WO2019077287A1 - Procédé et dispositif de traitement de digestat d'unité de méthanisation et unité de méthanisation comportant un tel dispositif - Google Patents

Procédé et dispositif de traitement de digestat d'unité de méthanisation et unité de méthanisation comportant un tel dispositif Download PDF

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WO2019077287A1
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digestate
compartment
atmosphere
ammonia
air
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Florie GIBOULET
Stéphane HATTOU
Amel GUENDOUZ
Frédéric BLANC
Sophie Guillaume
Laura CHATAIN
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Arkolia Energies
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Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for treating raw digestate or liquid digestate resulting from a phase separation step from an anaerobic digestion unit and an anaerobic digestion unit comprising such a device.
  • the treatment of the crude or liquid digestate resulting from a phase separation step is most often essential in order to limit its inhibitory nature, in particular due to the concentrations of ammonium ions (NH4 + ) which are often too high.
  • This recirculation must not impact the biological reactions involved in the anaerobic digestion process.
  • the objective is also to extract the fertilizing compounds that it contains in order to be able to value them at best.
  • these anaerobic digestion units consume a lot of fresh water in order to dilute the inputs so that they reach a target dry matter content according to the process used, which has a significant impact on the environment and the cost of operation. the anaerobic digestion unit.
  • the digestate represents the digested material leaving the anaerobic digestion unit.
  • This organic product has a good fertilizing value. It undergoes, on most of the installations, a solid liquid separation by means of a screw press.
  • the liquid fraction of the digestate represents most of the volume and contains most of the mineral nitrogen (as ammonium) used as a fertilizer. Nevertheless, if it is spread, the use as such of this liquid fraction causes a volatilization of part of this nitrogen, and specific techniques (burial) are required to minimize these losses, which generates an additional cost. In addition, in regions where there is already an excess of nitrogen in the soil, the use of this product is made difficult.
  • struvite precipitation This approach involves forcing the precipitation of an ammonium magnesium phosphate hexahydrate complex (MgNhUPC .ehbO) called struvite, reference: S.Uludag-Demirer, GN Demirer, C.Frear, S.Chen, Anaerobic digestion of dairy manure with enhanced ammonia removal Journal of Environment Management 86 (2008) 193-200),
  • the biochemical composition of a protein can be written as C53H6O28N12S3.
  • ammonia poisoning NH3 or alkalosis
  • NH3 inhibits acidogenic and acetogenic bacteria; hydrolysis products, such as amino acids and volatile fatty acids, accumulate which can lead to a drop in the pH in the digester, or acidosis.
  • Inhibition may also occur in the methanogenesis pathway, which results in acetate accumulation and decreased pH.
  • the inhibition results in a more or less significant decrease in the amount of biogas produced.
  • the ionized ammonia is at the origin of the formation of hydrogenocarbonates, therefore of the buffer capacity of the anaerobic fermentation medium.
  • the volatile fatty acids are preferentially in their ionized form, thereby attenuating their inhibitory effect.
  • the diffusion of volatile fatty acids in the non-ionized form through cell membranes induces a high concentration in the intracellular medium, thus creating an inhibition of microorganisms.
  • Ammonia below a concentration of 3 g / L, is therefore in this respect beneficial. It is therefore essential to regulate the amount of ammonia present in the digester. It is conventionally accepted that the factors on which it is possible to act to regulate the concentration of ammonia are:
  • C / N a material having a low carbon-to-nitrogen ratio
  • N a high “N” level of organic nitrogen
  • the average hydraulic residence time the more important it is, and the more complete mineralization of the organic nitrogen N is observed, thus inducing an increase in the concentration of ammonia in the methanizer.
  • the temperature and pH pair for example a temperature of 55 ° C. and a pH of 8 favor the NH 3 form, which is harmful for microorganisms, whereas a temperature of 37 ° C. and a pH below
  • the stability of an anaerobic digester therefore depends on the control of the ammonia concentration.
  • the present invention aims to remedy all or part of these disadvantages.
  • the present invention aims, according to a first aspect, a method of treating crude or liquid digestate resulting from a phase separation step, leaving a methanization unit continuous thick or liquid channel, the unit of anaerobic digestion comprising, upstream, a system for preparing and / or introducing the material, which comprises:
  • the treated digestate has a considerably reduced ammonium concentration, no longer posing a problem of recirculation and thus making it possible to limit the quantities of fresh water to be added in order to dilute the inputs.
  • the process makes it possible in certain cases to obtain an ammonium salt which is a fertilizer that can be used in agriculture.
  • the creation of this by-product stabilizes nitrogen, which makes it less volatile and thus reduces the risk of volatilization during application.
  • the regulation aims to introduce three new products in the NF U42-001-1 mineral fertilizer standard, including ammonium sulphate and phosphate solutions. The proposed process of treatment thus makes it possible to create a new marketable product.
  • the process for treating ammonia which is the subject of the invention does not require the addition of reagents to the digests to be treated. It allows the elimination of ammonia (without changing the pH when the steps are paired), thus allowing a large recirculation on the anaerobic digestion processes.
  • the step of air passage in or on the surface of the digestate contained in the tank is carried out in the absence of adding a chemical product that can accumulate by-products in the digestate.
  • the air injection system used is a multi-stage system consisting of splitters, inserted from the top of the treatment system, with between and ten floors and between one and five air splitters per floor.
  • the method comprises, after the step of air passage in or on the surface of said digestate, a step of passing biogas into said digestate to reduce the pH of the digestate.
  • the biogas injection in the second stage has the advantage that, at the exit of this stage, the gas has a high concentration of methane. Whatever the type of biogas recovery put in place, it is favorable to have the highest possible methane content.
  • a biogas having a methane concentration of between 45 and 70% and a carbon dioxide concentration between 30% and 55% is injected.
  • the method comprises a step of reinjecting the digestate after passage of the biogas, to the system for preparing and / or introducing the material.
  • the air-permeated digestate has an initial pH in the range of 7 to 8.5.
  • the temperature of the digestate is between 25 ° C and 85 ° C, preferably between 25 ° C and 50 ° C.
  • the injected air is at ambient temperature.
  • the rate of renewal of the atmosphere of the tank is between 0.5 and 5 per hour.
  • the ratio of the gas / liquid exchange surface to the volume of digestate to be treated is between 0.15 m 2 . m 3 of digestate to be treated and 20.00 m 2 . m 3 of digestate to be treated, preferably between 0.15 and 10 m 2 . m 3 of digestate to be treated and more preferably between 0.15 and 5 m 2 . m 3 of digestate to be treated.
  • the ratio of the air flow rate injected to the volume of digestate to be treated is between 20 and 200 m 3 air.H- 1 .m- 3, preferably 40 to 150 m 3 air.H- 1 .rrr 3 digestate to be treated.
  • the method which is the subject of the invention further comprises the following steps:
  • the present invention aims, according to a second aspect, a device for treating crude or liquid digestate resulting from a phase separation step, leaving a solid methanization unit thick or liquid channel, the methanization unit comprising, upstream, a system for preparing and / or introducing the material, which comprises:
  • a means of passage of air in or on the surface of said digestate contained in a tank for extracting at least ammonia to the atmosphere of the tank and
  • the device comprises a biogas passage means in said digestate for reducing the pH of the digestate, after the passage of air in or on the surface of said digestate.
  • the present invention also aims to control the concentration of ammonia in an atmosphere of a methanation compartment to improve the speed and stability over time of a chemical reaction.
  • the present invention also aims to guide the methanation reaction to obtain the desired form of ammonia.
  • the anaerobic digestion device comprises:
  • a methanation reactor comprising at least one compartment in which a fermenting substrate is inserted, producing an atmosphere comprising at least methane and ammonia
  • a unit for extracting the atmosphere from at least one compartment comprising:
  • a washing column in which the first conduit opens and which comprises at least one injector of a purification liquid
  • the injection conduit has at least one gas injection port near the bottom of a compartment.
  • the scrubbing liquid comprises sulfuric or nitric or phosphoric acid.
  • the advantage of using acid is to convert ammonia from the extracted atmosphere into ammonium sulfate salts, which is a fertilizer, by reaction with sulfuric acid.
  • the methanation reactor comprises at least two compartments, each compartment comprising a gas injection duct for which the quantity of gas injected into each compartment is governed by a valve, each valve being controlled independently.
  • the reactors comprising several compartments, each compartment performing a different step of the methanation reaction.
  • the temperatures and the pHs can be adapted in the different compartments according to these stages, the ammonia concentration of the atmosphere of at least one compartment being regulated independently.
  • the device includes an ammonia rate sensor in the fermenting material and a control unit configured to initiate the operation of the extraction unit to reduce the ammonium ion concentration when the captured concentration is superior 4 g / L of fermentation material.
  • control unit is configured to initiate the operation of the extraction unit to reduce the ammonium ion concentration when the captured concentration is greater than 3 g / L of fermenting material.
  • the device comprises a plurality of fermentation compartments, the atmospheres of which are made independent by being separated by at least one partition.
  • the device includes a piston system for moving the fermenting material from one compartment to another.
  • the device comprises a material to ferment whose dry matter content is, in input, greater than 15%.
  • the device comprises a material to be fermented, the solids content of which is, at the inlet, greater than 20%.
  • the device comprises at least one stack descending into the fermenting material for injecting the washed gas into a compartment from which the gas to be washed has been extracted by the extraction unit.
  • the device comprises means for pressurizing the gas to be injected through a stack at a pressure of between 5 and 8 bar.
  • the extraction unit is configured to extract a portion of the atmosphere in a compartment where the majority of the acidogenic bacteria are located. In embodiments, the extraction unit is configured to extract a portion of the atmosphere in a compartment where the majority of the acetogenic bacteria are located.
  • the extraction unit is configured to extract a portion of the atmosphere in a compartment where methanogenesis is performed.
  • At least one compartment in which the extraction unit extracts a portion of the atmosphere has a temperature of between 50 ° C and 60 ° C.
  • At least one compartment in which the extraction unit extracts a portion of the atmosphere has a hydrogen potential of between 7.5 and 8.7.
  • At least one compartment in which the extraction unit extracts a portion of the atmosphere has a hydrogen potential of between 7.9 and 8.7.
  • At least one compartment in which the extraction unit extracts a portion of the atmosphere has a methane titer of between 52% and 65%.
  • FIG. 1 schematically represents an anaerobic digestion unit of known type
  • FIG. 2 represents, schematically, a particular embodiment of the device which is the subject of the invention
  • FIG. 3 is a diagrammatic representation of a packed column operating countercurrently
  • FIG. 4 represents, schematically, a functional diagram relating to a first step of the method which is the subject of the invention
  • FIG. 5 represents, schematically, a block diagram relating to a second stage of the method which is the subject of the invention
  • FIG. 6 represents, schematically, a test reactor
  • FIG. 7 represents experimental points tested with an injection of air into the substrate
  • FIG. 8 represents experimental points tested with an injection of air at the surface of the substrate
  • FIG. 9 represents, in the form of a logic diagram, steps of a particular embodiment of the method which is the subject of the invention.
  • FIG. 10 represents, schematically, a particular embodiment of the device that is the subject of the present invention.
  • FIG. 11 represents, schematically and in the form of a logic diagram, a particular succession of steps of a method that is the subject of the present invention
  • FIG. 12 schematically represents a dry methanation unit
  • FIG. 13 is a schematic representation of a gas scrubber
  • FIG. FIG. 14 represents a multi-compartment device equipped with sensors and control means.
  • Some agricultural substrates have significant nitrogen contents. However, strongly nitrogenous substrates slow down or even inhibit the methanation process.
  • mineral nitrogen preferentially derived from urine (mainly present in manure and manure) and
  • ammonia poisoning NH3 or alkalosis.
  • the inhibition then results in a more or less significant decrease in the amount of biogas produced.
  • the inputs are diluted in order to reach an optimal dry matter content according to the chosen technology (liquid or thick channel).
  • One of the objectives of the present invention is to use as little fresh water as possible, by recirculating as much as possible the juices produced after phase separation from the raw digestate at the methanization outlet.
  • the temperature and pH pair for example, a temperature of 55 ° C. and a pH of 8 favor the NH 3 form, which is harmful for microorganisms, whereas a temperature of 37 ° C. and a pH of less than 7.4 lead to the NHV form, less inhibitory.
  • the stability of an anaerobic digester therefore depends on the control of the concentration of ammonia.
  • the present invention aims to:
  • FIG. 1 represents an anaerobic digestion unit of known type that may comprise one or more anaerobic digestion tanks.
  • a system 21 for preparing and / or introducing the inputs receives fresh water through an inlet 22.
  • the inputs are introduced into the methanizer 23 may include one or more tanks anaerobic digestion, which provides biogas to a unit of valorisation 24.
  • the digestate at the outlet of the methanizer which may comprise one or more tanks, is separated by a separator 26 into a solid part, which is stored in a storage 25, and a liquid part, or "juice". This liquid portion is distributed between a storage 27 of liquid digestate and a processing unit 28 whose outlet 29 is reinjected into the system for preparing and / or introducing the material 21.
  • the object of the invention is to reduce or even eliminate the ammonia contained in the raw or liquid digestates resulting from a phase separation step while being able to create a value-added product according to the following steps:
  • the first step consists of:
  • the step of air passage in or on the surface of the digestate contained in the tank is carried out in the absence of addition of chemical product capable of accumulating by-products in the digestate.
  • chemical product capable of accumulating by-products in the digestate.
  • the air injection is carried out, preferably, by a multi-stage air injection system consisting of distributors, inserted from the top of the treatment system, with between one and ten stages and between one and five air distribution units. floor.
  • FIG. 2 shows a methanizer that may comprise one or more anaerobic digestion vessels 31, a separator 32 leading to a solid digestate storage 34 and an outlet 43 of liquid digestate.
  • This liquid portion is distributed between a storage 33 of liquid digestate and a treatment unit 30.
  • This treatment unit 30 comprises a tank 36 which receives the liquid digestate and air from a pressurized air inlet 37, through, according to the variants:
  • Choice No. 1 of a gas distributor 38 at the bottom of the tank 36 and / or
  • Choice No. 2 of an air inlet 44 in the atmosphere 39, at the top of the tank 36.
  • the tank 36 has a gas outlet pipe 40, essentially ammonia-laden air, and a liquid phase outlet which can lead to the second one. step of the method illustrated in Figure 4 and / or the preparation system and / or input introduction 42 at the head of the methanizer.
  • Line 40 directs the gas to a treatment system 41.
  • the digestate subjected to the passage of air has an initial pH of between 7 and 8.5
  • the temperature of the digestate is between 25 ° C. and 85 ° C., preferably between 25 ° C. and 50 ° C., the injected air is at ambient temperature,
  • the rate of renewal of the atmosphere of the tank is between 0.5 and 5 per hour
  • the ratio of the gas / liquid exchange surface area to the volume of digestate to be treated is between 0.15 m 2 . m 3 of digestate to be treated and 20.00 m 2 . m 3 of digestate to be treated, preferably between 0.15 and 10 m 2 . m 3 and more preferably between 0.15 and 5 m 2 .rrr 3 of digestate to be treated. and or
  • the ratio of the air flow rate injected to the volume of digestate to be treated is between 20 and 200 m 3 of air.H- 1 .m- 3 , preferably 40 and 150 m 3 of air.H- 1 .m- 3 of digestate to treat.
  • the atmospheric treatment technique used may include at least one of the following (non-exhaustive list):
  • a packed column 50 (FIG. 3) consists of the following elements:
  • a filling support grid 54 for supporting the weight of the packing 53 and the liquid retained on this packing and ensuring a distribution of the liquids at the bottom of the column, a gas inlet 55.
  • the liquid may be a water solution containing sulfuric, phosphoric or nitric acid.
  • mist separator 58 for the elimination of drops of liquids that could be entrained by the outlet gas 59.
  • the operation is generally countercurrent: the gas is up and the washing liquid flows by gravity on the lining.
  • the choice of the packing, essential element of this type of contactor, is dictated by the contact surface offered between the gas and the liquid used, the calculation of the losses of load and its price.
  • the packings can be of various shapes (rings, saddles %), different materials (ceramic, glass, metal ...) and be stored or arranged in bulk.
  • Figure 3 shows a packed column 50 running countercurrently.
  • the efficiency of a gas treatment by an absorption process depends on the nature of the compounds, the washing solution used, the type of contactor retained and the operating conditions.
  • the device that is the subject of the invention may require a heat input in order to heat the digestates to be placed in the best possible operating conditions.
  • the injection of air into or on the surface of the liquid digestate causes an increase in pH induced by the desorption of the initially dissolved carbon dioxide. Not being able to recirculate too basic digestates that could inhibit the first steps of anaerobic digestion, the pH of the digestate is lowered during the second stage, before the juice can be used as a diluent to a preparation system. material.
  • the optional second step consists of:
  • FIG. 4 shows an anaerobic digestion unit 60 comprising a methanizer 61 that may comprise one or more anaerobic digestion vessels, a line 62 carrying biogas containing methane concentrations of between 45 and 70% and carbon dioxide. carbon content between 30% and 55%.
  • Line 62 injects this biogas through a gas distributor 63 at the bottom of the tank, which opens into a tank 64 comprising the digestate from the first stage ( Figure 3).
  • the vessel 64 has an upper biogas outlet 65 containing methane concentrations of 70 to 90% and carbon dioxide of 10 to 30%.
  • the tank 64 also has an outlet 66 for returning the processed digestate to the material preparation system.
  • This second step dissolves the CO2 contained in the biogas, which causes a drop in pH.
  • the outgoing biogas therefore has a low concentration of carbon dioxide but a large proportion of methane.
  • scenario 1 corresponds to the basic operating mode, a unit operating with water addition and NhV concentration in the 2.75 gL 1 methanizer.
  • scenario 2 and 3 show, the increase in dryness at the beginning of digestion induces a significant increase in the level of NhV in the medium, close to the inhibition thresholds. It is recalled that dryness is the mass percentage of dry matter. Thus a sludge with a dryness of 10% has a humidity of 90% by mass.
  • Scenario 7 corresponds to a favorable operation found between dryness at the inlet, the recirculation rate and the treatment rate of ammonia.
  • the annual water supply becomes zero, the level of NHV at the end of digestion is acceptable (2.63 gL 1 ).
  • the impact on the vat volumes is improved by about 30% for the methanizer and 50% for the press juice storage tank.
  • the reduction of methanisation and storage volumes can lead to a 15% reduction in the investment to be made to build an anaerobic digestion unit.
  • Optimizing the treatment of ammonia on the raw or liquid digestates resulting from a phase separation step comprises optimizing the treatment of ammonia on the raw or liquid digestates resulting from a phase separation step, depending on the characteristics of the digestates, and optimize the quantities of air and injected biogas, with study of the operating conditions.
  • the treatment can be applied directly to the raw digestate, as in the device 70 illustrated in FIG.
  • FIG. 5 shows the anaerobic digestion unit 70 comprising the methanizer 71 that may comprise one or more anaerobic digestion tanks, the raw digestate of which is conveyed, via a pipe 72 to a treatment unit identical to that illustrated in FIG. , even if the values of its operating parameters may be different.
  • the dry matter content of the material to be treated by passage of air can reach up to 17%.
  • Tests already carried out have been carried out on the step of injecting air into or on the surface of the digestates in order to eliminate the ammonia present in the digestates, which also results in desorption of the dissolved CO2.
  • Tests were carried out in a jacketed glass reactor 80, as shown in FIG. 6, showing the geometry of a heatable industrial vessel.
  • An amount of liquid digestate 83 is introduced into the tank 82 of the reactor 80.
  • the flow rate of air entering through an inlet 85 is adjusted according to the volume of liquid digestate to be treated in order to obtain the Q / V ratio (flow rate). air injected on the volume of digestate to be treated) desired.
  • the temperature in the jacket is monitored throughout the tests by a temperature probe 89 as well as the pH of the liquid digestates, by a pH 88 probe. Various samples are taken during the 32 hours of testing by a sampling point.
  • a water inlet 81 and a water outlet 87 allow circulation of heating water of the tank 82.
  • a gas outlet 84 allows the evacuation of the gases to be treated.
  • Tests have been carried out on two cylindrical reactors of different capacities and internal diameters comprising a double envelope in which it is possible to circulate a fluid maintaining the vessel at a constant temperature.
  • a quantity of digestate is introduced into the reactor vessel in order to obtain a S / V ratio: firstly between the section S of the reactor
  • the small reactor makes it possible to test a small section and different S / V according to the filling of the tank.
  • the large reactor can test a large section and different S / V depending on the filling of the tank.
  • the incoming air flow rate is adjusted according to the volume of gaseous sky, which gives a rate of renewal of this gaseous sky per hour.
  • the temperature in the jacket is monitored throughout the tests by a temperature probe and the pH of the digests, by a pH probe.
  • Various samples are taken during the 32 hours of testing by a digestate sampling point.
  • a water inlet and a water outlet allow circulation of heating water of the tank.
  • a gas outlet allows the evacuation of the gases to be treated.
  • FIG. 9 shows a single-stage process, that is to say carried out in a single vessel, to reduce or even eliminate the ammonia contained in the raw or liquid digestates resulting from a phase separation step a methanisation unit that may include one or more anaerobic digestion vessels while creating a value-added product, depending on the type of treatment of the chosen atmosphere.
  • This process comprises:
  • a / A first phase 100 comprising:
  • a second step 104 comprising:
  • step 105 of biogas injection in the digestates with a concentration of methane of between 45% and 70% and a concentration of carbon dioxide of between 30% and 55% and
  • Embodiments that add to the process and device described above, a regulation of the level of ammonia in at least one compartment of a methanation reactor are described below. These embodiments combine the advantages of ammonia treatment in the raw or liquid digestates and a more efficient and faster operation of the methanation reactor.
  • FIG. 10 which is not to scale, shows a schematic view of an embodiment of the device 1 10, which comprises:
  • a methanation reactor comprising a compartment 1 1 1 in which there is a substrate 1 12 in fermentation, producing an atmosphere 1 13 comprising at least methane and ammonia,
  • a unit for extracting the atmosphere from the compartment 1 1 1, the unit comprising:
  • washing column 1 into which the first conduit 1 14 opens and which comprises at least one injector 1 16 of a purification liquid
  • the substrate 1 12 comprises bacteria for the fermentation process.
  • the temperature, the hydrogen potential and the residence time of the substrate in the compartment are controlled and are maintained within a tolerance range defined by predetermined limit values.
  • Such a control directs the methanation reaction to form ammonia in NH3 form.
  • the control is carried out in each compartment of the reactor, in particular in the hydrolysis compartment.
  • the compartment 1 1 1 atmosphere extraction unit is configured to control the ammonia concentration of the atmosphere of each compartment.
  • the regulation can be carried out by servocontrol of a valve on the extraction duct 1 14 and 1 17 as a function of the ammonia concentration.
  • This concentration can either be estimated by calculation made from the temperature and pH conditions (according to the acid-base equilibria described below), or measured directly in the liquid or the gas.
  • the servo can be realized by a control unit. Servo-control may also depend on the ratio of methane concentration (CH4) to the concentration of ammonia (NH3) to be kept close to a predetermined limit value.
  • CH4 methane concentration
  • NH3 concentration of ammonia
  • the ratio of methane concentration (CHU) to the concentration of ammonia (NH3) can be replaced by the ratio of carbon concentration (C) to the nitrogen concentration (N).
  • each compartment 1 1 1 comprises a gas injection conduit 1 17 for which the amount of gas injected into each compartment January 1 is governed by a valve, each valve being independently controlled.
  • the control of each valve may correspond to the embodiment described above.
  • the pressure in at least one extraction duct, 1 14 and / or 1 17 is lower than the pressure of the atmosphere 1 13 of the compartment 1 1 1.
  • the pressure in at least one extraction line 1 14 and / or 1 17 is greater than the pressure of the atmosphere 1 13 of the compartment 1 1 1.
  • the pressure in the scrubbing column can also be modified such that the gases in the scrubbing column are compressed relative to the atmosphere of compartment 1111.
  • the carbon dioxide (CO2) is at least partially removed from the atmosphere of the compartment 1 1 1.
  • the removal of carbon dioxide is improved when the purification liquid is water.
  • Such removal of carbon dioxide is a method of regulating the hydrogen potential in compartment 1 1 1.
  • the ammonia concentration and the carbon dioxide concentration are regulated simultaneously.
  • the temperature of the scrubbing liquid is optimized to wash the gas more efficiently.
  • the injection pipe 1 1 7 has an injection orifice 1 18 of the gas close to the bottom 1 1 9 of the compartment 1 1 1 and therefore in the fermenting substrate 1 12.
  • the gas injection close to the bottom 1 1 9 compartment 1 1 1 1 allows to rem uer the substrate with a gas whose ammonia concentration is reduced.
  • the injection conduit 1 1 7 has a port 1 18 in the atmosphere 1 13 of the compartment 1 1 1.
  • the embodiments of the gas injection can be combined and the washing unit can comprise at least two injection ducts 1 1 7, one having an injection port into the atmosphere of the compartment 1 1 1 and the other having an injection port near the bottom 1 1 9 of the compartment 1 1 1.
  • the scrubbing liquid includes sulfuric, nitric or phosphoric acid to convert washed ammonia to fertilizer.
  • the equilibrium is adjusted to the dissolved NH 3 form in the reactor.
  • the dissolved form is inhibitory beyond a certain concentration threshold in the liquid.
  • PNH3Q the partial pressure of ammonia in the gas
  • HNH3 Henry's constant for ammonia.
  • a portion of the biogas produced and composing the atmosphere of compartment 1111 is treated in the wash unit which is configured to remove NH3g. Then the biogas is reinjected with a decreased NH3 concentration in compartment 1 1 1. This operation has the effect of reducing the quantity of NH3 in dissolved form by lowering the partial pressure in the atmosphere 1 13 of the compartment 1 1 1, NH3 takes a gaseous form. The NH3g-enriched atmosphere is then further treated in the washing unit, and the cycle is repeated until the desired concentrations of ammonia in the substrate 1 12 and in the atmosphere 1 13 are reached.
  • FIG. 11 represents, schematically, a methanation process 120, comprising the following steps:
  • the washing column 1 carries out the washing step 123, for example with a purification liquid comprising sulfuric acid.
  • the Nh g is transformed into ammonium sulphate, which is a fertilizer, then the ammonium sulphate is recovered at the bottom of column 1 15.
  • the purified gas of ammonia is recovered at the head of the washing column before being reinjected into compartment 1 1 1.
  • FIG. 13 shows a washer comprising, from upstream to downstream of the displacement of the washing gas:
  • a countercurrent to the gas circulates a liquid pumped by a main pump 146 at the base of the washing column 142 and injected into the sprinklers 144.
  • a secondary pump 148 pumps acid into a tank 147 and adds it to the circulating liquid. .
  • An outlet 149 at the bottom of the washing column 142 makes it possible to recover the liquid in a compartment 150.
  • This liquid in the compartment 150 can in particular serve as a fertilizer.
  • the washing column 142 here takes the form of a packed column, which generally comprises the following elements:
  • a rack 152 support lining for supporting the weight of the lining and the liquid retained on the latter and ensuring a liquid distribution at the bottom of the column.
  • a stripper (not shown) for the removal of drops of liquids that could be entrained by the gas.
  • the operation here is countercurrent: the gas is up and the washing liquid flows by gravity on the lining.
  • the choice of the packing, essential element of this type of scrubber, is dictated by the contact surface offered between the gas and the liquid used, the calculation of the losses of load and its price.
  • the packings can be of various shapes (rings, saddles %), materials different (ceramic, glass, metal %) and be stored or arranged in bulk. In the column illustrated in FIG.
  • the atmosphere taken from the anaerobic digestion unit enters through a lower inlet and back up the washing column drum 142 to the washed gas outlet 145, after passing, successively, the In the opposite direction, the washing solution enters the washing column well 142 through an upper inlet, passes through the lining 143 and the support grid and is evacuated via a valve. (not shown) to a recirculation or compartment outlet.
  • the ammonia removal process is carried out under the following conditions:
  • the temperature in the reactor 12 is between 50 ° C. and 60 ° C. and
  • the hydrogen potential in the reactor 12 is between 7.5 and 8.5.
  • the combination of these operating conditions is avoided in anaerobic digestion processes, in particular the operating points with a temperature greater than 55 ° C. and a hydrogen potential greater than 8, since these operating points are likely to be strongly inhibitors of methanation process.
  • the method 120 in-situ removal of ammonia makes it possible to work with such temperatures and such hydrogen potentials, to maximize the kinetics of the methanation process.
  • the residence times of the substrate in a compartment with the method 120 are:
  • the residence time of the substrate in the hydrolysis compartment is between 0.5 and 5 days and the residence time of the substrate in the digestion compartment is between 5 and 25 days;
  • the residence time of the substrate in the digestion compartment is between 30 and 60 days.
  • the acid-base equilibrium of the methanation process 120 is controlled in real time by servocontrol (as described above), acting on a specific zone within the 'flow.
  • servocontrol as described above
  • a partitioning of the substrate 1 12 and / or the atmosphere 1 13, along the flow of the piston, allows to act in particular independently on the hydrolysis compartment or on another compartment downstream of the hydrolysis .
  • the control of the acid-base balance can also be optimized by the elimination in the atmosphere of a part of the carbon dioxide.
  • FIG. 12 shows a thick-line methanization unit 130, of which only two compartments 131 and 132, separated by a partition 140, are shown and only one chimney, respectively 134 and 135, is located in each compartment.
  • this embodiment has chimneys down from the compartment ceiling, it can also be implemented with nozzles or gas injection pipes from a side wall or the floor of a compartment.
  • a gas inlet 133 distributes gas, via independently controlled valves 136 and 137, into the chimneys 134 and 135.
  • the injection of pressurized gas causes the rise of gas bubbles 138, which entrains the material in convection movement, for example following the path indicated by the arrows 139.
  • a gas outlet 151 allows the removal of parts of the atmospheres of the different compartments.
  • the size of the required installations generally requires the smallest volume of methanizer possible, implying on the one hand a high dryness at the inlet (greater than 15% and preferably 20% and on the other hand, a thermophilic operating temperature (about 55 ° C.) These operating conditions (high concentrations and high temperatures) make the bacterial flora more fragile with regard to ammonia, a compound inherent to the methanation process. This strongly limits the use of nitrogenous substrates / waste, and consequently the development of the die.
  • the two-phase liquid path processes in infinitely mixed are low-dry processes (less than 10%). These processes naturally require a large recirculation of the juice at the outlet of the methanizer, to minimize the amounts of dilution water and the aqueous discharges at the outlet of the methanation process. These processes are the most used in agriculture. Nevertheless, in order to be able to use strongly nitrogenous substrates (such as fattening manures for example), it is necessary to introduce carbon co-substrates, and to minimize the recirculation of the juices resulting from the process, thus increasing the amounts of dilution water and aqueous discharges.
  • the concentration is measured in the liquid part of the material in fermentation: the rate of 3 g / L of ammonia is a value below which there is little inhibition problem. Beyond that, the risks are increased but it is still possible to operate at higher values.
  • the enslavement of the ammonia content aims to remain less than 4 g / l and, more preferably, less than 3 g / l.
  • the device described here makes it possible to regulate the amount of ammonia (NH3 or NhV form) present in the digester. Indeed, the stability of an anaerobic digester depends on the control of the concentration of ammonia.
  • the device therefore makes it possible to use substrates having an imbalance on the total nitrogen, under the conditions of a thick-track process (high dryness and high temperature). This allows, on the one hand, the development of this type of process and, on the other hand, to open the current market to many substrates / wastes for the moment little used in these processes (because causing inhibition to 'ammonia). This reduces (or even eliminates) also the use of dilution water implemented on current processes, strongly minimizing "aqueous" discharges at the outlet of the methanizer. The two aforementioned advantages are likely to favor the development of methanization processes in thick gauge.
  • the device also makes it possible to control the rate of fertilizers (in particular nitrogen) when the product (digestate or press juice) is used in agricultural application.
  • fertilizers in particular nitrogen
  • the device improves the quality of the product from the methanizer to expand the destinations of outgoing products as commercial fertilizer.
  • the thick-channel methanation process for example as described in the international application PCT / FR2013 / 051938, is characterized by:
  • a compartmentalized fermenter allowing a separation of the different phases of methanation (in order, hydrolysis and acidogenesis, acetogenesis and methanogenesis).
  • the fermenter subdivided into stirring sectors, thus corresponds to as many "independent reactors” as agitating sectors, each receiving a fermented substrate from the previous sector in a suitable inoculum.
  • This cascade of reactors makes it possible, at the same time, to optimize the speed of reaction of the bacteria and to control precisely the whole of the fermenter.
  • a stirring system made of chimneys from the fermenter roof to the floor thereof and passing biogas under pressure, at a high and variable rate, depending on the viscosity of the medium. This introduction of gas is carried out sequentially for a few seconds by generating a bottom sweep followed by a convective movement necessary for the homogenization of the substrate in fermentation.
  • the chimneys are distributed over the entire fermenter and thus determine areas of agitation.
  • the mixing of the material by the injection of pressurized biogas via the chimneys allows operation with a high rate of dry matter (between 20% and 30%) depending on the substrate and does not leave dead volumes. Dry matter content is an unreliable indicator of viscosity.
  • Each agitation sector is equipped with two to three chimneys that receive expanded biogas at a pressure between 5 and 8 bar generating a significant flow over a few seconds of the order of 8000 m 3 .h- 1 .
  • thermo-enzymatic hydrolysis improved by thermo-enzymatic hydrolysis and the piston path of the fermentation substrate to reduce the hydraulic residence time and therefore the volume of fermentors.
  • Management of the concentration of ammonia in the fermenter can be envisaged by action on identified sectors (last sectors of the piston reactor, in particular).
  • the acid-base balance can then be better controlled along the piston flow, thus optimizing the biogas production in space.
  • the temperature in these latter compartments is preferably between 50 ° C and 60 ° C.
  • the hydrogen potential in these latter compartments is preferably between 7.9 and 8.7.
  • the ammonia can then be passed from the liquid fraction to the gas fraction, depending on the equilibrium:
  • the device makes it possible to eliminate ammonia NH3g in the recirculation loop, as described with reference to FIGS. 10 and 13.
  • a portion of the biogas produced is treated in a specific unit for removing Nh g, and is then reinjected without NH3 in the identified sector or sectors.
  • This operation has the effect of stripping NH3d (NH3d ⁇ Nh g) by lowering the partial pressure in the sky of the methanizer.
  • NH3g-enriched biogas is again processed in the specific Nh g removal unit, and the cycle is repeated until the desired concentrations of ammonia in the liquid and gas are achieved.
  • the operating principle of the ammonia removal process Nh g from biogas is as follows.
  • the gas / liquid absorption unit shown in FIG. 13, consists of an acid wash tower with the presence of packing.
  • the biogas charged with NH3g is sent countercurrently from an acid stream to promote an acid-base reaction and its conversion to ammonium salt.
  • sulfuric acid (H2SO4) as an eluent is of agronomic interest to unit operators since the product of its reaction leads to a solution of ammonium sulphate (fertilizer).
  • the recovery of this loaded solution is carried out at the bottom of the column.
  • the biogas thus purified of the ammoniacal fraction is recovered at the top of the washing column before being reused in the methanation process.
  • the thick-film method illustrated in FIG. 12, in this field, has numerous advantages: a.
  • the piston operation induces a sectorization in which the concentrations in Nh d are different (the pH does not exceed 7.8 on the second part of the reactor)
  • methane title is preferably between 30% and 45%. This title increases gradually over the following sectors of the piston reactor.
  • the methane titer is in the following range: between 52% and 65%.
  • the CO2 titers are included in complementary intervals: between 70% and 55% for the hydrolysis compartment, and between 35% to 48% on the last sector of the piston reactor.
  • the thick-channel method is therefore the preferred method within which this elimination can be carried out.
  • the robustness of the operation of this thick-track process can thus be greatly improved, giving it an advantage over other thick-track technologies.
  • the thick channel process becomes a process with a real technological breakthrough in anaerobic digestion.
  • the device described here makes it possible to recover the robustness of a mesophilic process, while remaining on a thermophilic temperature level.
  • the biogas is injected into the digester liquid (for example the company's gas-brewing process Degremont (registered trademark), on sludge treatment digesters from urban water treatment) and can be treated in a gas washing column, as described above, before being reinjected into the digestion liquid.
  • the digester liquid for example the company's gas-brewing process Degremont (registered trademark), on sludge treatment digesters from urban water treatment
  • the gas washing column as described above
  • FIG. 14 shows a schematic view of a particular embodiment of the methanation device 160, which comprises: a methanation reactor comprising, for example, three compartments 174, 175 and 176 in which there is a substrate in fermentation, producing an atmosphere comprising at least methane and ammonia,
  • a unit for extracting the atmosphere from each compartment comprising:
  • a washing column into which the first duct 141 opens and which comprises at least one injector of a purification liquid
  • the substrate, or material in fermentation circulates successively from compartment 174 to compartment 175 and then to compartment 176, for example under the action of pistons (not shown).
  • pistons not shown
  • hydrolysis and acidogenesis occur in compartment 175, acetogenesis and, in compartment 176, methanogenesis.
  • the compartment 174 upstream, is associated with a pump or a valve 165 which receives gas from the outlet 145 of the washing column 142 and which injects gas into the second injection duct 171 which opens into the substrate in fermentation .
  • the compartment 174 is associated with the first extraction duct 168 provided with a pump or a valve 162 which delivers gas from the atmosphere of the compartment 174 to the inlet 141 of the washing column 142.
  • the intermediate compartment 175 is associated with a pump or a valve 166 which receives gas from the outlet 145 of the washing column 142 and which injects gas into the second injection duct 172 which opens into the fermenting substrate.
  • the compartment 175 is associated with the first extraction duct 169 provided with a pump or a valve 163 which delivers gas from the atmosphere of the compartment 175 to the inlet 141 of the washing column 142.
  • the downstream compartment 176 is associated with a pump or a valve 167 which receives gas from the outlet 145 of the washing column 142 and which injects gas into the second injection conduit 173 which opens into the fermenting substrate.
  • the compartment 176 is associated with the first extraction duct 170 provided with a pump or a valve 164 which delivers gas from the atmosphere of the compartment 176 to the inlet 141 of the washing column 142.
  • Each of the compartments 174, 175 and 176 comprises sensors, physical or software, of concentration of ammonia in the substrate 178, temperature 179, pH 180 and atmospheric pressure 177.
  • a software sensor, or "observer of 'state' is a program that estimates a physical quantity without measuring it directly. It uses the information of other physical sensors.
  • a state observer is an extension of a model represented as a state representation. When the state of a system is not measurable, we design an observer that allows to reconstruct the state from a model of the dynamic system and measurements of other quantities.
  • the atmospheres of the compartments 174, 175 and 176 are independent, for example because they are in different tanks or separated by partitions, as illustrated in FIG. 12.
  • the second injection ducts are shown here as passing through the floor of the compartments. In variants, they pass through the side walls or the ceiling of the compartment, as shown in FIGS. 10 and 12.
  • a control unit 161 for example taking the form of a server receives the signals from the sensors 177 to 180 and controls the operation of the device, in particular the operation of the pumps or valves 146, 148 and 162 to 167.
  • the pumps and valves associated with the different compartments are controlled independently by the control unit 161.
  • the washed gas injected into a compartment comes from the same compartment.
  • the second injection ducts 171, 172 and 173 have at least one gas injection port near the bottom of the compartments 174, 175 and 176, respectively.
  • the control unit 161 is configured to trigger the operation of the extraction unit to reduce the ammonium ion concentration when the captured concentration is greater than 4 g / L of material in fermentation and, preferably, when the captured concentration is higher. 3 g / L of fermentation material.
  • the material to be fermented is infinitely diluted or has a higher solids content, at the input, at 15%, preferably greater than 17% and even more preferably greater than 20%.
  • At least one compartment in particular the methanogenesis compartment, in which the extraction unit extracts part of the atmosphere and injects washed gas, has:
  • a hydrogen potential of between 7.5 and 8.7 and, more preferably, between 7.9 and 8.7 and / or

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Abstract

Le procédé de traitement de digestat brut ou liquide issu d'une étape de séparation de phases, sortant d'une unité de méthanisation continue voie épaisse ou voie liquide, l'unité de méthanisation comportant, en amont, un système de préparation et/ou d'introduction de la matière, comporte : - une étape (102) de passage d'air dans ou en surface dudit digestat contenu dans une cuve 5 pour extraire au moins de l'ammoniac vers l'atmosphère de la cuve et - une étape (103) d'extraction de l'ammoniac contenu dans l'atmosphère, et - une étape de réinjection du digestat après passage de l'air, vers le système amont de préparation et/ou d'introduction de la matière. Dans des modes de réalisation, l'étape de passage d'air dans ou en surface du digestat 10 contenu dans la cuve est réalisée en l'absence d'ajout de produit chimique susceptible d'accumuler des sous-produits dans le digestat.

Description

PROCÉDÉ ET DISPOSITIF DE TRAITEMENT DE DIGESTAT D'UNITÉ DE METHANISATION ET UNITÉ DE METHANISATION COMPORTANT UN TEL DISPOSITIF
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION
La présente invention vise un procédé et un dispositif de traitement de digestat brut ou de digestat liquide issu d'une étape de séparation de phases provenant d'une unité de méthanisation et une unité de méthanisation comportant un tel dispositif.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Les unités de méthanisation actuellement connues produisent une quantité importante de digestat brut ou liquide issu d'une étape de séparation de phases dont le traitement est très onéreux et polluant.
Ces unités de méthanisation sont le plus souvent confrontées aux problématiques suivantes : - inhibition progressive de la digestion anaérobie causée par la recirculation de digestat brut ou digestat liquide et
conservation des éléments fertilisants dont le principal est l'azote.
Pour contrecarrer ces problèmes, le traitement du digestat brut ou liquide issu d'une étape de séparation de phases est le plus souvent indispensable afin de limiter son caractère inhibiteur, notamment dû aux concentrations en ions ammonium (NH4+) souvent trop élevées. Cette recirculation ne doit pas impacter les réactions biologiques qui interviennent dans le processus de méthanisation. L'objectif est aussi d'extraire les composés fertilisants qu'elle contient afin de pouvoir les valoriser au mieux.
De plus, ces unités de méthanisation consomment beaucoup d'eau fraîche afin de diluer les intrants pour qu'ils atteignent un taux de matière sèche cible selon le procédé utilisé, ce qui a un impact non négligeable sur l'environnement et le coût de fonctionnement de l'unité de méthanisation.
Le digestat représente la matière digérée sortant de l'unité de méthanisation. Ce produit organique a une bonne valeur fertilisante. Il subit, sur la majeure partie des installations, une séparation liquide solide par l'intermédiaire d'une presse à vis. La fraction liquide du digestat représente la plus grande partie du volume et contient la majorité de l'azote minéral (sous forme d'ammonium) servant de fertilisant. Néanmoins, si elle est épandue, l'utilisation telle quelle de cette fraction liquide entraîne une volatilisation d'une partie de cet azote, et des techniques spécifiques (enfouissement) sont requises pour minimiser ces pertes, ce qui engendre un coût supplémentaire. De plus dans les régions qui connaissent déjà un excès d'azote dans les sols, l'usage de ce produit est rendu délicat.
Les solutions les plus simples mises en œuvre pour contrôler la teneur en N-ammoniacal consistent à réaliser un traitement sur les digestats bruts ou liquides. Malgré leur simplicité a priori, ces solutions sont assez peu mises en œuvre en méthanisation agricole, territoriale ou industrielle.
La plupart des techniques utilisées s'appliquent à la fraction liquide du digestat et proviennent du traitement du lisier porcin, un produit comparable avec le digestat liquide. L'objectif est d'éliminer son contenu en azote, afin d'une part de réduire les nuisances lors de l'épandage, et d'autre part de récupérer cet azote sous la forme d'un engrais utilisable séparément et de manière contrôlée. Appliquées à la méthanisation ces techniques permettent difficilement la recirculation en tête de procédé des digestats traités.
De plus, il est souvent nécessaire d'inclure, préalablement, une étape de centrifugation car le taux de matière sèche en entrée de traitement doit être le plus faible possible. C'est un procédé de type séparation/concentration, qui a également ses origines dans le traitement du lisier ou des eaux usées. Cette technique est assez coûteuse et engendre une haute consommation d'énergie (sous forme électrique).
Les méthodes actuelles qui permettent de réduire fortement le contenu d'azote (plus de 50%) sont :
la filtration membranaire par ultrafiltration/osmose inverse,
le « strippage » d'ammoniac,
l'évaporation/condensation,
le séchage thermique,
la précipitation de struvite (Cette approche consiste à forcer la précipitation d'un complexe d'ammonium magnésium phosphate hexahydrate (MgNhUPC .ehbO) appelé struvite, référence : S.Uludag-Demirer, G.N. Demirer, C .Frear, S.Chen, Anaerobic digestion of dairy manure with enhanced ammonia removal. Journal of environnement Management 86 (2008) 193-200),
le compostage et
des traitements biologiques.
Ces techniques sont plus ou moins simples d'utilisation, mais la plus grande partie d'entre elles nécessite un apport important d'énergies thermiques telles que la filtration membranaire, le strippage et le traitement biologique qui montrent les plus grandes consommations d'électricité. Seule la méthode de précipitation de struvite implique une consommation non-négligeable de produits chimiques utilisés dans le processus.
Après traitement, quatre méthodes permettent de bien conserver l'azote, à savoir la filtration membranaire, le stripage avec lavage acide, l'évaporation et la précipitation struvite.
Le coût de la majorité de ces techniques les rend non rentables sur des installations de méthanisation. A titre d'exemple, le coût de fonctionnement (pour éliminer l'ammoniac et produire des jus de dilution non toxiques pour la méthanisation) peut s'avérer supérieur au coût d'achat d'eau potable. Les techniques de traitement impactant fortement l'OPEX (dépenses d'exploitation) puis le CAPEX (dépenses d'investissement) des installations (du fait des investissements puis des coûts énergétiques et électriques importants).
De plus, l'impact sur le caractère physico-chimique des solutions traitées les rendent souvent incompatibles avec un retour sur le procédé de méthanisation. A titre d'exemple, le stripping, tel qu'il est réalisé aujourd'hui, nécessite l'ajout de base pour augmenter l'efficacité d'élimination de l'ammoniac, du fait de l'impact favorable d'un pH basique. Mais ces valeurs élevées de pH, obtenues à l'issue du traitement, interdisent tout retour sur le procédé de méthanisation.
Aucune des technologies existantes ne permet de traiter l'ammoniac obtenu dans le procédé de méthanisation, là où les technologies doivent être peu coûteuses et sans impact sur la nature des digestats bruts ou liquides issus d'une étape de séparation de phase recirculés en tête de méthaniseur.
Par ailleurs, une partie de l'ammoniac est produite au cours des étapes de réduction de la matière organique. La composition biochimique d'une protéine peut s'écrire C53H6O28N12S3.
Selon l'équation de Buswell, il est alors possible d'estimer les taux d'ammoniac dans le milieu
(Buswell, A. M. and H. F. Mueller (1952) Mechanism of méthane fermentation. Industrial and Engineering Chemistry 44(3) : 550-552).
CcHhOoNnSs + 1/4(4c-h-2o+3n+2s) H2O = 1 /8(4c+h-2o-3n-2s)CH4 + 1/8(4c- h+2o+3n+2s)C02 + nNH3 + sH2S (A)
En fonction des conditions physico-chimiques du milieu, telles que le potentiel hydrogène
(d'acronyme « pH ») et la température en degrés Celsius, l'ammoniac se retrouve sous forme libre (NH3) ou ionisée (NH4+) . Chacune de ces formes semble avoir une action inhibitrice sur le procédé de méthanisation. Cette inhibition intervient à différents stades de la réaction, et peut impacter une ou plusieurs voies métaboliques. Le mécanisme d'inhibition de la chaîne de réaction de méthanisation reste mal connu.
De nombreuses études, telles que celles de Kayhanian en 1999 et Sprott et Patel en 1986, mettent en cause le NH3 sous sa forme libre, qui par diffusion passive au travers des membranes, entraînerait un changement de pH intracellulaire, induisant un besoin énergétique important pour la maintenance cellulaire, accompagné d'un épuisement intracellulaire du potassium ionisé. Cette inhibition serait donc non exclusive.
L'étude réalisée par Shumei Gao en 2015, a montré que l'étape d'hydrolyse de la réaction de méthanisation était peu impactée par une concentration en NH3 libre de concentration inférieure à 0,5 gramme par litre (g/L). En revanche, l'étape de méthanogenèse semble prendre préférentiellement la voie hydrogénotrophe. Cette versatilité a été mise en évidence par l'augmentation d'activité du cofacteur 420, transporteur d'électron spécifique aux populations hydrogénotrophe.
Si la concentration en ammoniac ionisée augmente au-delà de 3 g/L, l'ammoniac ionisée peut devenir inhibiteur de la réaction de méthanogenèse. On parle alors d'intoxication à l'ammoniac (NH3) ou alcalose.
Le NH3 inhiberait les bactéries acidogènes et acétogènes ; les produits d'hydrolyse, tels les acides aminés et les acides gras volatils, s'accumulent ce qui peut conduire à une chute du pH dans le digesteur, ou acidose.
L'inhibition peut également intervenir au niveau de la voie de méthanogenèse, ce qui se traduit par une accumulation en acétate et une diminution du pH.
En règle générale, l'inhibition se traduit par une diminution plus ou moins importante de la quantité de biogaz produite.
D'un autre côté, l'ammoniac ionisée est à l'origine de la formation des hydrogénocarbonates, donc du pouvoir tampon du milieu de fermentation anaérobie. A pH basique, les acides gras volatils sont préférentiellement sous leur forme ionisée, atténuant ainsi leur effet inhibiteur. La diffusion des acides gras volatils sous la forme non ionisée à travers les membranes cellulaires, induit une concentration importante dans le milieu intracellulaire, créant ainsi une inhibition des microorganismes. L'ammoniac, en deçà d'une concentration de 3 g/L, est donc à ce titre bénéfique. Il est donc fondamental de réguler la quantité d'ammoniac présente dans le digesteur. Il est classiquement admis que les facteurs sur lesquels il est possible d'agir, pour réguler la concentration en ammoniac, sont :
- la nature des substrats introduits :
- une matière présentant un rapport carbone sur azote, dit « C/N » faible, et/ou un taux d'azote organique, dit « N », élevé, conduit à un taux d'ammoniac important dans le réacteur de méthanisation (ou méthaniseur), en raison d'une dégradation normale de ce composé azoté qui est un processus classique de minéralisation de la matière dégradée ;
- une matière déjà riche en ammoniac conduit aussi par action additive à un taux élevé d'ammoniac dans le méthaniseur ;
- la dilution du méthaniseur, par de l'eau fraîche, qui permet de diminuer les taux d'ammoniac dans le méthaniseur,
- la recirculation des liquides issus de la méthanisation, qui solubilisent une part importante de l'ammoniac, en effet, sans traitement spécifique, cela conduit à une augmentation de la concentration en ammoniac par action additive.
- le temps de séjour moyen hydraulique : plus il est important, et plus on observe une minéralisation complète de l'azote organique N induisant ainsi une augmentation de la concentration en ammoniac dans le méthaniseur.
- le couple température et pH : par exemple une température de 55°C et un pH de 8 favorisent la forme NH3, nocive pour les microorganismes, alors qu'une température de 37°C et un pH inférieur à
7,4 conduisent à la forme NhU, moins inhibitrice.
La stabilité d'un digesteur anaérobie dépend donc du contrôle de la concentration en ammoniac.
OBJET DE L'INVENTION
La présente invention vise à remédier à tout ou partie de ces inconvénients.
A cet effet, la présente invention vise, selon un premier aspect, un procédé de traitement de digestat brut ou liquide issu d'une étape de séparation de phases, sortant d'une unité de méthanisation continue voie épaisse ou voie liquide, l'unité de méthanisation comportant, en amont, un système de préparation et/ou d'introduction de la matière, qui comporte :
- une étape de passage d'air dans ou en surface dudit digestat contenu dans une cuve pour extraire au moins de l'ammoniac vers l'atmosphère de la cuve et
- une étape d'extraction de l'ammoniac contenu dans l'atmosphère, et
- une étape de réinjection du digestat après passage de l'air, vers le système amont de préparation et/ou d'introduction de la matière.
Ainsi, en sortie de traitement, le digestat traité possède une concentration en ammonium considérablement réduite, ne posant plus de problème de recirculation et permettant donc de limiter les quantités d'eau fraîche à apporter afin de diluer les intrants.
D'autre part, le procédé permet d'obtenir dans certains cas un sel d'ammonium qui est un engrais utilisable en agriculture. La création de ce sous-produit permet de stabiliser l'azote, ce qui le rend moins volatil et réduit donc le risque de volatilisation lors de l'épandage. De plus, la réglementation vise à introduire trois nouveaux produits dans la norme des engrais minéraux NF U42-001 -1 dont les solutions de sulfate et phosphate d'ammonium. Le procédé de traitement proposé permet donc de créer un nouveau produit commercialisable.
On note que le procédé de traitement de l'ammoniac objet de l'invention ne nécessite pas d'ajout de réactifs dans les digestats à traiter. Il permet d'éliminer l'ammoniac (sans modification de pH quand on couple les étapes), autorisant ainsi une importante recirculation sur les procédés de méthanisation.
Dans des modes de réalisation, l'étape de passage d'air dans ou en surface du digestat contenu dans la cuve est réalisée en l'absence d'ajout de produit chimique susceptible d'accumuler des sous-produits dans le digestat.
Dans des modes de réalisation, au cours de l'étape de passage d'air dans le digestat, le système d'injection d'air utilisé est un système multiétages constitué de répartiteurs, inséré par le haut du système de traitement, avec entre un et dix étages et entre un et cinq répartiteurs d'air par étage.
Dans des modes de réalisation, le procédé comporte, après l'étape de passage d'air dans ou en surface dudit digestat, une étape de passage de biogaz dans ledit digestat pour réduire le pH du digestat.
L'injection de biogaz dans la seconde étape présente l'avantage que, en sortie de cette étape, le gaz a une concentration élevée en méthane. Quel que soit le type de valorisation du biogaz mise en place, il est favorable d'avoir un taux de méthane le plus élevé possible.
Dans des modes de réalisation, au cours de l'étape de passage de biogaz dans le digestat, on injecte un biogaz ayant une concentration de méthane comprise entre 45 et 70% et une concentration de dioxyde de carbone comprise entre 30% et 55%.
Dans des modes de réalisation, le procédé comporte une étape de réinjection du digestat après passage du biogaz, vers le système de préparation et/ou d'introduction de la matière.
Dans des modes de réalisation, le digestat soumis au passage de l'air possède un pH initial compris entre 7 et 8,5.
Dans des modes de réalisation, au cours de l'étape de passage d'air dans ou en surface dudit digestat, la température du digestat est entre 25°C et 85°C, préférentiellement entre 25°C et 50°C.
Dans des modes de réalisation, au cours de l'étape de passage d'air dans ou en surface dudit digestat, l'air injecté est à température ambiante.
Ainsi, l'air n'est pas chauffé.
Dans des modes de réalisation, au cours de l'étape de passage d'air en surface dudit digestat, le taux de renouvellement de l'atmosphère de la cuve est entre 0,5 et 5 par heure.
Dans des modes de réalisation, au cours de l'étape de passage d'air en surface dudit digestat, le rapport de la surface d'échange gaz/liquide sur le volume de digestat à traiter est entre 0,15 m2. m 3 de digestat à traiter et 20,00 m2. m 3 de digestat à traiter, préférentiellement entre 0,15 et 10 m2. m 3 de digestat à traiter et plus préférentiellement entre 0,15 et 5 m2. m 3 de digestat à traiter.
Dans des modes de réalisation, au cours de l'étape de passage d'air dans le digestat, le rapport débit d'air injecté sur volume de digestat à traiter est compris entre 20 et 200 m3air.H-1.m-3, préférentiellement 40 et 150 m3air.H-1.rrr3 de digestat à traiter. Dans des modes de réalisation, le procédé objet de l'invention comporte, de plus, les étapes suivantes :
- réaction de méthanisation par fermentation d'un substrat dans au moins un compartiment, la réaction produisant une atmosphère comportant au moins du méthane et de l'ammoniac,
- extraction de l'atmosphère d'au moins un compartiment,
- lavage de l'atmosphère extraite par injection d'un liquide d'épuration,
- extraction du gaz lavé dont la concentration en ammoniac a diminué et
- injection dudit gaz dans au moins un compartiment.
La présente invention vise, selon un deuxième aspect, un dispositif de traitement de digestat brut ou liquide issu d'une étape de séparation de phases, sortant d'une unité de méthanisation continue voie épaisse ou voie liquide, l'unité de méthanisation comportant, en amont, un système de préparation et/ou d'introduction de la matière, qui comporte :
- un moyen de passage d'air dans ou en surface dudit digestat contenu dans une cuve pour extraire au moins de l'ammoniac vers l'atmosphère de la cuve et
- un moyen d'extraction de l'ammoniac contenu dans l'atmosphère, et
- un moyen de réinjection du digestat après passage de l'air, vers le système amont de préparation et/ou d'introduction de la matière.
Dans des modes de réalisation, le dispositif comporte un moyen de passage de biogaz dans ledit digestat pour réduire le pH du digestat, après le passage d'air dans ou en surface dudit digestat.
Les buts, avantages et caractéristiques particulières de ce dispositif étant similaires à ceux du procédé objet de la présente invention, ils ne sont pas rappelés ici.
La présente invention vise aussi à contrôler la concentration en ammoniac dans une atmosphère d'un compartiment de méthanisation pour améliorer la rapidité et la stabilité dans le temps d'une réaction chimique. La présente invention vise également à orienter la réaction de méthanisation pour obtenir la forme désirée d'ammoniac.
A cet effet, dans des modes de réalisation, le dispositif de méthanisation comporte :
- un réacteur de méthanisation comportant au moins un compartiment dans lequel est inséré un substrat en fermentation, produisant une atmosphère comportant au moins du méthane et de l'ammoniac,
- une unité d'extraction de l'atmosphère d'au moins un compartiment, l'unité comportant :
- un premier conduit d'extraction de l'atmosphère d'au moins un compartiment,
- une colonne de lavage dans laquelle débouche le premier conduit et qui comporte au moins un injecteur d'un liquide d'épuration,
- au moins un deuxième conduit d'extraction du gaz lavé dont la concentration en ammoniac a diminué et d'injection dudit gaz dans au moins un compartiment.
Grâce à ces dispositions, l'équilibre de l'ammoniac dissous est régulé par actions simultanées sur :
- la température du réacteur,
- le pH du réacteur et
- la pression partielle en ammoniac gaz dans l'atmosphère du réacteur. Dans des modes de réalisation, le conduit d'injection présente au moins un orifice d'injection du gaz proche du fond d'un compartiment.
Ces modes de réalisation permettent d'injecter le gaz dont la concentration en ammoniac est diminuée au fond du compartiment, pour remuer le substrat en fermentation et traverser ce substrat selon un procédé dénommé « bullage ».
Dans des modes de réalisation, le liquide d'épuration comporte de l'acide sulfurique ou nitrique ou phosphorique.
L'avantage de l'utilisation d'acide est de transformer l'ammoniac de l'atmosphère extraite en sels d'ammonium de type sulfate d'ammonium , qui est un engrais, par réaction avec l'acide sulfurique.
Dans des modes de réalisation, le réacteur de méthanisation comporte au moins deux compartiments, chaque compartiment comportant un conduit d'injection de gaz pour lequel la quantité de gaz injecté dans chaque compartiment est régi par une vanne, chaque vanne étant pilotée indépendamment.
Grâce à ces dispositions, les réacteurs comprenant plusieurs compartiments, chaque compartiment réalisant une étape différente de la réaction de méthanisation. Les températures et les pH peuvent être adaptés dans les différents compartiments en fonction de ces étapes, la concentration en ammoniac de l'atmosphère d'au moins un compartiment étant régulée de manière indépendante.
Dans des modes de réalisation, le dispositif comporte un capteur de taux d'ammoniac dans la matière en fermentation et une unité de contrôle configurée pour déclencher le fonctionnement de l'unité d'extraction pour réduire la concentration en ion ammonium lorsque la concentration captée est supérieure 4 g/L de matière en fermentation.
Dans des modes de réalisation, l'unité de contrôle est configurée pour déclencher le fonctionnement de l'unité d'extraction pour réduire la concentration en ion ammonium lorsque la concentration captée est supérieure 3 g/L de matière en fermentation.
Dans des modes de réalisation, le dispositif comporte une pluralité de compartiments de fermentation, dont les atmosphères sont rendues indépendantes en étant séparées par au moins une cloison.
Dans des modes de réalisation, le dispositif comporte un système piston pour déplacer la matière en fermentation d'un compartiment à un autre.
Dans des modes de réalisation, le dispositif comporte une matière à fermenter dont le taux de matière sèche est, en entrée, supérieur à 15%.
Dans des modes de réalisation, le dispositif comporte une matière à fermenter dont le taux de matière sèche est, en entrée, supérieur à 20%.
Dans des modes de réalisation, le dispositif comporte au moins une cheminée descendant dans la matière en fermentation pour injecter le gaz lavé dans un compartiment d'où le gaz à laver a été extrait par l'unité d'extraction.
Dans des modes de réalisation, le dispositif comporte un moyen de mise sous pression du gaz à injecter par une cheminée à une pression comprise entre 5 et 8 bars.
Dans des modes de réalisation, l'unité d'extraction est configurée pour extraire une partie de l'atmosphère dans un compartiment où se trouve la majorité des bactéries acidogènes. Dans des modes de réalisation, l'unité d'extraction est configurée pour extraire une partie de l'atmosphère dans un compartiment où se trouve la majorité des bactéries acétogènes.
Dans des modes de réalisation, l'unité d'extraction est configurée pour extraire une partie de l'atmosphère dans un compartiment où est effectuée la méthanogenèse.
Dans des modes de réalisation, au moins un compartiment dans lequel l'unité d'extraction extrait une partie de l'atmosphère présente une température comprise entre 50°C et 60 °C.
Dans des modes de réalisation, au moins un compartiment dans lequel l'unité d'extraction extrait une partie de l'atmosphère présente un potentiel hydrogène compris entre 7,5 et 8,7.
Dans des modes de réalisation, au moins un compartiment dans lequel l'unité d'extraction extrait une partie de l'atmosphère présente un potentiel hydrogène compris entre 7,9 et 8,7.
Dans des modes de réalisation, au moins un compartiment dans lequel l'unité d'extraction extrait une partie de l'atmosphère présente un titre en méthane compris entre 52% et 65%.
Ces compartiments bénéficient particulièrement de la régulation du taux d'ammoniac.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
D'autres avantages, buts et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui suit d'au moins un mode de réalisation particulier du procédé et du dispositif de génération d'un programme d'activités physiques et sportives personnalisé et adapté, en regard des dessins annexés, dans lesquels :
la figure 1 représente, schématiquement, une unité de méthanisation de type connu,
- la figure 2 représente, schématiquement, un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention,
la figure 3 représente, schématiquement, une colonne à garnissage fonctionnant à contre- courant,
la figure 4 représente, schématiquement, un schéma fonctionnel relatif à une première étape du procédé objet de l'invention,
la figure 5 représente, schématiquement, un schéma fonctionnel relatif à une deuxième étape du procédé objet de l'invention,
la figure 6 représente, schématiquement, un réacteur de test,
la figure 7 représente des points expérimentaux testés avec une injection d'air dans le substrat,
la figure 8 représente des points expérimentaux testés avec une injection d'air en surface de substrat,
la figure 9 représente, sous forme de logigramme, des étapes d'un mode de réalisation particulier du procédé objet de l'invention,
- la figure 10 représente, schématiquement, un mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention,
la figure 1 1 représente, schématiquement et sous forme d'un logigramme, une succession d'étapes particulière d'un procédé objet de la présente invention,
la figure 12 représente, schématiquement, une unité de méthanisation en voie sèche, - la figure 13 représente, schématiquement, un laveur de gaz et la figure 14 représente un dispositif multi compartiments doté de capteurs et de moyens de contrôle.
DESCRIPTION D'EXEMPLES DE REALISATION DE L'INVENTION
On note que les figures ne sont pas à l'échelle.
Certains substrats agricoles présentent des teneurs en azote importantes. Or les substrats fortement azotés ralentissent voire inhibent le processus de méthanisation.
Parmi les gisements méthanisables, il existe plusieurs sources d'azote :
l'azote minéral préférentiellement issu des urines (principalement présent dans les fumiers et lisiers) et
- l'azote organique issu des protéines contenues dans la matière organique.
Une importante partie de l'ammoniac est produite au cours des étapes de réduction de la matière organique. En fonction des conditions physico-chimiques du milieu (pH et Température) l'ammoniac se retrouve sous forme libre (NH3) ou ionisée, ion ammonium (NhV). Chacune de ces formes possède une action inhibitrice sur le procédé de méthanisation ; néanmoins, la forme libre NH3 est reconnue comme étant la plus nocive. Cette inhibition intervient à différents stades de la réaction, et peut impacter une ou plusieurs voies métaboliques. Si la concentration en ions ammonium augmente au-delà de 3 g/L, il peut devenir inhibiteur de la réaction de méthanogénèse. On parle alors d'intoxication à l'ammoniac (NH3) ou alcalose.
L'inhibition se traduit alors par une diminution plus ou moins importante de la quantité de biogaz produit.
Il est donc fondamental de réguler la quantité d'ammoniac (forme NH3 ou NHV) présente dans le digesteur. Il est classiquement admis que les facteurs sur lesquels il est possible d'agir, pour réguler la concentration en ammoniac, sont :
- la nature des substrats introduits :
- la dilution des intrants ou du méthaniseur, par de l'eau fraîche, qui permet de diminuer le taux de l'ammoniaque dans le méthaniseur. En entrée de méthanisation les intrants sont dilués afin d'atteindre un taux de matière sèche optimal en fonction de la technologie choisie (voie liquide ou voie épaisse). Un des objectifs de la présente invention est d'utiliser le moins d'eau fraîche possible, en recirculant au maximum les jus produits après séparation de phases du digestat brut en sortie de méthanisation.
- la recirculation des jus de process, qui solubilisent une part importante de l'ammoniac. Sans traitement spécifique, cela conduit cependant à une augmentation de la concentration de l'ammoniac par action additive.
- le temps de séjour moyen hydraulique : plus il est important, et plus on observe une minéralisation complète de l'azote organique Norg, induisant ainsi une augmentation de la concentration de l'ammoniaque dans le méthaniseur et
- le couple température et pH : par exemple, une température de 55°C et un pH de 8 favorisent la forme NH3, nocive pour les microorganismes, alors qu'une température de 37°C et un pH inférieur à 7,4 conduisent à la forme NHV, moins inhibitrice.
La stabilité d'un digesteur anaérobie dépend donc du contrôle de la concentration de l'ammoniac. La présente invention vise à :
- pouvoir utiliser des substrats présentant un déséquilibre sur l'azote total. Cela permettrait, d'ouvrir le marché actuel à de nombreux substrats/déchets pour l'instant peu utilisés dans ces procédés (car entraînant une inhibition à l'ammoniac). Cela réduirait (voire éliminerait) aussi l'utilisation d'eau de dilution mise en œuvre sur les procédés actuels, minimisant fortement les rejets « aqueux » en sortie de méthaniseur.
Trois applications sont identifiées :
l'agricole individuel de petite taille, ou l'approche des constructeurs allemands convainc le plus (on se limite à la fourniture des équipements et à la gestion des travaux, ce qui permet de proposer des prix bas),
l'agricole individuel de moyenne taille (souvent mené par des « agro managers ») et le petit collectif et
les projets collectifs territoriaux et les projets de méthanisation d'ordures ménagères et de boues.
L'élimination et le contrôle de l'ammoniac proposés ici concerne les digestats bruts et digestats liquides issus d'une étape de séparation de phases, utilisés pour diluer les substrats mis en œuvre.
Traitement externe de l'ammoniac sur les digestats bruts et digestats liquides issus d'une étape de séparation de phases.
La figure 1 représente une unité de méthanisation 20 de type connu pouvant comporter une ou plusieurs cuves de digestion anaérobie.
Un système 21 de préparation et/ ou d'introduction des intrants reçoit de l'eau fraîche par une entrée 22. Les intrants sont introduits dans le méthaniseur 23 pouvant comporter une ou plusieurs cuves de digestion anaérobie, qui fournit du biogaz à une unité de valorisation 24. Le digestat en sortie du méthaniseur, pouvant comporter une ou plusieurs cuves, est séparé par un séparateur 26 en une partie solide, qui est stockée dans un stockage 25, et une partie liquide, ou « jus ». Cette partie liquide est répartie entre un stockage 27 de digestat liquide et une unité de traitement 28 dont la sortie 29 est réinjectée dans le système de préparation et/ ou d'introduction de la matière 21 .
Le procédé objet de l'invention vise à réduire, voire éliminer, l'ammoniac contenu dans les digestats bruts ou liquides issus d'une étape de séparation de phases tout en pouvant créer un produit à valeur ajoutée selon les étapes suivantes :
La première étape, illustrée en figure 2, consiste à :
a) déplacer l'équilibre NhV (aq) <→ NH3(g) en faveur de l'ammoniac (forme gazeuse) grâce à des conditions opératoires optimales (température et pH) ;
b) injecter de l'air dans ou en surface du digestat (brut ou liquide) et
c) traiter l'atmosphère résultant du passage de l'air en contact avec le digestat.
Préférentiellement, l'étape de passage d'air dans ou en surface du digestat contenu dans la cuve est réalisée en l'absence d'ajout de produit chimique susceptible d'accumuler des sous-produits dans le digestat. En particulier, en l'absence d'ajout de soude laissant des sous-produits à base de Sodium ou de chaux laissant des sous-produits à base de Calcium, de coagulant et de floculant. L'injection d'air est réalisée, préférentiellement, par un système d'injection d'air multiétages constitué de répartiteurs, inséré par le haut du système de traitement, avec entre un et dix étages et entre un et cinq répartiteurs d'air par étage.
On observe, en figure 2, un méthaniseur pouvant comporter une ou plusieurs cuves de digestion anaérobie 31 , un séparateur 32 menant vers un stockage 34 de digestat solide et une sortie 43 de digestat liquide. Cette partie liquide est répartie entre un stockage 33 de digestat liquide et une unité de traitement 30. Cette unité de traitement 30 comporte une cuve 36 qui reçoit le digestat liquide et de l'air issu d'une entrée d'air sous pression 37, par l'intermédiaire, selon les variantes :
Choix n°1 : d'un répartiteur de gaz 38 en fond de la cuve 36 et/ou
Choix n°2 : d'une entrée d'air 44 dans l'atmosphère 39, en haut de la cuve 36.
Dans les trois variantes (choix 1 , choix 2, choix 1 et 2), la cuve 36 présente une canalisation 40 de sortie de gaz, essentiellement de l'air chargé en ammoniac, et une sortie de phase liquide qui peut mener à la deuxième étape du procédé illustrée en figure 4 et/ou au système de préparation et/ ou d'introduction des intrants 42 en tête de méthaniseur. La canalisation 40 mène le gaz vers un système de traitement 41 .
Préférentiellement, au cours de l'étape de passage d'air dans le digestat ou en surface du digestat :
- le digestat soumis au passage de l'air possède un pH initial compris entre 7 et 8,5,
- la température du digestat est entre 25°C et 85°C, préférentiellement entre 25°C et 50°C, - l'air injecté est à température ambiante,
- le taux de renouvellement de l'atmosphère de la cuve est entre 0,5 et 5 par heure,
- le rapport de la surface d'échange gaz/liquide sur le volume de digestat à traiter est entre 0,15 m2. m 3 de digestat à traiter et 20,00 m2. m 3 de digestat à traiter, préférentiellement entre 0,15 et 10m2. m 3 et plus préférentiellement entre 0,15 et 5 m2.rrr3de digestat à traiter. et/ou
- le rapport débit d'air injecté sur volume de digestat à traiter est compris entre 20 et 200 m3air.H-1.m-3, préférentiellement 40 et 150 m3air.H-1.m-3 de digestat à traiter.
La technique de traitement de l'atmosphère mise en œuvre peut comporter au moins l'une des suivantes (liste non exhaustive) :
Techniques absorption physico-chimiques :
- Lavages,
Colonnes à garnissage,
Réacteurs à pulvérisation,
Pulvérisateur.
Techniques d'absorption biologiques :
- Traitement par bio filtre.
Parmi ces différentes techniques de traitement, les technologies les plus utilisées sont les contacteurs à colonne à garnissage. Notons qu'un pré-traitement des gaz est souvent nécessaire avant de les introduire dans ces contacteurs. Une colonne à garnissage 50 (figure 3) est constituée des éléments suivants :
- une grille 54 support de garnissage permettant de supporter le poids du garnissage 53 et du liquide retenu sur ce garnissage et assurant une distribution des liquides en bas de colonne, une entrée de gaz 55.
un système 52 de distribution du liquide, avec redistribution s'il y a lieu. Le liquide peut être, dans ce cas d'application, une solution d'eau contenant de l'acide sulfurique, phosphorique ou nitrique.
- un dévésiculeur 58 pour l'élimination des gouttes de liquides qui pourraient être entraînées par le gaz en sortie 59.
Le fonctionnement est généralement à contre-courant : le gaz est ascendant et le liquide de lavage s'écoule par gravité sur le garnissage. Le choix du garnissage, élément essentiel de ce type de contacteur, est dicté par la surface de contact offerte entre le gaz et le liquide utilisé, le calcul des pertes de charge et son prix. Les garnissages peuvent être de formes variées (anneaux, selles...), de matériaux différents (céramique, verre, métal...) et être rangés ou disposés en vrac. La figure 3 représente une colonne à garnissage 50 fonctionnant à contre-courant.
L'efficacité d'un traitement de gaz par un procédé d'absorption dépend de la nature des composés, de la solution de lavage utilisée, du type de contacteur retenu et des conditions de fonctionnement.
Les principaux avantages de l'absorption :
- Adaptable à beaucoup de secteurs industriels, notamment les industries chimiques, parachimiques et pharmaceutiques, les équarrissages, les stations d'épuration d'eaux urbaines, les fabrications d'engrais organiques, etc.
- Bonne efficacité d'abattement (> 95%) sur une large gamme de débits, de concentrations et de composés. Les performances d'épuration par lavage dépassent très souvent 95%, atteignant même plus de 98% dans de nombreux cas. De plus, il convient de noter que le domaine d'application des procédés d'absorption est très large.
- Adaptable à de fortes concentrations en polluants et à de brusques variations de charge. - Flexibilité et régularité de traitement
- Mise en route du procédé et redémarrage immédiats.
On note que le dispositif objet de l'invention peut nécessiter un apport thermique afin de chauffer les digestats pour se placer dans les meilleures conditions opératoires possibles.
L'injection d'air dans ou en surface du digestat liquide provoque une augmentation de pH induite par la désorption du dioxyde de carbone initialement dissous. Ne pouvant pas faire recirculer des digestats trop basiques qui pourraient inhiber les premières étapes de la méthanisation, le pH des digestats est abaissé au cours de la deuxième étape, avant que le jus puisse être utilisé en tant que diluant vers un système de préparation de la matière.
La deuxième étape optionnelle, illustrée en figure 4, consiste en :
d) l'injection de biogaz avec des concentrations de méthane comprise entre 45 et 70% et de dioxyde de carbone comprise entre 30% et 55% et
e) le retour des digestats traités dans le système de préparation et/ou introduction de la matière, en tête du méthaniseur, afin de diluer les intrants.
On observe, en figure 4, une unité de méthanisation 60 comportant un méthaniseur 61 pouvant comporter une ou plusieurs cuves de digestion anaérobie, une canalisation 62 transportant du biogaz contenant des concentrations de méthane comprise entre 45 et 70% et de dioxyde de carbone comprise entre 30% et 55%. La canalisation 62 injecte ce biogaz par un répartiteur de gaz 63 en fond de cuve, qui débouche dans une cuve 64 comportant le digestat issu de la première étape (figure 3). La cuve 64 présente une sortie supérieure 65 de biogaz contenant des concentrations de méthane comprise entre 70 et 90% et de dioxyde de carbone comprise entre 10% et 30%. La cuve 64 présente aussi une sortie 66 pour le retour du digestat traité vers le système de préparation de la matière. Cette deuxième étape permet de dissoudre le CO2 contenu dans le biogaz, ce qui entraine une chute du pH. Le biogaz sortant a donc une faible concentration en dioxyde de carbone mais une grande proportion de méthane.
Pour illustrer les avantages liés à la mise en œuvre d'un procédé et d'un dispositif de traitement de l'ammoniac, plusieurs simulations ont été réalisées à partir d'outils de dimensionnement. La typologie de projet pris dans cet exemple correspond à une installation de 250 kWe/j traitant un mélange composé de fumier bovin (60%), d'ensilage d'herbe (30%) et de déchets de céréales (10%) (Pourcentages massiques).
Dans le tableau ci-dessous, le scénario 1 correspond au mode de fonctionnement de base, d'une unité fonctionnant avec ajout d'eau et concentration en NhV dans le méthaniseur de 2,75 g.L 1. Comme le montrent les scénarios 2 et 3, l'augmentation de siccité en entrée de digestion induit une augmentation importante du taux de NhV dans le milieu, proche des seuils d'inhibition. On rappelle que la siccité est le pourcentage massique de matière sèche. Ainsi une boue avec une siccité de 10% présente une humidité de 90%, en masse.
Le scénario 7 correspond à un fonctionnement favorable trouvé entre la siccité en entrée, le taux de recirculation et le taux de traitement de l'ammoniac. En effet avec les paramètres de fonctionnement du scénario 7, l'apport d'eau annuel devient nul, le taux de NHV en sortie de digestion est acceptable (2,63 g.L 1). L'impact sur les volumes de cuveries est amélioré d'environ 30% pour le méthaniseur et de 50% pour la cuve stockage de jus de presse.
Scénario 1 2 3 4 5 6 7
Siccité en entrée (%MS) 20 25 30 25 25 25 30
Taux de recirculation du
digestat (%) 0 0 0 65 65 65 27
Evaporation NH3 (%) 0 0 0 0 15 25 35 NH4 en sortie (g/L) 2,75 3,40 4,03 4,52 3,25 2,32 2,63
Eau (m3/jour) 13,0 6,2 1 ,7 0,0 0,0 0,0 0,0
Cuverie méthaniseur (m3) 1669 1316 1081 2054 2054 2054 1200
Cuverie de stockage (m3) 4357 3142 2332 1991 1991 1991 2017
La réduction des volumes de méthanisation et de stockage peut entraîner une diminution de 15% de l'investissement à réaliser pour construire une unité de méthanisation.
L'optimisation du traitement de l'ammoniac sur les digestats bruts ou liquides issus d'une étape de séparation de phases comporte d'optimiser le traitement de l'ammoniac sur les digestats bruts ou liquides issus d'une étape de séparation de phases, en fonction des caractéristiques des digestats, et d'optimiser les quantités d'air et de biogaz injectés, avec étude des conditions opératoires. Selon la siccité de la matière présente dans le méthaniseur, le traitement peut s'appliquer directement sur le digestat brut, comme dans le dispositif 70 illustré en figure 5.
On observe, en figure 5, l'unité de méthanisation 70 comportant le méthaniseur 71 pouvant comporter une ou plusieurs cuves de digestion anaérobie, dont le digestat brut est acheminé, par une canalisation 72 à une unité de traitement identique à celle illustré en figure 2, même si les valeurs de ses paramètres de fonctionnement peuvent être différents.
Le taux de matière sèche de la matière à traiter par passage d'air peut atteindre jusqu'à 17%.
Des essais déjà réalisés ont été portés sur l'étape d'injection d'air dans ou en surface des digestats afin d'éliminer l'ammoniac présent dans les digestats, ce qui entraine également une désorption du CO2 dissous.
Concernant l'injection d'air dans les digestats (bullage) :
Des essais ont été réalisés dans un réacteur 80 en verre avec double enveloppe, tel qu'illustré en figure 6, représentant la géométrie d'une cuve industrielle pouvant être chauffée. Une quantité de digestat liquide 83 est introduite dans la cuve 82 du réacteur 80. Le débit d'air entrant par une entrée 85 est réglé en fonction du volume de digestat liquide à traiter afin d'obtenir le rapport Q/V (débit d'air injecté sur volume de digestat à traiter) souhaité. La température dans la double enveloppe est suivie tout au long des essais par une sonde de température 89 ainsi que le pH des digestats liquides, par une sonde de pH 88. Différents prélèvements sont réalisés pendant les 32 heures d'essai par un point de prélèvement de digestat liquide 86. Une entrée d'eau 81 et une sortie d'eau 87 permettent une circulation d'eau de chauffage de la cuve 82. Enfin, une sortie de gaz 84 permet l'évacuation des gaz à traiter.
Les conditions testées sont :
- température de traitement allant de 25 à 55°C et
- rapport Q/V (débit d'air injecté sur volume de digestat à traiter) de 0,006 à 0,135 Lair/H.mL de digestat liquide soit 6,00 m3air.H-1.m-3 à 135,00 m3air.H-1.m-3 de digestat liquide.
Des points expérimentaux 91 mis en œuvre sont représentés dans le graphe 90 de figure 7. On observe, en figure 7, que les intervalles de valeurs de température et de ratio Q/V sont de :
- 25 à 60°C
- 0,020 à 0,200 Lair/H.mL de digestat à traiter soit 20,00 m3 air.H-1.m-3 à 200,00 m3air.H-1.m-3 de digestat liquide.
Concernant l'injection d'air en surface des digestats (balayage) :
Des essais ont été réalisés sur deux réacteurs cylindriques de capacités et de diamètres internes différents comportant une double enveloppe dans laquelle il est possible de faire circuler un fluide maintenant la cuve à température constante.
Une quantité de digestat est introduite dans la cuve du réacteur afin d'obtenir un rapport S/V : d'une part entre la section S du réacteur
et d'autre part le volume V de digestat
Le petit réacteur permet de tester une petite section et différents S/V selon le remplissage de la cuve. Le grand réacteur permet de tester une grande section et différents S/V selon le remplissage de la cuve. Le débit d'air entrant est réglé en fonction du volume de ciel gazeux, ce qui donne un taux de renouvellement de ce ciel gazeux par heure.
La température dans la double enveloppe est suivie tout au long des essais par une sonde de température ainsi que le pH des digestats, par une sonde de pH. Différents prélèvements sont réalisés pendant les 32 heures d'essai par un point de prélèvement de digestat. Une entrée d'eau et une sortie d'eau permettent une circulation d'eau de chauffage de la cuve. Enfin, une sortie de gaz permet l'évacuation des gaz à traiter.
Les conditions testées sont :
Température : 55°C
- Renouvellement de l'atmosphère de la cuve : 5 par heure
Section de réacteur : min= 80cm2 max=320cm2
Rapport S/V : min=0,006 m2/L de digestat à traiter et max=0,017 m2/L de digestat à traiter soit min=6,00 m2. m 3 de digestat à traiter et max=17,00 m2. m 3 de digestat à traiter.
Des points expérimentaux 96 mis en œuvre sont représentés dans le graphe 95 de figure 8. Les intervalles de valeurs de température de taux de renouvellement et de ratio S/V pour ce traitement sont de :
- Température : 25°C - 85°C,
Renouvellement de l'atmosphère de la cuve : 0.5 - 5 fois par heure
- Rapport S/V : 0,15 à 20,00 m2.m-3.
On observe, en figure 9, un procédé en monoétape, c'est-à-dire réalisé dans une cuve unique, pour réduire, voire éliminer, l'ammoniac contenu dans les digestats bruts ou liquides issus d'une étape de séparation de phases d'une unité de méthanisation pouvant comporter une ou plusieurs cuves de digestion anaérobie tout en créant un produit à valeur ajoutée, selon le type de traitement de l'atmosphère choisi. Ce procédé comporte :
A/ Une première phase 100 comportant :
a) une étape 101 d'établissement de conditions opératoires en température et en pH, favorables au déplacement de l'équilibre NhV (aq) <→ NH3(g) en faveur de l'ammoniac (forme gazeuse) ;
b) une étape 102 d'injection d'air dans ou en surface des digestats par bullage ou balayage du ciel gazeux et
c) une étape 103 de valorisation de l'ammoniac par un système de traitement de l'atmosphère.
B/ Une deuxième étape 104, comportant :
d) une étape 105 d'injection de biogaz dans les digestats, avec une concentration de méthane comprise entre 45% et 70% et une concentration de dioxyde de carbone comprise entre 30% et 55% et
e) une étape 16 de retour des digestats traités vers le système de préparation et/ou introduction de la matière.
On décrit, ci-après, des modes de réalisation qui ajoutent, au procédé et au dispositif décrits ci-dessus, une régulation du taux d'ammoniac dans au moins un compartiment d'un réacteur de méthanisation. Ces modes de réalisation combinent les avantages du traitement de l'ammoniac dans les digestats bruts ou liquides et un fonctionnement plus efficace et plus rapide du réacteur de méthanisation.
On observe, sur la figure 10, qui n'est pas à l'échelle, une vue schématique d'un mode de réalisation du dispositif 1 10, qui comporte :
- un réacteur de méthanisation comportant un compartiment 1 1 1 dans lequel se trouve un substrat 1 12 en fermentation, produisant une atmosphère 1 13 comportant au moins du méthane et de l'ammoniac,
- une unité d'extraction de l'atmosphère du compartiment 1 1 1 , l'unité comportant :
- un premier conduit d'extraction 1 14 de l'atmosphère du compartiment 1 1 1 ,
- une colonne de lavage 1 15 dans laquelle débouche le premier conduit 1 14 et qui comporte au moins un injecteur 1 16 d'un liquide d'épuration,
- au moins un deuxième conduit d'extraction 1 17 du gaz lavé dont la concentration en ammoniac a diminué et d'injection dudit gaz dans le compartiment 1 1 1 .
Le substrat 1 12 comporte des bactéries pour le procédé de fermentation. La température, le potentiel hydrogène et le temps de séjour du substrat dans le compartiment sont contrôlés et sont maintenus dans un intervalle de tolérance défini par des valeurs limites prédéterminées. Un tel contrôle oriente la réaction de méthanisation pour former de l'ammoniac sous forme NH3. Le contrôle est effectué dans chaque compartiment du réacteur, notamment dans le compartiment d'hydrolyse.
L'unité d'extraction de l'atmosphère du compartiment 1 1 1 est configurée pour réguler la concentration en ammoniac de l'atmosphère de chaque compartiment. La régulation peut être effectuée par un asservissement d'une vanne sur le conduit d'extraction 1 14 et 1 17 en fonction de la concentration en ammoniac. Cette concentration peut être soit estimée par calcul réalisé à partir des conditions de température et de pH (selon les équilibres acido-basiques décrits ci-dessous), soit mesurée directement dans le liquide ou le gaz. L'asservissement peut être réalisé par une unité de commande. L'asservissement peut également dépendre du rapport de concentration en méthane (CH4) sur la concentration en ammoniac (NH3) devant être maintenu proche d'une valeur limite prédéterminée. Le rapport de concentration en méthane (CHU) sur la concentration en ammoniac (NH3) peut être remplacé par le rapport de concentration en carbone (C) sur la concentration en azote (N).
Préférentiellement, lorsque le réacteur de méthanisation comporte au moins deux compartiments 1 1 1 , chaque compartiment 1 1 1 comporte un conduit d'injection 1 17 de gaz pour lequel la quantité de gaz injecté dans chaque compartiment 1 1 1 est régi par une vanne, chaque vanne étant pilotée indépendamment. Le pilotage de chaque vanne peut correspondre au mode de réalisation décrit ci-dessus.
Dans des modes de réalisation préférentiels, la pression dans les conduits d'extraction 1 14 et
1 17 est égale à la pression de l'atmosphère 1 13 du compartiment 1 1 1 . Alternativement, la pression dans au moins un conduit d'extraction, 1 14 et/ou 1 17 est inférieure à la pression de l'atmosphère 1 13 du compartiment 1 1 1 . Où, la pression dans au moins un conduit d'extraction 1 14 et/ou 1 17 est supérieure à la pression de l'atmosphère 1 13 du compartiment 1 1 1 .
La pression dans la colonne de lavage peut également être modifiée tels que les gaz dans la colonne de lavage sont comprimés par rapport à l'atmosphère 1 13 du compartiment 1 1 1 . Ces modes de réalisation permettent d'élim iner au moins partiellement le dioxyde de carbone (CO2) dans l'atmosphère du compartiment 1 1 1 . Notamment, l'élim ination du dioxyde de carbone est améliorée lorsque le liquide d'épuration est de l'eau. Une telle élim ination du dioxyde de carbone est une méthode de régulation du potentiel hydrogène dans le compartiment 1 1 1 . Donc dans ces modes de réalisation, la concentration en ammoniac et la concentration en dioxyde de carbone sont régulées sim ultanément.
Dans des modes de réalisation , la température du liquide d'épuration est optimisée pour laver le gaz plus efficacement.
Dans des modes de réalisation , le conduit d'injection 1 1 7 présente un orifice d'injection 1 18 du gaz proche du fond 1 1 9 du compartiment 1 1 1 et donc dans le substrat en fermentation 1 12. L'injection du gaz proche du fond 1 1 9 du compartiment 1 1 1 permet de rem uer le substrat avec un gaz dont la concentration en ammoniac est diminuée.
Dans des modes de réalisation , le conduit d'injection 1 1 7 présente un orifice 1 18 dans l'atmosphère 1 13 du compartiment 1 1 1 . Les modes de réalisation de l'injection du gaz peuvent être combinées et l'unité de lavage peut comprendre au moins deux conduits d'injection 1 1 7, l'un présentant un orifice d'injection dans l'atmosphère du compartiment 1 1 1 et l'autre présentant un orifice d'injection proche du fond 1 1 9 du compartiment 1 1 1 .
Dans des modes de réalisation, le liquide d'épuration comporte de l'acide sulfurique, nitrique ou phosphorique pour transformer l'ammoniac lavé en engrais.
Concernant l'ammoniac, l'équilibre ionique en solution dans le réacteur est régi par l'équation :
Nhtad + H2O ¾ NH4OH ¾ NH4 + + OH- (B)
Par exemple, en se plaçant à 55°C et à un pH supérieur à 7,5, on oriente l'équilibre vers la forme NH3 dissout (NHM) dans le réacteur. La forme dissoute est inhibitrice au-delà d'un certain seuil de concentration dans le liquide.
Il convient donc de faire passer l'ammoniac du liquide vers le gaz, selon l'équilibre :
NH3d ¾ NH3g (C)
Selon la loi de Henry, la concentration maximale d'un gaz en solution, en équilibre avec une atmosphère contenant ce gaz, est proportionnelle à la pression partielle de ce gaz en ce point :
Figure imgf000019_0001
avec
CsNH3d : la concentration maximale (à saturation) de l'ammoniac dans le liquide
PNH3Q : la pression partielle de l'ammoniac dans le gaz
HNH3 : la constante de Henry pour l'ammoniac.
Selon l'équation D, il est donc nécessaire de diminuer la pression partielle de l'ammoniac dans l'atmosphère 1 13 du compartiment 1 1 1 du réacteur de méthanisation. Cette opération est effectuée par recirculation du biogaz produit dans le compartiment 1 1 1 du réacteur de méthanisation, avec élim ination de l'ammoniac NH3g dans la boucle de recirculation.
Une partie du biogaz produit et composant l'atmosphère 1 13 du compartiment 1 1 1 est traitée dans l'unité de lavage qui est configurée pour éliminer du NH3g. Puis le biogaz est réinjecté avec une concentration en NH3 diminuée dans le compartiment 1 1 1 . Cette opération a pour effet de réduire la quantité de NH3 sous forme dissoute par abaissement de la pression partielle dans l'atmosphère 1 13 du compartiment 1 1 1 , le NH3 prend une forme gazeuse. L'atmosphère 1 13 ensuite enrichi en NH3g est de nouveau traitée dans l'unité de lavage, et le cycle est reproduit jusqu'à obtenir les concentrations désirées en ammoniac dans le substrat 1 12 et dans l'atmosphère 1 13.
La figure 1 1 représente, schématiquement, un procédé 120 de méthanisation, comportant les étapes suivantes :
- réaction 121 de méthanisation par fermentation d'un substrat 1 12 dans un compartiment 1 11 , la réaction produisant une atmosphère 1 13 comportant au moins du méthane et de l'ammoniac,
- extraction 122 de l'atmosphère 1 13 du compartiment 1 1 1 ,
- lavage 123 de l'atmosphère extraite par injection d'un liquide d'épuration,
- extraction 124 du gaz lavé dont la concentration en ammoniac a diminué et
- injection 125 dudit gaz dans le compartiment 1 1 1 .
Le procédé d'élimination de l'ammoniac NH3g de l'atmosphère 1 13 du compartiment 1 1 1 est détaillé ci-après.
La colonne de lavage 1 15 réalise l'étape de lavage 123, par exemple avec un liquide d'épuration comportant de l'acide sulfurique. Le Nh g est transformé en sulfate d'ammonium , qui est un engrais, puis le sulfate d'ammonium est récupéré en fond de colonne 1 15. Le gaz épuré de l'ammoniac est récupéré en tête de colonne de lavage avant d'être réinjecté dans le compartiment 1 1 1.
On observe, en figure 13, un laveur comportant, de l'amont vers l'aval du déplacement du gaz à laver :
une entrée 141 ; et
un fut de colonne 142 de lavage comportant
o un garnissage 143,
o des asperseurs 144 et
o une sortie 145.
A contrecourant du gaz, circule un liquide pompé par une pompe principale 146 en base de la colonne de lavage 142 et injecté dans les asperseurs 144. Une pompe secondaire 148 pompe de l'acide dans un réservoir 147 et l'additionne au liquide en circulation.
Une sortie 149 en bas de la colonne de lavage 142 permet de récupérer le liquide dans un compartiment 150. Ce liquide dans le compartiment 150 peut notamment servir d'engrais.
La colonne de lavage 142 prend ici la forme d'une colonne à garnissage, qui comporte généralement les éléments suivants :
une grille 152 support de garnissage permettant de supporter le poids du garnissage et du liquide retenu sur ce dernier et assurant une distribution des liquides en bas de colonne. un dévésiculeur (non représenté) pour l'élimination des gouttes de liquides qui pourraient être entraînées par le gaz.
Le fonctionnement est ici à contre-courant : le gaz est ascendant et le liquide de lavage s'écoule par gravité sur le garnissage. Le choix du garnissage, élément essentiel de ce type de laveur, est dicté par la surface de contact offerte entre le gaz et le liquide utilisé, le calcul des pertes de charge et son prix. Les garnissages peuvent être de formes variées (anneaux, selles...), de matériaux différents (céramique, verre, métal...) et être rangés ou disposés en vrac. Dans la colonne illustrée en figure 13, de l'atmosphère prélevée dans l'unité de méthanisation entre par une entrée inférieure et remonte le fut de colonne de lavage 142 jusqu'à la sortie de gaz lavée 145, après avoir traversé, successivement, la grille support et le garnissage 143. En sens inverse, la solution de lavage pénètre dans le fut de colonne de lavage 142 par une entrée supérieure, traverse le garnissage 143 et la grille support avec d'être évacué par l'intermédiaire d'une vanne (non représentée), vers une sortie de recirculation ou de compartiment.
Selon les conditions d'utilisation de la colonne de lavage 1 15, tout ou partie du CO2 présent dans l'atmosphère 1 13 extraite peut être éliminé. Un fonctionnement avec uniquement de l'eau, ou sous pression, entraîne un appauvrissement de l'atmosphère en CO2.
Préférentiellement, selon les équations d'équilibres chimiques et thermodynamiques décrites plus haut, le procédé d'élimination de l'ammoniac est effectué dans les conditions suivantes :
- la température dans le réacteur 1 12 est comprise entre 50°C et 60°C et
- le potentiel hydrogène dans le réacteur 1 12 est compris entre 7,5 et 8,5.
Habituellement, la combinaison de ces conditions de fonctionnement est évitée dans les procédés de méthanisation, notamment les points de fonctionnement avec une température supérieure à 55°C et potentiel hydrogène supérieur à 8, puisque ces points de fonctionnement sont susceptibles d'être fortement inhibiteurs du procédé de méthanisation.
Le procédé 120, d'élimination in-situ de l'ammoniac permet de travailler avec de telles températures et de tels potentiels hydrogènes, permettant de maximiser la cinétique du procédé de méthanisation.
Les temps de séjour du substrat dans un compartiment avec le procédé 120 sont :
- pour un réacteur fonctionnant en mode piston ou semi-piston, c'est-à-dire pour un procédé de méthanisation en continu, le temps de séjour du substrat dans le compartiment d'hydrolyse est compris entre 0,5 et 5 jours et le temps de séjour du substrat dans le compartiment de digestion est compris entre 5 et 25 jours ; et
- pour un réacteur fonctionnant en infiniment mélangé, le temps de séjour du substrat dans le compartiment de digestion est compris entre 30 et 60 jours.
Dans un réacteur fonctionnant en mode piston ou semi-piston, l'équilibre acido-basique du procédé de méthanisation 120 est contrôlé en temps réel par un asservissement (tel que décrit ci- dessus), en agissant sur une zone spécifique au sein de l'écoulement. Un cloisonnement du substrat 1 12 et/ou de l'atmosphère 1 13, le long du flux du piston, permet d'agir notamment de manière indépendante soit sur le compartiment d'hydrolyse, soit sur un autre compartiment en aval de l'hydrolyse. Le pilotage de l'équilibre acido-basique peut aussi être optimisé par l'élimination dans l'atmosphère d'une partie du dioxyde de carbone.
La présente invention peut être mise en œuvre dans une unité de méthanisation en voie épaisse, par exemple telle que décrite dans la demande internationale PCT/FR2013/051938 publiée sous la référence WO 2014/027165, incorporé ici par référence, ou dans une unité de méthanisation plus classique biphasés en voie liquide dite « en infiniment mélangé ». On observe, en figure 12, une unité de méthanisation en voie épaisse 130, dont seules deux compartiments 131 et 132, séparés par une cloison 140, sont représentés et seules une cheminée, respectivement 134 et 135, est implantée dans chaque compartiment.
Bien que ce mode de réalisation présente des cheminées descendant du plafond du compartiment, on peut aussi bien mettre en œuvre avec des buses ou des tuyauteries d'injection de gaz partant d'une paroi latérale ou du plancher d'un compartiment.
Une entrée de gaz 133 distribue du gaz, par l'intermédiaire de vannes 136 et 137 commandées indépendamment, dans les cheminées 134 et 135. L'injection de gaz sous pression provoque la remontée de bulles de gaz 138, qui entraîne la matière dans un mouvement de convection, par exemple en suivant le chemin indiqué par les flèches 139. Une sortie de gaz 151 permet le prélèvement de parties des atmosphères des différents compartiments.
Dans l'unité de méthanisation en voie épaisse, la taille des installations requises nécessite la plupart du temps un volume de méthaniseur le plus faible possible, impliquant d'une part une siccité élevée en entrée (supérieure à 15% et préférentiellement à 20 % et, d'autre part, une température de fonctionnement thermophile (environ 55°C). Ces conditions de fonctionnement (concentrations et température élevées) rendent plus fragile la flore bactérienne vis-à-vis de l'ammoniac, composé inhérent au process de méthanisation. Cela limite fortement l'utilisation de substrats/déchets azotés, et par voie de conséquence le développement de la filière.
Les procédés biphasé voie liquide en infiniment mélangé sont des procédés à faible siccité (inférieure à 10%). Ces procédés nécessitent naturellement une recirculation importante des jus en sortie de méthaniseur, pour minimiser les quantités d'eau de dilution et les rejets aqueux en sortie du procédé de méthanisation. Ces procédés sont les plus utilisés en milieu agricole. Néanmoins, afin de pouvoir utiliser des substrats fortement azotés (comme les fumiers d'engraissement par exemple), il est nécessaire d'introduire des co-substrats carbonés, et de minimiser la recirculation des jus issus du procédé, augmentant ainsi les quantités d'eau de dilution et de rejets aqueux.
On présente ici une solution industrielle de gestion de l'ammoniac sur ces deux types de procédé.
La concentration est mesurée dans la partie liquide de la matière en fermentation : le taux de 3 g/L d'ammoniac est une valeur en deçà de laquelle il y a peu de problèmes d'inhibition. Au-delà, les risques sont augmentés mais il reste néanmoins possible de fonctionner à des valeurs plus élevées. Préférentiellement, l'asservissement du taux d'ammoniac vise à ce qu'il reste rester inférieur à 4 g/L et, encore plus préférentiellement, inférieur à 3 g/L.
Le dispositif décrit ici permet de réguler la quantité d'ammoniac (forme NH3 ou NhV) présente dans le digesteur. En effet, la stabilité d'un digesteur anaérobie dépend du contrôle de la concentration de l'ammoniac.
Le dispositif permet donc d'utiliser des substrats présentant un déséquilibre sur l'azote total, dans les conditions d'un procédé voie épaisse (forte siccité et température élevée). Cela permet, d'une part, le développement de ce type de procédé et, d'autre part, d'ouvrir le marché actuel à de nombreux substrats/déchets pour l'instant peu utilisés dans ces procédés (car entraînant une inhibition à l'ammoniac). Cela réduit (voire élimine) aussi l'utilisation d'eau de dilution mise en œuvre sur les procédés actuels, minimisant fortement les rejets « aqueux » en sortie de méthaniseur. Les deux avantages précités sont de nature à favoriser le développement des procédés de méthanisation en voie épaisse.
Le dispositif permet aussi de maîtriser le taux de fertilisants (notamment l'azote) lorsque le produit (digestat ou jus de presse) est utilisé en épandage agricole.
Le dispositif permet d'améliorer la qualité du produit issus du méthaniseur afin d'élargir les destinations des produits sortants comme engrais commerciaux.
Le procédé de méthanisation en voie épaisse, par exemple telle que décrite dans la demande internationale PCT/FR2013/051938 se caractérise par :
- Un fermenteur compartimenté permettant une séparation des différentes phases de la méthanisation (dans l'ordre, hydrolyse et acidogenèse, acétogenèse et méthanogenèse). Le fermenteur, subdivisé en secteurs d'agitation, correspond ainsi à autant de « réacteurs indépendants » que de secteurs d'agitations, chacun recevant un substrat fermenté venant du secteur précédent dans un inoculum approprié. Cette cascade de réacteurs permet, à la fois, d'optimiser la vitesse de réaction des bactéries et de piloter précisément l'ensemble du fermenteur.
- Un système d'agitation fait de cheminées partant du toit du fermenteur jusqu'au plancher de celui-ci et laissant passer du biogaz sous pression, à un débit élevé et variable, dépendant de la viscosité du milieu. Cette introduction de gaz est réalisée de manière séquentielle durant quelques secondes en générant un balayage du fond suivi d'un mouvement convectif nécessaire à l'homogénéisation du substrat en fermentation. Les cheminées sont réparties sur l'ensemble du fermenteur et déterminent ainsi des secteurs d'agitation. Le brassage de la matière par l'injection du biogaz sous pression par l'intermédiaire des cheminées permet un fonctionnement avec un taux élevé de matière sèche (entre 20% et 30%) selon le substrat et ne laisse pas de volumes morts. Le taux de matière sèche est un indicateur peu fiable de la viscosité. Plus le substrat contient des éléments inertes (bois, verres, cailloux, plastiques) et plus le taux de matière sèche admissible est élevé. Chaque secteur d'agitation est équipé de deux à trois cheminées qui reçoivent du biogaz détendu à une pression entre 5 et 8 bars générant un débit important sur quelques secondes de l'ordre de 8000 m3.h-1.
- Par une cinétique de dégradation rapide améliorée par l'hydrolyse thermo-enzymatique et le cheminement piston du substrat en fermentation permettant de réduire le temps de séjour hydraulique et donc le volume des fermenteurs.
- Par le pilotage de l'équilibre acido-basique rendu possible à la fois par les conditions thermodynamiques des compartiments et l'évolution sectorielle du substrat.
La gestion de la concentration de l'ammoniac dans le fermenteur peut être envisagée par action sur des secteurs identifiés (derniers secteurs du réacteur piston, notamment). L'équilibre acido- basique peut alors être mieux contrôlé le long du flux piston, optimisant ainsi dans l'espace la production de biogaz.
L'équilibre ionique en solution dans le réacteur est régi par l'équation :
NH3d + H20 ¾ NH4OH ¾ NH4 + + OH-
II est donc possible de contrôler l'équilibre de l'ammoniac dissout (NH3d) par actions simultanées sur :
La température du méthaniseur Le pH du méthaniseur
La pression partielle en ammoniac gaz dans le ciel du méthaniseur
Or, sur le procédé en voie épaisse, le pH évolue de 6,5 (premier compartiment) à 8,5 (dernier secteur piston). La compartimentation du flux piston à l'intérieur du méthaniseur entraîne aussi une sectorisation du ciel gazeux : ainsi, les ciels gazeux des derniers secteurs sont « riches » en concentration d'ammoniac (température de 55°C et pH compris entre 8 et 8,5).
La température dans ces derniers compartiments est préférentiellement entre 50°C et 60°C. Le potentiel hydrogène dans ces derniers compartiments est préférentiellement entre 7,9 à 8,7.
En effet, dans ces conditions, l'équilibre est orienté vers la forme NH3d. C'est une énorme différence par rapport aux autres procédés de méthanisation, ou le ciel gazeux est uniforme en composition car non compartimenté.
Ainsi, sur ces derniers secteurs du réacteur piston, on peut alors faire passer l'ammoniac de la fraction liquide vers la fraction gaz, selon l'équilibre :
NH3d ¾ NH3g
Selon la loi de Henry rappelée plus haut, il est donc nécessaire de diminuer la pression partielle de l'ammoniac dans le ciel gazeux du méthaniseur. Sur le procédé en voie épaisse, cette opération peut facilement être effectuée par la recirculation du biogaz utilisé lors des séquences d'agitation.
Le dispositif permet d'éliminer l'ammoniac NH3g dans la boucle de recirculation, comme décrit en regard des figures 10 et 13.
Une partie du biogaz produit est traitée dans une unité spécifique d'élimination du Nh g, puis est réinjecté sans NH3 dans le ou les secteurs identifiés. Cette opération a pour effet de stripper le NH3d (NH3d→ Nh g) par abaissement de la pression partielle dans le ciel du méthaniseur. Le biogaz enrichi en NH3g est de nouveau traité dans l'unité spécifique d'élimination du Nh g, et le cycle est reproduit jusqu'à obtenir les concentrations désirées en ammoniac dans le liquide et dans le gaz.
Le principe de fonctionnement du procédé d'élimination de l'ammoniac Nh g issu du biogaz est le suivant. L'unité d'absorption gaz/liquide, présenté dans la figure 13, est constituée d'une tour de lavage à l'acide avec présence de garnissage. Le biogaz chargé en NH3g est envoyé à contre-courant d'un flux d'acide afin de favoriser une réaction acido-basique et sa conversion en sel d'ammonium. Par exemple, l'utilisation de l'acide sulfurique (H2SO4) comme éluant a un intérêt agronomique pour les exploitants d'unités puisque le produit de sa réaction conduit à une solution de sulfate d'ammonium (engrais). La récupération de cette solution chargée est effectuée en fond de colonne. Le biogaz ainsi épuré de la fraction ammoniacale est récupéré en tête de colonne de lavage avant d'être réutilisé dans le procédé de méthanisation.
De nombreux travaux universitaires ont déjà décrit ce processus d'élimination de l'ammoniac, travaux tels que :
- Walker, M., lyer, K., Heaven, S., and Banks, C. J. (201 1 ). "Ammonia removal in anaerobic digestion by biogas stripping: An évaluation of process alternatives using a first order rate model based on expérimental findings". Chemical Engineering Journal. 178(15), 138-145; et - F.Abouelenien, W.Fujiwara, Y.Namba, M.Kosseva N Nishio, Improved methan fermentation of chicken manure via ammonia removal by biogas recycle, Bioresour. Technol. 101 (2010) 6368- 6373.
Néanmoins, les procédés actuels ne sont pas adaptés pour réaliser ce traitement in-situ de l'ammoniac. En effet, en raison d'une part d'une absence de compartimentation des ciels gazeux, et d'autre part d'une composition homogène du gaz (induite par un fonctionnement en réacteur parfaitement agité), les volumes de biogaz à traiter sont beaucoup trop importants.
Le procédé en voie épaisse illustré en figure 12, dans ce domaine, de nombreux avantages : a. Le fonctionnement piston induit une sectorisation dans laquelle les concentrations en Nh d sont différentes (le pH ne dépasse 7,8 que sur la seconde partie du réacteur)
b. Les ciels gazeux sont sectorisés, le pilotage étant effectué par la gestion des titres en méthane et CO2 dans les différents secteurs. L'inventeur a déjà observé que les concentrations en NH3 dans le gaz, sur le pilote industriel et dans les derniers secteurs du réacteur, atteignent des valeurs comprises entre 0,5 et 1 % (pour 100 ppm dans les procédés classiques). Le procédé en voie épaisse concentre donc naturellement de l'ammoniac sur des volumes de biogaz assez faibles.
Sur le compartiment d'hydrolyse (1 er secteur du réacteur piston), le titre en méthane est préférentiellement compris entre 30% et 45%. Ce titre augmente progressivement sur les secteurs suivants du réacteur piston. Sur le dernier secteur, le titre en méthane est compris dans l'intervalle suivant : entre 52% et 65%. Les titres en CO2 sont compris dans des intervalles complémentaires : entre 70% et 55% pour le compartiment d'hydrolyse, et entre 35% à 48% sur le dernier secteur du réacteur piston.
c. La pression partielle en ammoniac dans le ciel gazeux peut facilement être contrôlée. En effet, on réinjecte nativement du gaz dans le méthaniseur, pour assurer les fonctions de brassage et de sectorisation. Il n'est donc pas nécessaire d'ajouter une source d'injection de gaz, comme cela peut être le cas sur les autres procédés agités mécaniquement.
Le procédé en voie épaisse est donc le procédé préférentiel au sein duquel cette élimination peut être réalisée. La robustesse du fonctionnement de ce procédé en voie épaisse peut ainsi être fortement améliorée, lui donnant un avantage par rapport aux autres technologies voie épaisse.
Aujourd'hui reconnu comme un procédé industriel mature, le procédé en voie épaisse devient un procédé présentant une réelle rupture technologique en méthanisation. Le dispositif décrit ici permet de retrouver la robustesse d'un procédé mésophile, tout en restant sur un niveau de température thermophile.
Dans le cas d'une unité de méthanisation en voie liquide infiniment mélangée, le fonctionnement est similaire à ce qui est décrit dans la présente description : le biogaz est injecté dans le liquide du digesteur (par exemple le procédé de brassage au gaz de la société Degremont (marque déposée), sur les digesteurs de traitement des boues issues du traitement des eaux urbaines) et peuvent être traité dans une colonne de lavage gaz, comme décrit ci-dessus, avant d'être réinjecté dans le liquide de digestion.
On observe, sur la figure 14, une vue schématique d'un mode de réalisation particulier du dispositif de méthanisation 160, qui comporte : - un réacteur de méthanisation comportant, par exemple, trois compartiments 174, 175 et 176 dans lesquels se trouve un substrat en fermentation, produisant une atmosphère comportant au moins du méthane et de l'ammoniac,
- une unité d'extraction de l'atmosphère de chaque compartiment, l'unité comportant :
- des premiers conduits d'extraction 141 et 168, 169, 170, respectivement, de l'atmosphère des compartiments 174, 175 et 176,
- une colonne de lavage (voir figure 13) dans laquelle débouche le premier conduit 141 et qui comporte au moins un injecteur d'un liquide d'épuration,
- des deuxièmes conduits d'extraction 145 du gaz lavé dont la concentration en ammoniac a diminué et d'injection 171 , 172 et 173 dudit gaz dans les compartiments 174, 175 et 176, respectivement.
Le substrat, ou matière en fermentation, circule successivement du compartiment 174 au compartiment 175 puis au compartiment 176, par exemple sous l'action de pistons (non représentés). Par exemple, dans l'ordre, au sein du compartiment 174 se réalisent l'hydrolyse et l'acidogenèse, dans le compartiment 175, l'acétogenèse et, dans le compartiment 176, la méthanogenèse.
Le compartiment 174, en amont, est associé à une pompe ou une vanne 165 qui reçoit du gaz de la sortie 145 de la colonne de lavage 142 et qui injecte du gaz dans le deuxième conduit d'injection 171 qui débouche dans le substrat en fermentation. Le compartiment 174 est associé au premier conduit d'extraction 168 muni d'une pompe ou d'une vanne 162 qui délivre du gaz issu de l'atmosphère du compartiment 174 à l'entrée 141 de la colonne de lavage 142.
Le compartiment intermédiaire 175 est associé à une pompe ou une vanne 166 qui reçoit du gaz de la sortie 145 de la colonne de lavage 142 et qui injecte du gaz dans le deuxième conduit d'injection 172 qui débouche dans le substrat en fermentation. Le compartiment 175 est associé au premier conduit d'extraction 169 muni d'une pompe ou d'une vanne 163 qui délivre du gaz issu de l'atmosphère du compartiment 175 à l'entrée 141 de la colonne de lavage 142.
Le compartiment aval 176 est associé à une pompe ou une vanne 167 qui reçoit du gaz de la sortie 145 de la colonne de lavage 142 et qui injecte du gaz dans le deuxième conduit d'injection 173 qui débouche dans le substrat en fermentation. Le compartiment 176 est associé au premier conduit d'extraction 170 muni d'une pompe ou d'une vanne 164 qui délivre du gaz issu de l'atmosphère du compartiment 176 à l'entrée 141 de la colonne de lavage 142.
Chacun des compartiments 174, 175 et 176 comporte des capteurs, physiques ou logiciels, de concentration d'ammoniac dans le substrat 178, de température 179, de pH 180 et de pression de l'atmosphère 177. Un capteur logiciel, ou « observateur d'état » est un programme qui estime une grandeur physique sans la mesurer directement. Il utilise pour cela les informations d'autres capteurs physiques. Un observateur d'état est une extension d'un modèle représenté sous forme de représentation d'état. Lorsque l'état d'un système n'est pas mesurable, on conçoit un observateur qui permet de reconstruire l'état à partir d'un modèle du système dynamique et des mesures d'autres grandeurs.
Les atmosphères des compartiments 174, 175 et 176 sont indépendantes, par exemple parce qu'elles sont dans différentes cuves ou séparées par des cloisons, comme illustré en figure 12. Les deuxièmes conduits d'injection sont ici représentés comme traversant le plancher des compartiments. En variantes, ils traversent les parois latérales ou le plafond du compartiment, comme illustré en figures 10 et 12.
Une unité de contrôle 161 , prenant par exemple la forme d'un serveur reçoit les signaux issus des capteurs 177 à 180 et commande le fonctionnement du dispositif, notamment le fonctionnement des pompes ou vannes 146, 148 et 162 à 167. Les pompes et vannes associées aux différents compartiments sont pilotées indépendamment par l'unité de contrôle 161 . Préférentiellement, le gaz lavé injecté dans un compartiment provient du même compartiment.
Préférentiellement, les deuxièmes conduits d'injection 171 , 172 et 173 présentent au moins un orifice d'injection du gaz proche du fond des compartiments 174, 175 et 176, respectivement.
L'unité de contrôle 161 est configurée pour déclencher le fonctionnement de l'unité d'extraction pour réduire la concentration en ion ammonium lorsque la concentration captée est supérieure 4 g/L de matière en fermentation et, préférentiellement, lorsque la concentration captée est supérieure 3 g/L de matière en fermentation.
La matière à fermenter est infiniment diluée ou présente un taux de matière sèche supérieur, en entrée, à 15%, préférentiellement supérieur à 17% et, encore plus préférentiellement supérieur à 20%.
Préférentiellement, au moins un compartiment (notamment le compartiment de méthanogenèse), dans lequel l'unité d'extraction extrait une partie de l'atmosphère et injecte du gaz lavé, présente :
une température comprise entre 50°C et 60 °C,
un potentiel hydrogène compris entre 7,5 et 8,7 et, plus préférentiellement, compris entre 7,9 et 8,7 et/ou
une atmosphère présentant un titre en méthane compris entre 52% et 65%.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de traitement de digestat brut ou liquide issu d'une étape de séparation de phases, sortant d'une unité de méthanisation continue voie épaisse ou voie liquide, l'unité de méthanisation comportant, en amont, un système de préparation et/ou d'introduction de la matière, caractérisé en ce qu'il comporte :
- une étape de passage d'air dans ou en surface dudit digestat contenu dans une cuve pour extraire au moins de l'ammoniac vers l'atmosphère de la cuve et
- une étape d'extraction de l'ammoniac contenu dans l'atmosphère, et
- une étape de réinjection du digestat après passage de l'air, vers le système amont de préparation et/ou d'introduction de la matière.
2. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel l'étape de passage d'air dans ou en surface du digestat contenu dans la cuve est réalisée en l'absence d'ajout de produit chimique susceptible d'accumuler des sous-produits dans le digestat.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel au cours de l'étape de passage d'air dans le digestat, le système d'injection d'air utilisé est un système multiétages constitué de répartiteurs, inséré par le haut du système de traitement, avec entre un et dix étages et entre un et cinq répartiteurs d'air par étage.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, qui comporte, après l'étape de passage d'air dans ou en surface dudit digestat, une étape de passage de biogaz dans ledit digestat pour réduire le pH du digestat.
5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel, au cours de l'étape de passage de biogaz dans le digestat, on injecte un biogaz ayant une concentration de méthane comprise entre 45 et 70% et une concentration de dioxyde de carbone comprise entre 30% et 55%.
6. Procédé selon l'une des revendications 4 à 5, qui comporte une étape de réinjection du digestat après passage du biogaz, vers le système de préparation et/ou d'introduction de la matière.
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel le digestat soumis au passage de l'air possède un pH initial compris entre 7 et 8,5.
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel, au cours de l'étape de passage d'air dans ou en surface dudit digestat, la température du digestat est entre 25°C et 85°C, préférentiellement entre 25°C et 50°C.
9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel, au cours de l'étape de passage d'air dans ou en surface dudit digestat, l'air injecté est à température ambiante.
10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel, au cours de l'étape de passage d'air en surface dudit digestat, le taux de renouvellement de l'atmosphère de la cuve est entre 0,5 et 5 par heure.
1 1. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, dans lequel, au cours de l'étape de passage d'air en surface dudit digestat, le rapport de la surface d'échange gaz/liquide sur le volume de digestat à traiter est entre 0,15 m2. m 3 de digestat à traiter et 20,00 m2. m 3 de digestat à traiter, préférentiellement entre 0,15 et 10 m2. m 3 de digestat à traiter et plus préférentiellement entre 0,15 et 5 m2. m 3 de digestat à traiter.
12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 1 1 , dans lequel, au cours de l'étape de passage d'air dans le digestat, le rapport débit d'air injecté sur volume de digestat à traiter est compris entre 20 et 200 m3air.H-1.m-3 de digestat à traiter, préférentiellement entre 40 et 150 m3air.H-1.m-3 de digestat à traiter.
13. Procédé selon l'une des revendications 1 à 12, qui comporte, de plus, les étapes suivantes :
- réaction de méthanisation par fermentation d'un substrat dans au moins un compartiment, la réaction produisant une atmosphère comportant au moins du méthane et de l'ammoniac,
- extraction de l'atmosphère d'au moins un compartiment,
- lavage de l'atmosphère extraite par injection d'un liquide d'épuration,
- extraction du gaz lavé dont la concentration en ammoniac a diminué et
- injection dudit gaz dans au moins un compartiment.
14. Dispositif de traitement de digestat brut ou liquide issu d'une étape de séparation de phases, sortant d'une unité de méthanisation continue voie épaisse ou voie liquide, l'unité de méthanisation comportant, en amont, un système de préparation et/ou d'introduction de la matière, qui comporte :
- un moyen de passage d'air dans ou en surface dudit digestat contenu dans une cuve pour extraire au moins de l'ammoniac vers l'atmosphère de la cuve et
- un moyen d'extraction de l'ammoniac contenu dans l'atmosphère, et
- un moyen de réinjection du digestat après passage de l'air, vers le système amont de préparation et/ou d'introduction de la matière.
15. Dispositif selon la revendication 14, qui comporte un moyen de réinjection du digestat après passage de l'air, vers le système de préparation de la matière.
16. Dispositif selon l'une des revendications 14 ou 15, qui comporte un moyen de passage de biogaz dans ledit digestat pour réduire le pH du digestat, après le passage d'air dans ou en surface dudit digestat.
17. Dispositif selon l'une des revendications 14 à 16, qui comporte :
- un réacteur de méthanisation comportant au moins un compartiment dans lequel est inséré un substrat en fermentation, produisant une atmosphère comportant au moins du méthane et de l'ammoniac,
- une unité d'extraction de l'atmosphère d'au moins un compartiment, l'unité comportant :
- un premier conduit d'extraction de l'atmosphère d'au moins un compartiment,
- une colonne de lavage dans laquelle débouche le premier conduit et qui comporte au moins un injecteur d'un liquide d'épuration,
- au moins un deuxième conduit d'extraction du gaz lavé dont la concentration en ammoniac a diminué et d'injection dudit gaz dans au moins un compartiment.
18. Dispositif selon la revendication 17, dans lequel le conduit d'injection présente au moins un orifice d'injection du gaz proche du fond d'un compartiment.
19. Dispositif selon l'une des revendications 17 ou 18, dans lequel le liquide d'épuration comporte de l'acide sulfurique ou nitrique ou phosphorique.
20. Dispositif selon l'une des revendications 14 à 19, dans lequel le réacteur de méthanisation comporte au moins deux compartiments, chaque compartiment comportant un conduit d'injection de gaz pour lequel la quantité de gaz injecté dans chaque compartiment est régi par une vanne, chaque vanne étant pilotée indépendamment.
21. Dispositif selon l'une des revendications 14 à 20, qui comporte un capteur de taux d'ammoniac dans la matière en fermentation et une unité de contrôle configurée pour déclencher le fonctionnement de l'unité d'extraction pour réduire la concentration en ion ammonium lorsque la concentration captée est supérieure 4 g/L de matière en fermentation.
22. Dispositif selon la revendication 21 , dans lequel l'unité de contrôle est configurée pour déclencher le fonctionnement de l'unité d'extraction pour réduire la concentration en ion ammonium lorsque la concentration captée est supérieure 3 g/L de matière en fermentation.
23. Dispositif selon l'une des revendications 14 à 22, qui comporte une pluralité de compartiments de fermentation, dont les atmosphères sont rendues indépendantes en étant séparées par au moins une cloison.
24. Dispositif selon la revendication 23, qui comporte un système piston pour déplacer la matière en fermentation d'un compartiment à un autre.
25. Dispositif selon l'une des revendications 14 à 24, qui comporte, en entrée, une matière à fermenter dont le taux de matière sèche est supérieur à 15%.
26. Dispositif selon l'une des revendications 14 à 25, qui comporte, en entrée, une matière à fermenter dont le taux de matière sèche est supérieur à 20%.
27. Dispositif selon l'une des revendications 14 à 26, qui comporte au moins une cheminée descendant dans la matière en fermentation pour injecter le gaz lavé dans un compartiment d'où le gaz à laver a été extrait par l'unité d'extraction.
28. Dispositif selon la revendication 27, qui comporte un moyen de mise sous pression du gaz à injecter par une cheminée à une pression comprise entre 5 et 8 bars.
29. Dispositif selon l'une des revendications 14 à 28, dans lequel l'unité d'extraction est configurée pour extraire une partie de l'atmosphère dans un compartiment où se trouve la majorité des bactéries acidogènes.
30. Dispositif selon l'une des revendications 14 à 29, dans lequel l'unité d'extraction est configurée pour extraire une partie de l'atmosphère dans un compartiment où se trouve la majorité des bactéries acétogènes.
31. Dispositif selon l'une des revendications 14 à 30, dans lequel l'unité d'extraction est configurée pour extraire une partie de l'atmosphère dans un compartiment où est effectuée la méthanogenèse.
32. Dispositif selon l'une des revendications 14 à 31 , dans lequel, au moins un compartiment dans lequel l'unité d'extraction extrait une partie de l'atmosphère présente une température comprise entre 50°C et 60 °C.
33. Dispositif selon l'une des revendications 14 à 32, dans lequel au moins un compartiment dans lequel l'unité d'extraction extrait une partie de l'atmosphère présente un potentiel hydrogène compris entre 7,5 et 8,7.
34. Dispositif selon l'une des revendications 14 à 33, dans lequel au moins un compartiment dans lequel l'unité d'extraction extrait une partie de l'atmosphère présente un potentiel hydrogène compris entre 7,9 et 8,7.
35. Dispositif selon l'une des revendications 14 à 34, dans lequel au moins un compartiment dans lequel l'unité d'extraction extrait une partie de l'atmosphère présente un titre en méthane compris entre 52% et 65%.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112430631A (zh) * 2020-12-23 2021-03-02 江南大学 一种碱处理沼渣在产甲烷中的应用
EP4008692A1 (fr) * 2020-12-03 2022-06-08 Syctom L'Agence Metropolitaine Des Dechets Menagers Procede et systeme de production de biogaz et de traitement de boues de station d'epuration
WO2024046730A1 (fr) * 2022-08-31 2024-03-07 Hitachi Zosen Inova Schmack GmbH Procédé et système de réduction de la teneur en ammoniac/ammonium dans le substrat de fermenteurs

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100021979A1 (en) * 2008-06-25 2010-01-28 Gemini Corporation Apparatus and Process for Production of Biogas
WO2013091094A1 (fr) * 2011-12-21 2013-06-27 Anaergia Inc. Récupération d'éléments organiques et nutritifs à partir de résidus de digesteur anaérobie
WO2014027165A1 (fr) 2012-08-13 2014-02-20 Metha Enr Procédé et dispositif de méthanisation continue en voie sèche
WO2017080565A1 (fr) * 2015-11-15 2017-05-18 Xergi Nix Technology A/S Procédé de fermentation de litière de volaille et production de biogaz

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7153427B2 (en) * 2002-07-22 2006-12-26 Environmental Energy & Engineering Co. Nitrogen recovery system and method using heated air as stripping gas
US7909995B2 (en) * 2008-02-20 2011-03-22 Washington State University Research Foundation Combined nutrient recovery and biogas scrubbing system integrated in series with animal manure anaerobic digester

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100021979A1 (en) * 2008-06-25 2010-01-28 Gemini Corporation Apparatus and Process for Production of Biogas
WO2013091094A1 (fr) * 2011-12-21 2013-06-27 Anaergia Inc. Récupération d'éléments organiques et nutritifs à partir de résidus de digesteur anaérobie
WO2014027165A1 (fr) 2012-08-13 2014-02-20 Metha Enr Procédé et dispositif de méthanisation continue en voie sèche
WO2017080565A1 (fr) * 2015-11-15 2017-05-18 Xergi Nix Technology A/S Procédé de fermentation de litière de volaille et production de biogaz

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BUSWELL, A. M.; H. F. MUELLER: "Mechanism of methane fermentation", INDUSTRIAL AND ENGINEERING CHEMISTRY, vol. 44, no. 3, 1952, pages 550 - 552
F.ABOUELENIEN; W,FUJIWARA; Y.NAMBA; M.KOSSEVA N NISHIO: "Improved methan fermentation of chicken manure via ammonia removal by biogas recycle", BIORESOUR. TECHNOL., vol. 101, 2010, pages 6368 - 6373, XP009159117, DOI: doi:10.1016/j.biortech.2010.03.071
S.ULUDAG-DEMIRER; G.N. DEMIRER; C .FREAR; S.CHEN: "Anaerobic digestion of dairy manure with enhanced ammonia removal", JOURNAL OF ENVIRONNEMENT MANAGEMENT, vol. 86, 2008, pages 193 - 200, XP022328961, DOI: doi:10.1016/j.jenvman.2006.12.002
WALKER, M.; LYER, K.; HEAVEN, S.; BANKS, C. J.: "Ammonia removal in anaerobic digestion by biogas stripping: An evaluation of process alternatives using a first order rate model based on experimental findings", CHEMICAL ENGINEERING JOURNAL, vol. 178, no. 15, 2011, pages 138 - 145

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4008692A1 (fr) * 2020-12-03 2022-06-08 Syctom L'Agence Metropolitaine Des Dechets Menagers Procede et systeme de production de biogaz et de traitement de boues de station d'epuration
WO2022117591A1 (fr) * 2020-12-03 2022-06-09 Syctom L'agence Metropolitaine Des Dechets Menagers Procede et systeme de production de biogaz et de traitement de boues de station d'epuration
CN112430631A (zh) * 2020-12-23 2021-03-02 江南大学 一种碱处理沼渣在产甲烷中的应用
CN112430631B (zh) * 2020-12-23 2023-06-13 江南大学 一种碱处理沼渣在产甲烷中的应用
WO2024046730A1 (fr) * 2022-08-31 2024-03-07 Hitachi Zosen Inova Schmack GmbH Procédé et système de réduction de la teneur en ammoniac/ammonium dans le substrat de fermenteurs
WO2024046558A1 (fr) * 2022-08-31 2024-03-07 Hitachi Zosen Inova Schmack GmbH Procédé et système de réduction de la teneur en ammoniac/ammonium dans le substrat de fermenteurs

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