Brevet FR2794472A1 — publié le 20001208

La présente invention concerne un dispositif de traitement biologique d'effluents liquides chargés en matière organique, mettant en oeuvre trois moyens associés : l' un fermenteur aérobie et/ou anaérobie produisant du gaz méthane et/ou du C02 ; 2' un moyen filtrant (centrifugeuse ou hydrocyclone par exemple) et 3' un séparateur à membranes. De nombreux types de fermenteurs existent. On petit citer notamment les fermenteurs discontinus, continus, en forme de cylindre verticaux, enterrés, cylindriques à axes horizontaux, fixes on rotatifs etc. Ces fermenteurs peuvent trailer (les efflucili.s pitrs ou moins chargés cri matière sèche et leurs systèmes d'agitation peuvent être mécaniques par vis sans fin, par pales mobiles etc., on par Injection (le gaz en continu à filiible pression, ou séquentiel à fOrte pression, dont le procédé bien connu VALORGA. U- fermentation anaérobie comporte plusieurs phases. Notamment on distingue Il phase d'hydrolyse et acidogéne ; la phase acétogène par production d'acides gras volatiles de type acétate ; la phase méthanogène de synthèse de 112 et du C02 et de transformation de l'acétate en mélange de CH4 et de C02, le biogaz. Li fermentation peut s'effectuer à deux régimes de température : le ré inie niésophile ( 35 à 40 degrés, C) ; le régime thermophile (55 à 60 degrés C). Les paramètres qui déterminent la productivité d'un digesteur sont : # Li productivité de biogaz rapportée à la matière entraille biodégladable. # Le temps de séjours le plus faible possible qui fait que, pour un même volume utile de digesteur on traite un plus grand débit d'effluent. La concentration la p1w, élevée possible en matière biodégradabIe# sans aflècler 1.1 productivité (le biogaz. La qualité du bl()(Ilaz avec 1101a ni Ille lit un latix élevé (le CI 14. Une consommation d'énergie aussi faible que possible pour provoquer le brassage et maintenir la température de la fermentation. Mais plusieurs paramètres sont connus pour avoir des effets lirnitanis dans la recherche de l'amélioration des procédés : 0 U bonne maîtrise des phases de fermentation. La concentration limite en COV ( Carbonc Organique Volaille) Le brassage et l'homogénéisation de la matière. Niveau (le température et stratification thermique dans le digesteur. Le fonctionnement en régime therniophile est bien connu pour Livoriser la phase d'hydrolyse ci pour diminuer la viscosité du liquide chargé en matière or(Yilliqlle. LI Le lessivaçje des bactéries et leur renouvellement, qui limite notamment la phase de méthanogenèse, phase la plus longue pour le renouvellement bactérien. Par ailleurs les techniques (le séparation par membranes sont relativement récente-.;, et notamment leur utilisation pour le traitement d*effluents liquides organiques fortement chargés en pollution. Ce sont les techniques de micro-t-iltration tangentielle et d'ultrafiltration qui se sont développées dans l'industrie. Ces deux techniques sont proches l'une de l'autre et sont classées en fonction de La taille des particules ou des macromolécules qu'elles séparent. Les performances des membranes dépendent de la nature (le la membrane et (111 type d'effluent a traller. l'Cs critères (le "éleclion dépendent des caractéri sti q tics des substances à séparer et (le celles propres à la membrane (dimensions, forme, nature chimique, état physique, charge électrique ... ), ainsi que (les t7l conditions hy drody nain iq tics (le travail. Les membranes présentent une large variété de textures physique-, (denses ou poreuses) et d'origines ( naturelle ou artificielle) . Elles peuvent être inorganiques (céramique) ou organiques (polymères (le synthèse), ou bien mixtes, neutres ou chargées (échangeuses d'ions, homogènes ou à structure asymétrique). Deux aspects sont limitants à la filtration d'un effltient liquide chargé en matière organique biodégradable # La présence de particules en suspension ou en décantation de tailles importantes (plusieurs dizaines (le microns). # La structure moléculaire (le la matière organique et (le la température (le l'el-1-hient. En fonction des constats ci-avant, l'invention consiste à proposer un dispositif de traitement biologique (I'el'iltICIII IRIIII(IC, Cill-'#IL71él'ISé CII ce (Ill'il IIICI CII OCUVFC lit] ClISCIlible interactif de trois éléments : l' un digesteur fernienieur aéroble et/ou anaérobie produisant du gaz méthane et/oti (Ill ('02 ; 2' un moyen 1-1111-alit (ce Ill ri l'il cielise par exemple ou hydrocyclone) et 3' un séparateur à membranes; en ce que des moyens (le recyclage, d'interconnexion et de régulation des paramètres de fonctionnement, visent à rendre maximum l'efficacité de chacun des trois éléments en dissociant le temps de séjours dans le digesteur (le la matière organique i dégrader par rapport au temps (le séjour hydraulique, en ce que les bactéries retenues par le séparateur à membranes sont recyclées dans le volume utile du digesteur pour en optimiser le fonctionnement et en ce que le démarrage (le la fermentation petit s'effectuer en aéroblose puis passer ensuite en anaérobiose de façon à accélérer la mise en régime du digesteur. Li description qui va suivre, laite en regard du schéma annexé, dans un but explicatif et 1- nullement limitatif, permet (le mieux comprendre les bti(s, caractérisliques et avantages de l'invention. Figure 1 représente le schéma du dispositif objet de l'invention. Dans la figure 1 on trouve : Une arrivée 0 ; un ferriienteur 1 ; titi compartiment 11 une vanne 111 ; une tubulure 11 2 une vanne 11.3 ; titi compartiment 12 ; une vanne 12 1 une tubulure 122 ; une vanne 123 titi compartiment 13 ; titi décanteur 13 1 une vanne 132 ; une tubulure 133 ; une tubulure 1 34 ; une tubulure 135 ; une vanne 136 un trou 21 un trou 22 ; une centrifugeuse 3 ; une pompe 30 ; une vanne 3 1 ; nue benne 32 un séparateur 4 ; une sortie 41 ; une sortie 42 ; titi bassin 43 ; une vanne 44 ; une pompe 45 ; une vanne 46 ; une bûche 5 ; un stirpresseur 51 ; une tubulure 52 titi filtre 6 ; une rampe 61 ; titi surpresseur 7 ; titi filtre 7 1 ; une vanne 72 ; nue vanne 73 nue rampe 73 1 et une rampe 732. - L'arrivée 0 est la tubulure d'entrée de l'effluent liquide à traiter. En amont de cette tubulure peut avantageusement être disposé un bac tampon (non représenté) qui permettrait de stocker en attente l'effluent à traiter , selon l'adéquation de son débit de production avec le débit continu de régime normal de fonctionnement du fermenteur. - Le fermenteur 1 est titi bac réalisé en béton, cil métal ou en matière plastique art-née. Il comporte trois compartiments de capacités différentes : 11, 12 et 13. Ces trois compartiments Sont fermés à leur partie supérieure par un toit el] béton armé, Cil iliétal ou en matière plastique. [-il varlante ces trois compartiments 11, 12 et 13 peuvent être réalisés séparément par trois capacités.juxtaposées on superposées. - Le compartiment 11 est le compartiment d'entrée (lu fermenteur 1, sa capacilé est adaptée à la phase d'hydrolyse et acldogène, elle représente environ un cinquième (le la capacité totale du fermenteur 1 . - La vanne 111 règle le débit de la matière à traiter arrivant dans le compartiment 11 en provenance de l'arrivée 0. - La tubulure 1 12 permet la sortie du gaz généré dans le compartiment 1 1. - La vanne 113 est du type à trois voies tout ou rien elle est destinée à orienter le flux de gaz sortant du compartiment 11 soit vers le filtre 6, soit vers la bâche 5. - Le compartiment 12 est le compartiment intermédiaire dévolu à la phase acétate et méthanogène. Sa capacité représente environ les trois cinquièmes (le la capacité totale (lu fermenteur 1 . - La vanne 121 permet (le régler le débit (le premier remplissage (lu compartiment 1 2. - La. tubulure 122 permet la sortie du gaz généré dans le compartiment 1 2. - LA vanne 123 est identique à la vanne 113 et sert à orienter le flux de gaz issu du compartiment 12 soit vers la bâche 5 ou vers le filtre 6. - Le compartiment 13 sert à la décantation des matières fermentées et au dégazage final de celles-ci. Il représente environ un cinquième de la capacité totale (lu fermenteur 2. - Le décanteur 131 est composé d'un moto-réducteur entraînant un axe vertical qui porte plusieurs paires de pales en hélice à faible pas. Sa vitesse de rotation est lente et son sens de rotation combiné avec le pas (les piles, provoque un mouvement lent, (le la matière liquide contenue, du haut vers le bas. - La vanne 132 est identique à la vanne 111 ou 121 et sert ait remplissage de démarrage du compartiment 13. - La tubulure 133 est destinée à prélever par trop plein la matière liquide clarifiée dans le haut du compartiment 13. - La tubulure 134 sert à évacuer le flux de gaz produit dans le compartiment 13 vers la bâche 5. - La tubulure 135 sert à évacuer la matière décantée qui s'accumule dans le bas du compartiment 13. - La vanne 136 est (lit type 3 voies, à réglage progressif. Elle permet d'effectuer un mélange entre la matière liquide clarifiée venant du haut (lu compartiment 13, avec la matière décantée provenant de la base de ce même compailinient ou (le choisir l'un ou l'autre de ces deux flux. Celle vanne 136 conditionne La consistance (le la matière qui alimente la centrifugeuse 3 décrite ci-aprés. - Le trou 21 fait communiquer le compartiment 11 avec le compartiment 12. Il est situé vers le bas de la cloison (le séparation (le façon à permettre le passage (le la matière liquide contenue, sans risque de passage du gaz, d'un compartiment vers l'autre. - Le trou 22 est disposé dans la cloison de séparation entre le coni parti ment 1 2 et le compartiment 13 selon le même principe que celui décrit au sujet du trou 2 1. - La centrifugeuse 3 assure la séparation de la matière solide de la matière liquide en provenance de la vanne 136. Dans certains cas, elle petit être remplacée par un hydrocyclone assurant la même séparation, selon la nature particulière de la matière à séparer. Cette centrifugeuse est réglable et permet d'obtenir une matière épaissie plus ou moins liquide selon le fonctionnement choisi explicité ci aprés. - Là pompe 30 est (lu type centrifuge, elle aspire la matière liquide venant de la centrifugeuse 3 et la refoule dans le séparaieur à membranes 4 décrit ci-après. - La vanne 3 1 est du type tout ou rien . Elle est adal)(ée à la matière épaissie sortant de la centrifugeuse 3. Son rôle est de fermer la sortie de la matière épaissie allant vers la benne 32 décrite ci-aprés, et de permettre le recyclage de cette matière épaissie vers les compartiments 11 ou 12 par l'intermédiaire de la pompe 45 (décrite ci-aprés) et la vanne 46 (décrite ci-aprés également). - La benne 32 est destinée à recueillir la matière épaissie en provenance de la sortie de la centrifugeuse 3. - L séparateur 4 est du type à membranes. Il sera convenablement choisi en fonction des caractéristiques de l'effluent à traiter. Il reçoit le flux (le liquide déjà clarifié par la centrifugeuse 3 et parachève son épuration, notamment en menant les bactéries provenant du fermenteur 1. - La sortie 41 recueille la matière riche en bactéries issue (le la base dit séparateur 4. - La sortie 42 recueille le liquide épuré sortait( du séparateur 4. Le bassin 43 est un bac tampon permettant le contrôle du liquide épuré avant son rejet dans le milieu naturel. - La vanne 44 est du type 3 voies, à réglage progressif. Elle permet de mélanger le flux de matière riche en bactéries provenant de la sortie 41 du séparateur 4, avec le flux de matière épaissie provenant de la centrifugeuse 3 et d'introduire ce mélange dans l'aspiration de la pompe 45 décrite ci-aprés. La centrifugeuse est réglée lors dit recyclage (le façon à ce que la matière épaissie soit encore pompable. - Là pompe 4-5 est dit type ceniriftioc adapté ît pomper dit liquide chargé. Vile aspire le mélange provenant (le lit vanne 44 et le refoule (laits la vanne 40 décrite ci après. - La vanne 40 est du type 3 voies, à réglage progressif, elle partage le flux venant de la pompe 45 entre les compartiments 11 et 1 2. - La bâche 5 est un réservoir souple adapté au stockage du biogaz. Son volume est calculé pour servir de tampon entre la production et l'titi 1 isation, selon les caractéristiques des installations réceptrices (chaudière ou moteur thermique). - Le surpresseur 51 est du type centrifuge à basse pression adapté ià comprimer le biogaz contenu dans la bâche 5 à une pression légèrement supérieure à la hauteur de liquide contenu dans les compartiments 11 et 1 2. - La tubulure 52 achemine le biogaz contenu dans la bâche 5 vers les installations utilisatrices. - Le filtre 6 est nu lîllre biologique Composé d'un hac ouvert il l'atmosphère à sa partie supérieure et comportant un lit horizontal de débris végétaux ( généralement de.-, écorces, de résineux) supporté par une grille. Son rôle est désodoriser le C02 généré dans les compartiments 11 et 12 lorsque ceux-ci sont en fonctionnement aérobie. - La rampe 61 est composée de tubulures alimentant (les gicleurs disposés au dessus du lit du filtre 6. Ces tubulures sont alimentées en eau sous pression de façon à humidifier le filtre biologique comme il est bien connu. - Le surpresseur 7 à la même fonction que le surpresseur 5 1, mais il est adapté à comprimer de l'air atmosphérique en provenance (lit filtre 7 1. - Le filtre 71 est un filtre à air du commerce adapté au débit et à la qualité de l'air à traiter. - La vanne 72 est une vanne a trois voies lotit ou rien >, elle peul être à commande manuelle ou motorisée, mais elle sera obligaloirenieni coliplée avcc la vanne 113, (le telle sorte que lorsque c'est de l'air surpressé qui entre dans le compartiment 11 par la rampe 73 1 (décrite ci-aprés), la vanne 113 soit orientée pour évacuer le flux de gaz venant de la tubulure 1 12, vers le filtre 6. Inversement quand c'est du biogaz surpressé qui entre dans le compartiment 11 par la rampe 73 1, la vanne 113 évacué le gaz provenant de la tubulure 11 2 dans la bâche 5. - U vanne 73 est identique à la vanne 72, elle est couplée avec la vanne 123 de façon à obtenir le même principe de fonctionnement clés circuits (le gaz (]il compartiment 12 (Ille celui décrit au sujet de la vanne 72 pour le compartiment 11. - La rampe 73 1 est composée de tubulures et de gicleurs répartis au fond du compartiment 11 clé façon à pouvoir inJecter (lu blogaz on (le Vair légèrement comprimé pour éviter la décantation de la matière en suspension dans le liquide contenu dans ce compartiment 11. - La rampe 732 est identique à la rampe 73 1 et assure le même rôle pour le Compirt i Ille lit 12. Nous explicitons maintenant comment fonctionne le dispositif (le traitement biologique d'effluent liquide. La première mise en service consiste à remplir d'effluents liquides à traiter les trois compartiments, 11, 12 et 13, an même niveau, par les vannes 111, 1 21 et 132. Une fois le remplissage effectué, le haut du compartiment 13 est purgé (le l'air qu'il contient initialement par un remplissage de gaz méthane avec un dispositif d'évent non représenté. Les vannes 72 et 113, ainsi (Ille 73 et 123 sont orientées (le telles sorte (Ille les rampes 731 et 732 soient alimentées par (le l'air surpressé provenant (lu surpresseur 7 et (Ille simultanément les tubulures 112 et 122 soient misent cri coin mu Il ication avec le filtre 6 par les vannes 113 et 123. Les vannes 111, 1 21 et 132 sont alors fermées et la fermentation aérobie des compartiments 11 et 1 2 commence. Le décanteur 13 1 est mis en marche et de La matière cri suspension commence à se déposer au l'Ond (lu compartiment 13. La centrifugeuse 3 est mise en marche ainsi que les pompes 30 et 45. La matière épaissie sortant de la centrifugeuse 3 est recyclée dans les compartiments 11 et 12 pour augmenter la charge organique de ceux-ci. Quand la fermentation aéroble est amorcée on commence à extraire par séquence la matière épaissie sortant (le la centrifugeuse 3, vers la benne 32 en ouvrant la vanne 3 1. Durant cette extraction la vanne 44 est positionnée pour ne pas communiquer avec la sortie (le la centrifugeuse 3. Seule la sortie 41 est mise en communication avec la pompe 45 par la vanne 44 de façon iii recycler les bactéries filtrées par la séparateur 4. Pour compenser la baisse de niveau des compartiments 11, 12 et 13 la vanne 111 est ouverte par séquence (le façon à ce (Ille ce niveau soit à peu prés constant. Au fur et à mesure que du liquide épuré est évacué par la sortie 42 du séparateur 4 et que de la matière épaissie est extraite dans la benne 32 le niveau se trouve ainsi complété. 1-r- recyclage de matière épaissie et de bactéries augmente la teneur en matière sèche des LI compartiments 11, 12 et 13 et la biodégradation aérobie s'opère. Quand la concentration en matière sèche est optimum on passe en fonctionnement anaérobie en inversant les vannes 72 et 113, puis 73 et 123. I-c surpresseur à biogaz 5 1 est mis en marche et les rampes 73 1 et 732 fonctionnent alors au biogaz. Une fois que ce régime est atteint on règle à l'optimum le débit d'entré d'effluent à traiter et l'extraction de mafière, en maintenant les niveaux, la concentration en matière organique et l'extraction de liquide épuré de façon à obtenir le meilleur rendement du dispositif. Un automatisme séquentiel peut avantageusement être utilisé pour commander les opérations d'ouverture et de fermeture des vannes. Durant ces opérations (le mise en service, puis (le marche indusirielle, la température des compartiments 11, 12 et 13 est maintenu par (les réchauffeurs dotés de régulatiOns appropriées, (non représentés). Ces réchauffeurs peuvent être des échangeurs disposés sur les circuits de biogaz ou d'air, ou directement dans les compartiments 11, 12 et 13, ou sur la conduite d'arrivée de l'effluent liquide à traiter ou bien une combinaison de ces moyens. Le choix des régimes de température mésophile ou thermophile s'effectuera par variation des indexeurs de consigne de température. Avantages de l'invention - Le débit réglable de recirculation de matière organique concentrée dans le fermenteur permet de rendre optimale la concentration de la matière organique pour obtenir la meilleure productivité de biogaz. - La recirculation des bactéries filtrées par le séparateur à membranes permet d'éviter le lessivage des bactéries et de maintenir en permanence leur concentration. U volume utile, donc le prix d'investissement (lu fermenteur se trouve ainsi diminué. On peut dire que le temps de séjour de la matière organique est supérieur et dissocié du temps de séjour de la partie eau de l'effluent à traiter. REVENDICATIONS - 1') Dispositif de traitement par fermentation aérobie et/ou anaérobie d'effluent liquide chargé en matière organique, caractérisé en ce que il met cil oeuvre un fermenteur (I une centrifugeuse (3) et un séparateur à membranes (4). - 2') Dispositif, selon revendication 1 , caractérisé en ce que une pompe (45), associée à des vannes (44) et (46) permet de recycler la matière épaissie par la centrifugeuse (3), ou les bactéries provenant de la sortie (41) du séparateur à illembranes (4), dans le fermenteur (1) - Y) Dispositif, selon revendications 1 et 2, caractérisé cri ce que le fermenteur (1) comporte 3 compartiments ( 11), ( 12) et (13) communiquant cuire eux par des trous (21 et (22). - 4') Dispositif, selon revendications 1 à 3, caractérisé Cil ce (Ille des vannes ( 113) et (123) orientent les sorties de gaz (1 12) et ( 122) des compartiments (11 ) et (1 2), soit vers une bâche (5), soit vers un filtre (6). - 5') Dispositif, selon revendications 1 à 3, caractérisé en ce que des rampes (731) et (732) sont disposées respectivement dans les compartiments (11) et (12), en ce que des vannes (72) et (73), du type à trois voies, permettent d'alimenter les rampes (731) et (732) soit par du biogaz, soit par de l'air, et cri ce que les vannes (72) et (73) sont respectivement couplées mécaniquement avec les vannes ( 113) et ( 123). - 6') Dispositif, selon revendications 1 et 2, caractérisé cri ce que le compartiment (13) est doté d'un décanteur ( 13 1 ). - 7') Dispositif, selon revendications 1 à 3, caractérisé cri ce que le blogaz orienté par les vannes (113) et (123) abouti dans mie bâche (5) et cil ce (Ille lui filire (6) reçoit le gaz issu des compartiments ( 11) et ( 12).