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WO2009047259A1 - Digesteur anaerobie lavable avec biofilm fixe - Google Patents

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WO2009047259A1
WO2009047259A1 PCT/EP2008/063440 EP2008063440W WO2009047259A1 WO 2009047259 A1 WO2009047259 A1 WO 2009047259A1 EP 2008063440 W EP2008063440 W EP 2008063440W WO 2009047259 A1 WO2009047259 A1 WO 2009047259A1
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WO
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effluent
tanks
recirculation
zone
bacteria
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Application number
PCT/EP2008/063440
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Morgan Jean-David Michael Thomas
Jacques Benoit Michotte
Original Assignee
Greenwatt
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    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for the treatment of an effluent, and in particular relates to a washable anaerobic digester with fixed biofilm.
  • the invention also relates to a method of washing an apparatus for the treatment of an effluent.
  • the present invention also relates to a method of treating an effluent using an apparatus according to the invention.
  • Anaerobic digestion is a known process for several years, and the use of a support (fixed or mobile) for the attachment of bacteria is used in several types of digesters.
  • Digesters with fluid recirculation, upflow or downflow can homogenize the liquid in the reactor.
  • the important parameters to control this type of process are the temperature, the hydraulic residence time of the liquid to be treated, the recirculation speed and the pH.
  • the temperature is close to 37 ° C for mesophilic bacteria and 55 ° C for thermophilic bacteria.
  • the hydraulic residence time varies between 1h and 5Oh.
  • the pH is between 6 and 8.
  • the recirculation speed is between 1 and 20 mm / s. This low speed does not make it possible to accentuate the biofilm recoil phenomenon.
  • Supporting processes utilize the property of bacteria to agglomerate in the form of a biofilm and offer the advantage of being more robust than unsupported processes that utilize the property of bacteria to agglomerate together to form flakes.
  • the unsupported processes are more unstable and react to the slightest change in the environment: temperature, pH, recirculation rate. These methods require very powerful control systems to obtain good results. Supported processes accept variations more easily but offer less load capacity.
  • the processes without support can accept loads up to 100kg COD (chemical oxygen demand: it is the quantity of oxygen necessary to oxidize all the organic matter, this represents the total quantity of decomposable organic matter) per day and per m 3 of digester whereas the processes with support are limited to 40kg COD per day and per m 3 of digester.
  • COD chemical oxygen demand: it is the quantity of oxygen necessary to oxidize all the organic matter, this represents the total quantity of decomposable organic matter
  • Supported processes use materials with a large surface area available for attachment by m 3 .
  • This ratio varies according to the devices from 100 to 800m 2 / m 3 .
  • the correspondence between the number of m 2 / m 3 and the production of biogas or the digestion of substances by the bacteria is not proportional.
  • the invention relates to an apparatus for transforming certain substances by putting them in contact with bacteria. Bacteria digest these substances to reject other substances. These bacteria are attached to a support in the form of a biofilm. More specifically, this invention has been developed to transform organic waste in liquid form into biogas.
  • the present invention relates to a washable anaerobic digester with fixed biofilm, also called FAD system ("Flushed Anaerobic Digester with Fixed Biofilm”) or apparatus for the treatment of an effluent.
  • FAD system Felushed Anaerobic Digester with Fixed Biofilm
  • Biogas refers to a gas produced by the fermentation of organic matter in the absence of oxygen.
  • the biogas is composed mainly of methane (CH 4 ), for example between 50 and 80%, and carbon dioxide (CO 2 ), for example between 20 and 50%.
  • biofilm indicates a community of microorganisms - in this case bacteria - adhering to each other and to a surface.
  • the present invention relates to an apparatus for the treatment of an effluent (or washable anaerobic digester with fixed biofilm, or FAD system) comprising at least two tanks connected between them from above and / or from below by one or more connections (connection lines) in which at least one of said tanks comprises: a gas storage zone, an effluent treatment zone containing a fixed or mobile support for the attachment of the bacteria, a zone of effluent storage (wash water), and a settling zone.
  • the apparatus according to the invention is characterized in that said gas storage zone is situated above said effluent treatment zone.
  • the apparatus according to the invention is characterized in that said effluent storage zone is situated above the effluent treatment zone.
  • the apparatus according to the invention is characterized in that said settling zone is situated below the treatment zone.
  • the apparatus according to the invention is characterized in that a connection is provided between the gas storage zones of said tanks.
  • the apparatus according to the invention is also characterized in that a connection is provided between the settling zones of said tanks.
  • the apparatus is characterized in that it comprises an isolation valve located in the connection provided between the settling zones of said tanks.
  • the apparatus according to the invention is characterized in that it may comprise a control valve, which is preferably located in the connection provided between the settling zones of said tanks.
  • the apparatus for the treatment of an effluent also comprises a pipe or link for supplying effluent to the apparatus and a pipe or link for discharging effluent, after purification, of the apparatus, said pipes being functionally connected. to said tanks.
  • the apparatus comprises a pipe or connection for the evacuation (settling) of sludge (s), said pipe being functionally connected to the bottom of said tanks.
  • the apparatus for the treatment of an effluent also comprises a pipe or connection for evacuation of the gas, preferably biogas, from the apparatus, said pipe being functionally connected to at least one of said tanks, and preferably said pipe being functionally connected to the top of said tanks.
  • the apparatus according to the invention is characterized in that it can comprise a recirculation pump.
  • the apparatus according to the invention is characterized in that it may comprise an evacuation pump.
  • the apparatus according to the invention is characterized in that it can comprise at least one heat exchanger.
  • the recirculation pump and the exchanger are provided on a pipe which functionally connects said tanks.
  • said discharge pump is provided on the pipe for the evacuation of sludge.
  • the particularity of the FAD system is to create and maintain an optimal environment for the development and activity of anaerobic bacteria.
  • the FAD system is usable for all methods of treatment using anaerobic bacteria whatever their functions.
  • the FAD system has been developed for biogas production.
  • the FAD system consists of at least two tanks that may be similar or not.
  • tanks are composed of several zones: a storage area for the gas produced by the bacteria, an effluent storage area (wash water), a zone containing the support for the bacteria, a settling zone.
  • the apparatus and method according to the invention utilize pumps, valves and exchangers if maintaining it at a given temperature is necessary.
  • the invention in another aspect, relates to a method of washing an apparatus for treating an effluent according to the invention comprising the periodic creation of hydrodynamic stresses in the apparatus.
  • the method comprises the following steps: isolating the tanks from the bottom thus making it possible to obtain a volume of effluent in the storage area of the effluent of said apparatus, to create a difference in the level of effluent in said tanks, and - to release in a few seconds said volume of effluent.
  • hydrodynamic stresses refers to the consideration of internal forces that arise in a fluid when a certain velocity or pressure is applied to it.
  • the term "effluent” is used to refer to the liquid (eg water) loaded with biodegradable organic material that can be processed in a digester.
  • the effluent is mainly loaded with volatile fatty acid. It is these volatile fatty acids that are digested by bacteria to form biogas.
  • the effluent is purified.
  • the method is characterized in that the periodic creation of hydrodynamic stresses is adjusted by adjusting the operation of said tank isolation valve, and / or said control valve, and / or the recirculation pump.
  • hydrodynamic stresses are created, preferably periodically: by operating a tank isolation valve, said valve being preferably provided on the link connecting the tanks by the bottom, and / or operating a control valve, said valve being preferably provided on the connection connecting the tanks by the bottom, and / or - by operating a recirculation pump, said pump being preferably provided on a link connecting the tanks by the top.
  • the present invention thus relates to a method of washing an apparatus for treating an effluent according to the invention comprising the steps of: obtaining a volume of effluent in the storage zone of the effluent of said apparatus, closing a tank isolation valve, said valve being provided on the link connecting the tanks by the bottom to close the connection between said tanks from below, to obtain a difference in the level of effluent in said tanks, preferably by activating a recirculation pump,
  • the process is characterized in that the recirculation direction of the effluent can be reversed.
  • the term “recirculate” or “circulate” means that the effluent circulates in a loop between the two tanks, its direction of rotation being reversed.
  • the method is further characterized in that said washing process is repeated periodically.
  • periodicically in this context refers to a repetition of the process for example a number of times, for example going from once to a few dozen times, for a few minutes, and this once a day or a week or by month.
  • the level of the effluent in the effluent storage area may vary between a maximum level (Hmax) and a minimum level (Hmin) and ⁇ H, corresponding to the difference between the Hmax and Hmin, is the difference in effluent level maximum that can be achieved in the present process.
  • the velocity of the effluent in the tanks is determined by the difference in level between Hmax and Hmin as well as the passage section in the isolation valve and the opening speed of this valve.
  • the present mode of operation of the apparatus makes it possible to periodically create high hydrodynamic stresses and during the wash period a high fluid (effluent) velocity, for example up to 0.25 m / s, 1 m / s, 5 m / s or even 10 m / s. Therefore, in another embodiment, the present invention relates to a method in which the recirculation rate of the effluent during the wash period is between 0.1 m / s and 10 m / s, and for example between 0.25 m / s and 10m / s, and for example between 0.5m / s and 7m / s, or between 2.5m / s and 5m / s.
  • high hydrodynamic stresses are obtained when the method makes it possible to obtain a variation (difference) in the level of the maximum effluent ( ⁇ H) in the storage zone.
  • the speed outside the wash period is usually a few millimeters per second.
  • the method according to the invention makes it possible to obtain a recirculation flow, outside the washing period, of the effluent which is between one half and two times the volume of the two tanks per hour.
  • the washing method can be used to increase the activity of the biofilm.
  • the variation ( ⁇ H) of the level of the effluent is preferably not maximum.
  • Level variations, which are smaller than the maximum difference ( ⁇ H), in this context indicate changes in level resulting for example from the opening of the isolation valve, such openings causing hydrodynamic constraints sufficient to accentuate the accessibility of the substrate (effluent) to the bacteria of the lower layers of the biofilm, but insufficient to unhook the biofilm.
  • This mode of operation can also be applied periodically.
  • the term "periodically” in this context refers to a repetition of the process for example every x minutes, x being between 0.1 and 60 minutes and for example between 1 and 30 minutes or between 5 and 45 minutes.
  • the present invention also relates to the use of the effluent storage area as a reservoir for biofilm washing provided on the support of the apparatus according to the present invention.
  • the invention relates to a method of treating an effluent, preferably to a treatment method using anaerobic bacteria, and for example to a process for converting organic waste in liquid form into gas, preferably biogas (and therefore to a process for the production of biogas), using an apparatus according to the invention.
  • the general principle is an energy-saving means of washing a biofilm, that is to say, unhooking the unwanted part of a biofilm, by the use of two or more interconnected tanks 1, 2 in which progressively level differences that will cause strong hydrodynamic stresses when opening the isolation valve 5 which allows the equalization of levels.
  • Figure 4 is a representation of a concrete case used for the biomethanation.
  • the subject of this invention is an apparatus using supports for hooking bacteria.
  • This device maintains an optimal environment for the growth and controlled growth of bacteria.
  • This device is a closed environment for treating effluents (liquids) containing substances that will be digested by bacteria.
  • effluents liquids
  • the use of this device in the case of biomethanation makes it possible to treat effluents loaded with putrescible organic matter in order to purify the effluent and produce biogas.
  • biogas At the exit of this apparatus biogas, a purified effluent and bacterial sludge are obtained.
  • This digester consists of at least two tanks, similar or not, pumps, valves, heat exchanger if necessary and various measurement system.
  • the vats are connected between them by the top and the bottom.
  • a valve allows opening or closing the connection of the bottom of the tanks.
  • At least one of the tanks consists of the four zones shown in the figures.
  • the principle of operation, out of the starting phase, is to periodically isolate the tanks 1, 2, from below via the isolation valve 5, to create a difference in level by the recirculation pump 7, then open this valve 5 until the equilibrium of the liquid levels.
  • This principle makes it possible to create periodically high hydrodynamic stresses and a high effluent velocity, for example up to 0.25 m / s, 1 m / s, 5 m / s or even up to 10 m / s during washing.
  • This system is different from other multi-tank processes or a compartmentalized vessel uses the wash effluent storage area (b) as a reservoir for washing the biofilm.
  • the tanks are divided into four zones on the height of the tank 1, 2.
  • All the known processes require at least two of these zones: the gas storage zone and the effluent treatment zone. Most of the processes also have a sludge settling zone.
  • the particularity of this invention lies in the use of the storage area of the effluent above the treatment zone.
  • This zone is used to store the product gas before it is sent via a pipe 12 to a gas purification system if necessary and then to a larger storage or directly used to supply an engine or a boiler or other operating device gas. This is valid for the case of the biomethanation.
  • the storage areas (a) of the various tanks 1, 2 are interconnected by a connecting pipe 4 to ensure the pressure balance.
  • This zone is used to gradually store the effluent to be treated in one or more of the tanks, and this by gradually emptying one or more other tanks.
  • the isolation valve 5 of the bottom of the tanks is in the closed position. Therefore a level difference is created between the different tanks 1, 2. It is this difference in level that when opening the isolation valve 5 from the bottom will cause strong hydrodynamic stresses tending towards equalization the levels between tanks 1, 2.
  • the device can modulate the recirculation speed between 0.1 m / s and 10m / s, and for example between 1 m / s and 7m / s, or between 2.5m / s s and 5m / s, as well as the frequency of the recirculation which is not only continuous but can also be done by batch, or a combined of the two modes: for example continuous for x minutes then by batch then of again continuously, and preferably every one to five minutes in the case of the biomethanation.
  • the flow rate of the recirculation pump 7, the opening frequency of the isolation valve 5 and the flow control valve 6 make it possible to adapt to all types of bacteria and hence to all micro-digestion processes. -organisms.
  • the recirculation flow rate is preferably between one half and two times the volume of the two tanks per hour. For example for two identical tanks having a volume of 5m 3 each, the recirculation speed will be between 5m 3 / h and 20m 3 / h.
  • Valves make it possible to reverse the cycle between the different tanks, which has the effect of reversing the direction of the recirculation of the effluent. This inversion favors the phenomenon of biofilm unhooking and thus facilitates the control of the thickness of the biofilm.
  • This zone contains the support 10 for the attachment of bacteria, so it is mainly in this area that the effluent will be treated by digestion.
  • the support can be either fixed or mobile.
  • the main feature of the support is to offer the maximum of the attachment surface available per m 3 .
  • the mobile supports can be either plastic (PVC or other) or mineral, ranging in size from a few millimeters to a few centimeters. In general they are in the form of hollow balls with a maximum of fins offering large area available.
  • Fixed supports are either undirected or oriented. They can be plastic (PVC or other) or mineral or wood. The system preferably uses vertically oriented supports made of plastic material. d) Settling area:
  • This zone allows the non-hooked bacteria, which are in the form of sludge, to decant before being evacuated through an evacuation pipe 11 to a pond where they will be treated.
  • This zone is emptied periodically by a pump 9.
  • the present apparatus and method can increase the digester processing capacity with more than 20%, and preferably more than 30%, more than 40%, up to more than 50%. %, compared to a digester of the prior art.
  • the thickness of a biofilm varies between 0.5 and 2 mm in the case of the biogas -
  • these constraints favor degassing.
  • Figure 4 shows a basic installation, other configurations are possible keeping the same principle of isolation from the bottom and unbalance tank levels via a recirculation pump and washing by the opening of one or several isolation valves.
  • the first tank 1 contains the four zones specific to ADF. It is thermally insulated if the temperature is to be maintained at a certain value. Its total volume is a function of the quantity of effluent to be treated and the desired percentage of purification.
  • the second tank 2 may be similar to the first or not, other tanks can be connected to the first and / or second.
  • connection line of the bottom tanks 3 has a diameter sufficient to allow an optimum recirculation speed when opening the isolation valve.
  • the recirculation rate is between 100 mm / s and 1 m / sec, for example for the biogas.
  • the connecting pipe of the top tanks 4 has a sufficient diameter to allow the balance of the gas pressures during the variations of the levels of the tanks 1, 2, it serves if the overflow from one tank to the other.
  • the isolation valve 5 makes it possible to isolate the tanks to allow them to be unbalanced. It is the isolation valve 5 which, when opened, will create the hydrodynamic constraints. It is an ON / OFF or proportional valve.
  • the flow control valve 6 makes it possible to adjust the flow rate and thereby the recirculation speed.
  • the recirculation pump 7 allows the recirculation of the liquid passing from one tank to another, it also allows to create an imbalance of levels between the tanks 1, 2.
  • the exchangers 8 make it possible to maintain the liquid at a given temperature.
  • the sludge evacuation pump 9 allows the tanks 1, 2 to be emptied periodically and to discharge the sludge from the sludge through an evacuation pipe 11.
  • the support 10 for the attachment of the bacteria may be fixed or mobile. If it is fixed it can be oriented or not, made of plastics or wood. If it is mobile, either bioball or ball type or micro-ball made of plastic or sand or other particles.
  • the support must have the maximum gripping surface in m 2 / m 3 . Fixed type PVC-oriented fixtures with ratios of 200m 2 / m 3 or more are particularly well suited to the FAD system for biomethanation.
  • the level of effluent in the effluent storage area may vary between a maximum level (Hmax) and a minimum level (Hmin).
  • the average level (Hmoyen) is located between the maximum level (Hmax) and the minimum level (Hmin).
  • the average level (Hmoyen) is the level of the liquid when the isolation valve 5 is open and the system has reached the equilibrium of the levels.
  • the maximum level (Hmax) is the maximum level at which the effluent can arrive when the isolation valve 5 is closed and the recirculation pump 7 creates the hydraulic imbalance between the tanks 1, 2.
  • the minimum level (Hmin) is the minimum level at which the effluent can arrive when the isolation valve 5 is closed and the recirculation pump 7 creates the hydraulic imbalance between the tanks 1, 2.
  • the tanks 1, 2 are identical the difference in level between Hmax and Hmoyen is identical to the level difference between Hmoyen and Hmin.

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Abstract

L'invention se rapporte à un appareil pour le traitement d'un effluent (ou digesteur anaérobie lavable avec biofilm fixe, ou système FAD). La particularité du système FAD est de créer et maintenir un environnement optimal pour le développement et l'activité de bactéries anaérobies. Le système FAD est utilisable pour tous procédés de traitement utilisant des bactéries anaérobies quelques soient leurs fonctions. Le système FAD a été développé pour la production de biogaz.

Description

Digesteur anaérobie lavable avec biofilm fixe
Résumé
La présente invention se rapporte à un appareil pour le traitement d'un effluent, et en particulier se rapporte à un digesteur anaérobie lavable avec biofilm fixe. L'invention se rapporte également à un procédé de lavage d'un appareil pour le traitement d'un effluent. La présente invention concerne aussi un procédé de traitement d'un effluent utilisant un appareil selon l'invention.
Etat de l'art
La digestion anaérobique est un procédé connu depuis plusieurs années, et l'emploi d'un support (fixe ou mobile) pour l'accrochage des bactéries est utilisé dans plusieurs types de digesteurs. Les digesteurs avec recirculation du fluide, à flux ascendant ou descendant permettent d'homogénéiser le liquide contenu dans le réacteur. Les paramètres importants pour contrôler ce type de procédés sont la température, le temps de séjour hydraulique du liquide à traiter, la vitesse de recirculation et le pH. Dans le cas précis de la production de biogaz la température est proche de 37°C pour les bactéries mésophiles et 55°C pour les bactéries thermophiles. Le temps de séjour hydraulique varie entre 1 h et 5Oh. Le pH est compris entre 6 et 8. La vitesse de recirculation est comprise entre 1 et 20 mm/s. Cette faible vitesse ne permet pas d'accentuer le phénomène de décrochement du biofilm.
Les procédés à support utilisent la propriété des bactéries à s'agglomérer sous la forme d'un biofilm et offrent l'avantage d'être plus robuste que les procédés sans support qui utilisent la propriété des bactéries à s'agglomérer entre elles pour former des flocons. Les procédés sans support sont plus instables et réagissent au moindre changement de l'environnement : température, pH, vitesse de recirculation. Ces procédés nécessitent des systèmes de contrôle très performant pour obtenir de bons résultats. Les procédés avec support acceptent plus facilement les variations mais offrent de moins grande capacité de charge. Dans le cas précis de la biométhanisation les procédés sans support peuvent accepter des charges allant jusque 100kg DCO (demande chimique en oxygène : c'est la quantité d'oxygène nécessaire pour oxyder l'intégralité de la matière organique, cela représente la quantité totale de matière organique décomposable) par jour et par m3 de digesteur alors que les procédés avec support sont limités à 40kg DCO par jour et par m3 de digesteur.
Les procédés avec support ont tous les mêmes problèmes de contrôle de l'épaisseur du biofilm. Les bactéries ont toujours tendance à se multiplier ce qui augmente l'épaisseur du biofilm. Si cette épaisseur n'est pas correctement maîtrisée elle finit par être trop importante ce qui réduit fortement l'accessibilité du substrat aux couches inférieurs de bactéries et conduit au colmatage du support.
Les procédés à support utilisent des matériaux offrant une grande surface disponible pour l'accrochage par m3. Ce rapport varie suivant les dispositifs de 100 à 800m2 /m3. Toutefois la correspondance entre le nombre de m2/m3 et la production de biogaz ou la digestion des substances par les bactéries n'est pas proportionnelle.
Sommaire de l'invention
L'invention est relative à un appareil permettant de transformer certaines substances en les mettant en contact avec des bactéries. Les bactéries digérant ces substances pour rejeter d'autres substances. Ces bactéries étant fixées à un support sous la forme d'un biofilm. Plus spécifiquement cette invention a été développée pour transformer des déchets organiques sous forme liquide en biogaz.
La présente invention se rapporte à un digesteur anaérobie lavable avec biofilm fixe, également dénommé système FAD ("Flushed Anaerobic Digester with Fixed Biofilm") ou appareil pour le traitement d'un effluent.
Le terme « digesteur » telle qu'utilisé dans la présente invention se réfère à un appareil qui permet de produire du biogaz grâce à un procédé de fermentation de matières organiques. Le « biogaz » se rapporte a un gaz produit par la fermentation de matières organiques en l'absence d'oxygène. Le biogaz est composé principalement de méthane (CH4), par exemple entre 50 et 80%, et de dioxyde de carbone (CO2), par exemple entre 20 et 50%.
Le terme « biofilm » indique une communauté de micro-organismes -dans le cas présent de bactéries— adhérant entre eux et à une surface.
Dans un premier aspect la présente invention se rapporte à un appareil pour le traitement d'un effluent (ou digesteur anaérobie lavable avec biofilm fixe, ou système FAD) comprenant au moins deux cuves reliées entres elles par le haut et/ou par le bas par une ou plusieurs liaisons (conduites de connexion) dans lequel au moins une des dites cuves comprend: une zone de stockage de gaz, une zone de traitement de l'effluent contenant un support fixe ou mobile pour l'accrochage des bactéries, une zone de stockage d'effluent (eau de lavage), et une zone de décantation. L'appareil selon l'invention est caractérisé en ce que ladite zone de stockage de gaz est située au dessus de ladite zone de traitement de l'effluent. L'appareil selon l'invention est caractérisé en ce que ladite zone de stockage d'effluent est situé au dessus de la zone de traitement de l'effluent. L'appareil selon l'invention est caractérisé en ce que ladite zone de décantation est situé en dessous de la zone de traitement.
En plus, l'appareil selon l'invention est caractérisé en ce qu'une liaison est prévue entre les zones de stockage de gaz des dites cuves. L'appareil selon l'invention est aussi caractérisé en ce qu'une liaison est prévue entre les zones de décantation des dites cuves.
Dans un autre mode de réalisation de l'invention, l'appareil est caractérisé en ce qu'il comprend une vanne d'isolement située dans la liaison prévue entre les zones de décantation des dites cuves.
L'appareil selon l'invention est caractérisé en ce qu'il peut comporter une vanne de réglage, qui est de préférence située dans la liaison prévue entre les zones de décantation des dites cuves. L'appareil pour le traitement d'un effluent comprend également une conduite ou liaison pour alimentation en effluent à l'appareil et une conduite ou liaison pour l'évacuation d'effluent, après épuration, de l'appareil, lesdites conduites étant fonctionnellement reliées aux dites cuves.
Dans un autre mode de réalisation, l'appareil comprend une conduite ou liaison pour l'évacuation (la décantation) de boue(s), ladite conduite étant fonctionnellement reliée au bas desdites cuves. L'appareil pour le traitement d'un effluent comprend également une conduite ou liaison pour l'évacuation du gaz, de préférence du biogaz, de l'appareil ladite conduite étant fonctionnellement reliée à au moins une des dites cuves, et de préférence ladite conduite étant fonctionnellement reliée au haut desdites cuves. L'appareil selon l'invention est caractérisé en ce qu'il peut comprendre une pompe de recirculation. L'appareil selon l'invention est caractérisé en ce qu'il peut comprendre une pompe d'évacuation. L'appareil selon l'invention est caractérisé en ce qu'il peut comprendre au moins un échangeur de chaleur. De préférence, la pompe de recirculation et l'échangeur sont prévues sur une conduite qui relie fonctionnellement lesdites cuves. Dans une autre mode de réalisation, ladite pompe d'évacuation est prévue sur la conduite pour l'évacuation des boues.
La particularité du système FAD est de créer et maintenir un environnement optimal pour le développement et l'activité de bactéries anaérobies. Le système FAD est utilisable pour tous procédés de traitement utilisant des bactéries anaérobies quelques soient leurs fonctions. Le système FAD a été développé pour la production de biogaz.
De nombreux procédés existent utilisant des supports, fixes ou mobiles, pour les bactéries. Les bactéries s'agglomèrent alors sous la forme d'un biofilm sur le support. Ces procédés ont en commun les problèmes de colmatage des supports et d'accessibilité du substrat aux bactéries, par la croissance non contrôlée du biofilm. Le système FAD donne la possibilité de parfaitement maîtriser l'épaisseur du biofilm.
Le système FAD se compose de minimum deux cuves qui peuvent être similaires ou pas.
Ces cuves sont composées de plusieurs zones : une zone de stockage du gaz produit par les bactéries, une zone de stockage de l'effluent (eau de lavage), une zone contenant le support pour les bactéries, une zone de décantation. L'appareil et le procédé selon l'invention utilisent des pompes, des vannes et des échangeurs si le maintient à une température donnée est nécessaire.
Dans un autre aspect, l'invention se rapporte à un procédé de lavage d'un appareil pour le traitement d'un effluent selon l'invention comprenant la création périodique de contraintes hydrodynamiques dans l'appareil. Le procédé comprend les étapes suivantes : isoler les cuves par le bas permettant ainsi d'obtenir un volume d'effluent dans la zone de stockage de l'effluent dudit appareil, créer une différence de niveau d'effluent dans lesdites cuves, et - libérer en quelques secondes ledit volume d'effluent.
Le terme « contraintes hydrodynamiques » tel qu'utilisé dans la présente demande se rapporte à la considération des forces intérieures qui naissent dans un fluide lorsqu'on lui applique une certaine vitesse ou une pression.
Le terme « isoler » les cuves par le bas est utilisé comme synonyme pour « fermer la liaison entre » les cuves par le bas.
Le terme « effluent » est utilisé pour désigner le liquide (par l'exemple une eau) chargé en matière organique biodégradable qui peut être traité dans un digesteur. Dans le cas de la biométhanisation l'effluent est principalement chargé en acide gras volatil. Ce sont ces acides gras volatils qui sont digérés par les bactéries pour former du biogaz. Quand les acides gras volatils présents dans l'effluent ont été consommés, on dit que l'effluent est épuré. Le procédé est caractérisé en ce que la création périodique de contraintes hydrodynamiques est réglée en réglant le fonctionnement de ladite vanne d'isolement des cuves, et/ou ladite vanne de réglage, et/ou la pompe de recirculation.
Plus en particulier, selon l'invention, dans un mode de réalisation, des contraintes hydrodynamiques sont créées, de préférence de manière périodique : en opérant une vanne d'isolement des cuves, ladite vanne étant de préférence prévue sur la liaison reliant les cuves par les bas, et/ou en opérant une vanne de réglage, ladite vanne étant de préférence prévue sur la liaison reliant les cuves par les bas, et/ou, - en opérant une pompe de recirculation, ladite pompe étant de préférence prévue sur une liaison reliant les cuves par les haut.
La présente invention se rapporte donc à un procédé de lavage d'un appareil pour le traitement d'un effluent selon l'invention comprenant les étapes suivantes: obtenir un volume d'effluent dans la zone de stockage de l'effluent dudit appareil, en fermant une vanne d'isolement des cuves, ladite vanne étant prévue sur la liaison reliant les cuves par les bas afin de fermer la liaison entre lesdites cuves par le bas, obtenir une différence de niveau d'effluent dans lesdites cuves, de préférence en activant une pompe de recirculation,
- faire recirculer de l'effluent en libérant, de préférence en quelques secondes, ledit volume d'effluent, en ouvrant la vanne d'isolement des cuves jusqu'à obtention de l'équilibre des niveaux d'effluent dans les dites cuves.
Le procédé est caractérisé en ce que le sens de recirculation de l'effluent peut être inversé. Le terme « recirculer » ou « circuler » signifie que l'effluent circule en boucle entre les deux cuves, son sens de rotation pouvant être inversé. Le procédé est aussi caractérisé en ce que le dit procédé de lavage est répété périodiquement. Le terme « périodiquement » dans ce contexte se rapporte à une répétition du procédé par exemple un certain nombre de fois, par exemple allant de une fois à quelques dizaines de fois, pendant quelques minutes, et ce une fois par jour ou par semaine ou par mois. Tel qu'illustré à la figure 4 par exemple, le niveau de l'effluent dans la zone de stockage d'effluent peut varier entre un niveau maximal (Hmax) et un niveau minimal (Hmin) et ΔH, correspondant à la différence entre le Hmax et Hmin, est la différence de niveau d'effluent maximale qui peut être obtenue dans le présent procédé. La vitesse de l'effluent dans les cuves est déterminé par la différence de niveau entre Hmax et Hmin ainsi que la section de passage dans la vanne d'isolement et la vitesse d'ouverture de cette vanne.
Dans un mode de réalisation, le présent mode d'opération de l'appareil permet de créer périodiquement de fortes contraintes hydrodynamiques et lors de la période de lavage une vitesse du fluide (d'effluent) élevée, par exemple jusque 0.25 m/s, 1 m/s, 5 m/s ou même 10m/s. C'est pourquoi dans un autre mode de réalisation, la présente invention concerne un procédé dans lequel la vitesse de recirculation de l'effluent lors de la période de lavage est comprise entre 0.1 m/s et 10m/s, et par exemple entre 0.25m/s et 10m/s, et par exemple entre 0.5m/s et 7m/s, ou entre 2.5 m/s et 5m/s. Par exemple de fortes contraintes hydrodynamiques sont obtenues quand le procédé permet d'obtenir une variation (différence) de niveau de l'effluent maximale (ΔH) dans la zone de stockage. La vitesse hors période de lavage est généralement de quelques millimètres par seconde.
Le procédé selon l'invention permet d'obtenir un débit de recirculation, hors période de lavage, de l'effluent qui est compris entre la moitié et le double du volume des deux cuves par heure.
Dans un autre mode de réalisation, le procédé de lavage peut servir à l'augmentation de l'activité du biofilm. Dans ce cas la variation (ΔH) de niveau de l'effluent n'est de préférence pas maximale. Des variations de niveau, qui sont plus petites que la différence maximale (ΔH), dans ce contexte indiquent des variations de niveau qui résultent par exemple de l'ouverture de la vanne d'isolement, telles ouvertures provoquant des contraintes hydrodynamiques suffisantes pour accentuer l'accessibilité du substrat (effluent) aux bactéries des couches inférieures du biofilm, mais insuffisantes pour décrocher le biofilm. Ce mode de fonctionnement peut également être appliqué périodiquement. Le terme « périodiquement » dans ce contexte se rapporte à une répétition du procédé par exemple toutes les x minutes, x étant compris entre 0.1 et 60 minutes et par exemple entre 1 et 30 minutes ou entre 5 et 45 minutes.
La présente invention se rapporte également à l'utilisation de la zone de stockage de l'effluent comme réservoir pour le lavage du biofilm prévu sur le support de l'appareil selon la présente invention.
L'importance des contraintes hydrodynamiques prévues selon l'invention dans le processus de digestion est très grande car elles permettent une meilleure homogénéité de l'effluent à traiter et une meilleure accessibilité du substrat (effluent) aux bactéries. Dans le présent cas ou l'on utilise un appareil avec support elles permettent aussi de maîtriser l'épaisseur du biofilm.
Dans un autre aspect, l'invention se rapporte à un procédé de traitement d'un effluent, de préférence à un procédé de traitement utilisant des bactéries anaérobies, et par exemple à un procédé de transformation de déchets organique sous forme liquide en gaz, de préférence en biogaz (et donc à un procédé pour la production de biogaz), utilisant un appareil selon l'invention.
Brève description des dessins Les figures 1 , 2 et 3 sont des représentations générales des différentes configurations possibles (ceci est non exhaustif).
Le principe général est un moyen peu énergivore de laver un biofilm, c'est-à-dire de décrocher la partie non désirée d'un biofilm, par l'utilisation de deux ou plusieurs cuves 1 , 2 interconnectées dans lesquelles on crée progressivement des différences de niveau qui vont provoquer de fortes contraintes hydrodynamiques lors de l'ouverture de la vanne d'isolement 5 qui permet l'égalisation des niveaux.
La figure 4 est la représentation d'un cas concret utilisé pour la biométhanisation.
Description de l'invention Le sujet de cette invention est un appareil utilisant des supports pour l'accrochage des bactéries. Cet appareil permet de maintenir un environnement optimal pour la croissance et le développement contrôlé des bactéries. Cet appareil constitue un environnement fermé permettant de traiter des effluents (liquides) contenant des substances qui seront digérées par les bactéries. L'utilisation de cet appareil dans le cas de la biométhanisation permet de traiter des effluents chargés de matières organiques putrescibles dans le but d'épurer l'effluent et de produire du biogaz. A la sortie de cet appareil on obtient du biogaz, un effluent épuré et des boues de bactéries.
Ce digesteur est constitué d'au moins deux cuves, similaires ou pas, de pompes, de vannes, d'échangeur de chaleur si nécessaire et de système de mesure divers. Les cuves sont reliées entres elles par le haut et le bas. Une vanne permet d'ouvrir ou de fermer la liaison du bas des cuves. Au moins une des cuves est constituée des quatre zones représentées sur les figures.
Le principe de fonctionnement, hors phase de démarrage, est de périodiquement isoler les cuves 1 , 2, par le bas via la vanne d'isolement 5, de créer une différence de niveau par la pompe de recirculation 7, puis d'ouvrir cette vanne 5 jusqu'à obtention de l'équilibre des niveaux de liquide. Ce principe permet de créer périodiquement de fortes contraintes hydrodynamiques et une vitesse de l'effluent élevée, par exemple jusque 0.25 m/s, 1 m/s, 5 m/s ou même jusque 10m/s lors du lavage. Ce système est différent des autres procédés à plusieurs cuves ou une cuve compartimentée part l'utilisation de la zone de stockage de l'effluent de lavage (b) comme réservoir pour le lavage du biofilm.
Les cuves sont divisées en quatre zones sur la hauteur de la cuve 1 , 2. Une zone de stockage du gaz produit (a), utile dans le cas de la biométhanisation, une zone de stockage de l'effluent de lavage (b), une zone de traitement de l'effluent (c), c'est-à-dire une zone où se situe le support pour les bactéries, et une zone de décantation des boues (d). Tous les procédés connus requièrent au minimum deux de ces zones : la zone de stockage du gaz et celle de traitement de l'effluent. La plus part des procédés ont aussi une zone de décantation des boues. La particularité de cette invention réside dans l'utilisation de la zone de stockage de l'effluent au dessus de la zone de traitement.
Description des quatre zones : a) Zone de stockage:
Cette zone sert à stocker le gaz produit avant qu'il ne soit envoyé par une conduite 12 vers un système d'épuration du gaz si nécessaire puis vers un stockage plus conséquent ou directement utilisé pour alimenter un moteur ou une chaudière ou tout autre appareil fonctionnant au gaz. Ceci est valable pour le cas de la biométhanisation. Les zones de stockages (a) des différentes cuves 1 , 2 sont interconnectées entre elles par une conduite de connexion 4 afin d'assurer l'équilibre des pressions.
b) Zone de stockage de l'effluent de lavage :
Cette zone sert à stocker progressivement l'effluent à traiter dans une ou plusieurs des cuves, et ce en vidant progressivement une ou plusieurs autres cuves. Pour cela la vanne d'isolement 5 du bas des cuves est en position fermée. Par conséquent on crée une différence de niveau entre les différentes cuves 1 , 2. C'est cette différence de niveau qui lors de l'ouverture de la vanne d'isolement 5 du bas va provoquer de fortes contraintes hydrodynamiques en tendant vers l'égalisation des niveaux entre cuves 1 , 2. Grâce à cette nouveauté l'appareil permet de moduler la vitesse de recirculation entre 0.1 m/s et 10m/s, et par exemple entre 1 m/s et 7m/s, ou entre 2.5m/s et 5m/s, ainsi que la fréquence de la recirculation qui ne se fait plus uniquement en continu mais peut aussi se faire par batch, ou un combiné des deux modes : par exemple continu pendant x minutes puis par batch puis de nouveau en continu, et de préférence toutes les un à cinq minutes dans le cas de la biométhanisation.
L'importance de la vitesse maximale de recirculation possible est ce qui différencie fondamentalement cette invention des autres procédés de digesteur avec support et recirculation. Ce mode de fonctionnement permet une grande marche de réglage et peut s'adapter aux différentes phases de vie d'un digesteur : démarrage, croissance du biofilm jusqu'à sa valeur nominale, fonctionnement normale.
Le débit de la pompe de recirculation 7, la fréquence d'ouverture de la vanne d'isolement 5 et la vanne de réglage du débit 6 permettent de s'adapter à tous types de bactéries et par là à tous processus de digestion par des micro-organismes. En biométhanisation le débit de recirculation est de préférence situé entre la moitié et le double du volume des deux cuves par heure. Par exemple pour deux cuves identiques ayant un volume de 5m3 chacune, la vitesse de recirculation sera comprise entre 5m3/h et 20m3/h.
Des vannes permettent d'inverser le cycle entre les différentes cuves ce qui à pour effet d'inverser le sens de la recirculation de l'effluent. Cette inversion favorise le phénomène de décrochement du biofilm et donc facilite la maîtrise de l'épaisseur du biofilm.
c) Zone de traitement :
Cette zone contient le support 10 pour l'accrochage des bactéries, c'est donc principalement dans cette zone que l'effluent sera traité par digestion. Le support peut être soit fixe soit mobile.
Quelque soit le cas la caractéristique principale du support est d'offrir le maximum du surface d'accrochage disponible par m3.
Les supports mobiles peuvent être soit en matière plastique (PVC ou autre) soit minéraux, de taille allant de quelques millimètres à quelques centimètres. En générale ils se présentent sous la forme de boules creuses avec un maximum d'ailettes offrant de grande surface disponible.
Les supports fixes sont soit non orientés soit orientés. Ils peuvent être en matière plastique (PVC ou autre) soit minéraux soit en bois. Le système utilise préférentiellement des supports orientés verticalement en matière plastique. d) Zone de décantation :
Cette zone permet aux bactéries non accrochées, qui se retrouvent sous forme de boue, de décanter avant d'être évacuée par un conduit d'évacuation 11 vers un bassin ou elles seront traitées. Cette zone est vidée périodiquement par une pompe 9.
Quelques avantages du procédé par rapport aux autres procédés incluent :
Les fortes contraintes hydrodynamiques améliorent l'accessibilité du substrat (effluent) aux bactéries et par là augmentent, la capacité de traitement du digesteur. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention le présent appareil et procédé permettent d'augmentent la capacité de traitement du digesteur avec plus de 20%, et de préférence plus de 30%, plus de 40%, jusqu'à plus de 50%, comparé a un digesteur de l'art antérieur.
Ces contraintes permettent de maîtriser l'épaisseur du biofilm. De préférence l'épaisseur d'un biofilm varie entre 0.5 et 2 mm dans le cas de la biométhanisation - Ces contraintes favorisent le dégazage.
Le fait que ces contraintes soient périodiques et par là que la vitesse de recirculation soit discontinue favorise le phénomène de décantation et permet une meilleure gestion des boues.
Ces avantages donnent à cette invention un plus considérable par rapport aux dernières inventions sur le sujet qui donnent des solutions pour le décolmatage mais rien pour le dégazage et l'accessibilité du substrat aux bactéries.
Exemple : description du schéma (Fig. 4)
La numérotation utilisée dans les figures 1 à 4 correspond aux éléments suivants : (a) Zone de stockage du gaz
(b) Zone de stockage de l'effluent
(c) Zone de traitement
(d) Zone de décantation (1 ) cuve n°1 (2) cuve n°2
(3) conduite de connexion ou liaison des cuves du bas
(4) conduite de connexion ou liaison des cuves du haut
(5) vanne d'isolement des cuves
(6) vanne de réglage du débit (7) pompe de recirculation (8) échangeur
(9) pompe d'évacuation des boues
(10) support pour l'accrochage des bactéries
(1 1 ) Conduite ou liaison pour l'évacuation des boues (12) Conduite ou liaison pour l'évacuation du biogaz
(13) Conduite ou liaison pour l'évacuation d'effluent. Cette conduite est le trop plein des cuves, c'est par cette conduite que l'effluent sort des cuves après épuration.
(14) Conduite ou liaison pour l'effluent: Cette conduite est la conduite d'alimentation des cuves en effluent frais (non encore épuré). Cet effluent va être épuré dans les cuves avant de ressortir épuré par la conduite 13.
(15) sens de circulation ou de recirculation du liquide dans les cuves
La figure 4 représente une installation de base, d'autres configurations sont possibles en gardant le même principe d'isolement par le bas et de mise en déséquilibre des niveaux des cuves via une pompe de recirculation puis lavage par l'ouverture d'une ou plusieurs vannes d'isolement.
La première cuve 1 contient les quatre zones spécifiques au FAD. Elle est isolée thermiquement si la température doit être maintenue à une certaine valeur. Son volume total est fonction de la quantité d'effluent à traiter et du pourcentage d'épuration voulu. - La seconde cuve 2 peut être similaire à la première ou pas, d'autres cuves peuvent être reliées à la première et/ou à la seconde.
La conduite de connexion des cuves du bas 3 a un diamètre suffisant pour permettre une vitesse de recirculation optimum lors de l'ouverture de la vanne d'isolement. De préférence la vitesse de recirculation est comprise entre 100 mm/s et 1 m/sec, par exemple pour la biométhanisation.
La conduite de connexion des cuves du haut 4 a un diamètre suffisant pour permettre l'équilibre des pressions de gaz lors des variations de niveaux des cuves 1 , 2, elle sert au si de trop plein d'une cuve vers l'autre.
La vanne d'isolement 5 permet d'isoler les cuves pour permettre leur mise en déséquilibre de niveaux. C'est la vanne d'isolement 5 qui en s'ouvrant va créer les contraintes hydrodynamique. C'est une vanne ON/OFF ou proportionnelle.
La vanne de réglage du débit 6 permet d'ajuster le débit et par là la vitesse de recirculation.
La pompe de recirculation 7 permet la recirculation du liquide en passant d'une cuve à une autre, elle permet aussi de créer un déséquilibre de niveaux entre les cuves 1 , 2.
Les échangeurs 8 permettent de maintenir le liquide à une température donnée. La pompe d'évacuation 9 des boues permet de vidanger les cuves 1 , 2 périodiquement et d'en évacuer les boues décantées par une conduite d'évacuation 11. Le support 10 pour l'accrochage des bactéries peut être fixe ou mobile. S'il est fixe il peut être orienté ou pas, fait de matières plastiques ou de bois. S'il est mobile, soit de type bioball soit de type bille ou micro-bille faites de matières plastiques ou de type sable ou autres particules. Le support doit présenter le maximum de surface d'accrochage en m2/m3. Les support de type fixe orienté en matière plastiques PVC présentant des rapports de 200m2/m3 ou plus sont particulièrement bien adapté au système FAD pour la biométhanisation.
Tel qu'illustré à la figure 4, le niveau de l'effluent dans la zone de stockage d'effluent peut varier entre un niveau maximale (Hmax) et un niveau minimal (Hmin). Le niveau moyen (Hmoyen) est situé entre le niveau maximal (Hmax) et le niveau minimal (Hmin). Le niveau moyen (Hmoyen) est le niveau du liquide lorsque la vanne d'isolement 5 est ouverte et que le système a atteint l'équilibre des niveaux. Le niveau maximale (Hmax) est le niveau maximale auquel l'effluent peut arriver lorsque la vanne d'isolement 5 est fermée et que la pompe de recirculation 7 crée le déséquilibre hydraulique entre les cuves 1 , 2. Le niveau minimale (Hmin) est le niveau minimale auquel l'effluent peut arriver lorsque la vanne d'isolement 5 est fermée et que la pompe de recirculation 7 crée le déséquilibre hydraulique entre les cuves 1 , 2. Quand les cuves 1 , 2 sont identiques la différence de niveau entre Hmax et Hmoyen est identique à la différence de niveau entre Hmoyen et Hmin.

Claims

Revendications
1. Appareil pour le traitement d'un effluent comprenant au moins deux cuves (1 , 2) reliées entres elles par le haut et/ou par le bas par une ou plusieurs liaisons (3, 4) dans lequel au moins une des dites cuves comprend: une zone de stockage de gaz (a), une zone de traitement (c) de l'effluent contenant un support (10) fixe ou mobile pour l'accrochage des bactéries, une zone de stockage d'un effluent (b), et - une zone de décantation (d).
2. Appareil selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ladite zone de stockage de gaz (a) est située au dessus de ladite zone de traitement de l'effluent (b).
3. Appareil selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'une liaison (4) est prévue entre les zones de stockage de gaz des dites cuves (1 , 2).
4. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'une liaison (3) est prévue entre les zones de décantation des dites cuves (1 , 2).
5. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'une vanne d'isolement (5) est située dans la liaison (3) prévue entre les zones de décantation des dites cuves (1 , 2).
6. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'une vanne de réglage (6) est prévue, qui est de préférence située dans la liaison (3) entre les zones de décantation des dites cuves (1 , 2).
7. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend une conduite pour l'évacuation de boues (1 1 ), ladite conduite (11 ) étant fonctionnellement reliée au bas desdites cuves (1 ,2) et une conduite pour l'évacuation du gaz (12) de l'appareil, ladite conduite (12) étant fonctionnellement reliée au haut desdites cuves (1 , 2).
8. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'appareil comprend une pompe de recirculation (7), et/ou une pompe d'évacuation (9) et/ou au moins un échangeur de chaleur (8).
9. Procédé de lavage d'un appareil pour le traitement d'un effluent selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant la création périodique de contraintes hydrodynamiques selon les étapes suivantes : isoler les cuves (1 , 2) par le bas permettant ainsi d'obtenir un volume d'effluent dans la zone de stockage de l'effluent (b) dudit appareil, créer une différence de niveau d'effluent dans lesdites cuves (1 , 2), et - libérer en quelques secondes ledit volume d'effluent.
10. Procédé selon la revendication 9 comprenant les étapes suivantes : obtenir un volume d'effluent dans la zone de stockage de l'effluent dudit appareil, en fermant une vanne d'isolement des cuves, ladite vanne étant prévue sur la liaison reliant les cuves par les bas afin de fermer la liaison entre lesdites cuves par le bas, - obtenir une différence de niveau d'effluent dans lesdites cuves, de préférence en activant une pompe de recirculation,
- faire recirculer de l'effluent en libérant, de préférence en quelques secondes, ledit volume d'effluent, en ouvrant la vanne d'isolement des cuves jusqu'à obtention de l'équilibre des niveaux d'effluent dans les dites cuves.
1 1. Procédé selon la revendication 9 ou 10, dans lequel le sens (15) de recirculation de l'effluent peut être inversé.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 1 1 , dans lequel le procédé de lavage est répété périodiquement.
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, dans lequel la vitesse de recirculation de l'effluent lors de la période de lavage est comprise entre 0.1 m/s et 10m/s.
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 13, dans lequel le débit de recirculation de l'effluent est compris entre la moitié et le double du volume des deux cuves par heure.
15. Procédé de traitement d'un effluent, de préférence un procédé de traitement utilisant des bactéries anaérobies, et par exemple un procédé de transformation de déchets organique sous forme liquide en gaz, utilisant un appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.
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