FR2528030A1 - Perfectionnement au fonctionnement des fermenteurs - Google Patents

Abstract

LA PRESENTE INVENTION CONCERNE UN PROCEDE DE FERMENTATION ANAEROBIE DE SUBSTRAT CONTENANT DU CARBONE ORGANIQUE UTILISANT UNE BIOMASSE FIXEE SUR UN MATERIAU SUPPORT CARACTERISE EN CE QUE L'ON CREE ENTRE LE SUBSTRAT ET LE MATERIAU SUPPORT UN MOUVEMENT DIFFERENTIEL DE FAIBLE AMPLITUDE.

Description

Perfectionnement au fonctionnement'des fermenteurs.

Les effluents liquides chargés en matière organique exigent un traitement avant rejet dans la nature.

Pour les effluents très chargés, on a utilisé longtemps la concentration par evaporation mais la consommation d'énergie importante limite l'intérêt du procédé.

Pour des effluents moins chargés, par exemple de l'ordre de 1 à 15 g/l de carbone organique, on a montré dans la demande de brevet n0 81/01564 qu'il était possible de procéder à une épuration biochimique,
La demande précitée décrit un fermenteur anaérobie à lit fixé, c'est-à-dire rempli d'un garnissage servant de support la biomasse, c'est-à-dire aux micro-organismes dégradant la matière organique.

On On saint conduire la fermentation de façon à privilégier la production de méthane gazeux à partir du carbone organique par une fermentation en deux phases : une phase acidogène, une phase méthanogêne. Ces deux réactions sont effectuées par deux populations de microorganismes. La demande précitée montre que le lit fixé permet la stratification des deux populations de micro-organismes...

Par contre > il est nécessaire de procéder à une circulation (par pompe extérieure) du liquide à traiter, dit "substrat", à travers le garnissage pour que les deux phases de la réaction puissent se produire successivement. On se trouve alors confronté à la difficulté de trop mélanger le contenu du fermenteur et de perdre l'avantage du lit fixé. Il s'ensuit que le fermenteur à lit fixé a l'inconvénient au'un rendement diminuant avec le temps.

La biomasse fixé sur le garnissage n'est pas en contact permanent avec le substrat neuf car il existe une couche de liquide appauvri stagnant sur toute la surface du garnissage. En outre, de multiples microbulles gazeuses se collent sur le garnissage et diminuent la surface active.

Les solutions employées pour pallier ces inconvénients consistent principalement à brasser le liquide dans son ensemble par exemple, le brevet français n0 2 440 678 décrit une cloche montant et descendant dans le fermenteur ; cette cloche est équipée de déflecteurs et de plateaux perforés remuant l'ensemble.

Or, les recherches menées par la demanderesse montrent que le remède peut être pire que le mal. En effet, la fermentation anaérobie de substrats riches en carbone organique se fait en deux temps par des populations distinctes de micro-organismes qu'il faut éviter de mélanger.

Par exemple, lorsque l'alimentation du fermenteur a lieu par le bas, la première phase, dite acédogène se placera en bas du fermenteur et la seconde phase dite méthanogène se placera en haut du fermenteur. Mais cette position relative (basse et haute) des deux phases sera inversée si l'on inverse le sens de l'alimentation du fermenteur. Il faut donc éviter de mélanger ces deux phases lors d'éventuels brassages.

Le procédé objet de la présente invention a pour caractéristique principale que l'on crée, entre le substrat tel que défini ci-dessus et le matériau support,un unmouvement différentiel de faible amplitude.

Le mouvement sera dit différentiel car il s'agit d'un mouvement du substrat par rapport au support, mouvement qui se superpose au mouvement normal dudit substrat par rapport audit support et que l'on reproduit généralement de façon cyclique.

Le mouvement sera dit de faible amplitude lorsqu'il ne sera pas susceptible de créer un mélange notable entre les populations distinctes de micro-organismes qui assurent la première phase et la seconde phase de la fermentation.

Selon une autre caractéristique de l'invention,ledit mouvement différentiel de faible amplitude est de type vertical c'est A-dire dans le sens de l'écoulement du substrat ou horizontal c'est-à- dire perpendiculairement à ce sens d'écoulement.

La description complète du procédé qui suit donnera plusieurs exemples de réalisations pratiques de mise en oeuvre.

Le renouvellement des zones de contact entre la biomasse fixée sur le garnissage et le substrat liquide à traiter demande un déplacement rapide pendant au moins une fraction du parcours et, éventuellement, un déplacement lent pour revenir à la position de départ.

il faut en effet introduire un effet de cisaillement de la couche liquide mince appauvrie, immobile, au contact de la surface active de la biomasse. Par contre, il ne faut pas imprimer à l'ensemble des mouvements allant jusqu'à mélanger ces zones acidogènes et méthanogènes. On peut désigner sous le nom de pulsions périodiques les déplacements a produire.

Pour préciser la description, on peut séparer les mouvements différentiels selon le mode choisi.

DE PLACEMENT MECANIQUE
a) Déplacement rectiligne
De préférence vertical pour des commodités technologiques, sans que cette direction soit la seule possible.

On donnera un déplacement relatif de 3 à 10 cm (par exemple ascendant) en 5 à 20 s, suivi d'un déplacement relatif inverse en 30 s à 2 min.

On pourra attendre 1 à 5 min avant de recommencer le cycle ou, au contraire, le poursuivre sans interruption.

On notera que le mouvement ascendant peut être lent et le mouvement descendant rapide, ou l'inverse, suivant la solution d'entrainement choisie.

b) Déplacement rotatoire
On imprime a la biomasse, périodiquement, un mouvement de rotation brusque de quelques degrés autour d'un axe vertical. La valeur de cette rotation est de 2 à 150 d'angle, avec une zone préférentielle de 5 à 100. Le temps nécessaire pour accomplir cette rotation est compris entre 1 et 20 s, et de préférence entre 5 et 10 s.

Après un temps de repos compris entre 0,5 et 5 min, on procède à un nouveau déplacement rotatoire, de même amplitude, à volonté dans le même sens ou en sens contraire. On peut également choisir des séquences plus complexes telles que deux déplacements dans le sens positif (arbitrairement choisi) puis un déplacement dans le sens négatif. Toutes ces combinaisons de séquences sont possibles et il est même souhaitable de pouvoir changer de séquence au cours du fonctionnement du fermenteur.

DESCRIPTION D'UNE REALISATION MECANIQUE POUR LA MISE EN OEUVRE DU
PROCEDE DE PULSION.

La figure 1 permet de suivre la description.

Un cylindre métallique 1 se termine à sa base par un cane 2. Les parois sont conçues pour permettre une calorifugation (non représentée sur la figure 1).

A l'intérieur du corps cylindrique est placé un panier perforé 3 qui peut etre entraîné par un axe 4 qui traverse le couvercle supérieur 13 par un joint étanche 5. L'axe est lié à un motoréducteur 6.

Une tubulure 7 comportant une pompe 8 récolte le liquide en bas de panier et le remonte en haut du fermenteur.

Une tubulure 18 permet l'extraction de 1'effluent épuisé au niveau supérieur 17 du liquide.

Une tubulure 12 munie d'une vanne Il recueille les gaz produits dans le fermenteur.

L'effluent à traiter, dénommé substrat classiquement dans les ouvrages traitant d'épuration, est introduit par une pompe 14 dans un réchauffeur 16 puis dans le fermenteur par la tubulure 15. La tubulure 9 (munie d'une vanne 10) permet la vidange.

Dans le panier on empile le garnissage composé de préférence d'anneaux de PVC ondulés de diamètre 30 mm, hauteur 30 mm (environ). Un bon exemple est donné par les anneaux fabriqués sous la marque déposée "FLOCOR" R (représentés sur la figure 3).

L'exemple mécanique décrit Çi-dessus convient plus particulièrement pour les mouvements de rotation. Pour les mouvements de translation, par exemple verticale, du panier, le moto-réducteur 6 de la figure 1 est remplacé par un vérin à double effet ou tout autre dispositif jouant le meme rtle.

Les dimensions d'un fermenteur dépendent du débit à traiter, depuis l'appareil mobile de diamètre 25 cm, hauteur 100 cm (pour la partie cylindrique) jusqu'aux grosses installations de traitement de vinasses où le diamètre est de 15 m et la hauteur 10 m.

Suivant les dimensions, les fermenteurs peuvent être construits en ttle métallique, en plastique armé de fibre de verre, ou en béton.

DESCRIPTION D'UNE REALISATION HYDRAULIQUE POUR LA MISE EN OEUVRE DU
PROCEDE DE PULSION.

La figure 2 permet de suivre la description.

Comme dans la figure 1, on utilise comme fermenteur, un cylindre 1 et un cône 2 calorifugés. Ce cylindre comporte des grilles 3 et 4 entre lesquelles est disposé un matériau de garnissage composé de préférence d'anneaux en PVC ondulé.

A la partie supérieure du cylindre, qui est fermée par un toit, une tubulure 5 permet d'extraire le biogaz qui, comprimé par un compresseur 6, est stocké dans un réservoir 7.

A caté du cylindre fermenteur, un deuxième cylindre 8, de meme hauteur que le premier mais de section beaucoup plus faible (au moins 20 fois plus petite), est relié, d'une part, par sa base à la base du cône du premier cylindre par une tuyauterie 9, et, d'autre part, à sa partie sueérieure, à la tubulure 5 et au réservoir 7 par l'intermédiaire respectivement des tuyauteries 10 et 11 et d'une vanne à trois voies motorisée 12 commandée par une minuterie 13.

L'effluent à traiter est introduit par l'intermédiaire d'un réchauffeur 14 dans le cylindre 8, en continu, et s'écoule donc par l'intermédiaire de la tuyauterie 9 dans le cylindre fermenteur 1.

Suivant un cycle déterminé par avance, la minuterie commande la vanne à trois voies 12 de manière à introduire un volume de gaz comprimé donné dans le cylindre 8 dont le niveau baisse brusquement, ce qui, par l'intermédiaire de la tuyauterie 9, fait déplacer rapidement le liquide contenu dans le cylindre 1 et crée ainsi le mouvement relatif recherché puisque le garnissage maintenu par les grilles 3 et 4 est immobile.

Ensuite, la minuterie inverse la vanne à trois voies, ce qui a pour effet de couper la liaison 11 et d'ouvrir la liaison 10. Le niveau remonte alors dans le cylindre 8 pour égaler celui dans le cylindre 1. Puis, au bout d'un temps, on recommence le cycle et ainsi de suite.

Pour régler la vitesse de déplacement du substrat dans le fermenteur 1, on a avantage à munir les tuyauteries 10 et 11 de robinets de réglage 15 et 16. Une tubulure 18 permet l'extraction de l'effluent épuisé au niveau supérieur 17 du liquide.

EXEMPLE DE MISE EN OEUVRE DU PROCEDE
Pour montrer l'intérêt de la pulsion mécanique telle que décrit dans cette demande, on a procédé à des essais sur un modèle mobile de capacité 28 1 (en liquide). Le modèle est muni d'un panier perforé (mailles de 20 mm), de diamètre 20 cm, longueur 100 cm.

Il est rempli de 25 1 d'anneaux "FLOCOR" R en vrac.

Cet appareil mobile permet une pulsion linéaire verticale: on soulève l'axe du panier de 6 cm et on le laisse retomber une fois par minute.

Une fois l'appareil en régime, on peut l'alimenter à raison de 12,5 Ijj de substrat. Ce substrat est un résidu de distillation alcoolique titrant en moyenne 10 g/l de carbone organique (D.C.O. = 30 g/l). On le véhicule à l'aide d'une pompe péristaltique après préchauffage à 350C.

A la partie supérieure, on recueille 180 1|; de biogaz composé, en moyenne, de 66 % de méthane, 33 % de gaz carbonique et 1 % divers (vapeur d'eau, alcool esters, etc.).

L'effluent épuisé est extrait à raison de 12 1 environ par jour, sous forme d'un liquide contenant des particules en suspension. Après décantation, on rejette un liquide dont la D.C.O. a été abaissée à 1,5 g/l : 95 % de carbone organique ont disparu de 1'effluent.

Pour bien mettre en évidence l'influence de la pulsion, on arrête cette dernière et on laisse fonctionner le fermenteur dans les memes conditions d'alimentation.

Au bout de 8 jours, on constate que le débit de biogaz est réduit à 150 1/;, mais la composition est pratiquement identique
- méthane 65 %
- gaz carbonique 34 %
- divers 1 7.

En outre, la D.C.O. de l'effluent (après décantation) s'élève à 3,5 g/l. Le gain n'est donc que de 90 %.

L'essai peut se résumer à
- avec pulsion, la D.C.0. résiduaire est de 5 %
- sans pulsion, la D.C.O. résiduaire est de 10 Z.

Les essais sur des fermenteurs sur de longues périodes ont en outre permis de montrer qu'il était possible de travailler par campagnes annuelles sans désactiver le fermenteur. On vidange et on place l'appareillage sous léger débit d'azote. On peut également laisser l'appareil plein et nourrir la biomasse par une addition mensuelle de solution alcoolique diluée pour conserver intégralement vivante la souche de micro-organismes.

L'appareil est remis en service sans temps mort des le début de la campagne suivante et entre en production en moins de 24 h.

Le matériel décrit comme fermenteur peut, à volonté, etre utilisé en anaérobiose comme dans les exemples de traitement de substrats riches en carbone, mais également en aérobiose. Il est bon, dans ce dernier cas, soit d'insuffler de l'air par la tubulure basse, éventuellement enrichi en oxygène pour favoriser les fermentations aérobies, soit d'alimenter en substrat riche en oxygène libre ou combinée comme, par exemple, une solution de nitrate.

Un avantage important du procédé objet de la présente demande est l'économie énergétique : on dispose de plus de gaz combustibles qu'il n'est nécessaire pour réchauffer les substrats à injecter et pour actionner un moteur thermique (du type à explosion) entraînant un alternateur. L'énergie électrique récupérée est supérieure à celle nécessaire pour actionneur, d'une part les pompes, d'autre part le mécanisme de pulsion.

La description qui précède donne des exemples de réalisation mais la présente invention n'est pas limitée à ces exemples.

Claims (8)

REVENDICATIONS

1. Procédé de fermentation anaérobie de substrat contenant du carbone organique utilisant une biomasse fixée sur un matériau support caractérisé en ce que l'on crée entre le substrat et le matériau support un mouvement différentiel de faible amplitude.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mouvement différentiel est créé par un déplacement alternatif vertical du substrat par rapport au matériau support.

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mouvement différentiel est créé par le déplacement vertical alternatif d'un panier contenant le matériau support.

4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mouvement différentiel est créé par le déplacement rotatoire séquentiel d'un panier contenant le matériau support.

5. Procédé de fermentation aérobie utilisant une biomasse fixée, caractérisé en ce que l'on créé entre le substrat et le matériau support un mouvement différentiel de faible amplitude et que l'on insuffle de l'air par la base de l'appareil.

6. Procédé de fermentation aérobie utilisant une biomasse fixée, caractérisé en ce que l'on crée entre le substrat et le matériau support un mouvement différentiel de faible amplitude et que l'oxygène nécessaire à la biomasse est fourni par des ions nitrate contenus dans le substrat.

7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 a 6, caractérisé en ce que le matériau support de la biomasse est constitué par un ensemble d'anneaux ondulés, déposés en vrac dans un panier perforé.

8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que les anneaux sont en polychlorure de vinyle, du type connu "FLOCOR" R.