WO2009103866A2 - Procede de bio-traitement de matieres organiques a des fins de production de bio-gaz et de compost - Google Patents

Procede de bio-traitement de matieres organiques a des fins de production de bio-gaz et de compost Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a process for the bio-treatment of organic materials for the production of biogas and compost from aerobic and anaerobic fermentations.
  • Compost production by organic matter aerobic biotreatment processes is normally performed in open and aerated windrows or in single reactors. Such treatments are less complex and less expensive than anaerobic bio-treatments.
  • anaerobic treatments are relatively more tolerant than aerobic-type treatments for the presence of foreign bodies in the organic material to be treated.
  • anaerobic treatment requires a substantially greater volume of treatment of treated organic material when compared to aerobic treatments, and furthermore such aerobic treatment does not lead to the production of energy under the aerobic process. form of bio-gas.
  • Anaerobic bio-treatments of organic materials are, in turn, very effective in suppressing pathogenic germs and are, moreover, capable of producing energy in the form of biogas. These anaerobic biotreatment are relatively fast and are also less energy consuming when compared to the volume to be treated and when compared to aerobic treatments.
  • olfactory nuisances inherent to anaerobic treatments require that such processes be conducted in closed buildings and in sealed reactors incorporating efficient odor treatment systems. Such technical sophistication leads to an expensive process, and in terms of installation, and in terms of operating cost.
  • Anaerobic treatment of organic materials in closed reactors is a proven technology applied to a wide variety of organic wastes such as animal slurry, liquid effluents and wastewater or effluents resulting from the processing of agro-food industries.
  • the technology is applied in an environment that can implement controlled industrial processes and where the organic material to be treated is available in a preferentially liquid form, sometimes also in solid form.
  • document US 2005/0035058 describes a treatment method and a system, ie an installation for the continuous decomposition of organic materials first under anaerobic conditions and then under aerobic conditions for the purpose of producing organic products. - gas and compost.
  • the plant comprises: a primary reactor defining at least two zones for the continuous reception of the organic material, one of said zones of the reactor being adapted to receive said organic material, while the other zone allows the collection of the decomposed organic matter; valued in the form of raw compost; drainage means for evacuating the organic leachate produced in the primary reactor; a secondary reactor for the anaerobic digestion of bio-treated organic leachate from the primary reactor and the production of biogas;
  • - Recirculation means for recycling the bio-treated organic leachate of the secondary reactor to the primary reactor; biogas collection means generated in the primary and secondary reactors; aeration means for the aerobic decomposition of the organic matter in the primary reactor; and means for extracting the compost generated from the primary reactor, in order to release a reactor zone and thus to be able to receive another charge of organic material.
  • the primary reactor is more precisely composed of a series of distinct zones, each adapted to be used for the following successive operations: loading of organic matter, anaerobic decomposition of organic matter, aerobic decomposition of organic matter, and extraction of compost .
  • the primary reactor is divided into contiguous zones, physical barriers separating the zones of the reactor from each other, these zones being able to be physically completely separated respectively in the clean structures.
  • the biotreatment process breaks down organic matter to produce biogas and compost. It comprises the following successive stages:
  • the process uses a primary reactor having two reaction zones, one of the zones being charged with organic matter while the organic material decomposes in situ in the other zone of the reactor, this decomposition in these other additional zones being done under anaerobic conditions.
  • the method uses a primary reactor having a reaction zone charged with organic matter, said organic material decomposing in another zone of the reactor under aerobic conditions after an anaerobic decomposition period, the decompositions in any additional reaction zone being carried out. under anaerobic conditions.
  • the method can also implement a primary reactor having a plurality of reaction zones.
  • One of the zones is loaded with organic matter, then decomposed under aerobic conditions following anaerobic decomposition, the raw compost being extracted from another composting zone, following an aerobic decomposition, while the material organic in each of the additional zones of the reactor decomposes under anaerobic conditions.
  • the organic material entering the reactor is amended with additions to facilitate its decomposition, the organic matter charges being made so as to alternate layers of material to be treated and of material with drainage capacity, such materials with drainage capacity can be inorganic and therefore may remain present in the compost thus produced.
  • the bio-gas collected comes from both the primary reactor and the secondary reactor.
  • US 5,599,451 also describes an integrated anaerobic and aerobic process, but for the biotreatment of toxic waste in substantially liquid form.
  • the process uses a reactor incorporating anaerobic / aerobic biotreatment methods.
  • This reactor uses a biofilm that works by creating a decreasing oxygen gradient.
  • This wastewater treatment method takes advantage of the best aspects of the aerobic process, which is inexpensive, and generates little sludge or bio-gas discharge and combines them with the methanogenic capabilities of the anaerobic process.
  • This biological film consists of a granular bed of anaerobic sludge in suspension colonized by aerobic bacteria.
  • This bio-reactor has a water inlet allowing the arrival of liquid waste, as well as two exits: one for the exit of treated water, the other for the release of gas.
  • the anaerobic / aerobic biological film of the bio-reactor has an outer surface filled with aerobic bacteria as well as a central core housing strict anaerobic bacteria and methanogenic bacteria.
  • a decreasing gradient of oxygen concentration towards the nucleus of the biological film is obtained by the controlled injection of a gas or a oxygen - containing liquid in the effluent liquid recycle loop.
  • Biofilm allows aerobic and anaerobic treatment in a single system.
  • the organization of the three-layer bio-film guarantees optimal conditions for the proliferation of different populations of microorganisms and protects the strict anaerobic bacteria of the nucleus from the harmful effects of oxygen.
  • the stabilized biological film offers a flexible concept in that the core of the bio-reactor can also include inert micro-carriers, such as expanded clay particles or any other porous material meeting the requirements, in order to immobilize the cells and stabilize the biological film in suspension, maximizing coupling degradation of oxidative and reducing conditions.
  • the frequency of re-circulation of liquids in the bio-reactor can be adjusted to provide better control over oxygenation and methane extraction. Inflow control minimizes residual oxygen production to maximize the combination of oxygen degradation and reduction. It is a sort of anaerobic / aerobic synchronous treatment of effluents containing chemical pollutants such as pesticides.
  • the object of the invention is to create a continuous process for biotreatment that efficiently converts available organic materials of the same nature or of different natures, whether in the form of waste, in a mixture or in the form of raw materials.
  • the process according to the invention for the continuous bio-treatment of organic materials of various vegetable and / or animal origins, by means of micro-organisms with a view to transforming said materials into energetic biogas and into a compost, is characterized in that it implements in successive phases of biotransformation:
  • a phase of aerobic hydrolysis of the organic matter to be treated by seeding with a mixture of strict aerobic hydrolytic bacteria, belonging to the carbon and nitrogen cycles, and possibly yeasts, b) an anaerobic phase of acidogenesis and acetogenesis of hydrolysed organic materials, c) an anaerobic methanogenesis phase of organic materials transformed by acidogenesis and acetogenesis producing energy bio-gas, a concentrate and a liquid effluent; d) a phase of aerobic composting of the concentrate after solid / liquid separation.
  • renewable organic materials include all terrestrial or aquatic plants such as forest and agricultural residues, algae, peat, organic residues of peach, animal matter, consisting of carbohydrates, lipids and proteins.
  • lignocellulosic compounds consist of cellulose, hemicellulose and lignin which are: for cellulose, hydrolysable glucose polymers in acidic medium for example, for hemicellulose, complex polysaccharide molecules for lignin, polymers of high chemical stability that make it difficult to degrade by chemical or biological reagents.
  • a phase of acidogenesis and acetogenesis by the action of strict anaerobic bacteria transforming, by acidogenesis, the hydrolysed organic materials and in particular the monomers produced during the hydrolysis phase into fatty acids, alcohols, hydrogen and carbon dioxide (CO2) and the products of acetogenesis in precursors of methane, Finally a phase of methanogenesis by the action of strict anaerobic bacteria synthesizing methane from hydrogen and carbon dioxide and transforming organic acids such as acetic acid into methane and carbon dioxide.
  • the bioprocessing method according to the invention involves, in each of its transformation phases, the presence of different bacteria and / or yeasts, strict aerobic and then strict anaerobic, bio-transformation and synthesis, adapted to available organic compounds. in each phase of bio-treatment and in physicochemical and biochemical conditions of specific development.
  • the continuous process of biotreatment practices the principles of: bio-increase by inoculation of the organic materials to be treated by means of bacterial populations and of selected media adapted to the metabolization of the organic materials to be treated, biocidal retention by retention of anaerobic bacterial strains on substrates that are the packing materials of anaerobic bio-reactors, constituting fixing and growth supports for said bacterial strains to increase the in-situ concentrations.
  • biotransformation mechanisms can be accelerated by the addition of mixtures of exogenous strains that are particularly active with regard to pollutants present in the organic materials to be biotreated or resulting from the biotransformation of said organic materials, for example, micro-organisms capable of degrading aromatic compounds or other compounds.
  • the originality of the continuous process of bioprocessing appears to lie in the implementation of a bioprocessing pathway separating the phases of the three biochemical operations, that is to say the hydrolysis phase of the organics, the acidogenesis and acetogenesis phase, and the methanogenesis phase, as well as in the use of bacteria mixture and the possible presence of yeasts, both carbon and nitrogen cycling, in specified with respect to the organic materials to be treated, in particular in the hydrolysis phase.
  • the originality of the process lies in its ability to virtually completely transform the organic and ammoniacal nitrogen into a mineralized nitrogen of the nitrite and / or nitrate type.
  • the decomposition according to the invention of organic materials by bacteria and optionally with the addition of yeasts takes place in four highly interdependent phases which describe a fermentation cycle: aerobic hydrolysis, anaerobic acidogenesis- acetogenesis, anaerobic methanogenesis and aerobic composting of the concentrates.
  • Each phase and stage in the phases involves the activity of different bacteria, adapted to the organic materials available to be treated, under the conditions of specific development.
  • the organic materials to be treated may be of plant and / or animal origin. In the majority of cases and according to the process of the invention, they are mixtures of organic matter of animal and vegetable origin which are treated. Vegetable organic materials include all possible plant materials, including algae, that can be decomposed by generating biogas.
  • Cellulose, hemicellulose and lignin can be, with respect to these vegetable matter, strongly present. These are the majority macromolecules of many plants and products derived from them. During hydrolysis reactions, if hemicellulose and cellulose are easily "broken" by the bacterial medium, lignin is degraded very slowly under aerobic conditions and remains completely anaerobic inert. Some organic waste is rich in lignin.
  • Animal organic materials include, for example, slaughterhouse waste, such as viscera, blood, and the like, but also pig manure, manure, poultry droppings, having a high carbon and nitrogen content .
  • the acidogenesis and acetogenesis steps which follow show that certain microorganisms present use compounds derived from hydrolysis reactions for their own development and reject acidic organic molecules, in particular acetic acid.
  • methanogenesis allows other bacteria to degrade compounds derived from acidogenesis and acetogenesis. by biotransforming them into methane (CH4) and carbon dioxide (CO 2 ).
  • CH4 methane
  • CO 2 carbon dioxide
  • This biotreatment phase is carried out aerobically by means of a seeding constituted of an inoculum formed of a mixture of bacteria of the carbon cycle and more particularly of the nitrogen cycle in the possible presence of yeasts, of which the quality and mass depend on the nature and quantities of the organic matter to be treated.
  • This phase of hydrolysis by biotreatment appears highly innovative in that: it makes it possible to promote the synthesis of proteins from the organic carbon and nitrogen compounds present; it transforms the organic nitrogen of the nitrogenous organic compounds present into mineralized nitrogen in order to increase the subsequent methanization yields of the said organic compounds and to reduce the environmental loads attached to the residual compost. This is achieved by reducing the ammonia nitrogen content which is an inhibitor of methanogenesis.
  • the objective in this hydrolysis phase is to rapidly nitrify the nitrogen portion of the organic materials by converting the amino and ammonia nitrates present, nitrites and nitrates, which increases the yields of the methanogenesis phase.
  • the inocrium ⁇ constituting the inocrium ⁇ which contains a mixture of bacteria cycles of carbon and nitrogen in the possible presence of yeasts, is prepared in such a way that it contains a defined mass of strict aerobic nitrification bacteria.
  • nitrosomonas such as for example nitrosomonas, nitrosoglae, nitrosocystis, nitrosospora, nitrobacter, and others, capable of nitritating and nitrating the organic material to be treated in the presence of oxygen according to the following reactions:
  • This aerobic hydrolysis bio-treatment phase also makes it possible to promote protein synthesis.
  • the transformation of organic materials by this aerobic hydrolysis bio-treatment leads to the production of a biomass according to a rapid bacterial synthesis.
  • the bacteria of the carbon cycle are expressed quantitatively by their number relative to a quantity of organic matter to be treated, while the nitrifying bacteria are quantitatively verified according to their conversion.
  • nitrogen cycle bacteria whose masses are very low compared to those of the carbon cycle bacteria, their quantity is measured by their induced efficiency, ie corresponding to the nitrogen requirement of said bacteria. nitrifying and expressed in liter of an aqueous medium of bacteria containing from 1 to 2.5 grams of dry matter of said bacteria, this liter of aqueous medium being introduced into the hydrolysis phase as a function of the nitrogen inputs of the material to be treated and in proportion to the flow rates.
  • these initial additions of the aqueous nitrifying medium are 1 liter per hour of said medium containing the nitrifying bacteria for 0.3 to 1 g / hour of nitrogen supply by the organic material to be treated.
  • This seeding can be discontinuous or continuous.
  • the nature of the aforementioned strains constituting the inoculum differs according to the constitution of the organic materials to be treated.
  • Strains are produced sequentially in sterile fermenters. The selected bacteria and / or yeasts are first concentrated by centrifugation and then mixed. A growth medium and a supply of organic carbon and nitrogen in the form of amino acids are added.
  • the assembly constituting the seeding is conveniently referred to as "3 S” seeding and comprises: strains such as bacteria and possibly yeasts, as previously described;
  • a carbon and nitrogenous substrate in particular carbohydrates and amino acids; mineral salts, containing the growth factors not included or in low concentration in the organic materials to be treated.
  • mineral salts such as, for example, phosphates, carbonates, iodides.
  • the hydrolysis also receives additives for increasing the synthesis from trace elements including copper, iron, magnesium, manganese, as well as potassium and sodium.
  • the seeded aerobic hydrolysis phase is carried out on organic materials to be treated, the composition of which has been arranged, by addition of specific carbonaceous components such as ⁇ amino acids and / or extracts of yeasts and / or vitamins and other constituents.
  • the seeded aerobic hydrolysis phase additionally comprises a supply of enzymes derived from fermentation, in particular lipidic, proteinidic and carbohydrate enzymes.
  • the mass of inoculum is defined for an initial dryness of between 12 and 40% by weight of moisture and preferably between 18 and 22
  • This dryness value of the hydrolysis phase is important for the following phases of acidogenesis - acetogenesis as well as for the methanogenesis phase because it facilitates the gas / liquid exchange.
  • this hydrolysis phase may require a supply of specific organic material in order to promote the yield of the following phases and in particular that of the production of methane.
  • An important characteristic of the hydrolysis phase of the bioprocessing process according to the invention is the carbon / nitrogen ratio (C / N) of the organic materials to be treated, this ratio having to be in the range from 15 to 40 and preferably between 20 and 30 when expressed by weight of presence of carbon and weight of nitrogen.
  • this ratio is less than 20, that is to say such that 12 ⁇ C / N ⁇ 20, and in situations where there is inability to add a source of organic carbon, this ratio can be admitted in the state.
  • it will be necessary to control the transformation of the mineral nitrogen by the supply of nitrifying strains, and to take it into account later for the phase of acidogenesis whose pH will be brought back to a value close to 6,
  • an acid such as, for example, orthophosphoric acid.
  • a low C / N ratio implies an increase in the residence time during the acidogenesis phase.
  • this optimum C / N ratio preferably between 20 and 30 requires the upstream preparation of the organic materials to be treated, combining organic materials carbon and / or nitrogen of various natures, origins, origins, as chosen in the world plant or animal.
  • Aerobic hydrolysis requires a residence time of the order of about 2 days. A short aerobic residence time is required not to amplify the ammonification which would favor the excess of transformation of organic nitrogen into ammoniacal nitrogen by heterotrophic bacteria.
  • the fermentation temperature in the hydrolysis phase after seeding by the aerobic inoculum depends on the composition of the organic matter to be treated. It can be in the range 25 to 40 0 C and preferably between 30 0 C and 37 0 C.
  • this temperature can be mesophilic and of the order of 30 ° C.
  • a temperature of about 35 0 C promotes the conversion of cellulose to sugars under optimal conditions of medium and salinity provided by the medium.
  • This phase of bio-transformation of organic materials by aerobic hydrolysis leads to the production of monomers which in the following phases are at least partly converted into fatty acids, alcohol, hydrogen and carbon dioxide.
  • air is injected into the reaction medium to promote agitation of the mixture and oxygenation of the aerobic bacterial strains, and to allow the transformation of ammoniacal and amine nitrogen to nitrite and nitrate.
  • the oxygen supply is particularly important for the nitrogen compounds. It is important to remember that stoichiometry imposes the 02 supply of 4.28 ppm per ppm of N-NH4 + and that in practice this requires a volume of air transferred between 5 and 40 volume of air / volume of tank. /hour.
  • the air flow rate is preferably between 5 and 20 v / v / h, ie volume of air, volume of material treated and hourly.
  • the oxygen supply of the air has the effect of facilitating the exothermic fermentation to contribute to the heating of the materials to be treated.
  • the aerobic hydrolysis medium can receive a liquid recycled fraction, rich in various components and in particular in bacterial strains.
  • the process comprises a separation of the solid, liquid and gaseous phases, with possibly the at least partial recycling of the liquid phase towards hydrolysis and / or acid-acetogenesis.
  • the aqueous part joining the hydrolysis and / or the acid-acetogenesis is the subject of a bio-treatment of at least partial elimination of the still present nitrogens such as residual organic and ammoniacal nitrates and nitrites, nitrates present in solution in this effluent.
  • This treatment is preferably carried out before recycling. It includes an adjustment of its pH to a value between 7.5 and 8.0 by introduction of calcium carbonate, allowing the nitrogen cycle bacteria introduced by the inoculum to act according to the necessary pH conditions, temperature and the presence of oxygen.
  • a large proportion of the monomers produced by the aerobic hydrolysis of the organic material to be treated is converted during the acidogenesis phase into fatty acids, such as, for example, butyric, propionic, acetic acids, and alcohols such as ethanol, methanol, and hydrogen and carbon dioxide (CO2).
  • fatty acids such as, for example, butyric, propionic, acetic acids, and alcohols such as ethanol, methanol, and hydrogen and carbon dioxide (CO2).
  • the bacterial populations involved in acidogenesis are strict anaerobes such as, for example, Ruminocula Clostridium, Bifido bacterium. After isolation, these strains can be produced in sterile fermenters and introduced by bio-increase into the acidogenesis reactor.
  • Acetogenesis converts the products of acidogenesis into precursors of methane, in particular acetic acid, formic acid, hydrogen and carbon dioxide.
  • Transformation reactions of the products resulting from the acidogenesis during acetogenesis avoid the accumulation of volatile fatty acids other than acetic acid, which, at high concentrations, become inhibitors of methanogenesis.
  • the most well-known bacteria active in this phase are, for example, Desulfovibrio, Clostridium thermoaceticum, Clostridium Formioaceticum, Acebacterium Woodii. All these species live in symbiosis with the bacteria of methanogenesis; They are also hydrogen consumers.
  • acetic acid and formed formic acid are regularly carried out during this acidogenesis-acetogenesis phase, these two acids in particular being precursors of the formation of methane.
  • Products leaving the hydrolysis and entering the acidogenesis-acetogenesis phase are subjected to mixing and homogenization by mechanical means and / or by the use of an oxygen-free recycling gas stream.
  • the acidogenesis-acetogenesis phase maintains a high concentration of biomass, this biomass being formed of active anaerobic bacteria and / or yeasts, by bio-fixation at the internal periphery of the digester.
  • a surfactant surfactant may be added.
  • a surfactant may be among those known, in particular those of polyoxyethylene type.
  • the methanogenesis phase makes it possible to synthesize methane, in particular from hydrogen and carbon dioxide, according to the reaction:
  • the bacteria involved in methanogenesis are strict anaerobes and are selected from the group consisting of Methanobacterium, Theritioantrophicum, Methanosarcina Barkeri and the like, among others.
  • the methanogenesis phase takes place at a temperature of between 30 ° C. and 55 ° C.
  • Some strains have an optimum growth rate at mesophilic temperatures of between 30 and 45 ° C.
  • most species reveal an optimum growth at thermophilic temperatures between 50 and 55 ° C.
  • the pH of the medium of the methanogenesis phase is in the range between 7 and 7.5. Growth kinetics are slow, 5 to 6 times slower than acidogenic bacteria, resulting in a longer residence time in the methanogenesis digester. Some bacteria live in association, such as, for example, Desulfovibrio organisms in the presence of Methanobacterium MOH, sulphate-reducing bacteria in the presence of methanogenic bacteria, which allows the realization of thermodynamically impossible reactions.
  • Aerobic composting phase The aerobic composting treatment of the concentrates resulting from the methanogenesis phase after a solid / liquid separation is carried out by means of aerobic strains according to any method well known in the state of the art.
  • the compost uses a floor nozzle aeration technique to ensure self-pasteurization of the product. This is obtained by adding cellulosic compounds as a mixture to the concentrated portion of the digestate. It results from the supply of cellulose a release of calories favorable to the pasteurization of the compost, this phenomenon being known per se.
  • the process involves the treatment of composting vents: the vents resulting from composting contain VOCs (volatile organic carbon), part of which is nitrogenous.
  • VOCs volatile organic carbon
  • the treatment of this gaseous phase is facilitated by recycling in the hydrolysis which receives the nitrifying bacteria included in the inoculum.
  • the activity of the deployed strains may be complementary or inhibitory.
  • the diversity of the organic materials to be treated makes it all the more difficult to conduct the algorithm that guarantees the best yield of methane synthesis.
  • the continuous process of bio-treatment takes into account the difference of the parametric constraints of each phase, ie those of hydrolysis, acidogenesis and acetogenesis and methanogenesis.
  • Aerobic pre-treatment ie the aerobic hydrolysis phase of organic materials, associated with the separation of the anaerobic phases, acido / acetogenesis on the one hand and methanogenesis on the other, aim to use as rationally as possible a wide variety of strains whose functions may have complementary or inhibitory effects.
  • the aerobic pre-treatment can be carried out at room temperature, possibly controlled.
  • the choice of a low residence time does not allow to rise to a desired optimum temperature such as of the order of 30 0 C to 35 0 C depending on the nature of the organic material to be treated.
  • the unwinding temperature of the hydrolysis phase is in the range from 25 ° C. to 40 ° C. and preferably from 30 ° C. to 37 ° C.
  • the installation of an exchanger thermal stabilizes the temperature and optimizes the hydrolysis yield.
  • the temperature selected for the acidogenesis is between 40 ° C. and 50 ° C. depending on the nature of the organic materials to be treated.
  • An internal exchanger makes it possible to regulate the temperature.
  • the production of methane passes through two optima, one in the mesophilic zone at 40 ° C. and the other in the thermophilic zone around 50 ° C.
  • the maintenance in the digester of a regulated temperature in the The lowest possible interval is one of the conditions required for the proper functioning of the fermentation.
  • thermophilic path there is greater reactivity, which results in a lower retention time. There is also a decrease in the volume of mud formed, and destruction of pathogenic and phytopathogenic microorganisms. Finally, the maintenance of anaerobic conditions is facilitated.
  • the temperature of the methanogenesis phase can be between 35 and 55 0 C depending on whether one is looking for mesophilic or thermophilic conditions.
  • the continuous process of bioprocessing according to the invention retains the thermophilic path because of the guarantees of hygienization provided and the maintenance of anaerobic conditions.
  • the optimization of the residence time is also involved in this choice, as well as concerns to reduce the volume of work, important factor to minimize the energy expenditure attributed to heating.
  • the pH value is defined according to the treatment phases. The values are between 6.5 and 8.
  • the aerobic fermentation of the organic compounds constituting the organic material to be treated before any treatment is carried out at a pH close to neutrality, that is to say at a pH between 6.5 and 7.
  • the initial pH of 6.5 can increase in 36 hours to reach 7, for aeration of, for example 15 volume of air / volume of organic material to be treated / hour ( v / v / h). If it is necessary to reduce the pH to a value between 6.5 and 7, the use of an acid is practiced.
  • Orthophosphoric acid is preferred to simultaneously adjust the value of the PH and compensate for any phosphorus deficiencies that may be observed at the end of the methanation.
  • it is a question of creating a compost of good agronomic quality and, on the other hand, of managing the liquid effluent leaving the methanisation after solid liquid so that this liquid effluent has a ratio between biological demand in oxygen, nitrogen content, phosphorus content compatible with the required ratio ie BOD / N / P of 100/5/1.
  • an initial pH that is too low will be corrected by adding an alkaline agent, in particular soda or lime.
  • the pH of the anaerobic acidogenesis-acetogenesis phase is carried out at a pH in the range 6.5 to 8.
  • PH balance is provided by a correctional officer; bicarbonate which can easily be dissolved in the aqueous medium is preferred.
  • the bicarbonate concentration must be of the order of 1500 mg / l in order to maintain the pH of the aqueous medium in the abovementioned range, and this to ensure the anaerobic fermentation with a view to maximum yield of energy bio-gas.
  • the optimal pH of the methanogenesis is between 7 and 7.5. Given the buffering capacity of the medium, it is rarely necessary to correct the pH during methanogenesis. If necessary, it may be reduced for example using lime milk. Soda ash will be avoided due to the risk of excess Na + cations in the compost formulated from the final sludge.
  • the residence time of the organic materials to be treated is defined from the composition of said organic materials to be treated, parametric operating conditions, characteristics effluents from digestion.
  • This parameter is decisive for sizing each step of the process.
  • a volume load of organic material to be treated as high as possible will be considered, in order to optimize the size of the equipment and thus reduce the cost of digestion equipment.
  • a residence time between 36 and 72 hours is required, depending on the nature of the organic materials to be treated, the effective size of the suspended solids and the C / N ratio.
  • the residence time is defined from the kinetics of the bacterial populations adapted to the degradation of the organic matter to be treated.
  • the bio-fixation inside the reactor allows the maintenance of the concentration of the active mass of the strains in depending on the organic load to be treated.
  • the residence time of the acidogenesis - acetogenesis phase is between 12 and 15 days.
  • the growth rate of the strains responsible for methanogenesis is low and most species are sensitive to parametric fluctuations. Bio-fixation makes it possible to maintain a constant mass of bacteria in the bio-reactor. In the presence of strain inhibiting compounds, the "retained" active mass reduces the incidence of toxic effects.
  • the residence time of the methanogenesis is generally between 20 and 50 days. According to the organic matter and according to the majority of the cases to be treated, it is between 36 and 42 days. This residence time is reduced when the sludge is recycled and can, for certain organic materials to be treated, be between 25 and 30 days.
  • the medium must be reducing and maintained reductive throughout the acidogenesis - acetogenesis and methanogenesis phases, which implies the absence of oxygen. In order to avoid the introduction of oxidizing elements into the reactors, it is necessary to assume the perfect seal.
  • Anaerobic bacterial populations preferentially act at low redox potential between -300 to -330 mv. Consequently, the control of the redox potential is carried out regularly, preferably every day, on the median part of the anaerobic reactors.
  • Parameters of mineral nutrients and inhibitors The constitution of the medium formed by the organic material to be treated in the presence of water differs for each phase of the process: hydrolysis, acetogenesis and acidogenesis, methanogenesis.
  • the C / N ratio is the benchmark for quantifying the distribution of mixtures of organic materials to be treated.
  • the BOD / N / P ratio of the liquid effluent leaving the methanogenesis after the desired solid liquid separation must tend towards the well-known ratio 100/5/1.
  • the strict anaerobic portion of the treatment requires an optimal C / N of 32 to 35 and a C / P ratio of 150.
  • Nitrogen is generally provided by organic materials from agro-food industries, while carbon comes mainly from agricultural products such as that for example wheat, corn. In the majority of inputs, nitrogen is in sufficient quantity that the methanogenesis phase does not produce biomass and consumes very little nitrogen.
  • the nitric nitrogen content (NO3) must be controlled at the level of methanogenesis because its oxidizing power has the effect of raising the redox potential.
  • the concentration of sulphates must be controlled at the acidogenesis-acetogenesis and methanogenesis phases. The sulphate content should not exceed 100 to 200 mg / l in these two phases of acidogenesis-acetogenesis and methanogenesis. Sulphates are inhibitors of methanogenesis. They lead to the production of hydrogen and hydrogen sulphide, the corrosive effects of which are damaging to equipment. It is nevertheless admitted that a small amount of hydrogen sulphide and hydrogen can have a favorable effect insofar as the redox potential is lowered. This also induces the precipitation of toxic cations such as Cu, Zn, Ni, Hg, Fe, Pb, in the form of sulphides. All heavy metals have bacteriostatic or bactericidal effects, even at low concentrations.
  • agitation of the medium makes it possible to maintain the homogeneity of the organic materials to be treated and the inoculum associated with the nutrients and other additions, in order to constitute an active biomass.
  • agitation promotes heat exchange and participates in the degassing of sludge.
  • the gases can be re-circulated and dispersed by booster at the base of the reactor.
  • the effluents, after simple decantation, can be recycled at the base of the digesters.
  • the method according to the invention proposes, in addition to these technologies, a degassing mode and recycling by internal recirculation using the same energy source for recycling. hydraulic and gas transfer. Such a technique also ensures the thermal homogeneity of the biotreatment reactor commonly called digester.
  • the recycle rate of the gases is 10-12 v.v.h when expressed in volume of gas per m3 of organic material to be treated in the biotreatment reactor and per hour. This re-circulation promotes the exchange between the organic matter and the bacteria by increasing the contact rate at the level of the peripheral biolocation of the biotreatment reactor.
  • the height of the gas diffuser is one third of the water height of the biotreatment reactor.
  • the internal pressure of the biotreatment reactor is maintained from an external column consisting of a gooseneck pipe equal in height to the liquid height for the digester.
  • the digester can be equipped with a valve calibrated between 18 and 25 mm of pressure.
  • the simplest solution is to directly store the gases in flexible gasometer at the end of the digester.
  • liquid and solid effluents are separated and stored in order to undergo recovery treatments and / or compliance with environmental requirements.
  • FIG. 1 represents the assembly of a plant for the biotreatment of organic materials implementing the method of the invention making it possible to obtain a bio-gas rich in methane and a compost of good agronomic quality and thus easily recoverable.
  • the initial flow "A" r ie the organic matter to be treated for its transformation into biogas and compost, consists of crushed organic residues of predominantly vegetable and animal origin. These crushed organic residues are mixed and homogenized at an inlet hopper (1).
  • the introduction of aerobic bacterial strains, "B" is done by means of an injection device located in the feed zone of the type, for example metering screw (2) of the hydrolysis tank (3) operating in aerobic diet.
  • the stream to be treated "A” loaded with bacterial strains "B” is subjected successively to the three treatment phases mentioned above, respectively in the hydrolysis tank (3), the anaerobic biotreatment reactor (4) in which the phase of acidogenesis and acetogenesis, and the anaerobic digester (5) in which the methanogenesis phase takes place.
  • the formulated organic material constituting the initial flow to be treated "A", loaded with bacterial strains "B", is suspended in water and is aerated by means of a stream of air coming from the compressor (7).
  • the flow rate of air circulation is at least 10 v / v / h and preferably varies between 20 and 30 v / v / h.
  • a vent (8) allows the evacuation of aeration air and brewing.
  • the products resulting from acidogenesis and acetogenesis are conducted via a pipe (11) in the methanogenesis reactor, ie the digester (5).
  • the gaseous effluents resulting from the reaction of acidogenesis and acetogenesis are conducted via line (12) in the storage tank (6) of the energy biogas produced.
  • the digester (5) is provided with a gas circulation (13) operating via a partial recycling of the biogas produced during methanogenesis and which allows the regular stirring of the organic products resulting from the acidogenesis and acetogenesis.
  • the digester (5) is also provided with packing materials (14) for retention bio-fixation of anaerobic bacterial population strains.
  • the evacuation of the methane flow takes place via a pipe (15) opening into (12) and leading into the storage tank (6) through the pipe (16).
  • a solid / liquid / gas separator (18) is fed via the pipe (17) with effluents from the digester (5).
  • a separation occurs in three phases, a gas phase being evacuated through the pipe (19) to the reservoir (6), a decanted solid phase exiting through the pipe (20), a part of which is recycled through the pipe (21) in the pipe (11), for reintegration into the digester (5) and the other part of which is evacuated via the pipe (22) for the purpose of treating it according to a valued agricultural use .
  • the liquid phase it is evacuated via the pipe (23) to a biological treatment unit, at least a portion of which can be withdrawn and conducted via line (24) into the aerobic hydrolysis reactor (3). ).

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Abstract

L'invention concerne un procédé de bio-traitement en continu de matières organiques d'origines diverses végétales et /ou animales, au moyen de micro-organismes ensemencés en vue de transformer les dites matières en bio-gaz énergétique et en un compost, qui se caractérise en ce qu' il met en œuvre par phases successives de bio¬ transformation a) une phase d'hydrolyse aérobie des matières organiques, b) une phase anaérobie d'acidogénèse et d'acétogénèse des matières organiques hydrolysées, c) une phase anaérobie de méthanogénèse des matières organiques transformées par acidogénèse et d'acétogénèse produisant le bio-gaz énergétique, le compost et un effluent liquide.

Description

PROCEDE DE BIO-TRAITEMENT DE MATIERES ORGANIQUES A DES FINS DE PRODUCTION DE BIO-GAZ ET DE COMPOST
DOMAINE DE L'INVENTION
L'invention concerne un procédé de bio-traitement de matières organiques à des fins de production de bio-gaz et de compost à partir de fermentations aérobie et anaérobie.
ETAT DE LA TECHNIQUE
La production de compost par des procédés de biotraitement de type aérobie de matière organique est normalement effectuée dans des andains ouverts et aérés ou dans des réacteurs simples. De tels traitements sont moins complexes et moins coûteux que des bio-traitements de type anaérobie. Toutefois les traitements de type anaérobie sont relativement plus tolérants que les traitement de type aérobie quant à la présence de corps étrangers dans la matière organique à traiter. Cependant, parce que le processus est comparativement lent, le traitement de type anaérobie exige un volume de traitement substantiellement plus important de matière organique traitée lorsque comparé aux traitements aérobies, et de plus un tel traitement aérobie ne conduit pas à la production d'énergie sous forme de bio-gaz.
Les bio-traitements de type anaérobie de matières organiques sont, quant à eux, très efficaces pour supprimer les germes pathogènes et sont, de plus, capables de produire de l'énergie sous la forme de bio-gaz. Ces biotraitement anaérobies sont relativement rapides et sont également moins consommateurs d'énergie lorsque rapportés au volume à traiter et lorsque comparés aux traitements aérobies. Toutefois des nuisances olfactives inhérentes aux traitements anaérobies imposent que de tels procédés soient conduits dans des bâtiments clos et dans des réacteurs scellés intégrant des systèmes de traitement d'odeur performants. Une telle sophistication technique conduit à un procédé coûteux, et en terme d'installation, et en terme de coût de fonctionnement.
Le traitement anaérobie de matières organiques en réacteurs clos est une technologie prouvée et appliquée à une variété large de déchets organiques tels que lisiers d'animaux, effluents liquides et eaux usées ou effluents résultant de la transformation des industries agroalimentaires.
Typiquement, la technologie est appliquée dans un environnement pouvant mettre en œuvre des processus industriels contrôlés et où la matière organique à traiter est disponible sous une forme préférentiellement liquide, parfois également sous forme solide.
Plusieurs procédés et technologies sont disponibles dans l'état de la technique, pour traiter, dans des conditions anaérobies, des matières organiques; cependant, une trop grande hétérogénéité de la matière organique à traiter a pour conséquence usuelle l'augmentation rédhibitoire des coûts de traitement et donc des coûts de production du sous-produit valorisable, en particulier bio-gaz. De plus, les taux de méthane dans le bio-gaz produit ne sont pas aussi élevés que souhaité pour pouvoir optimiser ensuite les rendements énergétiques dans les unités thermiques de production d'électricité. Bien évidemment, les priorités actuelles de production d'énergie à partir de biomasse, de déchets et plus généralement de matières renouvelables, renforcent l'intérêt de telles approches.
C'est pourquoi des développements récents ont cherché à incorporer les avantages des économies d'échelle propres aux procédés de dégradation anaérobies opérant en continu avec les possibilités des traitements aérobies.
Ainsi le document US 2005/0035058 décrit un procédé de traitement et un système, c'est à dire une installation pour la décomposition en continu de matières organiques d'abord dans des conditions anaérobies puis dans des conditions aérobies ayant pour objectif la production de bio-gaz et de compost. L' installation comporte : un réacteur primaire définissant au moins deux zones pour la réception en continu de la matière organique, une desdites zones du réacteur étant adaptée pour recevoir ladite matière organique, tandis que l'autre zone permet la collecte de la matière organique décomposée valorisée sous la forme d'un compost cru ; des moyens de drainage permettant d'évacuer le lixiviat organique élaboré dans le réacteur primaire ; un réacteur secondaire pour la digestion anaérobie du lixiviat organique bio-traité issu du réacteur primaire et la production de bio-gaz ;
- des moyens de re-circulation permettant de recycler le lixiviat organique bio-traité du réacteur secondaire vers le réacteur primaire ; des moyens de collecte des bio-gaz générés dans les réacteurs primaire et secondaire ; - des moyens d'aération pour la décomposition aérobie de la matière organique dans le réacteur primaire ; et des moyens d'extraction du compost généré du réacteur primaire, et ce, afin de libérer une zone de réacteur et de pouvoir ainsi recevoir une autre charge de matière organique .
Le réacteur primaire se compose plus précisément d'une série de zones distinctes, chacune adaptée pour être employée pour les opérations successives suivantes : chargement de la matière organique, décomposition anaérobie de la matière organique, décomposition aérobie de la matière organique, et extraction du compost. Le réacteur primaire se répartit en zones contiguës, des barrières physiques séparant les zones du réacteur les unes des autres, ces zones pouvant être physiquement totalement séparées respectivement dans les structures propres.
Le procédé de bio-traitement permet de décomposer la matière organique afin de produire du bio-gaz et du compost. Il comprend les étapes successives suivantes :
- le chargement, dans une zone dédiée du réacteur primaire, de la matière organique, ce réacteur primaire ayant au moins deux zones de réaction permettant de recevoir la matière organique par chargements successifs ;
- la décomposition de la charge de matière organique, dans des conditions anaérobies, pendant une période de temps prédéterminée, dans une zone du réacteur ;
- l'aération et le traitement dans des conditions aérobies de la matière organique, préalablement décomposée dans des conditions anaérobies, dans la même zone du réacteur, pour produire du compost cru ; et - l'extraction du compost cru de la zone de réacteur, afin de pouvoir préparer le chargement d'une autre charge de matière organique dans la zone dédiée du réacteur.
Le procédé met en oeuvre un réacteur primaire ayant deux zones de réaction, une des zones étant chargée en matière organique tandis que la matière organique se décompose in-situ dans l'autre zone du réacteur, cette décomposition dans ces autres zones additionnelles se faisant sous conditions anaérobies. Le procédé met en oeuvre un réacteur primaire comportant une zone de réaction chargée en matière organique, la dite matière organique se décomposant dans une autre zone du réacteur en conditions aérobies après une période de décomposition anaérobie, les décompositions dans toute zone de réaction additionnelle se faisant dans des conditions anaérobies.
Le procédé peut également mettre en oeuvre un réacteur primaire comportant une pluralité de zones de réaction. Une des zones est chargée en matière organique, puis décomposée dans des conditions aérobies à la suite d'une décomposition anaérobie, le compost cru étant extrait d'une autre zone de compostage, à la suite d'une décomposition aérobie, alors que la matière organique dans chacune des zones additionnelles du réacteur se décompose dans des conditions anaérobies.
La matière organique entrant dans le réacteur est amendée avec des ajouts pour faciliter sa décomposition, les charges de matières organiques se faisant de manière à alterner des couches de matière à traiter et de matière à capacité de drainage, de telles matières à capacité de drainage pouvant être inorganiques et donc pouvant rester présentes dans le compost ainsi produit. Le bio-gaz collecté provient à la fois du réacteur primaire et du réacteur secondaire.
Toutefois, un tel procédé semble développer une cinétique lente de transformation des matériaux organiques et ne pas pouvoir assumer ou assumer de manière incomplète et insuffisante, c'est à dire avec un faible rendement, la dépolymérisation ou / et la transformation des grosses molécules par exemple les déchets de cellulose, d'hemi-cellulose, les ligno-celluloses en molécules plus simples susceptibles de conduire à la formation de bio-gaz .
Le document US 5,599,451 décrit également un procédé intégré anaérobie et aérobie, mais pour le biotraitement de déchets toxiques sous forme essentiellement liquide. Le procédé fait appel à un réacteur intégrant les méthodes de bio-traitement anaérobie / aérobie. Ce réacteur utilise un film biologique qui fonctionne en créant un gradient d'oxygène décroissant. Cette méthode de traitement des eaux usées tire avantage des meilleurs aspects du processus aérobie, peu coûteux, et qui engendre peu de rejets de boues ou de bio-gaz et les allie aux capacités méthanogéniques du processus anaérobie. Ce film biologique est constitué d'un lit granulaire de boues anaérobies en suspension colonisé par des bactéries aérobies. Ce bio-réacteur possède une admission d'eau permettant l'arrivée des déchets liquides, ainsi que deux sorties: l'une pour la sortie des eaux traitées, l'autre pour le dégagement gazeux. Le film biologique anaérobie/aérobie du bio-réacteur possède une surface externe garnie de bactéries aérobies ainsi qu'un noyau central abritant des bactéries anaérobies strictes et des bactéries méthanogènes . Un gradient décroissant de concentration d'oxygène, vers le noyau du film biologique est obtenu par l'injection contrôlée d'un gaz ou d'un liquide contenant de l ' oxygène dans la boucle de recyclage du liquide effluent.
Le film biologique permet le traitement aérobie et anaérobie dans un seul et même système. L'organisation du bio-film sur trois épaisseurs garantit les conditions optimales à la prolifération des différentes populations de microorganismes et protège les bactéries anaérobies strictes du noyau des effets néfastes de l'oxygène. Le film biologique stabilisé offre un concept flexible dans la mesure où le noyau du bio-réacteur peut aussi inclure des micro-porteurs inertes, tels que des particules d'argile expansée ou toute autre matière poreuse répondant aux exigences, ceci afin d'immobiliser les cellules et de stabiliser le film biologique en suspension, maximisant la dégradation par couplage des conditions oxydantes et réductrices. La fréquence de re-circulation des liquides dans le bio-réacteur peut être ajustée afin d'exercer un meilleur contrôle sur l'oxygénation et l'extraction du méthane. Le contrôle du débit entrant minimise la production d'oxygène résiduel afin de profiter au maximum de la combinaison entre la dégradation par l'oxygène et par réduction. Il s'agit en quelque sorte d'un traitement synchrone anaérobie/aérobie d'effluents contenant des polluants chimiques tels que des pesticides.
Un tel procédé n'est toutefois pas orienté sur la production dédiée de méthane et de compost. Un tel procédé est bien évidemment très spécifique quant au type de matière organique à traiter.
Il y a dès lors un besoin mal satisfait pour un procédé de biotraitement simple et peu coûteux permettant de valoriser sous la forme de production de bio-gaz de qualité et sous la forme d'un sous-produit de qualité de type compost, des matières organiques d'origines variées. SOMMAIRE DE L'INVENTION
Dès lors l'objet de l'invention est de créer un procédé continu de biotraitement permettant de convertir efficacement des matières organiques disponibles de même nature ou de natures différentes, qu'elles soient sous forme de déchets, en mélange ou sous forme de matières premières organiques dédiées, se présentant sous forme solide ou autre, en deux produits valorisables, l'un sous forme de bio-gaz très majoritairement constitué par du méthane et l'autre sous forme de compost de bonne qualité agronomique pour le conditionnement des sols.
Le procédé selon l'invention de bio-traitement en continu de matières organiques d'origines diverses végétales et/ou animales, au moyen de micro-organismes en vue de transformer les dites matières en bio-gaz énergétique et en un compost, se caractérise en ce qu'il met en œuvre par phases successives de biotransformation :
a) une phase d'hydrolyse aérobie des matières organiques à traiter, par ensemencement au moyen d'un mélange de bactéries hydrolytiques aérobies strictes, appartenant aux cycles du carbone et de l'azote, et éventuellement de levures, b) une phase anaérobie d'acidogénèse et d'acétogénèse des matières organiques hydrolysées, c) une phase anaérobie de méthanogénèse des matières organiques transformées par acidogénèse et acétogénèse produisant le bio-gaz énergétique, un concentrât et un effluent liquide ; d) une phase de compostage aérobie du concentrât après séparation solide/liquide.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Les progrès réalisés dans le domaine des bio-traitements de matières organiques renouvelables dédiées ou disponibles sous la forme de déchets, permettent d'obtenir des produits de transformation qui sont des intermédiaires chimiques et des produits chimiques ou énergétiques directement utilisables par l'homme, à des coûts faibles et des rendements de transformation raisonnables .
Ces matières organiques renouvelables englobent l'ensemble des végétaux terrestres ou aquatiques tels que les résidus forestiers et agricoles, les algues, la tourbe, les résidus organiques de la pêche, du domaine animal, formés de glucides, de lipides et de protides .
A titre illustratif, si le seul domaine de l'ensemble des végétaux terrestres et aquatiques est examiné, il apparaît que les principaux constituants de cet ensemble végétal sont des glucides ou hydrates de carbone, c'est à dire des sucres et des amidons qui sont des polysaccharides et des composés ligno- cellulosiques .
Dans le cas particulier des composés ligno-cellulosiques, ces composés sont constitués de cellulose, d' hémicellulose et de lignine qui sont : pour la cellulose, des polymères de glucose hydrolysables en milieu acide par exemple, pour l' hémicellulose, des molécules complexes de polyosides, pour la lignine, des polymères de grande stabilité chimique qui la rendent difficilement dégradables par les réactifs chimiques ou biologiques.
Or, selon l'objet de l'invention, le procédé de biotransformation de matières organiques par des micro-organismes qui peuvent être des bactéries et/ou des levures se déroule selon trois phases fortement interdépendantes qui sont :
Une phase d'hydrolyse spécifique des matières organiques à traiter par ensemencement au moyen d'un mélange de bactéries hydrolytiques aérobies strictes, appartenant aux cycles du carbone et de l'azote, et éventuellement de levures, qui permet de contourner les difficultés qu'ont les bactéries anaérobies à hydrolyser certains résidus organiques, tels que les matières ligno-cellulosiques, cette hydrolyse par ce mélange de bactéries aérobies et levures ayant capacité à dépolymériser et à transformer en molécules plus simples, les molécules complexes des matières organiques que sont les glucides, lipides et protides et également de favoriser la synthèse protéidique et la transformation de l'azote organique
Une phase d'acidogénèse et d' acétogénèse par l'action des bactéries anaérobies strictes transformant, par acidogénèse, les matières organiques hydrolysées et en particulier les monomères produits lors de la phase d'hydrolyse, en acides gras, alcools, hydrogène et gaz carbonique (CO2) et les produits de l' acétogénèse en précurseurs du méthane, Enfin une phase de méthanogénèse par l'action de bactéries anaérobies strictes synthétisant du méthane à partir de l'hydrogène et du gaz carbonique et transformant des acides organiques tels que l'acide acétique en méthane et gaz carbonique.
Ainsi le procédé de bio-traitement selon l'invention implique, dans chacune de ses phases de transformation, la présence de bactéries et/ou levures différentes, aérobies strictes puis anaérobies strictes, de bio-transformation et de synthèses, adaptées aux composés organiques disponibles dans chaque phase de bio-traitement et dans des conditions physicochimiques et biochimiques de développement spécifique.
De plus le procédé continu de biotraitement, selon l'invention pratique les principes : de bio-augmentation par inoculation des matières organiques à traiter au moyen de populations bactériennes et de milieux sélectionnés et adaptés à la métabolisation des matières organiques à traiter, de bio-fixation par rétention des souches bactériennes anaérobies sur des substrats que sont les matériaux de garnissage des bio-réacteurs anaérobies, constituant des supports de fixation et de croissance pour les dites souches bactériennes pour en augmenter les concentrations in-situ.
En outre les mécanismes de bio-transformation peuvent être accélérés par l'addition de mélanges de souches exogènes particulièrement actives à l'égard de polluants présents dans les matières organiques à bio-transformer ou bien résultant de la bio-transformation des dites matières organiques, par exemple, des micro-organismes susceptibles de dégrader des composés aromatiques ou autres composés.
L'originalité du procédé continu de bio-traitement, selon l'invention, apparaît résider dans la mise en oeuvre d'une filière de bio-traitement séparant les phases des trois opérations biochimiques, c'est à dire la phase d'hydrolyse des matières organiques, la phase d'acidogénèse et d'acétogénèse, et la phase de méthanogénèse, ainsi que dans l'utilisation de mélange de bactéries et présence éventuelle de levures, à la fois du cycle du carbone et de l'azote, en quantités précisées par rapport aux matières organiques à traiter, en particulier dans la phase d'hydrolyse. En particulier l'originalité du procédé réside dans sa capacité à transformer pratiquement complètement l'azote organique et ammoniacal en un azote minéralisé de type nitrite et/ou nitrate.
La décomposition selon l'invention, de matières organiques par des bactéries et éventuellement avec ajout de levures, se déroule en quatre phases fortement interdépendantes qui décrivent un cycle de fermentation : hydrolyse aérobie, acidogénèse- acétogénèse anaérobie, méthanogénèse anaérobie et compostage aérobie des concentrats. Chaque phase et étape dans les phases implique l'activité de bactéries différentes, adaptées aux matières organiques disponibles à traiter, dans les conditions de développement spécifique.
Les matières organiques à traiter peuvent être d'origine végétale et/ou animale. Dans le majorité des cas et selon le procédé de l'invention, ce sont des mélanges de matières organiques d'origine animale et végétale qui sont traités. Les matières organiques végétales comprennent toutes les matières végétales possibles, y compris les algues, qui peuvent être décomposées en générant du biogaz.
A titre d'exemple peuvent être citées les matières végétales issues des processus de transformation de végétaux générant des déchets ou des matières premières renouvelables, et à titre illustratif particulier des refus de gavage, des résidus d'ensilage et autres.
La cellulose, l' hémicellulose et la lignine peuvent être, pour ce qui concerne ces matières végétales, fortement présentes. Ce sont les macromolécules majoritaires de nombreux végétaux et des produits qui en sont dérivés. Au cours des réactions d'hydrolyse, si l' hémicellulose et la cellulose sont facilement « cassées » par le milieu bactérien, la lignine est dégradée très lentement en conditions aérobies et demeure complètement inerte en anaérobie. Or certains déchets organiques sont riches en lignine.
Les matières organiques animales comprennent par exemple des déchets des abattoirs, tels que viscères, sang, et autres, mais également des lisiers de porc, les fumiers, les fientes d'élevage de volailles, ayant pour caractéristique une forte teneur en carbone et en azote.
Les étapes d' acidogénèse et d' acétogénèse qui suivent voient certains micro-organismes présents utiliser les composés issus des réactions d'hydrolyse pour leur propre développement et rejeter des molécules organiques acides en particulier de l'acide acétique.
L'étape finale de méthanogénèse permet à d'autres bactéries de dégrader les composés issus de l' acidogénèse et de l' acétogénèse en les bio-transformant en méthane (CH4) et en dioxyde de carbone (CO2) .
Chaque phase du procédé de bio-traitement selon l'invention est examinée ci après dans le détail.
Phase d'hydrolyse des matières organiques
Cette phase de bio-traitement s'effectue par voie aérobie au moyen d'un ensemencement constitué d'un inoculum formé d'un mélange de bactéries du cycle du carbone et plus particulièrement du cycle de l'azote en présence éventuelle de levures, dont la qualité et la masse dépendent de la nature et des quantités des matières organiques à traiter. Cette phase d'hydrolyse par biotraitement apparaît fortement novatrice en ce sens que : elle permet de favoriser la synthèse de protéines à partir des composés organiques carbonés et azotés présents ; elle transforme l'azote organique des composés organiques azotés présent en azote minéralisé en vue d'augmenter les rendements de méthanisation ultérieurs des dits composés organiques et de réduire les charges environnementales attachées au compost résiduel. Ceci est obtenu par la réduction de la teneur en azote ammoniacal qui constitue un inhibiteur de la méthanogénèse.
L'objectif visé dans cette phase d'hydrolyse consiste à nitrifier rapidement la partie azotée des matériaux organiques en transformant les azotes aminés et ammoniaques présents, en nitrites et en nitrates, ce qui permet d'augmenter les rendements de la phase de méthanogénèse. Pour ce faire, l'inoculuiα constituant l'ensemencement qui contient en mélange des bactéries des cycles du carbone et de l'azote en présence éventuelle de levures, est préparé de telle sorte qu'il contienne une masse définie de bactéries de nitrification aérobies strictes, telles que par exemple nitrosomonas, nitrosoglae, nitrosocystis, nitrosospora, nitrobacter, et autres, capables d'effectuer la nitritation et la nitratation de la matière organique à traiter en présence d'oxygène selon les réactions suivantes :
NH4 + +3/2 O2 -^ 2H+ + H2O + NO2 " NO2 " + 1/2 O2 —> NO3 "
Les grosses molécules complexes des matières organiques telles que glucides, lipides, protides, sont dépolymérisées et transformées en molécules plus simples par l'action des bactéries hydrolytiques aérobie strictes appartenant au cycle du carbone. Ces bactéries sont choisies dans le groupe comprenant selon genre / famille : Sporosarcina / Micrococcaceae, Sarcina / Micrococcaceae, Micrococcus / Micrococcaceae, Leuconostoc / Streptococcaceae, Bacillus / Bacillaceae, Neisseria / Nesseriaceae, Azotobacter / Azotobacteriacea, Serratia / Enterobacteriaceae, Rhizobium / Rhizobiaceae, Pseudomonas / Nitrobacteriaceae, Acetobacter / Thiobacteriaceae, Aeromonas / Pseudomonadaceae, en particulier Clostridium Thermocellum qui transforme la cellulose en acide acétique et acide lactique.
Dès lors, la réalisation de cette phase d'hydrolyse aérobie permet de contourner la difficulté qu'ont les bactéries anaérobies à hydrolyser certains résidus organiques tels que, en particulier, les déchets ligno-cellulosiques associés à des déchets azotés, qui constituent l'un des composants majeurs des déchets organiques à traiter. L'action continue de bactéries, en présence éventuelle de levures, et/ou d'enzymes associées permet d'optimiser cette phase d'hydrolyse dans un rôle de préparation de la matière organique à traiter en vue des transformations ultérieures par acido, acéto et méthanogénèse.
Cette phase de bio-traitement par hydrolyse aérobie permet également de favoriser la synthèse protéidique. La transformation des matériaux organiques par ce bio-traitement d'hydrolyse aérobie conduit à la production d'une biomasse selon une synthèse bactérienne rapide.
Les bactéries du cycle du carbone sont exprimées quantitativement par leur numération rapportée à une quantité de matière organique à traiter, alors que les bactéries nitrifiantes sont vérifiées sur le plan quantitatif en fonction de leur conversion.
Selon l'invention, l'ajout de bactéries du cycle du carbone et du cycle de l'azote, mais dominé en masse par les bactéries du cycle du carbone, s'effectue dans la phase d'hydrolyse à une concentration de 1/100000 à 1/10000 de matières sèches de bactéries par rapport à la masse de matières organiques sèches entrantes à traiter.
Quant à l'ajout de bactéries du cycle de l'azote dont les masses sont très faibles comparativement à celles des bactéries du cycle du carbone, leur quantité est mesurée par leur efficacité induite, c'est à dire correspondant au besoin en azote desdites bactéries nitrifiantes et s'expriment en litre d'un milieu aqueux de bactéries contenant de 1 à 2,5 grammes en matière sèche des dites bactéries, ce litre de milieu aqueux étant introduit dans la phase d'hydrolyse en fonction des apports en azote de la matière à traiter et ce au prorata des débits.
Selon le procédé, ces ajouts initiaux du milieu aqueux nitrifiant sont de 1 litre par heure dudit milieu contenant les bactéries nitrifiantes pour 0,3 à 1 g/heure d'apport en azote par la matière organique à traiter.
Dans cette première phase d'hydrolyse, il est nécessaire de procéder à l'ensemencement du milieu constitué par la matière organique à traiter qui est soumis à cette hydrolyse. Cet ensemencement peut être discontinu ou continu.
La nature des souches précitées constituant l'inoculum diffère selon la constitution des matières organiques à traiter.
Les souches sont produites séquentiellement en fermenteurs stériles. Les bactéries et/ou levures sélectionnées sont préalablement concentrées par centrifugation, puis mélangées. Un milieu de croissance et un apport de carbone organique et d'azote sous forme d'aminoacides sont ajoutés.
L'ensemble constituant l'ensemencement est dénommé, de manière pratique, ensemencement « 3 S » et comporte : les souches telles que bactéries et éventuellement levures, telles que précédemment décrites ;
- un substrat carboné et azoté en particulier glucides et aminoacides ; des sels minéraux, contenant les facteurs de croissance non inclus ou en faible concentration dans les matières organiques à traiter. Ainsi le procédé, selon l'invention inclut l'ajout de sels minéraux divers tels que par exemple phosphates, carbonates, iodures . L'hydrolyse reçoit également des additifs destinés à l'augmentation de la synthèse à partir d'oligo-éléments comprenant le cuivre, le fer, le magnésium, le manganèse, ainsi que du potassium et du sodium.
La phase d'hydrolyse aérobie ensemencée s'effectue sur des matières organiques à traiter, dont on a aménagé la composition, par addition de constituants carbonés spécifiques tels qu τ aminoacides et/ou extraits de levures et/ou vitamines et autres constituants.
La phase d'hydrolyse aérobie ensemencée comporte de plus un apport en enzymes issues de fermentation en particulier enzymes lipidiques, protéidiques et glucidiques.
La masse d' inoculum est définie pour une siccité initiale comprise entre 12 et 40 % en poids d'humidité et de préférence entre 18 et 22
Cette valeur de siccité de la phase d'hydrolyse est importante pour les phases suivantes d'acidogénèse - acétogénèse ainsi que pour la phase de méthanogénèse car elle facilite l'échange gaz / liquide.
Selon l'invention, cette phase d'hydrolyse peut demander un apport de matériau organique spécifique afin de favoriser le rendement des phases suivantes et en particulier celle de la production de méthane. Une caractéristique importante de la phase d'hydrolyse du procédé de bio-traitement selon l'invention est le ratio carbone / azote, (C/N) , des matières organiques à traiter, ce rapport devant se situer dans l'intervalle de 15 à 40 et de préférence entre 20 et 30 lorsque exprimé en poids de présence de carbone et poids d'azote.
Dans le cas où ce ratio est inférieur à 20, c'est à dire tel que 12<C/N<20, et ce dans les situations où il y a incapacité à rajouter une source de carbone organique, ce ratio peut être admis dans l'état. Dans ce cas, il conviendra de maîtriser la transformation de l'azote minéral par l'apport de souches nitrifiantes, et d'en tenir compte par la suite pour la phase d' acidogénèse dont le pH sera ramené à une valeur proche de 6,5 par introduction d'un acide tel que par exemple l'acide ortho- phosphorique. De plus, un faible ratio C/N implique une augmentation du temps de séjour durant la phase d' acidogénèse.
De la même manière, un ratio C/N trop élevé conduit à d'autres inconvénients, en particulier à des cinétiques de transformation inadéquates.
Dès lors la maîtrise de ce ratio optimal C/N compris préférentiellement entre 20 et 30 nécessite la préparation amont des matières organiques à traiter, combinant des matériaux organiques carbonés et/ou azotés de diverses natures, provenances, origines, telles que choisies dans le monde végétal ou animal .
L'hydrolyse par voie aérobie requiert un temps de séjour de l'ordre de environ 2 jours. Un temps de séjour aérobie court est requis pour ne pas amplifier l ' ammonification qui favoriserait l'excès de transformation d'azote organique en azote ammoniacal par des bactéries hétérotrophes.
La température de fermentation dans la phase d'hydrolyse après ensemencement par l'inoculum aérobie dépend de la composition des matières organiques à traiter. Elle peut se situer dans l'intervalle 25 à 40 0C et préférentiellement entre 300C et 37 0C.
Dans le cas d'une matière organique à traiter constituée par essentiellement des composés protidiques issus des industries agroalimentaires, cette température peut être mésophile et de l'ordre de 300C.
Dans le cas d'une matière organique constituée par essentiellement des composés intégrant une fraction de cellulose, une température de l'ordre de 350C favorise la transformation de la cellulose en sucres dans des conditions optimales de milieu et de salinité apportée par le milieu.
Cette phase de bio-transformation des matériaux organiques par hydrolyse aérobie conduit à la production de monomères qui dans les phases suivantes sont à transformer au moins pour partie en acides gras, alcool, hydrogène et gaz carbonique.
Dans le cadre de l'hydrolyse aérobie des matières organiques à traiter selon l'invention, de l'air est injecté dans le milieu réactionnel pour favoriser l'agitation du mélange et l'oxygénation des souches bactériennes aérobies, et pour permettre la transformation de l'azote ammoniacal et aminé en nitrite et en nitrate. Dans la phase hydrolyse l'apport en oxygène est particulièrement importante pour les composés azotés. Il importe de rappeler que la stœchiométrie impose l'apport en 02 de 4,28 ppm par ppm de N- NH4+ et que dans la pratique cela exige un volume d'air transféré compris entre 5 et 40 volume d'air/volume de cuve/heure.
Le débit d'air est selon la composition et la nature des matières organiques à traiter préférentiellement compris entre 5 et 20 v/v/h c'est à dire volume d'air, par volume de matière traitée et par heure.
L'apport en oxygène de l'air a pour incidence de faciliter la fermentation exothermique permettant de contribuer au réchauffage des matières à traiter.
Enfin, le milieu de l'hydrolyse aérobie peut recevoir une fraction recyclée liquide, riche en divers composants et en particulier en souches bactériennes.
Le procédé comporte une séparation des phases solides, liquides, gazeuses, avec éventuellement le recyclage au moins partiel de la phase liquide vers l'hydrolyse et/ou l' acido-acétogénèse. La partie aqueuse rejoignant l'hydrolyse et/ou l' acido-acétogénèse fait l'objet d'un bio-traitement d'élimination au moins partielle des azotes encore présents tels que azotes organiques et ammoniacaux résiduels et nitrites, nitrates présents en solution dans cet effluent. Ce traitement s'effectue préférentiellement avant recyclage. Il inclut un réglage de son pH à une valeur comprise entre 7,5 et 8,0 par introduction de carbonate de calcium, permettant aux bactéries du cycle de l'azote introduites par l'inoculum d'agir selon les conditions nécessaires de pH, de température et de présence d'oxygène. Phase d'acidogénèse et d'acétogénèse Àcidogénèse
Une grande part des monomères produits par l'hydrolyse aérobie de la matière organique à traiter est transformée pendant la phase d'acidogénèse en acides gras, tels que, par exemple, des acides butyriques, propioniques, acétiques, et en alcools tels que éthanol, méthanol, et en hydrogène et en gaz carbonique (CO2) .
Les populations bactériennes impliquées dans l' àcidogénèse sont anaérobies strictes telles que, par exemple, Ruminocula Clostridium, Bifido bacterium. Après isolation, ces souches peuvent être produites en fermenteurs stériles et introduites par bio-augmentation dans le réacteur d'acidogénèse.
Acétogénèse
L' acétogénèse transforme les produits de l 'àcidogénèse en précurseurs du méthane en particulier en acide acétique, en acide formique, en hydrogène et en gaz carbonique.
Les réactions de transformation des produits résultant de 1' àcidogénèse au cours de l' acétogénèse évitent l'accumulation d'acides gras volatils autres que l'acide acétique, lesquels, à des concentrations élevées, deviennent des inhibiteurs de la méthanogénèse .
Bien que la plupart des souches responsables de l 'acétogénèse restent à identifier, les bactéries les plus connues, actives dans cette phase, sont par exemple, Desulfovibrio, Clostridium thermoaceticum, Clostridium Formioaceticum, Acebacterium Woodii. Toutes ces espèces vivent en symbiose avec les bactéries de la méthanogénèse ; Elles sont également consommatrices d'hydrogène.
Le contrôle de l'acide acétique et de l'acide formique formé est régulièrement effectué au cours de cette phase d'acidogénèse- acétogénèse, ces deux acides en particulier étant précurseurs de la formation de méthane.
Les produits sortant de l'hydrolyse et entrant en phase d'acidogénèse-acétogénèse sont soumis à mélangeage et homogénéisation par des moyens mécaniques et/ou par l'utilisation d'un flux gazeux de recyclage exempt d'oxygène.
La phase d'acidogénèse-acétogénèse maintient une forte concentration de biomasse, cette biomasse étant formée des bactéries et/ou levures anaérobies actives, par bio-fixation à la périphérie interne du digesteur.
Afin d'éviter la formation d'agglomérats entre les particules de matières organiques, un tensio-actif surfactant peut être ajouté. Un tel tensio actif peut être parmi ceux connus, en particulier ceux de type polyoxyéthylène .
Phase de méthanogénèse
La phase de méthanogénèse permet de réaliser la synthèse du méthane notamment à partir de l'hydrogène et du gaz carbonique selon la réaction :
CO2 + 4 H2 —> CH4 + 2H2O
et à partir de l ' acide acétique selon la réaction :
CH3-COOH — > CH4 + CO2 Les bactéries intervenant dans la méthanogénèse sont anaérobies strictes et sont choisies dans le groupe constitué par, entre autres, Méthanobacterium, Theritioantrophicum, Methanosarcina Barkeri et équivalent.
D'une manière générale, la phase de méthanogénèse se déroule à une température comprise entre 30 0C et 550C. Certaines souches ont un taux de croissance optimum à des températures mésophiles comprises entre 30 et 450C. Toutefois, la plupart des espèces révèlent un optimum de croissance aux températures thermophiles comprises entre 50 et 550C.
Le pH du milieu de la phase de méthanogénèse se situe dans l'intervalle compris entre 7 et 7,5. Les cinétiques de croissance sont lentes, de l'ordre de 5 à 6 fois plus lentes que les bactéries acidogènes, ce qui a pour conséquence un temps de séjour plus long dans le digesteur de méthanogénèse. Certaines bactéries vivent en association, telles que par exemple, organismes Desulfovibrio en présence de Méthanobacterium MOH, bactéries sulfato-réductrices en présence de bactéries méthanogènes, ce qui permet la réalisation de réactions thermodynamiquement impossibles.
Les quatre grands groupes de bactéries de la méthanogénèse sont toujours associés dans les fermentations méthaniques et obligent à raisonner en terme de cultures mixtes, ces groupes étant bien connus de l'état de la technique.
Phase de compostage aérobie Le traitement de compostage aérobie des concentrats issus de la phase de méthanogénèse après une séparation solide/liquide s'effectue au moyen de souches aérobies selon un quelconque procédé bien connu de l'état de la technique.
Le compost utilise une technique d'aération par buse au plancher afin de garantir l'auto-pasteurisation du produit. Celle-ci est obtenue par ajout de composés cellulosiques en mélange à la partie concentrée du digestat. Il résulte de l'apport en cellulose un dégagement de calories favorable à la pasteurisation du compost, ce phénomène étant connu en soi.
Le procédé comporte un traitement des évents de compostage : les évents issus du compostage contiennent des COV (carbone organique volatil) dont une partie est azotée. Le traitement de cette phase gazeuse est facilité par le recyclage dans l'hydrolyse qui reçoit les bactéries nitrifiantes incluses dans l'inoculum.
Paramètres du procédé selon l'invention
La mise en oeuvre d'un pré-traitement aérobie, c'est à dire de l'hydrolyse aérobie selon l'invention, et la diversité des microorganismes impliqués dans l'ensemble des phases du procédé de bio-traitement rendent d'autant plus facile la conduite optimale de la fermentation méthanique dépendant des paramètres de la digestion anaérobie.
A chaque étape, l'activité des souches déployées peut être complémentaire ou inhibitrice. De plus, la diversité des matières organiques à traiter rend d'autant plus difficile la conduite de l'algorithme garantissant le meilleur rendement de synthèse de méthane . Pour permettre une optimisation de chaque phase, le procédé continu de bio-traitement, prend en considération la différence des contraintes paramétriques de chaque phase, c'est à dire celles de l'hydrolyse, de l' acidogénèse et acétogénèse et de la méthanogenèse .
Un pré-traitement aérobie, c'est à dire la phase d'hydrolyse aérobie des matériaux organiques, associé à la séparation des phases anaérobies, acido / acétogénèse d'une part et méthanogénèse de l'autre, visent à utiliser le plus rationnellement possible une large variété de souches dont les fonctions peuvent avoir des effets complémentaires ou inhibiteurs.
Selon la nature des matières organiques à traiter, et des objectifs de synthèse de méthane, il convient de maîtriser les paramètres de fermentation en recourant à l'utilisation de capteurs industriels et d'ensembles de régulation placés à chaque étape du traitement.
Paramètres de température
Lors de la phase d'hydrolyse, et bien que la fermentation soit exothermique, le pré-traitement aérobie peut s'effectuer à température ambiante, éventuellement contrôlée. Cependant le choix d'un temps de séjour faible ne permet pas de monter à une température optimale souhaitée telle que de l'ordre de 300C à 350C suivant la nature des matières organiques à traiter.
D'une manière générale, la température de déroulement de la phase d'hydrolyse se situe dans l'intervalle de 25 0C à 40 0C et préférentiellement de 30°C à 37 0C. L'installation d'un échangeur thermique permet de stabiliser la température et d'optimiser le rendement d'hydrolyse.
Lors de la phase d'acidogénèse et d'acétogénèse, la température retenue pour l'acidogénèse est comprise entre 400C et 500C selon la nature des matières organiques à traiter. Un échangeur interne permet de réguler la température .
Lors de la phase de méthanogénèse, la production de méthane passe par deux optimums, l'un en zone mésophile à 4O0C et l'autre en zone thermophile vers 500C. Le maintien dans le digesteur d'une température régulée dans l'intervalle le plus faible possible est une des conditions exigées pour le bon fonctionnement de la fermentation .
Les avantages et les inconvénients de la fermentation méthanique en zone mésophile ou thermophile sont bien connus :
Pour la voie mésophile, il y a moins de vapeur d'eau et moins de CO2 dans le gaz produit, ce qui permet une valorisation plus facile pour le bio-gaz. De plus le spectre d'espèces microbiennes méthanogènes est plus large. Enfin le bilan énergétique est plus favorable, de par la possibilité d'utilisation des basses températures
Pour la voie thermophile, il y a réactivité plus grande, ce qui a pour conséquence un temps de rétention inférieur. Il y a également diminution du volume de boue formée, et destruction de micro-organismes pathogènes et phytopathogènes . Enfin, le maintien de conditions anaérobies est facilité. D'une manière générale, la température de la phase de méthanogénèse peut se situer entre 35 et 55 0C selon que l'on recherche des conditions mésophiles ou thermophiles.
D'une manière très préférentielle, le procédé continu de biotraitement selon l'invention, retient la voie thermophile en raison des garanties d'hygiénisation apportées et du maintien des conditions anaérobies. L'optimisation du temps de séjour intervient également dans ce choix, ainsi que des préoccupations de réduction du volume d'ouvrage, facteur important pour minimiser la dépense énergétique imputée au chauffage.
Paramètres de pH
La valeur du pH est définie selon les phases de traitement. Les valeurs sont comprises entre 6,5 et 8.
Lors de la phase d'hydrolyse, la fermentation aérobie des composés organiques constituant la matière organique à traiter avant tout traitement, s'effectue à un pH proche de la neutralité c'est à dire à un pH compris entre 6,5 et 7.
Bien que le temps de séjour soit réduit, le pH initial de 6,5 peut augmenter en 36 heures pour atteindre 7, et ce, pour une aération de, par exemple 15 volume d'air/volume de matière organique à traiter/heure (v/v/h) . En cas de nécessité de ramener le pH à une valeur comprise entre 6,5 et 7, l'utilisation d'un acide est pratiquée.
L'acide ortho-phosphorique est à privilégier pour simultanéement régler la valeur du PH et compenser les éventuelles carences en phosphore qui pourraient être constatées au sortir de la méthanisation . II s'agit en effet d'une part de créer un compost de bonne qualité agronomique et d'autre part de gérer l'effluent liquide sortant de la méthanisation après solide liquide de telle sorte que cet effluent liquide ait un ratio entre demande biologique en oxygène, teneur en azote, teneur en phosphore compatible avec les ratio exigés c'est à dire DBO/N/P de 100/5/1.
Inversement, un pH initial trop bas sera corrigé à l'aide de l'ajout d'un agent alcalin, en particulier soude ou chaux.
Lors de la phase d' acidogénèse-acétogénèse, une diminution du pH au-dessous de 6,5 peut entraîner une forte concentration en acides gras volatils et a pour conséquence une inhibition de la méthanogénèse .
Lors de cette même phase d' acidogénèse—acétogénèse, un pH supérieur à 8 favorise la formation d'hydrogène, d'ammoniac et d'hydrogène sulfuré au détriment de la production de méthane. Dès lors, le pH de la phase d' acidogénèse-acétogénèse anaérobie s'effectue à un pH compris dans l'intervalle 6,5 à 8.
L'équilibre du pH est assuré par un agent de correction; le bicarbonate qui peut facilement être dissous dans le milieu aqueux est privilégié. La concentration en bicarbonate doit être de l'ordre de 1500 mg/1 afin de maintenir le pH du milieu aqueux dans l'intervalle précité, et ce pour assurer la fermentation anaérobie dans une optique de rendement maximum en bio-gaz énergétique.
Lors de la phase de méthanogénèse, pour la plupart des matières organiques à traiter, le pH optimal de la méthanogénèse est compris entre 7 et 7,5. Compte tenu du pouvoir tampon du milieu, il est rarement nécessaire de corriger le pH au cours de la méthanogénèse. En cas de nécessité, celui-ci pourra être réduit par exemple à l'aide de lait de chaux. La soude sera évitée en raison du risque d'excès en cations Na+ dans le compost formulé à partir des boues finales .
Paramètres de temps de séjour
Le temps de séjour des matières organiques à traiter, dans les installations permettant de mettre en œuvre le procédé continu de biotraitement selon l'invention, est défini à partir de la composition des dites matières organiques à traiter, des conditions paramétriques de fonctionnement, des caractéristiques des effluents issus de la digestion.
Ce paramètre est déterminant pour dimensionner chaque étape du traitement. D'une manière préférentielle, une charge volumique de matière organique à traiter la plus élevée possible sera envisagée, afin d'optimiser la taille des équipements et de réduire ainsi le coût des équipements de digestion.
Lors de la phase d'hydrolyse aérobie, un temps de séjour compris entre 36 et 72 heures est exigé, et ce, selon la nature des matières organiques à traiter, la taille effective des matières en suspension et le rapport C/N.
Lors de la phase d' acidogénèse et d' acétogénèse, le temps de séjour est défini à partir de la cinétique des populations bactériennes adaptées à la dégradation des matières organiques à traiter. La bio-fixation à l'intérieur du réacteur permet le maintien de la concentration de la masse active des souches en fonction de la charge organique à traiter. Selon les matières constituant les entrants, le temps de séjour de la phase acidogénèse - acétogénèse est compris entre 12 et 15 jours.
Lors de la phase de méthanogénèse, le taux de croissance des souches responsables de la méthanogénèse est faible et la plupart des espèces sont sensibles aux fluctuations paramétriques. La bio-fixation permet de maintenir dans le bio-réacteur une masse constante de bactéries. En cas de présence de composés inhibiteurs des souches, la masse active « retenue » réduit l'incidence des effets toxiques.
Le temps de séjour de la méthanogénèse est généralement compris entre 20 et 50 jours. Selon les matières organiques et selon la majorité des cas à traiter, il est compris entre 36 et 42 jours. Ce temps de séjour est réduit lorsqu'il y a recyclage des boues et peut, pour certaines matières organiques à traiter, être compris entre 25 et 30 jours.
Paramètres de potentiel redox
Le milieu doit être réducteur et maintenu réducteur tout au long des phases acidogénèse - acétogénèse et méthanogénèse, ce qui implique une absence d'oxygène. Afin d'éviter l'introduction d'éléments oxydants dans les réacteurs, il convient d'en assumer la parfaite étanchéité .
Les populations bactériennes anaérobies agissent préférentiellement à bas potentiel redox compris entre -300 à - 330 mv. En conséquence, le contrôle du potentiel redox est effectué régulièrement, de préférence chaque jour, sur la partie médiane des réacteurs anaérobies.
Paramètres constitués par les nutriments minéraux et les inhibiteurs La constitution du milieu formé par la matière organique à traiter en présence d'eau diffère pour chaque phase du procédé : hydrolyse, acétogénèse et acidogénèse, méthanogénèse.
Le ratio C/N constitue le repère permettant de quantifier la répartition des mélanges des matières organiques à traiter.
Pour la fraction hydrolysée, il est aisé de soustraire la partie aqueuse et de procéder à l'analyse Carbone, Azote, Phosphore en vue de déterminer des rapports C/N, C/P, et DBO/N/P.
D'une manière préférentielle, le rapport DBO/N/P de l'effluent liquide sortant de la méthanogénèse après séparation solide liquide recherché doit tendre vers le ratio bien connu 100/5/1.
La partie anaérobie stricte du traitement requiert un C/N optimal de 32 à 35 et un rapport C/P de 150. L'azote est généralement apporté par les matières organiques issues des industries agroalimentaires, alors que le carbone provient essentiellement des produits agricoles tels que par exemple blé, maïs. Dans la majorité des apports, l'azote est en quantité suffisante d'autant que la phase de méthanogénèse ne produit pas de biomasse et ne consomme que très peu d'azote.
La teneur en azote nitrique (NO3) doit être contrôlée au niveau de la méthanogénèse car son pouvoir oxydant a pour effet de relever le potentiel redox. La concentration en sulfates doit être contrôlée au niveau des phases d' acidogénèse-acétogénèse et de méthanogénèse. La teneur en sulfate ne doit pas excéder 100 à 200 mg/1 dans ces deux phases d' acidogénèse-acétogénèse et de méthanogénèse. Les sulfates sont des inhibiteurs de la méthanogénèse. Ils conduisent à la production d'hydrogène et d'hydrogène sulfuré dont les effets corrosifs sont dommageables pour les équipements. Il est néanmoins admis qu'une faible quantité d'hydrogène sulfuré et d'hydrogène peut avoir un effet favorable dans la mesure où le potentiel redox s'abaisse. Cela induit également la précipitation des cations toxiques tels que Cu, Zn, Ni, Hg, Fe, Pb, sous forme de sulfures. Tous les métaux lourds ont des effets bactériostatiques ou bactéricides, même à de faibles concentrations .
Paramètres d'agitation
L'agitation du milieu permet de maintenir l'homogénéité des matières organiques à traiter et de l'inoculum associé aux nutriments et autres ajouts, en vue de constituer une biomasse active. De plus l'agitation favorise les échanges thermiques et participe au dégazage des boues. Plusieurs modes d'agitation peuvent être mis en œuvre dans le cadre du procédé continu de biotraitement selon l'invention : agitation mécanique à partir de turbines placées sur les abords ;
- agitation à partir de la re-circulation des gaz ou des effluents. Les gaz peuvent être re-circulés et dispersés par surpresseur à la base du réacteur. Les effluents, après simple décantation, peuvent être recyclés à la base des digesteurs.
Toutefois le procédé selon l'invention propose, en plus de ces technologies, un mode de dégazage et recyclage par re-circulation interne utilisant la même source d'énergie pour le recyclage hydraulique et le transfert des gaz. Une telle technique assure également l'homogénéité thermique du réacteur de biotraitement appelé communément digesteur.
Le taux de recyclage des gaz est de 10-12 v.v.h lorsque exprimé en volume de gaz par m3 de matière organique à traiter dans le réacteur de biotraitement et par heure. Cette re-circulation favorise l'échange entre la matière organique et les bactéries en augmentant le taux de contact au niveau de la bio-fixation périphérique du réacteur de biotraitement. A cet effet, la hauteur du diffuseur de gaz se situe au tiers de la hauteur d'eau du réacteur de biotraitement.
La pression interne du réacteur de bio-traitement est maintenue à partir d'une colonne externe constituée d'un tuyau en col de cygne de hauteur égale à la hauteur de liquide pour le digesteur. Le digesteur peut être équipé d'une soupape tarée entre 18 et 25 mm de pression. Cependant la solution la plus simple consiste à stocker directement les gaz en gazomètre souple au sortir du digesteur.
Enfin, les effluents liquides et solides sont séparés et stockés en vue de subir des traitements de valorisation et/ou de mise en conformité avec les exigences environnementales .
Ainsi, le procédé de biotraitement en continu selon l'invention apparaît être particulièrement intéressant et utile pour la biotransformation de matières organiques d'origines végétales et/ou animales en bio-gaz énergétique, et en compost de qualité agronomique . La figure 1 représente l'ensemble d'une installation de biotraitement de matières organiques mettant en œuvre le procédé de l'invention permettant d'obtenir un bio-gaz riche en méthane et un compost de bonne qualité agronomique et donc facilement valorisable.
Le flux initial "A"r c'est à dire la matière organique à traiter en vue de sa transformation en bio-gaz et en compost, est constitué par des résidus organiques broyés d'origine majoritairement végétale et pour partie animale. Ces résidus organiques broyés sont mélangés et homogénéisés au niveau d'une trémie d'entrée (1) . L'introduction des souches bactériennes aérobies, "B", se fait au moyen d'un dispositif d'injection situé dans la zone d'alimentation de type par exemple vis doseuse (2) de la cuve d'hydrolyse (3) opérant en régime aérobie.
Le flux à traiter "A", chargé en souches bactériennes "B" est soumis successivement aux trois phases de traitements précitées, dans respectivement la cuve d'hydrolyse (3) , le réacteur de biotraitement anaérobie (4) dans lequel s'opère la phase d' acidogénèse et d'acétogénèse, et le digesteur anaérobie (5) dans lequel s'opère la phase de méthanogénèse.
La matière organique formulée, constituant le flux initial à traiter "A", chargé en souches bactériennes "B", est mis en suspension aqueuse et est aérée au moyen d'un flux d'air provenant du compresseur (7). Le débit de circulation d'air est d'au moins 10 v/v/h et varie préférentiellement entre 20 et 30 v/v/h. Un évent (8) permet l'évacuation de l'air d'aération et de brassage. Le réacteur de biotraitement anaérobie (4) dans lequel s'opère la phase d/ acidogénèse et d' acétogénèse, est muni d'un système d'agitation (9) et de matériaux de garnissage (10) permettant la bio-fixation par rétention des souches de population bactérienne anaérobies. Les produits résultant de l' acidogénèse et de l' acétogénèse, sont conduits par une canalisation (11) dans le réacteur de méthanogénèse, c'est à dire le digesteur (5). Les effluents gazeux résultant de la réaction d' acidogénèse et d' acétogénèse sont conduits par la canalisation (12) dans le réservoir de stockage (6) du bio-gaz énergétique produit.
Le digesteur (5) est pourvu d'une circulation gazeuse (13) opérant par l'intermédiaire d'un recyclage partiel du bio-gaz produit lors de la méthanogénèse et qui permet l'agitation régulière des produits organiques résultant de l' acidogénèse et de l' acétogénèse. Le digesteur (5) est également muni de matériaux de garnissage (14) permettant la bio-fixation par rétention des souches de population bactérienne anaérobies. L'évacuation du flux de méthane s'opère par l'intermédiaire d'une canalisation (15) débouchant dans (12) et conduisant dans le réservoir de stockage (6) par la canalisation (16) .
Un séparateur solide / liquide / gaz (18) est alimenté par la canalisation (17) en effluents en provenance du digesteur (5). Au sein de ce séparateur, se produit une séparation en trois phases, une phase gazeuse s' évacuant par la canalisation (19) vers le réservoir (6) , une phase solide décantée sortant par la canalisation (20), dont une partie est recyclée par la canalisation (21) dans la canalisation (11), en vue d'être réintégrée dans le digesteur (5) et dont l'autre partie est évacuée par la canalisation (22) en vue de son traitement conforme à un usage agricole valorisé. Quant à la phase liquide, celle ci est évacuée par la canalisation (23) en direction d'une unité de traitement biologique, une partie au moins pouvant être prélevée et conduite par la canalisation (24) dans le réacteur d'hydrolyse aérobie (3) .

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de bio-traitement en continu de matières organiques d'origines diverses végétales et/ou animales, au moyen de micro-organismes en vue de transformer les dites matières en bio-gaz énergétique et en un compost, caractérisé en ce qu'il met en œuvre par phases successives de biotransformation : a) une phase d'hydrolyse aérobie des matières organiques à traiter, par ensemencement continu ou discontinu au moyen d'un mélange de bactéries hydrolytiques aérobies strictes, appartenant aux cycles du carbone et de l'azote et éventuellement levures, b) une phase d'acidogénèse et d'acétogénèse anaérobie des matières organiques hydrolysées, c) une phase de méthanogénèse anaérobie des matières organiques transformées par acidogénèse et d'acétogénèse, produisant le bio-gaz énergétique, un concentrât et un effluent liquide d) une phase de compostage aérobie du concentrât après séparation solide/liquide.
2. Procédé de biotraitement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les bactéries appartenant au cycle de l'azote sont des nitrobactéries .
3. Procédé de biotraitement selon la revendication 2, caractérisé en ce que les nitrobactéries sont choisies dans le groupe constitué par nitrosomonas, nitrosoglae, nitrosocystis, nitrosospora, nitrobacter.
4. Procédé de biotraitement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les bactéries appartenant au cycle du carbone sont choisies dans le groupe comprenant selon genre / famille : Sporosarcina / Micrococcaceae, Sarcina / Micrococcaceae, Micrococcus / Micrococcaceae, Leuconostoc / Streptococcaceae, Bacillus / Bacillaceae, Neisseria / Nesseriaceae, Azotobacter / Azotobacteriacea, Serratia / Enterobacteriaceaef Rhizobium / Rhizobiaceae, Pseudomonas / Nitrobacteriaceae, Acetobacter / Thiobacteriaceae, Aeromonas / Pseudomonadaceae, en particulier Clostridium Thermocellum.
5. Procédé de biotraitement selon l'une au moins des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les bactéries du cycle du carbone et du cycle de l'azote, ensemencent les matières organiques à traiter à raison d'une concentration de 1/100000 à 1/10000 de matières sèches de bactéries par rapport à la masse de matières organiques sèches entrantes à traiter.
6. Procédé de biotraitement selon l'une au moins des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les bactéries du cycle de l'azote sont introduites au moyen d'un milieu aqueux les contenant à raison de 1 à 2,5 grammes exprimé en matière sèche par litre, ledit milieu aqueux étant incorporé à un débit de 1 litre par heure pour 0,3 à 1 g/heure d'apport en azote par la matière organique à traiter.
7. Procédé de biotraitement selon l'une au moins des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la phase d'hydrolyse aérobie est ensemencée en micro-organismes au moyen d'un inoculum comprenant : - le mélange des bactéries hydrolytiques aérobies strictes appartenant aux cycles du carbone et de l'azote et éventuellement levures ;
- un substrat carboné et azoté comprenant en particulier des glucides et des aminoacides ; des sels minéraux, contenant des facteurs de croissance des bactéries et levures non inclus ou en faible concentration dans les matières organiques à traiter.
8. Procédé continu de biotraitement selon l'une au moins des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la phase d'hydrolyse aérobie ensemencée s'effectue sur les matières organiques à traiter additionnées d'apports en constituants carbonés spécifiques.
9. Procédé continu de biotraitement selon la revendication 8, caractérisé en ce que les constituants carbonés spécifiques sont des aminoacides et/ou des extraits de levures, et/ou des vitamines.
10. Procédé continu de biotraitement selon l'une au moins des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la phase d'hydrolyse aérobie ensemencée comporte un apport en enzymes issus de fermentation, en particulier enzymes lipidiques, protéidiques et glucidiques.
11. Procédé continu de biotraitement selon l'une au moins des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la phase d'hydrolyse aérobie ensemencée nécessite, pour les matières organiques à traiter, un rapport Carbone/Azote (C/N) compris entre 15 et 40 et préférentiellement entre 20 et 30.
12. Procédé continu de biotraitement selon l'une au moins des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la phase d'hydrolyse aérobie ensemencée s'effectue à une température comprise entre 25 0C et 40 0C et préférentiellement entre 30 0C et 37 0C.
13. Procédé continu de biotraitement selon l'une au moins des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que la phase d'hydrolyse aérobie s'effectue à un pH réglé entre 6,5 et 7.
14. Procédé continu de biotraitement selon l'une au moins des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que la matière organique entrant dans la phase d'hydrolyse aérobie a une siccité comprise entre 12 et 40 % et de préférence entre 18 et 22 % en poids d'humidité.
15. Procédé continu de biotraitement selon l'une au moins des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que le pH de la phase d'acidogénèse-acétogénèse est réglé par ajout d'acide, préférentiellement l'acide ortho-phosphorique.
16. Procédé continu de biotraitement selon l'une au moins des revendications 1 à 15 caractérisé en ce que la phase d'acidogénèse-acétogénèse comporte un contrôle de l'acide acétique et de l'acide formique formés.
17. Procédé continu de biotraitement l'une au moins des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que la phase d'acidogénèse-acétogénèse maintient une forte concentration de bactéries et/ou levures anaérobies actives par biofixation à la périphérie du digesteur d'acidogénèse- acétogénèse.
18. Procédé continu de biotraitement selon l'une au moins des revendications 1 à 17, caractérisé en ce qu'un tensio- actif surfactant est ajouté à la phase d'acidogénèse- acétogénèse.
19. Procédé continu de biotraitement selon l'une au moins des revendications 1 à 18, caractérisé en ce que la phase d' acidogénèse-acétogénèse se déroule à un pH compris entre 6,5 et 8.
20. Procédé continu de biotraitement selon l'une au moins des revendications 1 à 19, caractérisé en ce que la phase d' acidogénèse-acétogénèse se déroule à une température comprise entre 40 0C et 50 0C.
21. Procédé continu de biotraitement selon l'une au moins des revendications 1 à 20, caractérisé en ce que le pH est maintenu tout au long de la phase de méthanogénèse à une valeur comprise entre 7 et 7,5.
22. Procédé continu de biotraitement selon l'une au moins des revendications 1 à 21, caractérisé en ce que la phase de méthanogénèse se déroule a une température comprise dans l'intervalle de 300C à 55 0C.
23. Procédé continu de biotraitement selon l'une au moins des revendications 1 à 22, caractérisé en ce que la phase de méthanogénèse se déroule sous un potentiel redox contrôlé à un niveau compris entre -300 et -330 mv.
24. Procédé continu de biotraitement selon l'une au moins des revendications 1 à 23, caractérisé en ce que le concentrât issu de la méthanogénèse est séparé des effluents liquides puis recyclé pour partie dans la phase de méthanogénèse .
25. Procédé continu de biotraitement selon l'une au moins des revendications 1 à 24 caractérisé en ce que la phase de méthanogénèse maintient une forte concentration de bactéries et/ou levures anaérobies actives par bio-fixation à la périphérie du digesteur de méthanogénèse.
26. Procédé continu de biotraitement selon l'une au moins des revendications 1 à 25 caractérisé en ce que l'homogénéité et le mélangeage de la matière organique pendant la phase de méthanogénèse s'opèrent au moyen d'un système de re-circulation de bio-gaz.
27. Procédé continu de biotraitement selon l'une au moins des revendications 1 à 26 caractérisé en ce que un recyclage au moins partiel de la phase liquide sortant de la méthanogénèse s'effectue vers l'hydrolyse et/ou l'acido- acétogénèse.
28. Procédé continu de biotraitement selon la revendication 27 caractérisé en ce que le recyclât rejoignant l'hydrolyse et/ou l'acido-acétogénèse fait l'objet d'un bio-traitement d'élimination au moins partielle des azotes encore présents après réglage de son pH à une valeur comprise entre 7,5 et 8,0, de sa température et en présence d'oxygène.
29. Utilisation du procédé de bio-traitement selon l'une au moins des revendications 1 à 28, à la transformation en bio- gaz énergétique et compost de matières organiques d'origines végétales et ou animales.
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