CA1083058A

CA1083058A - Production de methane par fermentation de detritus

Info

Publication number: CA1083058A
Application number: CA274,896A
Authority: CA
Inventors: Antonin Jullien; Pierre Morel; Yasmine Ortega (Nee Jullien); Claudette Jullien (Nee Chevalier)
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-04-01
Filing date: 1977-03-28
Publication date: 1980-08-05
Also published as: GB1579656A; AR220313A1; DE2714146A1; JPS52121006A; NL7703533A; ES457215A1; IT1082480B; CH621715A5; DE2714146C2; BR7701831A

Abstract

Ce procédé visant à l'obtention de méthane par traitement des détritus et ordures ménagères consiste essentiellement à réaliser les différentes phases de préfermentation et de fermentation des bact?ries méthanigènes dans au moins trois cellules décalées verticalement, la cellule dans laquelle se produit la première phase étant la plus haute, ceci afin de permettre le passage des produits par gravité d'une cellule à une autre adjacente.

Description

1~8;~

La présente invention a pour objet l~l procéde de recyclage de~ détrittls, ordures ménagères et autres résidu~ organiques, par un traitement permettant la productiorl indu~trlelle d~un gaz artificiel dont la composition et la production sont contrôlée~.
La récupération et la destruction des ordure~ ménagères posent différents problemes importants. Il y a, dlune part, la nuisance et la pollution et, de l'autre, le gaspillage de ~ remières matieres~qui ~ont détruites par les moyens actuel~.
Deux méthodes ~ont actuellement retenues. Les ordure~
menagère~ sont ~pandues en couches de 2,50 m et recouvertes de terre ou sont incinérées.
- La première solution provoque de~ infiltrations souter-raines dont la composition et le cheminement ne sont pas contrôlés, ce qui repré~ente un danger pour les nappes phréatiques et le~ cours d'eau.
- La ~econde ~olution pré~ente l'inconvénient de produire des cendres dont le volume est de l~ordre de 30 à 40 % des matières brulées, qui peuvent difficilement être réutili~ées et posent donc le problème de leur destruction. Celle-ci ne peut être faite que par enfouissement dans le 801, mai~ à la suite de cette opération, ce dernier devient impropre tant à
l'agriculture qu'à la construction.
Par ailleurs, la totalité du gaz méthane utilisé tant dans l'industrie qu'à des fins ménagère~, provient actuellement de l~exploitation de nappes de gaz naturel. Suivant la localisation des gisements, la composition des gaz naturels varie.
Certains, com~e le gaz de LACQ, contiennent des composants qu'il faut ab~olument aliminer. Cette opération est onéreuse et influe lourdement sur le prix de vente. Le gaz de LACQ, tel :,, , : . ~- . .

~08~1~5~3 qu'utilise, possede un pouvoir calorifi(l~lc de 9 960 kcal/m3.
D'autres (3az, co~ne ce~lui de GE~ONINGU~, possedcrlt des cvmposants non combustibles, tels que le dioxyde de carbone et l'azote.
Pour ne pas grever le prix de revien-t, il n'est pas pr~céde à
l'elimination de ces elements, mais leur presence se repercute de facon defavorable sur le pouvoir calorifique, qui est de l'ordre de 8 400 kcal/m3.
D'autres yaz, comme celui de HASSI R'MEL en ALGERIE, ont une composition ideale qui, outre le fait qu'ils ne nécessi-tent pas de traitement préalable, leur confere un pouvoir calo-rifique important de l'ordre de 10 700 kcal/m3. Ces derniers cas sont néanmoins tres rares.
Le ~ut de l'invention est de produire un gaz a forte t:eneur en methane, donc possedant un bon pouvoir ca]orifique, obtenu a partir d'un produit de base sans valeur. La production d'un tel gaz pourrait être utilisee dans le cadre des raffineries petrolieres o~ l'on utilise actuellement du fuel lourd comme elément aombustible lors des opérations de raffinage. Il est a noter que la moitié de la production du fuel lourd est actuellement utilisée a cette fin. L'utilisation de gaz permet donc de realiser une economie en fuel lourd et d'utiliser la partie economisee a d'autres fins.
La presente invention vise a l'obtention d'une nou-velle source d'energie tout en assurant la recupération et la destruction des ordures ménageres et autres détritus. Le but principal de l'invention est de realiser un traitement peu coû-teux a partir de matieres premieres sans valeur.
A cet effet, le procédé selon l'invention tel que revendique dans la presente demande reside dans les etapes suivantes:

- ramassage et broyage d'ordures biodégradables, admission des ordures broyees dans une premiere cellule avec

- 2 ~

liq~ o~ c~ o(l~ cl~ c~tl?~ c? ~our r~rnler ~ Iiq~lic~ ?~ s~ , o~y(J~ c~ ou~ ar phère anaerobic? de l'cncein~e COntC?llallt LCS houe~s par introduc-tion de dioxyde cle carbone dalls la première ce~llule, transfert des boues de la première ce:Llule dans Ulle secollde cellule pour la prefermentation avec auqlllenta~ion du ~aux dce dioxyde de carbone, transfert des boues vcrs une autre cellule pour la realisatioll de la :Eermenta~ioll avec développement de la cluantité
de méthalle, extraction d'au moins une par~ie du liquide auquel sont mélanciees les boues pour recycla~Jc? dans la premiere cellule en même temps qu'est procédé à la récupération de méthane.

108~S8 Les phases de ~réfermentation ct dc fermen~ation sont réalisées dans ~Ics ccllules équipées de mallière à maîtriser la température ainsi que le~ conditions d'anaérobiose. Ces cellules comportent, en outre, des moyens d'amenée d'un substrat complémentaire pour les réalimenter, en cas de besoin, par adjonction de bactéries méthanigènes.
Il est intéressant de mélanger au~ ordures ménagères d'autres matières organiques et parmi elles les boucs d'égouts et les matière~ fécales. Selon une forme avantageuse de mise en oeuvre de l'invention, le broyage de9 ordures ménagères est réalisé au niveau des locaux d'habitation ou industriels par un appareil qui, comportant un broyeur associé à un réservoir de récupération des eau~ usées dudit local, est équipé de moyens de commande provoquant la libération des eaux usées contenues dans le réservoir lors de la mise en marche du broyeur, l'appareil étant relié au tout-a-l'égol^lt, de tclle sorte que les détritus et les matières fécales sont acheminées par le même raccordement à un collecteur principal~ à une ;.20 station d'épuration, juste avant laquelle sont disposés des bacs de décantation permettan* de séparer :
- les ordures ménagères, les matières fécales, les boues d'égoût~ et les autres produits tels que papiers, cotons et autres qui, de par leurs densités respectives, demeurent au fond des bacs, - les eaux usées et les détersents dirigés vers la station d'épuration, les matières du premier groupe cité étant ensuite malaxées avant d'être épandues dans les cellules.
Cette so].ution permet l'éli;ination des collectes des .

B

lG83058 ord~req men~g~re~, telle~ qu'elle~ se pratiquent actuellement, de~ décharge~ publiquc~, ain~i que de~ usineY d'incinération.
Dans une forme préféree de mise en oeuvre de ce procédé, le~ différente~ phase~ de préfermentation et de fermentatlon deY bacterie~ méthanigène~ ~ont réali~ée~ dan~ au moin~ troi~
cellules décalée~ verticalement, la cellule dan# laquelle ~e produit la première pha~e étant la pluQ haute, afin de permettre le pa~age deR produits par gravité d'une cellule à une autre adjacente.
L'intérêt de ce mode de mi~e en oeuvre ré~ide dans la mise en dynamique de~ boues par ~imple gra~ité.
De ce fait, il est pos~ible d'utili~er comme gaz vecteur la production gazeu~e obtenue dans les cellule~ ou 30nt réali~ee3 le~ pha~e~ de préfermentation et de fermentation de~ bactéries méthanigène~.
En effet, ~i leQ cellules étaient ~ur un même niveau, il faudrait un apport de gaz carbonique extérieur et indu~triel pour réali~er le tran fert de~ boues d'une cellule dan~ une autre adjacente. Or, une telle pratique est néfaste à la production gazeu~e puiYqu'elle provoque une diminution du pourcentage de méthane produit.
Dans le ca~ pré~ent, il n'est pa~ néces~aire de réalicer un tel apport de gaz carbonique, ce qui confère une autonomie de fonctionnement au di~po~itif.
Le mélange gazeux comporte une grande partie de méthane, e* un peu de dioxyde de carbone. La ~éparation de ce~ deux gaz e4t réaliRée de façon trè~ ~imple, par di~olution du dioxyde de carbone dan~ une ~olution ~ursaturée en pota~se KOH. Après diq~olution du dioxyde de carbone, il reste un gaz contenant 99,5 % de méthane et 0,5 ~0 d'autre~ compo~ants, tel~ que l'azote.

'';, ~' , ' .

1(~83058 Ce ga~ a un pouvolr calorifique extremement intére~ant de l'ordre de 9 600 kcal/m3. Il est bien entendu po~sible d'a~gmenter ce pouvoir calorifique pour l'amener ~ de~ valeur~
de 12 000 à 13 000 kcal/m3 en lui adjoignant des hydrocarbure~, tel~ que l'éthane ou l'éthylène.
Avantageu~ement, le procedé selon l'invention consiste à
réali~er, au c~ur~ d'une opération, le transfert d'une partie seulement de~ produits contenuJ dan~ une cellule vers la cel~ule suivante, afin de ne pa~ rompre l'équilibre de réaction dans le~ différentes cellule~. Ceci permet une produ¢tion en continu de gaz, sans avoir à initier chaque foi~ la réaction.
Dans une forme préférée de mi e en oeuvre de ce procédé, le produit, obtenu à l'i~sue du traitement dans la dernière enceinte, est recyclé dan~ la première enceinte pour réali~er l'en~emencement de celle-~i en bactéries méthanigène~.
En outre, ce procédé consi~te à réaliser l'oxygénation des produits danQ la premiere cellule, pui~ avant tran~fert dans la aeconde cellule, à ~e placer en conditions d'anaérobie par injection de gaz carbonique, et à réalicer éventuellement dans le~ autre~ cellules un apport de gaz carbonique, d'hydrogène, tout en maintenant une température comprise entre 35 et 450C~
et de préference entre 37,5 et 41C, la récupération de méthane étant faite dans ces dernière~ cellule De toute façon, l'invention sera bien comprice à l'aide de la de~cription qui suit en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exempleg non limitatifs, deux formeQ d'exécution d'une installation pour la mi~e en oeuvre de ce procédé :
Figure 1 est ~e vue très ~chématique en coupe d'une partie d'une inqtallation de grande importance ;

~.

11~830S8 Figure 2 est une vue en coupe d't~e unité de tran~formation de faible import~nce suivant 2-2 de figure 3 ;
Figure 3 e3t une vue de desaus de l'unité de figure 2.
Chaque unité de traitement comporte quatre cellules distincte~ dont celle A permet la préparation et l~oxygénation de~ boues~dont celle B a~ure la préfermentation, dont celle C
permet l'accélération de la fermentation produiAant le gaz carbonique et l'amorce de la fermentation méthanique et dont celle D a~sure l~enrichi~sement en méthane de la production gazeuae.
Dans la forme d'exécution repré~entée à la figure 1, chaque cellule a une largeur de 3 mètres environ, une hauteur de 2,50 mètre~ et une longueur variant entre 9 et 90 mètres, cette longueur étant fonction de l~importance du centre de traitement réalisé.
Le~ cellule~ ~ont limitée~ longitudinalement par des paroi~
en béton armé 6 de 60 cm d'épais~eur. Les plancher~ et plafonds ~éparant les cellules sont réali~és par deR plaques métallique~
creu~e~ 7 à l'intérieur desquelles circule un fluide de ré~ulation de température.
Chaque plancher sert de ~upport au niveau de~ bords longitudinaux deY cellules à des tube~ percés 8, permettant l'alimentation en composant~ favoricant la réaction, c~est-à-dire ~elon le~ cas en air, en ~ub~trat, en gaz de ~outien tel que hydrogène et gaz carbonique, ou en hydrocarbure~ pour l~enrichis~ement oalorifique de~ gaz.
A l'intérieur de chaque cellule, sont prévus des moyens d'agitation con-~titué~ par exemple par de~ disques 9 horizontaux entra~n~s en rotation à partir de moteur~ électri~ues 10~
Dan~ la forme d'exécution représentée à la figure 1, les .

:""',' ~(~83~i8 quatre cellules d'une même unlté ~ont ~uperpo~ees. Le~ cellules communique~t entre elles par des conduits 12 ~ur chacun desquelc est montée au moin~ une vanne 13.
Ces conduit~ permettent le tran~fert par gravité des boues d'une cellule Qupérieure ver~ une cellule placée en dessous. A
leur arrivée au centre de traitement, le~ detritu~ diver~ qont trié~, afin de réaliser la ~éparation des métaux. Leq autres produit~ sQnt réduits dan~ un broyeur 14, et alimentent ensuite une cellule A. Celle-ci est remplie sur une bonne partie de ~a hauteur par des liquides récupére~ dan~ le~ cellules D, et ramené~ par un conduit 15 équipé d'une pompe 16. Le conduit 15 débouche, d'une part, à la partie inférieure d'une cellule D
et, d'autre part, à la partie ~upérieure d'une cellule A. Il est ajouté à ces liquides le~ détritus provenant du broyeur 14.
L'homogénéisation des boues est réalisée par les di~que~
9. Les boues deviennent extrêmement compactes ffana pour autant augmenter de volume. Dè~ le début de l'opération de brassage, il e~t procédé à l'injection d'air par les rampe~ de vaporisation o, afin de réaliser 1'oxygénation du mélange. Après un certain temps de réaction, il e~t procédé au transfert dans la cellule B d'une partie de~ boues. Avant l'opération de transfert, la cuve est mise en condition d'anaérobie par distribution de gaz carbonique par le~ rampes 8.
Entre la cellule A et la cellule B, le conduit 12 présente une particularité puisque, sur celui-ci, sont montées deux vannes 13 entre le~quelles e~t placé un filtre 17~ Le~ deux vannes, de préférence automatisées, ~ont ouvertes et refermée~
simultanément.
Sous l'effet de la pre~sion dans la cellule A, les boue~

3~ passent dans la cellule B, a traver~ le filtre 17. Pour , : :

~330~
nettoyer le filtre 17, il Yuf~ira d'opér0r lor~que le~ deux vanne~ _ ~ont en position ferméeO
La cellule B a~ure la préfermentation produisant le gaz carbonique. Pour accélérer cell~-cl, il est po~ible ~oit d'augmenter la température du mél~nge par actionne~ent des disques 9, ~oit d'apporter un gaz d'appoint par le~ conduit~
8~ tels que du gaz carbonique ou un mélange d'hydrogène et de gaz carbonique~
Aprè~ un temps de réaction dans cette cellule, il est procédé au transfert des boues dans la cellule C. Le transfert 0'effectue de la m~me façon que celui de la cellule A vers la cellule B. Dans la cellule B se produit l'accél~ration de la fermentation produisant le gaz carbonique et l'amorce de la fermentation méthanique. Il est po~sible d'accélérer le proce~us en réalisant, comme dans le cas de la cellule B, un apport de gaz carbonique et d'hydrogène et en maintenant une température optimale de 41C par exemple.
Après un certain temps de réaction, une partie des boue~
est tran~férée de la cellule C dans une cellule D. La cellule C
a~ure l'enrichisRement en méthane de la production gazeuse.
Dans cette cellule, la température est maintenue entre 35 et 450C et, avantageusement entre 37,5 et 41C, plage de température idéale pour obtenir une production optimale de méthane.
Cet enrichis~ement est obtenu avantageusement par injection de la production gazeuse de la cellule B dans la cellule C, et du volume gazeux produit dans la cellule C dan~ la cellule D, par 1'intermédiaire de conduits 18 reliant les volumes gazeux de deux c~llules adjacente~ et de conduits, non repré~enté~
au dessin, reliant le volume gaseux d'une cellule avec le~
rampes de di4tribution 8 de la cellule adjacente.

Le volume gazeux produit dans la cellule B contient 85 %
de gaz carbonlque et 15 % de méthane, le volu~e gazeux produit dan~ la cellule C contient 70 % de gaz carbonique et 30 % de méthane, et le volume ga~0ux produit dans la cellule D contient 60 % de méthane et 40 % de gaz carbonique. Le fait d'injecter par les rampe~ de di~tribution montée~ dans leR cellules C et D
le gaz produit dans les cellules B et C e~t trè~ intéressant, car il permet un enrichissement de~ boues par apport d'un substrat et de bactéries méthanigène~. Il e~t bien évident qu~il est prévu des vanne~ pour la répartition du passage des volumes gazeux directement et indirectement par les rampe~ 8.
Le débit final sera donc la somme de~ débits gazeux dans les trois cellule~ B, C et D. Le gaz produit dans les trois cellules est employé comme gaz vecteur.
Dan~ la mesure où le produit gazeux de~ cellules B, C et D
n'att~int pas un débit suffisant de l'ordre de 120 à 150 l/h et par m3 de boues, il est po~sible d'injecter pour le compléter du gaz carbonique industriel. Cet apport extérieur peut légèrement faire bai~ser la teneur en méthane. Ceci e~t néanmoin~ ~an~ importance puisque, à la sortie de la cellule D, le gaz carbonique est dis~ou~ dans une solution sursaturée en pota~e KOH. Le~ cri~taux restant au fond de~ bac~ sont récupérés pour être introduits dans la cellule A et y maintenir un pH supérieur ou égal à 7, celui-ci bai~qant en cours de fermentation dans le~ cellules B et C avant de remonter dan~
la cellule D.
Dan~ le ca~ de l~installation représentée aux figures 2 et 3, les différente~ cellules A à D ne sont pas ~uperpo~ées, mai~
~implement dispo~ée~ en e~calier3, 1'e~sentiel étant que le pa~sage de~ boues puisse ~'effectuer par gravité d~une cellule _ 4 _ .
. . .

33~
dan~ celle adjacente située au-de~sou~.
Outre la sollrce d'énergie qu'il permet d'obtenir dans de conditions finRncières avantageuse~, ce procédé est intére~sant en ce sens, qu'il n'y a pas de rejet de gaz ou de boue~ donc t pas de pollution atmosp}lerique, de~ cour~ d'eau ou des nappe~
phréatiques.
Il e~t également po~ible de ne recycler dans la cellule A
qu'une partie, par exemple 90 %, du liquide obtenu dans la cellu~e D en fin de fermentation, l/autre partie, c'e~t-à-dire 10les 10 % restan~ dans l'exemple considéré, étant en~emencée en bactéries méthanigène~ préalablement isolées. Cette fraction enrichie en bactéries méthani$ènes est alors mélangée à de~
produits tel~ que vase, eaux saum~tres, feuille~ morteq, ou autres, en vue de réaliser une fermentation contrôlée de ceux-ci, afin d'obtenir du méthane, à l'aide d'un appareillage comportant plu~ie.ars cellules aux fonctions spécifiques, tel que celui décrit précédemment. Il est bien évident que, ~i l'on procede de la ~orte, il convient de faire dans la cellule A un apport d'un nouveau volume de boues riches en produits organiques, 20corre~pondant au volume du liquide de D non recyc~é, afin de maintenir con~tant le volume dans la cellule A.
Le procédé de traitement dans les cellules demeurerait le même dans la mesure où le broyage des ordures ~erait réalisé, comme il a été indiqué précédemment~ au niveau des losaux d'habitation ou industriels avec adjonction de matière~ fécales et de boues d'égoût~.

-- 10 ~

, ,,

Claims

Les réalisations de l'invention, au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit:

1. Procédé de transformation de déchets organiques en gaz industriel, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes sui-vantes:
- ramassage et broyage d'ordures biodégradables, - admission des ordures broyées dans une première cellule avec un liquide contenant des bactéries produisant du méthane pour former un liquide fermentescible, - oxygénation de ces boues par injection d'air pro-duisant une certaine agitation, - mise en atmosphère anaérobie de l'enceinte contenant les boues par introduction de dioxyde de carbone dans la pre-mière cellule, - transfert des boues de la première cellule dans une seconde cellule pour la préfermentation avec augmentation du taux de dioxyde de carbone, - transfert des boues vers une autre cellule pour la réalisation de la fermentation avec développement de la quantité
de méthane, - extraction d'au moins une partie du liquide auquel sont mélangées les boues pour recyclage dans la première cellule en même temps qu'est procédé à la récupération de méthane.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les boues ayant subi une préfermentation dans la seconde cellule, sont transférées dans une troisième cellule pour le démarrage de la fermentation productrice de méthane, avant d'être transférées vers une dernière cellule où se poursuit la fer-mentation.

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé
en ce qu'à un instant déterminé une fraction seulement des boues est transférée vers la seconde, troisième ou dernière cel-lule à partir de la cellule immédiatement en amont pour maintenir dans celle-ci l'équilibre de réaction.

4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que les première, seconde, troisième et dernière cellules sont disposées à des niveaux décalés verticalement de haut en bas le transfert des boues d'une cellule à la suivante étant effectué par gravité.

5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le gaz obtenu dans la dernière cellule passe dans une liqueur capable de dissoudre une partie importante du dioxyde de car-bone accompagnant le méthane produit.

6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la liqueur est une solution sursaturée de potasse KOH.

7. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la température dans les seconde, troisième et dernière cellules est comprise entre 35 et 45°.

8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la température est maintenue par contrôle de l'agitation des boues.

9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la température est comprise entre 37,5 et 41°C.

10. Procédé selon la revendication 7, caractérisé
en ce que la température est maintenue à sensiblement 41°C au moins dans la dernière cellule.

11. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les boues dans la première cellule sont maintenues à
un pH qui n'est pas inférieur à 7.

12. Procédé selon les revendications 2 ou 3, carac-térisé en ce que le gaz obtenu dans la dernière cellule passe dans une liqueur capable de dissoudre une partie importante du dioxyde de carbone accompagnant le méthane produit.