Brevet FR2843388A1 — publié le 20040213

La présente invention a pour objet un procédé de traitement et de valorisation de matières premières naturelles et déchets solides ou liquides et/ou putrescibles et fermentescibles en vue de leur transformation en engrais et produits dérivés. Il apporte un certain nombre d'améliorations du point de vue du traitement chimique ainsi qu'une solution technique fiable pour sa mise en oeuvre au stade industriel. Cette invention concerne par exemple la valorisation de la tourbe, et du guano et/ou apatite pour la fabrication d'engrais organo-minéral. Cet exemple sera développé pour la présentation du procédé de la présente invention. GENERALITES Dès le début du 1er millénaire avant notre ère, I'emploi des déjections animales humaines, additionnées ou non de déchets végétaux, représenta la contribution apportée par l'homme à la fertilité du sol. La Bible, I'Odyssée, certains ouvrages babyloniens du VII ème siècle avant JC montrent une certaine connaissance de ces 15 apports. Ces techniques ont été ensuite perfectionnées par les romains et restèrent les mêmes jusqu'au Moyen Age. A la Renaissance, simultanément en France, en Italie et en Angleterre, des ouvrages sur la fertilisation parurent dont ceux de Bernard Palissy qui constituent une véritable anticipation des découvertes faites deux cents ans plus tard dans le domaine de la 20 nutrition des plantes par Lavoisier, De Saussure et Liebig. Ces travaux à peine publiés se traduisirent par une intense recherche permettant de fournir à l'agriculture à moindre cot les trois principes essentiels: I'azote, I'acide phosphorique, la potasse. 2 2843388 Les bases des. engrais actuels et des industries qui les produisent étaient ainsi établies. De nos jours, I'agriculture utilise en grande quantité des engrais composés. Les engrais composés sont soit des mélanges d'engrais simples compatibles, soit des produits de véritables réactions chimiques. Ils comprennent au moins deux des trois principes fertilisants (N, P, K) L'azote et le phosphore sont le plus souvent obtenus par l'attaque de phosphates naturels par de l'acide nitrique. Le nitrate de calcium est difficile à déshydrater. Pour récupérer l'azote qu'il contient, soit on le cristallise à froid et on le filtre, soit on 10 le décompose avec un excès d'acide sulfurique et on neutralise l'excès d'acide avec de l'ammoniaque. L'azote nitrique et l'azote ammoniacal sont les seules formes d'azote directement assimilables par les racines des plantes. L'azote organique doit être minéralisé par un processus biochimique microbien avant d'être absorbable. La presque totalité des engrais composés potassiques est constituée de chlorure de 15 potassium obtenu directement à partir de gisements mixtes (sodium/potassium). Le chlorure de sodium est séparé par différence de solubilité à chaud. En fonction des carences, les engrais composés sont parfois enrichis avec d'autres éléments tels que sulfate de magnésium pour le soufre, urée pour l'azote, bore manganèse ou zinc pour oligo-éléments. Les besoins en azote d'une plante correspondent approximativement à la formation de la matière sèche produite. Les apports massifs et non contrôlés d'azote sont inutiles, coteux et polluants. Dans le cadre d'une gestion logique de notre environnement, un retour aux sources naturellement disponibles s'impose. L'azote disponible sur un site donné comprend: - I'azote fourni par l'ensemble de la matière organique du sol, - I'azote fourni par le précédent cultural, - I'azote minéral (soluble) dont la concentration varie en fonction des précipitations. Il convient parfois de compléter l'azote disponible par un apport exogène. L'invention concerne un engrais organo-minéral à base de matières naturelles minérales et/ou organiques et/ou de déchets solides et/ou liquides putrescibles et/ou 10 fermentescibles remarquable en ce qu'il comprend un mélange préalablement traité de tourbe, de guano et/ou d'apatite, et de nitrate de potassium, afin d'assurer des pourcentages déterminés adéquats d'azote, de phosphates et de potassium. L'engrais peut comprendre 0 à 50 % d'apatite (Ca5 (PO4)3, OH) par rapport au 15 mélange tourbe et apatite. Ledit mélange représente par rapport au poids total: - au moins 4% d'azote (N), - au moins 8% de phosphate (P), - au moins 3 à 5% de potassium (K) Dans le même concept inventif, I'invention concerne un procédé de fabrication et de traitement de l'engrais selon l'invention comprenant les étapes suivantes: a) séchage et broyage de la tourbe; b) séchage et broyage du guano et/ou d'apatite; c) mélange de.la tourbe et du guano et/ou d'apatite; d) broyage du mélange de l'étape c) avec ajout de premiers additifs réactifs pour assurer le début de la réaction pendant une durée par exemple de 0 à 30 mn; e) ajout de seconds additifs, dont le nitrate de potassium, dans le mélange de l'étape d); f) réaction et adsorbtion avec régulation de la siccité du mélange de l'étape e); g) criblage du produit engrais issu de l'étape f). 10 Selon des modes particuliers du procédé: A l'étape d) les additifs réactifs comprennent de la chaux et/ou du carbonate de calcium eVt/ou du chlorure de calcium et /ou du sulfate d'ammonium. A l'étape e) les additifs comprennent du nitrate de potassium et/ou de l'alumine et/ou 15 de la soude et/ou des silicates ou dérivés d'acide siliciliques. Le procédé comprend une étape de contrôle du taux de métaux lourds lixiviables pendant l'étape c). LE PROCEDE Grâce à sa composition et à ses caractéristiques chimiques, le mélange de TOURBE et de GUANO et/ou d'apatite peut favorablement se substituer à l'apport d'engrais chimique. Dès novembre 1986, une publication du Bulletin Officiel de la Région Piémontaise (Italie) présentait l'intérêt de la réduction de la phytotoxicité d'un engrais par dilution avec un mélange de tourbe et de sable. Un tel mélange améliore grandement le pourcentage d'inhibition de la germination. La législation européenne impose pour des fertilisants des limites inférieures de concentrations pour le carbone l'azote et le phosphore. C >2g/k N > 4 g/kg P > lg/kg Les différentes possibilités d'apport complémentaires habituellement demandées par le marché sont les suivantes: Chaulage 1.0(N) 0.8 (P) 0.3 (K) Amendement 1.5 (N) 1.0(P) 0. 8(K) Fumure de fond 4 (N) 8 (P) 5 (K) La composition de la Tourbe est la suivante: Tourbe 0.6 à2.0(N) 0.02(P) 3.0 à 5.0(K) La tourbe constitue donc un bon support d'engrais qui devra être enrichi d'un additif complémentaire destiné à améliorer sa faible teneur en phosphore. La composition du Guano est la suivante: Guano 1.0(N) 23.02 (P) 0.93 (K) On constate que le guano est très riche en phosphore. Le guano est donc un élément de choix d'enrichissement de la tourbe. En mélangeant judicieusement ces deux éléments nous pouvons obtenir 1.00 (N) 9.0 (P) 2.8 (K) Un tel mélange présente des caractéristiques presque parfaites pour être utilisé en 25 produit de fumure de fond. Il est toutefois souhaitable de l'enrichir en azote et en potassium. 6 2843388 L'acidité de la tourbe sera compensée par l'ajout de chaux vive. Le pH résiduel devrait se situer entre 7 et 8 En raison de la teneur en sodium du guano et de la conductivité du mélange, il faudra surveiller de près la capacité d'échange anionique (Ratio de Substitution Anionique) tel que: Na S.A.R. = ----------------------------------Racine2 (Ca + Ma) Dans le cas o le guano est remplacé en tout ou partie par l'apatite (Ca5 (PO4) 3, OH), on dispose d'un pourcentage de P (Phosphate) égale à 18%. L'apatite est un minéral fossilisé issu de la décomposition de nombreux corps 15 organiques et dont le formule est: Ca5 (PO4)3, Cl + Ca5 (PO4)3 F + Ca5 (PO4)3, OH Sur une concentration maximale de Ca5 (PO4)3, OH on obtient une masse moléculaire de 502 grammes dans laquelle on a 93 grammes de phosphore soit un 20 rapport de 18,5 % de P. Cette valeur permet d'obtenir un engrais phosphoré. 7 2843388 Au cours du processus de transformation du mélange dans le procédé addition de composants chimiques est possible. L'ajout d'azote peut se faire: - soit par addition de nitrates ( nitrate de magnésium, nitrate de potassium, acide nitrique,) - soit par addition d'urée L'ajout de potassium peut se faire par: 10 Potasse calcique Silicate de potassium, Nitrate de potassium 1 ) - Si le pH du mélange est trop élevé, nous neutraliserons à l'acide nitrique. (0 à 35% en solution commerciale à 70%). 2 ) - il faudra ensuite ajouter du nitrate de potassium. KNO3 15 La composition de KNO3est de: 13 % de N, 38 % de K Si nous ajoutons de 0 à 40 % 'de KNO3, le mélange aura les caractéristiques suivantes: N = 4.00%; P = 9.00%; K = 3.5% L'invention concerne également une installation industrielle avec son procédé et le phénomène de la réaction exothermique par addition de la chaux vive. 8 2843388 L'installation sera composée comme suit: - Modification de la teneur en eau de la tourbe par filtres à bandes presseuses ou thermique - broyage du guano et/ou de l'apatite - broyage de la tourbe - stockage des réactifs mélangeur de préparation des deux produits, mesure d'humidité homogénéisation des deux produits dans un équipement adapté avec adjonction de chaux vive, avec mesure du pH. - mélangeuse pour ajout d'acide nitrique - mélangeuse pour ajout de nitrate de potassium 15 - passage dans un réacteur adsorbeur avec adaptation de la siccité de l'engrais - laveur des gaz pour récupération du NH3. Mercaptans, amines, H2S, etc. - récupération du sulfate d'ammonium et réintroduction 20 dans la fabrication 9 2843388 - livraison en vrac ou sous forme de granulés (pellets) La teneur en eau de la tourbe est mesurée par un hygromètre afin de définir la quantité de guano broyé à admettre pour assurer un mélange homogène des deux produits lesquels sont homogénéisés dans un équipement spécifique 5 (repère 4, fig. 1) dont les caractéristiques principales sont de peser la tourbe et le guano et/ou l'apatite et de renseigner l'opérateur par une édition des quantités admises sur une impression papier. Une fois les quantités admises dans l'équipement celui-ci se positionne en configuration de travail afin d'assurer l'hydrolyse des produits, dont le temps est fonction de la nature du 10 mélange tourbe/guano lequel peut être variable selon la qualité de la tourbe. Le mélange tourbe/(guano et/ou apatite) est pendant cette opération préparées (granulométrie) et analysées et mise en attente dans une trémie tampon (fig1, repère 7). Bien que cette opération soit particulière, elle présente l'avantage de pré 15 homogénéiser celles-ci et de ne pas utiliser d'énergie d'appoint pour la phase d'hydrolyse et donc de déstructuration. Afin de parfaire cette phase le produit sortant de l'équipement (repère 7, fig1)) est dirigé à l'aide de convoyeurs (repère 7 et 8, fig.1) vers l'équipement (repère 9, fig1) 20 duquel il est évacué par le convoyeur (repère 10, fig 1.)vers une nouvelle mélangeuse (repère 11. Fig.1) de laquelle il est extrait par le convoyeur (repère 13.fig.1) pour être introduit dans le réacteur-adsorbeur (repère 13.fig.1) lequel permet d'obtenir la déstructuration complète des produits pendant une unité de temps variable. 2843388 Pour une unité de traitement et de valorisation de 40 tonnes par heure de produits entrants il est nécessaire de disposer de plusieurs réacteurs adsorbeurs. Cette technique permet à nouveau à ne pas faire appel à une énergie d'appoint contrairement à d'autres procédés existants. La valeur ajoutée est donc fonction de la nouveauté du procédé, dont la réflexion est basée sur une notion simple qui consiste à se passer du maximum d'énergie en utilisant des réactions chimiques dans une unité de temps et donc de concevoir une unité industrielle située entre la technique de fabrication des composts et la 10 valorisation par anaérobie lesquels procédé l'un comme l'autre nécessitent de très importantes surface ou de capacité. L'équipement (repère 13.fig.1)) est muni à l'opposé de l'entrée du produit solide d'un captage d'effluents gazeux permettant d'extraire les traces d'éléments issus du traitement tels le HCI, amines, mercaptans, H2S, etc. Ces effluents sont traités dans une colonne de dépoussiérage et de lavage (repère 24.fig.1) soit avec des acides soit avec des bases afin de les éliminer totalement, cette même colonne traite l'ensemble des poussières et odeurs issues du traitement, ce, à partir de la trémie de chargement en passant au droit de chaque équipement par un réseau aéraulique sous dépression relié au laveur dépoussiéreur (repère 20 24.fig.1). Les concentrés (repère, additif 118.fig1.) issus du laveur (repère24.fig. 1) sont utilisés pour rééquilibrer le pH du produit valorisé, ce en fonction de la demande du client. La durée de traitement est de 0 à 4 heures, sans aucun appoint énergétique entrant 25 dans le cadre du procédé, le débit est continu. 1i La tourbe préalablement séchée est chargée dans le broyeur (repère 1, fig 1), à la sortie de cet équipement elle est chargée sur le convoyeur (repère 3, fig. 1). Le guano et/ou I'apatite est chargé dans le broyeur (repère2, fig.1), à la sortie de cet équipement il est chargé sur le convoyeur (repère 3, fig. 1) Ces deux produits chargés simultanément sont dirigés vers une mélangeuse (repère 4, fig.1) dans cet équipement on mesure les caractéristiques chimiques du mélange par un équipement adapté (repère 16, fig1) ainsi que la teneur en eau. Au bout d'un certain temps les deux produits mélangés sont dirigés par l'intermédiaire d'un convoyeur (repère 5, fig.1) vers une trémie tampon (repère 6, fig.1) afin d'assurer 10 une réserve de fonctionnement. Le produit est ensuite dirigé par l'intermédiaire des convoyeurs (repères 7 et 8, fig.l) vers un broyeur-mélangeur (repère 9, fig1) dans lequel il va séjourner de 1 à 30 minutes. Ce broyeur-mélangeur (repère 9, fig.1) reçoit une injection de chaux vive de 0 à 25% du poids du produit entrant (repère 17, fig.1, additif 117) ainsi qu'une 15 injection de sulfate d'ammonium (repère 18, additif 118, fig.1) et une quantité d'eau supplémentaire si nécessaire (repère 19, additif 119, fig.1) Après avoir séjourné dans l'équipement (repère 9, fig.1), le produit est dirigé par 20 I'intermédiaire d'un convoyeur (repère 10, fig.1) vers un mélangeur (repère 11, fig.1) dans lequel il reçoit l'additif (repère 22, additif 122, fig.1) afin si nécessaire de corriger le pH du produit, ainsi que l'additif (repère 21, additif 121, fig.1) pour modifier la teneur en azote. De cet équipement (repère 11, fig. 1) le produit est ensuite dirigé par l'intermédiaire 25 d'un transporteur (repère 12, fig.1) vers un réacteuradsorbeur (repère 13, fig.1) 12 2843388 duquel on va extraire les gaz de réaction (repère 23, fig.1) contenant de l'ammoniac, lesquels sont dirigés vers un laveur (repère 24, fig.1). ce laveur de gaz (repère 24, fig.1) reçoit un additif d'acide sulfurique (repère 25, additif 125, fig.1) afin d'obtenir avec l'ammoniac dissous dans le laveur (repère 24,fig.1) un sulfate d'ammonium 5 (repère 18, additif 118,fig.1)., ainsi que du nitrate de potassium(repère26, additif 126, fig.1) De l'équipement (repère 13, fig.1) le produit après avoir séjourné de 1 à 4 heures est transféré vers un crible (repère 14, fig.1). Il est ensuite analysé par l'équipement (repère 15, fig.1) dont les résultats sont transmis vers l'équipement (repère 16, 10 fig.1) afin de réguler les injections des différents additifs si nécessaire. TRAITEMENT CHIMIQUE Selon la nature du produit final à obtenir, une combinaison variable de réactifs et d'additifs chimiques sera incorporée au cours du processus de traitement. Ces réactifs sont incorporés au niveau des étapes schématisées par les repères N 9, 17, 18, 19, 21, 22 dans la figure 1. A titre d'exemple les additifs suivants peuvent être utilisés: - Chaux vive, - Carbonate de calcium, - Chlorure de calcium, - Alumine - Sulfate d'ammonium, 13 2843388 - Nitrate de potassium, - Acide nitrique, Urée, Nitrate d'ammonium, La définition du produit final pouvant être variable, cette liste d'additifs ne peut être limitative. L'intérêt de l'utilisation de ces réactifs est multiple. Quelques-unes des propriétés intéressantes sont décrites ci-après. - Modification des propriétés acido-basiques du milieu, - Captation des émissions gazeuses, - Gaz carbonique: Ca(OH)2 C02 + H20 ------ H+ + HCO3' --------- >Ca CO3 + H20 - Produits azotés issus de la décomposition de matières organiques: Ca(OH)2 + R-NH3CI --------> Ca C12 + R-NH3 Elimination de gaz polluants soufrés: 20 H2S Ca(OH) 2 + SQ2 --------.. CaSO4.2 H20 - Neutralisation des bases présentes dans le milieu, CaCI2 + NaOH ----------> Ca(OH)2 + NaCI - Neutralisation des acides et anhydrides, Ca(OH)2+ HNO03 --.- ->-- Ca (NO3)2 + H20 Le procédé de l'invention autorise l'adjonction de charges ou d'autres réactifs susceptibles d'améliorer les qualités du produit fini. A titre d'exemple, il est possible d'incorporer des aluminates et des silicates alcalins qui s'associeront avec des cations métalliques du milieu réactionnel pour les rendre insolubles en phase aqueuse. Cette propriété connue peut être mise à profit pour la dépollution de milieux contenant des métaux lourds lixiviables. 2843388 Revendications 1) Engrais organo-minéral à base de matières naturelles minérales et/ou organiques et/ou de déchets solides et/ou liquides putrescibles et/ou fermentescibles caractérisé en ce qu'il comprend un mélange préalablement traité de tourbe, de 5 guano et/ou d'apatite, et de nitrate de potassium afin d'assurer des pourcentages déterminés adéquats d'azote, de phosphates et de potassium. 2) Engrais selon la revendicaiton 1 caractérisé en ce qu'il comprend 0 à 50 % d'apatite (Ca5 (PO4)3, OH) par rapport au mélange tourbe et apatite. 3) Engrais selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que ledit mélange 10 représente par rapport au poids total: - au moins 4% d'azote (N), - au moins 8% de phosphate (P), - au moins 3 à 5% de potassium (K) 4) Procédé de fabrication et de traitement de l'engrais selon l'une quelconque des 15 revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: a) séchage et broyage de la tourbe; b) séchage et broyage du guano et/ou de l'apatite; c) mélange de la tourbe et du guano et/ou de l'apatite; d) broyage du mélange de l'étape c) avec ajout de premiers additifs 20 réactifs pour assurer le début de la réaction pendant une durée par exemple de 0 à 30 mn; e) ajout de seconds additifs, dont le nitrate de potassium, dans le mélange de l'étape d); f) réaction et adsorbtion avec régulation de la siccité du mélange de 25 I'étape e); 16 2843388 g) criblage du produit engrais issu de l'étape f). ) Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce qu'à l'étape d) les additifs réactifs comprennent de la chaux et/ou du carbonate de calcium et/ou du chlorure de calcium et /ou du sulfate d'ammonium. 6) Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce qu'à l'étape e) les additifs comprennent du nitrate de potassium et/ou de l'alumine et/ou de la soude et/ou des Silicates ou dérivés d'acide siliciliques. 7) Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 6 caractérisé en ce qu'il comprend une étape de contrôle du taux de métaux lourds lixiviables pendant 10 l'étape c).