Brevet FR3098733A1 — publié le 20210122

Description Titre de l'invention : Nouveau procédé de méthanisation [0001] La présente invention a pour objet un procédé amélioré de méthanisation, c'est-à-dire de production de biogaz à partir d'effluents organiques, notamment agricoles, par fermentation. [0002] La méthanisation est un processus de décomposition de matières organiques par des bactéries qui agissent en l'absence d'air. On nomme ce processus de décomposition « fermentation anaérobie ». Ce procédé permet de générer une énergie re- nouvelable, du biogaz, qui comporte entre autres du méthane (CI-L, dans des proportions de 50% à 70%), et du dioxyde de carbone (CO2) ainsi qu'un résidu organique (dit « digestat » utilisé comme fertilisant). Le biogaz peut être transformé soit en électricité, soit en gaz et en carburant pour véhicules. [0003] Le procédé de méthanisation consiste en une fermentation d'effluents d'élevage ou de sous-produits issus de l'industrie agro-alimentaire dont le principe est le suivant : les effluents organiques sont stockés dans une cuve hermétique que l'on appelle « digesteur» dans laquelle ils sont soumis à l'action de micro-organismes (bactéries) en l'absence d'oxygène (fermentation anaérobie) pendant un temps de séjour déterminé (en général d'environ 60 jours). [0004] La méthanisation représente un intérêt économique substantiel ; le biogaz produit peut se substituer au gaz naturel dans tous ses usages actuels : production de chaleur, production d'électricité et carburant pour véhicules, et le digestat est totalement valorisé, notamment sous forme d'engrais dont la composition est bien plus complète que celle d'un engrais chimique. Elle peut donc permettre aux agriculteurs de réaliser des économies substantielles. Le biogaz peut également leur apporter un complément de revenus par la vente de l'électricité ou de gaz à des tarifs de rachat préférentiels. [0005] La méthanisation présente également un intérêt environnemental car le biogaz est une énergie renouvelable, si sa production et son utilisation engendrent toutefois des rejets polluants dans l'atmosphère (CO2), ceux-ci restent moins importants que ceux des énergies fossiles. Par ailleurs, le digestat est un produit fertilisant à haute valeur agronomique ; il est très facilement assimilable par les plantes de par sa teneur en ammoniac, phosphore et potassium auxquels s'ajoutent des facteurs de croissance. [0006] La méthanisation permet également, à l'échelle locale, de supprimer le problème du stockage des matières fermentescibles (odeurs et concentration d'insectes et rongeurs). [0007] 11 existe à l'heure actuelle, deux procédés de méthanisation classiquement mis en oeuvre en France ; l'un consiste à introduire des effluents organiques en continu dans un digesteur où ils sont infiniment mélangés avec le digestat déjà présent (cc procédé est dit « mésophilc » ou « par voie humide ». il est conduit à une température de 2 l'ordre de 40°C) ; l'autre est réalisé par batch : les effluents organiques sont introduits dans le digesteur, la fermentation a lieu puis le digcstat est récupéré par vidange du digesteur avant qu'il soit à nouveau rempli d'effluents organiques (procédé dit « thermophilc » ou « par voie sèche » conduit à une température de l'ordre de 55°C). Dans ces deux procédés, la fermentation se produit par les flores spontanément présentes dans les effluents organiques. [0008] Il existe encore d'autres méthodes de méthanisation pratiquées dans d'autres régions ; par exemple, en Allemagne, la méthanisation de type infiniment mélangée est réalisée avec de l'ensilage de maïs et nécessite l'ensemencement de micro-organismes et une parfaite maîtrise du pH. Cette pratique va à l'encontre des aspects écologiques et des aspects économiques puisqu'elle met en oeuvre une matière première pouvant servir à l'alimentation animale. [0009] Pour les raisons exposées plus tôt, il apparait utile d'optimiser la conduite de la mé- thanisation notamment pour en améliorer les rendements. [0010] C'est cc à quoi est parvenue la Demanderesse en mettant au point un nouveau procédé de méthanisation par voie humide comportant une étape additionnelle d'aération et de broyage d'un mélange de digestat et d'effluents organiques. [0011] Plus précisément, la présente invention se rapporte à un procédé de méthanisation par voie humide d'effluents organiques dans un digesteur caractérisé en ce qu'il comporte les étapes additionnelles suivantes : [0012] a- extraction d'une fraction du digestat présent dans le digesteur ; b- ajout d'effluents organiques à la fraction de digestat ; c- mouillage du mélange de fraction de digestat et d'effluents organiques ; le mouillage est réalisé par ajout d'un liquide aqueux, par exemple de l'eau ou du lactosérum ; d- broyage et malaxage dans des conditions aérobies du mélange de ladite fraction de digestat, d'effluents organiques et de liquide pendant un temps déterminé ; e- réintroduction dans le digesteur du mélange de fraction de digestat, d'effluents organiques et de liquide ainsi traité. [0013] Par effluents organiques, on entend des effluents agricoles tels que du fumier issu des déjections animales, des résidus végétaux agricoles (céréales, herbes, paille ..), du lisier, des sous-produits issus de l'industrie agro-alimentaire ou leur mélange. [0014] L'avantage du procédé selon l'invention est qu'il ne nécessite aucun pré-traitement des effluents organiques comme un pré-broyage des brins végétaux ; en effet, il peut par exemple être mis en oeuvre avec des fibres végétales longues de plusieurs dizaines de centimètres tel que le fait un Ruminant lorsqu'il ingère des tiges de graminées et les mâche. [0015] Selon un mode de réalisation avantageux, le procédé selon l'invention est mis en 3 oeuvre avec des effluents organiques comprenant une forte proportion de fumier, c'est-à-dire jusqu'à 80% en poids de fumier par rapport au poids total des effluents organiques. Le fumier est un effluent organique généralement difficile à digérer dans un digesteur en ce qu'il comprend souvent des corps étrangers indésirables et nuisibles à l' installation. [0016] Le procédé selon l'invention peut être mis en oeuvre avec tout type de fumier de ruminants comme celui de bovins mais aussi celui d'ovins ou d'équidés qui sont généralement plus secs et durs, moins dégradés et comprenant fréquemment des résidus de paille en raison de l'environnement de leur ramassage, les rendant plus difficile à méthaniser. [0017] Le perfectionnement objet de la présente invention s'applique aux procédés de mé- thanisation par voie humide. [0018] Par digesteur, on entend une cuve hermétique, généralement cylindrique, équipée d'un système de chauffage (pour le maintien d'une température comprise entre 30 et 45°C, de préférence de l'ordre de 42°C) et d'un dispositif d'agitation ; classiquement, les digesteurs sont des cuves de grande dimension, de l'ordre de 1000 à 2000 m3 voire plus, le procédé selon l'invention peut être mis en oeuvre dans des digesteurs de toutes tailles. [0019] Pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, la fraction du digestat contenu dans le digesteur est extraite et conduite dans un bac de malaxage (étape a du procédé), des effluents organiques à digérer (étape b du procédé) et le liquide (étape c du procédé) sont ajoutés et le mélange est brassé et broyé en présence d'oxygène (étape d du procédé). [0020] Toutes quantités de digestat et d'effluents organiques peuvent être mises en oeuvre ; typiquement, on préfèrera introduire un volume de digestat qui représente entre 10 et 50%, de préférence environ 30%, du volume du bac de malaxage et le volume restant est constitué des effluents organiques et du liquide ajoutés. [0021] Le brassage (ou malaxage) est préférentiellement mis en oeuvre à l'aide de pales disposées dans le bac de malaxage. [0022] L'aération du mélange comprenant le mélange de digestat, d'effluents organiques et de liquide dans le bac de malaxage est permise par une ouverture à l'air libre dudit bac de malaxage ou par injection d'oxygène dans le cas d'un bac de malaxage fermé. [0023] Le nombre de cycles d'introduction d'effluents s'ajuste en fonction du volume d'effluents organiques à traiter ; à titre d'illustration, il peut être de l'ordre de 20 cycles par 24 heures. [0024] La durée du brassage-malaxage est d'au moins 3 minutes ; pour des raisons d'optimisation du coût énergétique du procédé, cette durée ne dépasse de préférence pas 10 minutes même si des durées plus longues ne nuiraient pas à la conduite du procédé selon l'invention. [0025] Un liquide (par exemple de l'eau ou du lactosérum) est ajouté au mélange de digestat et d'effluents organiques dans le bac de malaxage, cet ajout permet d'abaisser la viscosité du mélange ; à titre indicatif, le volume du liquide ajouté représente entre 5 et 15% du volume du bac de malaxage. [0026] Le broyage peut être réalisé par tout moyen connu de l'homme du métier ; par exemple, il peut être réalisé par la circulation du mélange de digestat, d'effluents organiques et de liquide au travers d'une pompe hachcuse et/ou d'un broyeur, présents dans un circuit fermé positionné en sortie du bac de malaxage. [0027] A l'issue du traitement de brassage, mouillage et de broyage en milieu aérobie, le mélange est réintroduit dans le digesteur tel que le fait un Ruminant lorsque le bol alimentaire retourne dans la panse après avoir été mâché. [0028] [fig.1] représente un dispositif modulaire transportable ou adaptable à tout digesteur, approprié pour la conduite du procédé selon l'invention : [0029] Par cc dispositif, l'extraction du digcstat peut être faite soit par gravité soit par une pompe (par ouverture de la vanne de remplissage et action de la pompe de remplissage sur la figure 1) qui l'incorpore dans le bac de malaxage ; le bac est ouvert à l'air libre pour passer d'un milieu anaérobie à un milieu aérobic. [0030] Le brassage durant un temps déterminé des effluents organiques introduits par des moyens adéquats avec le digcstat est réalisé ; par ailleurs, cc brassage permet la décantation des cailloux et autres corps étrangers au fond du bac. [0031] Le broyeur ou la pompe hacheuse peuvent s'ouvrir facilement pour extraire les corps étrangers. [0032] De préférence, si un liquide est introduit, il s'agit de lactosérum qui apporte des sucres (glucose notamment) nécessaires aux bactéries ainsi que des sels minéraux et autres macro éléments tels que la matière grasse et des protéines solubles. [0033] Dans cet exemple de dispositif, la sortie du bac se fait par un orifice situé plus haut de quelques dizaines de centimètre du fond du bac afin de laisser décanter les corps étrangers apportés par les effluents organiques lors de leur ramassage. Selon la quantité de corps étrangers, le bac est vidé dès que nécessaire, ce qui évite un arrêt de production. [0034] En fin de cycle de brassage/broyage, d'une durée déterminée comprise entre 3 et 10 minutes, le mélange obtenu est réintroduit dans le digesteur (ou le post-digesteur), orienté par une électrovanne sur chacun d'eux. [0035] Ce nouveau procédé améliore significativement la digestion de la matière organique et permet de réduire substantiellement l'énergie électrique nécessaire pour le mélange de la biomasse dans le digesteur. Ainsi, par la réintroduction du digestat traité dans le digesteur ou le post-digesteur, la production de méthane par fermentation anaérobie est plus abondante et plus rapide. [0036] Selon un autre de ses objets, la présente invention se rapporte à un dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé de méthanisation selon l'invention. [0037] Ce dispositif modulable et adaptable à un digesteur comprend ; [0038] - une cuve de malaxage reliée au digesteur ; [0039] - un circuit de remplissage de la cuve de malaxage qui comprend une vanne de rem- plissage et une pompe de remplissage, et [0040] - un circuit de vidange de la cuve de malaxage qui comprend une vanne de vidange et une pompe de vidange, [0041] ladite cuve de malaxage est également équipée d'un conduit en circuit fermé comprenant une pompe hacheuse. [0042] La cuve de malaxage est de préférence une cuve ouverte équipée d'un système d'agitation, ayant des dimensions de faible capacité de l'ordre de 50 m3 qui lui permettent d'être un module déplaçable ou adaptable à tout type de digesteur. [0043] Selon un mode de réalisation particulier tel que représenté à la figure 1, le conduit en circuit fermé est relié au circuit de vidange qui est le même circuit que le remplissage. [0044] La présente invention sc rapporte encore à un méthaniscur comprenant : [0045] - un dispositif modulable et adaptable à un digesteur et [0046] - un digesteur. [0047] Le procédé de méthanisation amélioré selon l'invention permet une augmentation si- gnificative de la capacité de traitement d'effluents organiques, elle peut atteindre des valeurs de l'ordre de 55 tonnes d'effluents organiques traitées en 8 heures. [0048] Exemple de mise en oeuvre du procédé selon l'invention [0049] A l'aide du prototype illustré à la figure 1, les opérations se font selon Fenchainement suivant : [0050] - introduction d'une fraction de digestat depuis le Digesteur ou le Post-Digesteur, par gravité si la hauteur le permet, à défaut par une pompe, dite pompe en queue de cochon ; [0051] - mélange dans la cuve de malaxage à vitesse réduite pendant 8 mn pour mouiller les brins de paille issu du remplissage de 1T de fumier par un godet ou un caisson à fond mouvant ; [0052] - brassage pendant 8 mn à vitesse rapide des 1T de fumier, pendant l'introduction du lactosérum ; [0053] - puis tout en brassant, passage par la pompe hacheuse en circuit fermé sur la cuve de malaxage durant 8mn pour un débit de 125 m3/heure [0054] - fermeture du circuit retour vers la cuve et envoi par la pompe hacheuse, dans le Digesteur, ceci dure 10 à 15 mn selon la siccité du mélange. [0055] Ainsi ce prototype a la capacité de passer un batch de 6T de fumier brut avec 1 m3 de 6 lactosérum, en 30 minutes. [0056] La mise au point de cc procédé amélioré de tnéthanisation permet le traitement de 12 tonnes de fumier par heure alors que le procédé « classique » par voie humide conduit avec le même digesteur ne permettait que le traitement d'une tonne de fumier par heure. 7 REVENDICATIONS[Revendication I] Procédé de méthanisation par voie humide d'effluents organiques dans un digesteur caractérisé en ce qu'il comporte les étapes additionnelles suivantes : a- extraction d'une fraction du digestat présent dans le digesteur ; b- ajout à la fraction de digestat d'effluents organiques ; c- mouillage du mélange de fraction de digestat et d'effluents organiques; d- broyage et malaxage dans des conditions aérobics du mélange de ladite fraction de digestat, d'effluents organiques et de liquide selon un temps déterminé ; e- réintroduction dans le digesteur du mélange de fraction de digestat, d'effluents organiques et de liquide ainsi traité. [Revendication 2] Procédé de méthanisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que les effluents organiques comprennent jusqu'à 80% de fumier en poids par rapport au poids total des effluents organiques. [Revendication 3] Procédé de méthanisation selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le liquide est du lactosérum. [Revendication 4] Procédé de méthanisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le volume de la fraction de digestat introduite dans la cuve de malaxage représente entre 10 et 50%, de préférence environ 30%, du volume du bac de malaxage. [Revendication 5] Procédé de méthanisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le volume du liquide ajouté représente entre 5 et 15% du volume du bac de malaxage. [Revendication 6] Procédé de méthanisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les conditions aérobies de l'étape d sont permises par une ouverture à l'air libre dudit bac de malaxage ou par injection d'oxygène dans le cas d'un bac de malaxage fermé. [Revendication 7] Procédé de méthanisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la durée de l'étape d est comprise entre 3 et 10 minutes. [Revendication 8] Dispositif modulable et adaptable à un digesteur comprenant : - une cuve de malaxage reliée à un digesteur : - un circuit de remplissage de la cuve de malaxage qui comprend une vanne de remplissage et une pompe de remplissage - un circuit de vidange de la cuve de malaxage qui comprend une vanne de vidange et une pompe de vidange ; ladite cuve de malaxage étant équipée d'un conduit en circuit fermé comprenant une pompe hachcusc.