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Procédé de traitement de purin d'élevage d'animaux, en vue de sa valorisation comme engrais
La présente invention concerne un procédé de traitement du purin d'élevages d'animaux.
Les élevages d'animaux constituent aujourd'hui une source très importante de pollution organique, parce que la pratique de l'élevage hors sol entraîne une production de lisiers et fumiers qui ne peut plus être absorbée par les terres de culture. Cette pollution se manifeste par des odeurs nauséabondes lors de l'épandage et par la libération de nitrates qui sont lessivés par les intempéries, et finissent par aboutir dans les cours d'eau et les nappes phréatiques, qu'ils polluent.
Une des causes de la pollution provoquée par ces résidus d'élevage est que ces résidus sont constitués de matière organique non stabilisée, c'est-à-dire susceptible de se dégrader spontanément en libérant des sous-produits malodorants et toxiques.
La dégradation microbienne constitue une voie connue depuis longtemps pour stabiliser ces matières organiques dégradables. Suivant les conditions, elle est le fait de bactéries aérobies ou de bactéries anaérobies. Une dégradation essentiellement aérobie se produit spontanément dans le sol, mais en libérant des toxines qui mettent en danger la germination et le développement des plantes.
On a donc depuis longtemps cherché à opérer ces fermentations de manière contrôlée, soit par voie aérobie (compostage) soit par voie anaérobie (méthanisation). Ces procédés sont largement utilisés sur des résidus solides ou
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liquides.
En particulier, les stations d'épuration des eaux usées recourent à un procédé mixte aérobie/anaérobie, dans lequel les eaux d'égout sont tout d'abord soumises à dégrillage pour en séparer les solides volumineux. La fraction liquide est ensuite aérée par différents moyens (aspersion sur lit de cailloux, aération par brassage ou insufflation d'air, ...), ce qui déclenche une fermentation aérobie avec réduction de la DBO (demande biologique en oxygène) et croissance soutenue de bactéries aérobies, qui constituent ce que l'on appelle les boues de station d'épuration. On procède éventuellement à une clarification de l'eau par ajout de floculants et/ou sédimentation, et la fraction liquide clarifiée est finalement rejetée dans les cours d'eau.
De leur côté, les boues organiques produites par le traitement sont soit épandues soit fermentées dans un digesteur anaérobie, où leur masse est réduite avec production d'un mélange gazeux dont les constituants essentiels sont le CO2 et le CH4, lequel mélange peut être utilisé pour produire une partie de l'énergie nécessaire au traitement. La fraction liquide de l'effluent du digesteur est renvoyée en tête du traitement.
Le but des procédés d'épuration des eaux usées est donc de purifier le liquide pour rejeter, après traitement, de l'eau aussi pure que possible, avec production d'un résidu sous forme de boues, qui contient la plus grande fraction possible des polluants et constituants organiques initialement présents dans les eaux usées.
A la différence, le but de l'invention est non pas de purifier le liquide à forte charge organique, mais bien de le stabiliser en lui faisant subir de manière accélérée un processus de dégradation, ou encore de minéralisation, bactérienne, de manière à produire un liquide fertilisant stable et essentiellement inodore contenant encore la plus grande partie des éléments fertilisants (essentiellement N, P, K) présents dans le purin initial, tandis que la fraction solide inévitablement produite sous forme de boue
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est réduite au minimum.
Un but de l'invention est de fournir un procédé et une installation de traitement de purin d'élevages, en vue de dégrader ou de stabiliser-c'est-à-dire en substance minéraliser-les constituants organiques du purin, pour les transformer en éléments fertilisants (essentiellement N, P, K) directement assimilables, sous une forme liquide.
L'intérêt d'un tel procédé est double, puisqu'il permet d'une part de se débarrasser d'un sous-produit gênant et polluant de l'élevage, et qu'il fournit d'autre part un produit fertilisant liquide, inodore et facile d'emploi.
Un élément important du procédé selon l'invention réside en ce que, par un transvasement lent et progressif des matières traitées dans une succession de cuves de traitement, on modifie progressivement les conditions d'aérobiose/anaérobiose dans les cuves successives de manière à favoriser d'abord la croissance des bactéries aérobies qui sont à l'origine de la première, et quantitativement la plus importante, dégradation des matières putrescibles présentes dans le purin, et ensuite celle des bactéries anaérobies qui termineront la stabilisation en se nourrissant en partie des bactéries aérobies entraînées avec le liquide et qui ne peuvent survivre dans un tel environnement. Le résultat en est un liquide organique stabilisé.
Celui-ci n'est en effet plus susceptible d'entrer en fermentation, avec production de toxines, lors de son utilisation comme fertilisant, mais contient par contre encore l'essentiel des éléments fertilisants initialement présents, sous une forme directement assimilable par les racines des plantes.
L'invention va maintenant être décrite plus en détail à l'aide d'un exemple de réalisation représenté au dessin.
Dans celui-ci, la figure unique représente schématiquement un mode de réalisation d'une installation permettant la mise en oeuvre du traitement selon l'invention.
Essentiellement, le procédé selon l'invention consiste
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à aérer et homogénéiser le purin dans un première cuve, pour le charger en oxygène, pendant un laps de temps suffisant pour obtenir une colonie suffisante de bactéries aérobies pour la suite du processus de dégradation, poursuivre dans une série de cuves successives ouvertes, la dégradation bactérienne aérobie amorcée dans la première cuve, en épuisant progressivement la charge organique et la charge en oxygène du liquide, terminer le processus par dégradation anaérobie dans une deuxième série de cuves successives fermées récupérer à la fin du processus un liquide essentiellement inodore et à forte charge minérale, contenant une grande partie des éléments fertilisants
N, P, K contenus dans le purin initial.
soutirer périodiquement, et suivant les besoins, le dépôt solide qui se forme à la partie inférieure des cuves.
Dans le mode de réalisation de la figure 1, l'installation permettant le traitement selon l'invention est essentiellement constituée d'une série de cuves 1-7 raccordées en série. La cuve 1 est de préférence une cuve ouverte, équipée d'un système d'aération et d'agitation 8 dont le fonctionnement peut être commandé à volonté, et en particulier suivant des programmes qui seront décrits plus en détail plus loin.
Le but du système d'aération et d'agitation 8 est d'introduire suffisamment d'air-et donc d'oxygène-dans le liquide pour satisfaire la demande des bactéries aérobies (DBO ou demande biologique en oxygène) actives dans la première partie du traitement, dans les cuves 2 à 4.
Dans le schéma de la figure, les cuves 2 à 4 de la première série sont représentées comme des cuves fermées, reliées à l'atmosphère par un évent 9, permettant les échanges gazeux entre le contenu de la cuve et
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l'atmosphère.
Les cuves 2 à 4 pourraient tout aussi bien être des cuves ouvertes, puisque la transformation qui s'y produit est aérobie ; on préfère toutefois, en pratique, qu'elles soient plus ou moins fermées, pour éviter une trop grande déperdition calorifique en hiver, réduire les odeurs, et les isoler des intempéries si elles sont placées à l'extérieur.
Les cuves 5 à 7 de la deuxième série, dans laquelle se produit une transformation anaérobie, sont par contre isolées de l'atmosphère pour éviter l'apport d'oxygène qui nuirait aux bactéries en cause.
La fermentation anaérobie s'accompagne cependant d'une dégagement gazeux (C02 et CH4), et les cuves doivent donc permettre une évacuation des gaz formés. Ceci peut être obtenu par un évent à clapet, ou encore par un évent à siphon, comme représenté en 9'au dessin.
Le fractionnement de chaque étape (aérobie/anaérobie) du traitement dans plusieurs cuves distinctes permet selon l'invention d'obtenir dans chaque cuve un produit sensiblement homogène, ce qui ne serait pas le cas si chaque étape se déroulait dans une seule cuve qui contiendrait alors un mélange de produit frais et de produit déjà plus ou moins dégradé, avec un moins bon contrôle du processus.
Les cuves sont raccordées en cascade par des conduites, désignées respectivement par la référence 10 pour la première série de cuves, et par la référence 11 pour le seconde série de cuves, les deux séries étant reliées entre elles par une conduite 12. Des vannes 13 placées dans les conduites permettent de contrôler le transfert d'une cuve à la suivante, dans l'exemple représenté au moyen de pompes 14.
Voyons maintenant comment se déroulent les phases successives du procédé selon l'invention.
La première étape du procédé consiste à remplir la cuve 1 de purin qui aura été recueilli dans une ou plusieurs
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installations d'élevage. Dès que la cuve 1 a été remplie, le système d'aération 8 est branché. Sa mission est d'incorporer de l'oxygène dans la masse liquide, de manière à favoriser le développement de bactéries aérobies qui assureront la première phase du traitement par fermentation. Cette incorporation d'air, et en particulier d'oxygène, peut s'effectuer de différentes manières : brassage par hélice, comme représenté au dessin, incorporation d'air par barbotage ou tout autre système d'aération disponible dans le commerce. L'aération s'effectuera de préférence de manière intermittente, sous la commande d'une horloge de programmation.
Un programme d'aération de 5 minutes toutes les 30 minutes s'est avéré convenir dans la pratique, mais cette valeur est indicative et peut varier suivant les saisons. Cette aération sera maintenue pendant une durée qui dépendra de la température ambiante, et qui s'étendra sur environ 4 jours en été, à 8 jours en hiver, en fonction des conditions locales particulières de température été/hiver.
Lorsque cette première phase du traitement est terminée, à savoir après quatre à huit jours suivant la saison et la température ambiante, le contenu de la cuve 1 est transféré dans la cuve 2, et une nouvelle charge de purin est introduite dans la cuve 1.
En pratique, en fonctionnement de régime, après la période transitoire de mise en route, le contenu de la dernière cuve 7 qui contient le liquide stabilisé, est prélevé pour être conditionné, le contenu de la cuve 6 est transféré dans la cuve 7, et ainsi de suite jusqu'à libérer la cuve 2, dans laquelle est transféré le contenu de la cuve 1.
Selon l'invention, on prévoit dans chacune des cuves 2 à 7 un temps de séjour double du temps de séjour dans la cuve d'aération 1 et, pour ce faire, on prévoit des cuves 2 à 7 d'un volume sensiblement double d'une charge de la cuve d'aération 1.
Dans cette perspective, la cuve 2 joue le rôle d'un
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tampon en ce sens qu'elle reçoit deux charges successives de la cuve 1 avant que son contenu soit transféré à la cuve suivante. Comme on l'a déjà dit plus haut, ce fractionnement du liquide traité dans plusieurs cuves, combiné à un transfert discontinu d'une cuve à la suivante, chaque fois préalablement vidée, permet d'obtenir dans chaque cuve un liquide dont la dégradation bactérienne est sensiblement homogène, ce qui ne serait pas le cas si le contenu des cuves était mélangé, et s'accompagnerait d'un moins bon contrôle du processus de stabilisation.
Compte tenu de ce processus, l'intervalle de temps entre chaque vidage de cuve est le même pour chacune des cuves 2 à 7, et est double du temps de séjour dans la cuve 1, ce qui correspondant à un temps de séjour double, si ce n'est dans la cuve 2 dans laquelle les deux lots introduits successivement ne séjournent pas pendant la même période.
Les conditions se modifient peu à peu d'une cuve à la suivante, et l'on passe ainsi progressivement de conditions franchement aérobies dans la cuve 1, à des conditions de moins en moins favorables aux bactéries aérobies, par appauvrissement de la teneur en oxygène consommé par la transformation.
Le déroulement du processus est tel que, lorsque le liquide atteint la cuve 5, les bactéries aérobies ont consommés sensiblement toute la matière organique oxydable, de sorte que le processus peut se poursuivre par fermentation anaérobie. Il n'y a évidemment pas d'hiatus dans le processus, de sorte que l'on passe progressivement de conditions d'aérobiose à des conditions d'anaérobiose, d'une part par consommation de l'oxygène dissous dans le liquide, et d'autre part par l'isolement des trois dernières cuves vis-à-vis de l'atmosphère.
Les substances organiques initialement présentes poursuivent leur minéralisation, avec réduction concomitante des odeurs et de la toxicité du fluide vis-àvis des plantes.
A la partie inférieure de chaque cuve, on a représenté
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au dessin une conduite de soutirage pourvue d'une vanne 15, en vue de prélever périodiquement le dépôt solide qui se forme inévitablement au cours du temps, pour éviter que les cuves ne se comblent progressivement, avec diminution de la capacité.
En aval de l'installation, on peut prévoir une installation d'embouteillage et/ou de conditionnement du liquide traité en vue de sa commercialisation.
De manière particulièrement avantageuse, on peut prévoir une installation de conditionnement en doses uniques, pour le soin des plantes d'appartement.
Le procédé de l'on vient de décrire en référence à l'installation décrite dans les dessins peut être mis en oeuvre dans une large variété d'installations, dont la capacité de traitement, la disposition des cuves et les matériaux qui les constituent sont susceptibles de très larges variations. Pour cette raison, la portée de l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit ci-dessus, mais uniquement par les revendications qui suivent.
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Process for treating manure from animal breeding, with a view to its use as fertilizer
The present invention relates to a process for the treatment of manure from animal farms.
Animal breeding today constitutes a very important source of organic pollution, because the practice of breeding above ground leads to a production of slurry and manure which can no longer be absorbed by the cultivated land. This pollution manifests itself by foul smells during spreading and by the release of nitrates which are leached by bad weather, and eventually end up in the rivers and groundwater, which they pollute.
One of the causes of the pollution caused by these livestock residues is that these residues consist of unstabilized organic matter, that is to say capable of degrading spontaneously by releasing smelly and toxic by-products.
Microbial degradation is a long-known way to stabilize these degradable organic materials. Depending on the conditions, it is caused by aerobic bacteria or anaerobic bacteria. Essentially aerobic degradation occurs spontaneously in the soil, but by releasing toxins that endanger the germination and development of plants.
We have therefore long sought to operate these fermentations in a controlled manner, either aerobically (composting) or anaerobically (methanization). These processes are widely used on solid residues or
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liquids.
In particular, wastewater treatment plants use a mixed aerobic / anaerobic process, in which sewage is first screened to separate the bulky solids. The liquid fraction is then aerated by different means (spraying on a bed of stones, aeration by mixing or blowing air, ...), which triggers aerobic fermentation with reduction of BOD (biological oxygen demand) and sustained growth aerobic bacteria, which is what is called sewage sludge. A clarification of the water is optionally carried out by adding flocculants and / or sedimentation, and the clarified liquid fraction is finally discharged into the rivers.
For their part, the organic sludge produced by the treatment is either spread or fermented in an anaerobic digester, where their mass is reduced with the production of a gaseous mixture whose essential constituents are CO2 and CH4, which mixture can be used for produce part of the energy required for treatment. The liquid fraction of the digester effluent is returned to the top of the treatment.
The purpose of wastewater treatment processes is therefore to purify the liquid to reject, after treatment, water as pure as possible, with production of a residue in the form of sludge, which contains the largest possible fraction of pollutants and organic constituents initially present in wastewater.
Unlike, the object of the invention is not to purify the liquid with a high organic load, but rather to stabilize it by making it undergo in an accelerated manner a process of degradation, or even mineralization, bacterial, so as to produce a stable and essentially odorless fertilizing liquid still containing most of the fertilizing elements (essentially N, P, K) present in the initial liquid manure, while the solid fraction inevitably produced in the form of mud
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is minimized.
An object of the invention is to provide a process and an installation for the treatment of manure from farms, with a view to degrading or stabilizing - that is to say in mineralizing substance - the organic constituents of manure, in order to transform them. in nutrients (essentially N, P, K) directly assimilated, in a liquid form.
The advantage of such a process is twofold, since it makes it possible, on the one hand, to get rid of an annoying and polluting by-product from animal husbandry, and on the other hand, it provides a liquid fertilizing product, odorless and easy to use.
An important element of the process according to the invention resides in that, by a slow and progressive transfer of the materials treated in a succession of treatment tanks, the aerobic / anaerobic conditions are gradually modified in the successive tanks so as to favor d 'first the growth of aerobic bacteria which are at the origin of the first, and quantitatively the most important, degradation of putrescible matter present in the liquid manure, and then that of the anaerobic bacteria which will finish the stabilization by feeding partly on the aerobic bacteria entrained with the liquid and which cannot survive in such an environment. The result is a stabilized organic liquid.
This is indeed no longer likely to enter into fermentation, with the production of toxins, when it is used as a fertilizer, but on the other hand still contains most of the fertilizing elements initially present, in a form directly assimilable by the roots. Plant.
The invention will now be described in more detail using an embodiment shown in the drawing.
In it, the single figure schematically represents an embodiment of an installation allowing the implementation of the treatment according to the invention.
Essentially, the method according to the invention consists
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to aerate and homogenize the liquid manure in a first tank, to charge it with oxygen, for a period of time sufficient to obtain a sufficient colony of aerobic bacteria for the rest of the degradation process, continue in a series of successive open tanks, the degradation aerobic bacterial initiated in the first tank, progressively depleting the organic load and the oxygen load of the liquid, terminating the process by anaerobic degradation in a second series of successive closed tanks recovering at the end of the process an essentially odorless and heavily loaded liquid mineral, containing a large part of the nutrients
N, P, K contained in the initial liquid manure.
withdraw periodically, and as necessary, the solid deposit that forms at the bottom of the tanks.
In the embodiment of FIG. 1, the installation allowing the treatment according to the invention essentially consists of a series of tanks 1-7 connected in series. The tank 1 is preferably an open tank, equipped with an aeration and stirring system 8, the operation of which can be controlled at will, and in particular according to programs which will be described in more detail below.
The purpose of the aeration and agitation system 8 is to introduce enough air-and therefore oxygen-into the liquid to meet the demand for aerobic bacteria (BOD or biological oxygen demand) active in the first part. of the treatment, in tanks 2 to 4.
In the diagram in the figure, tanks 2 to 4 of the first series are represented as closed tanks, connected to the atmosphere by a vent 9, allowing gas exchanges between the contents of the tank and
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the atmosphere.
Tanks 2 to 4 could just as easily be open tanks, since the transformation that occurs there is aerobic; in practice, however, it is preferable for them to be more or less closed, in order to avoid excessive heat loss in winter, to reduce odors and to isolate them from bad weather if they are placed outside.
The tanks 5 to 7 of the second series, in which an anaerobic transformation takes place, are however isolated from the atmosphere to avoid the supply of oxygen which would harm the bacteria in question.
Anaerobic fermentation is however accompanied by a release of gas (C02 and CH4), and the tanks must therefore allow an evacuation of the gases formed. This can be obtained by a valve vent, or even by a siphon vent, as shown in 9 ′ in the drawing.
The fractionation of each step (aerobic / anaerobic) of the treatment in several separate tanks allows according to the invention to obtain in each tank a substantially homogeneous product, which would not be the case if each step took place in a single tank which would contain then a mixture of fresh product and already more or less degraded product, with less good control of the process.
The tanks are connected in cascade by pipes, designated respectively by the reference 10 for the first series of tanks, and by the reference 11 for the second series of tanks, the two series being connected together by a pipe 12. Valves 13 placed in the pipes make it possible to control the transfer from one tank to the next, in the example shown by means of pumps 14.
Let us now see how the successive phases of the process according to the invention take place.
The first step of the process consists in filling the tank 1 with liquid manure which will have been collected in one or more
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breeding facilities. As soon as the tank 1 has been filled, the ventilation system 8 is connected. Its mission is to incorporate oxygen into the liquid mass, so as to promote the development of aerobic bacteria which will ensure the first phase of the fermentation treatment. This incorporation of air, and in particular oxygen, can be carried out in different ways: mixing by helix, as shown in the drawing, incorporation of air by bubbling or any other ventilation system available on the market. The ventilation is preferably carried out intermittently, under the control of a programming clock.
A ventilation program of 5 minutes every 30 minutes has proven to be suitable in practice, but this value is indicative and may vary depending on the season. This ventilation will be maintained for a period which will depend on the ambient temperature, and which will extend over approximately 4 days in summer, to 8 days in winter, depending on the specific local conditions of summer / winter temperature.
When this first phase of the treatment is finished, namely after four to eight days depending on the season and the ambient temperature, the content of tank 1 is transferred to tank 2, and a new load of liquid manure is introduced into tank 1.
In practice, in operating mode, after the transitional start-up period, the content of the last tank 7 which contains the stabilized liquid is taken out to be conditioned, the content of the tank 6 is transferred to the tank 7, and so on until the tank 2 is released, into which the contents of tank 1 are transferred.
According to the invention, there is provided in each of the tanks 2 to 7 a residence time double the residence time in the aeration tank 1 and, to do this, tanks 2 to 7 are provided with a volume substantially double d '' a load from the aeration tank 1.
In this perspective, the tank 2 plays the role of a
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buffer in the sense that it receives two successive charges from tank 1 before its content is transferred to the next tank. As already said above, this fractionation of the liquid treated in several tanks, combined with a discontinuous transfer from one tank to the next, each time previously emptied, makes it possible to obtain in each tank a liquid whose bacterial degradation is substantially homogeneous, which would not be the case if the contents of the tanks were mixed, and would be accompanied by less good control of the stabilization process.
In view of this process, the time interval between each emptying of the tank is the same for each of the tanks 2 to 7, and is double the residence time in the tank 1, which corresponds to a double residence time, if it is only in the tank 2 in which the two batches introduced successively do not stay during the same period.
The conditions change little by little from one tank to the next, and we thus progressively pass from frankly aerobic conditions in tank 1, to conditions less and less favorable to aerobic bacteria, by depletion of the oxygen content. consumed by processing.
The course of the process is such that, when the liquid reaches the tank 5, the aerobic bacteria have consumed substantially all of the oxidizable organic matter, so that the process can continue by anaerobic fermentation. There is obviously no hiatus in the process, so that one progressively passes from aerobic conditions to anaerobic conditions, on the one hand by consumption of the oxygen dissolved in the liquid, and on the other hand by the isolation of the last three tanks from the atmosphere.
The organic substances initially present continue their mineralization, with a concomitant reduction in odors and the toxicity of the fluid vis-à-vis plants.
At the bottom of each tank, there is shown
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in the drawing a drawing-off line provided with a valve 15, with a view to periodically withdrawing the solid deposit which inevitably forms over time, to prevent the tanks from gradually filling up, with a reduction in capacity.
Downstream of the installation, provision may be made for a bottling and / or packaging installation for the treated liquid with a view to marketing it.
In a particularly advantageous manner, one can provide a packaging installation in single doses, for the care of houseplants.
The process which has just been described with reference to the installation described in the drawings can be implemented in a wide variety of installations, the treatment capacity of which, the arrangement of the tanks and the materials which constitute them are susceptible very wide variations. For this reason, the scope of the invention is not limited to the embodiment described above, but only by the claims which follow.