WO2006128305A1 - Procede et systeme de fabrication de biofertilisants - Google Patents

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WO2006128305A1
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thermal energy
drying
biofertilizer
mixture
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Camil Dutil
Dan Zegan
Jocelyn DOUHÉRET
Rock Chabot
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ENVIROGAIN Inc
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Institut de Recherche et de Developpment en Agroenvironnement IRDA
ENVIROGAIN Inc
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Definitions

  • the present invention relates to the field of effluent treatment or sludge with high load in order to transform them into fertilizer called "biofertilizer" with high nutrient content and stabilized organic matter.
  • the method and system provided by this invention utilize the recovery of thermal energy produced at different stages of the treatment of these effluents to transfer it to the final drying of the product.
  • the proposed system can work in synergy with an already existing heavy-duty effluent treatment system, using the sludge and thermal energy produced by the existing system while regulating its operation.
  • Sludge of various origins (primary sludge, secondary or biological sludge, tertiary sludge, physicochemical sludge) from the various treatment facilities are characterized by a very high humidity rate, a very significant organic pollutant load, the increased ability to generate strong odors and the presence of pathogens.
  • These sludges must undergo treatments according to their final destination (spreading, storage center, material recovery, others).
  • the sludge can thus be subjected to a great variety of treatments according to various available techniques: thickening, dehydration, drying, stabilization, conditioning, disinfection, liming, composting, pasteurization, incineration, pyrolysis, gasification, etc.
  • final sludge treatments are carried out in specialized treatment centers, away from the plants and treatment facilities where they are produced, resulting in significant transportation and handling costs.
  • the objective of stabilization and drying is to allow the agronomic or energetic valorization of biosolids in order to dispose of them or to eliminate them according to the standards in force.
  • Composting is defined as the aerobic decomposition of organic components of a waste under controlled conditions. Composting allows biological stabilization of sludge by stabilizing organic components through exothermic reactions that result in dehumidification, disinfection and elimination of odors. Composting systems can be classified according to three criteria: their use of oxygen, their use of temperature and the technological approach used. The use of oxygen can be made by passive aeration or forced aeration. The temperature of the composting system can be adjusted to favor mesophilic composting or thermophilic composting. Finally, according to the technological solutions applied for the disposal of organic matter during the treatment, composting can be carried out in open systems (in the form of windrows or heaps) or closed (mechanical composting). In closed systems, treatment may be carried out in airtight containers supplied with air, in rectangular channels, in silos, in tunnels or in rotary tanks (tube digesters). A wide range of composting methods and equipment for various applications are known in the art.
  • a complete composting realized in the rules of the art is often characterized by 3 distinct phases, being 1) the increase of the temperature, generally during 1 to 5 days; 2) the thermophilic phase, lasting a few days to a few weeks; and 3) the maturation, lasting several months.
  • the long maturation phase that results in complete stabilization can be substituted by very fast thermal drying.
  • US Patents no. 2,954,285, no. 3,438,470 and no. 4,436,817, no. 4,255,389, no. No. 6,065,224 disclose aerobic composting methods performed continuously with several treatment zones in the same apparatus or, according to US Pat. 4,956,002 and - A - no. 6,524,848, using different devices with the possibility of recovering the thermal energy released during composting.
  • U.S. Patent no. 4,659,472 proposes a method of fast composting by mixing a polymer with the material to be stabilized.
  • U.S. Patent No. 4,392,881 teaches a method of composting in 2 successive stages of biological stabilization (lasting about 14 days each), the first taking place in continuous aeration and the second in discontinuous aeration.
  • U.S. Patent No. 5,558,686 proposes the use of additives to improve the porosity of the material and thus facilitate the composting.
  • biofertilizers from manure by a biological stabilization step followed by thermal drying in a single apparatus (US Patent No. 2,660,809, No. 4,909,825, US Pat. No. 6,560,895).
  • methods for stabilizing and drying biosolids can be incorporated into organic effluent treatment plants (US Patent Nos. 6,692,642, 6,497,741 B2 and 6,846,343 B2), but in very complex schemes, more characterized by high energy consumption and significant costs related to construction and operation.
  • the drying which is sometimes used as the final stage of treatment after composting is a highly energy-intensive step.
  • the thermal need to dehydrate the sludge is all the more important as their dryness is low.
  • Thermal drying techniques use external sources of energy, such as natural gas and electricity, with dryers that operate at high temperatures.
  • dryers can be of indirect type: such as pallet dryers (Buss-Rovactor, GMF, List), disk dryers (Atlas, KHD, Kvaerner, MSE, Procalex, SIL, Stord), rotary drums (Andritz, Comesa, Elino , Mannesman, Maguin, Mitchell Lodige), thin-film dryers (Buss DAS, Duprat, GEA Canzler, GMF), dryers with mechanical dehydration and indirect drying (Bertrams, Ashbrook,) heated multi-stage dryers, vacuum dryers ( L ⁇ dige) radiative dryers (Hytech); or direct dryers: rotary drums (Andritz, Comesa, KHD, Maurer Sôhne, Promeca, Swiss Combi, Vadeb), belt dryers (Mabarex, Sevar, STC, transport driers).
  • pallet dryers Buss-Rovactor, GMF, List
  • disk dryers Alignino , Mannesman, Ma
  • biosolids are very large energy consumers (generally 1000 to 1500 kWh are required to evaporate a tonne of water) and operating costs are very high. Energy and operating costs are approximately $ 150 to $ 300 per dry tonne, limiting the use of these technologies in areas where landfill costs are very high. Typically, these technologies use high temperature drying, which destroys much of the beneficial microflora while reducing some bioactive properties of biofertilizers, thus decreasing their commercial value.
  • thermophilic phase of aerobic composting In order to improve the energy efficiency of drying stabilization treatments, the recovery of thermal energy generated by the thermophilic phase of aerobic composting has been proposed. However, this recovery alone is not enough to meet drying needs.
  • step c) exothermically and aerobically treating the high load effluent to at least partially stabilized sludge; b) mixing the at least partially stabilized sludge with another sludge at least partially stabilized so as to obtain a dry matter content of between about 25 and 50% in the sludge mixture; c) exothermically drying the sludge mixture at a temperature between about 50 and 75 ° C for a time sufficient to obtain a stabilized biofertilizer; d) recovering the thermal energy released by at least one of steps a) and c) to direct it to a drying unit; and e) drying the stabilized biofertilizer of step c) in the drying unit by applying the thermal energy recovered in step d) until obtaining a dried biofertilizer having a moisture content less than 30%.
  • An additional embodiment of the present invention is a system for converting a high load effluent into dried biofertilizer comprising: i. means for exothermic and aerobic treatment of a high-load effluent making it possible to obtain an at least partially stabilized sludge; ii. at least partially stabilized sludge mixing means for obtaining a sludge mixture, said means being provided with a metering system for adjusting to a value desired parameter comprising the percentage of solids and the degree of porosity of the sludge mixture; iii. a biodrying means allowing an exothermic reaction of the sludge mixture until a stabilized biofertilizer is obtained; iv.
  • thermal energy transfer means for recovering the thermal energy released by at least one of the group comprising the means for exothermic and aerobic treatment of a high-load effluent, the sludge recovery means, the means for mud mixture, and the means of biodrying; and V. drying means supplied with thermal energy by said thermal energy transfer means.
  • the system of the present invention may be independently realized with existing systems and installations, but may also be realized by adding one or more of the following means to an already existing system or facility; means for exothermic and aerobic treatment of a high-load effluent, sludge mixing means, bio-drying means, thermal energy transfer means and drying means.
  • the addition of these means, in the form of modules, allows the formation of a synergy between the already existing systems and installations and the added means, so that the performance of existing systems and installations is greatly improved. This synergy is based on energy recovery, temperature regulation of bioreactors and economic performance based on energy saving and reduction of the necessary handling and transport.
  • high load effluent as used in this application is to be interpreted as representing a liquid waste containing at least 5000 mg / L of suspended solids.
  • a high-load effluent can result, for example, from the operations of a paper industry, a breeding farm (swine, bovine, avian, etc.). slaughterhouse, or any other similar industry. Separation treatment makes it possible to separate a high-pressure effluent into a purified or partially purified liquid and a sludge. This sludge represents a concentrate of the suspended materials of the effluent with a high load.
  • primary sludge should be interpreted as being sludge from a high-load effluent having respectively one, two and three stages of separation treatment.
  • sludge mix as used in this application is to be interpreted as a mixture of primary, secondary or tertiary sludge with at least one of the elements of the group comprising a primary sludge, a secondary sludge, a tertiary sludge, an at least partially stabilized sludge, a stabilized biofertilizer and a dried biofertilizer, so as to modify the parameters of porosity, dry matter density, moisture content , or internal temperature of at least one of the elements included in the mixture.
  • the sludge mixture may contain more than 60% dried biofertilizer or stabilized biofertilizer.
  • At least partially stabilized sludge should be interpreted as representing a sludge or mixture of sludges which has undergone treatment having at least partially reduced the population of pathogenic microorganisms and odors present in the sludge or untreated sludge mixture.
  • the population of pathogenic microorganisms and odors have been eliminated completely.
  • such a treatment is exothermic, that is to say it releases thermal energy, and aerobic, that is to say that it takes place in the presence of 'oxygen.
  • stabilized biofertilizer should be interpreted as representing the product of an exothermic biosourcing treatment or composting.
  • exothermic biodrying as used in the present application should be interpreted as meaning a drying treatment. releasing thermal energy from the biological reaction of the thermophilic composting step.
  • dried biofertilizer as used herein, should be interpreted as representing the product of drying a stabilized biofertilizer, which drying requires a thermal energy input.
  • the dried biofertilizer is a fertilizer with a high content of nutrients, organic and inorganic matter and having bioactive properties giving it commercial value.
  • thermal energy must be interpreted as representing the heat that can be emitted by a substrate (sludge, sludge mixture, stabilized biofertilizer, dried biofertilizer), by an exothermic reaction. to which a substrate is subjected, by the operation of a mechanical apparatus, or by a heat exchanger.
  • the thermal energy may be the gases discharged by a biodrying means, the heat emitted by the sludge mixture itself, the heat of the aeration equipment of the biodrying means, and the heat of the air at the outlet of the drying unit.
  • heat exchanger should be understood to mean any device that can generate, retrieve, or redirect thermal energy.
  • any apparatus for heating air by air-to-air or liquid-air heat exchange is considered a heat exchanger according to the interpretation that must be made of this term in the present application.
  • continuous realization must be interpreted as applying to a method whose steps are carried out continuously, without interruption, so that no step hinders or delays the completion of the next or previous step.
  • a “continuous” system shall be interpreted as a system operating without interruption, so that none of the components of this system will hinder or delay the operation of the other elements.
  • hoppers, or other systems for buffering flow rates between two steps can be used to facilitate operation without interruption of the process.
  • biofilter and “filtration means” as used in the present application, should be interpreted as representing a system that allows the purification of liquid or air flowing through this system. The purification of air or liquid may be a partial or total reduction of pathogenic microorganisms, odors or the amount of dust contained in the liquid or air.
  • backup energy system should be interpreted as representing a system producing energy and whose presence is not essential to the operation of the method or system. system of the present application, and whose use is episodic because it is used as a security system to allow to continue drying in case of breakage of a normal component of the process or in extreme weather conditions.
  • a backup energy system may be, for example, a system using solar energy, an electrical system, a gas system, a heat pump, or any system for generating thermal energy. .
  • exothermic and aerobic treatment means must be interpreted as representing any system allowing an exothermic and aerobic reaction, whether passive or active, of a substrate which There is placed, as for example, but not limited to, a bioreactor used in a step of composting an organic waste.
  • sludge mixing means as used in the present application must be interpreted as representing any mixing system that can adequately mix a sludge and at least one of the group comprising a primary sludge, secondary sludge, tertiary sludge, at least partially stabilized sludge, stabilized biofertilizer and dried biofertilizer.
  • the sludge mixing means may comprise a metering system.
  • metering system as used in this application, should be interpreted as representing a system for mixing in appropriate proportions the components of the sludge mixture.
  • Such a system may or may not include an additional system for detecting a particular parameter, such as moisture content, porosity, dry matter density, or internal temperature, which detection system communicates with the metering system to adjust the concentration of a particular component of the sludge mixture to to obtain the desired properties in the sludge mixture.
  • a particular parameter such as moisture content, porosity, dry matter density, or internal temperature
  • biodrying means should be interpreted as representing any suitable system to allow the drying or composting of a mixture of sludge.
  • the biodrying means makes it possible to take advantage of the significant release of thermal energy from the thermophilic phase of composting.
  • a biodrying means may be, in a non-limiting manner, a vertical system, a horizontal system, a rotary vat or a silo couloir, to which is added, if necessary, a system for injecting or drawing in air for the first time. Forced oxygenation of the sludge mixture during treatment and recovery of thermal energy.
  • the biodrying means may comprise a mechanical stirring system that can homogenize the sludge mixture.
  • thermal energy transfer means should be interpreted as representing an air or liquid circulation system, by heat pumps or by any other transfer system thermal, which allows the recovery of thermal energy generated by one or more components of the system of the present invention, and the redistribution of thermal energy to one or more components of the system of the present invention.
  • drying unit and “drying means” as used in the present application, should be interpreted as representing a low temperature drying system of vertical or horizontal type. Drying utilizes the thermal energy generated by the method or system of the present invention and is recovered by a thermal energy transfer means.
  • stirring means should be interpreted as representing any stirring mechanism that can be used to homogenizing the slurry mixture, including, but not limited to, mechanical agitation, rotating drum, granulation, extrusion, agglomeration, molding, and gravity.
  • aeration means as used in the present application should be interpreted as representing any mechanism for aeration of the sludge mixture, such as a pressure or suction system, or a convection mechanism. natural.
  • FIG. 1 illustrates a schematic system for transforming effluents with a high load of dried solid material according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the invention provides an economical method of producing biofertilizers, stabilized biosolids, dried and rich in fertilizer.
  • This solution integrates with industrial and agricultural organic effluent treatment plants and is based on the recovery of the thermal energy released by the equipment of these stations (activated sludge bioreactors, air overpressure units, biofilters, etc.), and composting, bio-drying, drying and other units. More particularly, the method can be applied for the stabilization and drying of primary and / or secondary and / or tertiary sludge generated by the organic effluent treatment plants of several industries (paper mills, hog farms, dairy farms, slaughterhouses).
  • This method can also be applied to the treatment of any other high-load organic effluent that generates large quantities of biological sludge. According to this method, it is possible to produce a biofertilizer with high added value thanks to the biodrying which stimulates the biological and bioactive properties of the product, and the low temperature drying, which allows the product to preserve its properties.
  • primary sludges S1 and secondary sludges S2, produced by successive treatments for purification of an organic effluent LE in a treatment plant 100, are recovered by a mixing device and sludge 200. They are then directed to a biodryer 500 for a first biological stabilization treatment, from where they will then be transferred to an air thermal dryer 600.
  • the primary sludge Sl result from a primary step of solid-liquid separation, carried out by separators 110.
  • separators 110 can be of the press-to-screw type, centrifugal decanter, sieves (rotary, inclined, vibrating, etc.). ), or any other separator known in the art.
  • the secondary sludge S2 results from a gravitational settling following an aerobic treatment of nitrification-denitrification type in a bioreactor 120 provided with a ventilation system 121 supplied with fresh air AF by boosters 122. It is also possible using S2 secondary sludge extracted by a solid-liquid separation using settling tanks 130 or mechanical systems 140 type band press, vacuum drums, centrifugal decanters or other.
  • the liquid part of Peffluent is treated according to the current methods of treatment, for example by being subjected to a purification step in a biofilter 150 and a polishing step in equipment 160 of the electrochemical type, membrane or other, in order to obtain a purified liquid LS at the exit of the system.
  • Obtaining a purified liquid LS can generate tertiary sludge S3 which can be recovered and directed to the device 200.
  • the primary sludge S1, the secondary (biological) sludge S2, and the tertiary sludge S3, as the case may be, are mixed together. in the device 200 to produce a mixed sludge characterized by a solids content ideally comprised between 20 and 30%, but may vary in the range of 10 to 40%.
  • a device 310 allows the sludge to be transferred continuously or sequentially to the biodynamic stabilization system 500, periodically adding a quantity of sludge equal to the quantity extracted.
  • Bio-drying is carried out using a method using the thermophilic phase of composting, with a relatively short retention time, preferably between 3 and 9 days, but may vary from 3 to 20 days.
  • the process is characterized by an exothermic reaction at temperatures of about 60 to 70 ° C, but may vary between 50 and 75 ° C.
  • the biodrying system is of closed and insulated type, and can be of vertical or horizontal type, or of rotary-type type, equipped with aeration means 510 supplied with fresh air AF by fans 432. Fresh air that comes from the outside can be preheated as needed. Mechanical stirring means (not shown) ensure homogenization of the organic materials during the treatment if necessary.
  • the treatment ensures the stabilization of the organic load, the removal of odors and the destruction of pathogens while ensuring the removal of moisture from the sludge to reach a solids content of at least 35 to 45%, preferably beyond 50%, and up to 75%.
  • the fresh air AF blown into the biosherger 500 provides adequate oxygenation of the material and allows the evacuation of moisture, reaction gases and thermal energy in the form of a gas mixture AC.
  • This mixture AC is directed towards a collection device 410, which allows the mixture of the hot gases recovered from the other equipment of the treatment station, such as, for example, the hot air AC coming from the bioreactor 120 and the hot gases AC at the outlet of Dryer 600. These gases are then directed to a heat exchanger 420 which preheats the fresh air AF blown by the fans 431, then to the biofilter 150 for a final purification treatment before their discharge into the AT atmosphere.
  • the gas mixture AC leaving the dryer can be directed directly to the biofilter 150.
  • Part of the thermal energy of reaction released during the thermophilic phase in the reactor 500 is recovered by the fresh air AF, which has been previously preheated in the heat exchanger 420, by circulating it, for example, in the double wall of the reactor 500 or by means of any other type of heat exchanger that can perform this function (Not shown), before being blown by fans 433 into the sludge dryer 600.
  • the sludge transfer from the reactor 500 to the dryer 600 is carried out continuously or sequentially by a device 320 which preferably ensures the conditioning of the sludge 600. sludge by improving the porosity of the material according to known techniques before the entry of the material into the drying zone.
  • the flow of hot air from the blower 433 provides for the direct drying of the sludge in the dryer 600 by dewatering the sludge to a level of at least 70 to 80% solids, preferably above 85%, and up to 90% dry matter.
  • a backup energy system 700 preferably renewable (solar energy) or recovered, is available to satisfy an additional energy demand caused, for example, by extreme weather factors: high humidity during the summer or intense cold during Winter.
  • the supply of extra energy can be achieved using a heat recovery heat exchanger or a heat pump system.
  • a stabilized ST biosolids, dry and rich in fertilizers without being freed from its biological and bioactive properties is evacuated continuously or in sequence by a transfer device 330.
  • Part of the dried material SR can if necessary recirculated to the device 200 or 320 to be reintroduced into the treatment circuit to improve the performance of the biodrying and drying without the addition of structuring additives.
  • the present invention overcomes the disadvantages of the known art by providing a method and a biofertilizer manufacturing system integrated organic effluent treatment stations and capable of reducing transportation costs, handling, energy and operation. It is preferably intended for high-load organic effluents and is perfectly adapted to those from liquid animal waste, including pig manure.
  • An effluent with high organic load is characterized by very high levels of suspended solids (MES) and volatile matter (organic matter). These high-load levels are generally greater than 5000 mg / L of SS, but may also exceed 50 000 mg / L in the case of manure from manure for example.
  • MES suspended solids
  • organic matter organic matter
  • certain types of bioreactors such as submerged membrane bioreactors, concentrate MES above 10 000 mg / L, even for effluents with low initial loading.
  • These high organic concentrations favor exothermic reactions and are usually accompanied by variable concentrations of nutrients and pathogenic germs for example, which will be eliminated during the process.
  • the present invention is based on the organic load effluent treated aerobic bioreactors to obtain thermal energy in sufficient quantity and quality to ensure the drying of biofertilizers.
  • This energy is determined by the concentration of organic matter (volatile matter) in the treated effluent. The higher the organic load of the treated effluent, the greater the quantity of energy required for its aeration treatment, and thus the higher the thermal energy released by the aerobic bioreactors and their peripheral equipment (boosters, biofilters, etc.). ) is high.
  • This thermal energy is the addition of the energy provided for the aeration to those of the exothermic biological reactions.
  • Table 1 shows an example of energy balance for a station treating 50 m 3 of pig slurry per day. Under normal weather conditions, there is an energy surplus of about 14 kW for an effluent with a MES load of 5000 mg / l at the inlet, and an energy surplus of 60 kW for an effluent. having a MES load of 20 000 mg / l at the inlet. In the case of extreme weather conditions (-30 ° C., atmosphere having more than 90% humidity), the use of an additional source of energy could be envisaged to avoid a decrease in production.
  • the thermal energy produced has never been studied, especially since the facilities are generally on the sky open to reduce costs and that thermal energy dissipates in the atmosphere. Therefore, the application of the present invention requires that the bioreactors be isolated and covered, according to the techniques of the art, in order to conserve and recover the energy released.
  • the integration of the thermal energy transfer concept of the high-load effluent treatment stations to the drying unit makes it possible to produce a dried biofertilizer at costs that are significantly lower than current practices.
  • the discounted income can considerably reduce the costs of management and operation of the entire process.
  • the present invention therefore makes it possible to the true fertilizer and commercial potential of sludges from the treatment of heavily loaded organic effluents, rather than eliminating them by land application (no income) or landfill (at increasingly higher costs). Sludge can become an abundant raw material, along with other agricultural or forestry biomasses.

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Abstract

L'invention concerne une méthode et un système de production de biofertilisants, à partir de boues stabilisées, séchés et riches en matières fertilisantes en provenance de procédé de traitement d'effluents à forte charge. Cette solution peut être intégrée à une installation déjà existante de traitement d'effluents organiques industriels, municipaux ou agricoles (100), et elle est basée sur la récupération de l'énergie thermique dégagée pendant les étapes de traitement d'un tel système par les bioréacteurs (120), les unités de surpression d'air (122), les unités de bioséchage (500) et de séchage (600), et autres unités. Cette récupération d'énergie créée une synergie permettant l'augmentation de l'efficacité et du rendement des bioréacteurs (120) suite à une plus grande stabilité provenant de la régulation de la température, assurant ainsi une importante économie d'énergie pour l'étape finale de séchage dans la production des biofertilisants.

Description

PROCÉDÉ ET SYSTÈME DE FABRICATION DE BIOFERTILISANTS
Domaine de l'invention
[0001] La présente invention concerne le domaine du traitement d'effluents ou de boues à forte charge dans le but de les transformer en engrais dit «biofertilisant» à forte teneur en éléments nutritifs et en matières organiques stabilisées. La méthode et le système proposés par cette invention exploitent la récupération de l'énergie thermique produite à différentes étapes du traitement de ces effluents pour la transférer au séchage final du produit. Le système proposé peut agir en synergie avec un système de traitement d'effluents à forte charge déjà existant, en utilisant les boues et l'énergie thermique produite par le système existant tout en en régulant son fonctionnement.
Technique Antérieure
[0002] Le développement des technologies de traitement des effluents organiques de diverses origines (municipale, industrielle ou agricole) a été longtemps uniquement destiné à résoudre la question importante du traitement efficace de la partie liquide de l'effluent. Cette approche génère toutefois un autre problème, soit la production d'importants volumes de boues dont la gestion est complexe et coûteuse. Plus la charge organique de l'effluent traité est élevée, plus les volumes de boues générés sont importants. Des technologies de plus en plus perfectionnées basées sur des traitements biologiques, électrochimiques, membranaires et autres, sont capables de produire des liquides de plus en plus purs, et donc en produisant des quantités de boues de plus en plus concentrées en matières. Présentement, ce domaine fait face à d'importantes et croissantes contraintes reliées à la protection de l'environnement, à l'économie et à la consommation énergétique. Il devient donc nécessaire d'exploiter le potentiel que représente la production de ces matières concentrées, généralement riches en éléments fertilisants lorsque les traitements sont appliqués à des effluents organiques fortement chargés. La gestion de ces boues doit aujourd'hui être réalisée en considérant de multiples aspects d'ordre technologique, environnemental, énergétique et économique. Leur traitement devrait ainsi être destinés à assurer la production de matériel à valeur ajoutée possédant un contenu élevé en matières fertilisantes et en matières organiques stabilisées.
[0003] Les boues de diverses origines (boues primaires, boues secondaires ou biologiques, boues tertiaires, boues physico-chimiques) provenant des diverses installations de traitement sont caractérisées par un taux d'humidité souvent très élevé, une charge polluante organique très importante, la capacité accrue à générer des fortes odeurs et la présence de pathogènes. Ces boues doivent subir des traitements en fonction de leur destination finale (épandage, centre de stockage, valorisation matière, autres). Les boues peuvent ainsi être soumises à une très grande variété de traitements selon diverses techniques disponibles: l'épaississement, la déshydratation, le séchage, la stabilisation, le conditionnement, la désinfection, le chaulage, le compostage, la pasteurisation, l'incinération, la pyrolyse, la gazéification, etc. Souvent les traitements finaux des boues sont réalisés dans des centres de traitements spécialisés, loin des stations et des installations de traitement où elles sont produites, ce qui engendre des coûts de transport et de manutention importants.
[0004] II existe un certain nombre de techniques de stabilisation et de séchage de biosolides agricoles, industriels et municipaux. L'objectif de la stabilisation et du séchage est de permettre la valorisation agronomique ou énergétique des biosolides afin d'en disposer ou de les éliminer selon les normes en vigueur.
[0005] Les brevets US no. 4,781,842, no. 4,902, 431, no. 5,275,733, no. 5,417,861, no. 5,435,923 et no. 5,853,450 présentent des méthodes de stabilisation des biosolides basées sur des méthodes chimiques (ajout de matériaux alcalins par exemple) suivies de traitements de séchage thermique et/ou de biostabilisation. La consommation énergétique requise par ces méthodes est très importante, les coûts de réalisation et d'exploitation sont élevés, et ces biosolides sont surtout destinés à l'incinération.
[0006] Le compostage est défini comme étant la décomposition aérobie des composants organiques d'un déchet dans des conditions contrôlées. Le compostage permet la stabilisation biologique des boues en stabilisant les composants organiques à travers des réactions exothermiques qui résultent en une déshumidification, une désinfection et une élimination des odeurs. Les systèmes de compostage peuvent être classifiés selon trois critères: leur utilisation de l'oxygène, leur utilisation de la température et l'approche technologique utilisée. L'utilisation de l'oxygène peut être faite par aération passive ou par aération forcée. La température du système de compostage peut être réglée de manière à favoriser le compostage mésophilique ou le compostage thermophilique. Finalement, selon les solutions technologiques appliquées pour la disposition des matières organiques pendant le traitement, le compostage peut se réaliser dans des systèmes ouverts (en forme d'andain ou en tas) ou fermés (compostage mécanique). Dans les systèmes fermés, le traitement peut avoir lieu dans des contenants hermétiques alimentés en air, dans des canaux rectangulaires, dans des silos, dans des tunnels ou dans des cuves rotatives (digesteurs à tubes). Une large gamme de méthodes et d'équipements de compostage pour des diverses applications sont connus dans l'art.
[0007] Le compostage par aération forcée est caractérisé par des températures plus élevées, l'élimination plus rapide des odeurs nuisibles et une durée de traitement plus courte que le compostage par aération passive. Le compostage mésophile se réalise à des températures comprises entre 15 et 400C tandis que le compostage thermophile atteint des températures comprises entre 45 et 7O0C, ce qui assure la destruction efficace des organismes pathogènes.
[0008] Pour assurer la stabilisation complète, il est souvent nécessaire de faire suivre la phase de compostage par une phase de curage (maturation). Un compostage complet réalisé dans les règles de l'art se caractérise souvent par 3 phases distinctes, soient 1) l'augmentation de la température, généralement durant 1 à 5 jours ; 2) la phase thermophile, durant quelques jours à quelques semaines et 3) la maturation, durant plusieurs mois. La longue phase de maturation qui résulte en une stabilisation complète peux être substituée par un séchage thermique très rapide.
[0009] Les brevets U.S. no. 2,954,285, no. 3,438,470 et no. 4,436,817, no. 4,255,389, no. 6,065,224 présentent des méthodes de compostage aérobie réalisées en continu avec plusieurs zones traitement dans le même appareil ou, selon les brevet U.S. no. 4,956,002 et - A - no. 6,524,848, en utilisant des appareils différents avec la possibilité de récupération de l'énergie thermique dégagée pendant le compostage.
[0010] Le brevet U.S. no. 4,659,472 propose une méthode de compostage rapide en mélangeant un polymère avec le matériel à stabiliser. Le brevet U.S. no. 4,392,881 enseigne une méthode de compostage en 2 étapes successives de stabilisation biologique (d'une durée d'environ 14 jours chacune), la première se déroulant en aération continue et la seconde en aération discontinue. Le brevet U.S. no. 5,558,686 propose l'utilisation d'additifs pour améliorer la porosité du matériel et faciliter ainsi le compostage.
[0011] Selon d'autres procédés connus, il est également possible de produire des biofertilisants à partir de fumier par une étape de stabilisation biologique suivie d'un séchage thermique dans un seul appareil (brevets U.S. no. 2,660,809, no 4,909, 825, no. 6,560,895). Également, des procédés de stabilisation et de séchage des biosolides peuvent être intégrés aux stations de traitements des effluents organiques (brevets U.S. no. 6,692,642, no. 6,497,741 B2 et no 6,846,343 B2), mais selon des schéma très complexes, Ces derniers procédés sont de plus caractérisés par une grande consommation d'énergie et par des coûts importants reliés à la réalisation et à l'exploitation.
[0012] Le séchage qui est parfois utilisé comme étape finale de traitement après le compostage est une étape fortement énergivore. Le besoin thermique nécessaire pour déshydrater les boues est d'autant plus important que leur siccité est faible. Les techniques de séchage thermique utilisent des sources externes d'énergie, tels que le gaz naturel et l'électricité, avec des séchoirs qui fonctionnent à hautes températures. Ces séchoirs peuvent être de type indirect : comme des sécheurs à palettes (Buss-Rovactor, GMF, List), sécheurs à disques (Atlas, KHD, Kvaerner, MSE, Procalex, SIL, Stord), tambours rotatif (Andritz, Comesa, Elino, Mannesman, Maguin, Mitchell Lôdige), sécheurs à couche mince (Buss DAS, Duprat, GEA Canzler, GMF), sécheurs avec deshydratation mécanique et séchage indirect (Bertrams, Ashbrook,) sécheurs multi-étages à plateaux chauffés, sécheurs sous vide (Lδdige) sécheurs radiatif (Hytech); ou encore des séchoirs de type direct : comme des tambours rotatifs (Andritz, Comesa, KHD, Maurer Sôhne, Promeca, Swiss Combi, Vadeb), sécheurs à bande (Mabarex, Sevar, STC, sécheurs à transport pneumatique Andritz, Bar Rosin), sécheurs utilisant l'énergie solaire, sécheurs par injection directe de gaz chaud, etc.. Il existe aussi des sécheurs mixtes de type conductif- convectif (Alpha- Vomm, Commesa, Va Tech Nabag) ou de type radiatif-convectif (Nesa).
[0013] Ces méthodes et techniques de séchage des biosolides sont de très grandes consommatrices d'énergie (généralement de 1000 à 1500 kWh sont nécessaires pour évaporer une tonne d'eau) et les coûts d'opération sont très élevés. Les coûts d'énergie et d'opération représentent environ 150 à 300 $ par tonne sèche, ce qui limite l'utilisation de ces technologies aux endroits où les coûts d'enfouissement sont très élevés. Habituellement, ces technologies utilisent le séchage à haute température, ce qui détruit une grande partie de la microflore bénéfique tout en réduisant certaines propriétés bioactives des biofertilisants, diminuant ainsi leur valeur commerciale.
[0014] Afin d'améliorer l'efficacité énergétique des traitements de stabilisation par séchage, la récupération de l'énergie thermique générée par la phase thermophile du compostage aérobie a été proposée. Toutefois, à elle seule, cette récupération ne suffit pas à combler les besoins en séchage.
[0015] Sont également connus des procédés proposant une valorisation énergétique des biosolides par traitement anaérobie ou par gazéification, comme par exemple les solutions enseignées dans les brevets US no. 6,423,532 Bl et no. 6,171,499 Bl. Ces techniques présentent surtout un intérêt pour des produits non nobles pour l'agriculture puisque la valeur commerciale de la filière agronomique des produits riches en matières fertilisantes est supérieure à celle de la filière énergétique. Les produits non nobles sont ceux qui, entre autres, ne respectent pas les critères de valorisation en raison notamment d'un contenu trop élevé en métaux lourds ou autres contaminants. Pour des produits nobles, tels que les boues de fumiers, lisiers et plusieurs autres d'origines agroalimentaires, forestières ou papetières, la valorisation sous forme de biofertilisants séchés constitue une avenue plus rentable. Le principal obstacle pour la production des biofertilisants séchés est le coût énergétique nécessaire à la réalisation du séchage et les frais de manutention du produit qui est séché dans une usine éloignée. [0016] Considérant l'état de l'art décrit ci-dessus, il est clair qu'il y a toujours un grand besoin d'une méthode et d'un système permettant la transformation efficace, stable et moins exigeante en énergie thermique d'effluents ou de boues à fortes charges en matières solides ayant des propriétés fertilisantes.
EXPOSE SOMMAIRE DE L'INVENTION
[0017] Une des réalisation de la présente invention est une méthode de transformation d'un effluent à forte charge en biofertilisant séché comprenant les étapes de:
a) traiter de manière exothermique et aérobie l 'effluent de forte charge jusqu'à l'obtention d'une boue au moins partiellement stabilisée; b) mélanger la boue au moins partiellement stabilisée avec une autre boue au moins partiellement stabilisée de manière à obtenir un pourcentage de matières sèches compris entre environ 25 et 50% dans le mélange de boues; c) sécher par bioséchage exothermique le mélange de boues à une température comprise entre environ 50 et 75°C, pour une durée suffisante à l'obtention d'un biofertilisant stabilisé; d) récupérer l'énergie thermique dégagée par au moins une des étapes a) et c) pour la diriger vers une unité de séchage; et e) sécher le biofertilisant stabilisé de l'étape c) dans l'unité de séchage par application de l'énergie thermique récupérée à l'étape d) jusqu'à l'obtention d'un biofertilisant séché ayant un taux d'humidité de moins de 30 %.
[0018] Une réalisation additionnelle de la présente invention est un système de transformation d'un effluent à forte charge en biofertilisant séché comprenant: i. un moyen de traitement exothermique et aérobie d'un effluent à forte charge permettant l'obtention d'une boue au moins partiellement stabilisée; ii. un moyen de mélange de boue au moins partiellement stabilisée permettant l'obtention d'un mélange de boues, ledit moyen étant muni d'un système de dosage permettant l'ajustement à une valeur désirée d'un paramètre comprenant le pourcentage de matières sèches et le degré de porosité du mélange de boues; iii. un moyen de bioséchage permettant une réaction exothermique du mélange de boues jusqu'à l'obtention d'un biofertilisant stabilisé; iv. un moyen de transfert d'énergie thermique permettant de récupérer l'énergie thermique dégagée par au moins un des moyens du groupe comprenant le moyen de traitement exothermique et aérobie d'un effluent à forte charge, le moyen de récupération de boue, le moyen de mélange de boue, et le moyen de bioséchage; et v. un moyen de séchage alimenté en énergie thermique par ledit moyen de transfert d'énergie thermique.
[0019] Le système de la présente invention peut être réalisé de manière indépendante à des systèmes et installations déjà existantes, mais peut également être réalisé en ajoutant un ou plusieurs des moyens suivants à un système ou une installation déjà existante; moyen de traitement exothermique et aérobie d'un effluent à forte charge, moyen de mélange de boue, moyen de bioséchage, moyen de transfert d'énergie thermique et moyen de séchage. L'ajout de ces moyens, sous forme de modules, permet la formation d'une synergie entre les systèmes et installations déjà existantes et les moyens ajoutés, de façon à ce que le rendement des systèmes et installations déjà existantes est grandement amélioré. Cette synergie est basée sur la récupération énergétique, la régulation de température des bioréacteurs et la performance économique basée sur l'économie d'énergie et la réduction de la manutention et du transport nécessaires.
[0020] En accord avec les réalisations préférentielles de la présente invention, les termes et expressions suivantes doivent être interprétés de la manière ci-après définie.
[0021] Le terme « effluent à forte charge », tel qu'utilisé dans la présente demande, doit être interprété comme représentant un déchet liquide contenant au moins 5000 mg/L de matières en suspension. Un effluent à forte charge peut résulter, par exemple, des opérations d'une industrie papetière, d'une ferme d'élevage (porcine, bovine, aviaire, etc.), d'un abattoir, ou de toute autre industrie similaire. Un traitement de séparation permet de séparer un efïluent à forte charge en un liquide épuré ou partiellement épuré et une boue. Cette boue représente un concentré des matières en suspensions de l'effluent à forte charge.
[0022] Les termes « boue primaire », « boue secondaire » et « boue tertiaire », tels qu'utilisés dans la présente demande, doivent être interprétés comme étant des boues provenant d'un effluent à forte charge ayant respectivement subit une, deux et trois étapes de traitement de séparation. Le terme « mélange de boues », tel qu'utilisé dans la présente demande, doit être interprété comme représentant un mélange d'une boue primaire, d'une boue secondaire ou d'une boue tertiaire, avec au moins l'un des éléments du groupe comprenant une boue primaire, une boue secondaire, une boue tertiaire, une boue au moins partiellement stabilisée, un biofertilisant stabilisé et un biofertilisant séché, de manière à modifier les paramètre de porosité, de densité de matières sèches, de taux d'humidité, ou de température interne d'au moins un des éléments compris dans le mélange. Le mélange de boue peut contenir plus de 60% de biofertilisant séché ou de biofertilisant stabilisé.
[0023] Le terme « boue au moins partiellement stabilisée », tel qu'utilisé dans la présente demande, doit être interprété comme représentant une boue ou un mélange de boues qui a subi un traitement ayant au moins partiellement réduit la population de microorganismes pathogènes et les odeurs présentes dans la boue ou le mélange de boues non-traité. De manière préférentielle, la population de microorganismes pathogènes et les odeurs ont été éliminés de manière complète. Selon un des objets de la présente demande, un tel traitement est exothermique, c'est-à-dire qu'il dégage de l'énergie thermique, et aérobie, c'est-à-dire qu'il se déroule en présence d'oxygène.
[0024] Le terme « biofertilisant stabilisé », tel qu'utilisé dans la présente demande, doit être interprété comme représentant le produit d'un traitement de bioséchage exothermique ou de compostage. Le terme « bioséchage exothermique », tel qu'utilisé dans la présente demande, doit être interprété comme signifiant un traitement de séchage dégageant une énergie thermique provenant de la réaction biologique de l'étape thermophile du compostage. Le terme « biofertilisant séché », tel qu'utilisé dans la présente demande, doit être interprété comme représentant le produit du séchage d'un biofertilisant stabilisé, lequel séchage requérant un apport en énergie thermique. Selon un des objets de la présente demande, le biofertilisant séché est un engrais à forte teneur en éléments nutritifs, en matières organiques et minérales et présentant des propriétés bioactives lui conférant une valeur commerciale.
[0025] Le terme « énergie thermique », tel qu'utilisé dans la présente demande, doit être interprété comme représentant la chaleur pouvant être émise par un substrat (boue, mélange de boues, biofertilisant stabilisé, biofertilisant séché), par une réaction exothermique à laquelle est soumise un substrat, par le fonctionnement d'un appareil mécanique, ou par un échangeur thermique. Par exemple, l'énergie thermique peut être les gaz évacués par un moyen de bioséchage, la chaleur émise par le mélange de boues lui- même, la chaleur de l'équipement d'aération du moyen de bioséchage, et la chaleur de l'air à la sortie de l'unité de séchage. Le terme « échangeur thermique », tel qu'utilisé dans la présente demande, doit être interprété comme représentant tout appareil pouvant générer, récupérer ou rediriger une énergie thermique. À titre d'exemple, tout appareil permettant de réchauffer de l'air par un échange de chaleur air-air ou liquide-air est considéré comme un échangeur thermique selon l'interprétation qui doit être faite de ce terme dans la présente demande.
[0026] L'expression « réalisation en continu », telle qu'utilisée dans la présente demande, doit être interprétée comme s'appliquant à une méthode dont les étapes sont réalisées de manière continue, sans interruption, de façon à ce qu'aucune étape n'entrave ou ne retarde la réalisation de l'étape suivante ou précédente. Un système fonctionnant « en continu » doit être interprété comme un système fonctionnant sans interruption, de façon à ce qu'aucun des éléments composant ce système n'entrave ou ne retarde le fonctionnement des autres éléments. À cette fin, des trémies, ou autres systèmes permettant de tamponner les débits entre deux étapes, peuvent être utilisés pour faciliter le fonctionnement sans interruption du procédé. [0027] Les termes « biofiltre » et « moyen de filtration », tels qu'utilisés dans la présente demande, doivent être interprétés comme représentant un système qui permet la purification de liquide ou d'air circulant à travers de ce système. La purification d'air ou de liquide peut être une diminution partielle ou totale des microorganismes pathogènes, des odeurs ou de la quantité de poussière contenue dans le liquide ou l'air.
[0028] Le terme « système d'énergie d'appoint », tel qu'utilisé dans la présente demande, doit être interprété comme représentant un système produisant une énergie et dont la présence n'est pas essentielle au fonctionnement de la méthode ou du système de la présente demande, et dont l'utilisation est épisodique parce qu'il est utilisé comme système de sécurité pour permettre de poursuivre le séchage en cas de bris d'une composante normale du procédé ou lors de conditions climatiques extrêmes. Un tel système d'énergie d'appoint peut être, à titre d'exemple, un système utilisant de l'énergie solaire, un système électrique, un système au gaz, une thermopompe, ou tout système permettant de générer de l'énergie thermique.
[0029] Le terme « moyen de traitement exothermique et aérobie », tel qu'utilisé dans la présente demande, doit être interprété comme représentant tout système permettant une réaction exothermique et aérobie, qu'elle soit passive ou active, d'un substrat qui y est placé, comme par exemple, mais de manière non-limitative, un bioréacteur utilisé dans une étape de compostage d'un déchet organique.
[0030] Le terme « moyen de mélange de boue », tel qu'utilisé dans la présente demande, doit être interprété comme représentant tout système de mélange qui peut adéquatement mélanger une boue et au moins un des éléments du groupe comprenant une boue primaire, une boue secondaire, une boue tertiaire, une boue au moins partiellement stabilisée, un biofertilisant stabilisé et un biofertilisant séché. Le moyen de mélange de boue peut comprendre un système de dosage. Le terme « système de dosage », tel qu'utilisé dans la présente demande, doit être interprété comme représentant un système permettant le mélange dans des proportions adéquates des composantes du mélange de boues. Un tel système peut comprendre, ou non, un système additionnel de détection d'un paramètre particulier, comme le taux d'humidité, la porosité, la densité de matières sèches, ou la température interne, lequel système de détection communique avec le système de dosage afin d'ajuster la concentration d'une composante particulière du mélange de boues afin d'obtenir les propriétés désirées dans le mélange de boues.
[0031] Le terme « moyen de bioséchage », tel qu'utilisé dans la présente demande, doit être interprété comme représentant toute système adéquat pour permettre le séchage ou le compostage d'un mélange de boues. De manière préférentielle, le moyen de bioséchage permet de mettre à profit l'important dégagement d'énergie thermique de la phase thermophile du compostage. Un tel moyen de bioséchage peut être, de manière non- limitative, un système vertical, un système horizontal, une cuve rotative ou un silo couloire, auquel s'ajoute au besoin un système d'injection ou d'aspiration d'air pour l'oxygénation forcée du mélange de boues pendant le traitement et la récupération de l'énergie thermique. Additionnellement, le moyen de bioséchage peut comprendre un système d'agitation mécanique pouvant homogénéiser le mélange de boues.
[0032] Le terme « moyen de transfert d'énergie thermique », tel qu'utilisé dans la présente demande, doit être interprété comme représentant un système de circulation d'air ou de liquide, par des thermopompes ou par tout autre système de transfert thermique, qui permet la récupération de l'énergie thermique générée par un ou plusieurs composantes du système de la présente invention, et la redistribution de l'énergie thermique vers un ou plusieurs composantes du système de la présente invention.
[0033] Les termes « unité de séchage » et « moyen de séchage », tels qu'utilisés dans la présente demande, doivent être interprétés comme représentant un système de séchage à basse température de type vertical ou horizontal. Le séchage utilise l'énergie thermique dégagée par la méthode ou le système de la présente invention et qui est récupérée par un moyen de transfert d'énergie thermique.
[0034] Le terme « moyen d'agitation », tel qu'utilisé dans la présente demande, doit être interprété comme représentant tout mécanisme d'agitation qui peut être utilisé pour homogénéiser le mélange de boues, incluant, mais n'étant pas limité à, une agitation mécanique, un tambour rotatif, une granulation, une extrusion, une agglomération, un moulage, et la gravité. Le terme « moyen d'aération » tel qu'utilisé dans la présente demande doit être interprété comme représentant tout mécanisme permettant l'aération du mélange de boues, comme par exemple un système de surpression ou d'aspiration, ou encore un mécanisme de convection naturelle.
BRÈVE DESCRIPTION DE LA FIGURE
[0035] Fig. 1 illustre un système schématisé de transformation d'effluents à forte charge en matière solide séchée selon une des réalisation préférées de la présente invention.
RÉALISATIONS DE L'INVENTION
[0036] La présente invention sera maintenant décrite dans son entier avec références à des documents scientifiques ou à des figures, à partir desquelles les réalisations préférentielles de la présente invention sont démontrées. Cette invention peut cependant, inclure différentes variantes ou formes qui ne devraient pas être interprétées comme étant limitées aux réalisations telles que présentées ici. Les différentes réalisations sont présentées dans la description suivante pour illustrer la portée de la présente invention à la personne de l'art.
[0037] L'invention propose une méthode économique de production de biofertilisants, soient des biosolides stabilisés, séchés et riches en matières fertilisantes. Cette solution s'intègre aux installations de traitement des effluents organiques industriels et agricoles et elle est basée sur la récupération de l'énergie thermique dégagée par les équipements de ces stations (bioréacteurs de type boues activées, unités de surpression d'air, biofiltres, etc.), et par les unités de compostage, de bioséchage, de séchage et autres unités. Plus particulièrement la méthode peut s'appliquer pour la stabilisation et le séchage des boues primaires et/ou secondaires et/ou tertiaires générées par les installations de traitement des effluents organiques de plusieurs industries (papetières, fermes porcines, fermes laitières, abattoirs). La présente méthode peut également s'appliquer au traitement de tout autre effluent organique à forte charge générant de grandes quantités de boues biologiques. Selon cette méthode, il est possible de produire un biofertilisant à haute valeur ajoutée grâce au bioséchage qui stimule les propriétés biologiques et bioactives du produit, et au séchage à basse température, qui permet au produit de conserver ses propriétés.
[0038] En accord avec la Fig.l, des boues primaires Sl et des boues secondaires S2, produites par des traitements successifs de purification d'un effluent organique LE dans une installation de traitement 100, sont récupérées par un dispositif de mélange et de dosage des boues 200. Elles sont ensuite dirigées vers un biosécheur 500 pour un premier traitement de stabilisation biologique, d'où elles seront ensuite transférées vers un sécheur thermique à air 600.
[0039] Les boues primaires Sl résultent d'une étape primaire de séparation solide- liquide, réalisée par des séparateurs 110. Ces séparateurs peuvent être de type presse-à-vis, décanteur centrifuge, tamis (rotatifs, inclinés, vibrants, etc.), ou tout autre séparateur connu dans l'art. Les boues secondaires S2 résultent d'une décantation gravitationnelle à la suite d'un traitement aérobie de type nitrification-dénitrifîcation dans un bioréacteur 120 muni d'un système d'aération 121 alimenté en air frais AF par des surpresseurs 122. Il est également possible d'utiliser des boues secondaires S2 extraites par une séparation solide- liquide en utilisant des bassins de décantation 130 ou des systèmes mécaniques 140 de type presse à bandes, tambours sous vide, décanteurs centrifuges ou autres. La partie liquide de Peffluent est traitée selon les méthodes actuelles de traitement, par exemple en étant soumise à une étape d'épuration dans un biofiltre 150 et une étape de polissage dans des équipements 160 de type électrochimique, membranaires ou autres, afin d'obtenir un liquide épuré LS à la sortie du système. L'obtention d'un liquide épuré LS peut générer des boues tertiaires S3 qui peuvent être récupérées et dirigées vers le dispositif 200. Les boues primaires Sl, les boues secondaires (biologiques) S2, et les boues tertiaires S3 le cas échéant, sont mélangées dans le dispositif 200 pour produire une boue mixte caractérisée par un taux de matières sèches compris idéalement entre 20 et 30 %, mais pouvant varier dans l'intervalle de 10 à 40 %. Une recirculation des biofertilisants stabilisés SS ou des biofertilisants séchés SR, assurera l'obtention d'un mélange final de boues mixtes dans des proportions adéquates de matières sèches. Des telles proportions peuvent représenter, par exemple, de 25 à 40% de matières sèches à l'intérieur du mélange final de boues mixtes. Un dispositif 310 permet le transfert des boues en continu ou en séquence vers le système de stabilisation par bioséchage 500, en ajoutant périodiquement une quantité de boues égale à la quantité extraite.
[0040] Le bioséchage est réalisé selon une méthode utilisant la phase thermophile du compostage, avec un temps de rétention relativement court, préférablement compris entre 3 et 9 jours, mais pouvant varier de 3 à 20 jours. Le procédé est caractérisé par une réaction exothermique à des températures d'environ 60 à 70°C, mais pouvant varier entre 50 et 75°C. Préférablement, le système de bioséchage est de type fermé et isolé, et peut être de type vertical ou horizontal, ou encore de type cuve rotative, muni de moyens d'aération 510 alimentés en air frais AF par des ventilateurs 432. L'air frais qui provient de l'extérieur peut être préchauffé au besoin. Des moyens d'agitation mécanique (non- représentés) assurent au besoin l'homogénéisation des matériaux organiques pendant le traitement. Le traitement assure la stabilisation de la charge organique, l'enlèvement des odeurs et la destruction des pathogènes tout en assurant l'évacuation de l'humidité des boues pour atteindre un taux de matières sèches d'au moins 35 à 45 %, préférablement au- delà de 50 %, et pouvant aller jusqu'à 75%.
[0041] L'air frais AF insufflé dans le biosécheur 500 assure l'oxygénation adéquate du matériel et permet l'évacuation de l'humidité, des gaz de réaction et de l'énergie thermique sous la forme d'un mélange gazeux AC. Ce mélange AC est dirigé vers un dispositif de captage 410, qui permet le mélange des gaz chauds récupérés des autres équipements de la station de traitement, comme par exemple l'air chaud AC provenant du bioréacteur 120 et les gaz chauds AC à la sortie de sécheur 600. Ces gaz sont ensuite dirigés vers un échangeur thermique 420 qui permet de préchauffer l'air frais AF insufflé par les ventilateurs 431, puis vers le biofiltre 150 pour un traitement final de purification avant leur rejet dans l'atmosphère AT. Selon une autre variante de réalisation le mélange gazeux AC sortant du sécheur peut être dirigé directement vers le biofiltre 150. Une partie de l'énergie thermique de réaction dégagée pendant la phase thermophile dans le réacteur 500 est récupérée par l'air frais AF qui à été préalablement préchauffé dans l'échangeur thermique 420, en le faisant circuler, par exemple, dans la paroi double du réacteur 500 ou par l'entremise de tout autre type d'échangeur thermique pouvant accomplir cette fonction (non-représenté), avant d'être insufflé par des ventilateurs 433 dans le sécheur de boues 600. Le transfert des boues du réacteur 500 vers le sécheur 600 est réalisé en continu ou en séquence par un dispositif 320 qui assure préférablement le conditionnement des boues en améliorant la porosité du matériel selon des techniques connues avant l'entrée du matériel dans la zone de séchage . Une partie du matériel stabilisé SS, à la sortie du réacteur 500, est recirculée vers le dispositif 200 et mélangée au nouveau matériel afin d'améliorer ses propriétés physiques et d'accroître ainsi ses performances du bioséchage. Le débit d'air chaud provenant du ventilateur 433 assure le séchage direct des boues dans le sécheur 600 en déshydratant les boues jusqu'à un niveau d'au moins 70 à 80 % de matières sèches, préférablement au-delà de 85 %, et allant jusqu'à 90% de matières sèches. Un système d'énergie d'appoint 700, préférablement renouvelable (énergie solaire) ou récupérée, est disponible pour satisfaire à une demande supplémentaire en énergie causée, par exemple, par des facteurs météorologiques extrêmes : humidité élevée pendant l'été ou froid intense pendant l'hiver. Selon un autre exemple de réalisation de l'invention, l'apport d'énergie d'appoint peut se réaliser à l'aide d'un échangeur thermique récupérateur ou d'un système de thermopompe. À la sortie du système de traitement, un biosolide stabilisé ST, sec et riche en matières fertilisantes sans être débarrassé de ses propriétés biologiques et bioactives, est évacué en continu ou en séquence par un dispositif de transfert 330. Une partie du matériel séché SR peut être au besoin recirculée vers le dispositif 200 ou 320 pour être réintroduite dans le circuit de traitement afin d'améliorer les performances du bioséchage et du séchage sans l'ajout d'additifs structurant.
[0042] La présente invention permet de remédier aux inconvénients de l'art connu en fournissant une méthode et un système de fabrication des biofertilisants intégré aux stations de traitement des effluents organiques et capable de réduire les coûts de transport, de manutention, d'énergie et d'opération. Elle est préférablement destinée aux effluents organiques à forte charge et est parfaitement adaptée à ceux provenant des déjections animales liquides, dont le lisier de porc.
[0043] Un effluent à forte charge organique se caractérise par des teneurs en matières en suspension (MES) et en matières volatiles (matières organiques) très élevées. Ces teneurs à forte charge sont généralement supérieures à 5000 mg/L de MES, mais peuvent également dépasser les 50 000 mg/L dans le cas des lisiers issus des déjections animales par exemple. De plus, certains types de bioréacteurs comme les bioréacteurs à membranes immergées, concentrent les MES au-delà des 10 000 mg/L, même pour des effluents peu chargés au départ. Ces fortes concentrations organiques favorisent les réactions exothermiques et sont généralement accompagnées de concentrations variables d'éléments nutritifs et de germes pathogènes par exemple, lesquels seront éliminé au cours du processus.
[0044] La présente invention s'appuie sur la charge organique des effluents traités en bioréacteurs aérobie pour obtenir de l'énergie thermique en quantité et en qualité suffisantes pour assurer le séchage des biofertilisants. Cette énergie est déterminée par la concentration en matières organiques (matières volatiles) de l'effluent traité. Plus la charge organique de l'effluent traité est élevée, plus la quantité d'énergie nécessaire à son traitement par aération est élevée, et ainsi plus l'énergie thermique libérée par les bioréacteurs aérobies et leurs équipements périphériques (surpresseurs, biofiltres, etc.) est élevée. Cette énergie thermique est l'addition de l'énergie apportée pour l'aération à celles des réactions biologiques exothermiques.
Exemple I
[0045] Le tableau 1 présente un exemple de bilan énergétique pour une station traitant 50 m3 de lisier de porc par jour. Sous des conditions météorologiques normales, il se produit un excédent énergétique d'environ 14 kW pour un effluent ayant une charge en MES de 5 000 mg/1 à l'entrée, et un excédent énergétique de 60 kW dans le cas d'un effluent ayant une charge en MES de 20 000 mg/1 à l'entrée. Dans le cas de conditions météorologiques extrêmes (-3O0C, atmosphère ayant plus de 90% d'humidité), l'utilisation d'une source d'énergie d'appoint serait envisageable pour éviter une baisse de production.
Tableau 1 Potentiel énergétique du séchage final en fonction de Peffluent traité
Figure imgf000018_0001
* le potentiel récupérable est estimé à 40 % du potentiel énergétique
[0046] Comme la chaleur des bioréacteurs aérobies est de faible niveau de température (généralement de 20 à 35°C), l'énergie thermique produite n'a jamais fait l'objet d'études, particulièrement puisque les installations sont généralement à ciel ouvert pour réduire les coûts et que l'énergie thermique se dissipe donc dans l'atmosphère. De ce fait, l'application de la présente invention requière que les bioréacteurs soient isolés et couverts, selon les techniques de l'art, afin de conserver et de récupérer l'énergie dégagée.
[0047] L'intégration du concept de transfert d'énergie thermique des stations de traitement d'effluents à fortes charges vers l'unité de séchage permet de produire un biofertilisant séché à des coûts nettement inférieurs aux pratiques courantes. En y intégrant en plus le concept de produits à haute valeur ajoutée par la filière agronomique, les revenus escomptables permettent de réduire considérablement les coûts de gestion et d'opération de l'ensemble du procédé. La présente invention permet donc la valorisation du véritable potentiel fertilisant et commercial des boues provenant du traitement d'effluents organiques fortement chargés, plutôt que de les éliminer par épandage (sans revenus) ou par enfouissement (à des coûts de plus en plus élevés). Les boues peuvent ainsi devenir une matière première abondante, au même titre que d'autres biomasses agricoles ou forestières. Le principe de fabrication d'un produit à haute valeur ajoutée et à faible coût de production, par la transformation des boues en biofertilisants selon la méthode du présent brevet, permet d'exploiter au maximum le potentiel des systèmes de traitement des effluents fortement chargés en les rendant économiquement plus performants et plus rentables.

Claims

REVENDICATIONS:
1. Une méthode de transformation d'un effluent à forte charge en biofertilisant séché comprenant les étapes de: a. traiter de manière exothermique et aérobie Peffluent de forte charge jusqu'à l'obtention d'une boue au moins partiellement stabilisée; b. mélanger la boue au moins partiellement stabilisée avec une autre boue au moins partiellement stabilisée de manière à obtenir un pourcentage de matières sèches compris entre environ 25 et 50% dans le mélange de boues; c. sécher par bioséchage exothermique le mélange de boues à une température comprise entre environ 50 et 75°C, pour une durée suffisante à l'obtention d'un biofertilisant stabilisé; d. récupérer l'énergie thermique dégagée par au moins une des étapes a) et c) pour la diriger vers une unité de séchage; et e. sécher le biofertilisant stabilisé de l'étape c) dans l'unité de séchage par application de l'énergie thermique récupérée à l'étape d) jusqu'à l'obtention d'un biofertilisant séché ayant un taux d'humidité de moins de 30 %.
2. La méthode de la revendication 1, caractérisée en ce que le mélange de boues est composé d'une boue au moins partiellement stabilisée et d'un biofertilisant stabilisé obtenu à l'étape c) d'une réalisation précédente de la méthode.
3. La méthode de la revendication 1, caractérisée en ce que le mélange de boues est composé d'une boue au moins partiellement stabilisée et d'un biofertilisant séché obtenu à l'étape e) d'une réalisation précédente de la méthode.
4. La méthode de la revendication 1, caractérisée en ce que la réalisation de l'étape c) réduise au moins partiellement la population de microorganismes pathogènes et les odeurs présentes dans la boue ou le mélange de boues avant la réalisation de l'étape c).
5. La méthode de la revendication 1, caractérisée en ce que l'énergie thermique dégagée par l'étape a) est récupérée à l'étape d) est redirigée vers l'étape a) de manière à permettre une régulation de la température de ladite réaction exothermique à des valeurs comprises entre 20 et 400C.
6. La méthode de la revendication 1, caractérisée en ce que le séchage de l'étape e) est réalisé à une température égale ou inférieure à 600C.
7. La méthode de la revendication 1, caractérisée en ce que l'application de l'énergie thermique à l'étape e) est constante suite à la réalisation en continu de ladite méthode.
8. La méthode de la revendication 1, caractérisée en ce que la récupération de l'énergie thermique par l'étape d) génère de l'air vicié, ledit air vicié est filtré avant évacuation par un passage à travers un élément du groupe comprenant l'effluent à forte charge, la boue au moins partiellement stabilisée, le mélange de boues, une unité de dépoussiérage, et un biofiltre.
9. La méthode de la revendication 1, caractérisée en ce qu'au moins une des étapes de séchage c) et e) utilise l'énergie thermique provenant d'une source comprenant l'énergie thermique dégagée par l'étape a), l'énergie thermique dégagée par l'étape c), et l'énergie thermique dégagée par l'étape e).
10. La méthode de la revendication 9, caractérisée en ce que l'énergie thermique provient d'un système d'énergie d'appoint, ledit système d'énergie d'appoint comprenant un système utilisant l'énergie solaire, un système électrique, un système au gaz, une thermopompe, et un système pouvant générer une énergie thermique.
11. Un système de transformation d'un effluent à forte charge en biofertilisant séché comprenant: i. un moyen de traitement exothermique et aérobie d'un effluent à forte charge permettant l'obtention d'une boue au moins partiellement stabilisée; ii. un moyen de mélange de boue au moins partiellement stabilisée permettant l'obtention d'un mélange de boues, ledit moyen étant muni d'un système de dosage permettant l'ajustement à une valeur désirée d'un paramètre comprenant le pourcentage de matières sèches et le degré de porosité du mélange de boues; iii. un moyen de bioséchage permettant une réaction exothermique du mélange de boues jusqu'à l'obtention d'un biofertilisant stabilisé; iv. un moyen de transfert d'énergie thermique permettant de récupérer l'énergie thermique dégagée par au moins un des moyens du groupe comprenant le moyen de traitement exothermique et aérobie d'un effluent à forte charge, le moyen de récupération de boue, le moyen de mélange de boue, et le moyen de bioséchage; et v. un moyen de séchage alimenté en énergie thermique par ledit moyen de transfert d'énergie thermique.
12. Le système de la revendication 11, caractérisé en ce que le moyen de bioséchage est muni d'un moyen d'agitation qui permet l'homogénéisation du mélange de boues.
13. Le système de la revendication 11, caractérisé en ce que le système de bioséchage est muni d'un moyen d'aération qui permet l'aération du mélange de boues.
14. Le système de la revendication 11, caractérisé en ce que l'alimentation du moyen de séchage en énergie thermique est constante suite à l'opération en continue dudit système.
15. Le système de la revendication 11, caractérisé en ce que le moyen de transfert d'énergie est un échangeur thermique ou une thermopompe.
16. Le système de la revendication 11, comprenant un système d'énergie d'appoint pouvant fournir une énergie thermique additionnelle au moyen d'un transfert d'énergie thermique.
17. Le système de la revendication 11, caractérisé en ce que le moyen de transfert d'énergie thermique génère de l'air vicié, ledit moyen de transfert d'énergie thermique comprenant un moyen de filtration dudit air vicié avant l'évacuation dudit air vicié hors du système.
18. Le système de la revendication 17, caractérisée en ce que le moyen de filtration est un système permettant le passage de l'air vicié à travers un élément du groupe comprenant l'effluent à forte charge, la boue au moins partiellement stabilisée, le mélange de boues, une unité de dépoussiérage, et un biofiltre.
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