FR3108121A1 - Use of a hyperaccumulative plant to supplement the biomass with trace elements in an anerobic digester - Google Patents
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Abstract
Procédé de production de biogaz à partir de biomasse comprenant l’alimentation d’un digesteur anaérobie avec la biomasse, et avec au moins une plante hyperaccumulatrice.A method of producing biogas from biomass comprising feeding an anaerobic digester with the biomass, and with at least one hyperaccumulative plant.
Description
La présente invention est relative à l’utilisation d’une plante hyperaccumulatrice pour la production de biogaz.The present invention relates to the use of a hyperaccumulator plant for the production of biogas.
Le biogaz est le gaz produit lors de la dégradation de matières organiques en l’absence d’oxygène (fermentation anaérobie) encore appelée méthanisation. Il peut s’agir d’une dégradation naturelle – on l’observe ainsi dans les marais ou les décharges d’ordures ménagères – mais la production de biogaz peut aussi résulter de la méthanisation de déchets dans un réacteur dédié, et dont les conditions sont contrôlées, appelé méthaniseur ou digesteur, puis dans un post-digesteur, similaire au digesteur et permettant de pousser plus loin la réaction de méthanisation.Biogas is the gas produced during the degradation of organic matter in the absence of oxygen (anaerobic fermentation) also called methanization. This may be a natural degradation – it can thus be observed in marshes or household waste dumps – but the production of biogas can also result from the methanization of waste in a dedicated reactor, and whose conditions are controlled, called a methanizer or digester, then in a post-digester, similar to the digester and allowing the methanization reaction to be pushed further.
On appellera biomasse tout groupement de matières organiques pouvant se transformer en énergie à travers ce processus de méthanisation e.g. boues de station d'épuration, fumiers/lisiers, résidus agricoles, cultures énergétiques, déchets alimentaires...En Europe, les résidus agricoles et cultures énergétiques (dédiées ou intermédiaires) représentent une grande part des biomasses traitées, notamment en Allemagne et Autriche, puis en France. En Allemagne, 15% des digesteurs agricoles sont opérés en mono-digestion, c’est-à-dire, avec 100% de cultures. La majorité des digesteurs mélangent les cultures avec du fumier/lisier (co-digestion).Biomass will be called any group of organic matter that can be transformed into energy through this methanization process, e.g. sludge from wastewater treatment plants, manure/slurry, agricultural residues, energy crops, food waste, etc. In Europe, agricultural residues and crops Energy sources (dedicated or intermediate) represent a large share of processed biomass, particularly in Germany and Austria, then in France. In Germany, 15% of agricultural digesters are operated in mono-digestion, that is to say, with 100% of crops. The majority of digesters mix crops with manure/slurry (co-digestion).
Le digesteur, c’est-à-dire le réacteur dédié à la méthanisation de la biomasse, est une cuve fermée, chauffée ou non (opération à une température fixée, entre la température ambiante et 55°C) et dont le contenu constitué de la biomasse est brassé, en continu ou séquentiel. Les conditions dans le digesteur sont anaérobies et le biogaz généré se retrouve dans l'espace de tête du digesteur (ciel gazeux), où il est prélevé. Les post-digesteurs sont similaires aux digesteurs.The digester, i.e. the reactor dedicated to the methanization of biomass, is a closed tank, heated or not (operation at a fixed temperature, between ambient temperature and 55°C) and whose content consists of the biomass is stirred, continuously or sequentially. Conditions in the digester are anaerobic and the generated biogas ends up in the digester headspace (gas headspace), where it is taken. Post-digesters are similar to digesters.
De par ses constituants principaux – méthane et dioxyde de carbone – le biogaz est un puissant gaz à effet de serre; il constitue aussi, parallèlement, une source d’énergie renouvelableappréciable dans un contexte de raréfaction des énergies fossiles.Due to its main constituents – methane and carbon dioxide – biogas is a powerful greenhouse gas; it also constitutes, at the same time, an appreciable source of renewable energy in a context of scarcity of fossil fuels.
Le biogaz contient majoritairement du méthane (CH4) et du dioxyde de carbone (CO2) dans des proportions variables en fonction du mode d’obtention et du substrat mais peut également contenir, en moindres proportions de l’eau, de l’azote, de l’hydrogène sulfuré (H2S), de l’oxygène, ainsi que des composés organiques autres, à l’état de traces, dont le H2S, entre 10 et 50,000 ppmv.Biogas mainly contains methane (CH4) and carbon dioxide (CO2) in varying proportions depending on the method of production and the substrate, but may also contain, in smaller proportions, water, nitrogen, hydrogen sulphide (H2S), oxygen, as well as other organic compounds, in trace amounts, including H2S, between 10 and 50,000 ppmv.
Selon les matières organiques dégradées et les techniques utilisées, les proportions des composants diffèrent, mais en moyenne le biogaz comporte, sur gaz sec, de 30 à 75% de méthane, de 15 à 60% de CO2, de 0 à 15% d’azote, de 0 à 5% d’oxygène et des composés traces.Depending on the organic matter degraded and the techniques used, the proportions of the components differ, but on average biogas contains, on dry gas, 30 to 75% methane, 15 to 60% CO2, 0 to 15% nitrogen, 0 to 5% oxygen and trace compounds.
Le biogaz est valorisé de différentes manières. Il peut, après un traitement léger, être valorisé à proximité du site de production pour fournir de la chaleur, de l’électricité ou un mélange des deux (la cogénération). Ou, après un traitement plus poussé, il peut être épuré en biométhane, qui est utilisé en remplacement de gaz naturel fossile e.g. pour le transport propre.Biogas is recovered in different ways. It can, after light treatment, be recovered near the production site to provide heat, electricity or a mixture of the two (cogeneration). Or, after further processing, it can be purified into biomethane, which is used as a replacement for fossil natural gas e.g. for clean transport.
En mono-digestion, ou parfois en co-digestion, des carences en oligoéléments dans le digesteur apparaissent. Les oligoéléments sont des éléments à faible concentration, nécessaires pour la croissance et le fonctionnement des bactéries de la digestion anaérobie. Selon le substrat ajouté, certains oligoéléments se retrouvent en trop faible concentrations. Ceci va perturber le processus de digestion anaérobie, donc limiter la production de biométhane (Tableau 1). Par exemple, lors de l’utilisation de cultures énergétiques, des carences en nickel (Ni) sont fréquentes.In mono-digestion, or sometimes in co-digestion, deficiencies in trace elements in the digester appear. Trace elements are low-concentration elements necessary for the growth and functioning of anaerobic digestion bacteria. Depending on the added substrate, some trace elements are found in too low concentrations. This will disrupt the anaerobic digestion process, thus limiting the production of biomethane (Table 1). For example, when using energy crops, nickel (Ni) deficiencies are common.
Recommandation de teneurs en oligoéléments (mg/kg TS) et comparaison à leur teneur dans des substrats agricoles. ND: non détectéRecommendation of trace element contents (mg/kg TS) and comparison with their content in agricultural substrates. ND: not detected
Des solutions d’oligoéléments existent sur le marché (OMEX, Aquafix, Schmack Biogas…) afin de complémenter le digesteur et améliorer ses performances.Trace element solutions exist on the market (OMEX, Aquafix, Schmack Biogas, etc.) to complement the digester and improve its performance.
Les solutions d’oligoéléments existantes et commerciales ont certains inconvénients:Existing and commercial trace element solutions have some drawbacks:
- Coût des solutions, même s’il reste relativement faible par rapport au coût de la biomasse ou des procédés de production et épuration des gaz,Cost of solutions, even if it remains relatively low compared to the cost of biomass or gas production and purification processes,
- Pas de potentiel méthanogène intrinsèque, ce qui apporterait un avantage supplémentaire à l’amélioration de la performance bactérienne,No intrinsic methanogenic potential, which would provide an additional benefit in improving bacterial performance,
- Mix de solutions généralement tout prêts, qui ne ciblent pas forcément les carences spécifiques du digesteur,Mix of solutions generally ready-made, which do not necessarily target the specific deficiencies of the digester,
- Image «chimique» d’ajouts de substances, pas en adéquation avec la démarche environnementale et naturelle de la méthanisation.“Chemical” image of substance additions, not in line with the environmental and natural approach of methanisation.
Partant de là, un problème qui se pose est de fournir un complément en oligoéléments amélioré dans le digesteur.Hence, a problem that arises is to provide an improved trace element supplement in the digester.
Une solution de la présente invention est un procédé de production de biogaz à partir de biomasse comprenant l’alimentation d’un digesteur anaérobie avec la biomasse, et avec au moins une plante hyperaccumulatrice.One solution of the present invention is a process for producing biogas from biomass comprising feeding an anaerobic digester with the biomass, and with at least one hyperaccumulating plant.
Par «plante hyperaccumulatrice», on entend une plante ayant la capacité de stocker dans ses tissus des concentrations de contaminants au moins dix fois plus élevées que les concentrations rencontrées dans les autres plantes se développant dans le même sol. Les contaminants sont surtout stockés dans les parties aériennes, et faciles à récolter, des plantes hyperaccumulatrices. Dans le cas présent il s’agira en particulier de plantes hyperaccumulatrice de métaux lourds, notamment de nickel ou le cuivre.By “hyperaccumulative plant” is meant a plant having the capacity to store in its tissues concentrations of contaminants at least ten times higher than the concentrations encountered in other plants growing in the same soil. Contaminants are mainly stored in the aerial parts, and easy to harvest, of the hyperaccumulating plants. In the present case, it will be a question in particular of plants that hyperaccumulate heavy metals, in particular nickel or copper.
Autrement dit, la solution selon l’invention permet de rajouter des plantes hyperaccumulatrices à la place et/ou en complément des solutions commerciales pour stimuler la digestion anaérobie.In other words, the solution according to the invention makes it possible to add hyperaccumulating plants instead of and/or in addition to commercial solutions to stimulate anaerobic digestion.
L’ajout de plantes hyperaccumulatrices permettrait de complémenter les digesteurs sur certaines substances , de façon naturelle, avec un potentiel méthanogène apporté en plus et de façon ciblée, selon les plantes sélectionnées.The addition of hyperaccumulating plants would make it possible to supplement the digesters on certain substances, in a natural way, with a methanogenic potential provided in addition and in a targeted way, according to the plants selected.
Selon le cas, le procédé selon l’invention comprend une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous:Depending on the case, the method according to the invention comprises one or more of the characteristics below:
- la plante hyperaccumulatrice est broyée avant d’être introduite dans le digesteur.the hyperaccumulating plant is crushed before being introduced into the digester.
- la biomasse et la plante hyperaccumulatrice sont introduits simultanément dans le digesteur.the biomass and the hyperaccumulating plant are introduced simultaneously into the digester.
- la biomasse et la plante hyperaccumulatrice sont broyées ensemble.the biomass and the hyperaccumulating plant are ground together.
- la plante hyperaccumulatrice présente une matière sèche comprenant au moinsde nickel ou de cuivre par kilogramme de matière sèche.the hyperaccumulating plant has a dry matter comprising at least nickel or copper per kilogram of dry matter.
- la plante hyperaccumulatrice est l’Alyssum Murale.the hyperaccumulative plant is Alyssum Murale.
- le procédé comprendune étape de mesure de la concentration C1 en au moins un oligoélément (O) dans la biomasse; une étape de comparaison de la concentration C1 avec une valeur consigne C0; et une étape d’introduction d’un plante hyperaccumulatrice de l’oligoélément (O) dans le digesteur lorsque la concentration C1 est inférieure à la valeur consigne C0.the method comprises a step for measuring the concentration C1 of at least one trace element (O) in the biomass; a step of comparing the concentration C1 with a set value C0; and a step of introducing a plant that hyperaccumulates the trace element (O) into the digester when the concentration C1 is lower than the set value C0.
- la quantité de plante hyperaccumulatrice introduite dans le digesteur correspond à chaque instant t du procédé à une valeur comprise en poids de la quantité de biomasse introduite dans le digesteur.the quantity of hyperaccumulator plant introduced into the digester corresponds at each instant t of the process to a value comprised by weight of the quantity of biomass introduced into the digester.
- Le procédé comprend après l’alimentation du digesteur en matière organique et en plante hyperaccumulatrice une étape du brassage de la matière organique et de la plante hyperaccumulatrice.The process includes, after feeding the digester with organic matter and hyperaccumulating plant, a step of mixing the organic matter and the hyperaccumulating plant.
La présente invention a également pour objet un de production de biogaz comprenant:The present invention also relates to a biogas production comprising:
- Une unité de production de biomasse;A biomass production unit;
- Un digesteur anaérobie;An anaerobic digester;
- Un moyen d’introduction de la biomasse dans le digesteur;A means of introducing biomass into the digester;
- Un moyen d’introduction de la plante hyperaccumulatricedans le digesteur; etA means of introducing the hyperaccumulating plant into the digester; And
- Un moyen de récupération d’un flux de biogaz en sortie du digesteur.A means of recovering a flow of biogas leaving the digester.
Selon le cas, l’installation selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous:Depending on the case, the installation according to the invention may include one or more of the characteristics below:
- l’installation comprend une unité de production de plante hyperaccumulatrice.the facility includes a hyperaccumulator plant production unit.
- l’unité de production de plante hyperaccumulatrice comprend un terrain dont la terre présente une teneur en nickel supérieure à 50 mg/kg de matière sèche et/ou une teneur en cuivre supérieure à 100 mg/kg de matière sèche,the hyperaccumulator plant production unit includes land whose soil has a nickel content of more than 50 mg/kg of dry matter and/or a copper content of more than 100 mg/kg of dry matter,
- l’installation comprend un moyen de récupération d’un digestat en sortie du digesteur et un moyen d’utilisation du digestat comme engrais dans l’unité de production de biomasse.the installation includes a means of recovering a digestate at the outlet of the digester and a means of using the digestate as fertilizer in the biomass production unit.
- L’installation comprend un moyen de mesure de la concentration C1 en au moins un oligoélément dans la biomasse et un moyen de comparaison de la concentration C1 avec une valeur consigne C0. Notons que le moyen de mesure peut comprendre un moyen pour prélever un échantillon de la biomasse et un moyen sur site ou non de mesure de la concentration C1 en au moins un oligoélément dans cet échantillon.The installation comprises a means for measuring the concentration C1 of at least one trace element in the biomass and a means for comparing the concentration C1 with a set value C0. It should be noted that the measuring means can comprise a means for taking a sample of the biomass and a means, whether on site or not, for measuring the concentration C1 of at least one trace element in this sample.
Enfin la présente invention a pour objet l’utilisation d’une plante hyperaccumulatrice pour complémenter la biomasse en oligoéléments dans un digesteur anérobie et stimuler la digestion anaérobie. En effet, la plante hyperaccumulatrice présente un potentiel méthanogène intrinsèque.Finally, the subject of the present invention is the use of a hyperaccumulating plant to supplement the biomass with trace elements in an anaerobic digester and to stimulate anaerobic digestion. Indeed, the hyperaccumulator plant has an intrinsic methanogenic potential.
L’invention est une méthode permettant de stimuler la digestion anaérobie et augmenter la production de biométhane, grâce à l’ajout de plantes hyperaccumulatrices, de préférence broyées, en particulier Alyssum Murale, qui est riche en Ni, élément souvent en carence en cas de mono-digestion de matières agricoles comme le maïs.The invention is a method making it possible to stimulate anaerobic digestion and increase the production of biomethane, thanks to the addition of hyperaccumulating plants, preferably crushed, in particular Alyssum Murale, which is rich in Ni, an element often lacking in the event of mono-digestion of agricultural materials such as corn.
Ce plantes hyperaccumulatrices permettent d’apporter, de façon naturelle, des oligoéléments essentiels à la croissance et fonctionnement des bactéries du digesteur.These hyperaccumulating plants make it possible to provide, in a natural way, trace elements essential to the growth and functioning of the bacteria in the digester.
De plus, cette méthode peut s’inscrire dans une logique environnementale plus poussée. Non seulement les plantes hyperaccumulatrices permettent d’intensifier les performances de la digestion anaérobie, mais elles permettent aussi la dépollution de sols.In addition, this method can be part of a more advanced environmental logic. Not only do hyperaccumulating plants make it possible to intensify the performance of anaerobic digestion, but they also allow the depollution of soils.
Des projets étudient l’extraction des métaux de ces plantes (phytominage), mais aucun succès commercial n’a été développé à ce jour dans ce sens. Les hyperaccumulateurs ne sont donc pas encore valorisés en tant que tels.Projects are studying the extraction of metals from these plants (phytominage), but no commercial success has been developed to date in this direction. Hyperaccumulators are therefore not yet valued as such.
Plusieurs centaines de plantes hyperaccumulatrices existent. L’exemple principal est Alyssum Murale. C’est une plante hyperaccumulatrice bien connue et étudiée dans la dépollution de sols contaminés au nickel. Comme le nickel est fréquemment présent à de trop faibles teneurs dans la méthanisation de cultures énergétiques, cette plante est potentiellement intéressante à incorporer. Selon les études, jusqu’à 15-30 mg Ni/kg matière sèche peuvent être accumulés, en fonction de la partie de la plante. D’autres plantes pourraient également être concernées dans une moindre mesure e.g. L. Perenne qui accumule le cuivre, jusqu’à 10 mg/kg.Several hundred hyperaccumulating plants exist. The main example is Alyssum Murale. It is a hyperaccumulator plant well known and studied in the depollution of soils contaminated with nickel. As nickel is frequently present at too low levels in the methanation of energy crops, this plant is potentially interesting to incorporate. According to studies, up to 15-30 mg Ni/kg dry matter can be accumulated, depending on the part of the plant. Other plants could also be concerned to a lesser extent e.g. L. Perenne which accumulates copper, up to 10 mg/kg.
Le broyage des plantes permet d’augmenter l’accessibilité des oligoéléments. Les plantes peuvent ainsi être incorporées entières directement avec la biomasse avec ou sans broyage.Grinding plants increases the accessibility of trace elements. The plants can thus be incorporated whole directly with the biomass with or without grinding.
Claims (15)
- Une étape de mesure de la concentration C1 en au moins un oligoélément dans la biomasse;
- Une étape de comparaison de la concentration C1 avec une valeur consigne C0;
- Une étape d’introduction d’un plante hyperaccumulatrice de l’oligoélément (O) dans le digesteur lorsque la concentration C1 est inférieure à la valeur consigne C0.
- A step for measuring the concentration C1 of at least one trace element in the biomass;
- A step of comparing the concentration C1 with a set value C0;
- A step of introducing a plant that hyperaccumulates the trace element (O) into the digester when the concentration C1 is lower than the set value C0.
- Une unité de production de biomasse;
- Un digesteur anaérobie;
- Un moyen d’introduction de la biomasse dans le digesteur;
- Un moyen d’introduction de la plante hyperaccumulatricedans le digesteur; et
- Un moyen de récupération d’un flux de biogaz en sortie du digesteur.
- A biomass production unit;
- An anaerobic digester;
- A means of introducing the biomass into the digester;
- A means of introducing the hyperaccumulating plant into the digester; And
- A means of recovering a flow of biogas leaving the digester.
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