Brevet FR2812570A1 — publié le 20020208

Procédé de traitement et de valorisation d'ordures ménagères et de déchets industriels banals par biométhanisation La présente invention concerne un procédé de traitement et de valorisation d'ordures ménagères et de déchets industriels banals par biométhanisation ainsi que l'installation permettant la mise en oeuvre de ce procédé. La récupération et la destruction des ordures ménagères et industrielles posent de nombreux problèmes dans notre société. Généralement, ces déchets sont soit stockés dans des centres de stockage définitif, soit incinérés. La première solution présente des inconvénients en ce sens qu'elle nécessite une surface de stockage extrêmement importante. De plus, cette solution ne permet aucune valorisation de ces déchets. La seconde solution présente l'inconvénient de générer des cendres et des fumées, résultats de la combustion, qui ne sont pas ou peu valorisables, et qui présentent au contraire, un caractère nocif posant le problème de leurs destructions. La biométhanisation est une technologie de traitement des déchets en plein essor. Elle se présente comme une alternative économique et écologique au stockage et à l'incinération. La réaction de biométhanisation permet de dégrader les déchets enfermés dans une cellule étanche sans oxygène. Les réactions mises en jeu par la biométhanisation peuvent se résumer de la façon suivante: - une étape d'hydrolyse, par une population de bactéries hydrolytiques variée, qui transforme les chaînes organiques complexes (protéines, lipides, polysaccharides) en acides gras, mono et disaccharides, peptides et acides aminés; - une étape d'acidogénèse, qui dégrade ces produits intermédiaires en acides gras volatils (AGV) d'une part, et composés gazeux (C02, H2, NH3) d'autre part; - une voie acétogène qui transforme les AGV en acide acétique; - et enfin une étape méthanogène proprement dite, par voie acétoclastiques (transformation de l'acide acétique en méthane et H20) et par voie hydrogénophile (oxydation de H2 par C02). Le biogaz qui se dégage lors de cette biométhanisation est un gaz combustible constitué d'un mélange de gaz carbonique et de méthane qui provient de la dégradation des matières organiques d'origine végétales ou animales dans un milieu en raréfaction d'air, dit "fermentation anaérobie". Cette fermentation est le résultat d'une activité microbienne naturelle ou contrôlée. Le processus de biométhanisation a pour objectif de valoriser les déchets energétiquement en favorisant la production de biogaz. La production industrielle classique de biogaz consiste à stocker les déchets dans une cuve hermétique appelée "digesteur" ou "méthaniseur", dans laquelle les déchets sont soumis à l'action des bactéries. Un brassage des matières, éventuellement un apport d'eau et surtout un chauffage, accélèrent la fermentation et la production de gaz. Toutefois, le processus de biométhanisation non activé est assez long, environ 20 ans pour un cycle complet avec des procédés de méthanisation classiques. Cette longévité importante des déchets conduit à la génération de nuisances tels que des gaz et des lixiviats malodorants et polluants. De plus, les procédés classiques de biométhanisation produisent peu de biogaz comparé à la durée importante d'enfermement des déchets dans les "méthaniseurs". Il apparaît donc important de mettre en place un procédé de traitement des déchets permettant une très bonne valorisation des déchets, de produire de l'énergie et de réduire très fortement les quantités de déchets orientés vers les centres de stockage. Il apparaît également souhaitable de diminuer fortement la durée de stockage des déchets et de produire une quantité plus importante de biogaz. Le brevet WO 98/18576 de Montgomery Watson divulgue une méthode de traitement de déchets solides et liquides par une biodégradation aérobie et anaérobie. Le procédé qui y est décrit mentionne que les déchets sont d'abord humidifiés et mélangés avec de l'eau ou un mélange de déchets liquides afin d'obtenir une rrmïxture homogène. Ensuite, cette mixture est enfermée dans un site clos de façon a générer une fermentation anaérobie. Le gaz, produit de la fermentation, est alors recueilli. La mixture est continuellement recyclée et utilisée pour être mélangée au nouveau déchets solides de façon a constituer un milieu propice au développement de micro-organismes qui pourront éliminer les déchets par dégradation aérobie et anaêrobie. Toutefois, ce document ne se pose pas le problème du traitement post-fermentation des déchets qui seront stockés dans des quantités importantes. De plus, aucune donnée relative au temps d'enfermement n'est mentionné dans ce document. La demande de brevet FR 2 327 974 de Morel et al. décrit un procédé de traitement des ordures ménagères. Ce document divulgue un procédé où les ordures sont broyées puis enfermées dans une cellule étanche où elles sont constamment arrosées par un liquide propice à l'éclosion de la vie bactérienne. Une température de l'ordre de 60 C est maintenue afin de réaliser une fermentation permettant la récupération de méthane. Ce brevet décrit également que les ordures subissent des étapes de traitement post-fermentation comme le traitement thermique, le broyage, le tamisage et la séparation des morceaux de verres avant d'être utilisées comme engrais. Toutefois, ce document mentionne que la durée de fermentation est longue, de l'ordre de 15 années ou de 30 années pour obtenir un gaz à forte teneur en méthane. La partie demanderesse a découvert de manière tout a fait surprenante qu'il était possible d'accélérer le processus biologique dégradation de la matière organique en contrôlant la quantité et la qualité d'un liquide enrichi propice à générer une réaction de biométhanisation bactérienne par fermentation anaérobie des déchets. La partie demanderesse a constaté que les déchets peuvent être stabilisés et rendus quasi-inerte biologiquement en un temps plus court que lors de l'utilisation de procédés antérieurs. Le procédé de traitement et de valorisation d'ordures ménagères et de déchets industriels banals de la présente invention permet en effet de: - Traiter les déchets: le procédé réduit leur charge organique, les désodorise et les hygiénise en réduisant les éventuels germes pathogènes, les rend inertes en stabilisant les éventuels métaux lourds. La stabilisation des déchets fermentescibles les rend plus aisément gérables (stockage, transport, manutention). A l'issue de la méthanisation, les déchets qui ont subi par broyage puis fermentation anaérobie une réduction de leur charge organique font l'objet d'un séchage éventuel et d'un criblage les séparant en plusieurs catégories. La fraction fine (matrice terreuse) est utilisée comme matériaux de terrassement. Le refus de criblage doit subir un nouveau traitement, de stockage le plus probablement. Le stockage en centre d'enfouissement technique ne génère plus de gaz et très peu de lixiviats. Le procédé permet de stocker seulement 30% de déchets ultimes et de valoriser jusqu'à 70% de déchets entrant dans l'unité de biométhanis ation. - Récupérer le biogaz en forte quantité et ainsi produire une énergie renouvelable et locale: le procédé permet une très bonne valorisation des déchets et contribue à préserver les ressources non renouvelables. - Recycler et restituer aux sols la matière minérale. - Protéger l'environnement: le procédé permet d'éviter un dégagement de fumées car il n'y a pas de transformation thermochimique des déchets. - Lutter contre l'effet de serre: le procédé permet d'éviter le rejet de gaz à effet de serre. Il permet de remplacer les énergies fossiles par une énergie issue de la biomasse et évite donc de déstocker du carbone fossile. La présente invention concerne donc un procédé de traitement et de valorisation d'ordures ménagères et de déchets industriels banals, ainsi que l'installation permettant la mise en oeuvre de ce procédé. Le procédé de traitement et de valorisation d'ordures ménagères et de déchets industriels banals de la présente invention, comprend les étapes de: (a) broyage des déchets, (b) enfermement des déchets broyés dans une cellule étanche sans oxygène, et (c) biométhanisation bactérienne des déchets broyés par fermentation anaérobie du broyat. Cette étape est caractérisée en ce que lors de la biométhanisation l'humidité est contrôlée et maintenue à une taux compris entre 45 et 65%, et en ce que la température est contrôlée et maintenue entre 45 et 65 C. L'accélération du processus de dégradation biologique qui est opérée selon la présente invention se fait par le contrôle de l'humidité et de la température à l'intérieur de la cellule. Préférentiellement, la teneur en humidité est comprise entre 50 et 60%. Préférentiellement, la température est comprise entre 50 et 60 C. Ainsi, on observe que le massif de déchets peut être stabilisé et rendu quasi-inerte biologiquement en moins de 10 ans d'enfermement des déchets. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la durée de la réaction de biométhanisation est inférieure ou égale à 5 ans. Le contrôle et le maintient de l'humidité et de la température du broyat est réalisé par une alimentation, une dilution ou une évacuation d'un liquide enrichi en nutriments et en micro-organismes afin de maintenir optimale la réaction de biométhanisation bactérienne. Le contrôle de la quantité du liquide permet de ralentir la réaction si elle s'emballe (échauffement trop important) par un apport important d'eau dans la cellule (dilution, refroidissement) et de relancer la réaction si elle s'appauvrit par une augmentation de la teneur en liquide enrichi dans la cellule. Ainsi, le maintient de l'humidité et de la température du broyat est obtenu par un contrôle de la quantité d'un liquide enrichi en nutriments et en micro-organismes et de sa concentration. Le liquide enrichi propice à générer une réaction de biométhanisation peut contenir au moins des micro-organismes et des nutriments, et plus particulièrement de l'azote et du phosphore. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le pH à l'intérieur de la cellule pendant l'étape de biométhanisation est compris entre 5 et 10 et de préférence entre 7,5 et 8,5, pendant la méthanogénèse. Selon un mode de réalisation préféré, le contrôle de l'humidité et de la température du broyat peut être effectué par le recyclage d'un lixiviat provenant d'autres cellules de biométhanisation, qui constitue alors tout ou partie du liquide riche en microorganismes et nutriments. On entend par lixiviat les liquides ayant été au contact des déchets et chargés en flore bactérienne adaptée à la dégradation de la fraction organique des déchets. Le liquide comprenant du lixiviat peut provenir d'une autre cellule jeune. Les cellules jeunes sont des cellules dans lesquelles le processus de biométhanisation a commencé depuis moins de 2 ans. La réaction de biométhanisation peut être poussée à son terme. Dans ce cas là, la réaction est totale. Les déchets obtenus après l'étape de biométhanisation sont totalement inertes biologiquement, ce qui veut dire qu'ils n'ont plus aucune activité biologique. Avant l'étape de biométhanisatïon, les déchets sont broyés afin de réduire leur granulométrie, ce qui améliore la fermentation lors de la biométhanisation. Néanmoins, toute autre technique de réduction de la granulométrie peut être envisagée dans le cadre du procédé de l'invention. Les déchets pouvant être dégradés selon le procédé de l'invention sont l'ensemble des déchets ménagers, des collectivités et des déchets industriels non dangereux contenant de la matière organique, comme par exemple les déchets ménagers, les palettes, les plastiques, les papiers, les textiles, le bois, le cuir... On observe une nette augmentation de la production de biogaz et d'énergie à partir de déchets qui ont subi le processus de biométhanisation de la présente invention, par rapport aux techniques de biométhanisation actuelles. Le biogaz issu de la biométhanisation peut être valorisé par différents procédés comme le torchage, la combustion sous chaudière, la production d'éléctricité ou la cogénération: électricité/chaleur. - Le torchage: il s'agit simplement de brûler le gaz. Ce n'est pas une voie de valorisation proprement dite, mais c'est un moyen de sécurité qui, de plus, limite l'impact du biogaz sur l'effet de serre et les nuisances olfactives. - La combustion sous chaudière: il s'agit de brûler le gaz pour en tirer de la chaleur. - La production d'électricité. - La cogénération: électricité/chaleur. A l'issu de la période de biométhanisation, les déchets, appelés aussi "digestat", sont séchés par évacuation du liquide de la cellule. Les déchets sont alors sortis de la cellule et subissent au moins une étape de traitement traditionnellement utilisée, telles que par exemple l'extraction, le criblage, le tamisage, la déferrisation, les refus étant stockés,incinérés ou valorisés. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, les déchets sont criblés et la partie terreuse des résidus, de taille de particules variant de 0 à 50 nm, peut alors être l'objet d'une valorisation matière, comme remblai par exemple. Les refus de ce criblage sont appelés déchets ultimes et seront stockés dans un centre de stockage apte à recevoir ce type de déchets ou seront incinérés ou valorisés. Le criblage peut être effectué par: - un scalpeur pour éliminer les particules dont la taille est supérieure à 400 mm, - un trommel mobile pour séparer les particules de taille entre 0- 50 mrn, des particules de taille comprises entre 50-400 mm, - un émotteur pour séparer les matériaux agglomérés, et - un déferrailleur pour récupérer les métaux ferreux. La présente invention a également pour objet une installation permettant la mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus qui comporte au moins une cellule étanche équipée d'au moins: - un moyen d'alimentation en liquide enrichi en nutriments et un moyen d'évacuation du lixiviat, - un dispositif pour l'évacuation du biogaz, - un moyen de contrôle de 111ygrométrie, et - un moyen de contrôle de la température. La cellule peut avoir une superficie de comprise entre 3000 et 10000 m2, et préférentiellement entre 4000 et 6000 m2. La cellule est constituée d'un matériau imperméable: membrane en PEHD, géotextile bentonitique... Le fond et les flancs de la cellule peuvent être constitués d'une couche d'argile de perméabilité inférieure à 10-9 m.s-1 en tant qu'élément d'imperméabilisation passive. Il est également possible de mettre en place un élément d'imperméabilisation active telle qu'une géomembrane (plastomère) en polyéthylène haute densité (PEHD) thermosoudée. Dans ce cas-là, un système drainant de contrôle sera placé entre la géomembrane et la sécurité passive de manière a contrôlé l'étanchéité du système. La cellule a été dimensionnée pour obtenir une épaisseur de déchets optimale avec une forme légèrement arrondie pour améliorer la fermentation de l'ensemble du massif des déchets. L'alimentation en liquide est effectuée grâce à des réseaux superficiels. Les lixiviats sont collectés gravitairement en fond de casier. Le dispositif pour l'évacuation du biogaz est composé de drains de collecte interne au massif de déchets raccordés au réseau principal. Le moyen de contrôle de l'hygrométrie peut être une sonde d%ygrométrie permettant de déterminer la teneur en humidité du massif des déchets à l'intérieur de la cellule. Le moyen de contrôle de la température peut être une sonde de température permettant de déterminer la température du massif des déchets à l'intérieur de la cellule. La cellule peut également contenir en outre un moyen de contrôle du pH. Celui-ci est maintenue entre 5 et 10 et de préférence entre 7,5 et 8,5, pendant la méthanogénèse. Selon un mode de réalisation particulièrement préféré de l'invention, le moyen d'alimentation de la cellule est relié au moyen d'évacuation du lixiviat d'au moins une des cellules les plus jeunes afin d'alimenter avec du lixiviat ladite cellule. Ce recyclage du lixiviat permet de doper les cellules les plus anciennes avec un liquide riche en nutriments et en micro-organismes actifs. Les cellules jeunes sont des cellules dans lesquelles le processus de biométhanisation a commencé depuis moins de 2 ans. Les cellules anciennes sont des cellules dans lesquelles le processus de biométhanisation a commencé depuis au moins 2 ans. L'installation peut également contenir en outre une station de traitement des eaux, un système de drainage des eaux de pluie, une unité de maturation des résidus végétaux, une unité de tri des déchets, une unité de préparation des déchets avant le broyage, une installation de valorisation énergétique du biogaz. Selon un mode de réalisation préféré de l'installation, l'unité de biométhanisation peut être subdivisée en 7 cellules conçues individuellement pour recevoir pendant une année les apports de déchets. Les cellules sont alors utilisées en rotation heptennnale. Lorsque l'installation comporte 7 cellules, l'unité de biométhanisation fonctionne par cycle de 7 ans. Chaque cycle comprend le remplissage d'une cellule (1 an), le traitement biologique des déchets par biométhanisation (5 ans) et le criblage des matériaux traités en vue d'un recyclage de la fraction fine (1 an). Expérimentation sur la cinétique de biodégradation des déchets Une cinétique de biodégradation des déchets a été effectuée avec des déchets placés en stockage normal et avec des déchets qui ont été dégradés conformément au procédé de biométhanisation selon l'invention. Lors de cette expérimentation les déchets correspondent à la collecte des ordures ménagères, des déchets ménagers, des palettes, des plastiques, des papiers, des textiles, des métaux, des matériaux composites inertes et des gravats. Selon l'invention, les déchets sont placés après broyage dans les cellules de biométhanisation. Le taux d'humidité et la température du massif à l'intérieur des cellules sont contrôlés par l'apport de liquide. Lors de l'expérimentation, la teneur en humidité dans la cellule est comprise entre 45 et 60 7o et la température dans la cellule est comprise entre 45 et 60 C. Le liquide d'alimentation de la cellule est composé de lixiviats d'un pour les cellules de plus de 2 ans et/ou d'un liquide enrichi en microorganismes et en nutriments (azote, phosphore) pour les cellules de moins de 2 ans. Le pH dans la cellule est compris entre 7,5 et 8,5, lors de la méthanogénèse. On entend par stockage normal, un enfermement des déchets dans un réacteur de biométhanisation sans contrôle de l'humidité et de la température. Tableau 1 : Cinétique de biodégradation des déchets Années Biodégradation des déchets (m3/jour/tonne de déchets) Biométhanisation selon l'invention Stockage normal 1 0,00 0,01 2 0,36 0,04 3 0,47 0,06 4 0,32 0,07 5 0,09 0,07 6 0,02 0,06 7 0,00 0,06 8 0,00 0,06 9 0,00 0,05 , 10 0,00 0,05 11 0,00 0,04 12 0,00 0,03 13 0,00 0,03 14 0,00 0,02 15 0,00 0,02 16 0,00 0,01 17 0,00 0,00 La modélisation montre qu'en cinq ans environ, le massif des déchets peut être stabilisé et rendu quasi-inerte biologiquement selon le procédé de l'invention, contrairement aux déchets placés en stockage normal. REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement et de valorisation d'ordures ménagères et de déchets industriels banals, comprenant les étapes de: (a) broyage des déchets, (b) enfermement des déchets dans une cellule étanche sans oxygène, et (c) biométhanisation bactérienne des déchets broyés par fermentation anaérobie du broyat, caractérisé en ce que lors de la biométhanisation l'humidité est contrôlée et maintenue à une teneur comprise entre 45 et 60% et la température est contrôlée et maintenue entre 45 et 60 C pendant une durée inférieure ou égale à 10 ans. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la durée de la réaction de biométhanisation est égale à 5 ans ou moins. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le maintient de l'humidité et de la température du broyat est obtenu par un contrôle de la quantité d'un liquide enrichi en nutriments et en microorganismes et de sa concentration. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le pH dans la cellule est compris entre 5 et 10 et de préférence entre 7,5 et 8,5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le liquide comprend du lixiviat provenant d'une autre cellule jeune. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la réaction de biométhanisation est totale et les déchets obtenus sont inertes biologiquement. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le biogaz produit lors de la biométhanisation est valorisé par différents procédés comme le torchage, la combustion sous chaudière, la production d'éléctricité ou la cogénération 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les déchets après la biométhanisation sont séchés par évacuation du liquide de la cellule, lesdits déchets sont sortis de la cellule et subissent au moins une étape de traitement choisi parmi l'extraction, le criblage, le tamisage, l'incinération, le conditionnement et la déferrisation, les refus étant stockés, incinérés ou valorisés. 9. Procédé la revendication 8, caractérisé en ce que les déchets après fermentation sont séchés par évacuation du liquide de la cellule, lesdits déchets sont criblés, la partie terreuse des déchets est l'objet d'une valorisation de matière, et les résidus de ce criblage sont stockés dans un centre de stockage. 10. Installation permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une cellule étanche comprenant au moins: - un moyen d'alimentation en liquide riche en nutriments et un moyen d'évacuation du lixiviat, - un dispositif pour l'évacuation du biogaz, - un moyen de contrôle de l'hygrométrie, et - un moyen de contrôle de la température. 11. Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce la cellule contient un moyen de contrôle du pH. 12. Installation selon l'une quelconque des revendications 10 à 11, caractérisée en ce que le moyen d'alimentation en liquide de la cellule est relié au moyen d'évacuation du lixiviat d'au moins une cellule plus jeune. 13. Installation selon la revendication 10 ou 12, caractérisée en ce que le fond et les flancs de la cellule est constitué d'une couche d'argile en tant qu'élément d'imperméabilisation passive et d'une géomembrane en polyéthylène haute densité (PEHD) en tant qu'élément d'imperméabilisation active. 14. Installation selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, caractérisée en ce que l'installation comporte une station de traitement des eaux, un système de drainage des eaux de pluie, une unité de maturation des résidus végétaux, une unité de tri des déchets, une unité de préparation des déchets avant le broyage, une installation de valorisation énergétique du biogaz. 15. Installation selon l'une quelconque des revendications 10 à 14, caractérisée en ce que l'installation comporte 7 cellules utilisées en rotation heptennale.