Brevet FR2945039A1 — publié le 20101105

PROCEDE DE METHANISATION A TRES HAUT RENDEMENT A PARTIR D'UNE PHASE LIQUIDE QUI EST UN COPRODUIT ISSU DE L'EXTRACTION D'UN PRODUIT PRINCIPAL. L'invention propose un procédé de méthanisation à très haut rendement, à partir d'une phase liquide, contenant des matières en suspension (MES), qui est un coproduit issu de l'extraction d'un produit principal obtenu à partir d'une matière première végétale transformée en moût. De manière classique, la transformation en moût de la matière ~o première végétale est obtenue par broyage de cette matière en présence d'eau, et par activité biologique. L'invention a pour but, surtout, d'optimiser la méthanisation et le recyclage de l'eau. L'invention vise également à la production de combustible. Selon l'invention, le procédé de méthanisation est caractérisé en ce 15 que, avant l'extraction du produit principal, le moût est soumis à une séparation des phases solide et liquide telle que la teneur massique en matières en suspension (MES) dans sa phase liquide soit inférieure à 1 %, notamment inférieure à 0,5 % et avantageusement inférieure à 0,2 %. Le conditionnement du moût, par séparation des phases solides et 20 liquides, peut être réalisé notamment par filtration / pressage, ou par filtration sur filtre à bandes, ou par centrifugation, en amont de l'extraction du produit principal. Cette étape optimisée de conditionnement du moût, effectuée avant extraction du produit principal, permet une amélioration significative de la 25 filtration, une réduction de la pollution contenue dans le coproduit (également appelé vinasses), par exemple: C (carbone), N (azote), P (phosphore), S (sulfate), Ca (calcium), Mg (magnésium), potassium (K+), MES (Matières en suspension), et autres composés ayant un effet d'inhibition de l'activité biologique, et augmente significativement les performances de la méthanisation 30 de ce coproduit tout en limitant les volumes de traitement à mettre en oeuvre et ainsi les coûts d'investissement importants pour les installations de production. La séparation des phases liquides et solides est avantageusement précédée d'une première étape de traitement physico-chimique, notamment par coagulation-floculation et ajout de réactifs en amont de l'étape de séparation. 35 L'optimisation des réactifs utilisés dans le procédé de fabrication permet aussi de réduire les coûts d'exploitation importants pour les usines de production. Le traitement de méthanisation est avantageusement effectué à travers un lit de boues granuleuses, ou dans un réacteur à cultures fixées sur un support libre, ou dans un réacteur à cultures fixées sur un garnissage. Le traitement de méthanisation est réalisé en particulier avec l'un des réacteurs connus sous les noms de � Anapulse �, � Anaflux �, � Anafiz �. L'effluent issu de la méthanisation peut être soumis à une étape de traitement complémentaire permettant un recyclage de l'eau traitée vers l'étape de fabrication des moûts. Pour obtenir de l'eau à recycler ne comportant pas de bactéries pouvant causer une infection et un blocage de la fermentation, on soumet l'effluent de méthanisation à une filtration propre à arrêter des particules de dimensions de l'ordre de 0.2 pm et supérieures, et donc propre à arrêter les bactéries. De préférence, la filtration est réalisée lors d'une étape d'osmose inverse sur membranes. En variante, on peut remplacer l'osmose inverse par une évaporation concentration. Selon cette variante, pour obtenir de l'eau à recycler ne comportant pas de bactéries pouvant causer une infection et un blocage de l'activité biologique spécifique de la production, on soumet l'effluent en sortie de méthanisation strippé ou non et décarbonaté ou non à une étape d'évaporation concentration qui est propre à produire des condensats de très bonne qualité, débarrassés de sels, qui peuvent être recyclés au niveau du procédé de production principale notamment sans risque d'infection pouvant bloquer l'activité biologique. L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'un exemple de réalisation décrit avec référence au dessin annexé, mais qui n'est nullement limitatif. La figure unique du dessin est un schéma blocs d'un procédé selon l'invention. En se reportant à la figure du dessin, on peut voir que le procédé de l'invention comprend une première étape de préparation de moûts, propres à fermenter, à partir d'une matière première végétale. Comme exemple non limitatif de matières premières on peut citer les plantes amylacées, plantes saccharifères et/ou plantes ligno-cellulosiques. Le moût fermenté, avant d'être injecté dans l'étape d'extraction du produit principal, subit selon l'invention une étape de conditionnement consistant en une séparation entre phase solide et phase liquide telle que la teneur massique en matières en suspension (MES) dans la phase liquide du moût soit inférieure à 1 %, notamment inférieure à 0,5 % et avantageusement inférieure à 0,2 %. Le conditionnement du moût peut être réalisé, par exemple, par filtration et pressage (filtration / pressage), ou par filtration sur filtre presse ou filtre à bandes, ou par centrifugation. Après ce conditionnement, le moût fermenté est soumis à l'étape d'extraction du produit principal. Cette extraction peut être effectuée, notamment, par évaporation concentration ou distillation. Le conditionnement préalable du moût réduit considérablement la teneur en MES, et modifie par conséquent certaines propriétés du produit principal extrait, par exemple les propriétés organoleptiques si le produit principal est destiné à la io consommation ; cette modification n'est pas gênante, notamment quand le produit principal a une destination autre qu'alimentaire, par exemple lorsqu'il est utilisé comme carburant. L'étape d'extraction fournit un coproduit 1 du produit principal, désigné par le terme � vinasses �. Ce coproduit 1 est un liquide avec MES. 1s Dans le cas d'une évaporation ou d'une distillation, les vinasses sont obtenues en pied de colonne. Les vinasses sont ensuite soumises à l'étape de méthanisation. Le conditionnement du moût effectué en amont de l'extraction, permet une méthanisation à haut rendement du coproduit 1. 20 Le traitement de méthanisation est avantageusement effectué, à travers un lit de boues granuleuses. Un réacteur de ce type est connu sous le nom de � Anapulse �, et est décrit notamment dans le Mémento Technique de l'Eau de Degrémont, 10ème édition, pages 975-976. Un tel réacteur est habituellement prévu pour des effluents dilués et facilement dégradables : 25 effluents de brasseries, boissons sucrées, sucreries, amidonnerie, papeterie, levurerie... La méthanisation peut aussi être réalisée dans un réacteur du type � Anaflux � qui est un réacteur à cultures fixées sur un support libre dans le réacteur. Un réacteur de ce type est décrit notamment dans le Mémento 30 Technique de l'Eau de Degrémont, 10ème édition, pages 977-978. La méthanisation peut aussi être réalisée dans un réacteur de type � Anafiz � qui est un réacteur à culture fixée sur un garnissage (par exemple en plastique, polypropylène, polyéthylène), ordonné ou en vrac. Un réacteur de ce type est décrit notamment dans le Mémento Technique de l'Eau de Degrémont 35 9ème édition, pages 753 -754. Ce genre de réacteurs était considéré, avant l'invention, comme n'étant pas adapté aux effluents contenant des MES décantables, comme c'est le cas pour les vinasses. D'une manière surprenante, grâce au conditionnement poussé des moûts avant extraction, la méthanisation peut être effectuée industriellement, notamment dans ce genre de réacteurs, avec rendement élevé et durée de méthanisation réduite. Cette durée peut devenir inférieure à 10 jours alors que généralement elle est supérieure à 20 jours, et peut atteindre 30 jours et plus, pour le traitement par méthanisation de la phase liquide des vinasses. La méthanisation fournit du biogaz, principalement du méthane, qui peut être utilisé en particulier pour produire de l'énergie électrique, et/ou de la vapeur. ~o L'effluent issu de la méthanisation peut être soumis à une étape de traitement complémentaire. Avantageusement, pour réduire la consommation d'eau, on prévoit un traitement permettant un recyclage de l'eau traitée vers l'étape de fabrication des moûts. Pour obtenir de l'eau à recycler ne comportant pas de bactéries pouvant causer une infection et un blocage de la fermentation, 1s on soumet l'effluent de méthanisation, généralement après stripping et décarbonatation, à une évaporation concentration ou à une filtration propre à arrêter des particules de dimensions de l'ordre de 0.2 pm et supérieures , et donc propre à arrêter les bactéries. De préférence, la filtration est réalisée lors d'une étape d'osmose 20 inverse sur membranes. Le filtrat constitue l'eau traitée envoyée à l'étape de recyclage, tandis que le concentrat est envoyé au rejet. Ce traitement de filtration donne, comme filtrat, une eau de bonne qualité, débarrassée de sels, qui peut être recyclée pour la production des moûts sans risque d'infection pouvant bloquer la fermentation. 25 Le traitement par osmose inverse permet de réduire, voire d'éliminer DCO, DBO5, MES, NGL, NH4, NO3, NO2, P, Ca, Mg, etc. Comparaison d'un procédé d'extraction sans séparation en amont de l'extraction, avec le procédé de l'invention comportant une étape de séparation 3o en amont de l'extraction. 1. Cas d'un procédé d'extraction sans séparation en amont de l'extraction. La phase liquide, ou vinasses, obtenue après extraction du produit 35 principal est fortement concentrée par exemple en carbone (DCO), azote (sous forme d'azote organique, ammoniac, nitrate, nitrite), phosphore (phosphore total, orthophosphate), sels (par exemple calcium, sodium, potassium), en sulfates et autres composés entraînant des phénomènes d'inhibition de l'action biologique. Les concentrations sont également très variables d'un site de production à l'autre et en fonction de la matière première utilisée. Le tableau 1 qui suit donne la composition des vinasses (coproduit 1) pour une matière première donnée, sans séparation en amont de l'extraction. Tableau 1 : Exemple de composition du coproduit 1 obtenu par extraction du produit principal sans séparation amont Paramètres Phase liquide (coproduit 1) pH 2 à 10 TH (°F) 50 à 2000 TA (°F) 50 à 2000 TAC (°F) 50 à 2000 Ça (g/I) 0,1 à 5 Mg (g/I) 0,1 à 2,5 DCO (g/I) 1,5 à 300 MES (g/I) 1 à 10 NH4+ (g/I) 0,5 à 2,5 NGL (g/I) 0,1 à 10 P total (g/I) 0,1 à 5 P ortho (g/I) 0,1 à 2 NO2 (g/I) 0,1 à 5 NO3 (g/I) 0,1 à 5 Sulfates (g/I) 0,2 à 10 2. Cas du procédé selon l'invention avec séparation en amont de l'extraction. La séparation des phases liquides et solides par exemple par filtration et pressage est avantageusement précédée d'une première étape dite 15 de traitement physico-chimique. Ce traitement physico-chimique permet une amélioration significative de l'étape de séparation des phases liquides et solides, en amont de l'étape d'extraction, grâce à la précipitation des MES (matières en suspension) contenues initialement dans le produit principal. 20 Cette étape optimisée de traitement physico-chimique par exemple par coagulation-floculation et ajout d'autres réactifs, et de séparation de liquide 20 fermenté, notamment du vin fermenté, en amont de l'étape de séparation permet une amélioration significative de la filtration du produit principal, une réduction des composés dans le coproduit 1 ayant un effet d'inhibition de l'activité biologique par exemple : 5 à 60 % du C (sous forme de DCO s particulaire carbone), 20 à 80 % de l'azote global (NGL), de l'ammoniac (NH4+) des nitrates (NO3) et des nitrites (NO2-), 10 à 80 % du phosphore total (Pt°ta,), 10 à 100 % de l'orthophosphate (P°rtho), 10 à 70 % des sulfates (S), 20 à 80 % du calcium (Ca), magnésium (Mg), potassium (K+), 50 à 99 % des matières en suspension (MES) et améliore significativement les performances de la io méthanisation du coproduit 1 (vinasses) jusqu'à 95 % d'abattement de la DCO. Le tableau 2 qui suit donne la composition des vinasses (coproduit 1) pour la même matière première que dans le cas précédent, obtenu lorsqu'une séparation est effectuée en amont de l'extraction du produit principal. 15 Tableau 2 : Exemple de composition du coproduit 1 obtenu après extraction du produit principal lorsqu'une séparation a eu lieu en amont Paramètres Phase liquide (coproduit 1) pH 2 à 10 TH (°F) 50 à 1000 TA (°F) 50 à 500 TAC (°F) 50 à 500 Ça (g/l) 0,1 à 4 Mg (g/I) 0,1 à 2 DCO (g/I) 1,5 à 250 MES (g/I) 0,1 à 1 NH4+ (g/I) 0,01 à 1 NGL (g/I) 0,01 à 3 P total (g/I) 0,01 à 2 P ortho (g/I) 0,01 à 1 NO2 (g/I) 0,1 à 0,5 NO3 (g/I) 0 à 0,5 Sulfates (g/I) 0,2 à 5 3. Rendements d'abattement Les rendements d'abattement obtenus sur le coproduit 1 après séparation en amont de l'extraction du produit principal en comparaison avec le coproduit 1 obtenu sans étape de séparation en amont de l'extraction sont présentés dans le Tableau 3 qui suit. Tableau 3 : Réduction des concentrations dans le coproduit 1 obtenues après séparation des MES en amont de l'extraction du produit principal, en comparaison du coproduit 1 obtenu sans étape de séparation en amont de l'extraction Paramètres Phase liquide (coproduit 1) TH(°F) 20à80% TA(°F) 20à80% TAC (°F) 20 à 80% Ca (g/I) 20 à 80 % Mg (g/I) 20 à 80 K+ 20à80% DCO particulaire (g/l) 60 % 5 à o MES (g/I) 50 à 99 % NH4+ (g/I) 20 à 80 % NGL (g/I) 20 à 80 0/0 P total (g/I) 10 à 80 % P ortho (g/I) 10 à 100 % NO2 (g/I) 20 à 80 % NO3 (g/I) 20 à 80 % Sulfates (g/I) 10 à 70 % L'invention apporte une solution à plusieurs problèmes techniques rencontrés lors de la méthanisation des vinasses : - les rendements des réacteurs de méthanisation étaient insuffisants ; des dysfonctionnements liés à des phénomènes de toxicité à 1s cause de concentrations élevées de certains composants comme les sulfates, l'azote, le potassium, les MES ne permettaient pas d'améliorer de manière significative le bilan énergétique des installations ; - la gestion des déchets liquides et solides associés était complexe et onéreuse ; 20 - la taille des équipements était importante en raison du temps conséquent de réaction de méthanisation, ce temps pouvant atteindre 35 jours ; - des phénomènes de précipitation avaient lieu dans les ouvrages de traitement. REVENDICATIONS1. Procédé de méthanisation, à partir d'une phase liquide, contenant des matières en suspension (MES), qui est un coproduit issu de l'extraction d'un produit principal obtenu à partir d'une matière première végétale transformée en moût, caractérisé en ce que, avant l'extraction du produit principal, le moût est soumis à une séparation des phases solide et liquide telle que la teneur massique en matières en suspension (MES) dans sa phase liquide soit inférieure à 1 %. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, avant l'extraction du produit principal, le moût est soumis à une séparation des phases solide et liquide telle que la teneur massique en matières en suspension (MES) dans sa phase liquide soit .inférieure à 0,5 % , avantageusement inférieure à 0,2 %. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la séparation des phases solide et liquide est réalisée par filtration pressage, ou par filtration sur filtre à bandes, ou par centrifugation. 20 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la séparation des phases liquide et solide est précédée d'une première étape de traitement physico-chimique, notamment par coagulation-floculation et ajout de réactifs. 25 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le traitement de méthanisation est effectué, à travers un lit de boues granuleuses, ou dans un réacteur à cultures fixées sur un support libre, ou dans un réacteur à cultures fixées sur un garnissage 30 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le traitement de méthanisation est effectué avec l'un des réacteurs connus sous les noms de � Anapulse �, � Anaflux �, � Anafiz �. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé 35 en ce que l'effluent issu de la méthanisation est soumis à une étape de traitement complémentaire comportant une filtration propre à arrêter des particules de dimensions de l'ordre de 0.2 pm et supérieures, et donc propre à arrêter les bactéries, permettant un recyclage de l'eau traitée vers l'étape de isfabrication des moûts. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la filtration est réalisée lors d'une étape d'osmose inverse sur membranes. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6 , caractérisé en ce que l'effluent en sortie de méthanisation strippé ou non et décarbonaté ou non est soumis à une étape d'évaporation concentration qui est propre à produire des condensats de très bonne qualité, débarrassés de sels , qui ~o peuvent être recyclés au niveau du procédé de production principale sans risque d'infection pouvant bloquer l'activité biologique 9