EP4304995A1 - Digesteur a volume de ciel gazeux reduit - Google Patents

Digesteur a volume de ciel gazeux reduit

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EP4304995A1
EP4304995A1 EP22710110.2A EP22710110A EP4304995A1 EP 4304995 A1 EP4304995 A1 EP 4304995A1 EP 22710110 A EP22710110 A EP 22710110A EP 4304995 A1 EP4304995 A1 EP 4304995A1
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EP
European Patent Office
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digestate
volume
enclosure
digester
tank
Prior art date
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Pending
Application number
EP22710110.2A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Mathieu Haddad
Valéry GEAUGEY
Cynthia BERLOU
Manuel Lipp
Pedro Benard Guedes Lopes Da Fonseca
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xl Beteiligungen & Co KG GmbH
Suez International SAS
Original Assignee
Xl Beteiligungen & Co KG GmbH
Suez International SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xl Beteiligungen & Co KG GmbH, Suez International SAS filed Critical Xl Beteiligungen & Co KG GmbH
Publication of EP4304995A1 publication Critical patent/EP4304995A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
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    • C02F11/02—Biological treatment
    • C02F11/04—Anaerobic treatment; Production of methane by such processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/02—Aerobic processes
    • C02F3/08—Aerobic processes using moving contact bodies
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    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/28—Anaerobic digestion processes
    • C02F3/2866—Particular arrangements for anaerobic reactors
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Definitions

  • the invention lies in the technical field of the biological treatment of sludge, in particular from waste water.
  • the invention relates to a digester intended for the implementation of a sludge methanization treatment.
  • Anaerobic digestion is a technology based on the degradation by microorganisms of organic matter, under controlled conditions and in the absence of oxygen, therefore in an anaerobic environment. Also known as anaerobic digestion.
  • digestate which is a wet product, rich in partially stabilized organic matter. It is generally envisaged to return the digestate to the soil after possibly a maturation phase by composting;
  • Biogas a gaseous mixture generally saturated with water at the outlet of the digester and typically composed of approximately 50% to 70% methane (CH4), 30% to 50% carbon dioxide (C02) and some trace gases ( NH3, N2, H2S).
  • CH4 methane
  • C02 carbon dioxide
  • NH3, N2, H2S trace gases
  • the methanation is carried out in a digester.
  • the digester can be seen as an enclosure closed by an upper wall (also called a roof), defining two volumes: a first volume containing the material to be treated, the sludge, the digestate generated; and a second volume between the first volume and the upper wall, also called the gas sky, and towards which the generated biogas rises.
  • sludge should be understood as being any organic material, including organic waste and all kinds of sludge, including primary sludge, biological sludge, activated sludge, and more particularly organic waste sludge. or drinking water or waste water treatment plants.
  • Organic matter, or natural organic matter refers to the large source of carbon-based compounds found in natural and man-made, terrestrial and aquatic environments. It is matter composed of organic compounds from the remains of organisms such as plants and living things and their waste products in the environment. organic molecules can also be made by chemical reactions that do not involve life. The basic structures are created from cellulose, tannin, cutin and lignin, along with other proteins, lipids and carbohydrates.
  • Air overpressure is the consequence of an explosion which is manifested by the propagation from the zone of the explosion, of a pressure wave in the atmosphere, at a speed of the order of that of acoustic waves. (340 m/s in air at 15°C). When the characteristics of such a wave are measured at a fixed point in space, a positive pressure pulse (overpressure) is observed - the duration of which is generally measured in milliseconds - followed by a depression phase. [0009] If the explosion originates from the detonation of an explosive substance, the positive overpressure is characterized by a very sudden, almost instantaneous rise to the maximum pressure, followed by an almost linear decrease. The negative pressure peak is much less important and is generally not considered in evaluating the effects of a pressure wave.
  • Pressure is a force per unit area capable of inducing bending or shearing forces in structures, possibly compression for the human body.
  • a pressure wave can also propel projectiles.
  • E - 7 yr — 1 [0013] With DR: Pr-PO; Pr: Bursting pressure of the containment (Pa); PO: Atmospheric pressure (Pa); V: Volume of gas overhead (m3); yr: Ratio of the specific heats of the gas contained in the reservoir (1.4 for methane); E: Explosive energy (J).
  • the explosive volume i.e. the volume of the gaseous sky in normal operation or of the empty digester during accidental emptying.
  • the gaseous headspace is generally quite voluminous, and the distance between the level of digestate and the upper wall of the digester can reach up to 3 m.
  • the purpose of such a height is first of all to allow the accumulation of floating products and to manage any foaming caused either by the presence of filamentous bacteria in the wastewater treatment process producing sludge (sludge expansion, " bulking” in English), or by the production of surface-active compounds in the digester.
  • sludge sludge expansion, " bulking” in English
  • RVE Rapid Volume Expansion
  • digesters In summary, the usual design of digesters consists in leaving a significant height between the level of digestate and the upper wall of the digester, so as to be able to store the foams and floats on the surface of the digestate and to allow a possible RVE phenomenon. If this height is insufficient, the integrity of the structure - more particularly that of the upper wall - is endangered. This volume available for foam expansion is usually occupied by biogas and generates the safety constraints mentioned above.
  • a second solution consists in extracting the foams and floats from the digestate via a submerged orifice close to the surface.
  • the extraction in this case is generally “passive”. This makes it possible to simply contain the biogas in the digester, but poses safety problems in the event of an uncontrolled drop in the liquid level. Indeed, in this case, biogas can escape. In addition, this solution actually has low effectiveness in entraining foams/floats.
  • Another solution may consist in managing the consequences of foaming without trying to evacuate the foams/floating agents. Thus, when foaming takes place and is detected, digestate is extracted - for example by "active" pumping - so as to partially empty the digester to prevent the foam from putting pressure on the roof of the digester.
  • the pumped digestate is discharged into an external tank provided for this purpose. If such a device makes it possible to meet safety requirements by artificially increasing the height of the gas headspace, it has the disadvantage of at least partially emptying the contents of the digester.
  • the reaction volume is then reduced, with negative impacts on the performance of the digester. If we can hope for a return to “normal” in the event of reversible foaming, this solution does not make it possible to wait for a return to normal in the event of an accumulation of floating agents with recurrent or even permanent foaming. In the latter cases, a "sustained" operation of the digester is then obtained with an increased gas phase volume that is detrimental to the safety objective with respect to the risks of explosion, associated with a reduction in the effective volume of the digester, its processing capacity.
  • Document WO 2009/118320 proposes a digester aimed at reducing the effect distances of the explosion by minimizing the explosive volume using a space provided to let the biogas escape from the sludge. without causing light foams of the surfactant type, while allowing the accumulation of a certain volume of floating agents (excluding light foams) and managing the RVE.
  • the digester includes an inverted bell which recovers the biogas produced and a device allowing access to the agitator in order to be able to extract it without requiring emptying of the digester.
  • the injection of water (industrial) is implemented to reduce any foam formed in the digester and cool the biogas.
  • this digester has several drawbacks.
  • Document US 4530762 describes a digester comprising a device for evacuating foams/floats from the digestate. Any content reaching the first tank within the enclosure of this digester appears to be transferred to the first zone of the tank.
  • the tanks are intended to recover the treated effluent and are placed on a bed of tubular settling tanks.
  • the second tank is a gas separator.
  • a wall should be positioned with its upper end in horizontal alignment with the edges of the tanks. By raising the wall, this allows the foam to be expelled in the tanks. Then the foams are collected in the tank and blown out of the tank when necessary.
  • the wall In other words, to envisage the evacuation of the foams, the wall must be in a high position compared to the nominal position, and therefore at a higher altitude than the edges of the tanks. In addition, in this digester, it is impossible to collect the foams with a first submerged tank.
  • the first lower zone contains the digestate
  • the second middle zone consists of a steel structural support to accommodate a filter medium forming a surface for attaching to a biological deposit.
  • This zone is a solid/liquid/gas separation zone
  • the upper third zone contains the clarified liquid fraction.
  • Treated effluent is extracted from this area through a system of submerged piping and a treated effluent control system.
  • this digester requires an additional foam flap system to function properly.
  • the invention aims to overcome all or part of the problems mentioned above by proposing a reduced gas digester comprising a foam evacuation device operating by gravity and by a double overflow device.
  • the digester comprises a device for mixing the digestate coupled to a device for injecting digestate into the gas overhead, serving both to direct the foams and floats on the surface towards the first evacuation overflow and to reduce the foams by mechanical effect.
  • Such a digester makes it possible to reconcile operating safety and a reduction in the volume of the digester's gaseous headspace, which thus reduces the level of the overpressure thresholds and distances of the effects of the explosion by acting on the two adjustable parameters which are the pressure of rupture of the structure and the explosive volume (volume of the gaseous sky).
  • the subject of the invention is a digester intended for the implementation of a sludge methanization treatment to generate biogas and a digestate, the digester comprising:
  • an enclosure intended to contain a volume of material, the volume of material comprising the digestate, the digestate comprising on its surface foams and/or floats originating from the sludge or generated during the methanization treatment, the enclosure defining a first equal volume to the volume of material and a second volume arranged above the first volume;
  • the digester being characterized in that it comprises a device for evacuating the foams and/or floats of the digestate comprising:
  • first tank disposed in the enclosure and delimited by a first wall, the first tank being intended to be supplied with digestate and foams and/or floats from the volume of material by overflow above the first wall;
  • a second tank connected to the atmosphere and located outside the containment, comprising: o a first zone delimited by a second wall; and o a second zone in communication with the tank;
  • the first zone being intended to be supplied with digestate and foams and/or floating materials from the first tank via the conduit;
  • the second zone of the second tank being intended to be supplied with digestate from the first zone of the second tank by overflow above the second wall;
  • the second orifice being located at an altitude greater than or equal to that of the first orifice;
  • the upper end of the first wall being located at a first height above a reference point of the first orifice and the upper end of the second wall being located at a second height above the reference point of the first orifice;
  • the first height and the second height being predefined so that a first mixture of variable proportions of digestate and foams and/or floating materials in the first tank having a first average density is transferred by gravity into the first zone containing a second mixture of proportions digestate variables and second density foams and/or floats, the transfer taking place as long as the product of the first average density by the first height is greater than the product of the second average density by the second height by the first height.
  • the digester according to the invention further comprises a device for mixing the volume of material disposed in the first volume, the mixing device being configured to set the volume of material in motion.
  • the mixing device comprises: - One or more chimneys extending in the enclosure along a first axis, preferably on the periphery of the enclosure, each chimney having an upper end and a lower end;
  • first agitators each being preferably positioned under the lower end of one of the chimneys, the first agitator(s) being configured to set in motion the volume of material in rotation around a central vertical axis, substantially parallel to the first axis and in translation along the first axis from the upper end towards the lower end of said chimney.
  • the mixing device comprises one or more second stirrers, each being arranged in the enclosure, preferably in the bottom of the enclosure, and even more preferably on the periphery of the enclosure, the second stirrers being configured ) to set in motion the volume of material in rotation around a central vertical axis, substantially parallel to the first axis.
  • the digester according to the invention further comprises a device for injecting digestate into the second volume, preferably placed in the center of the roof, and/or in the volume of material.
  • the digestate injection device comprises:
  • a first injector fixed to the roof, preferably in the center of the roof, and in fluidic connection with the second volume and configured to inject digestate into the second volume;
  • a first recirculation pump configured to recirculate digestate in the first recirculation loop from the first volume to the first injector.
  • the digestate injection device further comprises:
  • a second injector fixed to a side wall of the enclosure at a first height and in fluid connection with the enclosure and configured to inject digestate into the enclosure at the first height;
  • a second recirculation loop between a second height of the enclosure, lower than the first height and the second injector; - A second recirculation pump configured to recirculate digestate in the second recirculation loop from the second height of the enclosure and towards the second injector.
  • first recirculation loop and the second recirculation loop are grouped together in one and the same recirculation loop, the first recirculation pump and the second recirculation pump forming one and the same circulation pump.
  • recirculation configured to recirculate digestate to the first injector and/or to the second injector.
  • the roof is made of metal.
  • FIG. 1 schematically shows a digester according to the invention
  • Figure 2 schematically represents a device for discharging foams and/or floating materials from a digester according to the invention
  • Figure 3 schematically represents an embodiment of a digester according to the invention
  • FIG. 4 schematically shows another embodiment of the digester according to the invention.
  • FIG. 5 schematically shows another embodiment of the digester according to the invention.
  • FIG. 6 schematically shows another embodiment of the digester according to the invention.
  • FIG. 7 schematically shows another embodiment of the digester according to the invention.
  • Figure 8 schematically shows a sectional view of an embodiment of the digester according to the invention.
  • the invention generally applies to digesters from 50 to 16,000 m 3 , and advantageously from 500 to 7,000 m 3 .
  • FIG. 1 schematically shows a digester 10 according to the invention.
  • the digester 10 is intended for the implementation of a methanization treatment of sludge to generate biogas 11 and a digestate 12.
  • the digester 10 comprises an enclosure 13 intended to contain a volume of material 14, the volume of material 14 comprising the digestate 12.
  • the enclosure 13 preferably has a circular section.
  • the digestate comprises on its surface foams and/or floats 16 originating from the sludge or being generated during the methanization treatment.
  • the enclosure 13 defines a first volume 14 equal to the volume of material and a second volume 17 disposed above the first volume 14.
  • the digester 10 comprises a roof 18 (or upper wall) intended to close the enclosure 13. It comprises also a tank 19 close to the enclosure 13 and intended to collect the digestate 12.
  • the tank 19 is connected to the enclosure. It can be contiguous to the enclosure or close to the enclosure, so as to allow gravity transfer of the digested sludge (the digestate 12) for example by a direct fall or by an indirect fall via a slope.
  • the digester 10 comprises a dome 22 arranged on a portion of the roof 18, and intended to collect the biogas 11.
  • the digester 10 comprises an evacuation device 32 for the foams and/or floats 16 from the digestate 12.
  • the evacuation device 32 for the foams and/or floats 16 from the digestate 12 is represented diagrammatically on the figure 1. It is presented in detail below.
  • FIG. 2 schematically represents a device 32 for discharging foams and/or floats 16 from a digester according to the invention.
  • the evacuation device
  • the 32 of the foams and/or floats 16 of the digestate 12 comprises a first tank 33 placed in the enclosure 13 and delimited by a first wall 100, and a second tank 34 connected to the atmosphere and located outside the enclosure 13.
  • the evacuation device 32 further comprises a conduit 37 connecting the first tank
  • the first tank 33 is intended to be fed with digestate 12 and with foams and/or floats 16 from the volume of material 14 by overflow above the first wall 100.
  • the second tank 34 comprises a first zone 35 delimited by a second wall 103, and a second zone 36 in direct or indirect communication with the tank 19.
  • the first zone 35 is intended to be supplied with digestate 12 and foams and/or floats 16 from the first tank 33 via the conduit 37.
  • the second zone 36 of the second tank 34 is intended to be supplied with digestate from the first zone 35 of the second tank 34 by overflow above the second wall 103.
  • the second zone 36 is connected to the reservoir 19.
  • the second orifice 102 is located at an altitude greater than or equal to that of the first orifice 101.
  • the term altitude is to be understood as a measurement of the height along an axis along which the enclosure 13 extends.
  • the conduit 37 connects the first tank 33 via a first orifice 101 to the first zone 35 of the second tank 34 via a second orifice 102.
  • first orifice 101 is the interface between the first tank 33 and the duct 37
  • second orifice 102 is the interface between the duct 37 and the first zone 35 of the second tank 34.
  • the orifice 102 is located at a higher level or equal to that of orifice 101.
  • the upper end of the first wall 100 is located at a first height h1 above a reference point 1001 of the first orifice 101.
  • the upper end of the second wall 103 is located at a second height h2 above the reference point 1001 of the first orifice 101.
  • the reference point 1001 of the first orifice 101 can be located at the lowest point of the first orifice 101. It can also be from the center of the first orifice 101 (as shown in FIG. 2) in the case of a circular section orifice. In other words, the two heights h1 and h2 are measured from the same altitude, that of the previously chosen reference point.
  • the first height h1 and the second height h2 are predefined so that a first mixture of variable proportions of digestate and foams and/or floats in the first tank 33 having a first average density d1 is transferred by gravity in the first zone 35 containing a second mixture of variable proportions of digestate 12 and foams and/or floats 16 of second density d2, the transfer taking place as long as the product of the first average density d1 by the first height h1 is greater than the product of the second average density d2 by the second height h2 by the first height h1.
  • the evacuation of the foams/floats 16 by the evacuation device 32 takes place as long as the relation d1 * h1>d2 * h2 is respected.
  • the device will allow the transfer of a mixture up to a density very close to d1 (with a difference of the order of a few % with respect to d1, difference that a person skilled in the art knows how to determine taking into account all the effects mentioned).
  • the evacuation device 32 can be sized based on extreme assumptions unfavorable to the flow from the tank 33 to the tank 34.
  • the maximum density value d2 can be considered equal to 1.05 and corresponding to a dense digestate containing no foams and/or floats.
  • the minimum density value d1 can be considered equal to 0.3 and corresponding to a mixture composed essentially of foams and/or floats.
  • the evacuation device 32 of the foams/floats 16 the evacuation of foams/floats can be carried out by overflow with regular and continuous operation of the digester.
  • FIG. 3 schematically represents an embodiment of a digester 200 according to the invention.
  • the digester 200 shown in Figure 3 is identical to the digester 10 shown in Figure 1.
  • the digester 200 further comprises a device 20 for mixing the volume of material 14 disposed in the first volume 14.
  • the mixing device 20 is configured to set the volume of material 14 in motion.
  • the mixing device 20 imparts a rotational movement to the volume of material 14 in such a way that the foams and/or floats 16 entrained with the digestate 12 are extracted from the volume of material 14 with the digestate 12 by overflow 100 in the first tank 33
  • the mixing device 20 makes it possible to avoid the accumulation of foams and/or floats 16 at a point on the surface of the volume of material 14 remote from the first tank 33.
  • the digester 200 may further comprise a device 21 for injecting digestate 12 into the second volume 17 and/or into the volume of material 14.
  • the injection device 21 makes it possible to inject digestate 12 into the second volume 17 above the volume of material 14.
  • the injection device 21 is preferably placed in the center of the roof 18.
  • the injection of digestate 12 above the volume of material 14 is used to project the foams and/or floats 16 , tending to accumulate in the center of the surface, towards the periphery where they are driven towards the first tank 33 to be extracted from the volume of matter14.
  • the entrainment of the foams and/or floats 16 towards the tank 33 is favored by the rotational movement of the volume of material 14 generated by the mixing device 20.
  • the injection device 21 can also be located on the periphery of the enclosure 13.
  • the injection of digestate 12 from the side wall above the volume of material 14 is carried out with a jet oriented so as to produce a rotational movement of the volume of matter around a vertical axis. This rotational movement drives the foams and/or floats towards the tank 33.
  • FIG. 4 schematically represents another embodiment of a digester 210 according to the invention.
  • the digester 210 comprises the injection device 21 and the mixing device 20.
  • the invention also covers any digester comprising only an injection device 21 or only one mixing device 20.
  • the mixing device 20 comprises one or more chimneys 23 extending in the enclosure 13 along a first axis 24, preferably on the periphery of the enclosure 13.
  • Each chimney 23 has an upper end 61 and a lower end 62
  • chimney is meant a hollow body extending along the first axis 24.
  • the chimneys 23 can have a circular or polygonal section.
  • the chimneys are half-cylinders fixed, for example by welding or riveting, to the side wall of the enclosure 13.
  • the mixing device 20 comprises one or more first stirrers 25.
  • Each of the first stirrers 25 is associated with one of the plurality of stacks 23. In other words, each stack 23 has its first stirrer 25.
  • Each of the first stirrers is preferably positioned under the lower end 62 of its stack 23.
  • the first one or more stirrers 25 are configured to move the volume of material 14 in rotation around a central vertical axis 60, substantially parallel to the first axis 24, and in translation along the first axis 24 from the upper end 61 towards the lower end 62 of said chimney 23.
  • the first stirrers 25 are oriented so as to impart a rotational movement to the digestate 12 according to the movement represented by the arrow 271 and u n movement from bottom to top in the volume 14 via the reverse movement from top to bottom through the chimney 23 represented by the arrow 251.
  • This movement as a combination of a horizontal rotation around the axis 60 and vertical displacement from the top of the chimney to the bottom of the enclosure.
  • the flow of digestate at the suction of the agitator 25 is channeled from the surface by means of the chimney 23. This creates the vertical displacement and the orientation of the agitator 25 creates a horizontal rotation in addition to the rotation generated by the lateral injection device 21.
  • the upper end 61 of the chimney(s) 23 is positioned below the surface of the material of the volume of material 14 (for example 250 mm below the highest level bottom of digestate). Thus, digestate 12 falls into the chimney(s) 23.
  • the assembly formed by a chimney 23 and a first agitator 25 contributes to destratifying the volume of material 14 by producing a pumping from the bottom to the top of the volume of material 14.
  • fresh sludge can be injected into the chimney 23 to promote effective mixing of the fresh sludge with the rest of the digestate.
  • the fresh sludge feed rate can be of the order of 30 m3/h while the pumping rate provided by a first agitator 25 can be of the order of 2500 m3/h, i.e. a ratio of the order of 1/100.
  • the mixing device 20 can also comprise one or more second stirrers 27, each being placed in the enclosure 13, preferably in the bottom of the enclosure 13, and even more preferably on the periphery of the enclosure 13.
  • the second stirrers 27 are configured to set the volume of material 14 in motion in rotation around the central vertical axis 60, substantially parallel to the first axis 24.
  • the second stirrers 27 are oriented so as to impart a rotational movement to the digestate 12 according to the movement represented by the arrow 271. We can qualify this rotational movement as a horizontal displacement.
  • a person skilled in the art knows how to determine the appropriate characteristics (size, shape, speed of rotation, etc.) of the stirrers 25, 27 and to orient the axes 26, 28 of the stirrers 25, 27 according to the viscosity of the material to be stirred and the volume of material 14 considered.
  • the horizontal movement moves the foams/floats towards the periphery of the enclosure.
  • the vertical movement moves the foams/floats from the upper surface of the volume of material 14 towards the bottom of the enclosure.
  • the combination of these two movements makes it possible to prevent the formation and/or stagnation of foams/floats on the surface of the volume of material and a better mixing of the contents of the enclosure is obtained.
  • FIG. 5 schematically represents another embodiment of a digester 220 according to the invention.
  • the digestate injection device 21 comprises a first injector 29 fixed to the roof, preferably at the center of the roof, and in fluid connection with the second volume 17 and configured to inject digestate 12 into the second volume 17
  • the injection device 21 comprises a first recirculation loop 30 between the first volume 14 and the first injector 29.
  • the injection device 21 comprises a first recirculation pump 31 configured to recirculate digestate 12 in the first loop recirculation 30 from the first volume 14 to the first injector 29.
  • the injection of digestate into the second volume aims to reduce the foams/floats and to cause them to move towards the periphery of the enclosure.
  • the dome 22 may include two safety valves 40, 41 arranged opposite one another.
  • the roof 18 is generally substantially flat. If it is made of metal, it can be either concave (if the pressure applied to the roof is less than 5 mbar) or convex (if the pressure applied to the roof is greater than 5 mbar).
  • FIG. 6 schematically shows another embodiment of a digester 230 according to the invention.
  • the injection device digestate 21 comprises a second injector 39 fixed to a side wall of the enclosure 13 at a first height 53 and in fluid connection with the enclosure 13, and more precisely the volume of material 14, and configured to inject digestate 12 into the enclosure 13, in the volume of material 14.
  • the injection device 21 comprises a second recirculation loop 50 between a second height 52 of the enclosure 13, lower than the first height 53 and the second injector 39.
  • the injection device 21 comprises a second recirculation pump 51 configured to recirculate digestate 12 in the second recirculation loop 30 from the second height 52 of the enclosure 13 and towards the second injector 39.
  • the device injection of the digester 130 is configured to inject digestate initially into the lower part of the enclosure towards an upper part of the volume of material.
  • this injection contributes to setting the material of the enclosure in motion and to rotating the foams/floating on the surface to prevent their stagnation and to send them towards the periphery of the enclosure, towards the chimneys 23 and the tank 33
  • the digestate injection device 21 comprises a second injector 49 fixed to a side wall of the enclosure 13 at a first height 54 and in fluid connection with the enclosure 13 and configured to inject digestate 12 in the enclosure 13 at the first height 54, the first height 54 being at the level of the second volume 17.
  • the injection device 21 comprises a second recirculation loop 50 between a second height 52 of the enclosure 13, lower than the first height 54 and the second injector 49.
  • the injection device 21 comprises a second recirculation pump 51 configured to recirculate diges tat 12 in the second recirculation loop 30 from the second height 52 of the enclosure 13 and towards the second injector 49.
  • This injection of digestate 12 above the volume of material 14 forms a jet oriented with respect to the upper surface of the volume of material 14 so as to produce a rotational movement of the volume of material around the vertical axis 60. This rotational movement drives the foams and/or floats towards the tank 33.
  • This embodiment may comprise a single second injector 39, 49 on the side wall of the enclosure. But it can also include several second injectors 39, 49 distributed all around the wall, with one or more recirculation loops adapted to this configuration, in connection with the second recirculation pump.
  • the digester according to the invention can comprise either one of the two recirculation loops, or a double recirculation, that is to say the two recirculations described above, with the first recirculation loop and the second recirculation. In a preferred embodiment, the two recirculation loops are pooled.
  • FIG. 7 schematically represents another embodiment of a digester 240 according to the invention.
  • the first recirculation loop 30 and the second recirculation loop 50 are grouped together in one and the same recirculation loop, the first recirculation pump 31 and the second recirculation pump 51 forming one and the same recirculation pump configured to recirculate digestate 12, alternately or simultaneously, to the first injector 29 and/or to the second injector 39.
  • the second recirculation loop can be connected to the second injector 49 fixed to the side wall of the enclosure 13 at the first height 54 and in fluidic connection with the enclosure 13 and configured to inject digestate 12 into the enclosure 13 at the first height 54, in the volume 17.
  • Figure 8 schematically shows a sectional view of an embodiment of the digester 240 according to the invention.
  • the section is made at the level of the enclosure 13, perpendicular to the central vertical axis 60, making visible the elements present in (or connected to) the enclosure 13 for a better representation of the digester of the invention. Note that the foam/float evacuation device is not shown in this figure.
  • a second stirrer 27 is present to impart a so-called horizontal rotational movement (represented by the arrow 271) to the volume of material 14 and therefore to the foams/floats which are on the upper surface of the volume of material. Only one second agitator 27 is shown but there could be more than one.
  • the stirrer or stirrers 27 can be located on the periphery of the enclosure 13 but they can also be located more in the center of the enclosure.
  • Two first agitators 25 are present to impart a so-called vertical rotational movement to the volume of material 14 and therefore to the foams/floats which are located on the upper surface of the volume of material.
  • the first stirrers 25 are each positioned under a chimney 23.
  • the foams/floats present on the surface of the volume of material 14 are moved from the center to the periphery by the so-called horizontal rotational movement thanks to the second agitators 27.
  • the foams/floats descend through the chimneys 23 following the so-called vertical rotational movement generated by the first agitators 25.
  • the injection of additional sludge into the chimneys 23 contributes to effective mixing of the injected sludge with the rest of the digestate already present in the enclosure.
  • the first recirculation pump 31 is associated with the first recirculation loop (not shown) and aims to inject digestate 12 taken from the bottom of the enclosure 13 at the level of the gas overhead (second volume 17) by the first injector 29.
  • the digestate is injected by the first injector above the volume of material 14, on the foams/floating present on the surface. The foams/floats are thus folded down. This injection also contributes to making them move towards the periphery of the enclosure.
  • the second recirculation pump 51 is associated with the second recirculation loop (not shown) and aims to inject digestate 12 taken from the bottom of the enclosure 13 into the volume of material 14 at a height greater than the height from which the digestate was taken.
  • This lateral injection sets the volume of material in motion and contributes to moving the foams/floats on the surface by initiating a rotational movement to prevent their stagnation and to send them towards the periphery of the enclosure, towards the chimneys 23.
  • the second recirculation loop aims to inject digestate from a lower level of the enclosure into the digestate at an upper level of the enclosure to destratify the volume of material.
  • the second recirculation pump 51 associated with the second recirculation loop may also aim to inject digestate 12 taken from the bottom of the enclosure 13 into the volume of material 14 at a height greater than the height at which the digestate has been withdrawn to inject the digestate withdrawn into the second volume, above the volume of material 14.
  • first recirculation loop 30 and the second recirculation loop 50 can be grouped together in one and the same recirculation loop.
  • This single recirculation loop can be powered by the first recirculation pump 31 and the second recirculation pump 51.
  • the first recirculation pump 31 and the second recirculation pump 51 can form one and the same recirculation pump configured to recirculate digestate 12 to the first injector 29 and to the second injector 39, 49, either simultaneously or alternately.
  • the digester 240 also comprises a dome 22 arranged on a portion of the roof 18, and intended to collect the biogas 11.
  • the dome is arranged substantially above a chimney 23.
  • the digestate mixture 12, foams/floats 16 and freshly introduced sludge which takes place at the level of the chimney 23 can make it possible to release pockets of biogas which will escape through the upper end 61 of the chimney 23. It is therefore judicious to position the dome 22 near the upper end 61 of the chimney 23.
  • the dome is arranged substantially on the periphery of the roof 18 and above a second injector 39 fixed to the side wall of the digester in the volume 17.
  • the injection of digestate 12 by the injector causes an effect mechanical foam flap which therefore protects the dome from possible foam intrusion.
  • the digester may further comprise a valve disposed downstream of the second tank 34, for example at the level of a conduit at the outlet of the second tank 34. It may be any suitable type of valve, such as a pinch valve (pneumatic or mechanical) or a knife gate valve.
  • the valve makes it possible to control the rate of evacuation of the contents of the second tank 34. In the closed position of the valve, there is no evacuation of the contents towards the tank 19.
  • the digester may optionally include a device for activating the valve to open and close it.
  • the digester can also comprise a programmer intended to trigger the device for activating the valve at predefined time intervals, so as to allow preventive evacuation of foams and floating matter. This results in better control of the quantity of foams/floats in the enclosure of the digester.
  • the invention proposes a digester with a reduced gaseous sky making it possible to evacuate the foams/floating matter whatever their density and to maintain the integrity of the structure in the event of an RVE phenomenon.
  • This is made possible thanks to the foam/float evacuation device operating by gravity with a double overflow device.
  • the injection device makes it possible to move the foams/floats towards the periphery of the enclosure and the mixing device also contributes to moving the foams/floats towards the bottom of the enclosure.
  • the combination of the injection device and the mixing device ensures both very good mixing of the foams and/or floating materials with the digestate to promote their reincorporation into the digestate, and both good evacuation by overflow of the foams and/or floats not reincorporated.
  • the invention also relates to a digestion process by implementing a sludge methanization treatment to generate biogas 11 and a digestate 12 in a digester as described above.
  • the digestate comprises on its surface foams and/or floats 16 originating from the sludge or generated during the methanation treatment.
  • the digestion process according to the invention comprises a step of managing the foams and/or floating materials by evacuation according to their density. This management step includes:
  • the conduit 37 connects the first tank 33 via the first orifice 101 to the first zone 35 of the second tank 34 via a second orifice 102, the second orifice 102 being located at an altitude greater than or equal to that of the first orifice 101, and the upper end of the first wall 100 being located at a first height h1 above a reference point of the first orifice 101 and the upper end of the second wall 103 being located at a second height h2 above the reference point of the first orifice 101.
  • the first height h1 and the second height h2 are predefined so that a first mixture of variable proportions of digestate and foams and/or floats in the first tank 33 having a first average density d1 is transferred by gravity into the first zone 35 containing a second mixture of variable proportions of digestate and foams and/or second density floats d2, the transfer taking place as long as the product of the first average density d1 by the first height h1 is greater than the product of the second average density d2 by the second height h2 by the first height h1.
  • the digestion method according to the invention further comprises a step of mixing the volume of material 14.
  • the digestion method according to the invention further comprises a step of injecting digestate into the volume of material 14 and/or into the volume 17.

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Abstract

L'invention concerne un digesteur destiné à la mise en œuvre d'un traitement de méthanisation de boues pour générer du biogaz et un digestat, le digesteur comprenant un dispositif d'évacuation (32) des mousses et/ou flottants (16) du digestat (12) comprenant : - une première cuve (33) délimitée par une première paroi (100) d'une première hauteur (h1), la première cuve (33) étant destinée à être alimentée en digestat (12) et en mousses et/ou flottants (16) depuis un volume de matière (14) par surverse au-dessus de la première paroi (100); - une deuxième cuve (34) reliée à l'atmosphère et située à l'extérieur de l'enceinte (13) du digesteur, comprenant : o une première zone (35) délimitée par une deuxième paroi (103) d'une deuxième hauteur (h2); et o une deuxième zone (36) en communication avec le réservoir (19); - un conduit (37) reliant la première cuve (33) via un premier orifice (101) à la première zone (35) de la deuxième cuve (34) via un deuxième orifice (102) d'altitude supérieure ou égale à celle du premier orifice (101), - la première zone (35) étant destinée à être alimentée en digestat (12) et en mousses et/ou flottants (16) depuis la première cuve (33) par le conduit (37); la deuxième zone (36) étant destinée à être alimentée en digestat depuis la première zone (35) par surverse au-dessus de la deuxième paroi (103); la première hauteur (h1) et la deuxième hauteur (h2) étant prédéfinies de sorte qu'un premier mélange de proportions variables de digestat et mousses et/ou flottants dans la première cuve (33) ayant une première densité moyenne (d1) soit transféré par gravité dans la première zone (35) contenant un deuxième mélange de proportions variables de digestat et mousses et/ou flottants de deuxième densité (d2), le transfert s'opérant tant que le produit de la première densité moyenne (d1) par la première hauteur (h1) est supérieur au produit de la deuxième densité moyenne (d2) par la deuxième hauteur (h2) par la première hauteur (h1).

Description

DIGESTEUR A VOLUME DE CIEL GAZEUX REDUIT
[0001] L’invention se situe dans le domaine technique du traitement biologique des boues, notamment issues des eaux résiduaires. L’invention concerne un digesteur destiné à la mise en oeuvre d’un traitement de méthanisation des boues.
[0002] La méthanisation est une technologie basée sur la dégradation par des micro organismes de la matière organique, en conditions contrôlées et en l’absence d’oxygène, donc en milieu anaérobie. On parle aussi de digestion anaérobie.
[0003] La méthanisation permet de générer :
- un digestat, qui est un produit humide, riche en matière organique partiellement stabilisée. Il est généralement envisagé le retour au sol du digestat après éventuellement une phase de maturation par compostage ;
- du biogaz, mélange gazeux généralement saturé en eau à la sortie du digesteur et typiquement composé d’environ 50 % à 70 % de méthane (CH4), de 30 % à 50 % de gaz carbonique (C02) et de quelques gaz traces (NH3, N2, H2S). Le biogaz constitue une énergie renouvelable, il peut être injecté dans le réseau de gaz naturel après épuration. Le biogaz peut aussi être utilisé pour la production d’électricité et de chaleur et/ou la production d’un carburant.
[0004] Un des avantages de la méthanisation est la valorisation de la matièreorganique et la production d’énergie via le biogaz généré.
[0005] La méthanisation est mise en oeuvre dans un digesteur. Le digesteur peut être vu comme une enceinte fermée par une paroi supérieure (aussi appelée toit), définissant deux volumes : un premier volume contenant la matière à traiter, les boues, le digestat généré ; et un second volume entre le premier volume et la paroi supérieure, aussi appelé ciel gazeux, et vers lequel le biogaz généré s’élève.
[0006] Le terme «boue» doit être compris comme étant toute matière organique, y compris les déchets organiques et toutes sortes de boues, y compris des boues primaires, des boues biologiques, des boues activées, et plus particulièrement des boues de déchets organiques ou de stations d'épuration d'eau potable ou d'eaux usées. La matière organique, ou la matière organique naturelle, se réfère à la grande source de composés à base de carbone que l'on trouve dans les environnements naturels et artificiels, terrestres et aquatiques. Il s'agit de matière composée de composés organiques provenant des restes d'organismes tels que les plantes et les êtres vivants et de leurs déchets dans l'environnement. Les molécules organiques peuvent également être fabriquées par des réactions chimiques qui n'impliquent pas la vie. Les structures de base sont créées à partir de la cellulose, du tanin, de la cutine et de la lignine, ainsi que d'autres protéines, lipides et glucides.
[0007] Des problèmes de sécurité peuvent être liés à la mise en oeuvre d’un digesteur. En effet, le biogaz contient du méthane, ce qui crée un risque d’explosion du digesteur si de l’oxygène pénètre accidentellement dans le digesteur. En conséquence, des distances d’effets d’explosion due à la présence du biogaz dans le digesteur sont définies afin de délimiter un périmètre dit à risque.
[0008] La surpression aérienne est la conséquence d’une explosion qui se manifeste par la propagation depuis la zone de l’explosion, d’une onde de pression dans l’atmosphère, à une vitesse de l’ordre de celle des ondes acoustiques (340 m/s dans l’air à 15°C). Lorsqu’on mesure en un point fixe de l’espace les caractéristiques d’une telle onde, on observe une impulsion positive de pression (surpression) - dont la durée se mesure en général en millisecondes - suivie d’une phase de dépression. [0009] Si l’explosion a pour origine la détonation d’une substance explosive, la surpression positive se caractérise par une très brusque montée, quasi instantanée jusqu’au maximum de pression, suivie d’une décroissance quasi linéaire. Le pic de pression négative est beaucoup moins important et il n’est, en général, pas considéré dans l’évaluation des effets d’une onde de pression.
[0010] La pression est une force par unité de surface susceptible d’induire des efforts de flexion ou de cisaillement dans les structures, éventuellement de compression pour le corps humain. Une onde de pression peut également propulser des projectiles.
[0011] En France, l’arrêté du 22 octobre 2004 (Ministère de l’Ecologie et du Développement Durable) définit les valeurs de référence de seuils d'effets des phénomènes accidentels des installations classées. Ces valeurs sont utilisées pour la détermination des zones d’effets d’accident potentiels dans les études de danger (rayons d’explosion).
[0012] Lorsque la pression de rupture d’un digesteur est connue, le calcul de l’énergie d’explosion peut être réalisé avec l’équation dite de Brode. Cette énergie est l’énergie pouvant participer à la propulsion de missiles, à la production d’ondes de surpression ou de flux thermiques selon :
AP V
E = - 7 yr — 1 [0013] Avec DR : Pr - PO ; Pr : Pression de rupture de l’enceinte (Pa) ; PO : Pression atmosphérique (Pa) ; V : Volume du ciel gazeux (m3) ; yr : Rapport des chaleurs spécifiques du gaz contenu dans le réservoir (1 ,4 pour le méthane) ; E : Energie d’explosion (J).
[0014] Une fois l’énergie d’explosion déterminée, il existe plusieurs méthodes pour calculer les distances d’effets de l’explosion. Dans le cas d’un digesteur, le modèle TNO Multi-energy est principalement utilisé, pour des explosions confinées ou non confinées (Unconfined Vapor Cloud Explosion (UVCE)).
[0015] Le problème réside donc dans la réduction des distances d’effet due à la présence du biogaz. D’un point de vue concept de digesteur, les deux paramètres modulables qui impactent le niveau des seuils de surpression et distances d’effets de l’explosion sont :
- La pression de rupture de l’ouvrage ;
- Le volume explosible (c’est-à-dire le volume du ciel gazeux en fonctionnement normal ou du digesteur vide lors d’une vidange accidentelle).
[0016] Le ciel gazeux est généralement assez volumineux, et la distance entre le niveau de digestat et la paroi supérieure du digesteur peut atteindre jusqu’à 3 m. Une telle hauteur a tout d’abord pour but d’autoriser l’accumulation de produits flottants et de gérer les éventuels moussages provoqués soit par la présence de bactéries filamenteuses dans le procédé de dépollution des eaux usées produisant les boues (foisonnement des boues, « bulking » en anglais), soit par la production de composés tensio-actifs dans le digesteur. En effet, le plus souvent, les digesteurs ne possèdent pas de dispositif permettant d’évacuer les mousses et flottants. Il est donc nécessaire de prévoir un tel volume de « stockage » en surface du digestat.
[0017] En outre, la hauteur élevée de ciel gazeux permet aussi de gérer un éventuel phénomène d’expansion rapide du volume de digestat (connu sous l’acronyme RVE pour « Rapid Volume Expansion »). Le RVE est un phénomène lié à la hausse soudaine de viscosité du digestat causée, le plus souvent, par une perte ou une perturbation de la fonction de brassage. En effet, une fois que le cisaillement diminue, la viscosité du digestat augmente, ce qui piège une partie du biogaz dans le digestat, et peut générer une augmentation rapide du volume de celui-ci.
[0018] En résumé, la conception usuelle des digesteurs consiste à laisser une hauteur importante entre le niveau de digestat et la paroi supérieure du digesteur, de façon à pouvoir stocker les mousses et flottants à la surface du digestat et à autoriser un éventuel phénomène de RVE. Si cette hauteur est insuffisante, l’intégrité de l’ouvrage -plus particulièrement celle de la paroi supérieure- est mise en danger. Ce volume disponible pour l’expansion des mousses est usuellement occupé par du biogaz et engendre les contraintes de sécurité évoquées précédemment.
[0019] Il est donc intéressant de réduire le volume de biogaz en partie supérieure de digesteur pour réduire les distances d’effets en cas d’explosion. Réduire ce volume de biogaz sans prendre de risques sur l’intégrité du digesteur nécessite cependant de savoir extraire (1) les mousses et flottants en continu en surface du digestat, et (2) le volume de digestat ne pouvant être contenu dans le digesteur en cas de phénomène de RVE sans exercer de surpression.
[0020] Or, l’extraction des mousses et flottants en surface est une opération complexe à réaliser. Une première solution à ce problème consiste à les extraire du digestat par simple surverse. Cela permet d’entraîner périodiquement des « paquets » de mousses/flottants présents en surface. Néanmoins, avec une telle solution, le gaz contenu en surface du digesteur peut s’échapper par le dispositif de surverse. Pour éviter cela, il faut alors prévoir un autre dispositif en aval pour retenir le biogaz et recueillir séparément le digestat contenant les mousses/flottants. Ces dispositifs fonctionnent généralement sur le principe du joint hydraulique, dont le fonctionnement est principalement dicté par la densité du liquide traité. Or, la densité du digestat contenant les mousses/flottants varie fortement au cours du temps : lorsque les paquets de mousses/flottants sont extraits, la densité chute brutalement, ce qui empêche le bon fonctionnement du joint hydraulique. Une autre difficulté réside dans le fait que ces dispositifs en aval de la surverse doivent répondre à deux contraintes opposées : avoir une section hydraulique suffisamment faible pour produire des vitesses élevées permettant d’entraîner les mousses/flottants, et avoir des sections hydrauliques suffisamment larges pour éviter le colmatage par le digestat et les mousses/flottants. Cette première solution, faisant appel à une simple surverse, n’est donc pas totalement satisfaisante.
[0021] Une deuxième solution consiste à extraire du digestat les mousses et flottants via un orifice noyé proche de la surface. L’extraction est dans ce cas généralement « passive ». Ceci permet de contenir simplement le biogaz dans le digesteur, mais pose des problèmes de sécurité en cas de baisse incontrôlée du niveau liquide. En effet, dans ce cas, du biogaz peut s’échapper. En outre, cette solution a en réalité une faible efficacité pour entraîner les mousses/flottants. [0022] Une autre solution peut consister à gérer les conséquences d’un moussage sans chercher à évacuer les mousses/flottants. Ainsi, lorsqu’un moussage a lieu et est détecté, du digestat est extrait - par exemple par pompage « actif » - de manière à vider partiellement le digesteur pour éviter que la mousse ne fasse pression sur le toit du digesteur. Le digestat pompé est déversé dans un réservoir extérieur prévu à cet effet. Si un tel dispositif permet de répondre aux exigences de sécurité en augmentant artificiellement la hauteur du ciel gazeux, il présente l’inconvénient de vidanger au moins partiellement le contenu du digesteur. Le volume réactionnel est alors diminué, avec des impacts négatifs sur les performances du digesteur. Si on peut espérer un retour « à la normale » en cas de moussage réversible, cette solution ne permet pas d’attendre un retour à la normale en cas d’accumulation de flottants avec des moussages récurrents voire permanents. Dans ces derniers cas, on obtient alors un fonctionnement « pérennisé » du digesteur avec un volume de phase gaz augmenté nuisible à l’objectif de sécurité vis-à-vis des risques d’explosion, associé à une réduction du volume efficace du digesteur, donc sa capacité de traitement.
[0023] Le document WO 2009/118320 propose quant à lui un digesteur visant à réduire les distances d’effet de l’explosion en minimisant le volume explosible à l’aide d’un espace prévu pour laisser le biogaz s’échapper des boues sans entraîner de mousses légères de type tensio-actifs, tout en autorisant l’accumulation d’un certain volume de flottants (hors mousses légères) et en gérant le RVE. Dans cette optique, le digesteur comprend une cloche inversée qui récupère le biogaz produit et un dispositif permettant l’accès à l’agitateur pour pouvoir l’extraire sans nécessiter de vidange du digesteur. En outre, l’injection d’eau (industrielle) est mise en oeuvre pour rabattre les éventuelles mousses formées dans le digesteur et refroidir le biogaz. Ce digesteur présente cependant plusieurs inconvénients. D’une part, en cas d’arrêt de l’apport d’eau, le moussage ne peut plus être contenu par le digesteur. La mousse peut alors envahir le réseau de biogaz, avec risques de non fonctionnement de la torchère et des pertes de charges élevées dans les réseaux, conduisant à dépasser la pression de rupture dans le digesteur. D’autre part, si l’injection d’eau décrite dans WO 2009/118320 permet de briser des mousses légères (type mousses blanches de tensio-actifs), elle n’est pas efficace contre des mousses épaisses et grasses dues à des boues biologiques filamenteuses et/ou des flottants enrobés de graisses et gorgés de biogaz, avec des conséquences similaires à celles rencontrées en cas d’arrêt de l’apport d’eau. En particulier, en cas de débordement du digesteur, on observe un colmatage très rapide du réseau de biogaz, ainsi que des éventuelles soupapes de sécurité complémentaires, ce qui a pour conséquence dans un premier temps, de provoquer une sortie de boues par la vasque d’alimentation, puis, dans un deuxième temps, une sortie directe du biogaz produit par cette même vasque.
[0024] Une évacuation des mousses/flottants est envisagée, mais elle est prévue vers un réservoir placé à l’extérieur du digesteur. La phase gazeuse de ce réservoir externe communique avec le ciel gazeux du digesteur, de sorte qu’il n’est pas aisé d’extraire les mousses flottants de ce réservoir externe sans provoquer dans le même temps une fuite de biogaz engendrant des risques d’explosion à l’extérieur du digesteur, avec les inconvénients et risques évoqués plus haut.
[0025] Le document US 4530762 décrit un digesteur comprenant un dispositif d’évacuation des mousses/flottants du digestat. Tout contenu accédant à la première cuve dans l’enceinte de ce digesteur semble transféré vers la première zone de la cuve. Les cuves sont destinées à récupérer l’effluent traité et sont disposées sur un lit de décanteurs tubulaires. La deuxième cuve est un séparateur de gaz. En fonctionnement normal, une paroi doit être positionnée avec son extrémité supérieure en alignement horizontal avec les bords des cuves. En relevant la paroi, cela permet de chasser les mousses dans les cuves. Puis les mousses sont collectées dans la cuve et soufflées de la cuve lorsque nécessaire. Autrement dit, pour envisager l’évacuation des mousses, la paroi doit être en position haute par rapport à la position nominale, et donc à une altitude supérieure que les bords des cuves. En outre, dans ce digesteur, il est impossible de collecter les mousses avec une première cuve immergée.
[0026] Enfin, le document US 5228995 décrit un digesteur à ciel gazeux réduit avec une enceinte composée de trois zones :
- la première zone inférieure contient le digestat,
- la deuxième zone médiane est constituée d’un support structurel en acier pour accueillir un média filtrant formant une surface d’attache à un dépôt biologique. Cette zone est une zone de séparation des solides/liquides/gaz,
La troisième zone supérieure contient la fraction liquide clarifiée. L’effluent traité est extrait de cette zone par un système de tuyauteries immergées et un système de contrôle de l’effluent traité. Ainsi, ce digesteur nécessite un système rabat-mousse additionnel pour fonctionner correctement.
[0027] Il existe donc un besoin pour un digesteur à ciel gazeux réduit, simple à mettre en oeuvre, permettant à la fois de maintenir l’intégrité de l’ouvrage en cas de phénomène RVE et d’évacuer les mousses quelle que soit la densité des mousses, c’est-à-dire capable d’évacuer les mousses peu denses mais aussi les mousses grasses et épaisses.
[0028] L’invention vise à pallier tout ou partie des problèmes cités plus haut en proposant un digesteur à ciel gazeux réduit comprenant un dispositif d’évacuation des mousses fonctionnant par gravité et par un double dispositif de surverse. Dans un mode de réalisation, le digesteur comprend un dispositif de mélange du digestat couplé à un dispositif d’injection de digestat dans le ciel gazeux, servant à la fois à diriger les mousses et flottants en surface vers la première surverse d’évacuation et à rabattre les mousses par effet mécanique. Un tel digesteur permet de concilier sécurité de fonctionnement et réduction du volume du ciel gazeux du digesteur, ce qui diminue ainsi le niveau des seuils de surpression et distances d’effets de l’explosion par action sur les deux paramètres modulables que sont la pression de rupture de l’ouvrage et le volume explosible (volume du ciel gazeux).
[0029] A cet effet, l’invention a pour objet un digesteur destiné à la mise en oeuvre d’un traitement de méthanisation de boues pour générer du biogaz et un digestat, le digesteur comprenant :
- une enceinte destinée à contenir un volume de matière, le volume de matière comprenant le digestat, le digestat comprenant à sa surface des mousses et/ou flottants provenant des boues ou générés pendant le traitement de méthanisation, l’enceinte définissant un premier volume égal au volume de matière et un second volume disposé au-dessus du premier volume ;
- un toit destiné à fermer l’enceinte ;
- un réservoir à proximité de l’enceinte et destiné à collecter le digestat ;
- un dôme disposé sur une portion du toit, et destiné à collecter le biogaz, le digesteur étant caractérisé en ce qu’il comprend un dispositif d’évacuation des mousses et/ou flottants du digestat comprenant :
- une première cuve disposée dans l’enceinte et délimitée par une première paroi, la première cuve étant destinée à être alimentée en digestat et en mousses et/ou flottants depuis le volume de matière par surverse au- dessus de la première paroi ;
- une deuxième cuve reliée à l’atmosphère et située à l’extérieur de l’enceinte, comprenant : o une première zone délimitée par une deuxième paroi ; et o une deuxième zone en communication avec le réservoir ;
- un conduit reliant la première cuve via un premier orifice à la première zone de la deuxième cuve via un deuxième orifice,
- la première zone étant destinée à être alimentée en digestat et en mousses et/ou flottants depuis la première cuve par le conduit ; la deuxième zone de la deuxième cuve étant destinée à être alimentée en digestat depuis la première zone de la deuxième cuve par surverse au-dessus de la deuxième paroi ; le deuxième orifice étant situé à une altitude supérieure ou égale à celle du premier orifice ; l’extrémité supérieure de la première paroi étant située à une première hauteur au- dessus d’un point de référence du premier orifice et l’extrémité supérieure de la deuxième paroi étant située à une deuxième hauteur au-dessus du point de référence du premier orifice ; la première hauteur et la deuxième hauteur étant prédéfinies de sorte qu’un premier mélange de proportions variables de digestat et mousses et/ou flottants dans la première cuve ayant une première densité moyenne soit transféré par gravité dans la première zone contenant un deuxième mélange de proportions variables de digestat et mousses et/ou flottants de deuxième densité, le transfert s’opérant tant que le produit de la première densité moyenne par la première hauteur est supérieur au produit de la deuxième densité moyenne par la deuxième hauteur par la première hauteur.
[0030] Dans un mode de réalisation, le digesteur selon l’invention comprend en outre un dispositif de mélange du volume de matière disposé dans le premier volume, le dispositif de mélange étant configuré pour mettre en mouvement le volume de matière.
[0031] Avantageusement, le dispositif de mélange comprend : - Une ou plusieurs cheminées s’étendant dans l’enceinte selon un premier axe, préférentiellement en périphérie de l’enceinte, chaque cheminée ayant une extrémité supérieure et une extrémité inférieure ;
- Un ou plusieurs premiers agitateurs, chacun étant préférentiellement positionné sous l’extrémité inférieure d’une des cheminées, le ou les premiers agitateurs étant configuré(s) pour mettre en mouvement le volume de matière en rotation autour d’un axe central vertical, sensiblement parallèle au premier axe et en translation selon le premier axe depuis l’extrémité supérieure vers l’extrémité inférieure de ladite cheminée.
[0032] Avantageusement, le dispositif de mélange comprend un ou plusieurs deuxièmes agitateurs, chacun étant disposé dans l’enceinte, préférentiellement dans le fond de l’enceinte, et encore préférentiellement en périphérie de l’enceinte, les deuxièmes agitateurs étant configuré(s) pour mettre en mouvement le volume de matière en rotation autour d’un axe central vertical, sensiblement parallèle au premier axe.
[0033] Dans un autre mode de réalisation, le digesteur selon l’invention comprend en outre un dispositif d’injection de digestat dans le second volume, préférentiellement disposé au centre du toit, et/ou dans le volume de matière.
[0034] Avantageusement, le dispositif d’injection de digestat comprend :
- Un premier injecteur fixé au toit, préférentiellement au centre du toit, et en connexion fluidique avec le second volume et configuré pour injecter du digestat dans le second volume ;
- Une première boucle de recirculation entre le premier volume et le premier injecteur ;
- Une première pompe de recirculation configurée pour faire recirculer du digestat dans la première boucle de recirculation depuis le premier volume vers le premier injecteur.
[0035] Avantageusement, le dispositif d’injection de digestat comprend en outre :
- Un deuxième injecteur fixé à une paroi latérale de l’enceinte à une première hauteur et en connexion fluidique avec l’enceinte et configuré pour injecter du digestat dans l’enceinte à la première hauteur ;
- Une deuxième boucle de recirculation entre une deuxième hauteur de l’enceinte, inférieure à la première hauteur et le deuxième injecteur ; - Une deuxième pompe de recirculation configurée pour faire recirculer du digestat dans la deuxième boucle de recirculation depuis la deuxième hauteur de l’enceinte et vers le deuxième injecteur.
[0036] Dans un autre mode de réalisation, la première boucle de recirculation et la deuxième boucle de recirculation sont regroupées en une seule et même boucle de recirculation, la première pompe de recirculation et la deuxième pompe de recirculation formant une seule et même pompe de recirculation configurée pour faire recirculer du digestat vers le premier injecteur et/ou vers le deuxième injecteur.
[0037] Avantageusement, le toit est en métal.
[0038] L’invention sera mieux comprise et d’autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d’un mode de réalisation donné à titre d’exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel :
[0039] La Figure 1 représente schématiquement un digesteur selon l’invention ;
[0040] La Figure 2 représente schématiquement un dispositif d’évacuation des mousses et/ou flottants d’un digesteur selon l’invention ;
[0041] La Figure 3 représente schématiquement un mode de réalisation d’un digesteur selon l’invention ;
[0042] La Figure 4 représente schématiquement un autre mode de réalisation du digesteur selon l’invention ;
[0043] La Figure 5 représente schématiquement un autre mode de réalisation du digesteur selon l’invention ;
[0044] La Figure 6 représente schématiquement un autre mode de réalisation du digesteur selon l’invention ;
[0045] La Figure 7 représente schématiquement un autre mode de réalisation du digesteur selon l’invention ;
[0046] La Figure 8 représente schématiquement une vue en coupe d’un mode de réalisation du digesteur selon l’invention.
[0047] Sur ces figures, dans un souci de clarté, les échelles ne sont pas respectées. Par ailleurs, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures.
[0048] L’invention s’applique généralement pour des digesteurs de 50 à 16000 m3, et avantageusement de 500 à 7000 m3.
[0049] La figure 1 représente schématiquement un digesteur 10 selon l’invention. Le digesteur 10 est destiné à la mise en oeuvre d’un traitement de méthanisation de boues pour générer du biogaz 11 et un digestat 12. Le digesteur 10 comprend une enceinte 13 destinée à contenir un volume de matière 14, le volume de matière 14 comprenant le digestat 12. L’enceinte 13 dispose préférentiellement d’une section circulaire. Le digestat comprend à sa surface des mousses et/ou flottants 16 provenant des boues ou étant générés pendant le traitement de méthanisation. L’enceinte 13 définit un premier volume 14 égal au volume de matière et un second volume 17 disposé au-dessus du premier volume 14. Le digesteur 10 comprend un toit 18 (ou paroi supérieure) destiné à fermer l’enceinte 13. Il comprend également un réservoir 19 à proximité de l’enceinte 13 et destiné à collecter le digestat 12. Le réservoir 19 est relié à l’enceinte. Il peut être contigu à l’enceinte ou à proximité de l’enceinte, de façon à permettre un transfert gravitaire des boues digérées (le digestat 12) par exemple par une chute directe ou par une chute indirecte par le biais d’une pente. Enfin, le digesteur 10 comprend un dôme 22 disposé sur une portion du toit 18, et destiné à collecter le biogaz 11.
[0050] Selon l’invention, le digesteur 10 comprend un dispositif d’évacuation 32 des mousses et/ou flottants 16 du digestat 12. Le dispositif d’évacuation 32 des mousses et/ou flottants 16 du digestat 12 est représenté schématiquement sur la figure 1. Il est présenté en détails ci-dessous.
[0051] La figure 2 représente schématiquement un dispositif d’évacuation 32 des mousses et/ou flottants 16 d’un digesteur selon l’invention. Le dispositif d’évacuation
32 des mousses et/ou flottants 16 du digestat 12 comprend une première cuve 33 disposée dans l’enceinte 13 et délimitée par une première paroi 100, et une deuxième cuve 34 reliée à l’atmosphère et située à l’extérieur de l’enceinte 13. Le dispositif d’évacuation 32 comprend en outre un conduit 37 reliant la première cuve
33 à la deuxième cuve 34.
[0052] Plus précisément, la première cuve 33 est destinée à être alimentée en digestat 12 et en mousses et/ou flottants 16 depuis le volume de matière 14 par surverse au-dessus de la première paroi 100.
[0053] La deuxième cuve 34 comprend une première zone 35 délimitée par une deuxième paroi 103, et une deuxième zone 36 en communication, directe ou indirecte, avec le réservoir 19. La première zone 35 est destinée à être alimentée en digestat 12 et en mousses et/ou flottants 16 depuis la première cuve 33 par le conduit 37. La deuxième zone 36 de la deuxième cuve 34 est destinée à être alimentée en digestat depuis la première zone 35 de la deuxième cuve 34 par surverse au-dessus de la deuxième paroi 103. La deuxième zone 36 est reliée au réservoir 19. Le deuxième orifice 102 est situé à une altitude supérieure ou égale à celle du premier orifice 101. Le terme altitude est à comprendre comme une mesure de la hauteur selon un axe selon lequel l’enceinte 13 s’étend.
[0054] Le conduit 37 relie la première cuve 33 via un premier orifice 101 à la première zone 35 de la deuxième cuve 34 via un deuxième orifice 102. Autrement dit, le premier orifice 101 est l’interface entre la première cuve 33 et le conduit 37, et le deuxième orifice 102 est l’interface entre le conduit 37 et la première zone 35 de la deuxième cuve 34. Pour faciliter l’écoulement des mousses et/ou flottants, l’orifice 102 est situé à un niveau supérieur ou égal à celui de l’orifice 101.
[0055] Comme cela est visible sur la figure 2, l’extrémité supérieure de la première paroi 100 est située à une première hauteur h1 au-dessus d’un point de référence 1001 du premier orifice 101. L’extrémité supérieure de la deuxième paroi 103 est située à une deuxième hauteur h2 au-dessus du point de référence 1001 du premier orifice 101. Le point de référence 1001 du premier orifice 101 peut être situé au point le plus bas du premier orifice 101. Il peut aussi s’agir du centre du premier orifice 101 (comme représenté sur la figure 2) dans le cas d’un orifice à section circulaire. En d’autres termes, les deux hauteurs h1 et h2 sont mesurées à partir de la même altitude, celle du point de référence préalablement choisi.
[0056] Selon l’invention, la première hauteur h1 et la deuxième hauteur h2 sont prédéfinies de sorte qu’un premier mélange de proportions variables de digestat et mousses et/ou flottants dans la première cuve 33 ayant une première densité moyenne d1 soit transféré par gravité dans la première zone 35 contenant un deuxième mélange de proportions variables de digestat 12 et mousses et/ou flottants 16 de deuxième densité d2, le transfert s’opérant tant que le produit de la première densité moyenne d1 par la première hauteur h1 est supérieur au produit de la deuxième densité moyenne d2 par la deuxième hauteur h2 par la première hauteur h1. En d’autres termes, l’évacuation des mousses/flottants 16 par le dispositif d’évacuation 32 a lieu tant que la relation d1*h1 > d2*h2 est respectée.
[0057] Cette relation est établie en omettant les pertes de charges dans le conduit 37 et les orifices 101 , 102 ainsi que la différence entre la pression de la phase gazeuse au-dessus de la première cuve 33 et la pression atmosphérique de la deuxième cuve 34. Un calcul plus détaillé prenant en compte l’impact des pertes de charge et des différences de pression est réalisable par l’homme du métier, spécialiste de la mécanique des fluides. Un tel calcul ne modifierait que de façon marginale la relation énoncée ci-dessus. En tout état de cause, en définissant la première hauteur h1 et la deuxième hauteur h2 pour qu’un premier mélange de densité moyenne d1 soit transféré par gravité dans la première zone 35 contenant un deuxième mélange de densité d2 en se basant sur la relation d1*h1 > d2*h2, le transfert a lieu. En tenant compte des effets de pertes de charges dans la canalisation de transfert et ses orifices (101 , 37, 102) et de pression différentielle entre le digesteur et l’extérieur, que l’Homme du métier sait déterminer, le transfert a lieu pour un mélange de densité proche de d1 ou supérieure. La prise en compte des effets de pertes de charges et de pression différentielle du digesteur impactera de manière négligeable la densité du mélange. Plus précisément, si on définit h1 et h2 à partir de la relation d1*h1 > d2*h2, le dispositif permettra le transfert d’un mélange jusqu’à une densité très proche de d1 (avec un écart de l’ordre de quelques % par rapport à d1 , écart que l’Homme du métier sait déterminer avec prise en compte de tous les effets mentionnés).
[0058] A titre d’illustration et de manière non-limitative, le dispositif d’évacuation 32 peut être dimensionné en se basant sur des hypothèses extrêmes défavorables à l’écoulement depuis la cuve 33 vers la cuve 34. Ainsi et à titre d’exemple, la valeur de densité maximale d2 peut être considérée égale à 1,05 et correspondant à un digestat dense ne contenant pas de mousses et/ou flottants. De même, la valeur de densité minimale d1 peut être considérée égale à 0,3 et correspondant à un mélange composé essentiellement de mousses et/ou flottants. En se basant sur la relation ci- dessus, on en déduit que dès lors que h1 > 3,5 x h2 (avec 3,5 = 1 ,05 / 0,3), alors un mélange de densité 0,3 ou plus pourra s’évacuer par écoulement gravitaire depuis la cuve 33 vers la cuve 34 contenant un mélange de densité 1 ,05 ou moins. Les valeurs des hauteurs h1 , h2 sont généralement fixées à la construction du digesteur avec le dispositif d’évacuation 32. Toutefois, il est également possible de prévoir des parois 100 et/ou 103 à hauteurs h1 et h2 variables, que l’on peut régler ultérieurement à la fabrication et/ou installation du dispositif d’évacuation 32.
[0059] Grâce au dispositif d’évacuation 32 des mousses/flottants 16, l’évacuation de mousses/flottants peut être réalisée par surverse avec un fonctionnement régulier et continu du digesteur.
[0060] La figure 3 représente schématiquement un mode de réalisation d’un digesteur 200 selon l’invention. Le digesteur 200 présenté sur la figure 3 est identique au digesteur 10 présenté sur la figure 1. Le digesteur 200 comprend en outre un dispositif de mélange 20 du volume de matière 14 disposé dans le premier volume 14. Le dispositif de mélange 20 est configuré pour mettre en mouvement le volume de matière 14. Le dispositif de mélange 20 imprime un mouvement de rotation au volume de matière 14 de telle manière que les mousses et/ou flottants 16 entraînés avec le digestat 12 soient extraits du volume de matière 14 avec le digestat 12 par surverse 100 dans la première cuve 33. Le dispositif de mélange 20 permet d’éviter l’accumulation de mousses et/ou flottants 16 en un point à la surface du volume de matière 14 éloigné de la première cuve 33.
[0061] Le digesteur 200 peut comprendre en outre un dispositif d’injection 21 de digestat 12 dans le second volume 17 et/ou dans le volume de matière 14. Le dispositif d’injection 21 permet d’injecter du digestat 12 dans le second volume 17 au-dessus du volume de matière 14. Le dispositif d’injection 21 est préférentiellement disposé au centre du toit 18. L’injection de digestat 12 au-dessus du volume de matière 14 sert à projeter les mousses et/ou flottants 16, ayant tendance à s’accumuler au centre de la surface, vers la périphérie où ils sont entraînés vers la première cuve 33 pour être extraits du volume de matière14. L’entraînement des mousses et/ou flottants 16 vers la cuve 33 est favorisé par le mouvement de rotation du volume de matière 14 généré par le dispositif de mélange 20.
[0062] Le dispositif d’injection 21 peut également se situer en périphérie de l’enceinte 13. L’injection de digestat 12 depuis la paroi latérale au-dessus du volume de matière 14 est réalisée avec un jet orienté de façon à produire un mouvement de rotation du volume de matière autour d’un axe vertical. Ce mouvement de rotation entraîne les mousses et/ou flottants vers la cuve 33.
[0063] La figure 4 représente schématiquement un autre mode de réalisation d’un digesteur 210 selon l’invention. Dans ce mode de réalisation, le digesteur 210 comprend le dispositif d’injection 21 et le dispositif de mélange 20. Bien que la présence de ces deux dispositifs est préférée, l’invention couvre également tout digesteur comprend seulement un dispositif d’injection 21 ou seulement un dispositif de mélange 20.
[0064] Le dispositif de mélange 20 comprend une ou plusieurs cheminées 23 s’étendant dans l’enceinte 13 selon un premier axe 24, préférentiellement en périphérie de l’enceinte 13. Chaque cheminée 23 a une extrémité supérieure 61 et une extrémité inférieure 62. Par cheminée, on entend un corps creux s’étendant selon le premier axe 24. Les cheminées 23 peuvent avoir une section circulaire ou polygonale. Dans un mode de réalisation préférée, les cheminées sont des demi- cylindres fixés, par exemple par soudage ou rivetage, à la paroi latérale de l’enceinte 13. Le dispositif de mélange 20 comprend un ou plusieurs premiers agitateurs 25. Chacun parmi les premiers agitateurs 25 est associé à une parmi la pluralité de cheminées 23. En d’autres termes, chaque cheminée 23 a son premier agitateur 25. Chacun des premiers agitateurs est préférentiellement positionné sous l’extrémité inférieure 62 de sa cheminée 23. Le ou les premiers agitateurs 25 sont configuré(s) pour mettre en mouvement le volume de matière 14 en rotation autour d’un axe central vertical 60, sensiblement parallèle au premier axe 24, et en translation selon le premier axe 24 depuis l’extrémité supérieure 61 vers l’extrémité inférieure 62 de ladite cheminée 23. Autrement dit, les premiers agitateurs 25 sont orientés de façon à imprimer un mouvement de rotation au digestat 12 selon le mouvement représenté par la flèche 271 et un mouvement du bas vers le haut dans le volume 14 via le mouvement inverse de haut en bas à travers la cheminée 23 représenté par la flèche 251. Nous pouvons qualifier ce mouvement de combinaison d’une rotation horizontale autour de l’axe 60 et de déplacement vertical du haut de la cheminée vers le bas de l’enceinte. L’écoulement de digestat à l’aspiration de l’agitateur 25 est canalisé depuis la surface au moyen de la cheminée 23. Ceci crée le déplacement vertical et l’orientation de l’agitateur 25 crée une mise en rotation horizontale en complément de la mise en rotation générée par le dispositif d’injection latéral 21. L’extrémité supérieure 61 de la ou des cheminée(s) 23 est positionnée sous la surface de la matière du volume de matière 14 (par exemple 250 mm sous le niveau le plus bas de digestat). Ainsi, du digestat 12 tombe dans la/les cheminée(s) 23. L’ensemble formé par une cheminée 23 et un premier agitateur 25 contribue à déstratifier le volume de matière 14 par production d’un pompage du bas vers le haut du volume de matière 14.
[0065] Préférentiellement, de la boue fraîche peut être injectée dans la cheminée 23 pour favoriser un mélange efficace de la boue fraîche avec le reste du digestat. A titre d’exemple, le débit d’alimentation en boues fraîches peut être de l’ordre de 30 m3/h alors que le débit de pompage fourni par un premier agitateur 25 peut être de l’ordre de 2500 m3/h soit un ratio de l’ordre de 1/100.
[0066] Le dispositif de mélange 20 peut également comprendre un ou plusieurs deuxièmes agitateurs 27, chacun étant disposé dans l’enceinte 13, préférentiellement dans le fond de l’enceinte 13, et encore préférentiellement en périphérie de l’enceinte 13. Les deuxièmes agitateurs 27 sont configuré(s) pour mettre en mouvement le volume de matière 14 en rotation autour de l’axe central vertical 60, sensiblement parallèle au premier axe 24. Ainsi, les deuxièmes agitateurs 27 sont orientés de façon à imprimer un mouvement de rotation au digestat 12 selon le mouvement représenté par la flèche 271. Nous pouvons qualifier ce mouvement de rotation de déplacement horizontal. L’Homme du métier sait déterminer les caractéristiques (taille, forme, vitesse de rotation, etc.) adéquates des agitateurs 25, 27 et orienter les axes 26, 28 des agitateurs 25, 27 en fonction de la viscosité de la matière à brasser et le volume de matière 14 considéré.
[0067] Le mouvement horizontal déplace les mousses/flottants vers la périphérie de l’enceinte. Le mouvement vertical déplace les mousses/flottants depuis la surface supérieure du volume de matière 14 vers le bas de l’enceinte. La combinaison de ces deux mouvements permet d’empêcher la formation et/ou stagnation de mousses/flottants à la surface du volume de matière et un meilleur mélange du contenu de l’enceinte est obtenu.
[0068] La figure 5 représente schématiquement un autre mode de réalisation d’un digesteur 220 selon l’invention. Dans ce mode de réalisation, le dispositif d’injection de digestat 21 comprend un premier injecteur 29 fixé au toit, préférentiellement au centre du toit, et en connexion fluidique avec le second volume 17 et configuré pour injecter du digestat 12 dans le second volume 17. Le dispositif d’injection 21 comprend une première boucle de recirculation 30 entre le premier volume 14 et le premier injecteur 29. Enfin le dispositif d’injection 21 comprend une première pompe de recirculation 31 configurée pour faire recirculer du digestat 12 dans la première boucle de recirculation 30 depuis le premier volume 14 vers le premier injecteur 29. L’injection de digestat dans le second volume vise à rabattre les mousses/flottants et à les faire se déplacer vers la périphérie de l’enceinte.
[0069] Le dôme 22 peut comprendre deux soupapes de sécurité 40, 41 disposées en vis-à-vis l’une de l’autre.
[0070] Le toit 18 est généralement sensiblement plat. S’il est en métal, il peut être soit concave (si la pression appliquée au toit est inférieure à 5 mbar), soit convexe (si la pression appliquée au toit est supérieure à 5 mbar).
[0071] La figure 6 représente schématiquement un autre mode de réalisation d’un digesteur 230 selon l’invention. Dans ce mode de réalisation, le dispositif d’injection de digestat 21 comprend un deuxième injecteur 39 fixé à une paroi latérale de l’enceinte 13 à une première hauteur 53 et en connexion fluidique avec l’enceinte 13, et plus précisément le volume de matière 14, et configuré pour injecter du digestat 12 dans l’enceinte 13, dans le volume de matière 14. Le dispositif d’injection 21 comprend une deuxième boucle de recirculation 50 entre une deuxième hauteur 52 de l’enceinte 13, inférieure à la première hauteur 53 et le deuxième injecteur 39. Enfin, le dispositif d’injection 21 comprend une deuxième pompe de recirculation 51 configurée pour faire recirculer du digestat 12 dans la deuxième boucle de recirculation 30 depuis la deuxième hauteur 52 de l’enceinte 13 et vers le deuxième injecteur 39. Autrement dit, le dispositif d’injection du digesteur 130 est configuré pour injecter du digestat initialement dans la partie basse de l’enceinte vers une partie haute du volume de matière. Comme déjà évoqué, cette injection contribue à mettre la matière de l’enceinte en mouvement et à faire tourner les mousses/flottants en surface pour empêcher leur stagnation et les envoyer vers la périphérie de l’enceinte, vers les cheminées 23 et la cuve 33. Alternativement, ou en complément, le dispositif d’injection de digestat 21 comprend un deuxième injecteur 49 fixé à une paroi latérale de l’enceinte 13 à une première hauteur 54 et en connexion fluidique avec l’enceinte 13 et configuré pour injecter du digestat 12 dans l’enceinte 13 à la première hauteur 54, la première hauteur 54 étant au niveau du second volume 17. De façon similaire à ce qui a été expliqué précédemment, le dispositif d’injection 21 comprend une deuxième boucle de recirculation 50 entre une deuxième hauteur 52 de l’enceinte 13, inférieure à la première hauteur 54 et le deuxième injecteur 49. Et le dispositif d’injection 21 comprend une deuxième pompe de recirculation 51 configurée pour faire recirculer du digestat 12 dans la deuxième boucle de recirculation 30 depuis la deuxième hauteur 52 de l’enceinte 13 et vers le deuxième injecteur 49. Cette injection de digestat 12 au-dessus du volume de matière 14 forme un jet orienté par rapport à la surface supérieure du volume de matière 14 de façon à produire un mouvement de rotation du volume de matière autour de l’axe vertical 60. Ce mouvement de rotation entraîne les mousses et/ou flottants vers la cuve 33.
[0072] Ce mode de réalisation peut comprendre un unique deuxième injecteur 39, 49 sur la paroi latérale de l’enceinte. Mais il peut également comprendre plusieurs deuxièmes injecteurs 39, 49 répartis tout autour de la paroi, avec un ou des boucles de recirculation adaptée(s) à cette configuration, en lien avec la deuxième pompe de recirculation. [0073] Le digesteur selon l’invention peut comprendre soit l’une des deux boucles de recirculation, soit une double recirculation, c’est-à-dire les deux recirculations décrites précédemment, avec la première boucle de recirculation et la deuxième boucle de recirculation. Dans un mode de réalisation préféré, les deux boucles de recirculation sont mutualisées.
[0074] La figure 7 représente schématiquement un autre mode de réalisation d’un digesteur 240 selon l’invention. Dans ce mode de réalisation du digestion selon l’invention, la première boucle de recirculation 30 et la deuxième boucle de recirculation 50 sont regroupées en une seule et même boucle de recirculation, la première pompe de recirculation 31 et la deuxième pompe de recirculation 51 formant une seule et même pompe de recirculation configurée pour faire recirculer du digestat 12, alternativement ou simultanément, vers le premier injecteur 29 ou/et vers le deuxième injecteur 39. Alternativement, ou en complément, la deuxième boucle de recirculation peut être reliée au deuxième injecteur 49 fixé à la paroi latérale de l’enceinte 13 à la première hauteur 54 et en connexion fluidique avec l’enceinte 13 et configuré pour injecter du digestat 12 dans l’enceinte 13 à la première hauteur 54, dans le volume 17.
[0075] La figure 8 représente schématiquement une vue en coupe d’un mode de réalisation du digesteur 240 selon l’invention. La coupe est réalisée au niveau de l’enceinte 13, perpendiculairement à l’axe vertical central 60, en rendant visibles les éléments présents dans (ou reliés à) l’enceinte 13 pour une meilleure représentation du digesteur de l’invention. A noter que le dispositif d’évacuation des mousses/flottants n’est pas représenté sur cette figure.
[0076] En périphérie de l’enceinte 13, c’est-à-dire à proximité des parois latérales de l’enceinte, un deuxième agitateur 27 est présent pour imprimer un mouvement de rotation dit horizontal (représenté par la flèche 271) au volume de matière 14 et donc aux mousses/flottants qui se trouvent en surface supérieure du volume de matière. Un seul deuxième agitateur 27 est représenté mais il pourrait y en avoir plus que un. Le ou les agitateurs 27 peuvent se situer en périphérie de l’enceinte 13 mais ils peuvent aussi se situer plus au centre de l’enceinte. Deux premiers agitateurs 25 sont présents pour imprimer un mouvement de rotation dit vertical au volume de matière 14 et donc aux mousses/flottants qui se trouvent en surface supérieure du volume de matière. Les premiers agitateurs 25 sont positionnés chacun sous une cheminée 23. Ainsi, les mousses/flottants présents en surface du volume de matière 14 sont déplacés du centre vers la périphérie par le mouvement de rotation dit horizontal grâce aux deuxièmes agitateurs 27. Puis, arrivés en périphérie de l’enceinte 13, les mousses/flottants descendent par les cheminées 23 suite au mouvement de rotation dit vertical généré par les premiers agitateurs 25. L’injection de boue additionnelle dans les cheminées 23 contribue à un mélange efficace de la boue injectée avec le reste du digestat déjà présent dans l’enceinte.
[0077] Deux pompes de recirculation 31 , 51 sont représentées. La première pompe de recirculation 31 est associée à la première boucle de recirculation (non représentée) et vise à injecter du digestat 12 prélevé dans le fond de l’enceinte 13 au niveau du ciel gazeux (second volume 17) par le premier injecteur 29. Le digestat est injecté par le premier injecteur au-dessus du volume de matière 14, sur les mousses/flottants présents en surface. Les mousses/flottants sont ainsi rabattus. Cette injection contribue aussi à les faire se déplacer vers la périphérie de l’enceinte. [0078] La deuxième pompe de recirculation 51 est associée à la deuxième boucle de recirculation (non représentée) et vise à injecter du digestat 12 prélevé dans le fond de l’enceinte 13 dans le volume de matière 14 à une hauteur supérieure à la hauteur à laquelle le digestat a été prélevé. Cette injection latérale met en mouvement le volume de matière et contribuer à déplacer les mousses/flottants en surface en initiant un mouvement de rotation pour empêcher leur stagnation et les envoyer vers la périphérie de l’enceinte, vers les cheminées 23. Autrement dit, la deuxième boucle de recirculation vise à injecter du digestat d’un niveau inférieur de l’enceinte dans le digestat à un niveau supérieur de l’enceinte pour déstratifier le volume de matière. La deuxième pompe de recirculation 51 associée à la deuxième boucle de recirculation (non représentée) peut également viser à injecter du digestat 12 prélevé dans le fond de l’enceinte 13 dans le volume de matière 14 à une hauteur supérieure à la hauteur à laquelle le digestat a été prélevé pour injecter le digestat prélevé dans le second volume, au-dessus du volume de matière 14. Cette injection contribue au mouvement de rotation du volume de matière autour de l’axe vertical 60. Ce mouvement de rotation aide à diriger les mousses et/ou flottants vers la cuve 33. [0079] Comme expliqué précédemment, la première boucle de recirculation 30 et la deuxième boucle de recirculation 50 peuvent être regroupées en une seule et même boucle de recirculation. Cette unique boucle de recirculation peut être alimentée par la première pompe de recirculation 31 et la deuxième pompe de recirculation 51. Alternativement, la première pompe de recirculation 31 et la deuxième pompe de recirculation 51 peuvent former une seule et même pompe de recirculation configurée pour faire recirculer du digestat 12 vers le premier injecteur 29 et vers le deuxième injecteur 39, 49, soit simultanément, soit en alternance.
[0080] Enfin le digesteur 240 comprend aussi un dôme 22 disposé sur une portion du toit 18, et destiné à collecter le biogaz 11. Avantageusement, le dôme est disposé sensiblement au-dessus d’une cheminée 23. Le mélange de digestat 12, de mousses/flottants 16 et de boue fraîchement introduite qui a lieu au niveau de la cheminée 23 peut permettre de libérer des poches de biogaz qui va s’échapper par l’extrémité supérieure 61 de la cheminée 23. Il est donc judicieux de positionner le dôme 22 à proximité de l’extrémité supérieure 61 de la cheminée 23.
[0081] Avantageusement, le dôme est disposé sensiblement en périphérie du toit 18 et au-dessus d’un deuxième injecteur 39 fixé sur la paroi latérale du digesteur dans le volume 17. L’injection de digestat 12 par l’injecteur provoque un effet de rabat- mousse mécanique qui protège donc le dôme d’éventuelles intrusions de mousses. [0082] Dans un mode particulier de l’invention, le digesteur peut comprendre en outre une vanne disposée en aval de la deuxième cuve 34, par exemple au niveau d’un conduit en sortie de la deuxième cuve 34. Il peut s’agir de tout type de vanne adapté, telle qu’une vanne à manchon (pneumatique ou mécanique) ou une vanne guillotine. La vanne permet de contrôler le débit d’évacuation du contenu de la deuxième cuve 34. En position fermée de la vanne, il n’y a pas d’évacuation du contenu vers le réservoir 19. Cela permet d’augmenter de quelques centimètres le niveau du contenu dans l’enceinte du digesteur et ainsi faciliter l’entraînement des mousses/flottants par une ouverture instantanée de la vanne. Une telle ouverture de la vanne a l’effet d’une évacuation par chasse. Le digesteur peut optionnellement comprendre un dispositif d’activation de la vanne pour l’ouvrir et la fermer. Le digesteur peut également comprendre un programmateur destiné à déclencher le dispositif d’activation de la vanne à intervalles temporels prédéfinis, de sorte à permettre une évacuation préventive des mousses et des flottants. Il en résulte un meilleur contrôle de la quantité de mousses/flottants dans l’enceinte du digesteur. [0083] L’invention propose un digesteur à ciel gazeux réduit permettant d’évacuer les mousses/flottants quelle que soit leur densité et de maintenir l’intégrité de l’ouvrage en cas de phénomène RVE. Cela est rendu possible grâce au dispositif d’évacuation des mousses/flottants fonctionnant par gravité avec un double dispositif de surverse. En outre, le dispositif d’injection permet de déplacer les mousses/flottants vers la périphérie de l’enceinte et le dispositif de mélange contribue également à déplacer les mousses/flottants vers le fond de l’enceinte. La combinaison du dispositif d’injection et du dispositif de mélange assure à la fois un très bon brassage des mousses et/ou flottants avec le digestat pour favoriser leur ré in corporation dans le digestat, et à la fois une bonne évacuation par surverse des mousses et/ou flottants non réincorporés.
[0084] L’invention concerne aussi un procédé de digestion par mise en oeuvre d’un traitement de méthanisation de boues pour générer du biogaz 11 et un digestat 12 dans un digesteur tel que décrit précédemment. Le digestat comprend à sa surface des mousses et/ou flottants 16 provenant des boues ou générés pendant le traitement de méthanisation. Le procédé de digestion selon l’invention comprend une étape de gestion des mousses et/ou flottants par évacuation selon leur densité. Cette étape de gestion comprend :
- une étape d’alimentation de la première cuve 33 en digestat 12 et en mousses et/ou flottants 16 depuis le volume de matière 14 par surverse au-dessus de la première paroi 100, et
- une étape d’alimentation de la première zone 35 de la deuxième cuve 34 en digestat 12 et en mousses et/ou flottants 16 depuis la première cuve 33 par le conduit 37,
- une étape d’alimentation de la deuxième zone 36 de la deuxième cuve 34 en digestat depuis la première zone 35 de la deuxième cuve 34 par surverse au- dessus de la deuxième paroi 103.
[0085] Comme détaillé précédemment, le conduit 37 relie la première cuve 33 via le premier orifice 101 à la première zone 35 de la deuxième cuve 34 via un deuxième orifice 102, le deuxième orifice 102 étant situé à une altitude supérieure ou égale à celle du premier orifice 101 , et l’extrémité supérieure de la première paroi 100 étant située à une première hauteur h1 au-dessus d’un point de référence du premier orifice 101 et l’extrémité supérieure de la deuxième paroi 103 étant située à une deuxième hauteur h2 au-dessus du point de référence du premier orifice 101. La première hauteur h1 et la deuxième hauteur h2 sont prédéfinies de sorte qu’un premier mélange de proportions variables de digestat et mousses et/ou flottants dans la première cuve 33 ayant une première densité moyenne d1 soit transféré par gravité dans la première zone 35 contenant un deuxième mélange de proportions variables de digestat et mousses et/ou flottants de deuxième densité d2, le transfert s’opérant tant que le produit de la première densité moyenne d1 par la première hauteur h1 est supérieur au produit de la deuxième densité moyenne d2 par la deuxième hauteur h2 par la première hauteur h1.
[0086] Avantageusement, le procédé de digestion selon l’invention comprend en outre une étape de mélange du volume de matière 14.
[0087] Avantageusement, le procédé de digestion selon l’invention comprend en outre une étape d’injection de digestat dans le volume de matière 14 et/ou dans le volume 17.
[0088] Il apparaîtra plus généralement à l'Homme du métier que diverses modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation décrits ci-dessus, à la lumière de l'enseignement qui vient de lui être divulgué. Dans les revendications qui suivent, les termes utilisés ne doivent pas être interprétés comme limitant les revendications aux modes de réalisation exposés dans la présente description, mais doivent être interprétés pour y inclure tous les équivalents que les revendications visent à couvrir du fait de leur formulation et dont la prévision est à la portée de l'Homme du métier se basant sur ses connaissances générales.

Claims

REVENDICATIONS
1. Digesteur (10, 200, 210, 220, 230, 240) destiné à la mise en œuvre d’un traitement de méthanisation de boues pour générer du biogaz (11) et un digestat (12), le digesteur (10, 200, 210, 220, 230, 240) comprenant :
- une enceinte (13) destinée à contenir un volume de matière (14), le volume de matière (14) comprenant le digestat (12), le digestat comprenant à sa surface des mousses et/ou flottants (16) provenant des boues ou générés pendant le traitement de méthanisation, l’enceinte (13) définissant un premier volume (14) égal au volume de matière et un second volume (17) disposé au-dessus du premier volume (14) ;
- un toit (18) destiné à fermer l’enceinte (13) ;
- un réservoir (19) à proximité de l’enceinte (13) et destiné à collecter le digestat (12) ;
- un dôme (22) disposé sur une portion du toit (18), et destiné à collecter le biogaz (11), le digesteur étant caractérisé en ce qu’il comprend un dispositif d’évacuation (32) des mousses et/ou flottants (16) du digestat (12) comprenant :
- une première cuve (33) disposée dans l’enceinte (13), la première cuve étant immergée dans le volume de matière (14) et délimitée par une première paroi (100), la première cuve (33) étant destinée à être alimentée en digestat (12) et en mousses et/ou flottants (16) depuis le volume de matière (14) par surverse au-dessus de la première paroi (100) ;
- une deuxième cuve (34) reliée à l’atmosphère et située à l’extérieur de l’enceinte (13), comprenant : o une première zone (35) délimitée par une deuxième paroi (103) ; et o une deuxième zone (36) en communication avec le réservoir (19) ;
- un conduit (37) reliant la première cuve (33) via un premier orifice (101) à la première zone (35) de la deuxième cuve (34) via un deuxième orifice (102),
- la première zone (35) étant destinée à être alimentée en digestat (12) et en mousses et/ou flottants (16) depuis la première cuve (33) par le conduit (37) ; la deuxième zone (36) de la deuxième cuve (34) étant destinée à être alimentée en digestat depuis la première zone (35) de la deuxième cuve (34) par surverse au- dessus de la deuxième paroi (103) ; le deuxième orifice (102) étant situé à une altitude supérieure ou égale à celle du premier orifice (101) ; l’extrémité supérieure de la première paroi (100) étant située à une première hauteur (h1) au-dessus d’un point de référence du premier orifice (101) et l’extrémité supérieure de la deuxième paroi (103) étant située à une deuxième hauteur (h2) au- dessus du point de référence du premier orifice (101) et l’extrémité supérieure de la deuxième paroi (103) étant à une altitude inférieure de celle de l’extrémité supérieure de la première paroi (100) ; la première hauteur (h1) et la deuxième hauteur (h2) étant prédéfinies de sorte qu’un premier mélange de proportions variables de digestat et mousses et/ou flottants dans la première cuve (33) ayant une première densité moyenne (d1) soit transféré par gravité dans la première zone (35) contenant un deuxième mélange de proportions variables de digestat et mousses et/ou flottants de deuxième densité (d2), le transfert s’opérant tant que le produit de la première densité moyenne (d1) par la première hauteur (h1) est supérieur au produit de la deuxième densité moyenne (d2) par la deuxième hauteur (h2) par la première hauteur (h1).
2. Digesteur (200, 210, 220, 230, 240) selon la revendication 1 , comprenant en outre un dispositif de mélange (20) du volume de matière (14) disposé dans le premier volume (14), le dispositif de mélange (20) étant configuré pour mettre en mouvement le volume de matière (14).
3. Digesteur (200, 210, 220, 230, 240) selon la revendication 2, dans lequel le dispositif de mélange (20) comprend :
- Une ou plusieurs cheminées (23) s’étendant dans l’enceinte (13) selon un premier axe (24), préférentiellement en périphérie de l’enceinte (13), chaque cheminée (23) ayant une extrémité supérieure (61) et une extrémité inférieure (62) ;
- Un ou plusieurs premiers agitateurs (25), chacun étant préférentiellement positionné sous l’extrémité inférieure (62) d’une des cheminées (23), le ou les premiers agitateurs (25) étant configuré(s) pour mettre en mouvement le volume de matière (14) en rotation autour d’un axe central vertical (60), sensiblement parallèle au premier axe (24) et en translation selon le premier axe (24) depuis l’extrémité supérieure (61) vers l’extrémité inférieure (62) de ladite cheminée (23).
4. Digesteur (200, 210, 220, 230, 240) selon l’une quelconque des revendications 2 ou 3, dans lequel le dispositif de mélange (20) comprend un ou plusieurs deuxièmes agitateurs (27), chacun étant disposé dans l’enceinte (13), préférentiellement dans le fond de l’enceinte (13), et encore préférentiellement en périphérie de l’enceinte (13), les deuxièmes agitateurs (27) étant configuré(s) pour mettre en mouvement le volume de matière (14) en rotation autour d’un axe central vertical (60), sensiblement parallèle au premier axe (24).
5. Digesteur (200, 210, 220, 230, 240) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant en outre un dispositif d’injection (21) de digestat (12) dans le second volume (17), préférentiellement disposé au centre du toit (18), et/ou dans le volume de matière (14).
6. Digesteur (220, 240) selon la revendication 5, dans lequel le dispositif d’injection de digestat (21) comprend :
- Un premier injecteur (29) fixé au toit, préférentiellement au centre du toit, et en connexion fluidique avec le second volume (17) et configuré pour injecter du digestat (12) dans le second volume (17) ;
- Une première boucle de recirculation (30) entre le premier volume (14) et le premier injecteur (29) ;
- Une première pompe de recirculation (31) configurée pour faire recirculer du digestat (12) dans la première boucle de recirculation (30) depuis le premier volume (14) vers le premier injecteur (29).
7. Digesteur (230, 240) selon l’une quelconque des revendications 5 ou 6, dans lequel le dispositif d’injection de digestat (21) comprend en outre :
- Un deuxième injecteur (39, 49) fixé à une paroi latérale de l’enceinte (13) à une première hauteur (53, 54) et en connexion fluidique avec l’enceinte (13) et configuré pour injecter du digestat (12) dans l’enceinte (13) à la première hauteur (53, 54) ;
- Une deuxième boucle de recirculation (50) entre une deuxième hauteur (52) de l’enceinte (13), inférieure à la première hauteur (53, 54) et le deuxième injecteur (39, 49) ;
- Une deuxième pompe de recirculation (51) configurée pour faire recirculer du digestat (12) dans la deuxième boucle de recirculation (30) depuis la deuxième hauteur (52) de l’enceinte (13) et vers le deuxième injecteur (39, 49).
8. Digesteur (240) selon la revendication 7, dans lequel la première boucle de recirculation (30) et la deuxième boucle de recirculation (50) sont regroupées en une seule et même boucle de recirculation, la première pompe de recirculation (31) et la deuxième pompe de recirculation (51) formant une seule et même pompe de recirculation configurée pour faire recirculer du digestat (12) vers le premier injecteur (29) et/ou vers le deuxième injecteur (39, 49).
9. Digesteur (10, 200, 210, 220, 230, 240) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le toit (18) est en métal.
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