoxie et aérée est réalisé dans deux cuves d'épuration, chacune associée à un bassin d'aération, le liquide étant recyclé du premier bassin d'aération dans la seconde cuve et du second bassin d'aération dans la première cuve, le trop plein du ou des bassins étant déversé dans la cuve de clarification; l'eau de mélange est constituée en partie ou en totalité par le liquide épuré; L'invention porte encore sur le dispositif d'épuration d'excréments animaliers selon le procédé ci- dessus décrit caractérisé en ce qu'il comporte: une cuve de mélange dans laquelle la floculation est réalisée, une cuve de séparation du liquide à épurer par décantation des boues floculées, * au moins une cuve d'épuration pour la dénitrification en phase d'anoxie de la matière organique contenue dans le liquide, associée à au moins un bassin d'aération pour la minéralisation et la nitrification de ladite matière organique, et une conduite de recyclage du bassin dans la cuve d'épuration, une cuve de clarification du liquide dans laquelle les boues biologiques sont décantées, l'effluent épuré étant évacué dans un réservoir. Le dispositif est encore remarquable par les caractéristiques suivantes: la cuve de mélange comporte au moins une alimentation en produits de déjection animale préalablement tamisés, une conduite d'alimentation en eau, et une arrivée de chaux, au moins un agitateur mélangeur et en partie basse une conduite de sortie communiquant en continu par gravité avec une cuve de séparation; la cuve de mélange comporte en outre une alimentation en boues biologiques et une alimentation en polymères; la cuve de séparation, ou réacteur physico- chimique, comporte en partie supérieure, au moins une sortie par trop plein laquelle alimente par gravité au moins une cuve d'épuration, et en partie basse une conduite d'évacuation des boues vers une unité de stockage; il comporte au moins deux cuves d'épuration, chacune associée à un bassin d'aération, chaque bassin d'aération comportant une conduite de retour dans la cuve d'épuration voisine; chaque cuve d'épuration comporte en partie inférieure une sortie alimentant par gravité le bassin d' aération associé; on prévoit sur les conduites de recyclage une pompe à air comprimé qui produit avec le liquide une émulsion; la cuve de clarification comporte une pluralité de fentes périphériques supérieures assurant l'entrée du liquide par débordement depuis le ou les bassins d'aération, en partie inférieure une sortie d'évacuation et recyclage des boues biologiques décantées, et supérieurement sous le niveau des fentes au moins une goulotte d'évacuation de l'effluent épuré; le dispositif comporte enfin une conduite de recyclage de l'effluent qui alimente au moins la cuve de mélange. Le procédé et son dispositif permettent d'obtenir des résultats particulièrement intéressants: l'effluent épuré utilisable en irrigation: le poids en éléments minéraux est extrêmement faible: pour un litre au plus de 50 mg d'azote sous forme de nitrates, moins de 2 mg d'azote sous forme de nitrite, et moins de 10 mg sous forme ammoniacale; le taux de présence de métaux lourds et de phosphore est très faible, par exemple de l'ordre de 5 mg/l pour le phosphore; il contient une quantité résiduaire très faible de bactéries pathogènes ( 50 pour une quantité initiale de 500 000 à 800 000); Ainsi il ne reste plus, pour obtenir un effluent rejetable en rivière, qu'à éliminer la matière organique qui constitue la DCO dure, ce qui peut être réalisé par exemple, par traitement par osmose inverse ou tout autre traitement connu. l'épuration se produit pratiquement sans aucun dégagement d'ammoniac (la teneur en ammoniaque dans les bassins d'aération est de l'ordre de 1 mg/litre). le traitement est peu coûteux: les matières premières utilisées pour la floculation sont la chaux et l'eau qui provient de l'épuration elle-même En dehors de l'investissement de départ les coûts sont réduits à la consommation d'énergie des pompes,la circulation globale du liquide se faisant par gravité; en outre, les boues extraites peuvent être déshydratées par tout moyen connu, compostées et utilisées comme fertilisants. Comme on le voit ce procédé permet d'exploiter un élevage animalier, notamment un élevage de porcs, en éliminant totalement le problème des excréments et en outre les installations peuvent être de petite taille pour des élevages d'au moins 3000 porcs produits par an. Afin de mieux comprendre l'invention on a illustré sur le dessin annexé un exemple de réalisation non limitatif décrit ci après; sur ce dessin: la figure 1 représente un schéma de principe du procédé selon l'invention, la figure 2 est une vue de dessus d'une installation d'épuration selon l'invention. Cet exemple se rapporte au traitement d'épuration du lisier de porcs mais n'est pas limitatif et l'homme du métier comprendra aisément qu'il peut s'appliquer à tous autres types d'excréments. Sur la figure l la référence 1 désigne la station d'élevage; le lisier est évacué de manière connue et recueilli dans un réservoir 2, appelé encore poste de relèvement. Ce poste de relèvement est associé à un réservoir tampon 3 qui a pour fonction d'assurer en aval une alimentation de l'installation en continu ou par charges à un rythme déterminé. En outre, et de manière connue le lisier est dilué. Cette dilution 4 est réalisée dès la station d'élevage 1, l'eau ayant essentiellement la fonction de lavage de la station et d'évacuation du lisier; en second lieu elle permet de diminuer les dégagements d'ammoniac. Le lisier brut est tamisé par tout moyen connu, par exemple un tamis 5 rotatif à mailles d'environ 500 micromètres Il a pour effet d'éliminer les matières sèches non polluantes, les pailles, débris divers, les sables, etc qui peuvent représenter plus de 10 % de la matière sèche du lisier brut. Le lisier tamisé est déversé directement 8 en continu ou par charges successives à partir d'un volume tampon 6 dans une cuve de mélange 7 Celle-ci comporte, outre l'alimentation 8 en produits de déjection animale, une conduite 9 d'alimentation en eau, et une arrivée 10 de chaux 11 sous forme de lait de chaux, au moins un agitateur mélangeur 12 et en partie basse une conduite de sortie 13 communiquant en continu par gravité avec une cuve de séparation 14 ou réacteur physico-chimique. La cuve de mélange comporte éventuellement en outre une alimentation 15 en boues biologiques et une alimentation 16 en polymères. L'introduction de chaux est asservie à l'alimentation de lisier de sorte que la quantité de chaux introduite soit en proportion constante dans la cuve, que cette alimentation soit continue ou discontinue. La chaux est un floculant qui, selon l'invention, a pour fonctions particulières essentielles: de tuer les bactéries pathogènes, de bloquer la DCO "dure", de retenir les métaux lourds comme le cuivre par exemple, en créant des liaisons avec la partie solide, de retenir le phosphore en créant des liaisons avec la partie solide. De manière préférentielle la cuve est cloisonnée en trois compartiments: le premier dans lequel la chaux, l'eau et le lisier sont mélangés, le deuxième dans lequel on introduit les boues biologiques, le troisième dans lequel on introduit les polymères. Les polymères utilisés sont connus en soit et utilisés en raison de la longueur, de leur structure moléculaire qui forme des réseaux dans lesquels sont retenus les colloïdes On choisit de préférence des polymères fortement cationiques ou neutres Selon l'invention ils ne sont utilisés que comme complément éventuel dans la réaction de coagulation. La quantité de chaux varie selon la qualité du lisier, c'est à dire notamment selon les conditions d'alimentation, climatiques, et géographiques de l'élevage. Cependant l'expérience montre que la quantité de chaux utilisée est située entre 150 g et 200 g pour 1 Kg de matière sèche, soit pour un lisier étendu à 5 % de matière sèche, entre 7,5 kg et 10 kg de chaux par m 3. La cuve de mélange se déverse selon un débit prédéterminé et contrôlable par une vanne 17 dans le réacteur physico-chimique 14 lequel comporte en partie supérieure, au moins une sortie par trop plein 18 laquelle alimente par gravité deux cuves d'épuration 19 ', 19 " et en partie basse une conduite 20 d'évacuation des sédiments. Dans ce réacteur les matières colloïdales, les bactéries pathogènes, les métaux lourds et l'essentiel du phosphore sont précipités et sédimentent en produisant des boues physico-chimiques 21 Les boues sont évacuées par pompage et stockées dans un silo 22 avant d'être déshydratées et compostées de manière connu en soi. Les cuves d'épuration sont montées en circuit fermé, chacune 19 ', 19 " étant en communication avec un bassin d'aération respectivement 26 ', 26 " eux-mêmes en communication avec la cuve suivante, respectivement 19 ", 19 ' Elles sont cylindriques ou cylindro- côniques et l'arrivée 23 ', 23 " des conduites de recyclage 24 ', 24 " est de préférence tangentielle de manière à créer un mouvement tournant Le liquide descend lentement et s'échappe par une conduite 25 ', 25 " débouchant à la partie inférieure de la cuve et qui communique avec le bassin 26 ', 26 " Les conduites sont munies d'une vanne non représentée permettant le réglage, voire l'arrêt des débits, cependant en pratique elles restent toujours ouvertes car la circulation est continue entre les cuves et les bassins. Le liquide est d'abord introduit dans la cuve d'épuration et non premièrement dans le bassin d'aération afin d'éviter les dégagements de gaz ammoniacal dans l'atmosphère de manière connue L'ammoniac en solution aqueuse, est immédiatement entraînée dans le courant tournant descendant et n'a pas la possibilité de s'échapper. Le bassin comporte des moyens d'aération 27 ', 27 " connus en soi, du type injecteurs ou autre, dont le fonctionnement est commandé par une centrale de contrôle comme cela est habituel dans les stations d'épuration: l'apport d'oxygène peut être discontinu ou continu selon la quantité d'oxygène demandée Au cours de cette phase d'aération, la matière organique est minéralisée L'azote présent sous diverses formes (ammoniacale, nitrique, organique) est oxydé en nitrites puis en nitrates: c'est la nitrification. Selon l'invention le liquide est repris d'un bassin d'aération 26 ' ou 26 " par une pompe à air comprimé du type connu et mise dans le commerce sous le nom "Mammouth", et conduit dans la cuve d'épuration suivante 19 " ou 19 ' sous forme d'une émulsion Dans les cuves, l'épuration a lieu en anoxie: c'est la dénitrification Cette phase permet la réduction des nitrates en nitrites puis en azote moléculaire qui se dégage dans l'atmosphère. Le liquide épuré est recueilli par débordement continu des bassins d'aération 26 ', 26 " et est conduit par gravité dans une cuve 28 de clarification Les boues biologiques 29 sont décantées et recyclées 30 dans la zone aérée En outre, afin de contrôler la population bactérienne dans l'installation on prévoit, en sortie de la cuve de clarification, une conduite 31 d'évacuation des boues biologiques; celles-ci sont réintroduites 15 dans la cuve de mélange et sont évacuées avec les boues physico- chimiques L'effluent final est repris par débordement, en continu, dans des goulottes de sortie 32 et est stocké dans un réservoir 33 d'o il est recyclé d'une part dans les bâtiments d'élevage, d'autre part dans la cuve de mélange. Dans l'exemple d'installation de traitement de la figure 2, l'épuration est réalisée dans un ouvrage unique comprenant plusieurs sections ou compartiments Dans un cylindre 34 de grande taille on dispose, réparties sur la périphérie, la cuve de séparation 14, deux cuves d'épuration 19 ', 19 " approximativement diamétralement opposées et la cuve de clarification 28 Une cloison 35 sensiblement diamétrale relie les cuves d'épuration et se prolonge jusqu'aux parois du cylindre et détermine, dans le volume restant entre les cuves les deux bassins d'aération 26 ', 27 " La cuve de mélange 7 est au dessus de la cuve de séparation et le silo de chaux 11 accolé au cylindre. La présente description repose sur le traitement des rejets d'un élevage de porcs Cette application n'est pas limitative et l'invention s'étend et s'applique à tous élevages animaliers sans exception aux adaptations près. 1:l REVENDICATIONS 1 Procédé d'épuration en continu d'excréments animaliers dans lequel on recueille la matière en totalité, on la tamise pour en extraire les matières sèches, on lui fait subir un traitement séparation qui détermine deux fractions, la plus légère étant soumise à une épuration par traitement biologique avec des boues bactériennes, caractérisé en ce que le fractionnement se fait par floculation et sédimentation, la floculation étant réalisée par introduction de chaux ( 10). 2 Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la fraction la plus lourde est déshydratée mécaniquement avant d'être compostée. 3 Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on ajoute à la chaux un polymère ( 16), et de préférence fortement cationique. 4 Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le fractionnement est effectué de la manière suivante: dans une cuve de mélange ( 7), on introduit en continu successivement: le lisier tamisé ( 8), de l'eau ( 9) et la chaux ( 10), puis éventuellement des boues bactériennes ( 15) et enfin les polymères ( 16), l'ensemble étant continuellement brassé; ce mélange se déverse en continu par gravité dans une cuve de séparation ( 14) dans laquelle les matières organiques précipitent les métaux lourds et le phosphore étant entraîné avec la fraction solide organique floculée par la chaux; les sédiments sont évacués par pompage et stockés dans un silo ( 22); la partie surnageante, liquide, est évacuée par trop plein dans un bassin d'épuration ( 19 '). 5 Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'épuration biologique comporte une succession continue de phases d'aération et d'anoxie avec recyclage, le liquide épuré étant évacué dans une cuve de clarification ( 28). 6 Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'épuration est effectuée de la manière suivante: le surnageant de la cuve de séparation ( 14) est amené par gravité en continu dans une cuve d'épuration ( 19 ') o la dégradation des matières organiques azotées est réalisée en anoxie: le liquide repose sans agitation pendant un certain temps dans cette cuve d'o il est conduit en continu vers un bassin d'aération ( 26 '); le liquide est alors soumis à une aération, l'air étant introduit en quantité déterminée, notamment par des injecteurs ( 27 '); il est ensuite repris par une pompe ( 40) qui le recycle dans la cuve d'épuration. le trop plein du bassin d'aération est déversé en continu dans une cuve de clarification o le liquide décante lentement: les sédiments, essentiellement des boues biologiques, sont reconduits en continu en partie en bassin d'aération ( 26 ') et le surplus dans la cuve de mélange ( 7), et le liquide épuré surnageant est évacué de la cuve ( 28) par débordement et conduit dans un réservoir ( 33). 7 Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le recyclage entre les zones d'épuration en anoxie et aérée est réalisé dans deux cuves d'épuration, chacune associée à un bassin d'aération, le liquide étant recyclé du premier bassin d'aération dans la seconde cuve et du second bassin d'aération dans la première cuve, le trop plein du ou des bassins étant déversé dans la cuve de clarification; 8 Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que l'eau de mélange est constituée en partie ou en totalité par le liquide épuré. 9 Dispositif d'épuration d'excréments animaliers pour la réalisation du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte: une cuve de mélange ( 7) dans laquelle la floculation est réalisée; une cuve de séparation ( 14) du liquide à épurer par décantation des boues floculées; * au moins une cuve d'épuration ( 19 ') pour la dénitrification en phase d'anoxie de la matière organique contenue dans le liquide, associée à au moins un bassin d'aération ( 26 ") pour la minéralisation et la nitrification de ladite matière organique, et une conduite de recyclage du bassin dans la cuve d'épuration; une cuve de clarification ( 28) du liquide dans laquelle les boues biologiques sont décantées, l'effluent épuré étant évacué dans un réservoir ( 33). 10 Dispositif d'épuration d'excréments animaliers selon la revendication 9 caractérisé en ce que la cuve de mélange comporte au moins une alimentation ( 8) en produits de déjection animale préalablement tamisés, une conduite ( 9) d'alimentation en eau, et une arrivée de chaux ( 10), au moins un agitateur mélangeur ( 12) et en partie basse une conduite de sortie ( 13) communiquant en continu par gravité avec une cuve de séparation ( 14). 11 Dispositif d'épuration d'excréments animaliers selon la revendication 10 caractérisé en ce que la cuve de mélange comporte en outre une alimentation en boues biologiques et une alimentation en polymères. 12 Dispositif d'épuration d'excréments animaliers selon la revendication 9 caractérisé en ce que la cuve de séparation ( 14), ou réacteur physico-chimique, comporte en partie supérieure, au moins une sortie par trop plein laquelle alimente par gravité au moins une cuve d'épuration, et en partie basse une conduite d'évacuation des boues vers une unité de stockage. 13 Dispositif d'épuration d'excréments animaliers selon la revendication 9 caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux cuves d'épuration, chacune associée à un bassin d'aération, chaque bassin d'aération comportant une conduite de retour dans la cuve d'épuration voisine. 14 Dispositif d'épuration d'excréments animaliers selon la revendication 13 caractérisé en ce que chaque cuve d'épuration comporte en partie inférieure une sortie alimentant par gravité le bassin d'aération associé. Dispositif d'épuration d'excréments animaliers selon la revendication 9 caractérisé en ce qu'on prévoit sur la ou les conduites de recyclage une pompe à air comprimé qui produit avec le liquide une émulsion. 16 Dispositif d'épuration d'excréments animaliers selon la revendication 9 caractérisé en ce que la cuve de clarification comporte une pluralité de fentes périphériques supérieures assurant l'entrée du liquide par débordement depuis le ou les bassins d'aération, en partie inférieure une sortie d'évacuation et recyclage des boues biologiques décantées, et supérieurement sous le niveau des fentes au moins une goulotte d'évacuation de l'effluent épuré. 17 Dispositif d'épuration d'excréments animaliers selon la revendication 9 caractérisé en ce que le dispositif comporte une conduite de recyclage de l'effluent qui alimente au moins la cuve de mélange.