FR2516541A1 - Procede de production d'un gaz combustible par digestion anaerobie des lisiers - Google Patents

Abstract

PROCEDE AMELIORE DE PRODUCTION D'UN GAZ COMBUSTIBLE PAR DIGESTION ANAEROBIE D'UN LISIER. L'AMELIORATION CONSISTE A EFFECTUER LA COFERMENTATION ANAEROBIE DU LISIER AVEC UN OU PLUSIEURS SUBSTRATS A FAIBLE TENEUR EN CARBONE ORGANIQUE SOLUBLE DANS L'EAU OU A FAIBLE TENEUR EN CARBONE ORGANIQUE SOLUBLE DANS L'EAU APRES TRAITEMENT ALCALIN MODERE.

Description

L'invention est relative à un procédé amélioré de digestion anaérobie des lisiers avec production de méthane.

Les lisiers sont les résidus liquides provenant des elevages intensifs d'animaux. On les trouve principalement dans les élevages de porcs, de bovins et dans les abattoirs. La quasi généralisation de l'élevage sans litière a conduit à une production d'effluents liquides d'un volume très important.

Les lisiers sont composés des déjections des animaux, des restes d'aliments et des eaux de lavage.

Selon leur origine et les plus ou moins fortes teneurs en eaux de lavage, leur composition varie dans de très larges proportions. Les valeurs suivantes sont souvent observées (en poids, sauf indication différente): - Matière sèche totale après séchage à 1100Ç (MS) 1,8 à 12,0 % - Matière organique totale déterminée par calcination
à 5500C (MO) 1,2 à 9,0 % - DCO (demande chimique en oxygène) totale mg 02/1 20 000 à 120 000 - DCO soluble : 25 à 45 Z de la DCO totale - Azote total 0,2 à 0,4 % - pH 6,9 à 7,4
Une définition de la DCO et de la DCO soluble sera donnée plus loin.

Parmi les matières organiques solubles, on trouve une concentration importante en acides organiques, en particulier acides acétique, propionique et butyrique, qui se forment par fermentation aérobie et anaérobie dans les fosses de réception.

Ces effluents qui sont fortement chargés en matière organique soluble occasionnent des nuisances partout où on veut les- rejeter.

L'épandage est la solution la plus généralement adoptée pour leur élimination, d'autant plus que leur forte teneur en azote et, dans une moindre mesure, en phosphore et en potassium, en fait un excellent engrais pour l'agriculture. Mais l'épandage est de plus en plus réglementé par suite des nuisances olfactives qu'il entraîne et des risques graves de pollution des nappes phréatiques.

Il existe des traitements physiques et physico-chimiques (déshydratation, flottation, décantation...), mais leur mise en oeuvre est très délicate et d'un coût prohibitif.

on peut détruire les lisiers par un traitement biologique aérobie approprié, mais la valeur élevée de la DCO rend la consommation d'oxygène, et par conséquent d'énergie, prohibitive. De plus, le traitement aérobie s'accompagne d'une production de boues bactériennes (environ 1,5 kg de boues séchées par kg de carbone éliminé) qui demande un traitement d'élimination et de stabilisation de ces boues.

La voie biologique anaérobie est beaucoup plus prometteuse car la fermentation méthanique présente l'avantage de produire un gaz riche en méthane, facilement récupérable et de haute valeur énergétique, avec en plus production de biomasse stabilisée valorisable. Elle est la solution la plus efficace puisqu'elle conduit à une dépollution poussée, associée à la récupération d'une grande part du carbone polluant sous forme de gaz combustible.

Cependant, la digestion anaérobie des lisiers n' a pas connu le développement escompté, la plues grande difficulté étant la maîtrise de la fermentation. La fermentation anaérobie est en effet un phénomène complexe qui met en jeu une chaîne de réactions microbiologiques comprenant au moins trois classes de bactéries - par une série de réactions d'hydrolyse et d'oxydo-réduction, une pre
mière classe de bactéries transforme la matière carbonée complexe en
acides gras inférieurs, par exemple acide acétique et acide propio
nique - une deuxième classe, les bacteries acétogènes, transforme en acide
acétique les acides gras supérieurs à l'acide acétique - enfin, les bactéries méthanogènes convertissent l'acide acétique en
méthane et dioxyde de carbone.

Dans un fermenteur parfaitement contrôlé, il y a un équilibre harmonieux entre ces trois classes de bactéries et il n'y a pas accumulation d'intermédiaires actifs. Le pH se maintient normalement à une valeur comprise entre 6,8 et 7,2 qui est la stricte plage de travail des bactéries méthanogènes.

Si, pour une raison quelconque, l'activité des bactéries acidogènes est supérieure à l'activité des bactéries méthanogènes, il y a rupture de l'équilibre avec accumulation d'acides et diminution du pH qui peut aller jusqu'au blocage de la phase méthanogène et arrêt du système.

Or, les lisiers sont favorables aux bactéries acido et acétogènes. Ils ont déjà initialement une forte teneur en acides gras volatils sous forme de sels de sodium, potassium et calcium et une grande partie du carbone organique autre que celui des acides gras volatils se trouve sous forme de molécules simples qui sont des précurseurs proches des acides gras volatils.

D'autre part, les lisiers peuvent, dans certains cas, contenir des métaux nocifs (le cuivre en particulier) et des résidus de bactéricides qui, sans détruire la flore bactérienne, peuvent la perturber et ralentir son développement.

Dans la littérature, on trouve décrites des méthodes permettant de pallier en tout ou partie ces inconvénients, notamment - traitement à la chaux, - séparation des phases d'acidogénèse et de méthanogénèse, - élimination des métaux lourds qui inhibent I'activité des bactéries
si le pH diminue.

Ces méthodes présentent le grave inconvénient d'être coûteuses soit en réactifs, soit en appareillage. En plus, elles ne garantissent pas la maîtrise du processus de fermentation.

Or, il a été trouvé que l'on pouvait éviter ces inconvénients et maîtriser la fermentation si on effectue une cofermentation du lisier avec au moins un substrat complémentaire. On appelle substrat complémentaire une source de matière organique qui, à l'opposé des lisiers, contient une forte proportion de la substance organique sous forme insoluble lentement ou difficilement fermentescible.

Le substrat complémentaire est défini comme un matériau dont : - la DCO soluble représente moins de 20 Z de la DCO totale, et - la DCO soluble après traitement alcalin selon la méthode décrite ci
après represente moins de 30 ide la DCO totale et de préférence moins
de 20 Z de la DCO totale.

La DCO totale d'un substrat (lisier ou substrat complémentaire) est mesurée sur un échantillon brut n'ayant subi-aucun traitement préalable, et selon la norme française AFNOR FT 90101.

La DCO soluble est la demande chimique en oxygène, selon la-norme cidessus, sur une fraction aqueuse obtenue en agitant pendant 3 minutes 1 partie en poids du matériau dans 3 parties en poids d'eau et en filtrant ou centrifugeant pour recueillir la fraction aqueuse sur laquelle est effectuée la mesure.

Le test de traitement alcalin est accompli de la façon suivante : 1 partie en poids du matériau organique broyé et 3 parties en poids d'une solution de Na2CO3 à 40 g/l sont chauffées à 600 pendant une heure sous agitation. On refroidit et sépare la solution de l'insoluble par filtration ou centrifugation. L'insoluble est remis en suspension dans 3 parties d'eau à 600C agité et séparé par filtration ou centrifugation.

Les deux fractions liquides sont mélangées et sur un échantillon on effectue la mesure de la DCO selon la norme ci-dessus.

Pour savoir si un substrat peut être utilisé comme substrat complémentaire dans la présente invention, on opère de la façon suivante
Le substrat est soumis au test de la DCO soluble.

Si la DCO soluble est supérieure à 20 % de la DCO totale, le substrat ne satisfait pas aux exigences de l'invention et la mesure de la DCO soluble après traitement alcalin n'est pas nécessaire.

Si la DCO soluble est inférieure à 20 % de la DCO totale, la mesure de la DCO soluble par traitement alcalin est nécessaire. Si cette dernière est inférieure à 30 % de la DCO totale, le substrat est un substrat complémentaire. Sinon, le substrat n'est pas conforme aux exigences de l'invention.

Les proportions des deux substrats peuvent varier largement, par exemple 5 à 95 Z en poids de lisier pour 95 à 5 Z de substrat complémentaire, de préference 30 à 70 Z de lisier pour 70 à 30 % de substrat complémentaire.

Les plus courants de ces substrats complémentaires sont - la'fraction organique" des ordures ménagères. Cette fraction ainsi
dénommée organique provient du tri mécanique ou du pressage des ordu
res et ne contient ni les papiers, ni les plastiques - les boues urbaines issues des bassins de décantation des stations
d'épuration des eaux usées ; - les déchets agricoles à structure lignocellulosique ; - les tourbes noires ; - les vases de rivières et de marais ; - les supports usagés de la culture des champignons de couche (corps de
meule).

La plupart de ces substrats apparaissent au microscope avec une forte structure fibreuse.

On a constaté que la cofermentation du lisier avec un ou plusieurs substrats tels que définis ci-dessus se traduit par - une grande stabilité de la fermentation au cours du temps ; - une capacité à recevoir des taux de charge élevés permettant d'en
caisser les à-coups de production des lisiers - une bonne aptitude à récupérer un déséquilibre temporaire dû à des
causes naturelles ou accidentelles avec pour conséquence une insensi
bilité aux variations de la composition au cours de la période de
production des déchets et une indifférence plus marquée vis-à-vis des
résidus toxiques des produits bactéricides - un effet stimulateur qui se traduit par une production accrue de gaz
comparée à celle qu'auraient pu fournir les substrats traités sépa rément.

Le résultat bénéfique de la cofermentation semble essentiellement dû à un effet synergique entre les constituants des substrats, effet dont le mécanisme n'a encore pas pu etre établi avec certitude.

D'autre part, on sait que la fermentation anaérobie n'élimine qu'une partie de la charge organique. Le digestat qui contient toute la matière minérale et le restant de la charge organique peut constituer un amendement organique s'il répond à certains critères agronomiques. Or, la digestion de lisiers seuls ne conduit pas à un "bon digestat". Les éléments minéraux fertilisants, N, P, K, sont bien conservés, mais ils sont presque exclusivement en solution sous forme ionique et il n'y a pratiquement pas de structures organiques carbonées en suspension nécessaires à la constitution des éléments de base de l'humus.

Par contre, la cofermentation conduit à un digestat à forte teneur en matière organique stabilisée qui, au cours du traitement ultérieur de concentration par égouttage, filtration ou toute autre méthode, retient la biomasse bactérienne par action mécanique, et également une partie des éléments minéraux, P et K en particulier, par adsorption physique dans ses pores. Ce digestat présente donc une haute valeur agricole.

Les conditions opératoires de la cofermentation de l'invention sont celles généralement en usage pour les fermentations anaérobies. Une description plus détaillée n'est donc pas justifiée.

Les exemples suivants illustrent l'invention (les proportions sont en poids, sauf indication différente) :
Exemple 1 : Cofermentation de lisier avec des boues urbaines
Trois fermenteurs de 60 litres sont agités lentement de façon à éviter la décantation de la masse réactionnelle. Ils sont maintenus à 350C par circulation d'eau thermostatée dans un serpentin intérieur. Une sonde de pH et une électrode redox permettent de mesurer le pH et le potentiel redox. Les fermenteurs sont alimentés à niveau constant par addition journalière du substrat et soutirage de la quantité correspondante de digestat.Du fait de la difficulté de véhiculer par pompage des produits très hétérogènes,comme le sont les substrats utilisés,et à des débits faibles, on effectue en une seule fois le chargement de la masse nécessaire à l'alimentation d'une journée et on soutire la quantité correspondante de digestat.

Les trois fermenteurs ont été innoculés à l'aide d'un digestat provenant d'un digesteur anaérobie et mis en régime continu par alimentation à l'aide de boues fraîches en provenance d'une station d'épuration d'eaux urbaines. Lorsque le régime continu stable a été obtenu, on interrompt l'alimentation avec des boues fraîches et on différencie les trois fermenteurs de la façon suivante - fermenteur nO 1 : continue à ne recevoir que des boues urbaines fraîches - fermenteur n" 2 : ne reçoit plus que des lisiers ; - fermenteur nO 3 : reçoit un mélange boues urbaines + lisier.

Fermenteur nO 1
Il reçoit des boues urbaines fraîches dont la concentration moyenne en matière organique (MO) est de 5 Z en poids. Elles sont caractérisées par une DCO totale de 70 800 mg 02/1, une DCO soluble de 4 900 mg 02/1 et une DCO soluble après traitement alcalin de 10 900 mg 02/1.

Le taux de charge est de 1,95 g de MO/l.;., ce qui correspond à un temps de séjour moyen de 25 jours. Le rendement en gaz est de 515 1 par kg de MO engagé. Le gaz contient 68 Z de methane et 32 Z de gaz carbonique en volume.

Fermenteur nO 2
On utilise un lisier sommairement filtre prélevé dans la fosse de- ré- ception d'un élevage sur caillebotis. Sa teneur en matière sèche est de 6,29 Z et sa teneur en matière organique de 4 > 38 %. La DCO totale est de 65 000 mg 02/1 et sa DCO soluble de 20 100 mg 02/1.

Du fait de la très grande vitesse d'hydrolyse et d'acidification de la matière organique contenue dans le lisier, il est délicat de remplacer brutalement les boues urbaines par laqiantité équivalente de lisier.

Aussi est-on passé par un stade intermédiaire au cours duquel le substrat a été un mélange de boues urbaines et de lisier de plus en plus riche en lisier pour aboutir à du lisier seul.

On augmente le taux de charge du lisier et on cherche le taux de charge maximum, pour un temps de séjour donné, au-dessus duquel l'accumulation des acides organiques rend la fermentation instable : le rendement et la sélectivité en méthane s'abaissent progressivement.

Comme pour le fermenteur nO 1, le temps de séjour est maintenu à 25 jours. Le taux de charge est de 1,75 g de MO/l.j. te gaz produit a une composition moyenne de 71 Z en volume de méthane et le débit est de 410 I/kg de MO.

Fermenteur nO 3
On effectue un mélange en parties égales en poids de lisier et-de boues urbaines.

Ces deux substrats étant ceux utilisés pour les fermenteurs 1 et 2, le mélange a une concentration de 4,69 Z de MO.

Le taux de charge est de 1,85 g/l. Comme il n'y a pas d'accumulation d'acide, on augmente progressivement le taux de charge et on diminue le temps de séjour.

A 20 jours, le taux de charge est de 2,34 g de MO/l.j. Dans les deux cas, le débit de gaz est de l'ordre de 489 l/kg de MO, ce qui est supérieur de 5 Z à la somme des débits gazeux que l'on obtiendrait si on fermentait les mêmes quantités de chacun des deux substrats dans deux fermenteurs séparés dans les mêmes conditions de temps de séjour et pour des taux de charge égaux au taux de charge partiel de chacun des substrats du fermenteur unique. Le gaz brut contient 69 % de CH4 et 31 Z de C02 en volume.

Exemple 2 : Cofermentation de lisier et d'ordures ménagères
On s'est placé dans les conditions de l'exemple 1, mais le fermenteur nO 1 est alimenté avec des ordures ménagères et le fermenteur nO 3 avec un mélange ordures ménagères - lisier.

Fermenteur nO 1
On utilise la fraction organique broyée provenant d'une unité de tri mécanique d'ordures ménagères d'un centre urbain. Cette fraction a une teneur pondérale de 63 Z en matière sèche et de 21 Z en matière organique. Du fait de l'hétérogénéité des ordures ménagères et de leur variabilité dans le temps, leur teneur en matière organique varie elle aussi.Pour remédier à cet inconvénient, on a préparé une charge homogène dont la composition est la suivante - pli 7,5 - matière sèche totale après séchage à 110C 63 Z - matière organique totale par calcination à 5500C 21 Z - DCO totale mg 02/g 480 - DCO soluble mg 02/g 15 - DCO soluble alcaline mg 02/g 67 - azote total (% sur sec) 1,2
Le substrat est formé d'un mélange de 1 partie de cette charge homogène et de 3,5 parties d'eau en poids. Le taux de matière organique du mélange est de 4,7 %. Le temps de séjour est de 24 Jours, ce qui donne un taux de charge de 2 g de MO/l.j. Le rendement en gaz est de 340 l/kg de MO. Il contient 60 % de méthane et 40 Z de gaz carbonique en volume.

Fermenteur nO 2
C'est le fermenteur nO 2 de I'exemple 1.

Fermenteur nO 3
On effectue un mélange comprenant 6 parties de lisier à 4,38 Z de MO et 1 partie d'ordures ménagères à 21 Z de MO.

ta teneur pondérale en matière sèche est de 14,4 Z et la teneur en matière organique de 6,7 %.

Le temps de séjour est de 25 jours et le taux de charge de 2,68 g de
MO/l.j. dont 1,48 g proviennent du lisier et 1,21 g ptoviennent des or dures ménagères.

Le rendement en gaz est de 398 llkg de MO, ce qui est supérieur de 5 Z à la quantité que produirait la fermentation séparée des deux substrats.

Le gaz renferme 64 Z de CH4 et 36 Z de C02.

Exemple 3 : Cofermentation de lisier avec des boues urbaines et des
ordures ménagères
Les fermenteurs nO 1 et 2 sont ceux de l'exemple 2. Par contre, le fermenteur nO 3 reçoit un mélange contenant - 2 parties de boues urbaines à 5 Z de MO identiques à celles de
l'exemple 1 t - 1 partie d'ordures ménagères à 21 Z de MO identiques à celles de
l'exemple 2 ; - 5 parties de lisier à 4,38 Z de MO.

Le mélange contient 13,7 Z en poids de matière sèche totale et 6,6 Z de matière organique. La matière organique apportée par le lisier représente 41 Z de la matière organique totale.

Le taux de charge est de 2,64 g de MO/l.j, dont 1,08 provenant du lisier.

Le rendement en gaz est de 412 l/kg de MO. La composition volumique moyenne du gaz est de 66 Z en méthane et 34 % en gaz carbonique.

Exemple 4 : Cofermentation de lisier, de boues urbaines et de tourbe
Fermenteur n 1
Il est destiné à digerer de la tourbe noire comme unique substrat.

Comme il est difficile d'initier la fermentation anaérobie de la tourbe seule, on utilise un fermenteur identique au fermenteur nb 1 de l'exemple 1 et fermentant des boues urbaines. Puis on remplace progressivement les boues urbaines par une suspension de tourbe noire jusqu'à obtention d'un régime continu à partir d'une charge ne contenant plus que de la tourbe noire.

La tourbe noire utilisée a la composition suivante, rapportée à la matière sèche (en poids) - matière organique 78 % - carbone total 46,2 % - azote total 1,8 Z - DCO totale 1 500 mg 02/g - DCO soluble < 40 mg 02/g - DCO soluble après traitement alcalin < 200 mg 02/g
On alimente le fermenteur avec une suspension de tourbe noire à la concentration de 7,4 Z de MS ou 5,8 % de MO obtenue en mélangeant 1 partie de tourbe à 78 X de MO et 9,5 parties d'eau. Le taux de charge est de 1,9 g de MO/l.j. et le temps de séjour moyen de 30 jours. La production de gaz est faible et ne dépasse pas 50 1 de gaz brut par kg de MO engagé.

o n 2
Fermenteur n 2 :
C'est le fermenteur n 2 de l'exemple 1.

Fermenteur ne 3 :
On effectue le mélange suivant en poids : - 40 parties de lisier à 4,38 % de matière organique identique à celui
de l'exemple 1, - 1 partie de tourbe à 78 % de matière organique, - 7 parties de boues urbaines à 5 Z de matière organique identiques à
celles de l'exemple 1, - 5 parties d'eau.

Le mélange contient 5,4 Z en poids de matière organique et 7,5 % de matière sèche.

Le temps de séjour est de 25 jours et le taux de charge de 2,1 g de
MO/l.j.

La production de gaz est de 353 l/kg de MO. Le gaz contient 63 % de
CH4 et 37 % de C02.

Claims (8)

REVENDICATIONS

1 - Procédé de production d'un gaz combustible, dans lequel on soumet un lisier à une fermentation anaérobie, caractérisé en ce que le lisier est soumis à ladite fermentation anaérobie en mélange avec au moins un substrat fermentescible, dit substrat complémentaire, dont la demande chimique en oxygène soluble représente moins de 20 Z de sa demande chimique totale en oxygène et la demande chimique en oxygène soluble, après traitement alcalin, représente moins de 30 Z de sa demande chimique totale en oxygène.

2 - Procédé selon la revendication 1, dans lequel la demande chimique en oxygène soluble du substrat complémentaire, après traitement alcalin, représente moins de 20 Z de sa demande chimique totale en oxygène.

3 - Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le lisier soumis à là fermentation anaérobie a une demande chimique en oxygène soluble représentant 25 à 45 Z de sa demande chimique totale en oxygène.

4 - Procédé selon l'unequelconque des revendications 1 à 3, dans lequel on soumet à la fermentation anaérobie un mélange de 5 à 95 % en poids de lisier pour 95 à 5 Z de substrat complémentaire.

5 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel on soumet à la fermentation anaérobie un mélange de 30 à 70 Z en poids de lisier pour 70 à 30 Z de substrat complémentaire.

6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le substrat complémentaire est une fraction organique d'ordures ménagères.

7 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le substrat complémentaire est une boue urbaine d'un bassin de décantation.

8 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le substrat complémentaire est une tourbe noire.