FR2477522A1 - Treating manures by two stage anaerobic fermentation - followed by culturing in ponds with algae - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention a pour objet un procédé de traitement complet d'épuration d'effluents riches en matières organiques, comportant dans une première étape une fermentation anaérobie et dans une deuxième étape une culture d'algues. The subject of the present invention is a process for the complete treatment of purification of effluents rich in organic matter, comprising in a first step an anaerobic fermentation and in a second step an algae culture.
Il est bien connu de soumettre des effluents comportant des matières organiques à des fermentations anaérobie en particulier pour produire du méthane. Il s'agit de ce que l'on appelle la fermentation méthanique. It is well known to subject effluents containing organic materials to anaerobic fermentations especially to produce methane. This is what is called methane fermentation.
Il est également connu d'épurer les effluents liquides en les soumettant dans des lagunes à des cultures d'algues. L'utilisation de ce procédé étant toutefois limitée à la fois par la composition des effluents qui ne conviennent pas tous à une bonne épuration et par la taille des lagunes qu'il est nécessaire de prévoir pour obtenir un rendement d'épuration suffisant. It is also known to purify liquid effluents by submitting them in lagoons to algal cultures. However, the use of this process is limited both by the composition of the effluents that are not all suitable for good purification and by the size of the lagoons that it is necessary to provide to obtain a sufficient purification efficiency.
La présente invention a pour objet un procédé permettant, dans le cas d'un effluent particulier, l'effluent issu d'un élevage intensif de porcs que l'on dénommera ci-après "lisiers", à la fois de produire une quantité importante de méthane, source d'énergie et d'obtenir une épuration complète du lisier permettant le rejet à la nature. The subject of the present invention is a process which makes it possible, in the case of a particular effluent, the effluent resulting from an intensive breeding of pigs that will be hereinafter referred to as "slurry", both to produce a large quantity of methane, source of energy and to obtain a complete purification of the manure allowing the rejection to the nature.
Le lisier de porc est constitué essentiellement par les urines, les fécès et les résidus alimentaires des animaux auxquels s'ajoutent souvent les eaux de lavage. Il se présente sous la forme d'un effluent liquide épais, fortement chargé en matière organique. Pig manure consists essentially of urine, faeces and food residues of animals, to which wash water is often added. It is in the form of a thick liquid effluent, heavily loaded with organic matter.
Les déchets d'élevages intensifs, de type lisiers, sont des effluents contenant de 1 à 5 % de matières organiques en majorité biodégradables par voie anaérobie. Intensive livestock waste, slurry type, is an effluent containing from 1 to 5% organic matter, most of which is biodegradable anaerobically.
La fermentation anaérobie peut être réalisée soit en une seule phase, soit en deux phases. Dans ce dernier cas la première phase au cours de laquelle on transforme progressivement les matières organiques, molécules complexes, notamment polysaccharides, composés cellulosiques protéines et lipides, en acides organiques à chaînes courtes et alcools est généralement dénommée phase d'acidification, et la deuxième phase, au cours de laquelle ces composés sont transformés par fermentation en méthane, est dénommée phase méthanique. Anaerobic fermentation can be carried out either in a single phase or in two phases. In the latter case, the first phase in which organic materials, complex molecules, in particular polysaccharides, protein and lipidic cellulose compounds, are progressively transformed into short-chain organic acids and alcohols is generally referred to as the acidification phase, and the second phase in which these compounds are transformed by fermentation into methane is called the methane phase.
La mise en oeuvre de cette fermentation pose un certain nombre de problèmes liés aux cinétiques différentes de transformation des produits du milieu et aux activités différentes des diverses bactéries présentes dans le milieu notamment en fonction des conditions physicochimiques, température, pH, etc. du milieu de fermentation. The implementation of this fermentation poses a certain number of problems related to the different kinetics of transformation of the products of the medium and to the different activities of the various bacteria present in the medium, notably as a function of the physicochemical conditions, temperature, pH, etc. fermentation medium.
L'invention a pour but un procédé permettant à la fois d'optimiser les conditions de la fermentation anaérobie et donc d'obtenir des rendements en méthane importants et de permettre grâce à la complémentarité des deux étapes l'épuration complète de l'effluent particulier traité. The aim of the invention is a process which makes it possible both to optimize the conditions of the anaerobic fermentation and thus to obtain significant yields of methane and to make it possible, thanks to the complementarity of the two stages, to completely purify the particular effluent. treaty.
L'invention a pour objet un procédé de traitement complet, d'épuration en deux étapes, d'effluents riches en matières organiques de type lisiers avec production simultanée de méthane caractérisé en ce qu'au cours d'une première étape on réalise une fermentation anaérobie à deux étages, le premier étage de la fermentation, dit d'acidification, étant mis en oeuvre dans un réacteur à une température comprise entre 30 et 420 C, dans un domaine de pH compris entre 4.5 et 6.5 et avec un temps de séjour de l'effluent compris entre 5 et 20 jours, le deuxième étage de la fermentation, dit méthanique, étant mis en oeuvre dans un réacteur à une température comprise entre 48 et 600 C, dans un domaine de pH compris entre 6.8 et 8.3 et avec un temps de séjour compris entre 5 et 20 jours puis au cours d'une deuxième étape, après avoir dilué l'effluent issu de la première étape, on l'indroduit dans une lagune d'une profondeur généralement comprise entre 10 et 30 cm où on réalise une culture d'algues à la température ambiante avec un temps de séjour de 3 à 10 jours. The subject of the invention is a process for the complete treatment, of purification in two stages, of effluents rich in organic matter of slurry type with simultaneous production of methane, characterized in that during a first stage a fermentation is carried out. anaerobic two-stage, the first stage of the fermentation, called acidification, being carried out in a reactor at a temperature between 30 and 420 C, in a pH range between 4.5 and 6.5 and with a residence time of the effluent between 5 and 20 days, the second stage of the fermentation, called methane, being carried out in a reactor at a temperature of between 48 and 600 ° C., in a pH range of between 6.8 and 8.3, and with a residence time of between 5 and 20 days and then during a second stage, after diluting the effluent from the first stage, it is indroduced in a lagoon of a depth generally between 10 and 30 cm where an algae culture is carried out at room temperature with a residence time of 3 to 10 days.
Enfin à l'issue de cette deuxième étape on effectue une séparation par décantation, permettant le rejet du surnageant dans le milieu naturel. Finally, at the end of this second stage, a separation by decantation is carried out, allowing the supernatant to be rejected in the natural environment.
Les diverses bactéries anaérobie strictes et facultatives sont présentes dans le milieu de fermentation. On peut citer par exemple
methanobacterium suboxydans
methanobacterium propionicum
methanosarcina methanica
methanobacterium omelianskü
methanobacterium formicium
methanosarcina barkerü
etc. The various strict and facultative anaerobic bacteria are present in the fermentation medium. For example, we can cite
methanobacterium suboxydans
methanobacterium propionicum
methanosarcina methanica
methanobacterium omelianskü
methanobacterium formicium
methanosarcina barkerü
etc.
Ces bactéries ont des activités diverses et certaines participent activement à la première phase de la fermentation, acidification, et d'autres activement à la deuxième phase, fermentation méthanique. These bacteria have various activities and some actively participate in the first phase of fermentation, acidification, and others actively in the second phase, methane fermentation.
Il a été constaté avec surprise que les conditions opératoires physico-chimiques de ces deux phases de la fermentation avaient une grande importance sur l'optimisation de cette première étape, et sur la qualité de l'effluent envoyé à la deuxième étape, permettant une nette amélioration globale de la qualité de l'épuration. It was surprisingly found that the physicochemical operating conditions of these two phases of the fermentation had a great importance on the optimization of this first stage, and on the quality of the effluent sent to the second stage, allowing a net overall improvement in the quality of purification.
Il est en effet important que la première phase soit mise en oeuvre dans la zone de température dite mésophile (300 C < t < 420 C) afin de privilégier l'activité des bactéries permettant la transformation des matières organiques en acides, alcools et aldehydes à chaînes courtes, au dépend de la transformation méthanique, et que le temps de séjour de l'effluent dans le réacteur au cours de cette phase soit de préférence élevé 12 à 20
jours, en regard du temps de séjour lors de la phase méthanique.It is indeed important that the first phase be implemented in the so-called mesophilic temperature zone (300 C <t <420 C) in order to favor the activity of bacteria allowing the transformation of organic matter into acids, alcohols and aldehydes. short chains, at the expense of the methanic transformation, and that the residence time of the effluent in the reactor during this phase is preferably high 12 to 20
days, compared to the residence time during the methane phase.
la deuxième phase soit mise en oeuvre dans la zone de température dite thermophile (480 C < t < 600 C) afin de privilégier l'activité des bactéries permettant la transformation méthanique et que le temps de séjour de l'effluent dans le réacteur au cours de cette phase soit de préférence faible 5 à 10 jours en regard du temps de séjour lors de la phase d'acidification. the second phase is carried out in the so-called thermophilic temperature zone (480 C <t <600 C) in order to favor the activity of the bacteria allowing the methanic transformation and that the residence time of the effluent in the reactor during this phase is preferably low 5 to 10 days compared with the residence time during the acidification phase.
Les deux phases sont réalisées dans des conditions de pl sensiblement différentes 4.5 à 6.5 pour la phase d'acidification 6.8 à 8.3 pour la phase méthanique, et de préférence entre 7.7 et 8.3 pour cette deuxième phase. The two phases are carried out under substantially different conditions of p1.5 to 6.5 for the acidification phase 6.8 to 8.3 for the methane phase, and preferably between 7.7 and 8.3 for this second phase.
Pour la réalisation de cette première étape on assurera dans un milieu de fermentation une agitation intermittente et douce. On pourra utiliser pour cela tout moyen d'agitation convenable; par exemple une recirculation des gaz produits par le réacteur de première phase assure une homogénéisation suffisante de ce réacteur. For the realization of this first step will be provided in a fermentation medium intermittent and gentle agitation. Any suitable means of agitation may be used for this purpose; for example a recirculation of the gases produced by the first-phase reactor ensures sufficient homogenization of this reactor.
L'effluent issu de la première étape comporte encore une charge organique importante représentant 50 % de la charge initiale. The effluent from the first stage still contains a significant organic load representing 50% of the initial charge.
Cet effluent est alors dilué de telle sorte que sa DCO (Demande Chimique en Oxygène) soit inférieure à 2.000 mg/l et dirigé vers une lagune d'une profondeur comprise entre 10 et 30 cm dans laquelle se développent des algues. Ces algues vertes unicellulaires comportent en général 80 ; de chlorophycées de genre chlorella. Le temps de séjour de l'effluent dilué dans la lagune est généralement compris entre 3 et 10 jours et la température du milieu est de préférence comprise entre 18 et 300 C.This effluent is then diluted so that its COD (Chemical Oxygen Demand) is less than 2,000 mg / l and directed to a lagoon with a depth of between 10 and 30 cm in which algae develop. These unicellular green algae generally comprise 80; Chlorophyceae of the chlorella genus. The residence time of the effluent diluted in the lagoon is generally between 3 and 10 days and the temperature of the medium is preferably between 18 and 300 C.
Il faut noter que la fermentation anaérobie préalable de l'effluent est indispensable au bon fonctionnement en épuration de la lagune. En effet la teneur en matières en suspension des lisiers bruts est trop importante pour permettre l'installation des micro-organismes photosynthétiques dans la lagune. It should be noted that the prior anaerobic fermentation of the effluent is essential for the proper operation of the lagoon. In fact, the suspended solids content of raw manure is too great to allow the installation of photosynthetic micro-organisms in the lagoon.
A la sortie de la lagune, à l'issue de la deuxième étape, l'effluent est séparé par décantation. Le surnageant, épuré, peut alors être rejeté dans le milieu naturel. En fait, on en utilise généralement une partie pour diluer, à l'entrée, l'effluent issu de la première étape. Les algues récupérées par décantation en sortie de lagune peuvent être utilisées de différentes façons . soit comme engrais, . soit comme élément d'alimentation pour le bétail, par incorporation,
après séchage, aux rations d'alimentation, . soit comme charge, des fermenteurs de première étape, en mélange
avec le lisier, afin d'être bioconverties en méthane.At the exit of the lagoon, at the end of the second stage, the effluent is separated by decantation. The supernatant, purified, can then be rejected in the natural environment. In fact, a portion is generally used to dilute, at the inlet, the effluent from the first stage. The algae recovered by settling out of the lagoon can be used in different ways. as fertilizer,. as a feeding element for livestock, by incorporation,
after drying, at feeding rations,. as a filler, first-stage fermentors, in a mixture
with slurry, to be bioconverted to methane.
Exemple
Le procédé d'épuration de l'invention a été réalisé sur un lisier de porc répondant -aux caractéristiques suivantes
. Azote total 4.200 mg/l
. Azote ammoniacal 2.800 mg/l
. DCO 16.500 mg/l
. Matières sèches 15 g/l
dont matières organiques 7.5 g/l
. pH 7.7
Les conditions opératoires des étapes du procédé étaient les suivantes - Première étape
Acidification Méthanisation
Volume (1) 100 50
T (O C) 37 50
pH 6.3 8.1
Temps de séjour (j) 14 7
Agitation Mécanique discontinue Mécanique discontinue - Deuxième étape
Temps de séjour : 7 jours
Température : 17 à 250 C
pH diurne : 8.7
nocturne : 7.8
Les résultats suivants ont été obtenus
Sortie du réacteur Sortie du réacteur
d'acidification de méthanisation
Azote total (mg/l) 3.200 2.500
Azote ammoniacal (mg/l) 2.200 2.100
DCO (mg/l) 15.000 8.500
Matières sèches (g/l) 13 12 dont matières organiques (g/l) 6.5 3.6 pH 6.3 8.1
La production totale de gaz est de 950 îjkg de matière organique et la composition du gaz est en volume
. Méthane : 63 %
. Gaz carbonique :23 %
. Azote : 14 ob
L'effluent issu du réacteur de méthanisation est dilué dix fois et introduit dans la lagune où se développent les algues.Example
The purification process of the invention was carried out on a pig slurry having the following characteristics:
. Total nitrogen 4.200 mg / l
. Ammonia nitrogen 2,800 mg / l
. COD 16,500 mg / l
. Dry matter 15 g / l
of which organic matter 7.5 g / l
. pH 7.7
The operating conditions of the process steps were as follows - Step One
Acidification Methanation
Volume (1) 100 50
T (OC) 37 50
pH 6.3 8.1
Time to stay (d) 14 7
Discontinuous Mechanical Agitation Discontinuous Mechanics - Second Stage
Residence time: 7 days
Temperature: 17 to 250 C
daytime pH: 8.7
nightlife: 7.8
The following results were obtained
Reactor outlet Reactor outlet
acidification of anaerobic digestion
Total nitrogen (mg / l) 3,200 2,500
Ammonia nitrogen (mg / l) 2,200 2,100
COD (mg / l) 15,000 8,500
Dry matter (g / l) 13 12 including organic matter (g / l) 6.5 3.6 pH 6.3 8.1
The total gas production is 950 kg of organic matter and the composition of the gas is in volume
. Methane: 63%
. Carbon dioxide: 23%
. Nitrogen: 14 ob
The effluent from the methanation reactor is diluted ten times and introduced into the lagoon where the algae develop.
Les caractéristiques de l'effluent d'entrée et de la phase liquide de sortie sont les suivantes
Entrée Sortie % épuration
surnageant
DCO mg/l 850 77 91
Azote mg/l total 250 35 86.5
Phosphore mg/l total 224 120 46.5
Lors de la première étape le gaz, c'est-à-dire essentiellement un mélange de méthane et de gaz carbonique, est produit principalement au cours de la deuxième phase et accessoirement au cours de la première phase. Ce mélange peut être utilisé tel quel comme combustible. On peut par exemple en brûler une fraction pour chauffer une autre fraction du gaz et réintroduire ce gaz chauffé dans le fermenteur, pour assurer à la fois le chauffage et l'agitation du fermenteur.The characteristics of the input effluent and the liquid output phase are as follows
Entry Exit% purge
supernatant
COD mg / l 850 77 91
Nitrogen mg / l total 250 35 86.5
Phosphorus mg / l total 224 120 46.5
In the first stage, the gas, that is essentially a mixture of methane and carbon dioxide, is produced mainly during the second phase and secondarily during the first phase. This mixture can be used as such as fuel. For example, one fraction of the gas may be burned to heat another fraction of the gas and reintroduce this heated gas into the fermenter to ensure both heating and agitation of the fermenter.
Il est également possible de séparer les constituants du mélange, méthane et gaz carbonique, pour obtenir d'une part du méthane pur et d'autre part du gaz carbonique qui pourra être recyclé dans le réacteur méthanique en vue de produire un surcroît de méthane. It is also possible to separate the constituents of the mixture, methane and carbon dioxide, to obtain on the one hand pure methane and on the other hand carbon dioxide that can be recycled into the methane reactor to produce an additional methane.
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