APPAREIL DE RECEPTION ET DE CONDITIONNEMENT DE DECHETS ORGANIQUES PAR BIOCONVERSION ANAF.ROBTF.
DOMAINE TECHNIQUE Cette invention concerne un appareil de réception et de conditionnement de déchets organiques fonctionnant par bioconversion anaérobie, ainsi qu'un procédé de traitement d'un flux de déchets organiques dans cet appareil. L'application principale de l'invention est le traitement des déchets de cuisine dans les restaurants et autres institutions du même genre, mais d'autres applications sont également possibles.
ARRTERE PLAN DE ' TNVENTTON
La réduction et l'élimination ou la récupération énergétique des déchets organiques provenant des activités urbaines est un problème qui peut être abordé sous divers angles, et dont l'étude conduit à des solutions variables selon l'importance attribuée aux différents paramètres considérés .
Autrefois, les restes alimentaires étaient rachetés pour servir d'aliments pour les animaux. Aujourd'hui, cette forme traditionnelle de recyclage des déchets alimentaires cède la place à une politique de destruction, beaucoup plus onéreuse. Parallèlement, la tendance se développe, dans la branche alimentaire, de rallonger la durée du stockage intermédiaire des déchets, pour espacer des levées qui coûtent, elles aussi, toujours plus cher.
Les réponses imaginées jusqu'ici pour contenir ce risque au niveau des déchets alimentaires en attente sont respectivement la réfrigération ou la stérilisation partielle avec des produits chimiques; c'est-à-dire le ralentissement temporaire et coûteux d'une activité biologique non contrôlée.
A l'opposé de la pratique actuelle, la présente invention préconise le traitement local et immédiat des matières organiques par la mise en oeuvre d'une biologie contrôlée dans un digesteur spécialement conçu.
La présente invention prend en compte principalement la masse des déchets de cuisine que doivent
gérer les responsables de restaurants servant un nombre de repas important. Elle découle de deux constatations :
D'une part l'offre, à ces institutions, d'un digesteur anaerobie aussi compact que possible, mais apte à recevoir la masse des déchets pour restituer en continu des eaux usées, des résidus solides concentrés et du biogaz de bonne qualité au point de vue du pouvoir calorifique et de la combustibilité, répond à un besoin réel.
D'autre part les stations d'épuration, appareils de compostage ou autres installations du même genre fonctionnent de façon conventionnelle selon le principe consistant à collecter des flux de déchets organiques sur une échelle aussi large que possible, et les concentrer en un même lieu, afin que le processus de bioconversion se déroule dans des conditions relativement stables.
La stabilité est en effet une condition essentielle à l'entretien du processus biologique de transformation des matières .
EXPOSE DE T.'TNVFNTTON
Considérant les flux de déchets de cuisine qui sont produits dans les restaurants ou autres institutions du même genre, la présente invention s'écarte du principe énoncé ci-dessus. Elle vise l'installation de digesteurs sur les lieux mêmes où les déchets sont produits, et propose un système de traitement qui permet, en agissant de manière judicieuse sur la dynamique du digesteur, d'entretenir le processus de bioconversion, malgré des variations quantitatives ou des irrégularités qualitatives passagères dans le flux des déchets à traiter.
En procédant ainsi, le reste alimentaire sera traité avant d'avoir eu le temps de développer un quelconque pouvoir pathogène, et, grâce à l'action des micro-organismes de la méthanogénèse, verra son potentiel énergétique valorisé sous la forme de biogaz.
L'idée principale de l'invention est de créer un appareil de traitement de déchets organiques dont le fonctionnement peut être conduit à volonté avec précision, de manière à ce que le processus de traitement se déroule avec la meilleure efficacité possible, ceci malgré des variations dans le flux de déchets à traiter.
Pour cela, la présente invention comporte comme premier objet l'appareil de la revendication 1, et comme deuxième objet, le procédé selon la revendication 14.
D'autres caractéristiques de l'invention sont exposées dans les revendications dépendantes.
La cuve de l'appareil selon l'invention comporte une enceinte principale qui est le siège de la bioconversion, et une enceinte secondaire destinée à recevoir et stocker les déchets organiques broyés avant d'être transférés dans l'enceinte principale pour compléter la bioconversion.
Au fur et à mesure de leur production, on introduit les déchets organiques, provenant par exemple d'une cuisine de restaurant, dans un dispositif de réception, on broie les déchets au moyen d'un broyeur ou autre désintégrateur mécanique, et les déchets broyés sont introduits dans l'enceinte secondaire de la cuve.
La capacité de l'enceinte secondaire 18 peut correspondre au minimum à la quantité maximale de déchets broyés traités par jour. Son remplissage a normalement lieu au moins une fois par jour et la masse journalière de déchets séjournerait dans l'enceinte secondaire pendant environ un jour. Pendant leur séjour dans l'enceinte secondaire, les déchets sont préchauffés et commencent une première phase de dégagement de gaz sans émettre d'odeurs désagréables. Ces déchets broyés dans l'enceinte secondaire forment une masse homogène, dont on peut maintenir ou améliorer l'homogénéité par une circulation ou brassage au moyen des circuits de recyclage décrits ci-dessous. Ensuite, on effectue des transferts dosés du contenu de l'enceinte secondaire dans l'enceinte principale en fonction de la progression de la bioconversion, ceci au moyen d'un ensemble de circuits de recyclage du contenu de l'enceinte principale et de l'enceinte secondaire. L'ensemble de circuits de recyclage comporte une pompe et des moyens de distribution du contenu de l'enceinte principale entre des niveaux différents à l'intérieur de celle-ci, permettant des prélèvements du contenu de l'enceinte principale de la cuve et des adjonctions aux niveaux sélectionnés selon les paramètres du procédé de biométhanisation .
L'enceinte principale de la cuve, qui est le siège de la biométhanisation, contient une masse fluide stratifiée, donc non homogène, avec une couche spongieuse flottante sur la surface libre et une accumulation de boues denses au fond. Par des prélèvements et des adjonctions aux niveaux sélectionnés de cette masse fluide stratifiée, on peut ainsi contrôler les conditions de biométhanisation d'une manière continue et fiable.
L'ensemble de circuits de recyclage comporte aussi des moyens d'extraction distincts pour des résidus solides et des rejets liquides, permettant d'effectuer par intermittence des prélèvements dosés d'une partie sélectionnée du contenu de l'enceinte principale vers ces moyens d'extraction, où les solides et les liquides sont récupérés.
Pour équilibrer le contenu de l'enceinte principale, chaque prélèvement vers les moyens d'extraction sera suivi par le transfert d'une quantité plus ou moins équivalente des déchets broyés de l'enceinte secondaire dans l'enceinte principale. Ceci permet une alimentation progressive de l'enceinte principale avec des doses d'une masse homogène préchauffée, donc sans choc thermique susceptible de déséquilibrer le processus de biométhanisation qui demande notamment une grande stabilité thermique.
L'enceinte secondaire est de préférence séparée de l'enceinte principale de la cuve par une cloison de séparation à l'intérieur de la cuve, les enceintes principale et secondaire étant surmontées par une zone supérieure commune pour la collection du biogaz et, avantageusement, cette cloison comporte une partie supérieure inclinée permettant aux matières solides flottantes dans l'enceinte principale de se déverser dans l'enceinte secondaire, cette partie inclinée de la cloison étant perforée pour permettre la filtration des liquides dans l'enceinte principale. De cette manière, les matières solides non-digérées par le processus de biométhanisation retombent dans l'enceinte secondaire où elles sont mélangées avec les déchets broyés en attente, pour ensuite être recyclées dans l'enceinte principale.
En mesurant le rapport CO2/CH4 du biogaz à sa sortie de la cuve, par exemple par des moyens d'analyse
spectromé rique et/ou calorimétrique de la flamme du brûleur, il est possible de connaître le rapport carbone/azote des déchets dans l'enceinte principale de la cuve, permettant ainsi d'agir sur un dispositif d'introduction auxiliaire agencé pour doser l'introduction dans la cuve d'un produit d'appoint, notamment de l'eau, un produit carboné, un produit azoté. Ce dispositif peut par exemple comporter un dispositif de séparation de graisses des eaux grasses, relié directement ou indirectement à l'enceinte secondaire.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS On va décrire ci-après, à titre d'exemple, une forme d'exécution principale du digesteur, et diverses variantes possibles, ainsi qu'un mode de mise en oeuvre du procédé. On se réfère pour cela aux dessins annexés dont : La Figure 1 est un schéma simplifié d'un digesteur; La Figure 2 est un schéma simplifié d'un séparateur qui peut être associé au digesteur de la Figure 1; et La Figure 3 est un schéma d'une variante.
MODES DE REALISATION PREFERES La Figure 1 montre les éléments principaux d'une forme d'exécution du digesteur. Celui-ci comporte une cuve fermée 1 qui est le siège de la bioconversion anaerobie. Cette cuve peut être en tôle d'acier inoxydable, ou en matière plastique. Dans le cas où la durée du cycle de transformation est de l'ordre de 10 jours, et la quantité de déchets à traiter est en moyenne de 25 litres par jour, la capacité de la cuve sera de l'ordre de 500 litres au minimum, afin que le niveau libre de la masse des déchets puisse varier sans entrave. La forme générale de la cuve est cylindrique, avec un dôme à la partie supérieure pour permettre l'accumulation de la phase gazeuse, en principe un mélange de méthane (CH4) et de gaz carbonique (CO2) , et un fond conique à la base pour faciliter l'évacuation et la circulation des boues.
Un bloc d'alimentation 2 assure l'introduction des déchets à traiter dans la cuve 1. Il prend la forme d'un broyeur entraîné par un moteur 3 et pourvu d'une trémie d'alimentation 4. Le broyeur refoule dans la cuve 1 les déchets qui sont déversés dans la trémie 4. Suivant les
cas, ce bloc d'alimentation peut aussi prendre une autre constitution. On verra plus loin différentes variantes.
Un bloc séparateur 5 forme une enceinte supplémentaire reliée à la cuve 1 de manière à ce que le principe des vases communiquants permette un équilibrage des niveaux entre la cuve et le séparateur, et que la différence des niveaux libres entre ces deux parties du digesteur corresponde à la pression du gaz dans la cuve. Le séparateur 5 comporte à sa base un cyclone ou une centrifugeuse 6 assurant la concentration de la phase solide qui sera extraite à cet endroit. Dans certains cas, cette séparation peut être obtenue par un simple décanteur.
Au-dessus du séparateur 5 s'étend une colonne 7 dans laquelle la phase liquide stabilisée s'accumule. Au sommet de la colonne 7 est prévu un déversoir 8. La phase solide des résidus séparés dans le bloc 5 s'extrait par une vanne 9 et tombe dans un bac 10 muni d'un écoulement, et dans lequel on peut installer par exemple des sacs perméables échangeables permettant 1 ' égouttement des résidus et leur enlèvement. Dans le cas où l'organe 6 est une centrifugeuse, le séparateur sera pourvu d'une sortie 22 pour la phase liquide et d'une trappe (non représentée) par laquelle il sera possible d'extraire la phase solide sous forme de galettes cylindriques. Une partie importante de l'installation décrite ici est le bloc de circulation 11. Il comporte un distributeur à plusieurs voies 12, une pompe de recyclage 13 et diverses tuyauteries interconnectant les éléments du digesteur. Tout d'abord, on notera qu'une tuyauterie en T 14 connecte la sortie du broyeur 2, d'une part à l'entrée d'une enceinte secondaire 18 intérieure à la cuve 1, et d'autre part à une entrée du distributeur 12. Il est ainsi possible de refouler les déchets broyés dans l'enceinte secondaire 18, où ils peuvent rester en attente en présence du gaz déjà formé pour un préchauffage et homogénéisation, et ensuite effectuer un transfert dosé de la masse homogénéisé et préchauffée des déchets vers l'enceinte principale par le distributeur 12, la pompe 13 et le circuit de recyclage 15. Ce dernier est l'organe qui permet de conduire avec précision le processus de biométhanisation. C'est un ensemble de tuyauteries muni des vannes nécessaires et notamment des organes de commande 17a et 17b. Il se
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présente, dans l'exemple de la Figure 1, de la façon suivante :
Deux segments de tuyauteries 16a et 16b connectent respectivement le fond de la cuve 1 au distributeur multivoie 12, et ce dernier à l'aspiration de la pompe 13. La branche 23 du circuit 15 relie le refoulement de la pompe 13 d'une part à l'entrée de l'organe 17a, et d'autre part à un robinet de déversement dans le déversoir 8. Enfin, des connexions 24 et 25 relient le cyclone ou la centrifugeuse 6 du séparateur, d'une part avec la tuyauterie 16a, et d'autre part avec le distributeur 12.
Les organes 17a et 17b plongent parallèlement l'un à l'autre dans la cuve 1. Ils ont l'allure de cannes formées de deux tubes concentriques dont l'un est actionnable en rotation au moyen d'un moteur disposé au sommet de l'organe. Ces tubes sont munis d'ouvertures coïncidant à différents niveaux de sorte que suivant l'orientation relative des deux tubes de la canne, le fluide situé dans le tube intérieur peut passer dans la cuve à un certain niveau, ou le fluide de la cuve peut entrer dans la canne également au niveau désiré. La canne 17b est reliée au distributeur multivoie 12 par une connexion 17c. Ainsi, grâce à l'ensemble distributeur 12, 17a, 17b, le circuit 15 permet de prélever du fluide dans la cuve au niveau désiré pour le faire passer dans le bloc de sortie 5, ou de le recycler à n'importe quel niveau dans la cuve.
La cloison interne 18a, qui sépare l'enceinte auxiliaire 18 du reste de la cuve, comporte une partie supérieure formée d'une plaque plane inclinée. Elle est munie d'une ouverture 19. Une partie inférieure en forme de tubulure de diamètre relativement grand, prolonge l'enceinte secondaire 18 vers le bas où le refoulement du broyeur 2, conduit dans la tuyauterie 14, pénètre dans la cuve.
Ainsi, les enceintes principales et secondaires 18 du digesteur peuvent être alimentées, brassées, interconnectées et vidangées par l'ensemble de recyclage décrit . Enfin, le dôme de la cuve est relié par une tuyauterie d'extraction 20 à un bloc de conditionnement 21 qui fournit le biogaz prêt à une utilisation ultérieure.
Suivant la taille de l'application envisagée, c'est-à-dire la quantité de déchets à traiter, le biogaz, qui n'est autre que la forme renouvelable du gaz naturel, sera dirigé vers un chauffe-eau, ou vers un groupe chaleur-force. Le bloc 21 comprend un séparateur d'eau, une soupape de sécurité et un compteur de débit . Une soupape hydraulique ayant une colonne d'eau de hauteur déterminée, réglable, que le gaz traverse par huilage, sera également intégrée au bloc 21. Cette soupape règle la pression dans la cuve 1. Le cas échéant un appareil de test de la combustibilité du gaz peut encore être prévu.
La division du digesteur en un bloc d'alimentation
2, un bloc de circulation 11, un bloc de séparation et d'extraction 5, et un bloc de conditionnement du gaz 21, permet une gestion souple et efficace du digesteur en fonction de trois critères :
Critère physique : formation de phases solide, liquide et gazeuse bien séparées;
Critère chimique : production d'un gaz combustible permettant une récupération d'énergie intéressante; et
Critère biologique : entretien de conditions qui assurent la vie de populations bactériennes efficaces.
Au point de vue constructif, on obtient une disposition particulièrement compacte en plaçant l'ensemble du bloc de circulation 11 en dessous de la cuve 1, sous la forme d'une embase la soutenant. L'ensemble peut être agencé à l'intérieur d'une enveloppe ayant la forme d'une armoire, la trémie d'entrée 4 étant accessible, par exemple derrière un portillon à la manière des mécanismes connus équipant certains vide-ordures .
En variante, la cuve 1 et les moyens d'extraction sont enfermés dans un volume clos, ventilé, notamment une armoire, et le dispositif de réception, par exemple un récipient à portillon basculant, ainsi que le broyeur 2, sont disposés en dehors de cette armoire à un emplacement plus proche de la production des déchets, et sont raccordés à la cuve 1 par un tuyau souple. A titre d'exemple, cette disposition permet de situer le dispositif de réception dans une cuisine, alors que l'armoire/cuve est située dans un local annexe.
Afin d'éviter le dégagement d'odeurs ou les risques en cas de fuite, la partie supérieure de l'enveloppe forme
un caisson agencé de manière à assurer la ventilation intégrale de la machine.
Les dispositifs auxiliaires à prévoir comporteront des instruments de mesure des paramètres importants: pression, température, niveau, débits pour la pompe et le broyeur et, éventuellement, le pH. Ils comporteront aussi les moyens de commande permettant d'agir à volonté sur les éléments de l'ensemble distributeur, la pompe 13, le séparateur 6, etc., ainsi que sur les corps de chauffe pour maintenir la cuve à la température désirable (35 à 55°C) .
Tel que décrit ci-dessus, le digesteur peut fonctionner efficacement dans de nombreuses conditions différentes. Le bloc d'alimentation 2 peut comporter, outre le broyeur, une pompe refoulant le mélange de déchets préconditionnés dans la tuyauterie 14. La pression dans la cuve 1 étant réglée par le bloc 21, comme indiqué plus haut, un dispositif siphoïde 34 évacue automatiquement le surplus des déchets fluides refoulés dans l'enceinte 18. Ces matières retombent dans la trémie d'entrée 4 du dechiqueteur ou du broyeur, signalant au personnel qui alimente l'appareil que celui-ci est momentanément saturé.
On peut aussi prévoir, en variante, une disposition dans laquelle le bloc d'alimentation est remplacé par un dispositif à deux étages dont la trémie alimente un dechiqueteur centrifuge capable de refouler la masse des déchets dans un compartiment secondaire placé en position supérieure, exposé à l'air. Ce compartiment peut être muni d'un déversoir et constituer, avec la trémie d'entrée, un circuit fermé permettant aux déchets broyés de tourner en attendant d'être refoulés par le broyeur 2 dans l'enceinte 18 de la cuve. On a constaté qu'avec une telle disposition, la masse des déchets en attente et exposée à l'air est le siège d'une première bioconversion qui est aérobie et productrice de chaleur. On peut concevoir la construction décrite sous forme modulaire. Le cas échéant, plusieurs cuves 1 de mêmes dimensions peuvent être branchées en parallèle pour augmenter la capacité. La construction modulaire permet d'agencer des digesteurs répondant de manière optimale, de cas en cas, aux conditions particulières du traitement.
Comme tous les aliments, les déchets de cuisine sont principalement des produits quaternaires, contenant
les éléments carbone, hydrogène, oxygène et azote, ou des produits ternaires contenant carbone, hydrogène et oxygène. Cependant, pour le bon entretien des populations bactériennes dans un digesteur, il faut veiller à ce que le rapport C/N garde une valeur convenable.
Les déchets de cuisine d'un restaurant représentent un flux de matières qui est essentiellement variable en quantité et en composition.
La mise en oeuvre du système de traitement décrit implique donc la connaissance des variations qu'il y a lieu d'attendre, dans chaque cas particulier, ce qui permet d'établir un programme de pilotage du digesteur.
Le personnel du restaurant aura pour instructions de déverser les déchets dans la trémie 4 au fur et à mesure de leur production. Le broyeur 2 peut être commandé automatiquement, par exemple par détection de la présence d'une masse dans la trémie 4. La commande peut aussi être manuelle ou fonction du temps.
Comme indiqué plus haut, le flux broyé sortant du broyeur 2 est mis en attente dans l'enceinte secondaire 18 pour préchauffage et homogénéisation. On comprend que la conduite du processus peut dans certains cas être entièrement automatique. A chaque instant, l'état momentané du processus est représenté par l'ensemble des données fournies par les moyens de mesure. La comparaison de ces données avec des valeurs de consigne prédéterminées, permet de déterminer quand et comment il y a lieu d'actionner les moyens d'extraction et/ou les moyens de recyclage, le cas échéant les moyens de chauffage ou les moyens d'introduction auxiliaires.
L'introduction de déchets de cuisine broyés dans l'enceinte principale d'une cuve telle que décrite crée une masse fluide qui a tendance à se stratifier. A la surface libre se forme une couche ayant une structure spongieuse ou émulsionnée, tandis que des boues denses s'accumulent dans le fond de la cuve. Le processus biochimique se déroule dans une zone moyenne, avec dégagement de bulles de gaz qui se rassemblent dans la zone supérieure commune appartenant à l'enceinte principale et à l'enceinte auxiliaire, zone dans laquelle la puissance du dégagement crée une certaine pression à l'intérieur de la cuve.
La phase liquide stabilisée sera extraite par la tuyauterie 22 et évacuée par une canalisation d'eaux usées.
Normalement, la phase solide n'a qu'un volume très faible.
Elle peut être compactée et évacuée au moyen d'un sac introduit dans le bac 10.
Quant à la phase gazeuse stabilisée, sa composition résulte dans une certaine mesure du pilotage de la bioconversion. Ce gaz combustible peut être recueilli et stocké en vue d'une utilisation ultérieure. Cependant on peut aussi l'utiliser sur place et sans délai en l'amenant au brûleur d'un chauffe-eau, par exemple d'un chauffe-eau à condensation, comportant la récupération de la chaleur latente des gaz de combustion. L'eau chaude produite peut être utilisée pour le maintien de la cuve en température ou pour tout autre usage. On notera que cette utilisation offre l'avantage de simplifier considérablement la prise de données relatives à la composition et aux caractéristiques du biogaz produit par le digesteur. En effet, l'analyse, par exemple par des moyens optiques, de la flamme du brûleur fournit immédiatement les informations requises.
Le pilotage du processus comporte des transferts dosés de matières en attente, de l'enceinte 18 dans l'enceinte principale, avec adjonction éventuelle de matières d'appoint, et le recyclage de portions déterminées de la masse fluide dans l'enceinte principale, par prélèvement d'une masse à un niveau déterminé et restitution à un autre niveau. Grâce aux moyens 17a, 17b, ces recyclages s'effectuent sans agitation exagérée de la zone où se produit l'activité biologique. Le niveau de la masse fluide dans l'enceinte principale peut monter jusqu'à l'ouverture 19 et faire déverser la couche supérieure dans l'enceinte secondaire. De préférence, la partie oblique de la cloison 18a a une structure de grille, ce qui permet une filtration, la phase liquide retournant dans l'enceinte principale tandis que les phases solides non digérées dans l'enceinte principale retombent dans l'enceinte secondaire 18 et sont mélangées avec les déchets broyés en attente.
On comprend que l'ensemble des opérations de pilotage peuvent le cas échéant être commandées à distance, depuis un poste de service par le moyen de dispositifs de télémesure et de télécommande. On peut aussi dans certains
cas où les conditions d'apport des déchets sont suffisamment établis, concevoir des programmes de gestion.
Dans le cas où on désire traiter les déchets de cuisine de restaurants ayant une certaine importance, c'est-à-dire servant par exemple plus de 300 repas par jour en moyenne, la construction compacte décrite ci-dessus peut apporter de manière inattendue une simplification significative aux installations et aux opérations usuelles de traitement des eaux. On sait en effet que l'élimination des eaux grasses est une contrainte gênante dans les restaurants d'une certaine importance. Pour éviter l'encrassement des tuyauteries, les installations doivent comporter un dispositif de séparation des graisses des liquides évacuables avec les eaux usées. Ces séparateurs sont généralement constitués de deux chambres de rétention/ décantation des particules lourdes, et de flottation des graisses. Ils sont vidangés et curés périodiquement, opérations qui génèrent malheureusement des odeurs nauséabondes .
Or, le digesteur tel que décrit ci-dessus peut facilement être complété par un séparateur de graisses tel que représenté à la Figure 2. Le traitement des eaux grasses est alors dissocié au fonctionnement du digesteur, et se déroule d'une manière beaucoup plus commode.
Une cuve séparée 26 est prévue pour la flottation des graisses. Les eaux résiduaires, produites par les plonges et les machines à laver, sont introduites dans un bassin récepteur 27 puis s'écoulent dans un séparateur à grille 28 d'où les matières solides sont évacuées vers la trémie 4. Les eaux grasses proprement dites parviennent ensuite dans la cuve de flottation assistée 26 dans laquelle un brasseur 29 leur communique une rotation mesurée. Un évacuateur 30 entraîné en rotation par le même moteur que le brasseur 29 tourne à la hauteur du niveau liquide dans la cuve. En effet, c'est à cet endroit que les graisses surnageantes s'accumulent. L'extracteur 31 les envoie vers la trémie 4 et l'enceinte 18 du digesteur, tandis que les eaux usées sont éliminées soit par le bas de la cuve de flottation soit par une tuyauterie (non représentée) raccordée au corps de la cuve de flottation.
Deux dispositifs auxiliaires augmentent considérablement l'efficacité du séparateur décrit. Ce sont l'échangeur de chaleur 32 qui refroidit le séparateur et récupère ainsi la chaleur de chauffe des machines à laver, tout en facilitant la solidification des graisses, et le circuit de bullage 33. Ce dernier part d'une dérivation prévue sur la tuyauterie de gaz à la sortie de la cuve 1 et pénètre par un diffuseur dans la partie inférieure de la cuve de flottation 26. Une pompe ou un compresseur peuvent être prévus dans ce circuit pour refouler le gaz qui traverse la masse liquide des eaux grasses dans le séparateur, puis fait retour à la tuyauterie de sortie 20. Cette opération lave le gaz, augmente la proportion de méthane, puisque le CO2 est plus facilement soluble dans l'eau que la CH4, et contribue à une meilleure séparation des graisses .
Quant à l'eau résiduaire, elle profite aussi de l'opération puisque sa teneur en carbone s'en trouve augmentée ce qui permet de l'utiliser le cas échéant dans la production végétale comme vecteur de l'élément carbone. On notera qu'un circuit de bullage analogue à celui décrit ici peut aussi être connecté à la cuve de biométhanisation anaerobie. Il sert de moyen de brassage et d'activâtion du dégazage par coalescence. La récupération des graisses, telle que décrite ci- dessus, permet de piloter le rapport C/N. En effet, les graisses étant des produits contenant essentiellement du carbone et de l'hydrogène, leur introduction dosée rétablit la valeur du rapport C/N, et permet par conséquent de conduire le digesteur avec une efficacité améliorée.
On notera enfin que le digesteur décrit permet de mettre en oeuvre un autre moyen encore pour piloter le rapport C/N : l'introduction dans la trémie d'entrée des serviettes et nappes en papier usées. Ces matières contiennent peu d'azote, beaucoup de carbone et de fibres. Ces dernières faciliteront l'extraction et la séparation de la phase solide par un effet floculant.
La Figure 3 représente une variante de la forme d'exécution visible à la Figure 1. On y retrouve des éléments semblables ou identiques à certaines parties du digesteur déjà décrit. Ils seront désignés par les mêmes références .
D'autre part, le digesteur de la Figure 3 comporte certaines adjonctions et perfectionnements qui ressortiront de la description qui suit.
La cuve 1 a sensiblement la même constitution que celle de la Figure 1, avec son enceinte secondaire 18, séparée de la partie principale par la cloison 18a munie de l'ouverture 19. Le prolongement inférieur de l'enceinte 18 est raccordé à la tuyauterie 14. On notera que la partie supérieure de la cloison 18a comporte une grille 18b dont le rôle apparaîtra plus tard.
Le bloc d'alimentation 2 comporte un récipient collecteur 40 avec un portillon 41. Dans le collecteur 40 débouchent la sortie du dispositif siphoïde 34 et celle d'un dispositif d'introduction auxiliaire 59, représenté ici par un réservoir muni d'un organe d'introduction, circulateur ou robinet électromagnétique. Le broyeur à moteur 3 est logé à la base du récipient 40.
Les différences principales entre la forme d'exécution de la Figure 3 et celle qui a été décrite précédemment se trouvent dans la structure du système de distribution et de recyclage. Ici, la pompe 13 est un organe dont la vitesse de rotation peut être inversée, de sorte que le fluide peut circuler soit dans un sens soit dans l'autre, et cela avec des vitesses différentes. D'autre part, l'ensemble distributeur qui était désigné par
12, et auquel étaient adjoints les deux organes de prélèvement et de réinsertion 17a et 17b se compose ici de quatre organes désignés respectivement par 43, 44, 45 et
46. Ces quatre organes sont de construction semblable, avec un tube fixe dans la longueur duquel sont réparties des lumières 48, d'un tube mobile en rotation à l'intérieur du tube fixe, également muni de lumières correspondantes, et d'un indexeur qui peut être commandé pour amener sélectivement chacune des lumières du tube intérieur en coïncidence avec une lumière fixe.
Les deux organes dis ributeurs 43 et 44 sont raccordés par leur tube fixe à chacune des entrées de la pompe 13. Ils remplacent l'organe 12 de la première forme d'exécution. Les organes 45 et 45 sont disposés comme les éléments 17a et 17b, c'est-à-dire verticalement dans l'enceinte principale de la cuve. Les quatre indexeurs 47 des organes 43 à 46 sont reliés à un poste de commande
automatique et programmable API, auquel sont également reliés les capteurs de données surveillant le fonctionnement de l'appareil et les moteurs d'entraînement de la pompe 13, du broyeur 3 et de la centrifugeuse 5. On notera que la lumière fixe supérieure de l'organe 46 est raccordée à une tubulure 49 débouchant au- dessus de l'enceinte secondaire 18.
Les lumières fixes des organes 43 et 44 sont raccordées aux divers composants du système de 'distribution. Ceux de l'organe 43 sont raccordés respectivement au broyeur 3 pour permettre l'introduction des déchets dans l'enceinte d'attente 18, au fond de la cuve pour permettre l'évacuation des boues vers la centrifugeuse 5, à une lumière fixe de l'organe 46 dans un but de recyclage qui apparaîtra plus tard, la quatrième lumière étant prévue pour le raccordement de la cuve 1 à une seconde cuve d'appoint, fonctionnant en esclave.
Pour l'organe 44 les lumières fixes sont raccordées à la base de l'enceinte secondaire par la tuyauterie 14 d'introduction des déchets, à la centrifugeuse 5 par la tuyauterie 25, et à une lumière fixe de l'organe 45 pour le recyclage, la quatrième lumière étant également prévue pour le raccordement à une cuve d'appoint.
Nous décrivons maintenant les éléments assurant la commande, le contrôle et la sécurité de l'appareil.
Le dispositif siphoïde 34 comporte ici deux tubulures d'entrée 50 et 51 disposées verticalement l'une dans l'enceinte principale, l'autre dans l'enceinte secondaire. Elles se terminent à la même hauteur, celle-ci déterminant le niveau de remplissage maximum de la cuve.
Les deux composants essentiels du bloc de conditionnement 21 sont le séparateur d'eau 52, fonctionnant aussi comme soupape de sécurité, et le ballon à soufflet 53 constituant un réservoir tampon et, en même temps, l'organe assurant la mise en pression de la cuve et du circuit de gaz .
La fonction de la soupape 52 résulte du dessin : Les gouttes d'eau entraînées dans la tuyauterie 20 tombent dans la partie profonde de la soupape, qui communique à sa base avec la partie large dans laquelle le niveau est assuré par une tubulure de déversoir. La différence entre les deux niveaux correspond à la pression imposée par le
régulateur à soufflet 53. Ce dernier est lesté par un poids 54 dont la valeur détermine la pression régnant dans la cuve 1, dans la tuyauterie 20, etc.
Les blocs 55 et 56 contrôlent l'utilisation immédiate du biogaz produit dans la cuve 1. Les éléments 57 et 58 sont respectivement un compteur volumétrique du débit de gaz et un chauffe-eau dans lequel l'énergie thermique dégagée par combustion du gaz est transférée à un circuit qui alimente les corps de chauffe 60 de la cuve 1, et se raccorde à un circuit général permettant toute autre utilisation de l'eau chaude produite. Dans le bloc 56 on reconnaît un circulateur et une vanne à quatre voies commandée par l'automate API, assurant la sélection des fonctions du chauffe-eau. Deux capteurs permettent d'enregistrer les états d'expansion maximum et minimum du réservoir à soufflet 53 et d'assurer l'enclenchement ou l'arrêt forcé du chauffe- eau 58.
Le compteur 57 et le chauffe-eau 58 sont également raccordés à l'automate API pour assurer un contrôle qualitatif de la biométhanisation. Pour cela, deux moyens différents sont à disposition et les éléments nécessaires pour assurer au moins un de ces deux moyens de contrôle sont prévus. Un des moyens consiste à enregistrer en permanence le débit volumétrique du gaz et le bilan thermique du chauffe-eau. Ceci permet de calculer le pouvoir calorifique du gaz brûlé, et donc de connaître au moins approximativement sa composition. On sait en effet que le biogaz produit dans une installation telle que le digesteur décrit est essentiellement un mélange de gaz carbonique, non combustible, et de méthane, dont le pouvoir calorifique est connu. La composition du gaz produit à un certain moment dans le digesteur est une indication sur la manière dont se déroule le phénomène de la biométhanisation, et cette indication, interprétée en fonction de l'état momentané des organes mécaniques de la machine, permet de gérer le processus.
L'autre moyen d'analyse du gaz produit est l'observation optique de la flamme du brûleur. Sa couleur, ou plus précisément les valeurs de l'intensité spectrale de son rayonnement, permettent également d'en déduire la composition du gaz.
Le procédé, qui fait également l'objet de l'invention, est constitué par l'ensemble des opérations essentielles qu'il faut effectuer afin que le digesteur fonctionne de la manière la plus efficace possible, étant donné le rythme d'introduction et la nature des déchets organiques déversés dans le récipient 40. Il convient de préserver des conditions de biométhanisation aussi stables que possible dans la zone active de la cuve 1, de permettre l'accumulation régulière du gaz dans la conduite 20 et le réservoir tampon 53, et d'extraire régulièrement les rejets liquides et les résidus solides de la cuve. Les opérations qui doivent être effectuées se divisent en opérations de routine, qui se répéteront normalement à intervalles réguliers, en opérations occasionnelles, dont le rythme de répétition dépend de plusieurs facteurs et qu'il conviendra de commander de cas en cas lorsque certaines conditions se trouveront réunies, et en opérations de sauvegarde, c'est- à-dire des mesures destinées à être prises en priorité pour sauvegarder la vie et l'activité des populations bactériennes à l'oeuvre dans le digesteur.
La première catégorie d'opérations comporte : a) L'introduction des matières dans l'enceinte secondaire 18. Comme on l'a déjà dit, le broyeur 3 et la pompe 13 interviennent alors pour refouler les matières organiques du récipient 40 par la tuyauterie 14 dans l'enceinte 18. Cette opération peut être commandée par le personnel qui vide les déchets dans le récipient, ou de manière automatique, soit en fonction du temps, soit en fonction du taux de remplissage du récipient. De manière typique, l'opération de remplissage sera effectuée au moins une fois par jour et la capacité de l'enceinte secondaire 18 atteindra au minimum la quantité journalière maximale de réception de déchets programmée pour l'installation. b) L'extraction de liquide stabilisé pris dans l'enceinte principale de la cuve, à une hauteur située sous la couche surnageante. Cette opération sera programmée de manière à s'effectuer aussi régulièrement que possible, par exemple à un rythme de 5% de la quantité moyenne journalière introduite dans la cuve, toutes les heures. Le liquide sera prélevé par un des orifices de l'organe 46, et refoulé par la pompe 13 vers la tuyauterie 25 et le déversoir 22.
c) Immédiatement après chacune des opérations b) , une même quantité de matières sera extraite de l'enceinte secondaire 18 par la tuyauterie 14 et injectée à un niveau choisi dans la cuve 1, par l'organe 46 afin de rétablir le niveau de remplissage de la cuve.
Le rythme indiqué pour les opérations b) et c) sera modulé selon les données recueillies. Une valeur totale journalière supérieure ou inférieure à la quantité introduite aura tendance à raccourcir ou augmenter le temps de séjour des matières dans la cuve. Ce paramètre interviendra dans la programmation des opérations. d) Enfin, une autre opération de routine sera commandée périodiquement : celle consistant, surtout dans le cas où le transfert du récipient 40 vers l'enceinte 18 a lieu d'une manière relativement fréquente, à renverser la structure de l'empilement des matières en attente dans l'enceinte 18. La partie la plus récente du contenu de cette enceinte sera reprise par la tuyauterie 14, la pompe 13 et l'organe 46 de manière à passer par la tubulure déversoir 49 et à se retrouver dans la partie supérieure de l'enceinte 18. Au cours de cette opération, la phase liquide des matières véhiculées sera filtrée par la grille 18b et repassera directement dans l'enceinte principale de la cuve 1. La seconde catégorie d'opérations (opérations occasionnelles) comporte : a) Le brassage des matières dans la cuve 1.
Par indexage convenable des deux organes de prélèvement et de réinsertion 45 et 46 on peut capter du liquide au niveau désiré dans l'enceinte principale de la cuve 1 et, par le distributeur 44, la pompe 13 et le distributeur 43, le restituer à un autre niveau sans agitation de l'ensemble de la masse liquide, donc sans perturbation de la zone active dans laquelle la population bactérienne assure la bioconversion. b) L'aspersion de la couche surnageante.
Les mêmes éléments que ci-dessus permettent aussi de faire couler du liquide pris dans une zone stabilisée, sur la couche surnageante afin de favoriser son intégration au processus. c) L'évacuation des solides.
En règle générale la production de matières solides et compactée ne représente qu'un pourcentage réduit du résultat du traitement. Les boues seront soutirées à la base de la cuve, conduites dans la centrifugeuse 5 puis, une fois compactées, évacuées dans le bac de réception 10. d) Introduction d'une matière d'appoint.
Dans le cas où les déchets alimentant un digesteur présentent systéma iquement une structure qui est déficiente du point de vue des bilans chimiques désirables, l'introduction d'un produit d'appoint par le dispositif 59 peut être prévue selon un programme convenu. Comme on l'a déjà mentionné, les mélanges de matières introduits dans le digesteur doivent préserver l'équilibre entre des composés azotés et des composés carbonés, ce qui résulte en un rapport CO2/CH4 du biogaz déterminant son pouvoir énergétique. Le récipient 59 pourra ainsi, si les déchets à traiter sont fortement azotés, contenir une charge d'un produit carboné, par exemple une huile, et les organes de commande injecteront périodiquement une dose de ce produit dans le récipient 40.
Les mesures de sauvegarde reviennent essentiellement à assurer les paramètres favorables au développement des populations actives, soit : a) En premier lieu, le digesteur doit conserver en toutes circonstances une température régulière, condition assurée par les opérations ci-dessus. Suivant les cas, elle peut être de l'ordre de 35° ou de 55°C, mais ses variations ne doivent pas dépasser plus/moins 2°C. Des organes d'alarme peuvent être prévus en cas de variation inadmissible. b) En second lieu, il est nécessaire qu'indépendamment de la composition momentanée du biogaz, sa pression dans la cuve, de même que dans le réservoir à soufflet 53 et au brûleur du chauffe-eau, reste constante. Ce paramètre est assuré par la tare 54 du réservoir à soufflet 53, mais toute extension ou contraction exagérées de cet organe est contrôlée par des capteurs. Le gaz en surplus peut être évacué par la ventilation de l'armoire, tandis qu'une baisse de pression peut être compensée par un flux d'appoint convenable. c) En outre, le dispositif syphoïde 34 permet de gérer toute surcharge de la cuve 1, et la grille 18b assure
la filtration de matières solides flottantes qui pourraient néanmoins se déverser dans l'enceinte secondaire 18. En cas de surcharge momentanée, signalée par le refoulement par le dispositif syphoïde 34, l'alimentation du récipient 40 par l'apport de matières organiques nouvelles sera interrompu ou réduit afin de rétablir l'opération normale.
Tel que décrit ci-dessus, le digesteur a fait preuve de qualités remarquables. Avec une alimentation en déchets organiques provenant d'un restaurant, on a pu noter les chiffres suivants:
Quantité moyenne traitée : 50 kg/jour
Distribution en poids des rejets : gaz 20 % liquide 65 % solides 15 % Le liquide rejeté contient moins de 5 g/1 de matières organiques et peut être évacué directement dans la canalisation des eaux usées. Le volume de gaz produit, à température et pression normales, est de 800 1/kg de déchets. L'énergie thermique tirée du gaz produit est de 15500 Kcal/jour.