WO1996002469A1 - Appareil de reception et de conditionnement de dechets organiques par bioconversion anaerobie - Google Patents

Appareil de reception et de conditionnement de dechets organiques par bioconversion anaerobie Download PDF

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WO1996002469A1
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François-Régis MAHRER
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Mahrer Francois Regis
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    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Definitions

  • TECHNICAL FIELD This invention relates to an apparatus for receiving and conditioning organic waste operating by anaerobic bioconversion, as well as a method for treating a flow of organic waste in this apparatus.
  • the main application of the invention is the processing of kitchen waste in restaurants and the like, but other applications are also possible.
  • the present invention recommends the local and immediate treatment of organic matter by the implementation of controlled biology in a specially designed digester.
  • the present invention mainly takes into account the mass of kitchen waste that must manage the managers of restaurants serving a large number of meals. It follows from two observations:
  • treatment plants, composting devices or other similar facilities operate in a conventional manner according to the principle of collecting organic waste streams on as large a scale as possible, and concentrating them in one place, so that the bioconversion process takes place under relatively stable conditions.
  • Stability is indeed an essential condition for the maintenance of the biological process of transformation of materials.
  • the present invention departs from the principle stated above. It aims to install digesters on the very places where the waste is produced, and proposes a treatment system which makes it possible, by acting judiciously on the dynamics of the digester, to maintain the bioconversion process, despite quantitative variations or transient qualitative irregularities in the flow of waste to be treated.
  • the main idea of the invention is to create an apparatus for treating organic waste, the operation of which can be carried out at will with precision, so that the treatment process takes place with the best possible efficiency, this despite variations. in the waste stream to be treated.
  • the present invention comprises as first object the apparatus of claim 1, and as second object, the method according to claim 14.
  • the tank of the device according to the invention comprises a main enclosure which is the seat of the bioconversion, and a secondary enclosure intended to receive and store the ground organic waste before being transferred to the main enclosure to complete the bioconversion.
  • organic waste for example from a restaurant kitchen, is introduced into a receiving device, the waste is ground by means of a grinder or other mechanical disintegrator, and the ground waste are introduced into the secondary enclosure of the tank.
  • the capacity of the secondary enclosure 18 can correspond at least to the maximum amount of ground waste treated per day. Its filling normally takes place at least once a day and the daily mass of waste would remain in the secondary enclosure for approximately one day. During their stay in the secondary enclosure, the waste is preheated and begins a first phase of gas evolution without emitting unpleasant odors. This waste crushed in the secondary enclosure forms a homogeneous mass, the uniformity of which can be maintained or improved by circulation or mixing by means of the recycling circuits described below. Then, metered transfers of the contents of the secondary enclosure are carried out into the main enclosure as a function of the progress of the bioconversion, this by means of a set of circuits for recycling the contents of the main enclosure and of the secondary enclosure.
  • the set of recycling circuits includes a pump and means for distributing the contents of the main enclosure between different levels inside the latter, allowing the contents of the contents of the main enclosure to be sampled and additions to the levels selected according to the parameters of the biomethanation process.
  • the main enclosure of the tank which is the seat of biomethanisation, contains a stratified fluid mass, therefore non-homogeneous, with a floating spongy layer on the free surface and an accumulation of dense sludge at the bottom.
  • the set of recycling circuits also includes separate extraction means for solid residues and liquid discharges, making it possible to carry out intermittent samplings dosed from a selected part of the contents of the main enclosure towards these means of extraction, where solids and liquids are recovered.
  • each withdrawal to the extraction means will be followed by the transfer of a more or less equivalent quantity of the crushed waste from the secondary enclosure into the main enclosure.
  • the secondary enclosure is preferably separated from the main enclosure of the tank by a partition inside the tank, the main and secondary enclosures being surmounted by a common upper zone for the collection of biogas and, advantageously, this partition has an inclined upper part allowing the floating solid matter in the main enclosure to pour into the secondary enclosure, this inclined part of the partition being perforated to allow filtration of the liquids in the main enclosure. In this way, the solid materials which are not digested by the biomethanisation process fall back into the secondary enclosure where they are mixed with the ground waste awaiting, then to be recycled in the main enclosure.
  • auxiliary introduction device arranged to dose the introduction into the tank of a make-up product, in particular water, a carbon product, a nitrogen product.
  • This device may for example include a device for separating fat from fatty water, connected directly or indirectly to the secondary enclosure.
  • FIG. 1 is a simplified diagram of a digester
  • Figure 2 is a simplified diagram of a separator which can be associated with the digester of Figure 1
  • Figure 3 is a diagram of a variant.
  • FIG. 1 shows the main elements of an embodiment of the digester.
  • This comprises a closed tank 1 which is the seat of anaerobic bioconversion.
  • This tank can be made of stainless steel sheet, or plastic.
  • the tank capacity will be around 500 liters minimum , so that the free level of the waste mass can vary without hindrance.
  • the general shape of the tank is cylindrical, with a dome at the top to allow the accumulation of the gas phase, in principle a mixture of methane (CH 4 ) and carbon dioxide (CO2), and a conical bottom at the base to facilitate the evacuation and circulation of sludge.
  • CH 4 methane
  • CO2 carbon dioxide
  • a power supply unit 2 ensures the introduction of the waste to be treated into the tank 1. It takes the form of a crusher driven by a motor 3 and provided with a feed hopper 4. The crusher discharges into the tank 1 the waste which is discharged into the hopper 4. According to the case, this power supply can also take another constitution. We will see different variants below.
  • a separator block 5 forms an additional enclosure connected to the tank 1 so that the principle of the communicating vessels allows the levels between the tank and the separator to be balanced, and that the difference in the free levels between these two parts of the digester corresponds to gas pressure in the tank.
  • the separator 5 has at its base a cyclone or a centrifuge 6 ensuring the concentration of the solid phase which will be extracted there. In certain cases, this separation can be obtained by a simple decanter.
  • the separator 5 extends a column 7 in which the stabilized liquid phase accumulates.
  • a weir 8 At the top of the column 7 is provided a weir 8.
  • the solid phase of the residues separated in the block 5 is extracted by a valve 9 and falls into a tank 10 provided with a drain, and in which, for example, exchangeable permeable bags allowing the drainage of the residues and their removal.
  • the separator In the case where the member 6 is a centrifuge, the separator will be provided with an outlet 22 for the liquid phase and with a hatch (not shown) by which it will be possible to extract the solid phase in the form of cylindrical wafers .
  • An important part of the installation described here is the circulation block 11. It comprises a multi-way distributor 12, a recycling pump 13 and various pipes interconnecting the elements of the digester.
  • a T-pipe 14 connects the outlet of the crusher 2, on the one hand to the inlet of a secondary enclosure 18 inside the tank 1, and on the other hand to an inlet of the distributor 12. It is thus possible to return the crushed waste to the secondary enclosure 18, where it can remain on standby in the presence of the gas already formed for preheating and homogenization, and then carry out a metered transfer of the homogenized and preheated mass of the waste to the main enclosure by the distributor 12, the pump 13 and the recycling circuit 15.
  • the latter is the member which allows the biomethanization process to be carried out with precision. It is a set of pipes fitted with the necessary valves and in particular with control members 17a and 17b. It is - 7 -
  • Two segments of pipes 16a and 16b respectively connect the bottom of the tank 1 to the multi-way distributor 12, and the latter to the suction of the pump 13.
  • the branch 23 of the circuit 15 connects the discharge of the pump 13 on the one hand to the inlet of the member 17a, and on the other hand to a discharge valve in the weir 8.
  • connections 24 and 25 connect the cyclone or the centrifuge 6 of the separator, on the one hand with the piping 16a, and on the other hand with the distributor 12.
  • the members 17a and 17b plunge parallel to each other in the tank 1. They have the appearance of rods formed of two concentric tubes, one of which can be actuated in rotation by means of a motor disposed at the top of the 'organ. These tubes are provided with openings coinciding at different levels so that depending on the relative orientation of the two tubes of the rod, the fluid located in the inner tube can pass into the tank at a certain level, or the fluid of the tank can enter the cane also at the desired level.
  • the rod 17b is connected to the multi-way distributor 12 by a connection 17c.
  • the circuit 15 makes it possible to draw fluid from the tank at the desired level to pass it through the outlet block 5, or to recycle it at any level in tank.
  • the internal partition 18a which separates the auxiliary enclosure 18 from the rest of the tank, has an upper part formed by an inclined flat plate. It is provided with an opening 19. A lower part in the form of a tubing of relatively large diameter, extends the secondary enclosure 18 downwards where the discharge from the mill 2, conducted in the pipe 14, enters the tank.
  • the main and secondary enclosures 18 of the digester can be supplied, stirred, interconnected and drained by the recycling unit described.
  • the dome of the tank is connected by an extraction pipe 20 to a conditioning block 21 which supplies the biogas ready for later use.
  • the biogas which is none other than the renewable form of natural gas, will be sent to a water heater, or to a heat-force group.
  • Block 21 includes a water separator, a safety valve and a flow meter.
  • a hydraulic valve having a column of water of determined, adjustable height, which the gas passes through by oiling, will also be integrated in block 21. This valve regulates the pressure in the tank 1. If necessary, a device for testing the combustibility of the gas can still be expected.
  • a circulation block 11, a separation and extraction block 5, and a gas conditioning block 21 allows flexible and efficient management of the digester according to three criteria:
  • Chemical criterion production of a combustible gas allowing an interesting energy recovery
  • Biological criterion maintenance of conditions which ensure the life of effective bacterial populations.
  • a particularly compact arrangement is obtained by placing the whole of the circulation block 11 below the tank 1, in the form of a base supporting it.
  • the assembly can be arranged inside an envelope having the shape of a cupboard, the inlet hopper 4 being accessible, for example behind a gate in the manner of known mechanisms equipping certain garbage dumpers.
  • the tank 1 and the extraction means are enclosed in a closed, ventilated volume, in particular a cabinet, and the receiving device, for example a container with a tilting gate, as well as the crusher 2, are arranged outside of this cabinet at a location closer to the production of waste, and are connected to the tank 1 by a flexible pipe.
  • the receiving device for example a container with a tilting gate, as well as the crusher 2
  • this arrangement makes it possible to locate the receiving device in a kitchen, while the cabinet / tank is located in an annex room.
  • the upper part of the envelope forms a box arranged to ensure full ventilation of the machine.
  • the auxiliary devices to be provided will include instruments for measuring important parameters: pressure, temperature, level, flow rates for the pump and the mill and, possibly, the pH. They will also include the control means making it possible to act at will on the elements of the distributor assembly, the pump 13, the separator 6, etc., as well as on the heating bodies to maintain the tank at the desired temperature (35 at 55 ° C).
  • the power supply unit 2 may comprise, in addition to the crusher, a pump discharging the mixture of preconditioned waste into the piping 14.
  • the pressure in the tank 1 being regulated by the unit 21, as indicated above, a siphoid device 34 discharges automatically the surplus of fluid waste discharged into the enclosure 18. These materials fall back into the inlet hopper 4 of the shredder or of the crusher, signaling to the personnel supplying the apparatus that it is temporarily saturated.
  • This compartment can be provided with a weir and constitute, with the inlet hopper, a closed circuit allowing the crushed waste to rotate while waiting to be discharged by the crusher 2 into the enclosure 18 of the tank. It has been found that with such an arrangement, the mass of waiting waste exposed to the air is the seat of a first bioconversion which is aerobic and produces heat.
  • the construction described can be designed in modular form. If necessary, several tanks 1 of the same dimensions can be connected in parallel to increase the capacity. The modular construction makes it possible to arrange digesters responding optimally, from case to case, to the particular conditions of the treatment.
  • kitchen waste is mainly quaternary products, containing carbon, hydrogen, oxygen and nitrogen, or ternary products containing carbon, hydrogen and oxygen.
  • care must be taken that the C / N ratio keeps a suitable value.
  • Kitchen waste from a restaurant represents a material flow that is essentially variable in quantity and composition.
  • the mill 2 can be controlled automatically, for example by detecting the presence of a mass in the hopper 4.
  • the control can also be manual or time dependent.
  • the ground flow leaving the mill 2 is put on standby in the secondary enclosure 18 for preheating and homogenization. It is understood that the conduct of the process can in certain cases be entirely automatic. At all times, the momentary state of the process is represented by all of the data supplied by the measurement means. The comparison of these data with predetermined set values makes it possible to determine when and how it is necessary to actuate the extraction means and / or the recycling means, if necessary the heating means or the means of auxiliary introduction.
  • the solid phase has only a very small volume.
  • the stabilized gas phase results to some extent from the management of bioconversion.
  • This combustible gas can be collected and stored for later use. However, it can also be used on site and without delay by bringing it to the burner of a water heater, for example a condensing water heater, comprising the recovery of the latent heat of the combustion gases.
  • the hot water produced can be used to maintain the temperature of the tank or for any other use. It will be noted that this use offers the advantage of considerably simplifying the taking of data relating to the composition and characteristics of the biogas produced by the digester. Indeed, the analysis, for example by optical means, of the burner flame immediately provides the required information.
  • the management of the process includes metered transfers of pending material from enclosure 18 into the main enclosure, with the possible addition of additional materials, and the recycling of specific portions of the fluid mass in the main enclosure, by removal of a mass at a given level and restitution at another level. Thanks to the means 17a, 17b, this recycling takes place without excessive agitation of the area where the biological activity occurs.
  • the level of the fluid mass in the main enclosure can rise up to the opening 19 and cause the upper layer to pour into the secondary enclosure.
  • the oblique part of the partition 18a has a grid structure, which allows filtration, the liquid phase returning to the main enclosure while the undigested solid phases in the main enclosure fall back into the secondary enclosure 18 and are mixed with the waiting crushed waste.
  • piloting operations can, if necessary, be controlled remotely, from a service station by means of telemetry and remote control devices.
  • the compact construction described above can unexpectedly provide a significant simplification of the usual water treatment facilities and operations.
  • the installations must include a device for separating grease from liquids which can be drained off with waste water.
  • These separators generally consist of two chambers for the retention / decantation of heavy particles, and the flotation of fats. They are emptied and cleaned periodically, operations which unfortunately generate foul smells.
  • the digester as described above can easily be supplemented by a grease separator as shown in Figure 2.
  • the treatment of fatty water is then dissociated from the functioning of the digester, and takes place in a much more convenient manner. .
  • a separate tank 26 is provided for the flotation of fat.
  • the waste water, produced by the plungers and the washing machines, is introduced into a receiving tank 27 then flows into a grid separator 28 from which the solid materials are evacuated towards the hopper 4.
  • the fatty waters proper arrive then in the assisted flotation tank 26 in which a stirrer 29 communicates a measured rotation to them.
  • An evacuator 30 driven in rotation by the same motor as the stirrer 29 rotates at the level of the liquid level in the tank. Indeed, this is where supernatant fats accumulate.
  • the extractor 31 sends them to the hopper 4 and the enclosure 18 of the digester, while the wastewater is eliminated either by the bottom of the flotation tank or by a pipe (not shown) connected to the body of the flotation tank. .
  • Two auxiliary devices considerably increase the efficiency of the separator described.
  • These are the heat exchanger 32 which cools the separator and thus recovers the heating heat of the washing machines, while facilitating the solidification of the greases, and the bubbling circuit 33.
  • the latter starts from a bypass provided on the piping. of gas at the outlet of the tank 1 and enters through a diffuser in the lower part of the flotation tank 26.
  • a pump or a compressor can be provided in this circuit to discharge the gas which crosses the liquid mass of fatty water into the separator, then returns to the outlet piping 20. This operation washes the gas, increases the proportion of methane, since CO 2 is more easily soluble in water than CH 4 , and contributes to better separation of fats.
  • the waste water it also benefits from the operation since its carbon content is thereby increased, which makes it possible to use it if necessary in plant production as a carrier of the carbon element.
  • a bubbling circuit similar to that described here can also be connected to the anaerobic biomethanization tank. It serves as a means of mixing and activating degassing by coalescence.
  • the recovery of fats, as described above, makes it possible to control the C / N ratio. Indeed, fats being products containing essentially carbon and hydrogen, their metered introduction restores the value of the C / N ratio, and consequently makes it possible to drive the digester with improved efficiency.
  • the digester described makes it possible to implement yet another means for controlling the C / N ratio: the introduction into the inlet hopper of used paper towels and tablecloths. These materials contain little nitrogen, lots of carbon and fiber. The latter will facilitate the extraction and separation of the solid phase by a flocculating effect.
  • Figure 3 shows a variant of the embodiment visible in Figure 1.
  • the digester of Figure 3 includes certain additions and improvements which will emerge from the description which follows.
  • the tank 1 has substantially the same constitution as that of Figure 1, with its secondary enclosure 18, separated from the main part by the partition 18a provided with the opening 19.
  • the lower extension of the enclosure 18 is connected to the piping. 14.
  • the upper part of the partition 18a comprises a grid 18b whose role will appear later.
  • the power supply unit 2 comprises a collecting container 40 with a door 41.
  • the collecting box 40 open the outlet of the siphoid device 34 and that of an auxiliary introduction device 59, represented here by a reservoir provided with a member introduction, circulator or electromagnetic valve.
  • the motor mill 3 is housed at the base of the container 40.
  • the pump 13 is a member whose speed of rotation can be reversed, so that the fluid can flow either in one direction or in the other, and this with different speeds.
  • the distributor group which was designated by
  • organs 17a and 17b here consists of four organs designated respectively by 43, 44, 45 and
  • These four members are of similar construction, with a fixed tube in the length of which lights 48 are distributed, a mobile tube in rotation inside the fixed tube, also provided with corresponding lights, and an indexer. which can be controlled to selectively bring each of the lights of the inner tube to coincide with a fixed light.
  • the two dis ributor bodies 43 and 44 are connected by their fixed tube to each of the inputs of the pump 13. They replace the member 12 of the first embodiment.
  • the members 45 and 45 are arranged like the elements 17a and 17b, that is to say vertically in the main enclosure of the tank.
  • the four indexers 47 of members 43 to 46 are connected to a control station automatic and programmable PLC, to which are also connected the data sensors monitoring the operation of the device and the drive motors of the pump 13, the grinder 3 and the centrifuge 5. It will be noted that the upper fixed light of the member 46 is connected to a tube 49 opening out above the secondary enclosure 18.
  • the fixed lights of the members 43 and 44 are connected to the various components of the distribution system. Those of the member 43 are respectively connected to the crusher 3 to allow the introduction of the waste into the holding chamber 18, at the bottom of the tank to allow the evacuation of the sludge to the centrifuge 5, to a fixed light of the member 46 for recycling purposes which will appear later, the fourth light being provided for the connection of the tank 1 to a second auxiliary tank, operating as a slave.
  • the fixed lights are connected to the base of the secondary enclosure by the pipe 14 for introducing waste, to the centrifuge 5 by the pipe 25, and to a fixed light for the member 45 for recycling. , the fourth light being also provided for connection to an auxiliary tank.
  • the siphoid device 34 here comprises two inlet pipes 50 and 51 arranged vertically, one in the main enclosure, the other in the secondary enclosure. They end at the same height, which determines the maximum filling level of the tank.
  • the two essential components of the conditioning unit 21 are the water separator 52, which also functions as a safety valve, and the bellows tank 53 constituting a buffer tank and, at the same time, the member ensuring the pressurization of the tank and gas circuit.
  • valve 52 results from the drawing:
  • the drops of water entrained in the pipe 20 fall into the deep part of the valve, which communicates at its base with the wide part in which the level is ensured by a weir tubing.
  • the difference between the two levels corresponds to the pressure imposed by the bellows regulator 53.
  • the latter is ballasted with a weight 54, the value of which determines the pressure prevailing in the tank 1, in the piping 20, etc.
  • the blocks 55 and 56 control the immediate use of the biogas produced in the tank 1.
  • the elements 57 and 58 are respectively a volumetric meter of the gas flow and a water heater in which the thermal energy released by combustion of the gas is transferred to a circuit which supplies the heating bodies 60 of the tank 1, and is connected to a general circuit allowing any other use of the hot water produced.
  • In block 56 there is a circulator and a four-way valve controlled by the PLC automaton, ensuring the selection of the functions of the water heater.
  • Two sensors make it possible to record the maximum and minimum expansion states of the bellows tank 53 and to ensure the forced switching on or off of the water heater 58.
  • the meter 57 and the water heater 58 are also connected to the PLC automaton to ensure a qualitative control of the biomethanisation.
  • two different means are available and the elements necessary to ensure at least one of these two control means are provided.
  • One way is to permanently record the volumetric flow rate of the gas and the thermal balance of the water heater. This makes it possible to calculate the calorific value of the gas burned, and therefore to know at least approximately its composition.
  • the biogas produced in an installation such as the digester described is essentially a mixture of carbon dioxide, non-combustible, and methane, the calorific value of which is known.
  • the composition of the gas produced at a certain time in the digester is an indication of how the phenomenon of biomethanation takes place, and this indication, interpreted according to the momentary state of the mechanical organs of the machine, makes it possible to manage the process.
  • the other means of analysis of the gas produced is the optical observation of the burner flame. Its color, or more precisely the values of the spectral intensity of its radiation, also make it possible to deduce therefrom the composition of the gas.
  • the process which is also the subject of the invention, consists of all of the essential operations which must be carried out in order for the digester to operate in the most efficient manner possible, given the rate of introduction and the nature of the organic waste poured into the container 40. Biomethanisation conditions should be preserved as stable as possible in the active zone of the tank 1, to allow the regular accumulation of gas in the pipe 20 and the buffer tank 53, and regularly extract liquid discharges and solid residues from the tank.
  • routine operations which will normally be repeated at regular intervals, into occasional operations, the repetition rate of which depends on several factors and which should be controlled in cases if certain conditions are found together, and in safeguard operations, that is to say measures intended to be taken as a priority to safeguard the life and activity of the bacterial populations at work in the digester.
  • the first category of operations comprises: a) The introduction of the materials into the secondary enclosure 18. As already mentioned, the crusher 3 and the pump 13 then intervene to discharge the organic materials from the container 40 through the piping. 14 in the enclosure 18. This operation can be controlled by the personnel who empties the waste into the container, or automatically, either as a function of time or as a function of the filling rate of the container. Typically, the filling operation will be carried out at least once a day and the capacity of the secondary enclosure 18 will reach at least the maximum daily quantity of waste reception programmed for the installation. b) The extraction of stabilized liquid taken from the main enclosure of the tank, at a height situated under the supernatant layer.
  • This operation will be scheduled so as to be carried out as regularly as possible, for example at a rate of 5% of the average daily quantity introduced into the tank, every hour.
  • the liquid will be withdrawn through one of the orifices of the member 46, and discharged by the pump 13 towards the piping 25 and the weir 22.
  • the same quantity of material will be extracted from the secondary enclosure 18 by the piping 14 and injected at a level chosen in the tank 1, by the member 46 in order to restore the filling level. of the tank.
  • the rate indicated for operations b) and c) will be adjusted according to the data collected. A total daily value greater or less than the quantity introduced will tend to shorten or increase the residence time of the materials in the tank. This parameter will intervene in the programming of operations.
  • another routine operation will be ordered periodically: that consisting, especially in the case where the transfer from the container 40 to the enclosure 18 takes place relatively frequently, reversing the structure of the stack of materials waiting in enclosure 18. The most recent part of the contents of this enclosure will be taken up by the piping 14, the pump 13 and the member 46 so as to pass through the overflow pipe 49 and end up in the upper part of the enclosure 18. During this operation, the liquid phase of the conveyed materials will be filtered by the grid 18b and will pass directly back into the main enclosure of the tank 1.
  • the second category of operations (occasional operations) comprises: a ) The mixing of the materials in the tank 1.
  • the introduction of an auxiliary product by the device 59 can be provided for according to an agreed program.
  • the mixtures of materials introduced into the digester must preserve the balance between nitrogen compounds and carbon compounds, which results in a CO 2 / CH 4 ratio of the biogas determining its energy power.
  • the container 59 may thus, if the waste to be treated is highly nitrogenous, contain a charge of a carbon product, for example an oil, and the control members will periodically inject a dose of this product into the container 40.
  • the safeguarding measures essentially come down to ensuring the parameters favorable to the development of active populations, namely: a) First, the digester must maintain a regular temperature in all circumstances, a condition ensured by the above operations. Depending on the case, it can be around 35 ° or 55 ° C, but its variations must not exceed plus / minus 2 ° C. Alarm devices can be provided in the event of an unacceptable variation. b) Secondly, regardless of the momentary composition of the biogas, its pressure in the tank, as well as in the bellows tank 53 and the burner of the water heater, remains constant. This parameter is ensured by the tare 54 of the bellows tank 53, but any exaggerated extension or contraction of this member is controlled by sensors.
  • the surplus gas can be evacuated by the ventilation of the cabinet, while a drop in pressure can be compensated by a suitable make-up flow.
  • the syphoid device 34 makes it possible to manage any overload of the tank 1, and the grid 18b ensures filtration of floating solid materials which could nevertheless be discharged into the secondary enclosure 18. In the event of a temporary overload, signaled by the discharge by the syphoid device 34, the supply of the container 40 by the addition of new organic materials will be interrupted or reduced to restore normal operation.
  • the rejected liquid contains less than 5 g / 1 of organic matter and can be discharged directly into the wastewater pipe.
  • the volume of gas produced, at normal temperature and pressure, is 800 l / kg of waste.
  • the thermal energy drawn from the gas produced is 15,500 Kcal / day.

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Abstract

La cuve (1) d'un appareil de réception et de conditionnement de déchets organiques, notamment des déchets de cuisine dans des restaurants et autres institutions, fonctionnant par bioconversion anaérobie, comporte une enceinte principale qui est le siège de la bioconversion, et une enceinte secondaire (18) destinée à recevoir et stocker les déchets organiques broyés avant d'être transférés à l'enceinte principale pour compléter la bioconversion. Une trémie (4) ou autre dispositif de réception des déchets organiques est associée à un broyeur (2) et reliée à l'enceinte secondaire (18) de la cuve pour l'introduction des déchets organiques broyés. Un ensemble de circuits de recyclage (12, 15) du contenu de la cuve comporte une pompe (13), des circuits de distribution (17a, 17b) du contenu de l'enceinte principale entre des niveaux différents à l'intérieur de celle-ci, et des moyens d'extraction distincts (9, 22) pour des résidus solides et des rejets liquides.

Description

APPAREIL DE RECEPTION ET DE CONDITIONNEMENT DE DECHETS ORGANIQUES PAR BIOCONVERSION ANAF.ROBTF.
DOMAINE TECHNIQUE Cette invention concerne un appareil de réception et de conditionnement de déchets organiques fonctionnant par bioconversion anaérobie, ainsi qu'un procédé de traitement d'un flux de déchets organiques dans cet appareil. L'application principale de l'invention est le traitement des déchets de cuisine dans les restaurants et autres institutions du même genre, mais d'autres applications sont également possibles.
ARRTERE PLAN DE ' TNVENTTON
La réduction et l'élimination ou la récupération énergétique des déchets organiques provenant des activités urbaines est un problème qui peut être abordé sous divers angles, et dont l'étude conduit à des solutions variables selon l'importance attribuée aux différents paramètres considérés .
Autrefois, les restes alimentaires étaient rachetés pour servir d'aliments pour les animaux. Aujourd'hui, cette forme traditionnelle de recyclage des déchets alimentaires cède la place à une politique de destruction, beaucoup plus onéreuse. Parallèlement, la tendance se développe, dans la branche alimentaire, de rallonger la durée du stockage intermédiaire des déchets, pour espacer des levées qui coûtent, elles aussi, toujours plus cher.
Les réponses imaginées jusqu'ici pour contenir ce risque au niveau des déchets alimentaires en attente sont respectivement la réfrigération ou la stérilisation partielle avec des produits chimiques; c'est-à-dire le ralentissement temporaire et coûteux d'une activité biologique non contrôlée.
A l'opposé de la pratique actuelle, la présente invention préconise le traitement local et immédiat des matières organiques par la mise en oeuvre d'une biologie contrôlée dans un digesteur spécialement conçu.
La présente invention prend en compte principalement la masse des déchets de cuisine que doivent gérer les responsables de restaurants servant un nombre de repas important. Elle découle de deux constatations :
D'une part l'offre, à ces institutions, d'un digesteur anaerobie aussi compact que possible, mais apte à recevoir la masse des déchets pour restituer en continu des eaux usées, des résidus solides concentrés et du biogaz de bonne qualité au point de vue du pouvoir calorifique et de la combustibilité, répond à un besoin réel.
D'autre part les stations d'épuration, appareils de compostage ou autres installations du même genre fonctionnent de façon conventionnelle selon le principe consistant à collecter des flux de déchets organiques sur une échelle aussi large que possible, et les concentrer en un même lieu, afin que le processus de bioconversion se déroule dans des conditions relativement stables.
La stabilité est en effet une condition essentielle à l'entretien du processus biologique de transformation des matières .
EXPOSE DE T.'TNVFNTTON
Considérant les flux de déchets de cuisine qui sont produits dans les restaurants ou autres institutions du même genre, la présente invention s'écarte du principe énoncé ci-dessus. Elle vise l'installation de digesteurs sur les lieux mêmes où les déchets sont produits, et propose un système de traitement qui permet, en agissant de manière judicieuse sur la dynamique du digesteur, d'entretenir le processus de bioconversion, malgré des variations quantitatives ou des irrégularités qualitatives passagères dans le flux des déchets à traiter.
En procédant ainsi, le reste alimentaire sera traité avant d'avoir eu le temps de développer un quelconque pouvoir pathogène, et, grâce à l'action des micro-organismes de la méthanogénèse, verra son potentiel énergétique valorisé sous la forme de biogaz.
L'idée principale de l'invention est de créer un appareil de traitement de déchets organiques dont le fonctionnement peut être conduit à volonté avec précision, de manière à ce que le processus de traitement se déroule avec la meilleure efficacité possible, ceci malgré des variations dans le flux de déchets à traiter. Pour cela, la présente invention comporte comme premier objet l'appareil de la revendication 1, et comme deuxième objet, le procédé selon la revendication 14.
D'autres caractéristiques de l'invention sont exposées dans les revendications dépendantes.
La cuve de l'appareil selon l'invention comporte une enceinte principale qui est le siège de la bioconversion, et une enceinte secondaire destinée à recevoir et stocker les déchets organiques broyés avant d'être transférés dans l'enceinte principale pour compléter la bioconversion.
Au fur et à mesure de leur production, on introduit les déchets organiques, provenant par exemple d'une cuisine de restaurant, dans un dispositif de réception, on broie les déchets au moyen d'un broyeur ou autre désintégrateur mécanique, et les déchets broyés sont introduits dans l'enceinte secondaire de la cuve.
La capacité de l'enceinte secondaire 18 peut correspondre au minimum à la quantité maximale de déchets broyés traités par jour. Son remplissage a normalement lieu au moins une fois par jour et la masse journalière de déchets séjournerait dans l'enceinte secondaire pendant environ un jour. Pendant leur séjour dans l'enceinte secondaire, les déchets sont préchauffés et commencent une première phase de dégagement de gaz sans émettre d'odeurs désagréables. Ces déchets broyés dans l'enceinte secondaire forment une masse homogène, dont on peut maintenir ou améliorer l'homogénéité par une circulation ou brassage au moyen des circuits de recyclage décrits ci-dessous. Ensuite, on effectue des transferts dosés du contenu de l'enceinte secondaire dans l'enceinte principale en fonction de la progression de la bioconversion, ceci au moyen d'un ensemble de circuits de recyclage du contenu de l'enceinte principale et de l'enceinte secondaire. L'ensemble de circuits de recyclage comporte une pompe et des moyens de distribution du contenu de l'enceinte principale entre des niveaux différents à l'intérieur de celle-ci, permettant des prélèvements du contenu de l'enceinte principale de la cuve et des adjonctions aux niveaux sélectionnés selon les paramètres du procédé de biométhanisation . L'enceinte principale de la cuve, qui est le siège de la biométhanisation, contient une masse fluide stratifiée, donc non homogène, avec une couche spongieuse flottante sur la surface libre et une accumulation de boues denses au fond. Par des prélèvements et des adjonctions aux niveaux sélectionnés de cette masse fluide stratifiée, on peut ainsi contrôler les conditions de biométhanisation d'une manière continue et fiable.
L'ensemble de circuits de recyclage comporte aussi des moyens d'extraction distincts pour des résidus solides et des rejets liquides, permettant d'effectuer par intermittence des prélèvements dosés d'une partie sélectionnée du contenu de l'enceinte principale vers ces moyens d'extraction, où les solides et les liquides sont récupérés.
Pour équilibrer le contenu de l'enceinte principale, chaque prélèvement vers les moyens d'extraction sera suivi par le transfert d'une quantité plus ou moins équivalente des déchets broyés de l'enceinte secondaire dans l'enceinte principale. Ceci permet une alimentation progressive de l'enceinte principale avec des doses d'une masse homogène préchauffée, donc sans choc thermique susceptible de déséquilibrer le processus de biométhanisation qui demande notamment une grande stabilité thermique.
L'enceinte secondaire est de préférence séparée de l'enceinte principale de la cuve par une cloison de séparation à l'intérieur de la cuve, les enceintes principale et secondaire étant surmontées par une zone supérieure commune pour la collection du biogaz et, avantageusement, cette cloison comporte une partie supérieure inclinée permettant aux matières solides flottantes dans l'enceinte principale de se déverser dans l'enceinte secondaire, cette partie inclinée de la cloison étant perforée pour permettre la filtration des liquides dans l'enceinte principale. De cette manière, les matières solides non-digérées par le processus de biométhanisation retombent dans l'enceinte secondaire où elles sont mélangées avec les déchets broyés en attente, pour ensuite être recyclées dans l'enceinte principale.
En mesurant le rapport CO2/CH4 du biogaz à sa sortie de la cuve, par exemple par des moyens d'analyse spectromé rique et/ou calorimétrique de la flamme du brûleur, il est possible de connaître le rapport carbone/azote des déchets dans l'enceinte principale de la cuve, permettant ainsi d'agir sur un dispositif d'introduction auxiliaire agencé pour doser l'introduction dans la cuve d'un produit d'appoint, notamment de l'eau, un produit carboné, un produit azoté. Ce dispositif peut par exemple comporter un dispositif de séparation de graisses des eaux grasses, relié directement ou indirectement à l'enceinte secondaire.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS On va décrire ci-après, à titre d'exemple, une forme d'exécution principale du digesteur, et diverses variantes possibles, ainsi qu'un mode de mise en oeuvre du procédé. On se réfère pour cela aux dessins annexés dont : La Figure 1 est un schéma simplifié d'un digesteur; La Figure 2 est un schéma simplifié d'un séparateur qui peut être associé au digesteur de la Figure 1; et La Figure 3 est un schéma d'une variante.
MODES DE REALISATION PREFERES La Figure 1 montre les éléments principaux d'une forme d'exécution du digesteur. Celui-ci comporte une cuve fermée 1 qui est le siège de la bioconversion anaerobie. Cette cuve peut être en tôle d'acier inoxydable, ou en matière plastique. Dans le cas où la durée du cycle de transformation est de l'ordre de 10 jours, et la quantité de déchets à traiter est en moyenne de 25 litres par jour, la capacité de la cuve sera de l'ordre de 500 litres au minimum, afin que le niveau libre de la masse des déchets puisse varier sans entrave. La forme générale de la cuve est cylindrique, avec un dôme à la partie supérieure pour permettre l'accumulation de la phase gazeuse, en principe un mélange de méthane (CH4) et de gaz carbonique (CO2) , et un fond conique à la base pour faciliter l'évacuation et la circulation des boues.
Un bloc d'alimentation 2 assure l'introduction des déchets à traiter dans la cuve 1. Il prend la forme d'un broyeur entraîné par un moteur 3 et pourvu d'une trémie d'alimentation 4. Le broyeur refoule dans la cuve 1 les déchets qui sont déversés dans la trémie 4. Suivant les cas, ce bloc d'alimentation peut aussi prendre une autre constitution. On verra plus loin différentes variantes.
Un bloc séparateur 5 forme une enceinte supplémentaire reliée à la cuve 1 de manière à ce que le principe des vases communiquants permette un équilibrage des niveaux entre la cuve et le séparateur, et que la différence des niveaux libres entre ces deux parties du digesteur corresponde à la pression du gaz dans la cuve. Le séparateur 5 comporte à sa base un cyclone ou une centrifugeuse 6 assurant la concentration de la phase solide qui sera extraite à cet endroit. Dans certains cas, cette séparation peut être obtenue par un simple décanteur.
Au-dessus du séparateur 5 s'étend une colonne 7 dans laquelle la phase liquide stabilisée s'accumule. Au sommet de la colonne 7 est prévu un déversoir 8. La phase solide des résidus séparés dans le bloc 5 s'extrait par une vanne 9 et tombe dans un bac 10 muni d'un écoulement, et dans lequel on peut installer par exemple des sacs perméables échangeables permettant 1 ' égouttement des résidus et leur enlèvement. Dans le cas où l'organe 6 est une centrifugeuse, le séparateur sera pourvu d'une sortie 22 pour la phase liquide et d'une trappe (non représentée) par laquelle il sera possible d'extraire la phase solide sous forme de galettes cylindriques. Une partie importante de l'installation décrite ici est le bloc de circulation 11. Il comporte un distributeur à plusieurs voies 12, une pompe de recyclage 13 et diverses tuyauteries interconnectant les éléments du digesteur. Tout d'abord, on notera qu'une tuyauterie en T 14 connecte la sortie du broyeur 2, d'une part à l'entrée d'une enceinte secondaire 18 intérieure à la cuve 1, et d'autre part à une entrée du distributeur 12. Il est ainsi possible de refouler les déchets broyés dans l'enceinte secondaire 18, où ils peuvent rester en attente en présence du gaz déjà formé pour un préchauffage et homogénéisation, et ensuite effectuer un transfert dosé de la masse homogénéisé et préchauffée des déchets vers l'enceinte principale par le distributeur 12, la pompe 13 et le circuit de recyclage 15. Ce dernier est l'organe qui permet de conduire avec précision le processus de biométhanisation. C'est un ensemble de tuyauteries muni des vannes nécessaires et notamment des organes de commande 17a et 17b. Il se - 7 -
présente, dans l'exemple de la Figure 1, de la façon suivante :
Deux segments de tuyauteries 16a et 16b connectent respectivement le fond de la cuve 1 au distributeur multivoie 12, et ce dernier à l'aspiration de la pompe 13. La branche 23 du circuit 15 relie le refoulement de la pompe 13 d'une part à l'entrée de l'organe 17a, et d'autre part à un robinet de déversement dans le déversoir 8. Enfin, des connexions 24 et 25 relient le cyclone ou la centrifugeuse 6 du séparateur, d'une part avec la tuyauterie 16a, et d'autre part avec le distributeur 12.
Les organes 17a et 17b plongent parallèlement l'un à l'autre dans la cuve 1. Ils ont l'allure de cannes formées de deux tubes concentriques dont l'un est actionnable en rotation au moyen d'un moteur disposé au sommet de l'organe. Ces tubes sont munis d'ouvertures coïncidant à différents niveaux de sorte que suivant l'orientation relative des deux tubes de la canne, le fluide situé dans le tube intérieur peut passer dans la cuve à un certain niveau, ou le fluide de la cuve peut entrer dans la canne également au niveau désiré. La canne 17b est reliée au distributeur multivoie 12 par une connexion 17c. Ainsi, grâce à l'ensemble distributeur 12, 17a, 17b, le circuit 15 permet de prélever du fluide dans la cuve au niveau désiré pour le faire passer dans le bloc de sortie 5, ou de le recycler à n'importe quel niveau dans la cuve.
La cloison interne 18a, qui sépare l'enceinte auxiliaire 18 du reste de la cuve, comporte une partie supérieure formée d'une plaque plane inclinée. Elle est munie d'une ouverture 19. Une partie inférieure en forme de tubulure de diamètre relativement grand, prolonge l'enceinte secondaire 18 vers le bas où le refoulement du broyeur 2, conduit dans la tuyauterie 14, pénètre dans la cuve.
Ainsi, les enceintes principales et secondaires 18 du digesteur peuvent être alimentées, brassées, interconnectées et vidangées par l'ensemble de recyclage décrit . Enfin, le dôme de la cuve est relié par une tuyauterie d'extraction 20 à un bloc de conditionnement 21 qui fournit le biogaz prêt à une utilisation ultérieure. Suivant la taille de l'application envisagée, c'est-à-dire la quantité de déchets à traiter, le biogaz, qui n'est autre que la forme renouvelable du gaz naturel, sera dirigé vers un chauffe-eau, ou vers un groupe chaleur-force. Le bloc 21 comprend un séparateur d'eau, une soupape de sécurité et un compteur de débit . Une soupape hydraulique ayant une colonne d'eau de hauteur déterminée, réglable, que le gaz traverse par huilage, sera également intégrée au bloc 21. Cette soupape règle la pression dans la cuve 1. Le cas échéant un appareil de test de la combustibilité du gaz peut encore être prévu.
La division du digesteur en un bloc d'alimentation
2, un bloc de circulation 11, un bloc de séparation et d'extraction 5, et un bloc de conditionnement du gaz 21, permet une gestion souple et efficace du digesteur en fonction de trois critères :
Critère physique : formation de phases solide, liquide et gazeuse bien séparées;
Critère chimique : production d'un gaz combustible permettant une récupération d'énergie intéressante; et
Critère biologique : entretien de conditions qui assurent la vie de populations bactériennes efficaces.
Au point de vue constructif, on obtient une disposition particulièrement compacte en plaçant l'ensemble du bloc de circulation 11 en dessous de la cuve 1, sous la forme d'une embase la soutenant. L'ensemble peut être agencé à l'intérieur d'une enveloppe ayant la forme d'une armoire, la trémie d'entrée 4 étant accessible, par exemple derrière un portillon à la manière des mécanismes connus équipant certains vide-ordures .
En variante, la cuve 1 et les moyens d'extraction sont enfermés dans un volume clos, ventilé, notamment une armoire, et le dispositif de réception, par exemple un récipient à portillon basculant, ainsi que le broyeur 2, sont disposés en dehors de cette armoire à un emplacement plus proche de la production des déchets, et sont raccordés à la cuve 1 par un tuyau souple. A titre d'exemple, cette disposition permet de situer le dispositif de réception dans une cuisine, alors que l'armoire/cuve est située dans un local annexe.
Afin d'éviter le dégagement d'odeurs ou les risques en cas de fuite, la partie supérieure de l'enveloppe forme un caisson agencé de manière à assurer la ventilation intégrale de la machine.
Les dispositifs auxiliaires à prévoir comporteront des instruments de mesure des paramètres importants: pression, température, niveau, débits pour la pompe et le broyeur et, éventuellement, le pH. Ils comporteront aussi les moyens de commande permettant d'agir à volonté sur les éléments de l'ensemble distributeur, la pompe 13, le séparateur 6, etc., ainsi que sur les corps de chauffe pour maintenir la cuve à la température désirable (35 à 55°C) .
Tel que décrit ci-dessus, le digesteur peut fonctionner efficacement dans de nombreuses conditions différentes. Le bloc d'alimentation 2 peut comporter, outre le broyeur, une pompe refoulant le mélange de déchets préconditionnés dans la tuyauterie 14. La pression dans la cuve 1 étant réglée par le bloc 21, comme indiqué plus haut, un dispositif siphoïde 34 évacue automatiquement le surplus des déchets fluides refoulés dans l'enceinte 18. Ces matières retombent dans la trémie d'entrée 4 du dechiqueteur ou du broyeur, signalant au personnel qui alimente l'appareil que celui-ci est momentanément saturé.
On peut aussi prévoir, en variante, une disposition dans laquelle le bloc d'alimentation est remplacé par un dispositif à deux étages dont la trémie alimente un dechiqueteur centrifuge capable de refouler la masse des déchets dans un compartiment secondaire placé en position supérieure, exposé à l'air. Ce compartiment peut être muni d'un déversoir et constituer, avec la trémie d'entrée, un circuit fermé permettant aux déchets broyés de tourner en attendant d'être refoulés par le broyeur 2 dans l'enceinte 18 de la cuve. On a constaté qu'avec une telle disposition, la masse des déchets en attente et exposée à l'air est le siège d'une première bioconversion qui est aérobie et productrice de chaleur. On peut concevoir la construction décrite sous forme modulaire. Le cas échéant, plusieurs cuves 1 de mêmes dimensions peuvent être branchées en parallèle pour augmenter la capacité. La construction modulaire permet d'agencer des digesteurs répondant de manière optimale, de cas en cas, aux conditions particulières du traitement.
Comme tous les aliments, les déchets de cuisine sont principalement des produits quaternaires, contenant les éléments carbone, hydrogène, oxygène et azote, ou des produits ternaires contenant carbone, hydrogène et oxygène. Cependant, pour le bon entretien des populations bactériennes dans un digesteur, il faut veiller à ce que le rapport C/N garde une valeur convenable.
Les déchets de cuisine d'un restaurant représentent un flux de matières qui est essentiellement variable en quantité et en composition.
La mise en oeuvre du système de traitement décrit implique donc la connaissance des variations qu'il y a lieu d'attendre, dans chaque cas particulier, ce qui permet d'établir un programme de pilotage du digesteur.
Le personnel du restaurant aura pour instructions de déverser les déchets dans la trémie 4 au fur et à mesure de leur production. Le broyeur 2 peut être commandé automatiquement, par exemple par détection de la présence d'une masse dans la trémie 4. La commande peut aussi être manuelle ou fonction du temps.
Comme indiqué plus haut, le flux broyé sortant du broyeur 2 est mis en attente dans l'enceinte secondaire 18 pour préchauffage et homogénéisation. On comprend que la conduite du processus peut dans certains cas être entièrement automatique. A chaque instant, l'état momentané du processus est représenté par l'ensemble des données fournies par les moyens de mesure. La comparaison de ces données avec des valeurs de consigne prédéterminées, permet de déterminer quand et comment il y a lieu d'actionner les moyens d'extraction et/ou les moyens de recyclage, le cas échéant les moyens de chauffage ou les moyens d'introduction auxiliaires.
L'introduction de déchets de cuisine broyés dans l'enceinte principale d'une cuve telle que décrite crée une masse fluide qui a tendance à se stratifier. A la surface libre se forme une couche ayant une structure spongieuse ou émulsionnée, tandis que des boues denses s'accumulent dans le fond de la cuve. Le processus biochimique se déroule dans une zone moyenne, avec dégagement de bulles de gaz qui se rassemblent dans la zone supérieure commune appartenant à l'enceinte principale et à l'enceinte auxiliaire, zone dans laquelle la puissance du dégagement crée une certaine pression à l'intérieur de la cuve. La phase liquide stabilisée sera extraite par la tuyauterie 22 et évacuée par une canalisation d'eaux usées.
Normalement, la phase solide n'a qu'un volume très faible.
Elle peut être compactée et évacuée au moyen d'un sac introduit dans le bac 10.
Quant à la phase gazeuse stabilisée, sa composition résulte dans une certaine mesure du pilotage de la bioconversion. Ce gaz combustible peut être recueilli et stocké en vue d'une utilisation ultérieure. Cependant on peut aussi l'utiliser sur place et sans délai en l'amenant au brûleur d'un chauffe-eau, par exemple d'un chauffe-eau à condensation, comportant la récupération de la chaleur latente des gaz de combustion. L'eau chaude produite peut être utilisée pour le maintien de la cuve en température ou pour tout autre usage. On notera que cette utilisation offre l'avantage de simplifier considérablement la prise de données relatives à la composition et aux caractéristiques du biogaz produit par le digesteur. En effet, l'analyse, par exemple par des moyens optiques, de la flamme du brûleur fournit immédiatement les informations requises.
Le pilotage du processus comporte des transferts dosés de matières en attente, de l'enceinte 18 dans l'enceinte principale, avec adjonction éventuelle de matières d'appoint, et le recyclage de portions déterminées de la masse fluide dans l'enceinte principale, par prélèvement d'une masse à un niveau déterminé et restitution à un autre niveau. Grâce aux moyens 17a, 17b, ces recyclages s'effectuent sans agitation exagérée de la zone où se produit l'activité biologique. Le niveau de la masse fluide dans l'enceinte principale peut monter jusqu'à l'ouverture 19 et faire déverser la couche supérieure dans l'enceinte secondaire. De préférence, la partie oblique de la cloison 18a a une structure de grille, ce qui permet une filtration, la phase liquide retournant dans l'enceinte principale tandis que les phases solides non digérées dans l'enceinte principale retombent dans l'enceinte secondaire 18 et sont mélangées avec les déchets broyés en attente.
On comprend que l'ensemble des opérations de pilotage peuvent le cas échéant être commandées à distance, depuis un poste de service par le moyen de dispositifs de télémesure et de télécommande. On peut aussi dans certains cas où les conditions d'apport des déchets sont suffisamment établis, concevoir des programmes de gestion.
Dans le cas où on désire traiter les déchets de cuisine de restaurants ayant une certaine importance, c'est-à-dire servant par exemple plus de 300 repas par jour en moyenne, la construction compacte décrite ci-dessus peut apporter de manière inattendue une simplification significative aux installations et aux opérations usuelles de traitement des eaux. On sait en effet que l'élimination des eaux grasses est une contrainte gênante dans les restaurants d'une certaine importance. Pour éviter l'encrassement des tuyauteries, les installations doivent comporter un dispositif de séparation des graisses des liquides évacuables avec les eaux usées. Ces séparateurs sont généralement constitués de deux chambres de rétention/ décantation des particules lourdes, et de flottation des graisses. Ils sont vidangés et curés périodiquement, opérations qui génèrent malheureusement des odeurs nauséabondes .
Or, le digesteur tel que décrit ci-dessus peut facilement être complété par un séparateur de graisses tel que représenté à la Figure 2. Le traitement des eaux grasses est alors dissocié au fonctionnement du digesteur, et se déroule d'une manière beaucoup plus commode.
Une cuve séparée 26 est prévue pour la flottation des graisses. Les eaux résiduaires, produites par les plonges et les machines à laver, sont introduites dans un bassin récepteur 27 puis s'écoulent dans un séparateur à grille 28 d'où les matières solides sont évacuées vers la trémie 4. Les eaux grasses proprement dites parviennent ensuite dans la cuve de flottation assistée 26 dans laquelle un brasseur 29 leur communique une rotation mesurée. Un évacuateur 30 entraîné en rotation par le même moteur que le brasseur 29 tourne à la hauteur du niveau liquide dans la cuve. En effet, c'est à cet endroit que les graisses surnageantes s'accumulent. L'extracteur 31 les envoie vers la trémie 4 et l'enceinte 18 du digesteur, tandis que les eaux usées sont éliminées soit par le bas de la cuve de flottation soit par une tuyauterie (non représentée) raccordée au corps de la cuve de flottation. Deux dispositifs auxiliaires augmentent considérablement l'efficacité du séparateur décrit. Ce sont l'échangeur de chaleur 32 qui refroidit le séparateur et récupère ainsi la chaleur de chauffe des machines à laver, tout en facilitant la solidification des graisses, et le circuit de bullage 33. Ce dernier part d'une dérivation prévue sur la tuyauterie de gaz à la sortie de la cuve 1 et pénètre par un diffuseur dans la partie inférieure de la cuve de flottation 26. Une pompe ou un compresseur peuvent être prévus dans ce circuit pour refouler le gaz qui traverse la masse liquide des eaux grasses dans le séparateur, puis fait retour à la tuyauterie de sortie 20. Cette opération lave le gaz, augmente la proportion de méthane, puisque le CO2 est plus facilement soluble dans l'eau que la CH4, et contribue à une meilleure séparation des graisses .
Quant à l'eau résiduaire, elle profite aussi de l'opération puisque sa teneur en carbone s'en trouve augmentée ce qui permet de l'utiliser le cas échéant dans la production végétale comme vecteur de l'élément carbone. On notera qu'un circuit de bullage analogue à celui décrit ici peut aussi être connecté à la cuve de biométhanisation anaerobie. Il sert de moyen de brassage et d'activâtion du dégazage par coalescence. La récupération des graisses, telle que décrite ci- dessus, permet de piloter le rapport C/N. En effet, les graisses étant des produits contenant essentiellement du carbone et de l'hydrogène, leur introduction dosée rétablit la valeur du rapport C/N, et permet par conséquent de conduire le digesteur avec une efficacité améliorée.
On notera enfin que le digesteur décrit permet de mettre en oeuvre un autre moyen encore pour piloter le rapport C/N : l'introduction dans la trémie d'entrée des serviettes et nappes en papier usées. Ces matières contiennent peu d'azote, beaucoup de carbone et de fibres. Ces dernières faciliteront l'extraction et la séparation de la phase solide par un effet floculant.
La Figure 3 représente une variante de la forme d'exécution visible à la Figure 1. On y retrouve des éléments semblables ou identiques à certaines parties du digesteur déjà décrit. Ils seront désignés par les mêmes références . D'autre part, le digesteur de la Figure 3 comporte certaines adjonctions et perfectionnements qui ressortiront de la description qui suit.
La cuve 1 a sensiblement la même constitution que celle de la Figure 1, avec son enceinte secondaire 18, séparée de la partie principale par la cloison 18a munie de l'ouverture 19. Le prolongement inférieur de l'enceinte 18 est raccordé à la tuyauterie 14. On notera que la partie supérieure de la cloison 18a comporte une grille 18b dont le rôle apparaîtra plus tard.
Le bloc d'alimentation 2 comporte un récipient collecteur 40 avec un portillon 41. Dans le collecteur 40 débouchent la sortie du dispositif siphoïde 34 et celle d'un dispositif d'introduction auxiliaire 59, représenté ici par un réservoir muni d'un organe d'introduction, circulateur ou robinet électromagnétique. Le broyeur à moteur 3 est logé à la base du récipient 40.
Les différences principales entre la forme d'exécution de la Figure 3 et celle qui a été décrite précédemment se trouvent dans la structure du système de distribution et de recyclage. Ici, la pompe 13 est un organe dont la vitesse de rotation peut être inversée, de sorte que le fluide peut circuler soit dans un sens soit dans l'autre, et cela avec des vitesses différentes. D'autre part, l'ensemble distributeur qui était désigné par
12, et auquel étaient adjoints les deux organes de prélèvement et de réinsertion 17a et 17b se compose ici de quatre organes désignés respectivement par 43, 44, 45 et
46. Ces quatre organes sont de construction semblable, avec un tube fixe dans la longueur duquel sont réparties des lumières 48, d'un tube mobile en rotation à l'intérieur du tube fixe, également muni de lumières correspondantes, et d'un indexeur qui peut être commandé pour amener sélectivement chacune des lumières du tube intérieur en coïncidence avec une lumière fixe.
Les deux organes dis ributeurs 43 et 44 sont raccordés par leur tube fixe à chacune des entrées de la pompe 13. Ils remplacent l'organe 12 de la première forme d'exécution. Les organes 45 et 45 sont disposés comme les éléments 17a et 17b, c'est-à-dire verticalement dans l'enceinte principale de la cuve. Les quatre indexeurs 47 des organes 43 à 46 sont reliés à un poste de commande automatique et programmable API, auquel sont également reliés les capteurs de données surveillant le fonctionnement de l'appareil et les moteurs d'entraînement de la pompe 13, du broyeur 3 et de la centrifugeuse 5. On notera que la lumière fixe supérieure de l'organe 46 est raccordée à une tubulure 49 débouchant au- dessus de l'enceinte secondaire 18.
Les lumières fixes des organes 43 et 44 sont raccordées aux divers composants du système de 'distribution. Ceux de l'organe 43 sont raccordés respectivement au broyeur 3 pour permettre l'introduction des déchets dans l'enceinte d'attente 18, au fond de la cuve pour permettre l'évacuation des boues vers la centrifugeuse 5, à une lumière fixe de l'organe 46 dans un but de recyclage qui apparaîtra plus tard, la quatrième lumière étant prévue pour le raccordement de la cuve 1 à une seconde cuve d'appoint, fonctionnant en esclave.
Pour l'organe 44 les lumières fixes sont raccordées à la base de l'enceinte secondaire par la tuyauterie 14 d'introduction des déchets, à la centrifugeuse 5 par la tuyauterie 25, et à une lumière fixe de l'organe 45 pour le recyclage, la quatrième lumière étant également prévue pour le raccordement à une cuve d'appoint.
Nous décrivons maintenant les éléments assurant la commande, le contrôle et la sécurité de l'appareil.
Le dispositif siphoïde 34 comporte ici deux tubulures d'entrée 50 et 51 disposées verticalement l'une dans l'enceinte principale, l'autre dans l'enceinte secondaire. Elles se terminent à la même hauteur, celle-ci déterminant le niveau de remplissage maximum de la cuve.
Les deux composants essentiels du bloc de conditionnement 21 sont le séparateur d'eau 52, fonctionnant aussi comme soupape de sécurité, et le ballon à soufflet 53 constituant un réservoir tampon et, en même temps, l'organe assurant la mise en pression de la cuve et du circuit de gaz .
La fonction de la soupape 52 résulte du dessin : Les gouttes d'eau entraînées dans la tuyauterie 20 tombent dans la partie profonde de la soupape, qui communique à sa base avec la partie large dans laquelle le niveau est assuré par une tubulure de déversoir. La différence entre les deux niveaux correspond à la pression imposée par le régulateur à soufflet 53. Ce dernier est lesté par un poids 54 dont la valeur détermine la pression régnant dans la cuve 1, dans la tuyauterie 20, etc.
Les blocs 55 et 56 contrôlent l'utilisation immédiate du biogaz produit dans la cuve 1. Les éléments 57 et 58 sont respectivement un compteur volumétrique du débit de gaz et un chauffe-eau dans lequel l'énergie thermique dégagée par combustion du gaz est transférée à un circuit qui alimente les corps de chauffe 60 de la cuve 1, et se raccorde à un circuit général permettant toute autre utilisation de l'eau chaude produite. Dans le bloc 56 on reconnaît un circulateur et une vanne à quatre voies commandée par l'automate API, assurant la sélection des fonctions du chauffe-eau. Deux capteurs permettent d'enregistrer les états d'expansion maximum et minimum du réservoir à soufflet 53 et d'assurer l'enclenchement ou l'arrêt forcé du chauffe- eau 58.
Le compteur 57 et le chauffe-eau 58 sont également raccordés à l'automate API pour assurer un contrôle qualitatif de la biométhanisation. Pour cela, deux moyens différents sont à disposition et les éléments nécessaires pour assurer au moins un de ces deux moyens de contrôle sont prévus. Un des moyens consiste à enregistrer en permanence le débit volumétrique du gaz et le bilan thermique du chauffe-eau. Ceci permet de calculer le pouvoir calorifique du gaz brûlé, et donc de connaître au moins approximativement sa composition. On sait en effet que le biogaz produit dans une installation telle que le digesteur décrit est essentiellement un mélange de gaz carbonique, non combustible, et de méthane, dont le pouvoir calorifique est connu. La composition du gaz produit à un certain moment dans le digesteur est une indication sur la manière dont se déroule le phénomène de la biométhanisation, et cette indication, interprétée en fonction de l'état momentané des organes mécaniques de la machine, permet de gérer le processus.
L'autre moyen d'analyse du gaz produit est l'observation optique de la flamme du brûleur. Sa couleur, ou plus précisément les valeurs de l'intensité spectrale de son rayonnement, permettent également d'en déduire la composition du gaz. Le procédé, qui fait également l'objet de l'invention, est constitué par l'ensemble des opérations essentielles qu'il faut effectuer afin que le digesteur fonctionne de la manière la plus efficace possible, étant donné le rythme d'introduction et la nature des déchets organiques déversés dans le récipient 40. Il convient de préserver des conditions de biométhanisation aussi stables que possible dans la zone active de la cuve 1, de permettre l'accumulation régulière du gaz dans la conduite 20 et le réservoir tampon 53, et d'extraire régulièrement les rejets liquides et les résidus solides de la cuve. Les opérations qui doivent être effectuées se divisent en opérations de routine, qui se répéteront normalement à intervalles réguliers, en opérations occasionnelles, dont le rythme de répétition dépend de plusieurs facteurs et qu'il conviendra de commander de cas en cas lorsque certaines conditions se trouveront réunies, et en opérations de sauvegarde, c'est- à-dire des mesures destinées à être prises en priorité pour sauvegarder la vie et l'activité des populations bactériennes à l'oeuvre dans le digesteur.
La première catégorie d'opérations comporte : a) L'introduction des matières dans l'enceinte secondaire 18. Comme on l'a déjà dit, le broyeur 3 et la pompe 13 interviennent alors pour refouler les matières organiques du récipient 40 par la tuyauterie 14 dans l'enceinte 18. Cette opération peut être commandée par le personnel qui vide les déchets dans le récipient, ou de manière automatique, soit en fonction du temps, soit en fonction du taux de remplissage du récipient. De manière typique, l'opération de remplissage sera effectuée au moins une fois par jour et la capacité de l'enceinte secondaire 18 atteindra au minimum la quantité journalière maximale de réception de déchets programmée pour l'installation. b) L'extraction de liquide stabilisé pris dans l'enceinte principale de la cuve, à une hauteur située sous la couche surnageante. Cette opération sera programmée de manière à s'effectuer aussi régulièrement que possible, par exemple à un rythme de 5% de la quantité moyenne journalière introduite dans la cuve, toutes les heures. Le liquide sera prélevé par un des orifices de l'organe 46, et refoulé par la pompe 13 vers la tuyauterie 25 et le déversoir 22. c) Immédiatement après chacune des opérations b) , une même quantité de matières sera extraite de l'enceinte secondaire 18 par la tuyauterie 14 et injectée à un niveau choisi dans la cuve 1, par l'organe 46 afin de rétablir le niveau de remplissage de la cuve.
Le rythme indiqué pour les opérations b) et c) sera modulé selon les données recueillies. Une valeur totale journalière supérieure ou inférieure à la quantité introduite aura tendance à raccourcir ou augmenter le temps de séjour des matières dans la cuve. Ce paramètre interviendra dans la programmation des opérations. d) Enfin, une autre opération de routine sera commandée périodiquement : celle consistant, surtout dans le cas où le transfert du récipient 40 vers l'enceinte 18 a lieu d'une manière relativement fréquente, à renverser la structure de l'empilement des matières en attente dans l'enceinte 18. La partie la plus récente du contenu de cette enceinte sera reprise par la tuyauterie 14, la pompe 13 et l'organe 46 de manière à passer par la tubulure déversoir 49 et à se retrouver dans la partie supérieure de l'enceinte 18. Au cours de cette opération, la phase liquide des matières véhiculées sera filtrée par la grille 18b et repassera directement dans l'enceinte principale de la cuve 1. La seconde catégorie d'opérations (opérations occasionnelles) comporte : a) Le brassage des matières dans la cuve 1.
Par indexage convenable des deux organes de prélèvement et de réinsertion 45 et 46 on peut capter du liquide au niveau désiré dans l'enceinte principale de la cuve 1 et, par le distributeur 44, la pompe 13 et le distributeur 43, le restituer à un autre niveau sans agitation de l'ensemble de la masse liquide, donc sans perturbation de la zone active dans laquelle la population bactérienne assure la bioconversion. b) L'aspersion de la couche surnageante.
Les mêmes éléments que ci-dessus permettent aussi de faire couler du liquide pris dans une zone stabilisée, sur la couche surnageante afin de favoriser son intégration au processus. c) L'évacuation des solides. En règle générale la production de matières solides et compactée ne représente qu'un pourcentage réduit du résultat du traitement. Les boues seront soutirées à la base de la cuve, conduites dans la centrifugeuse 5 puis, une fois compactées, évacuées dans le bac de réception 10. d) Introduction d'une matière d'appoint.
Dans le cas où les déchets alimentant un digesteur présentent systéma iquement une structure qui est déficiente du point de vue des bilans chimiques désirables, l'introduction d'un produit d'appoint par le dispositif 59 peut être prévue selon un programme convenu. Comme on l'a déjà mentionné, les mélanges de matières introduits dans le digesteur doivent préserver l'équilibre entre des composés azotés et des composés carbonés, ce qui résulte en un rapport CO2/CH4 du biogaz déterminant son pouvoir énergétique. Le récipient 59 pourra ainsi, si les déchets à traiter sont fortement azotés, contenir une charge d'un produit carboné, par exemple une huile, et les organes de commande injecteront périodiquement une dose de ce produit dans le récipient 40.
Les mesures de sauvegarde reviennent essentiellement à assurer les paramètres favorables au développement des populations actives, soit : a) En premier lieu, le digesteur doit conserver en toutes circonstances une température régulière, condition assurée par les opérations ci-dessus. Suivant les cas, elle peut être de l'ordre de 35° ou de 55°C, mais ses variations ne doivent pas dépasser plus/moins 2°C. Des organes d'alarme peuvent être prévus en cas de variation inadmissible. b) En second lieu, il est nécessaire qu'indépendamment de la composition momentanée du biogaz, sa pression dans la cuve, de même que dans le réservoir à soufflet 53 et au brûleur du chauffe-eau, reste constante. Ce paramètre est assuré par la tare 54 du réservoir à soufflet 53, mais toute extension ou contraction exagérées de cet organe est contrôlée par des capteurs. Le gaz en surplus peut être évacué par la ventilation de l'armoire, tandis qu'une baisse de pression peut être compensée par un flux d'appoint convenable. c) En outre, le dispositif syphoïde 34 permet de gérer toute surcharge de la cuve 1, et la grille 18b assure la filtration de matières solides flottantes qui pourraient néanmoins se déverser dans l'enceinte secondaire 18. En cas de surcharge momentanée, signalée par le refoulement par le dispositif syphoïde 34, l'alimentation du récipient 40 par l'apport de matières organiques nouvelles sera interrompu ou réduit afin de rétablir l'opération normale.
Tel que décrit ci-dessus, le digesteur a fait preuve de qualités remarquables. Avec une alimentation en déchets organiques provenant d'un restaurant, on a pu noter les chiffres suivants:
Quantité moyenne traitée : 50 kg/jour
Distribution en poids des rejets : gaz 20 % liquide 65 % solides 15 % Le liquide rejeté contient moins de 5 g/1 de matières organiques et peut être évacué directement dans la canalisation des eaux usées. Le volume de gaz produit, à température et pression normales, est de 800 1/kg de déchets. L'énergie thermique tirée du gaz produit est de 15500 Kcal/jour.

Claims

REVENDICATIONS 1. Appareil de réception et de conditionnement de déchets organiques, fonctionnant par bioconversion anaerobie, comportant une cuve fermée (1) qui est le siège de la bioconversion, pourvue en sa partie supérieure de moyens (20) d'extraction du biogaz produit; caractérisé en ce que :
- la cuve (1) comporte une enceinte principale qui est le siège de la bioconversion, et une enceinte secondaire (18) destinée à recevoir et stocker les déchets organiques broyés avant d'être transférés à l'enceinte principale pour compléter la bioconversion; et en ce que l'appareil comporte :
- un dispositif de réception (4) des déchets organiques associé à un broyeur (2) ou autre désintégrateur mécanique et relié à l'enceinte secondaire (18) de la cuve pour l'introduction des déchets organiques broyés dans l'enceinte secondaire; et
- un ensemble de circuits de recyclage (12,15) du contenu de l'enceinte principale et de l'enceinte secondaire (18), permettant entre autres le transfert du contenu de l'enceinte secondaire (18) dans l'enceinte principale, cet ensemble de circuits comportant :
- une pompe (13) ; - des moyens de distribution (17a, 17b) du contenu de l'enceinte principale entre des niveaux différents à l'intérieur de celle-ci; et
- des moyens d'extraction distincts (9,22) pour des résidus solides et des rejets liquides.
2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de réception des déchets comporte une trémie d'entrée (4) ou un récipient à portillon basculant.
3. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enceinte secondaire (18) est séparée de l'enceinte principale de la cuve par une cloison de séparation à l'intérieur de la cuve, les enceintes principale et secondaire étant surmontées par une zone supérieure commune pour la collection du biogaz.
4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce ladite cloison comporte une partie supérieure inclinée permettant aux matières solides flottantes dans l'enceinte principale de se déverser dans l'enceinte secondaire, ladite partie supérieure inclinée étant perforée pour permettre la filtration des liquides de ces matières déversées dans l'enceinte principale.
5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens (20) d'extraction du biogaz comportent un bloc de conditionnement (21) pourvu de moyens de contrôle de paramètres du biogaz.
6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens d'extraction du biogaz sont raccordés à un brûleur qui est associé à un chauffe-eau, et en ce que le bloc de conditionnement (21) comporte des moyens d'analyse spectrométrique et/ou calorimétrique de la flamme du brûleur.
7. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de distribution comportent un circuit de prélèvement (17b) et un circuit de réinsertion (17a), pourvus chacun d'une pluralité d'entrées ou de sorties, situées à des niveaux différents dans l'enceinte principale de la cuve, ces circuits étant interconnectés par l'ensemble de circuits de recyclage et la pompe (13), chacun des circuits de prélèvement et de réinsertion comportant un obturateur capable d'ouvrir et de fermer sélectivement chacune des entrées et des sorties des dits circuits .
8. Appareil selon la revendication 1, comportant un ensemble de moyens de mesure et des moyens de commande permettant de piloter la' bioconversion, ces moyens comprenant au moins un capteur de données pour chacun des paramètres : pression dans la cuve, température, niveau de la masse contenue dans la cuve et, éventuellement, le pH.
9. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un dispositif d'introduction auxiliaire dans la cuve d'un produit d'appoint, notamment de l'eau, un produit carboné, un produit azoté.
10. Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que le dispositif d'introduction auxiliaire est agencé pour doser l'introduction du produit d'appoint, le dosage répondant lui-même à un moyen de commande propre.
11. Appareil selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit dispositif auxiliaire comporte un dispositif de séparation de graisses (26 à 33) des eaux grasses relié directement ou indirectement à l'enceinte secondaire (18) .
12. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cuve (1) et les dits moyens d'extraction sont enfermés dans un volume clos, ventilé, notamment une armoire .
13. Appareil selon la revendication 12, caractérisé en ce que le dispositif de réception (4) et le broyeur (2) sont disposés à l'intérieur dudit volume clos qui est pourvu d'un portillon d'entrée pour l'introduction des déchets.
14. Appareil selon la revendication 12, caractérisé en ce que le dispositif de réception (4) et le broyeur (2) sont disposés en dehors dudit volume clos à un emplacement plus proche de la production des déchets, et sont raccordés à la cuve (1) par un tuyau souple.
15. Procédé de traitement d'un flux de déchets organiques dans un appareil selon la revendication 1, situé à proximité d'un lieu de production de déchets appartenant à une catégorie prédéterminée, caractérisé par les opérations suivantes :
- on introduit les déchets dans le dispositif de réception (4) au fur et à mesure de leur production, - on broie les déchets,
- on introduit les déchets broyés dans l'enceinte secondaire (18) de la cuve et, après un temps de repos,
- on effectue des transferts dosés du contenu de l'enceinte secondaire dans l'enceinte principale en fonction de la progression de la bioconversion.
16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'on introduit dans la cuve (1) des déchets de cuisine produits dans un restaurant ou une institution analogue.
17. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'on effectue par intermittence des prélèvements dosés d'une partie sélectionnée du contenu de l'enceinte principale vers les moyens d'extraction (9,22) des résidus solides et des rejets liquides, chaque prélèvement étant suivi par le transfert d'une quantité essentiellement équivalente du contenu de l'enceinte secondaire (18) dans l'enceinte principale.
18. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'on contrôle le rapport carbone/azote des déchets dans l'enceinte principale de la cuve par mesure du rapport CO2/CH4 du biogaz à sa sortie des moyens d'extraction (20) associés à la cuve.
19. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce qu'on introduit dans la cuve (1) des quantités dosées d'un produit d'appoint fortement carboné ou fortement azoté en fonction des données fournies par le contrôle du rapport carbone/azote, de manière à conserver une valeur optimale pour ce rapport .
20. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'on : entretient un processus de combustion du biogaz à l'extraction, assure l'échauffement d'un flux d'eau par la chaleur ainsi dégagée, évacue les gaz de combustion par ventilation d'un volume clos, notamment une armoire, contenant la cuve, et analyse la combustion, notamment par calorimétrie ou des moyens optiques, de manière à élaborer à partir de cette analyse des données représentant le rapport CO2/CH4 du biogaz servant de critères de pilotage de la bioconversion.
21. Utilisation de l'appareil selon l'une des revendications 1 à 14 pour le traitement des déchets de cuisine produits dans un restaurant ou une institution analogue.
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