FR2534274A1 - Process and plant for the production of biogas. - Google Patents

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Abstract

The effluent is subjected in 2 to an aging process of 0.5 to 4 days at a temperature of 10 DEG C to 20 DEG C, screened in 4 and directed towards a digester 8 inside which it is recycled over a ring packing and is then drawn off towards 20, the gas produced being collected at 21. Application to the production of methane from liquid manure or other biological effluents.

Description

La présente invention a pour objet un procédé et un installation de production de biogaz, c'est-à-dire une installation de fermentation métbanique d'effluents organiques, fonctionnant de façon économique pour la production de gaz. The subject of the present invention is a process and an installation for producing biogas, that is to say an installation for methane fermentation of organic effluents, operating economically for the production of gas.

Actuellement, notamment dans l'agriculture, divers procédés ont été préconisés pour la production de gaz par fermentation méthanique continue, des lisiers, effluents d'industries agro-alimentaires ou autres. Currently, especially in agriculture, various processes have been recommended for the production of gas by continuous methane fermentation, slurry, effluents from the food industry or others.

Pour cela, on emploie soit des techniques de fermentation anaérobie en cellules libres ne permettant pas de dépasser une productivité de 0,8 à 1,2 volume de biogaz par volume de réacteur et par jour, et dans ce cas la charge volumique n'excède pas 5 kg. de DCO par m3, et la teneur en méthane du biogaz se situe entre 55 et 70 %, soit des techniques plus performantes notamment celles faisant usage de supports pour immobiliser les cellules, mais elles n'ont guère dépassé le stade du laboratoire, des problèmes. de colmatage étant intervenus lors du passage au stade industriel. For this, either anaerobic fermentation techniques in free cells are used which do not make it possible to exceed a productivity of 0.8 to 1.2 volumes of biogas per reactor volume and per day, and in this case the volume load does not exceed not 5 kg. COD per m3, and the methane content of biogas is between 55 and 70%, more efficient techniques including those using supports to immobilize cells, but they have hardly gone beyond the laboratory stage, problems . clogging having occurred during the transition to the industrial stage.

Il existe encore d'autres techniques employant la digestion par contact ou la digestion par flux ascendant en lit de boues. There are still other techniques employing contact digestion or upward flow digestion in a sludge blanket.

Malheureusement les performances d'un grand nombre d' instal- lations de fermentation méthanique sont liraitées à cause de la proportion importante de matières difficilement fermentescibles (cellulose, hérni cellulose) qui se trouve dans le substrat à méthaniser. Le "ballast" inutile occupe un volume mort dans le réacteur et nuit â sa productivité. De plus, la composition du substrat à traiter est rarement prise en compte et est susceptible de varier dans le temps avant digestion. Unfortunately, the performance of a large number of methane fermentation plants is limited because of the large proportion of difficultly fermentable materials (cellulose, herni cellulose) which is found in the substrate to be methanized. The unnecessary "ballast" occupies a dead volume in the reactor and affects its productivity. In addition, the composition of the substrate to be treated is rarely taken into account and is likely to vary over time before digestion.

En outre, la plupart des installations ne font pas appel à un procédé de rétention des microorganismes responsables de la réaction à l'intérieur de l'appareil. Une augmentation du nombre de ces microorganismes présents dans le substrat, à l'intérieur du digesteur, per- mettrait d'accrortre la cinétique de la réaction. In addition, most installations do not use a process for retaining the microorganisms responsible for the reaction inside the device. An increase in the number of these microorganisms present in the substrate, inside the digester, would make it possible to increase the kinetics of the reaction.

la présente invention a pour but d'éliminer les inconvénients précités et de réaliser une unité de production de biogaz de grandes performances tout en ayant une simplification de conduite et une amélioration du bilan énergétique. the present invention aims to eliminate the aforementioned drawbacks and to produce a high-performance biogas production unit while having a simplification of operation and an improvement in the energy balance.

Selon l'invention, l'effluent brut est stocké dans une fosse de collecte où il est homogénéisé. Il subit ensuite un tamisage afin de le rendre compatible avec une fermentation métbanique par filtre anaérobie. Après passage dans le fermenteur, le substrat est évacué dans une fosse pour un post-traitement. According to the invention, the raw effluent is stored in a collection pit where it is homogenized. It is then sieved to make it compatible with methane fermentation by anaerobic filter. After passing through the fermenter, the substrate is evacuated into a pit for post-treatment.

Plus précisément, selon l'invention, l'effluent est stocké dans la fosse de collecte à une température supérieure à 160C et subit un prétraitement consistant en un processus de vieillissement, afin de solubiliser au mieux la matière organique et de briser microbiologiquement une partie des longues chaînes carbonées (cellulose, hémi cellulose). L'ensemencement naturel induit une acidogénèse.Les temps de rétention dans la fosse se situent entre 12 heures et quatre jours suivant la nature du substrat traité, par exemple - 12 à 24 heures pour les effluents des industries agro-alimentaires - 2 jours au mInimum pour du lisier de bovins et des fientes de
volailles - 3 jours au minimum pour les lisiers de porcs à faible teneur en
cellulose.More specifically, according to the invention, the effluent is stored in the collection pit at a temperature above 160C and undergoes a pretreatment consisting of an aging process, in order to best dissolve the organic matter and microbiologically break down part of the long carbon chains (cellulose, hemi cellulose). Natural seeding induces acidogenesis. Retention times in the pit are between 12 hours and four days depending on the nature of the substrate treated, for example - 12 to 24 hours for effluents from the food industry - 2 days at minimum for cattle manure and manure
poultry - minimum 3 days for low-content pig manure
cellulose.

Il faut noter que pour certains effluents une dilution est nécessaire avant la phase de vieillissement. It should be noted that for certain effluents a dilution is necessary before the aging phase.

Après vieillissement et afin d'obtenir un effluent homogène, les matières insolubles et non fermentescibles sont éliminées. La granulometrie doit être inférieure à 100 microns. On utilise un tamis vibrant dont le système d'évacuation des particules solides évite le colmatage et permet le traitement des liquides à forte charge organique. Les mailles des grilles du tamis doivent se situer entre 200 et 800 microns suivant l'e!ffluent traité et les débits de tamisage varient de 3 à 15 m3/h.  After aging and in order to obtain a homogeneous effluent, the insoluble and non-fermentable materials are eliminated. The particle size must be less than 100 microns. A vibrating screen is used, the solid particles evacuation system avoids clogging and allows the treatment of liquids with high organic load. The mesh of the screen grids should be between 200 and 800 microns depending on the effluent treated and the screening rates vary from 3 to 15 m3 / h.

toujours selon l'invention, le substrat est alors dirigé vers un digesteur ; il traverse tout d'abord un premier échangeur à contrecourant dont le fluide chaud (effluent sortant du digesteur) est à 350C environ, et ensuite un second échangeur à contre-courant où le fluide chaud (eau) est à 500C environ, l'échangeur étant dimensionné pour éviter tout colmatage par le liquide chargé, tout en gardant un coefficient d'échange acceptable. La vitesse du liquide chargé dans l'échangeur doit être supérieure à 0,32 m/s, soit un débit supérieur à 1,25 m3/h pour un diamètre intérieur du tube central de 37,2 mm et un diamètre intérieur de 1 'enveloppe. de 60 mm. still according to the invention, the substrate is then directed to a digester; it first crosses a first countercurrent exchanger whose hot fluid (effluent leaving the digester) is around 350C, and then a second countercurrent exchanger where the hot fluid (water) is around 500C, the exchanger being sized to avoid clogging by the loaded liquid, while keeping an acceptable exchange coefficient. The speed of the liquid loaded in the exchanger must be greater than 0.32 m / s, i.e. a flow greater than 1.25 m3 / h for an inner diameter of the central tube of 37.2 mm and an inner diameter of 1 ' envelope. 60 mm.

Compte tenu du procédé selon l'invention qui implique des temps de rétention hydraulique très courts dans le digesteur, l'alimentation en substrat est faite par une pompe volumétrique et répartie de façon homogène sur la journée. la quantité d'effluent à traiter déterminera le débit d'alimentation et la fréquence de fonctionnement de la pompe qui sera commandez au moyen d'une horloge, et en tout état de cause le débit devra toujours être supérieur à 1,25 m3Ai.  In view of the process according to the invention, which involves very short hydraulic retention times in the digester, the substrate is fed by a positive displacement pump and distributed evenly over the day. the quantity of effluent to be treated will determine the supply flow and the operating frequency of the pump which will be controlled by means of a clock, and in any event the flow should always be greater than 1.25 m3Ai.

Une caractéristique de l'invention consiste également à utiliser le liquide sortant du digesteur après sa fermentation méthanique à 350C environ comme fluide chaud dans le premier échangeur à contrecourant. A characteristic of the invention also consists in using the liquid leaving the digester after its methane fermentation at around 350C as hot fluid in the first countercurrent exchanger.

Après son passage dans les deux échangeurs précités, le substrat est introduit dans le digesteur par le bas à proximité du circuit de recirculation. After passing through the two aforementioned exchangers, the substrate is introduced into the digester from below near the recirculation circuit.

On accroît la cinétique de production de biométhane par fixation sur supports des micro-organismes responsables de la réaction et une autre des caractéristiques de l'invention est de répartir uniformiment cette activité biologique sur un garnissage interne du digesteur faisant office de filtre anaérobie. Selon l'invention, ledit garnissage est composé d'anneaux en matière plastique de 50 itrn, nermettant d'atteindre des taux de charge de 12 à 23 kg DCO/m3/jour, repré- sentant un temps de séjour de 0,4 à 4,5 jours suivant la concentration de la matière organique. Toujours selon l'invention, le substrat, après introduction dans le digesteur, est recyclé afin de répartir l'activité biologique sur tout le garnissage en évitant tout phénomène de décantation.Le débit de recyclage doit être par heure de 20 à 35 % du volume utile du réacteur. Le débit du liquide recyclé doit aboutir dans le ciel gazeux afin de diminuer le volume des mousses apparaissant au cours du régime transitoire. The kinetics of biomethane production are increased by fixing onto supports the microorganisms responsible for the reaction and another of the characteristics of the invention is to distribute this biological activity uniformly over an internal lining of the digester serving as an anaerobic filter. According to the invention, said lining is composed of plastic rings of 50 itrn, allowing to reach loading rates of 12 to 23 kg COD / m3 / day, representing a residence time of 0.4 to 4.5 days following the concentration of organic matter. Still according to the invention, the substrate, after introduction into the digester, is recycled in order to distribute the biological activity over the entire filling, avoiding any settling phenomenon. The recycling rate must be 20 to 35% by volume per hour. useful reactor. The flow of recycled liquid must end up in the gaseous sky in order to reduce the volume of foam appearing during the transient regime.

Dans le procédé selon l'invention, aucune croûte ne se forme en surface, le tamisage ayant supprimé toutes les particules susceptibles de flotter dans le substrat. In the process according to the invention, no crust forms on the surface, the sieving having removed all the particles liable to float in the substrate.

Le substrat est soutiré du digesteur par tropvplein, afin d'équilibrer le liquide sortant avec le débit du liquide entrant et il est stocké dans une fosse pour être utilisé campe engrais par épandage. The substrate is withdrawn from the digester by tropvplein, in order to balance the outgoing liquid with the flow of the incoming liquid and it is stored in a pit to be used as a fertilizer camp by spreading.

Le gaz produit est disposnible sous une pression de 5000 Pa dans le digesteur. Il peut être utilisé immediatement ou après épuration.The gas produced is available under a pressure of 5000 Pa in the digester. It can be used immediately or after purification.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la descripe tion d'une réalisation de l'invention et à l'examen des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est un schéma de l'unité de production de biogaz selon
l'invention invention - la figure 2 est une vue du digesteur de l'unité de production de
biogaz.The invention will be better understood on reading the description of an embodiment of the invention and on examining the appended drawings in which - Figure 1 is a diagram of the biogas production unit according to
the invention invention - Figure 2 is a view of the digester of the production unit of
biogas.

En se reportant à la figure 1 représentant schematiquement l'unité de production de biogaz selon llinvention, on voit qae l'effluent brut arrive en 1 et est stocké par exemple dans une fosse de collecte 2, de préférence à une température supérieure à 16Qc. Referring to FIG. 1 schematically representing the biogas production unit according to the invention, it can be seen that the raw effluent arrives at 1 and is stored, for example, in a collection pit 2, preferably at a temperature above 16 ° C.

L'effluent reste dans cette fosse 2 d'une demi-journée à quatre jours pour y subir un processus de vieillissement suivant sa nature et se solubilise partiellement. L'effluent est alors repris par une pcope 3 et dirigé vers un tamis d'épuration 4 dont les mailles se situent entre 200 et 800 microns, afin d'éliminer les particules de grosse taille souvent non fermentiscibles avec des temps de séjour réduits.The effluent remains in this tank 2 from half a day to four days to undergo an aging process according to its nature and is partially dissolved. The effluent is then taken up by a pcope 3 and directed to a purification sieve 4, the meshes of which are between 200 and 800 microns, in order to eliminate large particles which are often non-fermentable with reduced residence times.

Le tamisat est séparé de l'effluent et stocké en 5 pour utilisation éventuelle. L'effluent tamise est stocké dans une fosse 6, afin d'évi- ter les ruptures de charges. A noter que le tamisage n'est pas toujours nécessaire selon le substrat à traiter.The sieve is separated from the effluent and stored in 5 for possible use. The sieved effluent is stored in a pit 6, in order to avoid load breaks. Note that sieving is not always necessary depending on the substrate to be treated.

Cet effluent est repris par une pompe (à membrane) 7 pour être dirigé vers un digesteur 8 (ou fermenteur) (fig. 2). Il traverse au préalable un premier échangeur à contre-courant/où il récupère partiellement la chaleur du lisier sortant ; il traverse ensuite un second échangeur (10) ou il est porté à une temperature entre 350C et 430C. Le fluide chaud du premier échangeur 9 est constitué par le liquide sortant du digesteur 8 après fermentation. Le second echan- geur 10 est alimenté par de l'eau à 500C au maxfimlm. L'effluent réchauffé est alors introduit dans le digesteur 8 à sa base en 11, à proximite du circuit de recirculation 12. This effluent is taken up by a (membrane) pump 7 to be directed to a digester 8 (or fermenter) (fig. 2). It first passes through a first counter-current exchanger / where it partially recovers the heat from the outgoing slurry; it then passes through a second exchanger (10) where it is brought to a temperature between 350C and 430C. The hot fluid of the first exchanger 9 is constituted by the liquid leaving the digester 8 after fermentation. The second exchanger 10 is supplied with water at 500C at maximum. The heated effluent is then introduced into the digester 8 at its base at 11, near the recirculation circuit 12.

Le digesteur 8 est constitué par une cuve verticale, cylindorique comportant à sa base une grille 13 au-dessus de laquelie est disposé un garnissage 14 constitué d'anneaux en matière plastique de 30 mm à 100 mm de diamètre. Au sommet de la cuve est disposée une cheminée de mise à l'atmosphère 15. La cuve est entourée par les échangeurs 9 et 10. Le circuit de recirculation 12 est constitué par une canalisation 16, prenant, au moyen d'une pompe 17, l'effluent sous la grille 13 pour le déverser à la partie supérieure du digesteur 8 en 18 sur tout le garnissage 14, évitant ainsi le phEnamene de décantation. Le débit de recyclage doit être par heure voisin de 10 à 35 % du volume utile de la cuve.Ce débit doit aboutir au ciel gazeux, afin de diminuer le volume des mousses qui pourraient apparaître au cours du régime transitoire. L'effluent traverse le garnissage 14 et fermente avec un temps de séjour compris entre 0,4 et 4,5 jours. The digester 8 is constituted by a vertical, cylindrical tank comprising at its base a grid 13 above which a lining 14 is arranged consisting of plastic rings from 30 mm to 100 mm in diameter. At the top of the tank is placed a venting chimney 15. The tank is surrounded by the exchangers 9 and 10. The recirculation circuit 12 is constituted by a pipe 16, taking, by means of a pump 17, the effluent under the grid 13 to discharge it to the upper part of the digester 8 at 18 over all of the lining 14, thus avoiding the settling phEnamene. The recycling flow must be around 10 to 35% of the useful volume of the tank per hour. This flow must end at the gaseous sky, in order to reduce the volume of foam that may appear during the transient regime. The effluent passes through the lining 14 and ferments with a residence time of between 0.4 and 4.5 days.

A ce stade, il est soutiré par tro#pîein au moyen d'une canalisation recourbée 19 disposée au sommet du digesteur 8 et traverse le premier échangeur à contre-courant 9 pour réchauffer 1 'ef- fluent arrivant au digesteur, comme décrit plus haut. L'effluent est ensuite dirigé vers une fosse 20 (ou une cuve de stockage) où il pourra être repris soit directement, soit après un traitement éventuel d'épuration.  At this stage, it is withdrawn by tro # pîein by means of a curved pipe 19 disposed at the top of the digester 8 and passes through the first counter-current exchanger 9 to heat the effluent arriving at the digester, as described above. . The effluent is then directed to a pit 20 (or a storage tank) where it can be taken up either directly or after a possible purification treatment.

Le gaz produit dans le digesteur 8 est disponible à une pression comprise entre 500 et 5000 Pa. Ce gaz est prélevé au sommet de la cuve au moyen d'une canalisation 21 (figure 2) comportant un dispositif séparateur 22 pour l'évacuation des mousses ou autres, et est dirigé vers un épurateur 23 de te connu, le cas échéant, com- primé en 24 puis transféré vers un épurateur secondaire 25 et de là vers une capacité de stockage 26. Ce gaz peut être utilisé pour 1 'ob- tention d'eau chaude, pour la production d'électricité au moyen de groupes électrogènes ou pour le chauffage de bâtiments d'élevage ou d'habitation. The gas produced in the digester 8 is available at a pressure between 500 and 5000 Pa. This gas is taken from the top of the tank by means of a pipe 21 (FIG. 2) comprising a separating device 22 for evacuating the foams. or others, and is directed to a known purifier 23 of you, if necessary, compressed at 24 then transferred to a secondary purifier 25 and from there to a storage capacity 26. This gas can be used for obtaining hot water, for the production of electricity by means of generators or for the heating of livestock or residential buildings.

Il faut noter également que l'on a prévu autour du digesteur 8 un réchauffeur 29 qui, le cas échéant, par temps froid, permet d'élever la température de l'effluent à l'intérieur de la cuve. Ce réchauffeur 29 est alimenté par eau chaude, par une canalisation 30. It should also be noted that a heater 29 has been provided around the digester 8 which, if necessary, in cold weather, makes it possible to raise the temperature of the effluent inside the tank. This heater 29 is supplied with hot water, via a pipe 30.

Par ailleurs, l'ensemble du digesteur 8, les deux échangeurs à contrecourant 9-10 et le réchauffeur 29 sont noyés dans un calorifugeage afin de maintenir une température constante et stable.Furthermore, the assembly of the digester 8, the two counter-current exchangers 9-10 and the heater 29 are embedded in an insulation in order to maintain a constant and stable temperature.

Bien entendu, divers dispositif s peuvent compléter 1 'instal- lation ci-dessus décrite. Par exemple, des sondes de température peu- vent être disposées sur les échangeurs pour assurer une temperatlme constante ou s'assurer de la température de l'effluent dans le digesteur, les pompes peuvent être couplées avec des horloges et l'ensemble commandé de manière telle que ces divers paramètres commandent le débit de effluent ou la production optimum du gaz, sans pour cela sortir du cadre de l'invention.  Of course, various devices can supplement the above-described installation. For example, temperature probes can be placed on the exchangers to ensure a constant temperature or to check the temperature of the effluent in the digester, the pumps can be coupled with clocks and the assembly controlled so such that these various parameters control the flow of effluent or the optimum production of gas, without thereby departing from the scope of the invention.

Claims (8)

REVENDICATIONS 1. - Procédé de production de biogaz à partir d'effluents organiques, caractérisé en ce que l'affluent utilisé subit un processus de vieillissement d'une durée d'une demi-journée à quatre jours à une température de 10 à 200C (de préférence 160C), qu'il est ensuite tamisé, éventuellement réchauffé, avant d'être dirigé à la base d'un digesteur à 1 1intérieur duquel il est recyclé plusieurs fois sur un garnissage intérieur faisant office de filtre anaérobie, afin d'assurer une répartition uniforme de l'activité biologique avant d'être soutiré, pour être utilisé par épandage, le gaz étant recueilli au sommet du digesteur pour utilisation ou stockage. 1. - Process for the production of biogas from organic effluents, characterized in that the tributary used undergoes an aging process lasting from half a day to four days at a temperature of 10 to 200C (from preferably 160C), that it is then sieved, possibly reheated, before being directed to the base of a digester inside which it is recycled several times on an inner lining acting as an anaerobic filter, in order to ensure a uniform distribution of biological activity before being withdrawn, to be used by spreading, the gas being collected at the top of the digester for use or storage. 2. - Procédé de production de biogaz à partir d'effluents organiques selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'effluent est réchauffé entre 350C et 450C.  2. - A method of producing biogas from organic effluents according to claim 1, characterized in that the effluent is heated to between 350C and 450C. 3. - Procédé de production de biogaz à partir d'effluents organiques selon la revendication 1, caractérisé en ce que le débit horaire de recyclage est de 10 à 35 % du volume utile du digesteur. 3. - A method of producing biogas from organic effluents according to claim 1, characterized in that the hourly recycling rate is 10 to 35% of the useful volume of the digester. 4. - Installation de production de biogaz à partir d'efflu- ents organiques, caractérisée en ce qu'elle comprend une fosse de stockage de l'affluent (2), un tamis (4), une seconde fosse de stockage (6), deux échangeurs à contre-courant (9-10), un digesteur (8), des moyens de recyclage de l'affluent (12-17), des moyens (19) d'evacuation de l'affluent fermenté, et des moyens (21) pour recueillir le biogaz, des moyens d'épuration (23) et de stockage du biogaz (28). 4. - Installation for the production of biogas from organic effluents, characterized in that it comprises a storage tank for the tributary (2), a screen (4), a second storage tank (6) , two counter-current exchangers (9-10), a digester (8), means for recycling the tributary (12-17), means (19) for discharging the fermented tributary, and means (21) for collecting the biogas, purification means (23) and storage of the biogas (28). 5. - Installation de production de biogaz à partir d'effluents organiques selon la revendication 4, caractérisée en ce que le tamis (4) comporte des mailles de 200 à 800 microns. 5. - Installation for producing biogas from organic effluents according to claim 4, characterized in that the screen (4) has meshes of 200 to 800 microns. 6. - Installation de production de biogaz à partir d'effluents organiques selon la revendication 4, caractérisée en ce que le premier échangeur à contre-courant (9) est chauffé par l'affluent sortant du digesteur (8). 6. - Installation for the production of biogas from organic effluents according to claim 4, characterized in that the first counter-current exchanger (9) is heated by the tributary leaving the digester (8). 7. - Installation de production de biogaz à partir d'effluents organiques selon la revendication 4, caractérisée en ce que le digesteur (8) est constitué par une cuve verticale oompDrtant à sa base une grille (13) audessus de laquelle est disposé un garnissage (14) constitué d'anneaux en matière plastique de 30 à 100 mm de dia mètre, ladite cuve étant entourée de deux échangeurs à contre-courant (9-10), d'un réchauffeur (29), l'ensemble étant revêtu d'un calorifugeage (30), ladite duve étant en outre munie d'un circuit de  7. - Installation for producing biogas from organic effluents according to claim 4, characterized in that the digester (8) is constituted by a vertical tank oompDrtant at its base a grid (13) above which is arranged a lining (14) consisting of plastic rings of 30 to 100 mm in diameter, said tank being surrounded by two counter-current exchangers (9-10), a heater (29), the assembly being coated with '' an insulation (30), said duve being further provided with a circuit recyclage (12) de l'affluent constitué par une canalisation prenant, recycling (12) of the tributary consisting of a pipeline taking, au moyen d'une pompe (17), l'affluent sous la grille (13) pour le déverser à la partie supérieure du digesteur (8) sur le garnissage by means of a pump (17), the tributary under the grid (13) to pour it into the upper part of the digester (8) on the lining (14). (14). 8. - Installation de production de biogaz à partir d'effluents organiques selon la revendication 4, caractérisée en ce que le biogaz recueilli au sommet du digesteur (8) passe dans un séparateur (22) et dans un ou plusieurs épurateurs (23) pour être ensuite stocké ou utilisé.  8. - Installation for producing biogas from organic effluents according to claim 4, characterized in that the biogas collected at the top of the digester (8) passes through a separator (22) and into one or more purifiers (23) for then be stored or used.
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