Brevet FR3091277A1 — publié le 20200703

Description Titre de l'invention : Procédé et dispositif d'amélioration de la biodégradabilite d'une boue [0001] La présente invention concerne un procédé d'amélioration de la biodégradabilité d'une boue liquide organique. [0002] Par boue organique on entend une boue comportant au minimum 10% de matière organique. [0003] Elle concerne également un dispositif mettant en oeuvre un tel procédé et le produit intermédiaire obtenu. [0004] Elle trouve une application particulièrement importante bien que non exclusive dans le domaine de la méthanisation et plus particulièrement de l'obtention de biogaz propre à être transformé en chaleur, en électricité et/ou en carburant pour véhicules. [0005] On connaît déjà des procédés de désintégration des boues, par exemple utilisés comme prétraitement avant une digestion anaérobie. [0006] L'objectif dc ces techniques est de solubiliser la matière organique particulairc et de réduire la taille des tlocs bactériens. [0007] Ces techniques mécaniques ou chimiques présentent cependant des inconvénients. [0008] Elles donnent notamment des performances insuffisantes du fait de réactions d'oxydation générant l'apparition de substances organiques réfractaires non biodégradables ce qui amène l'effet inverse de celui recherché. [0009] On connaît par exemple des techniques de préparation par action d'ultrasons sur la bouc. Celles-ci vont cependant engendrer des phénomènes de cavitation au niveau moléculaire, et donc de très fortes pressions/températures à l'origine d'oxydation par production dc radicaux libres. [0010] Il existe aussi des techniques d'hydrolyse thermique. Si celles-ci sont plus puissantes, elles sont cependant coûteuses en installation et en matière d'exploitation, et/ou nécessitent dc chauffer à fortes températures (160 à 180 °C). [0011] En résumé, toutes ces techniques sont coûteuses et ont pour inconvénient dc produire des substances organiques réfractaires non biodégradables qui ont donc l'effet inverse de celui recherché. [0012] Enfin l'efficacité des procédés de préparation des boues est liée à la charge initiale de ces boues en MS (Matière solide). [0013] Ainsi dans le cas de techniques de lyse mécanique à action locale ou chimique telles que celles mentionnées ci-avant et mettant en oeuvre les ultrasons ou une oxydation chimique, la charge maximale préconisée est de 6 à 8 g par litre de MS, ce qui entraîne nécessairement une conception d'installation de préparation de grande taille. 2 [0014] Concernant les techniques d'hydrolyse thermique, pour laquelle la concentration initiale pour un traitement optimisé est de l'ordre de 20g par litre, toutes concentrations inférieures génèrent par contre des coûts supplémentaires, ce qui pose ici encore des problèmes de place, d'homogénéisation et dc prix. [0015] La présente invention vise à pallier ces inconvénients en améliorant notamment les possibilités de reconditionnement et/ou de réutilisation des boues grâce à un traitement répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences dc la pratique, notamment en ce qu'il permet de façon étonnante une amélioration de la biodégradabilité grâce à une augmentation de la dispersion de la matière organique dans la niasse d'eau, le tout associé à une lyse importante des bactéries et à une dispersion des EPS et des colonies bactériennes, de sorte que la colonisation du milieu s'en trouve facilitée et/ou accélérée. On observe en même temps une baisse de la viscosité des boues traitées. [0016] Un tel résultat est obtenu dc façon économique par un dispositif de petite taille. [0017] Dans cc but la présente invention propose notamment un procédé d'amélioration de la biodégradabilité d'une boue organique comprenant au moins un cycle de traitement de durée totale comprise entre de l'ordre de 8 s et de l'ordre de 20 s, par exemple de l'ordre de 10 s, chaque cycle comprenant une première étape de création d'une première émulsion de boue hydrolysée dans une première zone dite zone réduite, par injection d'un gaz dans ladite zone réduite, une deuxième étape d'expansion brusque de l'émulsion dans une deuxième zone, dite zone d'expansion, et une troisième étape de récupération de l'émulsion via une troisième zone dite zone de restriction. [0018] 11 en ressort des temps de contact entre gaz et boue de durée multiple du temps de base, par exemple de 10 s (Trois fois 10 s pour trois cycles par exemple). [0019] Par de l'ordre de on entend -F/- 10 % à 20 %. [0020] L'invention propose aussi et/ou un procédé d'amélioration de la biodégradabilité d'une boue liquide organique comprenant une première étape de création d'une première émulsion de boue hydrolysée dans une première zone, dite zone réduite, de première pression relative Pl, par injection d'air dans ladite zone réduite en conférant à la boue dans ladite zone réduite une première vitesse VI > 20 m/s, une deuxième étape d'expansion brusque de l'émulsion ainsi crée dans une deuxième zone, dite zone d'expansion, de deuxième pression relative P2 supérieure à 2 bars relatifs et une troisième étape de récupération de l'émulsion via une troisième zone, dite zone de restriction, en conférant à ladite émulsion dans ladite zone de restriction une seconde vitesse V2 > 20 m/s. [0021] On sait que les boues organiques sont une suspension de matière organique non consommée, de cations et de structures bactériennes organisées en colonies, agrégats ou bactéries isolées. 3 [0022] On parle alors d'auto floculation de la suspension. Le vivant forme en effet des flocons de matières organiques et minérales difficiles à casser mécaniquement et difficile à pénétrer par d'autres bactéries vivantes. [0023] Le procédé selon l'invention permet donc notamment en exerçant des contraintes d'ordre mécaniques, à partir d'un fluide incompressible visqueux constitué par la bouc organique à traiter, la fabrication d'un fluide compressible comprenant des bactéries et des flocs de bactéries qu'on peut alors soumettre à des pression/contre pression relativement peu violentes, dont on observe d'une part qu'elles détruisent (lysent) de façon suffisante une partie des bactéries présentes dans la boue de façon inattendue, et d'autre part qu'elles cassent la floculation bactérienne et dispersent la matière organique en autorisant ainsi une plus grande mise à disposition biologique de celle-ci par la suite, comme par exemple dans un processus de digestion qui suit par des bactéries anaérobies. [0024] En d'autres termes le procédé améliore la biodégradabilité de ces substances en ce qu'il émiette, disperse, explose la structure bactérienne livrant un matériau beaucoup plus accessible à de nouvelles souches. [0025] Avantageusement la première zone, dite réduite, est un élément de faible diamètre d (par exemple d 20 m/s) et à pression Pl, élément dans lequel on injecte le gaz ou l'air à fort débit (par exemple à un débit q Nm3 supérieur ou égal à 10 Q m3, Q étant le débit de la boue), pour créer l'émulsion gazeuse, compressible, qui alimente alors la deuxième zone, ou réacteur, en aval, de plus grand diamètre D (D > 20 d) que l'élément dans lequel l'émulsion passe, à une plus forte pression P2 (P2 > PI), par exemple P2 > 2 bars, et avantageusement P2 > 10 bars et 20 m/s. [0026] La taille particulièrement réduite de la zone d'injection (par exemple 0,001 na') va autoriser un excellent mélange boue/air. [0027] 11 y a donc en effet à cet endroit une zone de grande vitesse, entrainant des chocs ci- nétiques, qui permettent à la boue d'éclater dans le gaz. [0028] Avantageusement le gaz utilisé est de l'air. [0029] La présence de l'oxygène de l'air améliore encore la constitution d'une émulsion air/ floc bactérien en amenant un niveau d'oxygène dissout et sous forme de bulles d'air permettant encore mieux l'accompagnement de la prolifération bactérienne. [0030] Le développement bactérien en boîte de Pétri prouve que la boue passée devient hautement biodégradable. [0031] Avantageusement on réitère l'étape initiale sur l'émulsion hydrolysée obtenue suc- cessivement au moins N fois avec N supérieur ou égal à 2, par exemple N supérieur ou égal à 3 et/ou N supérieur ou égal à 7 ou 8. [0032] La structure physique de l'émulsion constituée évolue ainsi au fur et à mesure de son passage successif (N fois) en pression et décompression et engendre de ce fait un phénomène favorable à la biodégradabilité de la boue et à la constitution de bulles de différentes tailles, à savoir des petites bulles issues du gaz ou de l'air dissous à la pression de la deuxième zone, et de plus grosses bulles issues du grossissement lié à la dépression des bulles existantes dans la deuxième zone (réacteur). [0033] On observe que cette émulsion stable est très favorable à la flottation de la masse et peut si nécessaire produire une flottation de cette dernière. [0034] On observe également une décroissance de la viscosité au fur et à mesure des passages. [0035] Cette faible viscosité et la présence de bulles de gaz rémanentes dans la boue (même après dégazage) permet son pompage aisé nécessaire à une bonne réitération des cycles. [0036] Par ailleurs, l'invention, d'une part en augmentant la densité en MS, et d'autre part en préservant une bonne viscosité va ainsi autoriser un meilleur brassage et une régularité d'alimentation des étapes éventuelles de procédé qui suivent en continu ou en semi-continu. [0037] Par semi continu, on entend par exemple par batches successifs, que l'on substitue les uns à la suite des autres à la volée, ou sensiblement sans s'arrêter, pour permettre le traitement en continu ou serni continu, autorisant dès lors une excellente cadence. [0038] En résumé, les actions de pression/dépression décrites ci-avant améliorent la nature et la structure de la matière organique mieux dispersée et mieux lysée pour ce qui concerne les bactéries, ce qui engendre une meilleure accessibilité et biodégradabilité de la matière organique en augmentant les possibilités d'échanges, et donc par exemple dans le cas d'une étape suivante de méthanisation, le rendement de la réaction de digestion et dès lors de production de méthane. [0039] Dans des modes de réalisation avantageux on a de plus et/ou par ailleurs recours à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes : - la première zone étant la partie centrale d'un venturi allongé autour d'un axe parallèle au sens d'alimentation de la boue, on injecte l'air dans ledit venturi de façon oblique pal- rapport à l'axe du venturi ; - la deuxième pression moyenne P2 dans la deuxième zone est P2>3,5 bars et la troisième pression P3 en aval de la zone de restriction est la pression atmosphérique (ou sensiblement la pression atmosphérique) ; - on dégaze fortement l'émulsion après la troisième zone avant réitération ; - le gaz est injecté dans le sens du flux ou à contre flux de la boue et/ou injecté avec un angle compris entre 20' et 90', par exemple entre 20° et 50', par exemple 30' avec la direction du flux de boue ; - on extrait le gaz en excès par choc mou de l'émulsion sur elle-même ou sur un volet absorbant d'énergie, de freinage de l'émulsion. [0040] Par absorbant d'énergie on entend agencé pour réduire l'énergie cinétique du fluide d'un facteur au moins égal à deux. [0041] Il s'agit d'un choc du type liquide/liquide. [0042] Par choc mou on entend un choc ou contact progressif sans percussion soit sur l'émulsion elle-même par retombée gravitaire sur elle-même par exemple, soit sur un volet ou paroi ou disque d'absorption de l'énergie, par exemple un volet souple ou de dimension réduite par exemple de quelques cm2, (par exemple de x X y avec x et y 2 voir N > 8. [0051] Si nécessaire une oxydation de type ozone, peroxyde d'hydrogène, persulfate, électrolyse, oxyde métallique ou diamant peut être de plus utilisée ce qui produit une lyse encore plus forte des membranes. Mais il convient alors de contrôler que la prolifération bactérienne en culture est bien boostée et non bloquée par ces ajouts. [0052] On observe que le procédé selon l'invention conduit à une amélioration de la lyse de quelques dizaines de pour cent des bactéries du milieu, soit 10%. 20% voire davantage. 6 [0053] Cette amélioration de la lyse, qui s'effectue grâce aux conditions macroscopiques du milieu dans lequel sont les bactéries se fait dans des conditions d'énergie locale assez faibles, cc qui permet d'éviter la production non souhaitée de molécules organiques réfractaires, souvent observée avec les techniques de l'art antérieur. [0054] La biodégradabilité des boucs se mesure notamment par exemple en analysant et en comparant la capacité de prolifération bactérienne en culture sur gélose, par exemple en boîte de pctri. [0055] L'invention propose aussi un dispositif mettant en oeuvre les procédés tels que décrits ci-dessus. [0056] Elle propose également un dispositif d'amélioration de la biodégradabilité d'une boue organique comprenant un récipient, ou réacteur, en ligne pressurisé, des moyens d'alimentation du récipient par la boue en continu comprenant un venturi de passage de la bouc, allongé autour d'un axe, au moins un piquage d'injection en gaz dans le rétrécissement dudit venturi, pour injection en biais par rapport à l'axe agencé pour créer une émulsion dans le récipient et des moyens d'évacuation de l'émulsion dudit récipient via un organe générant une perte de charge, et des moyens de mise en circulation en boucle dans le récipient de ladite émulsion par les moyens d'alimentation en bouc, en amont de l'injection de gaz. [0057] Avantageusement le dispositif compte deux piquages d'injection en gaz dans le venturi en biais avec un angle compris entre 20' et 90' par rapport à l'axe dudit venturi, par exemple disposé de façon symétrique par rapport à l'axe du venturi. [0058] L'invention propose aussi une soupe ou émulsion de boue organique obtenue après N passages pal- recirculation dans le réacteur décrit ci-avant, avec N > 2, avantageusement > 3, ou encore supérieur à 7. [0059] Avantageusement la soupe de boue organique comprend au moins 80% de bactéries lysées. Un tel résultat, qui dépend de l'état initial qui peut déjà être de 20 à 30 % de lyse, n'a jamais été atteint jusqu'à présent. [0060] Par bactérie lysée, il faut entendre une bactérie dont la membrane de la cellule a été détruite, provoquant la mort de celle-ci. [0061] On observe de plus qu'au cours du premier cycle de traitement des boues, l'introduction de gaz dans la boue associée à un temps faible de séjour du mélange dans le réacteur (quelques secondes), provoque l'extraction des molécules de petites taille, telles que H2S et NH3 (molécules toxiques), ce qui favorise l'accroissement de la biodégradabilité lors des cycles suivants. [0062] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation donnés ci-après à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent dans lesquels : [0063] [fig.1] est un schéma de principe montrant les étapes principales itératives du procédé 7 selon le mode de réalisation de l'invention plus précisément décrit ici. [0064] [fig.2] est un schéma illustrant un mode de réalisation d'un dispositif mettant en oeuvre le procédé selon l'invention dans ses deux configurations de réitérations. [0065] [fig.2A] montre en coupe un mode de réalisation d'un éjecteur utilisable avec l' invention. [0066] [fig.213] montre un autre mode de réalisation d'un éjecteur utilisable selon l' invention. [0067] [fig.2C] montre un autre mode de réalisation d'un éjecteur utilisable selon l' invention. [0068] [fig.2D] montre autre mode de réalisation d'un éjecteur utilisable selon l'invention. [0069] [fig.2E] montre autre mode de réalisation d'un éjecteur utilisable selon l'invention. [0070] [fig.2F] montre autre mode de réalisation d'un éjecteur utilisable selon l'invention. [0071] [fig.3] illustre schématiquement en coupe le dégazeur du dispositif selon un mode de réalisation de l'invention. [0072] [fig.3A] est une vue de face d'un mode de réalisation du dégazeur du type décrit en référence à la figure 3. [0073] [fig.313] est une vue en coupe selon ITIA-IITA de la figure 3A. [0074] [fig.4] est une vue de dessus d'un autre mode de réalisation du dégazeur avec paroi de freinage. [0075] [fig.4A] est une vue en coupe selon IVA - TVA de la figure 4. [0076] [fig.413] est une vue en coupe schématique d'un autre mode de réalisation du dégazeur avec paroi de freinage. [0077] [fig.5] illustre la dispersion du matériau organique dont l'analyse (dispersion, dis- tribution, éclatement) permet de constater l'augmentation de la biodégradabilité dudit matériau organique, sans mise en oeuvre du procédé selon l'invention, et après circulation, une, huit et dix fois selon l'invention, sur une boue liquide. [0078] [fig.6] illustre la porosité, la taille et la géométrie des structures bactérienne (agrégats) et la lyse obtenue après aucun cycle, un cycle et huit réitérations du cycle selon le mode de réalisation de l'invention plus particulièrement décrit ici sur une boue liquide. [0079] [fig.7] illustre un groupe de bactéries détruites grossies à 0,5 micron après huit ré- itérations du cycle. [0080] [fig.8] illustre un groupe de bactéries complétement lysées à 0,2 micros après huit ré- itérations du cycle. [0081] La figure 1 illustre schématiquement un dispositif mettant en oeuvre le procédé d'augmentation de la biodégradabilité d'une boue, selon le mode de réalisation de l'invention plus particulièrement décrit ici. [0082] À partir d'une boue organique 1, par exemple pompée en continu dans un bac de dé- 8 cantation (non représenté) et introduite dans une canalisation 2, on crée une première émulsion de bouc hydrolysée dans une première zone 3 (dite zone réduite) de la canalisation, par injection d'un gaz 4 dans la zone réduite, en conférant à la bouc émulsionnée dans ladite zone une grande vitesse Vl. [0083] La zone réduite 3 est donc une zone de faible pression Pl (par exemple P1 3 bars, par exemple 5 bars). [0085] La zone 5 (ou réacteur) débouche ensuite en continu sur une troisième zone 6 dite de restriction, par exemple formée par une vanne 7 de régulation, d'évacuation de la première émulsion, de faible pression P3 et de forte vitesse V3 > 20 m/s dans laquelle se forme une deuxième émulsion qui va être recyclée (flèche 8) N fois avec N > 2, par exemple 3 fois ou 7 fois, via une canalisation 9 de dérivation et une pompe 10 de rccirculation située en amont 11 de la première zone réduite 3. [0086] Cette rccirculation peut se faire via un piquage 12 situé en amont d'un dégazeur 13 de la deuxième émulsion, ou en aval 14 dudit dégazeur, de façon commandée par un automate 15 en fonction du nombre N de cycles choisi. [0087] Chaque cycle de circulation de l'émulsion entre la zone réduite 3 et la zone de res- triction 6 est équivalent à un temps de passage (et donc de contact bulles de gaz/ boues), notamment dans le réacteur, de quelques secondes, par exemple un temps t REVENDICATIONS[Revendication 1] Procédé d'amélioration de la biodégradabilité d'une boue organique (I, 17) comprenant au moins un cycle de traitement de durée totale comprise entre de l'ordre de 8 s et de l'ordre de 20 s, ledit cycle comprenant une première étape de création d'une première émulsion de boue hydrolysée dans une première zone (3, 20, 39) dite zone réduite, par injection d'un gaz (4, 23) dans ladite zone réduite, une deuxième étape d'expansion brusque de l'émulsion dans une deuxième zone (5, 21), dite zone d'expansion, et une troisième étape de récupération de l'émulsion via une troisième zone (6, 25) dite zone de resniction. [Revendication 2] Procédé d'amélioration de la biodégradabilité d'une boue selon la re- vendication 1, dans lequel on injecte la boue (1, 17) et le gaz dans la zone réduite (3, 20, 39) en conférant à la boue dans ladite zone réduite une première vitesse V1 supérieure ou égale à 20 m/s et une première pression relative Pl, on réalise l'expansion brusque de l'émulsion dans la zone d'expansion (5, 21) à une deuxième pression relative P2 supérieure à 2 bar, puis on récupère l'émulsion dans la zone de restriction en conférant à ladite émulsion dans ladite zone de restriction (6, 25) une seconde vitesse V2 supérieure ou égale à 20 m/s. [Revendication 3] Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la première zone, (3, 20, 39) dite réduite, étant un élément de diamètre d dans lequel la boue passe à la première vitesse élevée V1 et à pression Pl, on injecte le gaz à un débit déterminé, pour créer l'émulsion gazeuse, compressible, qui alimente alors la deuxième zone en aval de plus grand diamètre D que l'élément dans lequel l'émulsion passe, à une pression P2 > Pl et à une vitesse y 20 m/s. [Revendication 4] Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, ca- ractérisé en ce que le gaz est de l'air. [Revendication 5] Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, ca- ractérisé en ce qu'on réitère le cycle au moins N fois avec N > 2. [Revendication 6] Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que N > 7. [Revendication 7] Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, ca- ractérisé en ce que la première zone étant. la partie centrale d'un venturi (20, 36) allongé autour d'un axe (41) parallèle au sens d'alimentation de la boue, on injecte l'air dans ladite partie centrale de façon oblique par 16 [Revendication 8] [Revendication 9] [Revendication 10] [Revendication 11] [Revendication 12] [Revendication 13] [Revendication 14] [Revendication 15] rapport à l'axe du venturi. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que la pression moyenne dans la deuxième zone est P2 > 3,5 bars et en ce que la pression en aval de la zone de restriction est une troisième pression P3 égale à la pression atmosphérique. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en cc qu'on dégaze l'émulsion après la troisième zone avant réitération. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'on dégaze l'émulsion par choc mou de l'émulsion sur elle-même ou sur un volet (63. U) absorbant d'énergie, de freinage de l'émulsion. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gaz est injecté dans le sens du flux avec un angle compris entre 20' et 90' avec la direction du flux. Dispositif (16) d'amélioration de la biodégradabilité d'une boue organique (17) comprenant un récipient (21) en ligne pressurisé, des moyens (18) d'alimentation du récipient par la boue en continu comprenant un venturi (20) de passage de la bouc, allongé autour d'un axe, au moins un piquage d'injection en gaz (23) dans le rétrécissement dudit Venturi, pour injection en biais par rapport à l'axe agencé pour créer une émulsion dans le récipient et des moyens d'évacuation de l'émulsion dudit récipient via un organe (25) générant une perte de charge, et des moyens (32, 33, 34, 35) de mise en circulation en boucle dans le récipient de ladite émulsion par les moyens d'alimentation en boue, en amont de l'injection de gaz (23) dans ladite émulsion par lesdits moyens d'alimentation en boue. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un piquage (40) d'injection en gaz dans le venturi en biais avec un angle compris entre 20° et 90° par rapport à l'axe du venturi. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 12 et 13, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (26, 60) de dégazage de l'émulsion à la pression atmosphérique par choc mou de l'émulsion sur elle-même ou sur un volet absorbant d'énergie (63, U). Soupe organique obtenue à partir du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que elle comprend au moins 80% de bactéries lysées.