EP4377435A1 - Dispositif de traitement d'intrants bi-étagé et procédé de traitement d'intrants mis en oeuvre dans un tel dispositif - Google Patents

Dispositif de traitement d'intrants bi-étagé et procédé de traitement d'intrants mis en oeuvre dans un tel dispositif

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Publication number
EP4377435A1
EP4377435A1 EP22757281.5A EP22757281A EP4377435A1 EP 4377435 A1 EP4377435 A1 EP 4377435A1 EP 22757281 A EP22757281 A EP 22757281A EP 4377435 A1 EP4377435 A1 EP 4377435A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
reactor
digestate
fraction
days
inputs
Prior art date
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Pending
Application number
EP22757281.5A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Thomas Moreau
Alain MAGIS
Laura ANDRE
Thierry RIBEIRO
André PAUSS
Patrick Billette
Florian ROUTHIER
Antoine Brunet
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SYCTOM Agence Metropolitaine des Dechets Menagers
Syndicat Interdepartemental pour lAssainissement de lAgglomeration Parisienne SIAAP
Original Assignee
SYCTOM Agence Metropolitaine des Dechets Menagers
Syndicat Interdepartemental pour lAssainissement de lAgglomeration Parisienne SIAAP
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Filing date
Publication date
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Publication of EP4377435A1 publication Critical patent/EP4377435A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/58—Reaction vessels connected in series or in parallel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/04—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses for producing gas, e.g. biogas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C12M29/18—External loop; Means for reintroduction of fermented biomass or liquid percolate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/12—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of temperature
    • C12M41/18—Heat exchange systems, e.g. heat jackets or outer envelopes
    • C12M41/22—Heat exchange systems, e.g. heat jackets or outer envelopes in contact with the bioreactor walls

Definitions

  • Two-stage input treatment device and input treatment method implemented in such a device Two-stage input treatment device and input treatment method implemented in such a device
  • the present invention belongs to the field of methane production, more particularly the recovery of organic inputs, in particular and preferably comprising a mixture of an organic fraction of household waste, sludge and possibly manure and fats.
  • the object of the present invention relates to an input treatment device device, comprising: a first and a second reactor infinitely mixed in series, said second reactor being provided with a recirculation loop comprising a unit thermal hydrolysis treatment comprising a flash expansion treatment compartment, said loop being connected on the one hand to the outlet of the second reactor and on the other hand to the inlet of the second reactor and to an input treatment process comprising a hydrolysis stage under thermophilic conditions, a methanogen stage, a fraction of the digestate then being subjected to flash expansion before being reinjected into the second reactor.
  • Enzymatic hydrolysis allows accelerated degradation of the material, but it requires the injection of enzymes whose preservation is complex: the operating cost is therefore high, which affects the profitability of the process.
  • thermal hydrolysis at the head of the process is also a solution developed by various entities and giving good results. However, it is placed at the head of the treatment and not on a recirculation loop: the energy consumption is therefore higher and the overall efficiency, although improved, remains lower than that of the solution developed.
  • the invention thus relates to an input processing device, comprising:
  • said second reactor being equipped with a recirculation loop comprising a thermal hydrolysis treatment unit comprising a flash expansion treatment compartment, said loop being connected on the one hand to the outlet of the second reactor and on the other hand at the inlet of the second reactor, the first and second reactors being arranged in series.
  • the term "inputs" means a mixture of an organic fraction of household waste, sludge, manure and/or fat. Preferably, it is an organic fraction of household waste and sludge.
  • Household waste generally comes from treatment centers equipped with a screening unit allowing the extraction of the fraction whose diameter is included in the interval going from 0 to 10 mm rich in organic matter.
  • the sludge generally comes from wastewater treatment plants and can include primary sludge from water settling or biological sludge from aerobic treatment.
  • Inputs can also include manures, usually from equine centres. Inputs generally have a dryness of 6 to 7%.
  • Connected means a direct or indirect connection between two elements of the device.
  • thermal hydrolysis treatment unit comprising a flash expansion treatment compartment
  • a flash expansion treatment compartment means a unit composed of a pressurization reactor with steam injection and a flash expansion reactor equipped with a valve for venting.
  • Thermal hydrolysis takes place in the pressurization reactor, under the effect of pressure and temperature. So, in said processing unit, the pressurization and flash expansion can be carried out in two separate reactors. Alternatively, the pressurization and the flash expansion can be carried out in one and the same reactor fulfilling both functions.
  • the first reactor is capable of operating under thermophilic conditions.
  • the first reactor is configured to operate under thermophilic conditions.
  • thermophilic conditions means conditions allowing thermophilic organisms to thrive. Thermophilic organisms can live and multiply between 50 and 60°C.
  • the first reactor is an infinitely mixed reactor operating continuously or CSTR in English for Continuons Stirred-Tank Reactor.
  • the dimensions of the first reactor are generally configured to have an aspect ratio of 1.5.
  • the first reactor is cylindrical in shape extending around a substantially vertical axis of extension.
  • the reactor may have a cross section with respect to the axis of extension.
  • the cross section can be of various shape; for example circular, rectangular or square.
  • the first reactor includes at least one inlet and at least one outlet.
  • the first reactor comprises an upper part and a lower part.
  • the first reactor is configured to operate under thermophilic conditions.
  • the first reactor can be provided with a temperature regulation system (preferably heating) making it possible to ensure homeostasis at around 55° C.
  • the first reactor may further comprise a second outlet (for recovering the gas produced during the hydrolysis step).
  • the second outlet can be fitted with a flow meter.
  • the second outlet can be connected to a gas holder. It is thus possible to collect the gas produced during the hydrolysis step in the first reactor during the implementation of the process according to the invention.
  • the gasometer can be spherical in shape and fixed to the ground or have the shape of a half-sphere, for example when it is fixed to the upper part of the first reactor.
  • the second reactor is capable of operating under mesophilic conditions.
  • the second reactor is configured to operate under mesophilic conditions.
  • mesophilic conditions means conditions allowing mesophilic organisms to prosper (temperature of 37° C. at neutral pH).
  • a mesophilic organism is a life form that thrives best in moderate temperature conditions.
  • the second reactor is an infinitely mixed reactor operating continuously or CSTR in English for Continuons Stirred-Tank Reactor.
  • the dimensions of the second reactor are generally configured to have an aspect ratio of 1.5.
  • the second reactor is cylindrical in shape extending around a substantially vertical axis of extension.
  • the reactor may have a cross section relative to the extension axis.
  • the cross section can be of various shape; for example circular, rectangular or square.
  • the second reactor includes at least one inlet and at least one outlet.
  • the second reactor comprises an upper part and a lower part.
  • the second reactor is configured to operate under mesophilic conditions.
  • the second reactor can be equipped with a temperature control system. This may include, for example, a recirculation temperature control system and extensive thermal insulation.
  • the recirculation temperature control system can be a tubular or spiral heat exchanger.
  • the second reactor may also include a second outlet (for recovering the gas produced during the methanogenesis step).
  • the second outlet can be fitted with a flow meter.
  • the second outlet can be connected to a gasometer. It is thus possible to collect the methane produced in the second reactor during the implementation of the process according to the invention.
  • the gasometer can be spherical in shape and fixed to the ground or have the shape of a half-sphere, for example when it is fixed to the upper part of the second reactor.
  • the second reactor is provided with a recirculation loop, said loop being connected on the one hand to the outlet of the second reactor and on the other hand to the inlet of the second reactor.
  • the intended direction of circulation in the recirculation loop going from the outlet of the second reactor to the inlet of the second reactor.
  • the recirculation loop comprises a thermal hydrolysis treatment unit comprising a flash expansion treatment compartment.
  • the recirculation loop may further comprise a screw press located upstream of the pressurizing reactor with injection of steam from the treatment unit by thermal hydrolysis, with respect to the direction of circulation in the loop and making it possible to limit the content in water of the mixture (target dryness of 12%) and therefore the energy consumption necessary for heating the mixture.
  • the first and/or second reactor(s) may/may include a mechanical stirrer.
  • the mechanical stirrer is preferably pendular.
  • the first and second reactors are arranged in series, that is to say that the inlet of the second reactor is connected to the outlet of the first reactor.
  • the directions of circulation of the inputs being provided in the first direction then the second reactor.
  • the outlet of the first reactor is connected to the inlet of the second reactor.
  • the inlet of the second reactor is connected to the outlet of the first reactor and to the outlet of the flash expansion treatment unit included in the recirculation loop.
  • the output of the second reactor is connected to the treatment unit by flash expansion and to the evacuation of the excess digestate.
  • the first and second reactors may be identical or different.
  • the device according to the invention may also comprise a means of homogenization.
  • the homogenization means comprises at least two inputs and one output.
  • the homogenization means can thus be connected to the outlet of the first reactor and to the recirculation loop.
  • the homogenization means can be a mixer. It may be a vessel fitted with a mechanical stirrer, preferably a pendulum stirrer.
  • the homogenization means can be connected to the inlet of the second reactor.
  • the homogenization means thus makes it possible to homogenize the digestate A/digestate C mixture before its introduction into the second reactor, according to the method of the invention described below.
  • the device according to the invention may comprise a storage means.
  • the storage means also called a buffer tank
  • the storage means can be positioned upstream of the first reactor, between the first and the second reactor and/or between the second reactor and the outlet and/or the recirculation loop.
  • the storage means can be a so-called "buffer" tank, making it possible to regulate the mass transfers from one reactor to another, on the loop or at the outlet of the device, in order to avoid any overflow or clogging.
  • the storage means When the storage means is positioned between the first and the second reactor, it can be identical to or different from the homogenization means.
  • the device according to the invention may further comprise a heat exchanger, preferably tubular.
  • the heat exchanger can be connected to the thermal hydrolysis treatment unit comprising a flash expansion treatment compartment and more particularly directly to the flash expansion compartment.
  • the heat exchanger can further be connected to the temperature control system of the first reactor or to the temperature control system of the second reactor.
  • the heat exchanger can make it possible to recover the waste heat of the equipment.
  • “Waste heat” or “recovery heat” means the heat generated by the flash expansion compartment which is not its primary purpose, and which is not normally recovered. This involves, for example, transferring the calories recovered to the thermal hydrolysis treatment unit comprising a flash expansion treatment compartment and using them to regulate the temperature of the first and/or second reactor.
  • the device according to the invention can be provided with a set of pumps and valves allowing the automatic or manual transfer of the digestates A, B and/or C from one element of the device to another.
  • the invention also relates to a process for processing inputs, comprising the steps: a) introduction of inputs into a first infinitely mixed reactor; b) hydrolysis under thermophilic conditions of the mixture of inputs in the first infinitely mixed reactor, so as to obtain a digestate A; c) introduction into a second infinitely mixed reactor of the digestate A obtained in stage b) and of the digestate C obtained in stage e); d) methanogenesis under mesophilic conditions of the digestate A and of the digestate C introduced into the second reactor in step c), so as to obtain methane and a digestate B; e) separation of digestate B obtained in step d) into a first fraction (Fl) and second fraction (F2), said first fraction (Fl), optionally thickened, being subjected to thermal hydrolysis followed by flash expansion of so as to obtain a digestate C, said digestate C being reintroduced into the second reactor in step c).
  • step c) When starting the process according to the invention, it is possible that only digestate A is introduced into the second reactor in step c) (because there is no digestate C yet), in order to produce digestate B, a fraction of which will be transformed into digestate C. At the end of this start-up of the process, step c) is carried out normally, as indicated above.
  • the digestate C can also come from a previous implementation of the method, in this case, even when starting the method, a digestate A and a digestate C are introduced during step c).
  • the method according to the invention thus allows a more complete hydrolysis of the material.
  • the process according to the invention makes it possible to degrade the organic matter which is difficult to degrade which remains in the digestate and to transform it into molecules easily assimilated by the bacterial flora.
  • These are, for example, long carbon chains (generally having 10 to 30 carbon atoms) which were generally not degraded in known processes.
  • the product obtained at the end of the process is such that it makes it possible to ensure physical hydrolysis of the refractory organic matter: the long carbon chains are then cut into pieces by the effect of heat and pressure during flash relaxation and become more easily mobilized by the bacterial flora.
  • the process according to the invention makes it possible to convert the thermally hydrolyzed organic matter into methane (in step b)), and to achieve an overall level of expression of the Potential BioMethane (BMP) of the inputs of 110%.
  • BMP Potential BioMethane
  • the inputs can be introduced into the first reactor by means of a pump, preferably a or more peristaltic pumps.
  • a pump preferably a or more peristaltic pumps.
  • the inputs can undergo a grinding step.
  • the grinding can be carried out by means of knives; to reduce the size of long fibers (for example fibers measuring more than 5 cm).
  • the method can be implemented by batch (or batch), continuously or semi-continuously.
  • steps a) to e) can be implemented consecutively or simultaneously.
  • step b) of hydrolysis is carried out under thermophilic conditions in the first reactor.
  • the residence time of step b) can be comprised within an interval ranging from 2 to 10 days, preferably 5 days (by day is meant a duration of 24 hours).
  • the temperature of the hydrolysis of stage b) can be comprised within a range going from 50 to 60°C, preferably 55°C.
  • Step b) may include stirring during all or part of the hydrolysis reaction.
  • digestate A is obtained.
  • Digestate A is generally composed of a mixture of volatile fatty acids (VFAs) in high concentration. It can be for example butyric acid, but also propionic or acetic acid.
  • the digestate A can be introduced into the second reactor by means of a pump, preferably a peristaltic pump.
  • the digestate C can be introduced into the second reactor by means of a pump, preferably a peristaltic pump.
  • a pump preferably a peristaltic pump.
  • the digestate C can undergo a thickening step by screw press aimed at increasing the dry matter content of the mixture. The thickening phase makes it possible to reach a target dryness of 12%.
  • a digestate C/digestate A volume ratio is defined.
  • the ratio V digest t c/V digest t A is within an interval ranging from 20 to 30%.
  • step c) may comprise a sub-step of mixing and homogenizing the digestates A and C before their introduction (in the form of a mixture) into the second reactor.
  • step d) of methanogenesis is carried out under mesophilic conditions in the second reactor.
  • the residence time of step d) may be within a range ranging from 10 to 20 days, preferably 15 days.
  • the temperature of the methanogenesis of step d) can be comprised within a range going from 34 to 40°C, preferably 37°C.
  • Stage d) can comprise stirring during all or part of the methanogenesis.
  • a digestate B is obtained.
  • the digestate B is generally composed of mineral matter resulting from the degradation of organic matter.
  • step d) of methanogenesis can also comprise a pH control and pH regulation sub-step.
  • a pH ⁇ 6 indicates poisoning of the reaction medium (acidosis) and a loss of productivity.
  • Step d) can thus comprise a sub-step of measuring the pH and regulating the pH (automatic or manual), by adding a base (generally sodium hydroxide), when the measured pH value is less than or equal to to 6, preferably less than or equal to 6.5.
  • a base generally sodium hydroxide
  • Methane is produced during step d), and more particularly during methanogenesis. Methane can be collected in a gasometer and then extracted via the gasometer for recovery.
  • step e) comprises the separation of the digestate B obtained in step d), into two fractions F1 and F2, said fraction F1, optionally thickened, being subjected to thermal hydrolysis followed by flash expansion. so as to obtain a digestate C.
  • Said digestate C is reintroduced into the second reactor in step c).
  • the separation of step e) can be carried out by means of a screw press.
  • step e At the end of the separation of step e), two fractions are obtained: a first fraction (F1) which is optionally thickened before being subjected to thermal hydrolysis followed by flash expansion so as to obtain a digestate C ; and a second fraction (F2), which is neither thickened nor subjected to thermal hydrolysis followed by flash expansion and which is digestate D, the final product obtained at the end of the process according to the invention.
  • a mass ratio m Fi /ni F 2 is thus defined.
  • the m Fi /ni F 2 ratio can be within an interval ranging from 25 to 35%, preferably 30%.
  • Step e) may include a storage sub-step prior to separation.
  • the fraction (F1) separated during step e) represents 30 to 40% of the volume of digestate A introduced into the second reactor in step c).
  • the thickening of the first fraction (F1) of step e) can be carried out in a screw press.
  • Thickening is optional and can be implemented until a dryness of 10 to 14%, preferably 12%, is obtained.
  • dryness means the dry matter content of the mixture under consideration.
  • the treatment by thermal hydrolysis followed by flash expansion of step e) is implemented in the thermal hydrolysis treatment unit comprising a treatment compartment by flash expansion described above in the context of the present invention.
  • the thermal hydrolysis followed by flash expansion of step e) may comprise the sub-steps: i) introduction and pressurization in a reactor for pressurizing the first fraction F1 by injecting steam into the reactor, at a pressure ranging from 3 to 12 bar, preferably from 4 to 5 bar, at a temperature ranging from 140 to 190°C, for a period ranging from 20 to 40 minutes, ii) return to atmospheric pressure of the fraction of co- digestate B in the aforementioned pressurization reactor or in another reactor, a flash expansion reactor, and obtaining digestate C.
  • step ii) of returning to atmospheric pressure is almost instantaneous. It is carried out by means of a valve, preferably a modulating expansion valve.
  • the thermal hydrolysis followed by flash expansion of step e) may further comprise a step iii) of calorie transfer from the digestate C to heat the temperature of the inputs or regulate the temperature of the first and/or the second reactor, preferably by means of a tubular heat exchanger.
  • the method according to the invention may further comprise a step f) of dehydration of the fraction F2 (digestate D), followed by drying.
  • step e a thickening upstream of the treatment by hydrolysis qualified as thermal hydrolysis (step e)) makes it possible to limit the thermal energy consumption of the system and therefore improves its energy efficiency;
  • Figure 1 shows an example of a functional implementation diagram of the method and the logical sequence of steps a) to e).
  • FIG. 2 represents a device 1 according to the invention, comprising a first reactor 110 comprising an inlet 111, an outlet 112, a mechanical stirrer 113 and a heating system 114, a second reactor 120 comprising an inlet 121, an outlet 122, a mechanical agitator 123 and a heating system 124, a recirculation loop 130 provided with a screw press 131 and a thermal hydrolysis treatment unit comprising a flash expansion treatment compartment 132, a homogenization means 140 , a storage means (buffer tank) 150 and a set of pumps 160.
  • FIG. 3 represents the reaction device used for the reactors 110 and 120.
  • 4A to 4F represent the monitoring of the key parameters of the process at the level of the reactor 110 : (4A) Monitoring of the pH as a function of time for several residence times of 2 days at 100 g M sL 1 ; (4B) Monitoring of the buffer capacity as a function of time, for several residence times of 2 days, 100 g M sL 1 ;
  • FIGS. 5A to 5H represent the monitoring of the key parameters of the process at the level of the reactor 120:
  • A Monitoring of the pH of the mesophilic reactor as a function of time, for 3 residence times of 15 days on digestate A then over 2 times of stays of 15 days (grey area) on a mixture of digestate A and digestate C resulting from thermal hydrolysis and flash expansion;
  • B Monitoring of the buffer capacity of the mesophilic reactor as a function of time, for 3 residence times of 15 days on digestate A then over 2 residence times of 15 days (grey zone) on a mixture of digestate A and digestate C from thermal hydrolysis and flash expansion;
  • C Monitoring of VFAs in the mesophilic reactor as a function of time, for 3 residence times of 15 days on digestate A then over 2 residence times of 15 days (grey area) on a mixture of digestate A and digestate C from thermal hydrolysis and flash expansion;
  • Table 1 characteristics of treated sludge.
  • the organic fraction of household waste (FOR) treated is characterized by the following specific parameters:
  • Table 2 characteristics of the FOR treated.
  • the first (thermophilic) reactor is shown in Figure 3.
  • Useful volume of the reactor 5 liters
  • CSTR Paddle Stirring System
  • Double wall heating device with associated regulation system Double wall heating device with associated regulation system
  • Autonomous Microflow flowmeter (measurement range from 20 to 4000 mL/h) and multi-channel acquisition system.
  • the second reactor (mesophilic) consists of the same elements as the first reactor and is placed in series.
  • the technical characteristics of the thermal hydrolysis treatment unit comprising a flash expansion treatment compartment are as follows: a 2.5 liter pressurizing batch reactor equipped with an oil heating system heater and a stirrer; a flash expansion reactor equipped with a valve for venting; a thermal oil heater with a maximum of 180°C; a temperature control system; transfer piping, valves and ad hoc instrumentation.
  • the hydrolysis is carried out on the inputs described above.
  • the residence time in the first reactor is set at 2 days.
  • the hydrolysis temperature is 55°C.
  • This first step makes it possible to obtain digestate A having a VFA concentration of the hydrolyzate of 14 gVFA/L and a buffering capacity of 6 g/L.
  • the pH is stabilized at a value of 6.5.
  • the methanogenesis is carried out initially on digestate A obtained after the hydrolysis reaction.
  • the methanogenesis reactor achieves a residence time of 15 days at a stable temperature of 37°C.
  • FIG. 5A A stable pH is observed around a value of approximately 7.5-8 (Figure 5A), a stabilization of the buffer capacity at approximately 6-7 g/L (FIG. 5B) and a stabilized biogas production (FIG. 5G) with a methane content of the order of 65% which is also stable (FIG. 5F and FIG. 5E).
  • the production of VFA (Figure 5C) stabilizes after 2 THS and remains relatively low compared to the first reactor, thus avoiding the pH variation likely to inhibit bacterial activity.
  • the productivity of the system reaches 267 NLcm.kg M vs 1 , ie 88.6% of the target value of the BMP.
  • the second methanogenesis reactor is then fed with a mixture of digestate A, obtained after the hydrolysis reaction, and digestate C, resulting from the treatment in G flash expansion unit of a batch of digestate B obtained previously.
  • the MSdigestat c/MSdigestat A ratio of the mixture subjected to methanogenesis is equal to 30%.
  • the methanogenesis is carried out on a mixture of digestate A obtained after the hydrolysis reaction, and of digestate C, resulting from the treatment in the flash expansion unit of a previous batch (165° C., 5 bars).
  • the methanogenesis reactor achieves a residence time of 15 days at a stable temperature of 37°C.
  • the ratio V digestate c/V digestate A of the mixture subjected to methanogenesis is equal to 30% in dry matter.
  • Table 4 comparison of the results obtained from the method implemented according to the invention and from a control (outside the invention, without thermal hydrolysis followed by flash expansion).
  • Table 5 Physico-chemical characterization of digestate B and C under different treatment conditions by flash expansion.
  • the device of the invention thus makes it possible to improve the methane productivity of a two-stage digestion methane production facility.

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Abstract

La présente invention appartient au domaine de la production de méthane, plus particulièrement de la valorisation d' intrants comprenant un mélange d'une fraction organique des déchets ménagers, des boues et éventuellement de fumiers et des graisses.

Description

Dispositif de traitement d’intrants bi-étagé et procédé de traitement d’intrants mis en œuvre dans un tel dispositif
[0001] La présente invention appartient au domaine de la production de méthane, plus particulièrement de la valorisation d’intrants organiques, en particulier et de préférence comprenant un mélange d’une fraction organique des déchets ménagers, des boues et éventuellement de fumiers et des graisses.
[0002] L’objet de la présente invention se rapporte à un dispositif de dispositif de traitement d’intrants, comprenant : un premier et un second réacteur infiniment mélangés en série, ledit second réacteur étant muni d’une boucle de recirculation comprenant une unité de traitement par hydrolyse thermique comprenant un compartiment de traitement par détente flash, ladite boucle étant relié d’une part à la sortie du second réacteur et d’autre part à l’entrée du second réacteur et à un procédé de traitement d’intrants comprenant une étape d’hydrolyse en conditions thermophiles, une étape de méthanogène, une fraction du digestat étant ensuite soumise à une détente flash avant d’être réinjectée dans le second réacteur.
[0003] Des procédés et dispositifs de traitement d’intrants sont connus :
L’hydrolyse enzymatique permet une dégradation accélérée de la matière, mais elle nécessite l’injection d’enzymes dont la conservation est complexe : le coût de fonctionnement est donc important ce qui nuit à la rentabilité du procédé.
L’utilisation de champs électriques pulsés est également à l’étude pour assurer une déstructuration poussée de la matière en vue de favoriser sa transformation au sein du procédé de méthanisation. Elle entraîne toutefois une forte consommation électrique et des résultats peu probants au regard de l’augmentation de rendement du procédé.
L’utilisation d’une hydrolyse thermique en tête de procédé est également une solution développée par différentes entités et donnant de bons résultats. Elle est toutefois placée en tête de traitement et non sur une boucle de recirculation : la consommation énergétique est donc plus importante et le rendement global, bien qu’amélioré, reste inférieur à celui de la solution développée.
[0004] Il existe ainsi un besoin d’augmenter significativement les rendements des procédés de méthanisation, mais aussi de permettre la mise en œuvre desdits procédés sur des mélanges d’intrants comprenant un mélange d’une fraction organique des déchets ménagers, des boues et/ou des graisses, ce qui n’est actuellement pas possible avec les procédés connus.
[0005] Il est du mérite de la demanderesse d’avoir développé un nouveau dispositif et un nouveau procédé associé qui pallient les défauts et contraintes relevés dans les dispositifs et procédés connus.
[0006] L’invention se rapporte ainsi à un dispositif de traitement d’intrants, comprenant :
- un premier réacteur infiniment mélangé ;
- un second réacteur infiniment mélangé, ledit second réacteur étant muni d’une boucle de recirculation comprenant une unité de traitement par hydrolyse thermique comprenant un compartiment de traitement par détente flash, ladite boucle étant reliée d’une part à la sortie du second réacteur et d’autre part à l’entrée du second réacteur, les premier et second réacteurs étant agencés en série.
[0007] On entend par « intrants », un mélange d’une fraction organique de déchets ménagers, de boues, de fumiers et/ou des graisses. De préférence, il s’agit d’une fraction organique de déchets ménagers et de boues. Les déchets ménagers sont généralement issus de centres de traitement équipés d’une unité de criblage permettant l’extraction de la fraction dont le diamètre est compris dans l’intervalle allant de 0 à 10 mm riche en matière organique. Les boues sont généralement issues de stations de traitement des eaux usées et peuvent comprendre des boues primaires issues de la décantation des eaux ou des boues biologiques issues du traitement aérobie. Les intrants peuvent également comprendre des fumiers, généralement issus de centres équins. Les intrants ont généralement une siccité de 6 à 7 %.
[0008] On entend par « relié », une connexion directe ou indirecte entre deux éléments du dispositif.
[0009] On entend par « unité de traitement par hydrolyse thermique comprenant un compartiment de traitement par détente flash » une unité composée d’un réacteur de mise en pression avec injection de vapeur et d’un réacteur de détente flash munie d’une vanne pour mise à l’atmosphère. L’hydrolyse thermique se déroule dans le réacteur de mise en pression, sous l’effet de la pression et de la température. Ainsi, dans ladite unité de traitement, la mise en pression et la détente flash peuvent être réalisée dans deux réacteurs séparés. Alternativement, la mise en pression et la détente flash peuvent être réalisée dans un seul et même réacteur remplissant les deux fonctions.
[0010] Avantageusement, le premier réacteur est apte à fonctionner en conditions thermophiles. De préférence, le premier réacteur est configuré pour fonctionner en conditions thermophiles. On entend par « conditions thermophiles », des conditions permettant à des organismes thermophiles de prospérer. Les organismes thermophiles peuvent vivre et se multiplier entre 50 et 60 °C.
[0011] Avantageusement, le premier réacteur est un réacteur infiniment mélangé fonctionnant en continu ou CSTR en anglais pour Continuons Stirred-Tank Reactor. Les dimensions du premier réacteur sont généralement configurées pour avoir un rapport hauteur/diamètre de 1,5. De préférence, le premier réacteur est de forme cylindrique s’étendant autour d’un axe d’extension sensiblement vertical. Le réacteur peut présenter une section transversale par rapport à l’axe d’extension. La section transversale peut être de forme diverse ; par exemple de forme circulaire, rectangulaire ou carrée. Le premier réacteur comprend au moins une entrée et au moins une sortie. Le premier réacteur comprend une partie supérieure et une partie inférieure. De préférence, le premier réacteur est configuré pour fonctionner en conditions thermophiles. Le premier réacteur peut être muni d’un système de régulation de température (de préférence de chauffage) permettant d’assurer une homéostasie à 55 °C environ et isolé thermiquement. Il peut s’agir par exemple d’un système de régulation de température par recirculation et d’une isolation thermique poussée. Le système de régulation de température peut être un échangeur tubulaire ou spiralé. Le premier réacteur peut comprendre en outre une deuxième sortie (pour la récupération du gaz produit lors de l’étape d’hydrolyse). La deuxième sortie peut être munie d’un débitmètre. La deuxième sortie peut être reliée à un gazomètre. Il est ainsi possible de recueillir le gaz produit lors de l’étape d’hydrolyse dans le premier réacteur lors de la mise-en-œuvre du procédé selon l’invention. Le gazomètre peut être de forme sphérique et fixé sur le sol ou présenter la forme d’une demi-sphère, par exemple lorsqu’il est fixé sur la partie supérieure du premier réacteur. [0012] Avantageusement, le second réacteur est apte à fonctionner en conditions mésophiles. De préférence, le second réacteur est configuré pour fonctionner en conditions mésophiles. On entend par « conditions mésophiles », des conditions permettant à des organismes mésophiles de prospérer (température de 37 °C à pH neutre). Un organisme mésophile est une forme de vie qui prospère au mieux dans des conditions de température modérée. Classiquement, on parle de bactéries mésophiles lorsqu'elles vivent à des températures comprises entre 20 et 40 °C.
[0013] Avantageusement, le second réacteur est un réacteur infiniment mélangé fonctionnant en continu ou CSTR en anglais pour Continuons Stirred-Tank Reactor. Les dimensions du second réacteur sont généralement configurées pour avoir un rapport hauteur/diamètre de 1,5. De préférence, le second réacteur est de forme cylindrique s’étendant autour d’un axe d’extension sensiblement vertical. Le réacteur peut présenter une section transversale par rapport à l’axe d’extension. La section transversale peut être de forme diverse ; par exemple de forme circulaire, rectangulaire ou carrée. Le second réacteur comprend au moins une entrée et au moins une sortie. Le second réacteur comprend une partie supérieure et une partie inférieure. De préférence, le second réacteur est configuré pour fonctionner en conditions mésophiles. Le second réacteur peut être muni d’un système de régulation de température. Il peut s’agir par exemple d’un système de régulation de température par recirculation et d’une isolation thermique poussée. Le système de régulation de température par recirculation peut être un échangeur tubulaire ou spiralé. Le second réacteur peut comprendre en outre une deuxième sortie (pour la récupération du gaz produit lors de l’étape de méthanogénèse). La deuxième sortie peut être munie d’un débitmètre. La deuxième sortie peut être reliée à un gazomètre. Il est ainsi possible de recueillir le méthane produit dans le second réacteur lors de la mise-en-œuvre du procédé selon l’invention. Le gazomètre peut être de forme sphérique et fixé sur le sol ou présenter la forme d’une demi-sphère, par exemple lorsqu’il est fixé sur la partie supérieure du second réacteur.
[0014] Avantageusement, le second réacteur est muni d’une boucle de recirculation, ladite boucle étant reliée d’une part à la sortie du second réacteur et d’autre part à l’entrée du second réacteur. Le sens de circulation prévu dans la boucle de recirculation allant de la sortie du second réacteur vers l’entrée du second réacteur. La boucle de recirculation comprend une unité de traitement par hydrolyse thermique comprenant un compartiment de traitement par détente flash.
[0015] Avantageusement, l’unité de traitement par hydrolyse thermique comprenant un compartiment de traitement par détente flash comprend un réacteur de détente flash composée d’un réacteur de mise en pression avec injection de vapeur puis d’un réacteur de détente munie d’une vanne pour mise à l’atmosphère. La boucle de recirculation peut comprendre en outre une presse à vis située en amont du réacteur de mise en pression avec injection de vapeur de l’unité de traitement par hydrolyse thermique, par rapport au sens de circulation dans la boucle et permettant de limiter la teneur en eau du mélange (siccité cible de 12 %) et donc la consommation énergétique nécessaire au chauffage du mélange.
[0016] Avantageusement, le(s) premier et/ou second réacteur(s) peut/peuvent comprendre un agitateur mécanique. L’agitateur mécanique est de préférence pendulaire.
[0017] Avantageusement, les premier et second réacteurs sont agencés en série, c’est-à- dire que l’entrée de second réacteur est reliée à la sortie du premier réacteur. Les sens de circulation des intrants étant prévus dans le sens premier puis second réacteur. La sortie du premier réacteur est reliée à l’entrée du second réacteur. L’entrée du second réacteur est reliée à la sortie du premier réacteur et à la sortie de l’unité de traitement par détente flash comprise dans la boucle de recirculation. La sortie du second réacteur est reliée à l’unité de traitement par détente flash et à l’évacuation du digestat en excès.
[0018] Les premier et second réacteurs (hors boucle de recirculation comprenant l’unité de traitement par détente flash) peuvent être identiques ou différents.
[0019] Avantageusement, le dispositif selon l’invention peut comprendre en outre un moyen d’homogénéisation. Le moyen d’homogénéisation comprend au moins deux entrées et une sortie. Le moyen d’homogénéisation peut ainsi être relié à la sortie du premier réacteur et à la boucle de recirculation. Le moyen d’homogénéisation peut être un mélangeur. Il peut s’agir d’une cuve munie d’un agitateur mécanique, de préférence un agitateur pendulaire. Le moyen d’homogénéisation peut être relié à l’entrée du second réacteur. Le moyen d’homogénéisation permet ainsi d’homogénéiser le mélange digestat A/digestat C avant son introduction dans le second réacteur, selon le procédé de l’invention décrit ci-dessous.
[0020] Avantageusement, le dispositif selon l’invention peut comprendre un moyen de stockage. Le moyen de stockage (également appelé cuve tampon) peut être positionné en amont du premier réacteur, entre le premier et le second réacteur et/ou entre le second réacteur et la sortie et/ou la boucle de recirculation. Le moyen de stockage peut être une cuve dite « tampon », permettant de réguler les transferts de masse d’un réacteur à un autre, sur la boucle ou en sortie du dispositif, afin d’éviter tout débordement ou colmatage. Lorsque le moyen de stockage est positionné entre le premier et le second réacteur, il peut être identique ou différent du moyen d’homogénéisation.
[0021] Avantageusement, le dispositif selon l’invention peut comprendre en outre un échangeur thermique, de préférence tubulaire. L’échangeur thermique peut être relié à l’unité de traitement par hydrolyse thermique comprenant un compartiment de traitement par détente flash et plus particulièrement directement au compartiment de détente flash. L’échangeur thermique peut en outre être relié au système de régulation de température du premier réacteur ou au système de régulation de température du second réacteur. L’échangeur thermique peut permettre de valoriser la chaleur fatale de l’équipement. On entend par « chaleur fatale » ou « chaleur de récupération », la chaleur générée par le compartiment de détente flash qui n’en constitue pas la finalité première, et qui n’est normalement pas récupérée. Il s’agit ici par exemple de transférer les calories récupérées sur l’unité de traitement par hydrolyse thermique comprenant un compartiment de traitement par détente flash et de les utiliser pour réguler la température du premier et/ou du second réacteur.
[0022] Avantageusement, le dispositif selon l’invention peut être muni d’un ensemble de pompes et de vannes permettant le transfert automatique ou manuel des digestats A, B et/ou C d’un élément du dispositif à un autre.
[0023] L’invention se rapporte également à un procédé de traitement d’intrants, comprenant les étapes : a) introduction d’intrants dans un premier réacteur infiniment mélangé ; b) hydrolyse en conditions thermophiles du mélange d’intrants dans le premier réacteur infiniment mélangé, de manière à obtenir un digestat A ; c) introduction dans un second réacteur infiniment mélangé du digestat A obtenu à l’étape b) et du digestat C obtenu à l’étape e) ; d) méthanogénèse en conditions mésophiles du digestat A et du digestat C introduits dans le second réacteur à l’étape c), de manière à obtenir du méthane et un digestat B ; e) séparation du digestat B obtenu à l’étape d) en une première fraction (Fl) et seconde fraction (F2), ladite première fraction (Fl), optionnellement épaissie, étant soumise à une hydrolyse thermique suivi d’une détente flash de manière à obtenir un digestat C, ledit digestat C étant réintroduit dans le second réacteur à l’étape c).
[0024] Lors de la mise en route du procédé selon l’invention, il est possible que seul du digestat A soit introduit dans le second réacteur à l’étape c) (car il n’existe pas encore de digestat C), afin de produire du digestat B dont une fraction sera transformée en digestat C. À l’issue de cette mise en route du procédé, l’étape c) est réalisée normalement, comme indiqué ci-dessus. Lors d’une mise en route du procédé selon l’invention, le digestat C peut aussi provenir d’une précédente mise en œuvre du procédé, dans ce cas de figure, même lors de la mise en route du procédé, un digestat A et un digestat C sont introduits lors de l’étape c).
[0025] Le procédé selon l’invention permet ainsi une hydrolyse plus complète de la matière. Le procédé selon l’invention permet de dégrader de la matière organique difficilement dégradable qui subsiste dans le digestat et la transformer en molécules facilement assimilables par la flore bactérienne. Il s’agit par exemple de longues chaînes carbonées (ayant généralement de 10 à 30 atomes de carbone) qui n’étaient généralement pas dégradées dans les procédés connus. Le produit obtenu à l’issue du procédé est tel, qu’il permet d’assurer une hydrolyse physique de la matière organique réfractaire : les longues chaînes carbonées alors sont découpées en morceaux par l’effet de la chaleur et de la pression lors de la détente flash et deviennent plus facilement mobilisables par la flore bactérienne.
[0026] Le procédé selon l’invention permet de convertir la matière organique hydrolysée thermiquement en méthane (à l’étape b)), et d’atteindre un taux global d’expression du BioMéthane Potentiel (BMP) des intrants de 110 %.
[0027] Avantageusement, lors de la mise en œuvre de l’étape a), les intrants peuvent être introduits dans le premier réacteur au moyen d’une pompe, de préférence une ou plusieurs pompes péristaltiques. Préalablement à la mise en œuvre de l’étape a), les intrants peuvent subir une étape de broyage. Le broyage peut être réalisé au moyen de couteaux ; permettant de réduire la taille des fibres longues (par exemple les fibres mesurant plus de 5 cm).
[0028] Avantageusement, le procédé peut être en œuvre par batch (ou lot), en continu ou en semi-continu. Ainsi les étapes a) à e) peuvent être mise en œuvre consécutivement ou simultanément.
[0029] Avantageusement, l’étape b) d’hydrolyse est réalisée en conditions thermophiles dans le premier réacteur. Le temps de séjour de l’étape b) peut être compris dans un intervalle allant de 2 à 10 jours, de préférence 5 jours (on entend par jour, une durée de 24 heures). La température de l’hydrolyse de l’étape b) peut être comprise dans un intervalle allant de 50 à 60 °C, de préférence 55 °C. L’étape b) peut comprendre une agitation pendant tout ou partie de la réaction d’hydrolyse. À l’issue de l’étape b), on obtient un digestat A. Le digestat A est généralement composé d’un mélange d’acides gras volatiles (AGV) en forte concentration. Il peut s’agir par exemple d’acide butyrique, mais aussi acide propionique ou acétique.
[0030] Avantageusement, lors de la mise en œuvre de l’étape c), le digestat A peut être introduit dans le second réacteur au moyen d’une pompe, de préférence une pompe péristaltique.
[0031] Avantageusement, lors de la mise en œuvre de l’étape c), le digestat C peut être introduit dans le second réacteur au moyen d’une pompe, de préférence une pompe péristaltique. Préalablement à la mise en œuvre de l’étape c), le digestat C peut subir une étape d’épaississement par presse à vis visant à augmenter la teneur en matière sèche du mélange. La phase d’épaississement permet l’atteinte d’une siccité cible de 12 %.
[0032] On définit un ratio volumique digestat C/digestat A. Dans l’étape c), le ratio V digest t c/V digest t A est compris dans un intervalle allant de 20 à 30 %.
[0033] Avantageusement, l’étape c) peut comprendre une sous étape de mélange et d’homogénéisation des digestats A et C avant leur introduction (sous forme de mélange) dans le second réacteur. [0034] Avantageusement, l’étape d) de méthanogénèse est réalisée en conditions mésophiles dans le second réacteur. Le temps de séjour de l’étape d) peut être compris dans un intervalle allant de 10 à 20 jours, de préférence 15 jours. La température de la méthanogénèse de l’étape d) peut être comprise dans un intervalle allant de 34 à 40 °C, de préférence 37 °C. L’étape d) peut comprendre une agitation pendant tout ou partie de la méthanogénèse. À l’issue de l’étape d), on obtient un digestat B. Le digestat B est généralement composé de matières minérales issues de la dégradation de la matière organique.
[0035] Avantageusement, l’étape d) de méthanogénèse peut comprendre en outre une sous-étape de contrôle du pH et de régulation du pH. Généralement, dans ce type de réaction, un pH < 6 indique un empoisonnement du milieu réactionnel (acidose) et une perte de productivité. L’étape d) peut ainsi comprendre une sous-étape de mesure du pH et de régulation du pH (automatique ou manuel), par ajout d’une base (généralement de la soude), lorsque la valeur du pH mesuré est inférieure ou égale à 6, de préférence inférieure ou égale à 6,5.
[0036] Le méthane est produit lors de l’étape d), et plus particulièrement lors de la méthanogénèse. Le méthane peut être recueilli dans un gazomètre puis extrait via le gazomètre pour être valorisé.
[0037] Avantageusement, l’étape e) comprend la séparation du digestat B obtenu à l’étape d), en deux fractions Fl et F2, ladite fraction Fl, optionnellement épaissie, étant soumise à une hydrolyse thermique suivi d’une détente flash de manière à obtenir un digestat C. Ledit digestat C est réintroduit dans le second réacteur à l’étape c). La séparation de l’étape e) peut être réalisée au moyen d’une presse à vis. À l’issue de la séparation de l’étape e) on obtient deux fractions : une première fraction (Fl) qui est optionnellement épaissie avant d’être soumise à une hydrolyse thermique suivi d’ une détente flash de manière à obtenir un digestat C ; et une seconde fraction (F2), qui n’est pas épaissie, ni soumise à une hydrolyse thermique suivi d’une détente flash et qui est le digestat D, produit final obtenu à l’issue du procédé selon l’invention. On définit ainsi un ratio massique mFi/niF2. Le ratio mFi/niF2 peut être compris dans un intervalle allant de 25 à 35 %, de préférence 30%. L’étape e) peut comprendre une sous-étape de stockage avant la séparation. [0038] Avantageusement, la fraction (Fl) séparée lors de l’étape e) représente 30 à 40 % du volume de digestat A introduit dans le second réacteur à l’étape c).
[0039] Avantageusement, l’épaississement de la première fraction (Fl) de l’étape e), peut être réalisé dans une presse à vis. L’épaississement est optionnel et peut être mis en œuvre jusqu’à l’obtention d’une siccité 10 à 14 %, de préférence 12%. On entend par « siccité », la teneur en matière sèche du mélange considéré.
[0040] Avantageusement, le traitement par l’hydrolyse thermique suivi de détente flash de l’étape e) est mise en œuvre dans l’unité de traitement par hydrolyse thermique comprenant un compartiment de traitement par détente flash décrite précédemment dans le cadre de la présente invention. L’hydrolyse thermique suivie de détente flash de l’étape e) peut comprendre les sous-étapes : i) introduction et mise sous pression dans un réacteur de mise en pression de la première fraction Fl par injection de vapeur dans le réacteur, à une pression allant de 3 à 12 bars, de préférence de 4 à 5 bars, à une température allant de 140 à 190°C, pendant une durée allant de 20 à 40 minutes, ii) retour à la pression atmosphérique de la fraction de co-digestat B dans le susdit réacteur de mise en pression ou dans un autre réacteur, un réacteur de détente flash, et obtention du digestat C.
[0041] Avantageusement, l’étape ii) de retour à la pression atmosphérique est quasi instantanée. Il est réalisé au moyen d’une vanne, de préférence une vanne de détente à modulation.
[0042] Avantageusement, l’hydrolyse thermique suivi de détente flash de l’étape e) peut comprendre en outre une étape iii) de transfert de calorie du digestat C pour chauffer la température des intrants ou réguler la température du premier et/ou du second réacteur, de préférence au moyen d’un échangeur thermique tubulaire.
[0043] Avantageusement, le procédé selon l’invention peut comprendre en outre une étape f) de déshydratation de la fraction F2 (digestat D), suivie d’un séchage.
[0044] L’invention présente les avantages suivants, non limitatifs :
- amélioration du rendement, meilleure production de méthane pour une même quantité de matière d’ intrants traitée ;
- un épaississement en amont du traitement par une hydrolyse qualifiée d’hydrolyse thermique (étape e)) permet de limiter la consommation d’énergie thermique du système et améliore donc sa rentabilité énergétique ;
- un épaississement en amont du traitement par méthanogénèse (digestat C) permet un apport de matière plus concentrée dans le second réacteur mésophile et permet d’utiliser une charge appliquée supérieure et donc de limiter les besoins en volume utile ;
- amélioration significative des performances de digestion notamment grâce à la réduction du digestat B par solubilisation d’une partie des matières en suspension lors de la détente flash, stérilisation du digestat dans le réacteur de pressurisation de la détente flash, une diminution de la viscosité du digestat B octroyant un gain d’énergie au niveau du pompage en général et de l’agitation du réacteur thermophile et mésophile, amélioration de la biodégradation des intrants avec une augmentation importante du BMP ;
- augmentation de la production de biogaz (méthane) de plus de 20 % du BMP mesuré selon la norme en vigueur. ;
- amélioration de la déshydratation de la fraction solide des digestats de la fraction F2.
La figure 1 représente un exemple de schéma fonctionnel de mise en œuvre du procédé et l’enchaînement logique des étapes a) à e).
La figure 2 représente un dispositif 1 selon l’invention, comprenant un premier réacteur 110 comprenant une entrée 111, une sortie 112, un agitateur mécanique 113 et un système de chauffage 114, un second réacteur 120 comprenant une entrée 121, une sortie 122, un agitateur mécanique 123 et un système de chauffage 124, une boucle de recirculation 130 munie d’une presse à vis 131 et d’une unité de traitement par hydrolyse thermique comprenant un compartiment de traitement par détente flash 132, un moyen d’homogénéisation 140, un moyen de stockage (cuve tampon) 150 et un ensemble de pompes 160.La figure 3 représente le dispositif réactionnel utilisé pour les réacteurs 110 et 120. Les figures 4A à 4F représentent le suivi des paramètres clés du procédé au niveau du réacteur 110 : (4A) Suivi du pH en fonction du temps pour plusieurs temps de séjour de 2 jours à 100 gMs.L 1 ; (4B) Suivi de la capacité tampon en fonction du temps, pour plusieurs temps de séjour de 2 jours, 100 gMs.L 1 ;
(4C) Suivi des AGV en fonction du temps, pour plusieurs temps de séjour de 2 jours, 100 gMs.L 1 ; (4D) Suivi du ratio AGV / TAC en fonction du temps, pour plusieurs temps de séjour de 2 jours, 100 gMs.L 1 ; (4E) Suivi flux relatif de biogaz en fonction du temps, pour plusieurs temps de séjour de 2 jours, 100 gMs.L 1 ; (4F) Suivi flux relatif de méthane en fonction du temps, pour plusieurs temps de séjour de 2 jours, 100 gMs.L 1.
Les figures 5A à 5H représentent le suivi des paramètres clés du procédé au niveau du réacteur 120 : (A) Suivi du pH du réacteur mésophile en fonction du temps, pour 3 temps de séjour de 15 jours sur du digestat A puis sur 2 temps de séjours de 15 jours (zone grise) sur un mélange de digestat A et digestat C issue de l’hydrolyse thermique et détente flash ; (B) Suivi de la capacité tampon du réacteur mésophile en fonction du temps, pour 3 temps de séjour de 15 jours sur du digestat A puis sur 2 temps de séjours de 15 jours (zone grise) sur un mélange de digestat A et digestat C issue de l’hydrolyse thermique et détente flash ; (C) Suivi des AGV du réacteur mésophile en fonction du temps, pour 3 temps de séjour de 15 jours sur du digestat A puis sur 2 temps de séjours de 15 jours (zone grise) sur un mélange de digestat A et digestat C issue de l’hydrolyse thermique et détente flash ;
(D) Suivi du ratio AGV / TAC du réacteur mésophile en fonction du temps, pour 3 temps de séjour de 15 jours sur du digestat A puis sur 2 temps de séjours de 15 jours (zone grise) sur un mélange de digestat A et digestat C issue de l’hydrolyse thermique et détente flash ;
(E) Suivi de la composition en gaz (CEL et CO2) du réacteur mésophile en fonction du temps, pour 3 temps de séjour de 15 jours sur du digestat A puis sur 2 temps de séjours de 15 jours (zone grise) sur un mélange de digestat A et digestat C issue de l’hydrolyse thermique et détente flash ;
(F) Suivi du flux relatif de biogaz du réacteur mésophile en fonction du temps, pour 3 temps de séjour de 15 jours sur du digestat A puis sur 2 temps de séjours de 15 jours (zone grise) sur un mélange de digestat A et digestat C issue de l’hydrolyse thermique et détente flash ;
(G) Suivi du flux de méthane du réacteur mésophile en fonction du temps, pour 3 temps de séjour de 15 jours sur du digestat A puis sur 2 temps de séjours de 15 jours (zone grise) sur un mélange de digestat A et digestat C issue de l’hydrolyse thermique et détente flash ;
(H) Suivi de la dégradation des MV et MVS du réacteur mésophile en fonction du temps, pour 3 temps de séjour de 15 jours sur du digestat A puis sur 2 temps de séjours de 15 jours (zone grise) sur un mélange de digestat A et digestat C issue de l’hydrolyse thermique et détente flash.
[0045] L’invention sera mieux comprise à la lecture des exemples, non limitatifs, qui suivent.
[0046] Exemple 1 :
A. Matériel et méthode
[0047] Le procédé de l’invention a été réalisé sur un mélange d’intrants représentatif constitué des éléments suivants (en matière sèche, MS) :
80 % de fraction organique de déchets ménagers (fraction 0 à 10 mm criblée, provenance Chagny) ;
20 % de boues biologiques non digérées (provenance usine Seine Aval) ; Concentration cible du mélange de 100 gMS/L.
[0048] Les boues traitées sont caractérisées par les paramètres spécifiques suivants :
Tableau 1 : caractéristiques des boues traitées.
[0049] La fraction organique de déchets ménagers (FOR) traitée est caractérisée par les paramètres spécifiques suivants :
Tableau 2 : caractéristiques de la FOR traitée.
[0050] Le procédé a été mis en œuvre les quantités suivantes :
Tableau 3 : quantités mises en œuvre.
[0051] Le premier réacteur (thermophile) est représenté sur la figure 3.
[0052] Les caractéristiques techniques du premier réacteur sont les suivantes :
Volume utile du réacteur : 5 litres ;
Système d’agitation à pales (CSTR) ;
Dispositif de chauffage par double paroi avec système de régulation associé ;
1 port sortie gaz et 6 ports alimentation ;
Débitmètre autonome Microflow (gamme de mesure de 20 à 4 000 mL/h) et système d’acquisition multivoies.
[0053] Le second réacteur (mésophile) est constitué des mêmes éléments que le premier réacteur et est placé en série.
[0054] Les caractéristiques techniques de l’unité de traitement par hydrolyse thermique comprenant un compartiment de traitement par détente flash sont les suivantes : un réacteur batch de mise en pression de 2,5 litres équipé d’un système de chauffage à l’huile thermique et d’un agitateur ; un réacteur de détente flash muni d’une vanne pour mise à l’atmosphère ; un dispositif de chauffage à l’huile thermique avec un maximum de 180 °C ; un système de régulation de température ; les tuyauteries de transfert, la robinetterie et l’instrumentation ad hoc.
B. Résultats obtenus : a) Hydrolyse en conditions thermophiles :
[0055] L’hydrolyse est réalisée sur les intrants décrits ci-dessus. Le temps de séjour dans le premier réacteur est fixé à 2 jours. La température d’hydrolyse est de 55 °C.
[0056] Le suivi de la réaction permet l’établissement des courbes présentées sur la figure 4. On observe une stabilisation du pH (Figure 4A) autour de 6,5 grâce à une consommation du pouvoir tampon qui atteint une asymptote à 6 g/L (Figure 4B). La production d’AGV augmente fortement (Figure 4C) et atteint 14 g/L. Le suivi de la production de biogaz (Figure 4E) et de sa teneur en méthane ((Figure 4F) indique une relativement faible production de biogaz par rapport au second réacteur, ce qui est cohérent avec l’étape d’hydrolyse recherchée. Le premier réacteur permet donc une hydrolyse efficace de la matière organique introduite.
[0057] Cette première étape permet d’obtenir un digestat A ayant une concentration en AGV de l’hydrolysat de 14 gAGV/L et un pouvoir tampon de 6 g/L. Le pH est stabilisé à une valeur de 6,5. b) Méthanogenèse en conditions mésophiles :
[0058] La méthanogénèse est réalisée dans un premier temps sur du digestat A obtenu après la réaction d’hydrolyse. Le réacteur de méthanogénèse permet d’atteindre un temps de séjour de 15 jours à une température stable de 37 °C.
[0059] Les résultats de suivi des réacteurs sont présentés dans la figure 5. On observe un pH stable autour d’une valeur d’environ 7,5-8 (Figure 5A), une stabilisation de la capacité tampon à environ 6-7 g/L (Figure 5B ) et une production de biogaz (Figure 5G) stabilisée avec une teneur en méthane de l’ordre de 65 % également stable (Figure 5F et Figure 5E). La production d’AGV (Figure 5C) se stabilise au bout de 2 THS et reste relativement faible au regard du premier réacteur, évitant ainsi la variation de pH susceptible d’inhibé l’activité bactérienne.
[0060] La productivité du système atteint 267 NLcm.kgMvs 1, soit 88,6 % de la valeur cible du BMP. [0061] Le second réacteur de méthanogenèse est ensuite alimenté avec un mélange de digestat A, obtenu après la réaction d’hydrolyse, et de digestat C, issu du traitement dans G unité de détente flash d’un batch de digestat B obtenu précédemment. Le ratio MSdigestat c/MSdigestat A du mélange soumis à la méthanogénèse est égal à 30 %.
[0062] La méthanogénèse est réalisée sur un mélange de digestat A obtenu après la réaction d’hydrolyse, et de digestat C, issu du traitement dans l’unité de détente flash d’un batch précédent (165 °C, 5 bars). Le réacteur de méthanogénèse permet d’atteindre un temps de séjour de 15 jours à une température stable de 37 °C. Le ratio V digestat c/V digestat A du mélange soumis à la méthanogénèse est égal à 30 % en matière sèche.
[0063] Le suivi de la production biogaz (Figure 5F en zone grise) et de méthane (Figure 5G en zone grise) indique une réaction favorable et quasi instantanée du milieu à l’apport du nouveau mélange et une conservation du rendement de dégradation des MV et MVS (Figure 5H).
[0064] La productivité du réacteur mésophile atteint 331 NLciw.kgMvs 1, soit 110 % de la valeur cible du BMP. Ainsi la comparaison directe avec le procédé témoin (digestat A uniquement) démontre les avantages du procédé selon l’invention.
Exemple 2
[0065] Dans cet exemple, un procédé témoin (hors invention, pas de détente flash, MSdigestat c/MSdigestat A = 0) est comparé à la mise en œuvre du procédé selon l’exemple 1, dans laquelle les paramètres de détente flash ont été variés de la manière suivante : pression de 5 bars, température variant de 140 à 165 °C. Tableau 4 : comparaison des résultats obtenus du procédé mis en œuvre selon l’invention et d’un témoin (hors invention, sans hydrolyse thermique suivie de détente flash).
[0066] La caractérisation physico-chimique du digestat B et C est la suivante :
Tableau 5 : Caractérisation physico-chimique du digestat B et C dans différentes conditions de traitement par détente flash.
[0067] La recirculation d’un ratio mFi/mF2 de 30 % de MS traitée par détente flash selon le procédé de l’invention permet dans tous les cas une augmentation de la productivité en méthane de l’invention.
[0068] Le dispositif de l’invention permet ainsi d’améliorer la productivité en méthane d’une installation de production de méthane en digestion bi-étagé.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Dispositif de traitement d’intrants organiques, de préférence un mélange d’une fraction organique de déchets ménagers, de boues et éventuellement de fumiers et des graisses, le dispositif comprenant :
- Un premier réacteur (110) infiniment mélangé ;
- Un second réacteur (120) infiniment mélangé , ledit second réacteur (120) étant munit d’une boucle de recirculation (130) comprenant une unité de traitement par hydrolyse thermique comprenant un compartiment de traitement par détente flash (132), ladite boucle étant relié d’une part à la sortie du second réacteur et d’autre part à l’entrée du second réacteur, les premier et second réacteurs (110,120) étant agencés en série.
[Revendication 2] Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le premier réacteur (110) est configuré pour fonctionner en conditions thermophiles.
[Revendication 3] Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le second réacteur (120) est configuré pour fonctionner en conditions mésophiles.
[Revendication 4] Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’unité de traitement par hydrolyse thermique comprenant un compartiment de traitement par détente flash (132) comprend au moins un réacteur de détente flash.
[Revendication 5] Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel l’unité de traitement par hydrolyse thermique comprenant un compartiment de traitement par détente flash (132) comprend en outre une presse à vis (131).
[Revendication 6] Procédé de traitement d’intrants organiques, de préférence un mélange d’une fraction organique de déchets ménagers, de boues et éventuellement de fumiers et des graisses, le procédé comprenant les étapes suivantes : a) introduction des intrants organiques dans un premier réacteur (110) infiniment mélangé, b) hydrolyse en conditions thermophiles des intrants organiques dans le premier réacteur (110) infiniment mélangé, de manière à obtenir un digestat A ; c) introduction dans un second réacteur (120) infiniment mélangé du digestat A obtenu à l’étape b) et d’un digestat C obtenu à l’étape e) ; d) méthanogénèse en conditions mésophiles du digestat A et du digestat C introduits dans le second réacteur à l’étape c), de manière à obtenir un digestat B ; e) séparation du digestat B obtenu à l’étape d) en une première fraction Fl et seconde fraction F2, ladite première fraction Fl, optionnellement épaissie, étant soumise à une hydrolyse thermique suivi d’une détente flash de manière à obtenir un digestat C, ledit digestat C étant réintroduit dans le second réacteur (120) à l’étape c).
[Revendication 7] Procédé selon la revendication précédente, dans lequel l’hydrolyse de l’étape b) a une durée allant de 2 à 10 jours, de préférence 5 jours.
[Revendication 8] Procédé selon la revendication 6 ou 7, dans lequel la température d’hydrolyse de l’étape b) est comprise dans un intervalle allant de 50 à 60°C, de préférence 55 °C.
[Revendication 9] Procédé selon l’une quelconque des revendications 6 à 8, dans lequel la méthanogénèse de l’étape d) a une durée allant de 10 à 20 jours, de préférence 15 jours.
[Revendication 10] Procédé selon l’une quelconque des revendications 6 à 9, dans lequel la température de méthanogénèse de l’étape d) est comprise dans un intervalle allant de 34 à 40°C, de préférence 37 °C.
[Revendication 11] Procédé selon l’une quelconque des revendications 6 à
10, dans lequel la fraction Fl séparée lors de l’étape e) représente 30 à 40 % du volume de digestat A introduit dans le second réacteur à l’étape c).
[Revendication 12] Procédé selon l’une quelconque des revendications 6 à
11, dans lequel l’épaississement de l’étape e) est réalisé dans une presse à vis (131) jusqu’à l’obtention d’une siccité de 10 à 14 %, de préférence de 12%.
[Revendication 13] Procédé selon l’une quelconque des revendications 6 à
12, dans lequel l’hydrolyse thermique suivi d’une détente flash de l’étape e) comprend les sous-étapes : i) mise sous pression de la fraction de digestat B, de préférence la fraction Fl, par injection de vapeur, à une pression allant de 3 à 8 bars, de préférence de 4 à 5 bars, à une température allant de 140 à 180°C, pendant une durée allant de 20 à 40 minutes, ii) retour à la pression atmosphérique de la fraction de co-digestat B . [Revendication 14] Procédé selon la revendication précédente, comprenant en outre une étape iii) de transfert de calorie du digestat C pour chauffer la température des intrants, de préférence au moyen d’un échangeur thermique tubulaire.
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