"Procédé continu pour le traitement biologique en lit fluidisé d'un effluent liquide organique et bioréacteur pour réaliser ce traitement".
PROCEDE CONTINU POUR LE TRAITEMENT BIOLOGIQUE EN LIT FLUIDISE D'UNEFFLUENT LIQUIDE ORGANIQUE ET BIOREACTEUR POUR REALISER CE TRAITEMENT.
L'invention concerne un procédé continu, pour le traitement biologique en lit fluidisé d'un effluent liquide organique en présence de microorganismes. De tels procédés biologiques comprennent essentiellement les processus de fermentation et notamment ceux de fermentation anaérobie d'effluents contenant des substances organiques en solution et/ou en suspension.
Ces processus de fermentation peuvent mettre en présence des microorganismes ou des communautés de micro-organismes, notamment bactériennes, immobilisés sur un support organique ou minéral.
Il est connu dans les procédés de traitement biologique en lit fluidisé d'effectuer un recyclage unique du lit fluidisé de haut en bas du réacteur.
Suivant les brevets belge 831247 et français 2189328, l'effluent traité est capté à la partie supérieure de la colonne cylindrique dans la zone inter-faciale du lit fluidisé et recyclé dans la conduite d'introduction de l'eau résiduaire, dans le but notamment de favoriser la croissance des micro-organismes sur les particules pendant les opérations d'ensemencement et de maintenir un écoulement uniforme lorsque le débit d'introduction diminue.
Le seul recyclage prévu s'applique au liquide clair situé au-dessus
du lit fluidisé et non au lit fluidisé.
Suivant la demande internationale de brevet WO 81/02308, le mélange fluidisé est extrait à la partie supérieure du réacteur biologique jusqu'à un dispositif de séparation pour en séparer le liquide et les boues actives qui sont ensuite recyclées à la base du réacteur. Par conséquent, seules les boues actives sont réintroduites à la base du réacteur.
Suivant le brevet des Etats-Unis 4.177.144, il est prévu de contrôler l'excès de croissance cellulaire par pompage du lit fluidisé en un point de la colonne situé à la partie inférieure et de la recycler en un point supérieur de la colonne. L'action du pompage fournit une agitation suffisante des particules avec effet de cisaillement. Ce recyclage est appelé recyclage principal. On prévoit également un recyclage auxiliaire entre la zone dite claire à la partie supérieure du lit fluidisé et la section du recyclage principal comprise entre la vanne et la pompe.
Ces deux recyclages ne sont pas simultanés et le recyclage auxiliaire ne se produit qu'après fermeture de la vanne agissant sur le recyclage principal. De plus, aucun de ces recyclages n'agit sur la fluidation. La présente invention a pour objet un procédé continu pour le traitement biologique en lit fluidisé d'un effluent liquide organique en présence de micro-organismes immobilisés sur un support solide, caractérisé par au moins deux recyclages internes du liquide biologique, dont un au moins participe à la fluidisation.
Elle a également pour objet un bioréacteur pour le traitement biologique en lit fluidisé d'un effluent liquide organique en présence de micro-organismes immobilisés sur un support solide, caractérisé en ce qu'il est pourvu d'au moins deux conduites pour le recyclage interne du liquide biologique, dont un au moins participe à la fluidisation. Par traitement biologique en lit fluidisé d'un effluent liquide organique, on entend tout traitement de transformation biochimique de résidus organiques,.présents dans l'effluent à l'état dissous ou en suspension, sous l'action de micro-organismes. Suivant le but recherché, on met en jeu une seule espèce de micro-organismes ou des populations complexes de micro-organismes dont les interactions permettent d'assurer la dégradation des molécules organiques en molécules plus simples.
Les micro-organismes utilisés pour ces transformations biochimiques comprennent notamment les bactéries, les champigons, les algues, les virus et la protozoaires. Les communautés de micro-organismes sont choisies en fonction du processus biologique mis en oeuvre.
Les traitements bilogiques les plus courants comprennent notamment les procédés de fermentation par voie aérobie et anaérobie.
La présente invention s'applique plus particulièrement aux procédés de fermentation anaérobie et plus spécialement à la digestion anaérobie d'une grande variété de matières organiques en suspension ou en solution en vue d'obtenir du méthane. Le processus de méthanogénèse est basé sur la faculté qu'ont certaines communautés bactériennes d'utiliser en absence d'oxygène l'énergie potentielle contenu dans
la matière organique au moyen d'un ensemble complexe de réactions.
La mise en oeuvre du processus de méthanogénèse permet d'utiliser trois groupe de bactéries : les bactéries fermentatives, les bactéries acétogènes productrices obligées d'hydrogène, les bactéries méthanigènes. Ces communautés bactériennes sont immobilisées suivant un processus d'immobilisation par étapes successives. Une première étape voit la formation d'un film organique d'origine biologique sur le support solide.
Cette première étape est suivie d'une colonisation par plusieurs espèces morphologiquement différentes dont les bactéries méthanigènes. Au cours d'une troisième étape, la colonisation évolue vers un enrichissement du nombre d'espèces et un accroissement de la masse bactérienne immobilisée.
Suivant la présente invention, le traitement biologique d'un effluent liquide est appliqué en lit fluidisé suivant une technique bien connue appelée fluidisation.
Le terme lit fluidisé se réfère aux flux vertical d'un liquide à travers un lit de particules solides de diamètre quelconque. Le flux liquide doit être suffisant pour.assurer la suspension de particules. en suspension constituant le lit fluidisé et donc assurer la mise en mouvement des particules solides du lit fluidisé ainsi constitué. Dans ce cas, l'expansion du lit de particules amène celui-ci à avoir un volume plus important qu'au cas où le flux liquide est nul.
Le procédé s'applique à des substances organiques en solution, en suspension colloïdale ou non colloïdale.
Suivant la présente invention, on utilise au moins deux recyclages internes dont un au moins participe à la fluidisation.
Par recyclage interne, on entend le prélèvement d'un certain volume
de fluide par unité de temps en un point duiéacteur bilogique et sa réintroduction, par l'intermédiaire d'une pompe, en un autre endroit du réacteur.
Ces recyclages internes peuvent s'effectuer de bas en haut et/ou de haut en bas du réacteur biologique.
Toutes les combinaisons sont possibles à conditions qu'au moins un
des recyclages assure la fluidisation de tout ou partie des particules en suspension se trouvant dans le réacteur. Ceci implique donc qu'au moins un des recyclages prélève un certain volume de fluide par unité de temps en un point haut du réacteur, pouvant être quelconque, et sa réintroduction par l'intermédiaire d'une pompe en un point bas du réacteur, pouvant être quelconque mais inférieur au point haut de prélèvement dans le réacteur.
Les débits de prélèvements sont quelconques, mais de préférences, il seront choisis pour que la valeur de la vitesse superficielle fluide dans le réacteur puisse être comprise entre un millième de mètre par heure et cent mètres par heure.
Au moins un des deux recyclages internes participe à la fluidisation. En effet, au moins un des deux recyclages internes va provoquer dans le réacteur biologique une augmentation plus ou moins importante du débit fluide. Cette augmentation de débit fluide permettra de se trouver dans une plage de vitesse ascensionnelle correspondant aux caractéristiques de fluidisations propres aux particules à fluidiser. Suivant une variante du procédé, un au moins des recyclages internes participe à la fluidisation et un au moins participe à 1'. immobilisation des micro-organismes sur le support solide.
Au moins un des recyclages participe à la fluidisation comme décrit au paragraphe précédant et au moins un des recyclages crée en partie ou en totalité un chemin hydraulique assurant la mise en contact des communautés bactériennes avec le support solide. Cette mise en contact permet l'immobilisation des micro-organismes sur le support solide. Il est évident que le nombre de chemins hydrauliques créés par les différents recyclages internes n'est pas limitatif mais que pour des..raisons d'efficacité et d'économie, on se limite à moins de dix chemins hydrauliques. De préférence, le procédé continu biologique en lit fluidisé
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nismes immobilisés sur un support solide est caractérisé par l'utilisation de deux à cinq recyclages internes dont un au moins participe
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Ces recyclages internes peuvent être continus ou discontinus mais ils sont de préférence continus.
Suivant une réalisation préférentielle de l'invention, le procédé s'applique à la production de méthane par digestion anaérobie de liquide biodégradables.
/ Par liquides biodégradables, on entend des liquides ou effluents liquides de substances organiques les plus diverses en solution, en suspension colloïdale ou non colloïdale.
Les liquides biodégradables utilisés pour la production de méthane proviennent notamment de résidus organiques de l'agriculture, des industries agricoles ou des résidus urbains.
Dans la digestion anaérobie ou biométhanisation de liquides biodégradables, le procédé met en oeuvre plusieurs communautés bactériennes anaérobies.
La présente invention a également pour objet un bioréacteur pour le traitement biologique en lit fluidisé d'un effluent liquide organique en présence de micro-organismes immobilisés sur un support solide, caractérisé en ce qu'il est pourvu d'au moins deux conduits pour le recyclage interne du liquide biologique dont un au moins participe
à la fluidisation.
Ces conduits pour le recyclage interne du liquide biologique peuvent être quelconques. Ils comprennent de préférence une tuyauterie d'aspiration pour le prélèvement amenant le liquide à une pompe et une tuyauterie de refoulement pour l'injection du liquide en un point du réacteur. L'ensemble formé des conduits d'aspiration, de refoulement et de la pompe constitue selon la présente invention le conduit pour le recyclage interne du liquide biologique.
Suivant une variante de l'invention, le bioréacteur comprend au moins deux conduits pour le recyclage interne dont un au moins participe à la fluidisation et un au moins participe à l'immobilisation des microorganismes sur le support solide.
En effet, au moins un des conduits pour le recyclage interne participe à la fluidisation et au moins un autre conduit crée en partie ou en
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nautés bactériennes avec le support solide. Cette mise en contact permet l'immobilisation des micro-organismes sur le support solide.
Il est évident que le nombre de conduits pour la recirculation interne du liquide biologique n'est pas limitatif mais, pour des raisons d'efficacité et d'économie on se limite à moins de dix conduits différents et de préférence de 2 à 5 conduits pour le recyclage interne.
Les conduits de recyclage interne du liquide biologique peuvent effectuer des recyclages internes continus ou discontinus mais de préférence, les recyclages internes sont continus.
Les conduits de recyclage interne du liquide biologique peuvent effectuer des recyclages internes allant de bas en haut et/ou de haut en bas du réacteur biologique.
La quantité de liquide à recycler par unité de temps peut varier dans de grandes limites en fonction des effets recherchés.
Le type de bioréacteur utilisé peut être un bioréacteur à section constante ou non. La géométrie du bioréacteur correspond à une hauteur au moins égale au double de la plus grande largeur du bioréacteur. La section perpendiculaire à la hauteur peut être de forme quelconque, par exemple : circulaire, carrée, rectangulaire, polygonale ou une combinaison de ces diverses formes.
A titre d'exemples, non limitatifs, citons un réacteur cylindrique à section constante, un réacteur constitué d'une série de cylindres de diamètre décroissant du haut vers le bas ou un réacteur à forme inversée de forme quelconque, par exemple tron pyramidal inversé.
Plus particulièrement, le bioréacteur faisant l'objet de la présente invention s'applique à la production de méthane par digestion anaérobie de liquides biodégradables.
Le bioréacteur correspondant à la présente invention a pour principal avantage de pouvoir dégrader dans un même volume la fraction soluble et la fraction solide du substrat organique biodégradable. L'utilisation d'au moins deux recyclages internes permet de distinguer la ou les zone(s) de dégradation de la fraction solide organique biodégradable de la ou des zone(s) de dégradation de la fraction soluble organique biodégradable.
La présente invention sera mieux comprise à l'aide des figures 1 et
4 donnant quelques réalisations non limitatives du bioréacteur faisant l'objet de la présente invention. La figure 1 représente un bioréacteur de type cylindrique comportant deux recyclages internes du liquide biologique assurés par deux conduits de recyclages internes allant de haut en bas du bioréacteur.
La figure 2 représente un bioréacteur, constitué d'une partie troncpyramidale inversée surmontée d'une partie parallélépipédique, comportant deux recyclages internes assurés par deux conduits de recylcage interne allant de bas en haut du bioréacteur. La figure 3 représente un bioréacteur du type représenté à la figure 2 mais comportant une zone de décantation au sommet du bioréacteur, trois recyclages internes assurés par deux conduits de recyclage interne allant de haut en bas du bioréacteur et un conduit de recyclage interne allant de bas en haut du bioréacteur. La figure 4 représente un bioréacteur du type représenté à la figure 3 mais comportant cinq recyclages internes assurés par quatre conduits de recyclage interne allant de bas en haut du bioréacteur.
Suivant la figure 1, le bioréacteur 1 du type cylindrique comporte :
- un conduit 2 assurant l'alimentation en substrat à la base du bioréacteur 1 dans le sens 3,
- un conduit de recyclage interne 4 constitué d'une pompe 5 débitant dans le sens 6, le point de prélèvement 7 est situé juste en-dessous de l'interface liquide-gaz 8 dans la partie haute du digesteur, le point d'injection 9 est situé à la base du bioréacteur 1.
- un conduit de recyclage interne 10 constitué d'une pompe 11 débitant dans le sens 12, le point de prélèvement 13 est situé à mi-hauteur du réacteur,
le point d'injection 14 est situé à la base du bioréacteur 1.
-l'évacuation du gaz produit dans le bioréacteur 1 s'effectue par le conduit 15 situé au sommet du bioréacteur 1.
- l'évacuation de l'effluent du bioréacteur 1 s'effectue par le conduit
16 situé au niveau de l'interface liquide-gaz 8 dans la partie haute du bioréacteur 1.
Suivant la figure 2, le bioréacteur 17 du type tronc pyramidal inversé surmonté d'une partie parallélépipédique ne diffère du bioréacteur 1
-que par ses caractéristiques géométriques.
Suivant la figure 3, le bioréacteur 18 du type pyramidal inversé surmanté d'une partie parallélépipédique comporte :
- un conduit 2 amenant l'alimentation. en substrat à la base du bioréac-
-teur 18 dans le sens 3,
- un conduit de recyclage interne 10 constitué d'une pompe 11 débitant dans le sens 12, le point de prélèvement 13 est situé à mi-hauteur du réacteur à l'intersection des parties tronc-pyramidales et parallélépipédique, le point d'injection 14 est situé à la base du bioréacteur
18.
- un conduit de recyclage interne 29 constitué d'une ponpe 30 débitant dans le sens 31, le point prélèvement 32 est situé aux trois-quarts de la hauteur du bioréacteur 18, le point d'injection 33 est situé au niveau de l'interface liquide-gaz 8 dans la partie haute du bioréacteur 18,
- l'évacuation de l'effluent du bioréacteur 18 s'effectue par le conduit 16 situé au niveau de l'interface liquide-gaz 8 dans la partie <EMI ID=4.1>
Suivant la figure 4, le bioréacteur 19 du type tronc pyramidal inversé surmonté d'une partie parallélépipédique pyramidal inversé surmonté d'une partie parallélépipédique comporte :
- un conduit 2 assurant l'alimentation en substrat à la base du bioréacteur 19 dans le sens 3,
- un conduit de recyclage interne 10 constitué d'une pompe 11 débitant dans le sens 12, le point prélèvement 13 est situé à mi-hauteur du réacteur à l'intersection des parties tronc-pyramidales et parallélépipédique, le point d'injection 14 est situé à la base du bioréacteur 19,
- un conduit de recyclage interne 4 constitué d'une ponpe 5 débitant dans le sens 6, le point de prélèvement 7 est situé juste en dessous de l'interface liquide-gaz 8 dans la partie haute du digesteur, le point d'injection 9 est situé à la base du bioréacteur 19,
- un conduit de recyclage interne 20 constitué d'une pompe 21 débitant dans le sens 22, le point de prélèvement 23 est situé aux trois-quarts de la hauteur du bioréacteur 19, le point d'injection 14 est situé à la base du bioréacteur 19,
- un conduit de recyclage interne 24 constitué d'une pompe 25 débitant dans le sens 26, le point de prélèvement 27 est situé aux trois quarts de la hauteur du bioréacteur 19, le point d'injection 28 est situé à la moitié de la hauteur du bioréacteur 19,
- un conduit de recyclage interne 29 constitué d'une pompe débitant dans le sens 31, le point de prélèvement 32 est situé aux trois quarts de la hauteur du bioréacteur 19, le point d'injection 33 est situé au niveau de l'interface liquide-gaz 8 dans la partie haute du bioréacteur 19,
- l'évacuation du gaz produit dans le bioréacteur 19 s'effectue par /
le conduit 15 situé au sonnet du bioréacteur 19,
- l'évacuation de l'effluent du bioréacteur 19 s'effectue par le conduit 16 situé au niveau de l'interface liquide gaz 8 dans la partie haute du bioréacteur 19.
L'exemple suivant donne une réalisation du procédé faisant l'objet
de la présente invention appliquée à la biométhanisation d'un substrat organique du type semi-soluble.
Ce substrat est composé de résidus de fosse septique. La figure 5 donne les dimensions du bioréacteur. Ce bioréacteur est du type troncpyramidal surmonté d'une partie parallélépipédique. La composition détaillée de ce bioréacteur est donnée dans la figure 2. Nous avons chargé le bioréacteur avec une quantité de biomasse substrat équivalente à 1,7 grammes de demande chimique en oxygène par litre de bioréacteur et par jour. Le temps moyen de séjour hydraulique est de trois jours. La conversion du substrat semi-soluble "résidus de fosse septique" est de 60 % avec une production de biogaz de 0,34 litre
par jour et par litre de volume utile du réacteur.