FR3000055A1 - Dispositif et procede de compostage/methanisation - Google Patents

Abstract

La présente invention propose un procédé de biodégradation adapté à la génération de biogaz et de compost à partir d'un matériau constitué de déchets agricoles qui comporte au moins une étape de prétraitement par compostage aérobie du matériau sur une plateforme ouverte et au moins une étape de méthanisation anaérobie du matériau prétraité dans un méthaniseur. Selon ce principe, une première étape d'hydrolyse de la méthanisation est remplacée par l'étape de prétraitement par compostage.

Description

DISPOSITIF ET PROCEDE DE COMPOSTAGE/METHANISATION La présente invention concerne les procédés de valorisation de déchets organiques et en particulier les procédés de valorisation de déchets agricoles et 5 propose un dispositif et un procédé combinant un compostage et une méthanisation. En 2008, les déchets de l'agriculture et de la sylviculture ont représenté 43% du total de la production de déchets en France, soit 374 millions de tonnes collectées sur les 868 millions de tonnes de déchets totaux. La majeure partie de 10 ces déchets est fermentescible : déjections animales, résidus de cultures, bio déchets, sciures de bois, coupes de végétaux. Il existe actuellement plusieurs moyens de gestion des déchets fermentescibles. Parmi eux, se trouvent la méthanisation et le compostage. Ces deux techniques de gestion des déchets présentent l'avantage de réduire la 15 quantité de déchets introduite en masse ainsi qu'en volume, tout en produisant un amendement organique. La méthanisation permet, en plus, la production d'une source d'énergie sous forme de biogaz. Ce biogaz peut ensuite être utilisé comme énergie thermique, énergie de génération électrique ou biocarburant. En 2006, en France, 1,8 million de tonnes de compost ont été produites à 20 partir de 5,2 millions de tonnes de déchets (déchets verts, boues d'épuration et fraction organique des ordures ménagères résiduelles) (ADEME, 2009). Au vu de la quantité de déchets fermentescibles disponibles chaque année en France, le marché des techniques de traitement biologique est en plein développement. Une gestion combinée de la méthanisation et du compostage peut donc trouver sa place au sein du marché de la valorisation des déchets. D'une manière générale, il existe pour le traitement d'effluents ou de déchets organiques des systèmes mécanisés, voire automatisés comportant des 5 traitements aérobies et/ou anaérobies. Le document WO 96/34841 Al décrit un traitement mécanisé en continu pour les eaux usées, les déchets des traitements de l'eau et la fraction biodégradable des poubelles, qui comporte plusieurs étapes de séparation et de traitement de liquides et de boues dégraissés et desquels les déchets de bois ont 10 été retirés. Le document WO 01/05729 Al décrit un système pour lequel des déchets organiques disposés en phase liquide dans un réacteur subissent d'abord un traitement anaérobie puis un traitement aérobie en sorte de récupérer des sous produits gazeux puis du compost. 15 Le document WO 2005/039775 Al décrit un système mécanisé pour produire une pulpe organique standardisée par broyage de matériaux organiques additionnés d'eau avant une éventuelle dégradation anaérobie. FR 2 541 669 Al décrit un système combinant un dispositif de traitement aérobie de matières solides et un traitement anaérobie de liquides pour lequel le 20 traitement anaérobie est réalisé dans un réacteur entouré par le dispositif de traitement aérobie. Selon ce document, les boues de digestion du traitement anaérobie peuvent être incorporés au matériau traité par le dispositif de traitement aérobie. Le document FR 2 924 441 Al décrit un procédé de bio-traitement 25 mécanisé en continu avec ensemencement de micro-organismes et effluents sous forme liquide, procédé utilisant la voie thermophile. Le procédé est un procédé triphasique dont les trois phases sont séparées et successives pour optimiser chaque phase de la méthanisation. Les paramètres comme la température, le pH, le temps de séjour sont adaptés à chaque phase. 30 Le document EP 0 142 473 A2 décrit d'utiliser une succession de fermentations aérobies d'un substrat organique tel qu'un fumier pour chauffer un liquide en sorte de permettre de démarrer une fermentation anaérobie méthanique mésophile.

EP 1 980 546 A2 décrit un dispositif de grande surface dans lequel sont réalisées simultanément une digestion aérobie et une fermentation anaérobie. Le procédé utilise des déchets agricoles fournis en balle et empilés sous un film étanche. Le processus de digestion est ralenti pour durer de un à deux ans.

Au vu de l'art antérieur la déposante a recherché à réaliser un procédé et un dispositif de gestion de déchets combinant un traitement aérobie et un traitement anaérobie, la combinaison de ces deux techniques de traitement des déchets fermentescibles pouvant mener à de meilleurs rendements en terme de production de biogaz tout en restant simple à mettre en oeuvre.

La présente invention a dans ce cadre pour objet un procédé combinant compostage et méthanisation, le compostage étant une étape de prétraitement améliorant la biodégradation pour obtenir une étape de fermentation ultérieure plus efficace et plus rentable. Le procédé de l'invention et le pré traitement par compostage optimisent la production de biogaz en vitesse et en quantité et permet d'utiliser un substrat pâteux et non liquide contrairement aux procédés de méthanisation courants. Le principe de la présente invention est de coupler le compostage et la méthanisation afin de remplacer la première étape d'hydrolyse de la méthanisation par la première phase de compostage, le but étant d'exploiter au maximum le 20 matériel organique. Un objectif de l'invention est aussi d'obtenir une meilleure qualité du produit final, en terme notamment de propriétés physiques, par exemple une meilleure réponse du compost à l'épandage par exemple. Le fait de gérer des déchets fermentescibles à l'aide des deux techniques 25 compostage puis méthanisation permet d'utiliser un maximum du potentiel des déchets agricoles, et donc au final de réduire au maximum leur volume, par exploitation poussée de la matière. L'invention a de plus pour objectif une meilleure rentabilité économique de cette voie d'élimination des déchets, ce avec un équipement de faible coût. 30 Pour ce faire la présente invention propose un procédé de biodégradation adapté à la génération de biogaz et de compost à partir d'un matériau constitué de déchets agricoles qui comporte au moins une étape de prétraitement par compostage aérobie du matériau sur une plateforme ouverte et au moins une étape de méthanisation anaérobie du matériau prétraité dans un méthaniseur. Selon ce principe, une première étape d'hydrolyse de la méthanisation est remplacée par l'étape de prétraitement par compostage.

L'étape de prétraitement est préférablement une étape de compostage d'une durée au minimum de 5 jours à une semaine et au maximum de cinq à six semaines. L'étape de méthanisation est avantageusement une étape de digestion sèche pour laquelle le matériau brut a une teneur en humidité d'environ 40 à 70% 10 d'humidité comparée à la matière sèche. Dans ce cadre, le procédé se déroule en milieu semi solide dit pâteux. L'étape de prétraitement est avantageusement une étape d'homogénéisation des déchets entrant et comporte des opérations de brassage et de mélange du matériau. 15 De manière alternative ou complémentaire, l'étape de prétraitement est une étape de régulation de la quantité de déchet entrant variable dans le temps. Au moins une partie du digestat issu de l'étape de méthanisation fait avantageusement l'objet d'au moins un second cycle de compostage/méthanisation, seul ou combiné avec du nouveau matériau, le 20 compostage aérobie permettant une nouvelle dégradation du digestat le rendant apte à une nouvelle étape de méthanisation. Préférablement, à l'issue de l'étape de méthanisation anaérobie, on sépare la phase liquide de la phase solide du digestat. Selon un mode de réalisation particulier du procédé, la phase liquide du 25 digestat est pompée pour arroser le compost, la température et la richesse en produits organiques dissous de ladite phase liquide étant favorables au compostage. Le procédé de l'invention s'applique avantageusement aux déchets agricoles de petites exploitations n'ayant pas de production régulière et des 30 activités différentes en fonction des saisons, au moyen d'une régulation des quantités de déchets entrant, de leur homogénéisation et en faisant fonctionner le méthaniseur en discontinu ou semi continu lorsque les conditions deviennent favorables.

L'invention concerne en outre un dispositif de mise en oeuvre du procédé qui comporte une plate-forme de compostage étanche munie de moyens de récupération des jus et un dispositif de fermentation anaérobie muni d'une sortie de biogaz.

Selon un mode de réalisation particulier, la plate-forme est fixe et le dispositif de fermentation anaérobie est un système mobile. Avantageusement, le dispositif comporte en outre des premiers moyens de recirculation de liquide depuis une sortie du dispositif de fermentation anaérobie vers la plate forme.

Le dispositif est avantageusement muni de seconds moyens de recirculation de liquide au niveau de la plate forme de compostage. Les premiers et/ou seconds moyens de recirculation de liquide peuvent notamment alimentent un dispositif d'arrosage/aspersion du compost. Selon un mode de réalisation particulier, le dispositif de fermentation 15 anaérobie ou méthaniseur comporte un réservoir muni d'une porte de chargement/déchargement adaptée à se fermer de manière étanche, muni d'une sortie supérieure de biogaz et d'une sortie inférieure de liquide. Le dispositif est avantageusement tel que les moyens de recirculation comportent au moins un réservoir tampon adapté à recevoir en outre des déchets 20 liquides. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront apparents à la lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisation non limitatif de l'invention en référence aux dessins qui représentent: en figure 1: une vue schématique d'un dispositif combinant compostage et 25 méthanisation selon l'invention. Dans le cadre de la méthanisation, deux types de digestions sont à considérer, la digestion humide et la digestion sèche. La digestion humide s'effectue dans un réacteur contenant 10 à 15 % de matières sèches. Cela implique un ajout d'eau, et donc une consommation d'eau 30 et des effluents à traiter. Avec ce type de digestion, il faut également gérer l'élimination des matières lourdes pouvant potentiellement rester au fond du réacteur. L'idéal est cependant d'éliminer ces matières lourdes grâce à un tri sévère en amont.

L'avantage de cette digestion est l'obtention d'un mélange homogène, entretenu par brassage. La digestion sèche implique une teneur en eau comprise entre 20 et 40%. La consistance n'est donc pas complètement sèche, mais pâteuse ou semi- liquide. Le tri en amont d'une digestion sèche peut être moins sévère qu'en amont d'une digestion humide. En effet, si un élément toxique se trouve dans le réacteur (le méthaniseur), il sera plus faiblement dispersé dans le milieu qu'en digestion humide. De même, les matières lourdes, se retrouvant dans un milieu à densité plus élevée que lors d'une digestion humide, posent moins de problèmes de dépôts. Contrairement à l'usage antérieur selon lequel la digestion sèche n'est pas le type de digestion normalement utilisé pour les déchets agricoles, c'est le type de digestion choisi dans la présente invention.

Par ailleurs, il est à noter que la méthanisation peut s'effectuer en une ou deux étapes. Dans le réacteur à une étape, toutes les réactions ont lieu dans un seul et même réacteur. Lors de l'approche en deux étapes, les phases d'hydrolyse et d'acidogénèse ont lieu dans un premier réacteur. Les phases d'acétogénèse et de méthanogénèse sont ensuite réalisées dans un second réacteur.

Le principe de la présente invention est de coupler un compostage et une méthanisation afin de remplacer la première étape d'hydrolyse de la méthanisation par une première phase de compostage, le but étant d'exploiter au maximum le matériel organique. Le principe employé est celui d'un pré compostage de déchets agricoles, 25 par exemple des déchets verts, des déchets d'élevage ainsi que par exemple des déchets laitiers. Le procédé de la présente invention utilise une plateforme de compostage ouverte 5 pour obtenir un produit qu'il faut ensuite transférer dans un méthaniseur 10. Ce n'est pas un procédé continu et la plateforme de compostage permet de 30 réguler la quantité de produit en fonction de la capacité du méthaniseur et des flux entrants. Le pré compostage est efficace avec une température de l'ordre de 60°C et une humidité de l'ordre de 40 à 70% et préférablement de l'ordre de 60%.

Une durée minimale de 6 jours permet de commencer à hydrolyser les matériaux et à pré-dégrader les matières notamment ligneuses mais réaliser le pré compostage sur une durée de 4 à 6 semaines permet d'obtenir un optimum en matière de préparation de la matière pour l'étape de méthanisation.

Le pré compostage est réalisé sur une plateforme béton 4 à fond étanche et pourvue de moyens de récupération des jus qui sont constitués selon l'exemple par un fond en pente et une grille de récupération 6 ou qui peuvent être réalisés sous forme de rainures débouchant dans une gouttière de récupération. Les jus sont collectés dans un collecteur 8, dirigés vers un premier réservoir tampon 81 et pompés par une pompe 2 suivie d'un clapet anti-retour 21 pour être stockés dans un second réservoir tampon 9 en vue de leur réutilisation pour asperger/arroser et ainsi ré-humidifier le matériau sur la plateforme via la pompe 3 suivie d'un clapet anti-retour 31 et un dispositif d'aspersion/arrosage 32. Pour une bonne préparation des matériaux, la durée du compostage sur la 15 plate-forme est préférablement comprise entre une et cinq semaines. La phase de compostage a notamment pour but d'homogénéiser les déchets entrant pour une meilleure fermentation anaérobie ultérieure et réguler la quantité de déchet entrant qui peut être variable. L'homogénéisation se fait notamment par brassage des couches successives de matériaux apportées. 20 Les déchets liquides tels que les déchets laitiers peuvent être versés dans un réservoir tampon 9 et pompés vers le système d'aspersion via la pompe 3 suivie du clapet anti-retour 31. Le pré compostage permet d'obtenir un matériau semi solide que nous qualifierons de pâteux et qui comporte de 20 à 40 % d'eau libre. 25 Ce matériau pâteux est utilisé pour la méthanisation et a l'avantage de nécessiter peu d'ajout de liquide contrairement aux procédés de méthanisation en phase aqueuse. Cette condition de matériau pâteux se traduit selon l'invention en ce que le matériau brut a une teneur en humidité d'environ 40 à 70% d'humidité comparée à 30 la matière sèche. Ceci est déjà un avantage par rapport aux procédés de l'art antérieur en phase liquide qui consomment beaucoup d'eau qui doit être ajoutée aux déchets solides.

La présente invention va en outre à l'encontre de la pratique établie qui considère que le compostage diminue la possibilité de création de méthane du fait qu'une partie du carbone organique a déjà été transformé en CO2. Tout au contraire, le pré compostage de la présente invention a pour 5 avantage d'accroître les surfaces de réaction de contact avec les matériaux à traiter en cassant les fibres des matériaux organiques sans pour cela totalement dégrader ces matériaux. Ceci permet une action plus profonde des bactéries de la méthanisation. Le pré compostage permet en outre de débuter une hydrolyse acidogénèse 10 aérobie, le passage dans le méthaniseur réalisant les phases d'acétogénèse et de méthanogénèse anaérobies. Pour la méthanisation, l'usage d'un matériau pâteux optimise la méthanisation, permet un meilleur maintien du pH entre 6,5 et 7 préférablement 6,8 pendant le traitement et permet une production plus rapide de méthane CH4, le 15 temps nécessaire au démarrage de la production étant pratiquement divisé par 3. Comme il n'y a pas besoin d'air dans le méthaniseur du fait que l'hydrolyse acidogénèse a été réalisée dans le pré compostage, il est possible d'accroître son remplissage. La faible quantité d'eau utilisée est en outre un avantage pour des 20 questions d'économie d'eau. Une fois la méthanisation terminée, il est possible de faire décanter les boues pour séparer la phase liquide de la phase solide que l'on a obtenues. Avantageusement le digestat issu du fermenteur peut faire l'objet d'un deuxième passage sur la plate-forme seul ou en tant que co-compost de manière 25 à accroître la régulation des quantités de matière traitée, de pousser plus loin la dégradation de ce co-substrat et donc optimiser sa transformation en biogaz. En effet, le procédé de l'invention a comme caractéristique avantageuse de permettre une nouvelle fermentation après aération et nouvelle étape de compostage aérobie des digestats. Cette nouvelle étape dans les conditions 30 d'humidité de l'invention permet de casser de manière plus fine la matière organique, ses fibres et les chaines moléculaires encore présentes après le premier cycle de compostage/fermentation et de réaliser une nouvelle fermentation anaérobie dans le méthaniseur sur ces fibres réduites, cette nouvelle fermentation permettant encore de récupérer une quantité de méthane évaluée à environ un quart à un tiers du méthane déjà produit lors du premier passage. En fin de cycle, le digestat solide peut être utilisé en épandage. A l'issue de la fermentation anaérobie, la phase la plus liquide peut-être 5 séparée et pompée pour arroser le compost, la température et la richesse en produits organiques dissous de cette phase liquide étant favorables au compostage. Pour ce faire, selon l'exemple, un tube 7 récupère la phase liquide par exemple par filtration après la fin de la méthanisation en partie inférieure du 10 méthaniseur sur ouverture d'une vanne 101 et actionnement d'une pompe 1 à clapet anti retour. La phase liquide passe dans le réservoir 81 puis est éventuellement stockée dans le réservoir tampon 9. Lorsqu'une humidification du compost est souhaitée, une pompe 3 suivie 15 d'une vanne anti retour 31 renvoie cette partie liquide vers le dispositif d'aspersion/arrosage 32. En fin de méthanisation, la phase solide est ressortie par la porte 13 et est soit renvoyée 110 en partie vers la plateforme de compostage soit destinée à de l'épandage 111.

20 Le procédé qui permet un mélange de matières, un brassage et une homogénéisation des ces matières au niveau du poste de compostage est donc particulièrement adapté aux déchets agricoles notamment pour les petites exploitations n'ayant pas de production régulière et des activités différentes en fonction des saisons.

25 Le dispositif de l'invention permet de réguler les quantités de déchets entrant, de les homogénéiser et de faire fonctionner le méthaniseur ou fermenteur en discontinu ou semi continu lorsque les conditions deviennent favorables. Ce dispositif est particulièrement adaptable à une unité composée d'une plate-forme fixe et d'un système de fermentation anaérobie mobile.

30 La possibilité de retraiter le digestat avec ou sans nouveaux déchets à composter permet aux agriculteurs de mieux réguler le traitement de leurs déchets et leur permet, en période de faible quantité de déchets, par exemple en hiver, de conserver au moins une production de méthane minimale grâce au retraitement du digestat issu de la fermentation dans un, voire plusieurs, nouveaux cycles de compostage/méthanisation. La plateforme de compostage 5 peut notamment être utilisée pour réaliser un produit calibré en type de matériaux à utiliser pour la méthanisation ou pour 5 réguler la quantité de produit en fonction de la capacité du méthaniseur et des flux entrants.

Claims (4)

1. REVENDICATIONS1 - Procédé de biodégradation adapté à la génération de biogaz et de compost à partir d'un matériau constitué de déchets agricoles caractérisé en ce qu'il comporte au moins une étape de prétraitement par compostage aérobie du 5 matériau sur une plateforme ouverte (5) et au moins une étape de méthanisation anaérobie du matériau prétraité dans un méthaniseur (10).
2. 2 - Procédé selon la revendication 1 pour lequel l'étape de prétraitement est une étape de compostage d'une durée au minimum de 5 jours à une semaine et au maximum de cinq à six semaines. 10
3. 3- Procédé selon la revendication 1 ou 2 pour lequel l'étape de méthanisation est une étape de digestion sèche pour laquelle le matériau brut a une teneur en humidité d'environ 40 à 70% d'humidité comparée à la matière sèche.
4. 4 - Procédé selon la revendication 3 tel qu'il se déroule en milieu semi 15 solide dit pâteux. - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes pour lequel l'étape de prétraitement est une étape d'homogénéisation des déchets entrant et comporte des opérations de brassage et de mélange du matériau. 6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes 20 pour lequel l'étape de prétraitement est une étape de régulation de la quantité de déchet entrant variable dans le temps. 7 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes pour lequel au moins une partie du digestat issu de l'étape de méthanisation fait l'objet d'au moins un second cycle de compostage/méthanisation, seul ou combiné 25 avec du nouveau matériau, le compostage aérobie permettant une nouvelle dégradation du digestat le rendant apte à une nouvelle étape de méthanisation. 8 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes pour lequel, à l'issue de l'étape de méthanisation anaérobie, on sépare la phase liquide de la phase solide du digestat. 30 9 - Procédé selon la revendication 8 pour lequel la phase liquide du digestat est pompée (1) pour arroser (32) le compost, la température et la richesseen produits organiques dissous de ladite phase liquide étant favorables au compostage. 10- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédente s'appliquant aux déchets agricoles de petites exploitations n'ayant pas de production régulière et des activités différentes en fonction des saisons, comportant au moins une étape de régulation des quantités de déchets entrant, et de leur homogénéisation et comportant une mise en fonctionnement du méthaniseur en discontinu ou semi continu lorsque les conditions deviennent favorables. 11 - Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes comportant une plateforme de compostage étanche (5) munie de moyens (6, 81) de récupération des jus et un dispositif de fermentation anaérobie (10) dit méthaniseur muni d'une sortie (12) de biogaz. 12 - Dispositif selon la revendication 11 pour lequel la plateforme est fixe 15 et le dispositif de fermentation anaérobie est un système mobile. 13 - Dispositif selon la revendication 11 ou 12 comportant en outre des premiers moyens (1, 2) de recirculation de liquide depuis une sortie du dispositif de fermentation anaérobie vers la plate forme. 14 - Dispositif selon la revendication 11, 12 ou 13 comportant en outre 20 des seconds moyens (8) de recirculation de liquide au niveau de la plateforme de compostage. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 11 à 14 pour lequel le dispositif de fermentation anaérobie ou méthaniseur comporte un réservoir muni d'une porte de chargement/déchargement (13) adaptée à se fermer 25 de manière étanche, d'une sortie supérieure de biogaz (12) , d'une sortie inférieure de liquide (7). 16- Dispositif selon la revendication 13 ou 14 pour lequel les premiers et/ou seconds moyens (8) de recirculation de liquide alimentent un dispositif d'arrosage/aspersion (32) du compost. 30 17 - Dispositif selon la revendication 16 pour lequel les moyens de recirculation comportent au moins un réservoir tampon (9) adapté à recevoir en outre des déchets liquides.