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L'invention concerne un procédé de production de méthane à partir
de résidus liquides biodégradable*, par digestion anaérobie en lit
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particules solides.
La digestion anaérobie de matières organiques en solution ou en suspension en vue de la production de méthane est un procédé bien connu
et on utilise dans ce but des communautés de microorganismes agissant en symbiose. La lenteur de croissance des microorganismes méthanigènes, présents dans les communautés de microorganismes utilisées, exige afin de maintenir une concentration suffisante en ces
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en résulte des réacteurs biologiques de grand volume et par conséquent de coût excessif.
La concentration en bactéries étant un des facteurs principaux qui
fixe la cinétique de transformation en méthane, on a recherché les
moyens d'accroître cette concentration.
La littérature et les brevets mentionnent de nombreux procédés en
vue d'atteindre ces objectifs.
En effet, en digestion méthanique, on utilise les propriétés d'organisation en flocons de communautés bactériennes pour accroître leur
temps de séjour moyen par sédimentation dans un digesteur colonne à
flux ascendant.
Le temps de séjour hydraulique moyen peut ainsi devenir inférieur à
:elui pratiqué dans les digesteurs'classiques, réduisant ainsi la
Caille nécessaire de l'installation. Ce procédé est toutefois limi:é en ce que le flux de biogaz produit est élevé et provoque une dé-
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:eur nécessitant l'utilisation d'un décanteur pour limiter ces pertes.
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l'apparition d'un flux gazeux excessif. Ceci impose l'utilisation de digesteur ayant une occupation au sol importante, ce qui réduit encore une fois, les avantages de la diminution de volume par rapport aux digesteurs traditionnels infiniment mélangés.
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ce qui est vraisemblablement a l'origine des limitations citées cidessus.
Un progrès a été réalisé par la fixation des cellules bactériennes dans ou sur des supports solides inertes. Ceci a permis d'augmenter leur vitesse de sédimentation et en conséquence, de mieux les maintenir dans le digesteur. De telles cellules bactériennes immobilisées sur des supports solides ont été utilisées suivant divers procédés et dans des réacteurs de différents types.
Il existe des systèmes à courant ascendant avec fixation des cellu-
les bactériennes sur des particules solides.
Le brevet USA 4.182.675 mentionne l'utilisation des lits fluldisés pour l'épuration des eaux usées par voie anaérobie avec production éventuelle de méthane. Ce procédé présente une amélioration par rapport aux systèmes précédents, due au lestage du flocon par la particule solide. Suivant ce procédé, les particules possèdent des dimensions comprises entre 0,2 et environ 3 millimètres de diamètre et de préférence comprises entre 0,4 et 1,5 mm. Cependant un développement excessif de matériel cellulaire sur le grain de support exige l'élimination de cet excès par différents moyens techniques a-
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En effet, un accroissement excessif de la biomasse autour de la particule de support tend à réduire l'effet positif du lestage. Suivant une réalisation de cette invention, de l'effluent nitrifié est ajouté à l'eau résiduaire et le mélange est ensuite converti en méthane, anhydride carbonique, azote et en matériaux cellulaires.
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gaiement connu d'utiliser des techniques associant la fluidisation et l'immobilisation des bactéries. Elles sont généralement appli-quées à des eaux résiduaires de charge modérée en pollution et ont pour principal objet l'élimination de la demande biochimique en oxygène (BOD) ou de l'azote ammoniacal ou sous forme de nitrate.
Ainsi le brevet USA 4.032.407 concerne une technique de fluidisation à l'aide d'un réacteur tronconique avec immobilisation de cellules bactériennes sur un support solide de dimension comprise dans la zone de 70 à 100 mesh standard, même pouvant atteindre environ 400 mesh.
Le réacteur a été utilisé pour la dénitrification des eaux résiduaires, l'hydrolyse du lactose, l'élimination du phénol d'un courant aqueux et la production d'hydrogène par utilisation d'enzymes immobilisées.
Suivant cette invention, la fraction volumique du digesteur occupée par le lit fluidisé, ne représente environ que le tiers à la moitié
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duction de méthane par fermentation anaérobie microbienne de liquides biodégradables qui soit peu coûteux et très efficace pour traiter rapidement de grandes quantités de liquides .avec des'vitesses élevées de production de gaz.
La présente invention a pour but d'atteindre ces objectifs et de remédier aux divers inconvénients des procédés connus antérieurement.
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pratiquement au volume du lit fluidisé et donc de réduire très sensiblement tout volume inutile à la digestion et par conséquent le coût des investissements tout en maintenant des conditions optimales de digestion à de très courts temps de séjour hydrauliques.
Ces effets sont obtenus par dissociation du temps moyen de séjour de la biomasse active du temps moyen de séjour hydraulique. On y arrive
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cielle du liquide, ce qui engendre une interface- supérieure lit fluidisé/solution bien marquée.
Les effets recherchés sont obtenus par le procédé faisant l'objet de la présente invention.
La présente invention a pour objet un procédé de production de méthane par digestion anaérobie de liquides biodégradables en lit fluidisé de cellules bactériennes méthanigènes immobilisées sur des particules solides, caractérisé en ce que les dimensions des particules solides sont inférieures à 90 micromètres et la vitesse superficielle du liquide biodégradable est supérieure à 2,5 m/h.
Par liquides biodégradables, on comprend tout liquide ou mélange de liquides pouvant être éventuellement une eau résiduaire ou un effluent contenant principalement des matières organiques biodégradables en solution ou en suspension colloïdale. Une grande variété de matières organiques en solution ou en suspension collotdale peuvent être transformées en un gaz riche en méthane.
La concentration en matières organiques des liquides biodégradables
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dans de larges limites suivant notamment la nature de la matière biodégradable. La concentration en matières organiques sèches dans un digesteur anaérobie peut atteindre environ 25 kg/m3 utile de digesteur en cours de fonctionnement.
Les liquida biodégradables convenant plus particulièrement pour la production de méthane suivant le procédé de la présente invention, sont des résidus de l'agriculture, de l'élevage ou de l'industrie alimentaire. Citons la citrasse qui est une résidu liquide industriel de la fabrication des citrates à partir de mélasses de sucrerie.
Les résidus agricoles ou industriels contenant des saccharides conviennent également pour la réalisation de la présente invention. A titre d'exemple, citons la production de méthane à partir du lactosérum qui est un liquidé résiduaire des fromageries et qui contient en solution environ 50 gr/1 de lactose.
De nombreux autres liquides biodégradables sont susceptibles d'être utilisés suivant la présente invention, ils peuvent provenir des industries agricoles, chimique:, biochimiques, biologiques et autres ainsi que des résidu. urbains.
Par cellules bactériennes méthanigènes on comprend les microorganismes ou les communautés bactériennes formées de plusieurs microorganismes susceptibles de provoquer la fermentation en milieu anaérobie des liquides biodégradables principalement en méthane, anhydride carbonique et bicarbonate. Ces microorganismes ont la faculté de transformer par une série de réactions chimiques et enzymatiques les matières organiques en solution ou en suspension colloïdale en un gaz riche en méthane.
En général, leb communautés bactériennes proviennent de communautés présentes dans les milieux naturels, par exemple le lisier de bovidé, le contenu de panse de bovidé, les boues de digesteurs de stations d'épuration d'eaux résiduaires.
Les bactéries méthanigènes peuvent être utilisées dans différentes gammes de températures suivant les espèces présentes.
Dans le cas des bactéries méthanigènes mésophiles et thermophiles, la température optimale se situe respectivement vers 35[deg.]C ou vers
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Iules bactériennes sont d'un type quelconque et proviennent de matériaux naturels ou synthétiques.
Citons à titre d'exemples, la brique pilée, la céramique, les billes de verre, d'acier, de matière plastique, le charbon, le schiste, les ardoises, les cendre* volcaniques, le sable et les matières plastiques.
Suivant la présente invention, la densité des matériaux utilisés comme support des cellules bactériennes est de préférence supérieu-
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rieures .
La densité apparente des particules peut varier dans de larges limites. Le support doit être stable et les particules peuvent être de forme quelconque, aphérique ou -.autre. Elles peuvent se présenter par exemple sous forme de billes, de flocons, de fibres, de batonnets, etc...
L'immobilisation des cellules bactériennes sur le. support solide est obtenue par tout procédé connu tel que décrit dans la littérature ou naturellement du fait des propriétés d'auto-immobilisation du catalyseur biologique lui-même.
Suivant la présente invention, les dimensions des particules solides sont inférieures à 90 micromètres et la vitesse superficielle
du liquide biodégradable, supérieure à 2,5 m/h, de telle manière que:
- le rapport volumique de la matière cellulaire sur la particule . solide soit stable et de l'ordre de 10 environ et
- la taille, la forme et la masse volumique apparente des granules formés soient telles que leur vitesse de chute dans le liquide soit une caractéristique stable à un niveau donné du digesteur.
Ces conditions de flux couplées aux faibles temps de séjour hydrau-
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sées, entraînant ainsi le développement des espèces capables de se fixer.
De préférence, les particules solides utilisées comme support des cellules bactériennes sont d'une dimension comprise entre 30 et 60
micromètres. La vitesse superficielle du liquide est choisie supé -
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Par vitesse superficielle du liquide, on comprend le rapport du débit hydraulique à la section du lit au niveau de la mesure.
Dans le cas d'une colonne cylindrique, cette vitesse est constante quel que soit le niveau de la mesure. Dans le cas d'une colonne non cylindrique, la vitesse superficielle du liquide varie suivant la section au niveau correspondant. Pour la présente invention, la vi-
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dlsé. Par fluidisation, on comprend l'écoulement d'un liquide de bas
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élevée pour supporter les particules et vaincre l'effet de la pesanteur. De préférence, la digestion est réalisée dans un milieu à gradient de vitesse croissant du haut vers le bas. Cette réalisation préférentielle permet :
y <EMI ID=21.1> nelle du liquide et la vitesse de chute des particules, point particulièrement important dans un tel système biologique où la vitesse de chute de chaque particule solide prise individuellement est susceptible de variations importantes dans le temps par suite de la croissance bactérienne, de la réunion de deux particules ou plus simplement de l'adsorption momentanée d'une bulle de gaz;
- l'existence dans le milieu grâce au gradient de vitesse croissant du haut vers le bas, de vitesses ascentionnelles suffisamment élevées pour assurer la fluidisation des particules vierges de support lors du lancement de la digestion.
Différents types de réacteurs biologiques peuvent être utilisés suivant' la présente invention. On peut, par exemple, utiliser des colonnes cylindriques à flux ascendant comportant un dispositif quelconque permettant l'établissement d'un gradient croissant de vitesse
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constituée d'une série de cylindres de diamètres décroissants du haut vers le bas.
On peut également prévoir l'utilisation de plusieurs réacteurs groupés en série ou en parallèle, selon l'objectif poursuivi.
Suivant une réalisation préférentielle de l'invention, le réacteur biologique peut être de forme évasée inversée de section quelconque, par exemple circulaire, carrée, rectangulaire ou polygonale.
On peut très avantageusement utiliser un réacteur à tronc pyramidal inversé à très faible angle d'ouverture où la variation de la vitesse accentionnelle du liquide en fonction de la section du digesteur donne une très large gamme d'équilibres entre cette même vitesse et la vitesse de chute des particules. Un circuit de recirculation du liquide permet de régler la vitesse ascentionnelle indépendamment du débit d'alimentation.
La combinaison des moyens revendiqués pour la réalisation de la présente invention présente de nombreux avantages dont :
un rapport volume utile / volume liquide total proche de l'unité ; on entend par volume utile le volume pouvant être réellement occu-
l <EMI ID=23.1>
- une faible variation du volume du lit même en présence de modifications importantes des paramètres de gestion;
- le maintien d'une concentration Importante du catalyseur biologique actif dans le lit fluidisé même lors des productions très élevées de biogaz; en effet, le matériel cellulaire dans les condi tions précitées, se fixe en abondance sur le support, mais de façon compacte, ce qui garantit une bonne sédimentation des flocons ainsi formés;
- une dissociation de plus d'un ordre de grandeur entre le temps de séjour hydraulique et l'âge moyen des boues (flocons), ce qui permet une stabilité remarquable des caractéristiques du catalyseur biologique dans le temps et le maintien d'une capacité suffisant ment large de biodégradation pour accepter les fluctuations qualitatives de la charge;
- le maintien, en tout temps, grâce à cette même dissociation d'une quantité élevée de catalyseur biologique permettant d'importantes variations quantitatives de la charge;
- ce maintien d'une quantité élevée de catalyseur biologique permet aussi de réaliser la digestion méthanique à des températures inférieures à 35[deg.]C et même en conditions psychrophiles (en-dessous de <EMI ID=24.1>
La présente invention sera mieux comprise à l'aide des exemples non limitatifs ci-après :
EXEMPLE 1
Cet exemple respecte les conditions des revendications de la présente invention. Il est relatif à la biométhanisation d'un résidu liquide Industriel., concentré, la citrasse, dont la composition avant dilution est :
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L'exemple est réalisé dans un digesteur tronc-pyramidal inverse à section carrée de 0,33 1 de volume utile muni d'un circuit de recir-culation du liquide. L'angle d'ouverture est égal à 2 x 1,38[deg.]. La hauteur utile est de 52 cm et la section inférieure est de 1,3 cm .
L'alimentation en liquide biodégradable est effectuée à la base en continu par des pompes doseuses. La gamme de concentration en mati-
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v
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entre 3 et 43 h. La température est maintenue à 35 + 1[deg.]C et la pression dans la phase gazeuse est équivalente à la pression atmosphérique. On utilise comme support pour l'immobilisation des bactéries
de la communauté méthanigène des billes et particules de verre de 30 à 60 micromètres classées par voie hydraulique. La masse volumique du verre utilisé est de 2,84 g x cm .
La communauté bactérienne méthanigène utilisée dans cet exemple consiste initialement en liqueur mixte provenant d'un digesteur infiniment mélangé de laboratoire traitant du contenu de panse de bovidé
(résidu d'abattoir), acclimatée progressivement à la citrasse susmentionnée.
L'immobilisation des cellules bactériennes est obtenue par voie naturelle, dans le digesteur lui-même et sur le support solide maintenu
à l'état fluidisé, à un temps de séjour hydraulique court.
La citrasse est introduite en continu à la base du digesteur. Une pompe assure la recirculation du liquide prélevé à la partie supérieure.
Les vitesses superficielles de la liqueur à la base et à la partie haute du lit fluidisé, compte tenu de la recirculation, sont respectivement de 12 et de 2,6 m X h , donc à tous les niveaux, supérieu-
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Le rapport du volume occupé par le lit fluidisé au volume liquide total est de 0,85 et les fluctuations de hauteur du lit au cours de la journée rapportées à sa hauteur totale, sont en tout cas inférieures à 1 �.
D'autre part la vitesse de production du gaz a relativement peu d'in-fluence sur cette même hauteur totale, la variation de la hauteur é-
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La concentration moyenne du lit fluidisé en matériel cellulaire est de 23 g de matières volatiles en suspension (VSS) x 1 malgré les flux élevés précités de liquide et de gaz.
La vitesse de chute des granules présents dans la partie médiane du
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grandeur supérieure à la vitesse superficielle à ce niveau.
La formation de granules stables permet une dissociation marquée des temps de séjour moyen hydraulique et du matériel cellulaire immobilisé, celui-ci étant dans le cas présent, 11 fois supérieur au premier. L'efficacité du système visant à promouvoir le développement préfé-
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me de 20 à 1. Grâce à ce rapport élevé et aux bonnes caractéristiques de sédimentation des granules mis en oeuvre, le volume mort du lit fluidisé, c'est-à-dire occupé par le support, est toujours fai-
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Les valeurs des rendements et cinétiques citées ci-après concernent
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si on ne modifie pas les paramètres de conduite. Les conditions de
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est-à-dire la quantité de méthane (CH4) produite par unité de masse
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et la conversion, c'est-à-dire la quantité de matières volatiles éliminées (VS ) sous forme de gaz rapportée à l'unité de masse de matiè-
r
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le digesteur. En outre, le procédé se caractérise par une stabilité remarquable. En effet, le digesteur est en fonctionnement ininterrompu depuis plus de 500 jours sans avoir nécessité de réinoculation ni avoir rencontré de problèmes majeurs.
EXEMPLE 2.
Cet exemple sort des conditions des revendications de la présente invention et est donné à titre comparatif.
a) Les conditions de la digestion sont identiques à celles de l'exemple 1 sauf en ce qui concerne les vitesses superficielles qui ne <EMI ID=39.1>
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m x h respectivement à la partie supérieure et inférieure du volume utile, on constate :
- un maintien de l'aspect compact des granules formés aux vitesses superficielles supérieures ou égales à 2,5 m x h
- à la partie supérieure du lit fluidisé où les vitesses sont infé- <EMI ID=41.1>
neux présentant de mauvaises caractéristiques de sédimentation,
- l'absence d'une interface supérieure lit fluidisé/solution bien marquée mais plutôt l'existence d'un gradient de concentration de particules en suspension, - la présence dans l'effluent de particules floconneuses. b) Les conditions de la digestion sont identiques à celles de l'ex- <EMI ID=42.1>
lides du support.
L'utilisation de particules solides de même densité mais de taille supérieure à 90 micromètres, provoquerait un ralentissement du phénomène d'immobilisation des cellules bactériennes sur le grain du support. Ceci est dû aux phénomènes d'abrasion importants résultant des vitesses de sédimentation élevées des particules solides vierges. Un tel ralentissement de l'immobilisation accroît le délai nécessaire à la mise en pleine charge de l'installation et en conséquence ne permet plus une conduite efficace et pratique de la biométhanisation des liquides biodégradables.