PROCEDE ET DISPOSITIF DE PRODUCTION DE BIOMETHANE METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING BIOMETHANE
EN REACTEUR COMPARTIMENTE EN VOIE VISQUEUSE COMPARTIMENT REACTOR IN VISCOUS PATHWAY
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION. TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
La présente invention concerne un procédé et un dispositif de méthanisation multi-compartimenté, en voie visqueuse, de substrats organiques fermentescibles pour la production de biométhane par la recirculation du biogaz enrichi en dihydrogène produit dans les premiers compartiments de fermentation maintenus en température hyperthermophile et thermophile dans les derniers compartiments à ciels de gaz maintenus à des différentes pressions pour réguler le pH et la solubilité des gaz. Le dispositif de brassage ponctuel par du biogaz comprimé détendu à une pression dépendant de la viscosité du substrat en fermentation dans des injecteurs sous des plaques de dérivation intégrés au plancher permet de garder homogène le substrat visqueux. The present invention relates to a method and a device for methanization multi-compartmented, viscous, fermentable organic substrates for the production of biomethane by recirculation of biogas enriched in hydrogen produced in the first fermentation compartments maintained hyperthermophilic temperature and thermophilic in the last gas compartments maintained at different pressures to regulate the pH and solubility of gases. The punctual stirring device with compressed biogas expanded at a pressure depending on the viscosity of the fermenting substrate in injectors under the floor-integrated branch plates makes it possible to keep the viscous substrate homogeneous.
Un apport exogène de dihydrogène augmente le taux de méthane du biométhane et permet sa réinjection dans le réseau de gaz naturel. An exogenous supply of dihydrogen increases the methane content of the biomethane and allows its reinjection into the natural gas network.
ETAT DE LA TECHNIQUE STATE OF THE ART
La méthanisation est un processus microbien complexe. Il implique de nombreux groupes microbiens qui prennent chacun leur part dans le processus de décomposition. Anaerobic digestion is a complex microbial process. It involves many microbial groups that each take part in the decomposition process.
Les principales étapes du processus sont l'hydrolyse, l'activité fermentaire, l'acétogénèse et la méthanogènèse. The main stages of the process are hydrolysis, fermentation activity, acetogenesis and methanogenesis.
L'hydrolyse est un processus extracellulaire dans lequel des substances organiques faites de molécules complexes (polysaccharides, cellulose, lipides, protéines.) sont décomposées en composés simples solubles (acides aminés, sucres simples, acides gras, glycé. Hydrolysis is an extracellular process in which organic substances made of complex molecules (polysaccharides, cellulose, lipids, proteins.) Are broken down into simple soluble compounds (amino acids, simple sugars, fatty acids, glycerol.
La voie fermentaire ou acidogénèse métabolise les substrats en des produits de fermentation différents. Les niveaux de concentrations de dihydrogène dissous associés au pH et à la température orientent la voie métabolique dominante, le type d'acides gras volatils, le lactate, l'éthanol etc. The fermentation pathway or acidogenesis metabolizes the substrates into different fermentation products. PH- and temperature-related dissolved dihydrogen levels guide the dominant metabolic pathway, type of volatile fatty acids, lactate, ethanol, and so on.
La voie acétogéne transforme les métabolites issus de la phase acidogéne par les bactéries acétogéne. A bas pH on favorise la production d'acétate et de butyrate et de dihydrogène, ainsi que la production d'éthanol. The acetogenous route converts the metabolites derived from the acidogenic phase by acetogenic bacteria. At low pH the production of acetate and butyrate and dihydrogen is favored, as is the production of ethanol.
L'hydrogène doit être évacué ou consommé par des bactéries homoacétogène pour produire de l'acétate ou par des bactéries hydrogénophile réduisant le dioxyde de carbone par le dihydrogène ou dégazé dans le ciel de gaz. The hydrogen must be evacuated or consumed by homoacetogenic bacteria to produce acetate or by hydrogenophilic bacteria reducing carbon dioxide by dihydrogen or degassed in the gas sky.
L'étape d'acétogénèse est réalisée par deux familles de bactéries : The acetogenesis step is carried out by two families of bacteria:
- Les bactéries acétogènes productrices obligées d'hydrogène capable de produire de l'acétate et de l'hydrogène à partir des métabolites issus de l'acidogénèse. Selon le type
d'acide, la température et la pression partielle d'hydrogène, les temps de multiplications de ces bactéries sont plus ou moins longs. Acidogenic producing hydrogen-producing bacteria capable of producing acetate and hydrogen from metabolites derived from acidogenesis. According to the type of acid, the temperature and the partial pressure of hydrogen, the multiplication times of these bacteria are more or less long.
- Les bactéries homoacétogènes ou bactéries acétogènes non syntrophes. - Homoacetogenic bacteria or non-syntrophic acetogenic bacteria.
Le métabolisme de ces bactéries est majoritairement orienté vers la production d'acétate. Elles peuvent agir comme partenaires des hydrogénotrophes. Un premier groupe produirait de l'acétate, du butyrate à partir de composés simples. Le second groupe utilise l'hydrogène et le dioxyde de carbone pour produire de l'acétate. The metabolism of these bacteria is mainly oriented towards the production of acetate. They can act as partners of hydrogenotrophs. A first group would produce acetate, butyrate from simple compounds. The second group uses hydrogen and carbon dioxide to produce acetate.
La méthanogénèse consiste à transformer l'acétate, l'hydrogène et le dioxyde de carbone en méthane. Ils existent deux voies principales faisant appel à des méthanogènes strictes ou archées méthanogènes : Methanogenesis involves converting acetate, hydrogen and carbon dioxide to methane. There exist two principal ways using methanogens strict or arched methanogens:
- Les méthanogènes acétoclastes: acétate + H2—► C02 + CH4. Methanogens acetoclasts: acetate + H2-►CO2 + CH4.
- Les méthanogènes hydrogénophiles: C02 + 4 H2—► H20+ CH4. Hydrogenophilic methanogens: CO 2 + 4H 2 -> H 2 O + CH 4.
Au regard de ces deux voies, on voit tout l'intérêt d'orienter le processus de fermentation vers la voie hydrogénotrophes qui produit directement du méthane sans dioxyde de carbone. In view of these two routes, we see all the interest of directing the fermentation process to the hydrogenotrophic pathway that directly produces methane without carbon dioxide.
Lors de l'étape d'hydrolyse et d'acidogénèse, un pH acide est recherché dans la mesure où il favorise la production de dihydrogène et limite l'augmentation du pH de l'étape suivante de l'acétogénèse. Dans les compartiments réservés à la méthanogénèse un pH trop basique, à parir de 7,5 ralentit la cinétique de dégradation et la vitesse de croissance des bactéries. Un pH basique favorise également la production d'ammoniac, gaz inhibiteur de l'activité des méthanogènes. During the hydrolysis and acidogenesis step, an acidic pH is sought insofar as it promotes the production of dihydrogen and limits the increase in pH of the next step of acetogenesis. In the compartments reserved for methanogenesis, a pH that is too basic, starting from 7.5, slows down the kinetics of degradation and the growth rate of the bacteria. A basic pH also favors the production of ammonia, a gas which inhibits the activity of methanogens.
Le cheminement de la matière en fermentation en mode piston ou semi-piston jusqu'à son extraction du fermenteur permet de respecter les étapes de la méthanisation et de tendre vers un fonctionnement plus optimisé de chaque étape de la méthanisation. The flow of fermentation material in piston or semi-piston mode until its extraction from the fermentor makes it possible to respect the steps of the anaerobic digestion and to tend towards a more optimized operation of each stage of the methanation.
Dans un système de méthanisation composé de plusieurs phases, notamment d'une phase réservée à l'hydrolyse et à l'acidogénèse en température hyperthermophile et plusieurs phases réservées à l'acétogénèse et à la méthanogénèse, en température thermophile, la cinétique de dégradation sur l'ensemble des phases est fortement améliorée. Cependant le gaz produit au cours de la phase d'hydrolyse et d'acidogénèse contient essentiellement du dioxyde de carbone avec un taux de méthane faible. Ceci pénalise la qualité du biogaz produit sur l'ensemble des phases avec un taux de méthane de l'ordre de 50 à 55% seulement. Ce taux variant selon la nature du substrat. In a methanization system composed of several phases, including a phase reserved for hydrolysis and acidogenesis in hyperthermophilic temperature and several phases reserved for acetogenesis and methanogenesis, thermophilic temperature, the kinetics of degradation on all phases are greatly improved. However, the gas produced during the hydrolysis and acidogenesis phase essentially contains carbon dioxide with a low methane level. This penalizes the quality of the biogas produced on all phases with a methane level of the order of 50 to 55% only. This rate varies according to the nature of the substrate.
L'augmentation du temps de séjour hydraulique a tendance à augmenter le pH et à majorer le taux de CH4 du biogaz. Ceci s'accompagne d'une diminution de la cinétique de dégradation du substrat et la production de gaz inhibiteurs tels que l'ammoniac. The increase in the hydraulic residence time tends to increase the pH and to increase the rate of CH4 of the biogas. This is accompanied by a decrease in the degradation kinetics of the substrate and the production of inhibiting gases such as ammonia.
On parle de méthanisation en voie liquide ou en voie sèche. La voie liquide est caractérisée par le caractère facilement pompable des substrats.
Le brassage est soit mécanique ou par la force du gaz injecté grâce à un surpresseur de gaz. Les cuves de fermentation sont ainsi infiniment mélangées. Les temps de séjours de la matière sont alors aléatoires. Les effluents liquides résiduels en fin de fermentation sont importants. La dilution des déchets pour fonctionner à des valeurs de moins de 8% de matière sèche, par exemple, engendre des séparations de phase entre les fibres et le liquide. Ce manque de matière sèche nécessite un brassage quasi continu pour éviter la séparation de phase. C'est aussi un facteur limitant de la fermentation par manque de support pour les bactéries. We are talking about anaerobic digestion in liquid or in the dry route. The liquid pathway is characterized by the easily pumpable nature of the substrates. The mixing is either mechanical or by the force of the gas injected through a gas booster. The fermentation tanks are thus infinitely mixed. The dwell times of the material are then random. Residual liquid effluents at the end of fermentation are important. Dilution of waste to operate at values of less than 8% dry matter, for example, gives rise to phase separations between the fibers and the liquid. This lack of dry matter requires almost continuous mixing to avoid phase separation. It is also a limiting factor of fermentation due to lack of support for bacteria.
Le terme de « voie sèche », couramment utilisé, est à notre sens, inapproprié car la matière même très épaisse avec un taux de matière sèche élevé comporte une partie humide, présente dans les cellules de la matière à fermenter. L'eau liée est rapidement libérée par l'activité enzymatique et l'élévation de la température du milieu. Cette partie liquide, extérieure à la structure solide du substrat, est nécessaire aux échanges de métabolites qui se dissolvent dans le liquide pour être accessible aux bactéries. The term "dry route", commonly used, is in our view inappropriate because the very thick material with a high dry matter content has a wet part, present in the cells of the material to be fermented. The bound water is rapidly released by the enzymatic activity and the rise of the temperature of the medium. This liquid part, external to the solid structure of the substrate, is necessary for the exchange of metabolites that dissolve in the liquid to be accessible to bacteria.
Avant l'entrer dans le fermenteur la matière se présente sous une forme solide qui ne s'écoule pas, seul un jus liquide peut éventuellement s'extraire de la masse et couler. On a à faire à un fluide non newtonien élastique et visqueux proche du seuil de cisaillement que l'on peut caractériser comme un fluide à seuil. Before entering the fermentor the material is in a solid form that does not flow, only a liquid juice can possibly get out of the mass and flow. We have to deal with an elastic and viscous non-Newtonian fluid close to the shear threshold that can be characterized as a threshold fluid.
Lorsque le substrat est trop solide - par exemple plus de 20% de matière sèche pour un fumier ou plus de 25% de matière sèche pour la partie fermentescible des déchets ménagers, il convient de le diluer légèrement avec un effluent liquide, de l'eau ou un liquide provenant du traitement aval du digestat. Ce liquide est recueilli par pressage, ou par évaporation avec production de distillât liquide ou autres procédés de séparation de la phase solide de la phase liquide. When the substrate is too solid - for example more than 20% dry matter for a manure or more than 25% dry matter for the fermentable part of the household waste, it should be diluted slightly with a liquid effluent, water or a liquid from the downstream processing of the digestate. This liquid is collected by pressing, or by evaporation with production of liquid distillate or other methods of separating the solid phase from the liquid phase.
L'agitation d'un substrat épais est nécessaire à l'écoulements du substrat. Elle permet d'éviter la séparation de phase. Agitation of a thick substrate is necessary for the flow of the substrate. It avoids phase separation.
Mais la méthanisation en voie sèche ou voie visqueuse se heurte aux difficultés de mélanger une matière proche des seuils de non écoulement. Cela demande une puissance de brassage trop importante pour mélanger une matière visqueuse sur l'ensemble de l'enceinte de fermentation. C'est ce qui justifie de subdiviser le fermenteur en secteur d'agitation pour pouvoir appliquer une puissance d'agitation inférieure à chaque secteur du fermenteur. But the methanization in dry or viscous way faces the difficulties of mixing a material close to the non-flow thresholds. This requires too much mixing power to mix a viscous material on the whole of the fermentation enclosure. This justifies dividing the fermenter into a stirring zone in order to be able to apply a lower stirring power to each sector of the fermenter.
On constate, dans l'art antérieur, les limites du brassage d'une matière épaisse et des écoulements de celle-ci, avec une incidence forte sur les processus de fermentation. On connaît soit des procédés d'agitation mécanique de la matière avec des pâles mobiles, des vis sans fin, des cylindres mobiles ou des procédés qui utilisent le biogaz comprimé pour brasser la matière.
Le brassage au gaz présente des avantages qui sont de pouvoir injecter du gaz sous pression dans différents secteurs d'une enceinte de fermentation subdivisée en autant de secteurs qu'il le faut afin de brasser et homogénéiser des volumes de matière importants. Cependant l'homogénéisation par l'injection de gaz comprimé détendu successivement dans chaque secteur présente des limites. In the prior art, the limits of the stirring of a thick material and the flows thereof, with a strong influence on the fermentation processes, are noted. Methods for mechanical agitation of the material with moving blades, worms, moving rolls or processes using compressed biogas to stir the material are known. Gas brewing has the advantages of being able to inject pressurized gas into different sectors of a fermentation enclosure subdivided into as many sectors as necessary in order to mix and homogenize large volumes of material. However homogenization by the injection of compressed gas successively relaxed in each sector has limitations.
L'agitation par du gaz doit être suffisamment puissante pour brasser une matière épaisse dans un volume et un secteur déterminé. La principale difficulté est d'agiter une matière épaisse de bas en haut sur la hauteur du substrat de remplissage et sur un large secteur de matière. En effet la particularité d'un flux gazeux, partant forcément d'un point bas, est de s'élargir dans son ascension et de laisser par conséquent la partie la plus basse de la matière à brasser en dehors du mouvement d'agitation. Stirring with gas must be sufficiently powerful to stir a thick material in a volume and a determined sector. The main difficulty is to agitate a thick material from bottom to top over the height of the filler substrate and over a wide area of material. Indeed the peculiarity of a gas flow, necessarily from a low point, is to widen in its ascent and therefore leave the lowest part of the material to be stirred outside the stirring motion.
Ceci engendre des zones non agitées en partie basse des flux gazeux et peu à peu des tassements de matière inertes. Ce phénomène est plus particulièrement présent sur la périphérie des fermenteurs à cause de la perte de charge due aux frottements de la matière se heurtant aux parois. On rencontre ainsi sur le fond des fermenteurs et sur les parois, sur une épaisseur plus ou moins importante, des sédiments d'éléments de plus forte densité. Le contact solide-liquide absolument nécessaire à l'activité bactérienne est rendu difficile dans les zones faiblement brassées, ce qui perturbe les échanges et les équilibres bactériens. This generates unstirred zones in the lower part of the gas flows and gradually settlements of inert material. This phenomenon is more particularly present on the periphery of the fermenters because of the loss of load due to the friction of the material striking the walls. Thus, on the bottom of fermentors and on the walls, on a greater or lesser thickness, sediments of elements of higher density are encountered. The solid-liquid contact absolutely necessary for the bacterial activity is made difficult in the weakly brewed zones, which disturbs the exchanges and the bacterial balances.
L'agitation a un autre impact qui est souvent sous-estimé. Elle permet la désorption ou dégazage de certains métabolites tels que le dioxyde de carbone, l'ammoniac et l'hydrogène sulfuré. Agitation has another impact that is often underestimated. It allows the desorption or degassing of certain metabolites such as carbon dioxide, ammonia and hydrogen sulphide.
En modifiant la pression totale et la pression partielle de chaque composant du gaz dans le ciel de gaz on agit sur la solubilité de ces éléments. By modifying the total pressure and the partial pressure of each gas component in the gas sky, the solubility of these elements is affected.
Par exemple en modifiant la solubilité du dioxyde de carbone on modifie l'équilibre acido-basique. For example, by modifying the solubility of the carbon dioxide, the acid-base balance is modified.
L'intérêt de la sectorisation pour la biochimie et la mécanique des fluides des fermenteur est donc évident. The interest of sectorization for the biochemistry and fluid mechanics of fermenters is obvious.
L'effet de la température sur la cinétique de dégradation de la matière est bien connu. Cette température peut être en mésophile, 38°C environ, thermophile, 55°C environ, ou hyperthermophile, entre 65 et 72°C par exemple. Plus la température est élevée et plus l'hydrolyse de la matière est rapide. Une première étape en température hyperthermophile favorise la solubilité du substrat. Elle s'accompagne d'une production d'acides gras volatils, ce qui engendre une diminution du pH. Mais elle est incompatible avec l'activité des bactéries acétogène et méthanogène. La production de méthane s'effectue essentiellement à des températures de type mésophile ou thermophile. En hyperthermophile il y a éradication du développement des bactéries méthanogène. D'où l'importance de la
compartimentation des fermenteurs pouvant fonctionner à des régimes de température différents. The effect of temperature on the degradation kinetics of the material is well known. This temperature can be mesophilic, about 38 ° C, thermophilic, about 55 ° C, or hyperthermophilic, between 65 and 72 ° C for example. The higher the temperature, the faster the hydrolysis of the material. A first step in hyperthermophilic temperature promotes the solubility of the substrate. It is accompanied by a production of volatile fatty acids, which causes a decrease in pH. But it is incompatible with the activity of acetogenic and methanogenic bacteria. The production of methane is essentially at mesophilic or thermophilic type temperatures. In hyperthermophile there is eradication of the development of methanogenic bacteria. Hence the importance of compartmentalization of fermenters that can operate at different temperature regimes.
Dans un fermenteur en continu et en voie dite sèche on constate des limites dans la phase d'hydrolyse, phase où le substrat en fermentation est peu hydrolysé, ce qui lui donne une viscosité plus élevée à un taux de matière sèche donné. Cela conduit à limiter la diffusivité des éléments dans un milieu pauvre en eau. L'eau libre dissous les nutriments et assure leur diffusion aux sites bactériens. In a continuous fermentor and so-called dry process there are limits in the hydrolysis phase, phase in which the fermenting substrate is poorly hydrolyzed, which gives it a higher viscosity at a given solids content. This leads to limiting the diffusivity of the elements in a water-poor environment. The open water dissolves the nutrients and ensures their diffusion to the bacterial sites.
Mais par ailleurs nous savons qu'un taux de matière sèche faible engendre une séparation de phase rapide. Il faut donc agiter de manière quasi-permanente le milieu, ce qui engendre le dégazage quasi-constant du substrat, notamment le dégazage du dioxyde de carbone qui participe au processus de production du biogaz par la voie hydrogénotrophe. But we also know that a low dry matter content causes rapid phase separation. It is therefore necessary to agitate the medium almost permanently, which generates the quasi-constant degassing of the substrate, in particular the degassing of carbon dioxide, which participates in the process of producing the biogas by the hydrogenotrophic route.
Pour dépasser ces aspects, soit on réduit le taux de matière sèche dans le 1 ° compartiment à des taux largement en dessous de 20% de matière sèche, taux variable selon la nature des substrats, soit on intègre deux phases hydrauliques, en diminuant le taux de matière sèche dans le premier compartiment bien en dessous du seuil de non écoulement, mais au-dessus du seuil de séparation de phase rapide. Puis on reconcentre le substrat qui s'est hydrolysé durant la phase d'hydrolyse et d'acidogénèse. To overcome these aspects, either the level of dry matter in the first compartment is reduced to levels largely below 20% dry matter, variable rate depending on the nature of the substrates, or two hydraulic phases are integrated, reducing the rate of dry matter in the first compartment well below the non-flow threshold, but above the fast phase separation threshold. The substrate which has hydrolyzed during the hydrolysis and acidogenesis phase is then reconcentrated.
La re concentration engendre un liquide issu de l'acidogénèse qui peut être avantageusement utilisé pour diluer le substrat entrant et diminuer le pH de la phase d'acidogénèse. The re concentration generates a liquid from acidogenesis which can be advantageously used to dilute the incoming substrate and reduce the pH of the acidogenesis phase.
Nous savons qu'un pH acide autour de 5,5 en fermentation hyperthermophile, voir thermophile favorise la production de dihydrogène qui pourra avantageusement favoriser la méthanisation hydrogénotrophe si on recycle le gaz dans le processus de méthanogénèse. Nous savons également que la viscosité d'un substrat diminue avec l'augmentation de la température et la diminution du pH. We know that an acid pH around 5.5 in hyperthermophilic fermentation, see thermophilic favors the production of dihydrogen which can advantageously favor the hydrogenotrophic methanization if the gas is recycled in the process of methanogenesis. We also know that the viscosity of a substrate decreases with increasing temperature and decreasing pH.
La prise en considération de la pression partielle agissant sur la solubilité des gaz est essentielle au pilotage des équilibres de la fermentation. The consideration of the partial pressure acting on the solubility of the gases is essential to control the equilibrium of the fermentation.
Cet équilibre dépend notamment : This balance depends in particular:
- Des échanges biochimiques entre la phase aqueuse et la phase solide grâce à l'eau libre permettant la dissolution et la solubilisation des métabolites introduits. La viscosité ne doit pas être trop élevée afin de ne pas réduire la diffusivité enzymatique et thermique. - Biochemical exchanges between the aqueous phase and the solid phase thanks to the free water allowing dissolution and solubilization of the metabolites introduced. The viscosity should not be too high so as not to reduce enzymatic and thermal diffusivity.
- Du maintien d'un milieu homogène liquide solide favorables aux échanges biochimiques. Le maintien de l'homogénéité nécessite une viscosité du milieu de fermentation suffisamment élevée pour minimiser la vitesse de séparation de phase entre la phase liquide et la phase solide. - The maintenance of a liquid solid homogeneous medium favorable to biochemical exchanges. Maintaining homogeneity requires a sufficiently high viscosity of the fermentation medium to minimize the rate of phase separation between the liquid phase and the solid phase.
- De la régulation du pH dans une plage favorable à l'activité méthanogène entre 6,8 et 7,3 par exemple par la dissolution du dioxyde de carbone dans le substrat de fermentation.
Nous savons que le pH du milieu diminue par l'augmentation du dioxyde de carbone soluble. A titre indicatif, dans de l'eau, quand on double la pression partielle du dioxyde de carbone au- dessus de l'eau, on constate une décroissance du pH de l'ordre de 0,3 unités.- pH regulation in a range favorable to the methanogenic activity between 6.8 and 7.3 for example by the dissolution of carbon dioxide in the fermentation substrate. We know that the pH of the medium decreases by the increase of soluble carbon dioxide. As an indication, in water, when the partial pressure of carbon dioxide is doubled above water, there is a decrease in pH of the order of 0.3 units.
- De la transformation du dioxyde de carbone, en fonction du pH, de la température et de la pression partielle en acide carbonique, hydrogénocarbonate et carbonate. La régulation du pH doit permettre de maintenir le système dans une plage de pH favorable à l'activité bactérienne et d'éviter la forme carbonate qui précipite. - The conversion of carbon dioxide, depending on the pH, the temperature and the partial pressure in carbonic acid, hydrogen carbonate and carbonate. The pH regulation should maintain the system in a pH range favorable to bacterial activity and avoid the carbonate form that precipitates.
- De l'évacuation de l'azote minéralisé et des sels produits. Leur concentration progressive engendre une augmentation du pH qui s'accompagne notamment de la formation d'ammoniac à pH basique, élément toxique des méthanogènes. - The evacuation of the mineralized nitrogen and salts produced. Their gradual concentration leads to an increase in pH, which is accompanied by the formation of ammonia at basic pH, a toxic element of methanogens.
- Du pilotage du transfert de substrat d'un compartiment à l'autre compatible au maintien des équilibres biochimiques et des étapes de la méthanisation - Piloting the transfer of substrate from one compartment to another compatible with the maintenance of biochemical equilibrium and the steps of anaerobic digestion
Dans l'idéal, un bon système de méthanisation en continu en matière épaisse ou visqueuse serait d'avoir un fermenteur indépendant pour chacune des étapes que sont l'hydrolyse, l'acidogénèse, l'acétogénèse et la méthanogénèse. Cette dernière étape est avantageusement maîtrisée en deux étapes. Ideally, a good continuous methanization system in thick or viscous material would be to have an independent fermenter for each of the steps that are hydrolysis, acidogenesis, acetogenesis and methanogenesis. This last step is advantageously controlled in two steps.
Les cuves seraient reliées entre elles par un système de transfert. Chaque cuve pourrait avoir un volume correspondant au temps de séjour hydraulique optimum qui est fonction du substrat et des équilibres biochimiques spécifiques à chacune des étapes. The tanks would be interconnected by a transfer system. Each tank could have a volume corresponding to the optimum hydraulic residence time which is a function of the substrate and biochemical equilibrium specific to each step.
Ce système doit également permettre de maîtriser les interactions entre les dispositifs physiques reliés à la mécanique des fluides et à la rhéologie et la biochimie de la fermentation induisant la sélectivité et le développement des populations bactériennes les plus adaptées. This system must also make it possible to control the interactions between physical devices related to fluid mechanics and the rheology and biochemistry of fermentation inducing the selectivity and development of the most adapted bacterial populations.
On connaît la technologie d'injection du biogaz en fond de cuves développé dans les années 80 par la société Valorga créée par l'inventeur de la présente demande de brevet, technologie aujourd'hui dans le domaine public. We know the biogas injection technology in the bottom of tanks developed in the 80s by the company Valorga created by the inventor of the present patent application, technology today in the public domain.
Pour un fermenteur de 3000 m3, par exemple, on a ainsi 12 secteurs d'agitation agitées successivement. Le système consiste à comprimer le gaz par un compresseur de faible puissance pendant huit minutes par exemple le biogaz dans un caisson de 20 m3 par exemple à plusieurs bars, 7 bars par exemple, pour le détendre par intermittence en quelques secondes de 7 à 5 bars par exemple, soit 40 m3 détendus en 8 secondes par exemple. Ce qui engendre un flux vertical très puissant de biogaz de bas en haut et une vitesse d'injection du gaz importante de 5 m3 par seconde par exemple dans un secteur d'agitation d'une surface de l'ordre de 22 m2 recevant le gaz sous pression par trente injecteurs répartis sur la surface du secteur sur le fond de cuve Cette technologie nécessite une structure en génie civil particulièrement importante pour accéder aux conduits de gaz débouchant au fond de la cuve de fermentation. Des galeries situées sous le fermenteur sont nécessaires pour accéder aux injecteurs qui débouchent en fond de cuve. Ces
conduits d'injection du gaz sous pression sont forcément étroits pour éviter les reflux de matière dans la tuyauterie de gaz, ce qui engendre un jet de gaz étroit, ascendant, limitant l'impact sur le brassage d'une matière épaisse, ce qui peut favoriser la sédimentation sur le plancher des éléments lourds tels que cailloux ou verres et entraîner, selon la qualité des substrats et dans le temps, des volumes de matière sédimentées qui entravent le bon fonctionnement de ce type de système. For a 3000 m3 fermenter, for example, there are thus 12 agitating sectors agitated successively. The system consists of compressing the gas by a low-power compressor for eight minutes, for example biogas in a 20 m3 box, for example, several bars, 7 bars for example, to relax it intermittently in a few seconds from 7 to 5 bars. for example, 40 m3 relaxed in 8 seconds for example. This generates a very powerful vertical flow of biogas from bottom to top and a high gas injection rate of 5 m3 per second, for example in a stirring sector of an area of the order of 22 m2 receiving the gas. under pressure by thirty injectors distributed on the surface of the sector on the bottom of the tank This technology requires a particularly important civil engineering structure to access the gas pipes leading to the bottom of the fermentation tank. Galleries located under the fermenter are necessary to access the injectors that open at the bottom of the tank. These pressurized gas injection ducts are necessarily narrow to prevent backflow of material into the gas piping, resulting in a narrow, ascending gas jet, limiting the impact on the stirring of a thick material, which can to favor the sedimentation on the floor of heavy elements such as pebbles or glasses and to cause, depending on the quality of the substrates and in time, volumes of sedimented matter which hinder the good functioning of this type of system.
Nous connaissons les limites du système ARKOMETHA développé par la société ARKOLIA ENERGIES, système créé par l'inventeur de la présente demande de brevet. La matière, après une éventuelle dilution avant d'entrer dans le fermenteur, est introduite par un dispositif d'introduction tel que vis sans fin, dans le fermenteur pour être mélangée avec la matière en fermentation dans le premier secteur du premier compartiment, fonctionnant à un niveau de température de préférence hyperthermophile (65°C à 72°C). Le brassage d'une matière très épaisse se mélangeant avec une matière déjà présente dans la première partie du fermenteur et ayant subi une hydrolyse thermo-enzymatique est utile au procédé. La viscosité de la matière se modifie sous l'influence de l'hydrolyse thermo-enzymatique (conjonction de la température et de l'action enzymatique des bactéries). We know the limits of the ARKOMETHA system developed by ARKOLIA ENERGIES, a system created by the inventor of the present patent application. The material, after any dilution before entering the fermenter, is introduced by an introduction device such as worm into the fermenter to be mixed with the fermenting material in the first sector of the first compartment, operating at a temperature level preferably hyperthermophilic (65 ° C to 72 ° C). The mixing of a very thick material mixing with a material already present in the first part of the fermenter and having undergone thermo-enzymatic hydrolysis is useful to the process. The viscosity of the material changes under the influence of thermo-enzymatic hydrolysis (conjunction of temperature and enzymatic action of bacteria).
Mais une viscosité trop proche des seuils de non écoulements ne favorise pas : But a viscosity too close to the non-flow thresholds does not favor:
- La diffusivité enzymatique d'une part et la production d'acides gras volatils qui ont besoin d'un liquide de dilution suffisant. - The enzymatic diffusivity on the one hand and the production of volatile fatty acids which need a sufficient dilution liquid.
- L'obtention d'un substrat homogène à la sortie de l'hydrolyse et de l'acidogénèse. - Obtaining a homogeneous substrate at the exit of hydrolysis and acidogenesis.
- Un écoulement homogène du substrat lors du transfert dans le compartiment d'acétogénèse. - A homogeneous flow of the substrate during transfer to the acetogenesis compartment.
Le système de brassage du système ARKOMETHA, proche du système Valorga, aujourd'hui tombé dans le domaine public, est à considérer. Il repose sur des cheminées réparties sur l'ensemble du fermenteur. Plusieurs cheminées sont activées en même temps et constituent un secteur d'agitation. Chaque compartiment du fermenteur est composé de plusieurs secteurs d'agitation. Du biogaz comprimé est injecté dans les cheminées. Chaque cheminée part au-dessus du plafond pour déboucher prêt du plancher. L'injection de gaz sous pression débouche près du plancher pour remonter grâce au différentiel de densité, créant ainsi un mouvement de brassage du substrat en fermentation puissant. The mixing system ARKOMETHA system, close to the Valorga system, now in the public domain, is to be considered. It rests on chimneys spread over the whole fermenter. Several chimneys are activated at the same time and constitute a sector of agitation. Each compartment of the fermenter is composed of several areas of agitation. Compressed biogas is injected into the chimneys. Each chimney leaves above the ceiling to open out of the floor. The injection of pressurized gas opens near the floor to go up thanks to the density differential, thus creating a stirring movement of the substrate in powerful fermentation.
La hauteur entre le plancher et la surface du substrat en fermentation est importante selon la taille des fermenteurs. Celle-ci est au moins de 6 mètres et le plus souvent supérieure à 8 mètres. Les bulles de gaz débouchant sur le plancher sont plus petites du fait de la pression. Elles s'élargissent au cours de l'ascension engendrant ainsi un cône de gaz beaucoup plus large près de la surface qu'au fond du fermenteur à l'embouchure de chaque cheminée.
L'embouchure de ces cheminées de faible dimension, 3 à 4 cm de diamètre par exemple, laisse passer le gaz sous pression qui s'écrase sur le plancher pour remonter rapidement dans la masse en fermentation, créant ainsi un mouvement convectif autour du flux de gaz ascensionnel. Le cône de gaz s'élargissant sur le plancher reste limité. The height between the floor and the surface of the fermenting substrate is important depending on the size of the fermenters. This is at least 6 meters and most often greater than 8 meters. The gas bubbles leading to the floor are smaller because of the pressure. They widen during the ascent thus generating a much larger gas cone near the surface than at the bottom of the fermenter at the mouth of each chimney. The mouth of these small chimneys, 3 to 4 cm in diameter, for example, lets the pressurized gas which collapses on the floor to go up quickly in the mass in fermentation, thus creating a convective movement around the flow of ascension gas. The cone of gas widening on the floor remains limited.
L'ancrage des cheminées nécessite des dispositifs particuliers. Les cheminées partant du toit et traversant la matière nécessite tout un réseau de tuyauterie de distribution du gaz sur le toit du fermenteur pour amener le gaz sous pression dans les nombreuses cheminées. Une cheminée pour 12 m2 de plancher, soit de l'ordre 25 cheminées pour un digesteur de 3000 m3 divisé en 7 secteurs d'agitation par exemple. Le réseau de distribution de ces cheminées et leur ancrage est complexe et onéreux. Les cheminées débouchant au-dessus du substrat de fermentation créent des ponts thermiques qui rendent plus difficile le maintien en température du fermenteur entre 72 et 65°C (température hyperthermophile) et 55°C (température thermophile). Anchoring chimneys requires special devices. Chimneys from the roof and through the material require a network of piping gas distribution on the roof of the fermenter to bring the gas under pressure in the many chimneys. A chimney for 12 m2 of floor, of the order of 25 chimneys for a digester of 3000 m3 divided into 7 sectors of agitation for example. The distribution network of these chimneys and their anchorage is complex and expensive. The chimneys opening above the fermentation substrate create thermal bridges which make it more difficult to keep the fermenter temperature between 72 and 65 ° C (hyperthermophilic temperature) and 55 ° C (thermophilic temperature).
La réduction du dioxyde de carbone par le dihydrogène grâce à l'activité des bactéries hydrogénophile n'est pas nouveau en soi et encore moins inventif. The reduction of carbon dioxide by dihydrogen through the activity of hydrogenophilic bacteria is not new in itself and even less inventive.
Le caractère inventif réside dans les interactions judicieuses du système entre le brassage d'un substrat en fermentation visqueux faisant objet de support bactérien permettant d'éviter les séparation de phase, la nécessité d'avoir un substrat appauvri en matière organique biodégradable pour favoriser l'activité hydrogénophile, les pressions partielle de dioxyde de carbone nécessaires à sa solubilisation dans le substrat en sous-saturation de dioxyde de carbone et la diffusion de dihydrogène par des rampes microporeuse sur le plancher du fermenteur The inventive character lies in the judicious interactions of the system between the stirring of a substrate in viscous fermentation which is the object of bacterial support making it possible to avoid phase separation, the need to have a substrate depleted of biodegradable organic material to favor the Hydrogenophilic activity, the partial pressures of carbon dioxide necessary for its solubilization in the substrate under-saturation of carbon dioxide and the diffusion of dihydrogen by microporous ramps on the floor of the fermenter
Nous insistons sur le fait que le procédé concerne un substrat de fermentation en voie visqueuse. Le taux de matière sèche doit être suffisant pour éviter une séparation de phase rapide entre les fibres dites solides et le liquide qui reste nécessaire à la diffusivité et la dissolution des éléments biodégradable. We insist that the process concerns a viscous fermentation substrate. The solids content must be sufficient to avoid rapid phase separation between the so-called solid fibers and the liquid that remains necessary for the diffusivity and dissolution of the biodegradable elements.
Le substrat à fermenter et en fermentation en voie visqueuse est transféré d'un compartiment à l'autre. Les transferts entre ces compartiments doivent être piloter afin de maintenir les conditions biochimiques et la viscosité du substrats nécessaires, notamment maintenir un pH de préférence à moins de 7,3. The substrate to ferment and ferment viscous is transferred from one compartment to another. The transfers between these compartments must be controlled in order to maintain the biochemical conditions and the viscosity of the substrates necessary, in particular to maintain a pH of preferably less than 7.3.
La compartimentation permet de piloter le pH de l'ensemble du système. Le dihydrogène nécessaire à l'enrichissement du biogaz est produit préférentiellement à un pH autour de 5,5 par la température hyperthermophile dans le compartiment d'hydrolyse et d'acidogénèse. Compartmentalization makes it possible to control the pH of the entire system. The dihydrogen necessary for the enrichment of the biogas is preferentially produced at a pH around 5.5 by the hyperthermophilic temperature in the compartment of hydrolysis and acidogenesis.
La réduction du dioxyde de carbone par le dihydrogène ne peut être effective que si le substrat de solubilisation est homogène et que si le différentiel de solubilité entre le C02 et ΓΗ2 est réduit par le jeu des pressions et par la forme biochimique du dioxyde de carbone dépendant notamment du pH.
Le dioxyde de carbone est dissous sous différentes formes dépendant du pH, de la température et de la pression partielle de celui-ci dans le ciel de gaz. The reduction of carbon dioxide by dihydrogen can be effective only if the solubilization substrate is homogeneous and if the solubility differential between CO 2 and ΓΗ 2 is reduced by the set of pressures and by the biochemical form of the dependent carbon dioxide. in particular pH. Carbon dioxide is dissolved in various forms depending on the pH, temperature and partial pressure of it in the gas sky.
Le dihydrogène pour être solubilisé doit être diffusé dans des rampes de diffusion qui empêche la coalescence du dihydrogène et son évacuation dans le ciel de gaz. Hydrogen to be solubilized must be diffused into diffusion ramps that prevent the coalescence of the hydrogen and its evacuation into the gas sky.
II apparaît comme évident que le système ne peut fonctionner qui si on fait converger l'optimisation des paramètres que sont la viscosité du substrat, les températures de fermentation, le pH dépendant de la pression partielle de dioxyde de carbone permettant de réguler la forme du dioxyde de carbone dissous, notamment sous la forme acide carbonique et hydrogénocarbonate et la solubilisation et la diffusivité du dihydrogène pour réduire le dioxyde de carbone solubilisé. It appears obvious that the system can not work if the convergence of the parameters of the substrate viscosity, the fermentation temperatures, the carbon dioxide partial pressure dependent pH to regulate the form of the dioxide is convergent. of dissolved carbon, especially in the form of carbonic acid and hydrogen carbonate and the solubilization and diffusivity of dihydrogen to reduce solubilized carbon dioxide.
On connaît les technologies d'enrichissement du biogaz par l'injection de dihydrogène dans une technologie composée de deux étapes pour obtenir un biogaz majoré en méthane. Le premier réacteur produit du biogaz, puis on recycle le biogaz produit dans un second réacteur dans lequel on injecte du dihydrogène pour réduire le dioxyde de carbone du biogaz en méthane en favorisant l'activité des bactéries hydrogénophile. Le temps de séjour hydraulique est dans le deuxième réacteur de l'ordre de quinze jours avec une charge organique de de 1 gramme de solide volatile par litre et par jour. La charge organique est faible et le temps de séjour hydraulique est élevé. De tels procédés sont notamment décrit dans les publications scientifiques suivantes : Biogas enrichment technologies are known by the injection of dihydrogen in a two-stage technology to obtain biogas plus methane. The first reactor produces biogas, then the biogas produced is recycled to a second reactor in which dihydrogen is injected to reduce the carbon dioxide of the biogas to methane by promoting the activity of the hydrogenophilic bacteria. The hydraulic residence time is in the second reactor of the order of fifteen days with an organic load of 1 gram of volatile solid per liter per day. The organic load is low and the hydraulic residence time is high. Such methods are described in particular in the following scientific publications:
· « Biogas Upgrading via Hydrogenotropic Methanogenesis in Two Stage Continuous Stirred Tank Reactors at mésophilic et Thermophilic Conditions ». 30 Maria Bassini, Panagiotis G, Kougias, Laura Treu, and Irini Angelidaki. Danemarc. Biogas Upgrading via Hydrogenotropic Methanogenesis in Two Stage Continuous Stirred Tank Reactors at Mesophilic and Thermophilic Conditions. 30 Maria Bassini, Panagiotis G, Kougias, Laura Treu, and Irini Angelidaki. Danemarc.
• « Simultaneous Hydrogen Utilisation and In Situ Biogas Upgrading in an anaerobic Reactor ». Publié le 8 novembre 201 1. Gian Luo, Sara Johanson, Kanokwan Boe, La Xie, Qi Zhou, Irini Angelidaki • "Simultaneous Hydrogen Use and In Situ Biogas Upgrading in an Anaerobic Reactor". Posted on November 8, 201 1. Gian Luo, Sara Johanson, Kanokwan Boe, The Xie, Qi Zhou, Irini Angelidaki
La demande internationale WO 2014/027165 décrit un dispositif de méthanisation continue en voie sèche, comprenant au moins un compartiment, dans lequel au moins une cheminée permet d'injecter du gaz sous pression à proximité du fond du compartiment, afin de brasser la matière située dans ce compartiment. Ce gaz sous pression peut notamment être du biogaz issu de la fermentation de la matière. Les inconvénients de l'injection de gaz dans le compartiment via une cheminée ont été présentés précédemment. The international application WO 2014/027165 describes a continuous methanization device in the dry process, comprising at least one compartment, in which at least one stack makes it possible to inject gas under pressure near the bottom of the compartment, in order to stir the material located in this compartment. This gas under pressure can in particular be biogas resulting from the fermentation of the material. The disadvantages of injecting gas into the compartment via a chimney have been presented previously.
La demande de brevet français FR 2 551 457 décrit un fermenteur permettant de réaliser une méthanogenèse, comprenant des sorties de biogaz ainsi que des conduits de réinjection dudit biogaz dans la cuve de fermentation. Cette réinjection est réalisée par une pluralité de conduits qui débouchent dans le fond de la cuve. Ces conduits sont constitués par des tubes pourvus longitudinalement d'une pluralité d'orifices d'injection.
Dans la recherche d'antériorité on retrouve de nombreux brevets portant sur la 35 méthanation, ou des réacteurs d'électrométhanogène possédant une anode, une cathode et une pluralité de micro-organismes méthanogènes, voir en particulier la demande internationale W02016071 192. French patent application FR 2 551 457 describes a fermenter making it possible to carry out a methanogenesis, comprising biogas outlets as well as reinjection ducts for said biogas in the fermentation tank. This reinjection is performed by a plurality of ducts which open into the bottom of the tank. These conduits consist of tubes provided longitudinally with a plurality of injection orifices. In the prior art search there are numerous patents relating to methanation, or electro-ethane reactors having an anode, a cathode and a plurality of methanogenic microorganisms, see in particular the international application WO2016071192.
On trouve également plusieurs documents brevets dans lesquels, grâce à l'électrolyse de l'eau du substrat de fermentation dans le réacteur, on fournit du dihydrogéne venant réduire le dioxyde de carbone par la mise en contact avec une espèce de microorganismes méthanogène hydrogénotrophe pour produire du méthane. Les demandes internationales W0201 1000084, W02015120983 et W02014154250 sont relatives à ce procédé. There are also several patent documents in which, by the electrolysis of the water of the fermentation substrate in the reactor, is provided dihydrogen reducing the carbon dioxide by contacting with a species of microorganisms hydrogenotrophic methanogen to produce methane. International applications W0201 1000084, WO2015120983 and WO2014154250 relate to this process.
On trouve plusieurs documents brevets qui présentent une simple injection de dihydrogéne dans le réacteur de méthanisation pour améliorer le taux de méthane dans la production de biogaz. There are several patent documents which show a simple injection of dihydrogen into the methanation reactor to improve the methane level in the biogas production.
D'autres documents décrivent des procédés dans lesquels le biogaz et du dihydrogéne sont introduits dans un bioréacteur dédié à cet effet, comme par exemple dans la demande internationale W02014187985. Other documents describe processes in which the biogas and dihydrogen are introduced into a dedicated bioreactor for this purpose, as for example in the international application WO2014187985.
Le procédé et le dispositif améliorent l'économie de la méthanisation de gaz, en particulier dans la production biochimique de méthane à partir de dioxyde de carbone et de dihydrogéne. Il comprend : The method and device improve the economics of gas methanation, particularly in the biochemical production of methane from carbon dioxide and dihydrogen. He understands :
- La préparation d'un réacteur rempli de supports de biofilm sur la surface desquels sont immobilisés des micro-organismes producteurs de méthane. - The preparation of a reactor filled with biofilm supports on the surface of which are immobilized micro-organisms producing methane.
- Le ruissellement d'un liquide à traiter sur les supports de biofilm. Dans ce procédé, on n'est pas en voie visqueuse, mais en voie liquide. - The runoff of a liquid to be treated on the biofilm supports. In this process, it is not viscous, but in liquid way.
- L'introduction dans le réacteur d'un mélange de gaz en choisissant le ratio de mélange de telle façon que la dissolution des substrats gazeux dans le liquide donne un rapport stœchiométrique des substrats gazeux dissous dans le liquide traitement. - The introduction into the reactor of a gas mixture by choosing the mixing ratio so that the dissolution of the gaseous substrates in the liquid gives a stoichiometric ratio of gaseous substrates dissolved in the liquid treatment.
Le dioxyde de carbone est fortement soluble contrairement au dihydrogéne peu soluble. Dans la mise en œuvre de ce procédé, le risque est grand de créer des bulles d'hydrogène qui sont évacuées dans le ciel de gaz. La dissolution des gaz et la forme chimique qu'ils prennent dépend du pH. La maîtrise du pH est nécessaire à l'équilibre acido-basique et à l'évitement d'éléments inhibiteurs. La différence de solubilité fait que le mélange des gaz engendrera forcément un déficit de dihydrogéne important. Carbon dioxide is highly soluble, unlike the poorly soluble dihydrogen. In the implementation of this process, the risk is great to create hydrogen bubbles that are evacuated into the gas sky. The dissolution of gases and the chemical form they take depends on the pH. PH control is necessary for acid-base balance and the avoidance of inhibitory elements. The difference in solubility means that the gas mixture will necessarily generate a significant dihydrogen deficiency.
La réduction du dioxyde de carbone à travers un support ou lit bactérien engendre une augmentation du pH. La régulation du pH passe par la régulation de la solubilisation du dioxyde de carbone. The reduction of carbon dioxide through a support or bacterial bed causes an increase in pH. The regulation of the pH passes by the regulation of the solubilization of the carbon dioxide.
Le procédé concerne des supports de biofilms réalisés sous la forme de disques rotatifs et disposés dans le sens de l'axe longitudinal de la zone cylindrique du réacteur. The method relates to biofilm supports made in the form of rotating disks and arranged in the direction of the longitudinal axis of the cylindrical zone of the reactor.
Ce système n'est applicable que sur un substrat liquide peu chargé en matière dégradable.
En l'état du descriptif le fonctionnement du système n'apparait pas évident. Il n'intègre pas le différentiel de solubilité entre le dioxyde de carbone et le dihydrogène. La solubilité du dioxyde de carbone introduit dépend de sa sous-saturation dans le substrat ou support de fermentation et de la pression partielle de dioxyde de carbone dans le ciel de gaz pour maintenir l'équilibre au fur et à mesure que le dioxyde de carbone soluble est réduit. This system is only applicable on a liquid substrate slightly laden with degradable material. In the state of the description the operation of the system does not appear obvious. It does not integrate the solubility differential between carbon dioxide and dihydrogen. The solubility of the carbon dioxide introduced depends on its undersaturation in the substrate or fermentation support and the partial pressure of carbon dioxide in the gas sky to maintain equilibrium as the soluble carbon dioxide is reduced.
Le substrat doit également apporter l'azote et les oligo-éléments nécessaires au développement et au renouvellement des bactéries. The substrate must also provide the nitrogen and trace elements necessary for the development and renewal of bacteria.
Dans la demande internationale WO 2014/128300, le procédé divulgué repose sur au moins un bioréacteur avec une cuve de réaction adaptée à la croissance, à la fermentation et à la culture de micro-organismes méthanogènes, un dispositif d'alimentation en dihydrogène et dioxyde de carbone et un dispositif de mesure d'azote en phase liquide à l'intérieur de la cuve de réaction. La mesure d'azote est fondamentale. Mais ce procédé reste dans les limites des autres procédés évoqués. In the international application WO 2014/128300, the disclosed method is based on at least one bioreactor with a reaction vessel adapted to the growth, fermentation and culture of methanogenic microorganisms, a feed device for dihydrogen and dioxide of carbon and a device for measuring nitrogen in the liquid phase inside the reaction vessel. Nitrogen measurement is fundamental. But this process remains within the limits of the other processes mentioned.
En effet aucun des procédés ne mentionne le rapport pression partielle de dioxyde de carbone sur la pression totale dans le ciel de gaz et l'importance de la régulation du pH selon l'étape de la fermentation. Dans la première étape de fermentation les conditions physicochimiques et thermodynamiques doivent être favorable à la production de dihydrogène, tandis que dans les autres étapes le substrat support de la réduction du dioxyde de carbone doit avoir un pH proche de la neutralité. Or dans le dernier compartiment, l'essentiel de la matière organique biodégradable a été réduite en méthane, ce qui tend à faire augmenter le pH par la disparition de la matière organique biodégradable et la production d'ammonium. Le pH peut atteindre des valeurs supérieures à huit ce qui engendre la production notamment de NH3, gaz inhibiteur du développement des bactéries méthanogènes. Indeed none of the processes mentions the partial pressure ratio of carbon dioxide on the total pressure in the gas sky and the importance of pH regulation according to the fermentation step. In the first stage of fermentation, the physicochemical and thermodynamic conditions must be favorable for the production of dihydrogen, while in the other stages the support substrate for the reduction of carbon dioxide must have a pH close to neutrality. In the last compartment, most of the biodegradable organic matter has been reduced to methane, which tends to increase the pH by the disappearance of the biodegradable organic matter and the production of ammonium. The pH can reach values higher than eight, which leads to the production of NH3, a gas inhibiting the development of methanogenic bacteria.
Au contraire dans la présente invention, le pH est régulé par la solubilité du C02 et sa transformation chimique en espèces carbonées par l'action de la pression partielle du C02. La régulation du pH par la régulation de la pression partielle de C02 n'est possible à chaque étape que grâce à la compartimentation. La présente invention répond à la complexité du processus par l'assemblage de moyens prenant en considération les interactions entre le pilotage de la biochimie et la mécanique des fluides posant la nécessaire maîtrise de la viscosité des mélanges et de la séparation de phases des éléments constitutifs. In contrast, in the present invention, the pH is regulated by the solubility of CO 2 and its chemical conversion to carbon species by the action of CO 2 partial pressure. The regulation of the pH by the regulation of the CO 2 partial pressure is possible at each stage only thanks to compartmentalisation. The present invention responds to the complexity of the process by assembling means taking into consideration the interactions between the control of biochemistry and the fluid mechanics posing the necessary control of the viscosity of the mixtures and the phase separation of the constituent elements.
OBJET DE L'INVENTION. OBJECT OF THE INVENTION
La présente invention vise à remédier à tout ou partie des inconvénients des dispositifs et procédés de méthanisation préalablement décrits dans l'art antérieur.
La présente invention est relative à un procédé de méthanisation en continu en voie visqueuse dans un fermenteur divisé en compartiments ou cuves de fermentation à ciels de gaz fermés et à pression variable, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes : The present invention aims to remedy all or part of the disadvantages of devices and methanization processes previously described in the prior art. The present invention relates to a continuous methanization process in a viscous manner in a fermenter divided into compartments or fermentation tanks with closed gas skies and variable pressure, characterized in that it comprises the steps of:
D'introduction et de transfert d'une matière épaisse à fermenter, dite substrat, à forte viscosité comportant au moins 12% de matière sèche, dans un premier compartiment maintenu à une température hyperthermophile, de préférence entre 65° et 72°C, puis dans plusieurs compartiments maintenus à une température de préférence thermophile, Introduction and transfer of a material to be fermented, said substrate, with a high viscosity comprising at least 12% of dry matter, in a first compartment maintained at a hyperthermophilic temperature, preferably between 65 ° and 72 ° C., then in several compartments maintained at a temperature preferably thermophilic,
De mélange du substrat en fermentation dans les secteurs d'agitation de chaque compartiment par injection de biogaz comprimé détendu sous des plaques de dérivation fixées au plancher de chaque compartiment, Mixing the fermentation substrate in the stirring sectors of each compartment by compressed biogas injection expanded under branch plates fixed to the floor of each compartment,
De régulation du transfert du substrat en fermentation d'un compartiment à l'autre par l'aspiration créée par le flux de gaz sous pression de part et d'autre de la paroi de séparation des compartiments, et Regulating the transfer of the fermentation substrate from one compartment to another by the suction created by the flow of gas under pressure on either side of the partition wall of the compartments, and
De régulation du pH du premier compartiment destiné à l'hydrolyse et à l'acidogénèse à 5,5 environ, de préférence en température hyperthermophile, pour produire du dihydrogène, Regulating the pH of the first compartment for hydrolysis and acidogenesis to about 5.5, preferably hyperthermophilic temperature, to produce dihydrogen,
D'ajustement de la pression partielle de dioxyde de carbone dans le ciel de gaz fermé des autres compartiments pour contenir le pH, de préférence en dessous de 7,3, Adjusting the partial pressure of carbon dioxide in the closed gas sky of the other compartments to contain the pH, preferably below 7.3,
De recirculation du biogaz contenant du dihydrogène produit dans les premiers compartiments à travers des rampes microporeuse situées sur le plancher dans de préférence dans le dernier compartiment, et Recirculating biogas containing dihydrogen produced in the first compartments through microporous ramps located on the floor preferably in the last compartment, and
Optionnellement, d'introduction de dihydrogène exogène dans le ciel de gaz du dernier compartiment par les rampes microporeuses situées sur le plancher du fermenteur du dernier compartiment pour produire du biométhane à au moins 95% de CH4. Optionally, introduction of exogenous dihydrogen into the last compartment gas sky by the microporous ramps located on the floor of the fermenter of the last compartment to produce at least 95% biomethane CH4.
Selon un aspect de l'invention, dans le procédé mis en œuvre, le mélange du substrat visqueux est effectué en détendant ponctuellement et successivement dans chaque secteur d'agitation un volume de gaz sous une pression déterminée, en fonction de la viscosité mesurée du substrat, dans plusieurs injecteurs de gaz sous des plaques de dérivation intégrées au plancher. According to one aspect of the invention, in the process used, the mixture of the viscous substrate is carried out by punctually and successively relaxing in each stirring sector a volume of gas under a determined pressure, depending on the measured viscosity of the substrate. , in several gas injectors under floor-integrated branch plates.
Selon un autre aspect de l'invention, le procédé comporte la mesure de la viscosité de la matière épaisse en fermentation permettant d'ajuster le débit du gaz d'agitation dans les secteurs de chaque compartiment. According to another aspect of the invention, the method comprises measuring the viscosity of the thick material in fermentation to adjust the flow rate of the stirring gas in the sectors of each compartment.
Selon un autre aspect de l'invention, l'ajustement des débits, de la durée et de la fréquence d'agitation par le gaz comprimé détendu dans chaque secteur d'agitation est réalisé en fonction de la viscosité mesurée. According to another aspect of the invention, the adjustment of the flow rates, the duration and the stirring frequency by the compressed gas expanded in each stirring sector is carried out as a function of the measured viscosity.
Selon une autre mise en œuvre du procédé de l'invention, la mesure de la viscosité est effectuée par la mesure du débit de gaz comprimé dans un caisson à volume et à une pression données détendu dans un secteur d'agitation sur une durée donnée, les valeurs
de viscosité associées aux pressions, durées et débits ayant été, au préalable, prédéterminées et étalonnées par un viscosimètre industriel. According to another implementation of the process of the invention, the measurement of the viscosity is carried out by measuring the flow rate of compressed gas in a caisson at a given volume and pressure pressure in a stirring sector over a given period of time, values of viscosity associated with the pressures, times and flow rates having been previously predetermined and calibrated by an industrial viscometer.
Selon une autre mise en œuvre du procédé de l'invention, la détente du biogaz comprimé est effectuée dans un injecteur de gaz composé d'une part de plusieurs embouts à l'extrémité de tuyaux d'amené du gaz sous pression suffisamment étroits pour que le substrat visqueux ne puisse refluer dans le tuyau de gaz et d'autre part d'une plaque de dérivation du gaz détendu. According to another implementation of the method of the invention, the expansion of the compressed biogas is carried out in a gas injector composed on the one hand of several tips at the end of pressurized gas supply pipes sufficiently narrow that the viscous substrate can not flow back into the gas pipe and secondly a loose gas bypass plate.
Selon une autre mise en œuvre du procédé de l'invention, la recirculation du gaz est effectuée par surpression du biogaz contenant du dihydrogène produit dans les premiers compartiments dans, au moins, le dernier compartiment destiné à l'hydrométhanisation. Selon une autre mise en œuvre du procédé de l'invention, la diffusion du biogaz contenant du dihydrogène est effectuée par des rampes microporeuses de diffusion de gaz, intégrées au plancher d'au moins dudit dernier compartiment pour éviter la coalescence de bulles de gaz évacuées dans le ciel de gaz. According to another implementation of the method of the invention, the recirculation of the gas is carried out by overpressure of the biogas containing hydrogen produced in the first compartments in at least the last compartment intended for hydromethanization. According to another implementation of the method of the invention, the diffusion of the biogas containing dihydrogen is carried out by microporous gas diffusion ramps, integrated in the floor of at least said last compartment to prevent the coalescence of evacuated gas bubbles. in the gas sky.
Selon une autre mise en œuvre du procédé de l'invention, la régulation du pH du substrat en fermentation dans au moins le dernier compartiment, est effectuée par l'ajustement de la pression partielle de dioxyde de carbone dans le ciel de gaz. According to another implementation of the method of the invention, the regulation of the pH of the fermentation substrate in at least the last compartment is effected by adjusting the partial pressure of carbon dioxide in the gas sky.
Selon une autre mise en œuvre du procédé de l'invention, la régulation de la pression partielle de dioxyde de carbone est effectuée par l'ajustement de la pression totale en fonction du taux de dioxyde de carbone et du volume de ciel de gaz par le moyen de vannes à ouverture variable sur chaque ciel de gaz. According to another implementation of the method of the invention, the regulation of the partial pressure of carbon dioxide is carried out by adjusting the total pressure as a function of the carbon dioxide content and the gas volume of the gas by the means of valves with variable opening on each gas sky.
Selon une autre mise en œuvre de l'invention, le procédé comporte la régulation de l'équilibre acido-basique par l'ouverture ponctuelle de la vanne sur la canalisation de transfert entre les compartiments lors de l'agitation du secteur de proximité engendrant l'aspiration d'un compartiment à l'autre et donc le flux puis le reflux du substrat de l'autre côté de la paroi. According to another embodiment of the invention, the method comprises the regulation of the acid-base balance by the point opening of the valve on the transfer line between the compartments during the agitation of the proximity sector generating the suction from one compartment to another and thus the flow and then the reflux of the substrate on the other side of the wall.
Selon une autre mise en œuvre du procédé de l'invention, la régulation d'un pH proche de 5,5 dans le 1 ° compartiment est réalisé par le maintien à une température hyperthermophile, de préférence entre 65 et 70°C, par l'adaptation du temps de séjour hydraulique du substrat en fermentation entre un et trois jours. According to another implementation of the method of the invention, the regulation of a pH close to 5.5 in the 1 ° compartment is achieved by maintaining at a hyperthermophilic temperature, preferably between 65 and 70 ° C., by l. adaptation of the hydraulic residence time of the fermentation substrate between one and three days.
Selon une autre mise en œuvre du procédé de l'invention, la recirculation du biogaz produit dans les compartiments amont et contenant du dihydrogène est effectuée dans le dernier compartiment aval au moyen de rampes microporeuses situées sur le plancher dudit compartiment pour enrichir le taux de méthane du biogaz par l'activité des bactéries hydrogénophile. According to another implementation of the process of the invention, the recirculation of the biogas produced in the upstream compartments and containing dihydrogen is carried out in the last downstream compartment by means of microporous ramps located on the floor of said compartment to enrich the methane level. of biogas by the activity of hydrogenophilic bacteria.
Selon une autre mise en œuvre du procédé de l'invention, l'introduction de dihydrogène exogène à l'installation dans le gaz recirculé dans le substrat du dernier compartiment est effectuée par les rampes de diffusion microporeuses.
Selon une autre mise en œuvre du procédé de l'invention, le calcul du volume de dihydrogène à introduire par les rampes microporeuses est réalisé selon l'équation de quatre moles de dihydrogène pour une mole de dioxyde de carbone par la mesure du volume de dioxyde de carbone solubilisé obtenu par le calcul du volume de dioxyde de carbone introduit et par le maintien de la pression partielle de dioxyde de carbone nécessaire. According to another implementation of the method of the invention, the introduction of exogenous dihydrogen into the installation in the recirculated gas in the substrate of the last compartment is carried out by the microporous diffusion ramps. According to another implementation of the process of the invention, the calculation of the volume of dihydrogen to be introduced by the microporous ramps is carried out according to the equation of four moles of hydrogen per mole of carbon dioxide by measuring the volume of dioxide. solubilized carbon obtained by calculating the volume of carbon dioxide introduced and maintaining the necessary partial pressure of carbon dioxide.
Selon une autre mise en œuvre du procédé de l'invention, le contrôle pour ajuster le volume de dihydrogène est réalisé en intégrant les analyses en continu de la composition du gaz dans le ciel de gaz, la mesure de la pression totale dans le ciel de gaz, le calcul du volume du ciel de gaz, le volume de gaz comprimé dans le ciel de gaz intégrant la pression totale et le calcul de la pression partielle de dioxyde de carbone calculée par le taux de dioxyde de carbone dans le gaz confiné. According to another implementation of the method of the invention, the control to adjust the volume of hydrogen is achieved by integrating the continuous analyzes of the composition of the gas in the gas sky, the measurement of the total pressure in the sky of gas, the calculation of the volume of the gas sky, the volume of compressed gas in the gas sky integrating the total pressure and the calculation of the partial pressure of carbon dioxide calculated by the carbon dioxide content in the confined gas.
Selon une autre mise en œuvre du procédé de l'invention, des actions correctrices pour produire un biométhane se concentrant dans le ciel de gaz avec au moins 95% de taux de méthane sont réalisées en adaptant la pression totale dans le ciel de gaz du dernier compartiment en fonction de la pression partielle de dioxyde de carbone et le débit de dihydrogène exogène introduit par les rampes microporeuses. According to another implementation of the method of the invention, corrective actions to produce a biomethane concentrating in the gas sky with at least 95% methane content are achieved by adjusting the total pressure in the gas sky of the last compartment as a function of the partial pressure of carbon dioxide and the flow of exogenous dihydrogen introduced by the microporous ramps.
La présente invention concerne également un dispositif de méthanisation conçu pour mettre en œuvre le procédé de méthanisation en continu en voie visqueuse tel que décrit ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comprend un fermenteur divisé en compartiments ou cuves de fermentation à ciels de gaz fermés et à pression variable. The present invention also relates to an anaerobic digestion device designed to implement the continuous methanization process in a viscous manner as described above, characterized in that it comprises a fermentor divided into compartments or fermentation tanks with gas skies. closed and with variable pressure.
En particulier, ce dispositif de méthanisation est caractérisé en ce qu'il comprend des rampes microporeuses intégrées au plancher, lesdites rampes microporeuses étant destinées à éviter la coalescence des gaz recirculés et du dihydrogène exogène introduit. In particular, this anaerobic digestion device is characterized in that it comprises microporous ramps integrated into the floor, said microporous ramps being intended to prevent the coalescence of the recirculated gases and the introduced exogenous dihydrogen.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A cet effet la présente invention vise, selon un premier aspect, un procédé de méthanisation en continu en voie visqueuse dans un fermenteur subdivisé en compartiments à ciel de gaz séparés, maintenus à des températures, de préférence hyperthermophile dans le 1 ° compartiment et thermophile dans les autres compartiments, à augmenter la cinétique de dégradation et à produire un biogaz enrichi en méthane, caractérisé en ce qu'il consiste en des moyens : For this purpose the present invention aims, according to a first aspect, a methanization process continuously viscous in a fermentor subdivided into separate compartments gas sky, maintained at temperatures, preferably hyperthermophilic in the 1 ° compartment and thermophilic in the other compartments, to increase the kinetics of degradation and to produce a biogas enriched in methane, characterized in that it consists of means:
- D'introduction de la matière à fermenter, à une viscosité élevée, correspondant à au moins 12% de matière sèche dans un premier compartiment d'hydrolyse et d'acidogénèse, puis en un moyen de transfert de la matière hydrolysée dans des compartiments successifs réservés à l'acétogénèse et à la méthanogénése.
- De brassage successif dans chaque secteur de fermentation du substrat visqueux par du biogaz sous pression détendu dans des injecteurs intégrés au plancher sous des plaques de dérivation du gaz. - Introduction of the material to be fermented, at a high viscosity, corresponding to at least 12% of dry matter in a first compartment of hydrolysis and acidogenesis, then a means for transferring the hydrolysed material in successive compartments reserved for acetogenesis and methanogenesis. - Successive stirring in each fermentation sector of the viscous substrate by pressurized biogas expanded in injectors integrated into the floor under gas branch plates.
- D'ajustement des transferts de substrat en fermentation entre les compartiments de l'amont à l'aval ou en sens inverse par l'aspiration contrôlée du substrat d'un compartiment à l'autre par l'agitation du secteur de proximité. - Adjustment of substrate transfer in fermentation between the compartments from upstream to downstream or in the opposite direction by the controlled suction of the substrate from one compartment to another by the agitation of the proximity sector.
- D'ajustement du débit de biogaz injecté lors de chaque agitation dans les secteurs de chaque compartiment en fonction de la viscosité mesurée du substrat dans le compartiment. - Adjustment of the injected biogas flow rate during each stirring in the sectors of each compartment according to the measured viscosity of the substrate in the compartment.
- De mesure de la viscosité dans les différents compartiments en mesurant la résistance au passage du gaz par la mesure de la vitesse de passage du gaz injecté dans un secteur à une pression initiale et finale donnée. - Measurement of the viscosity in the different compartments by measuring the resistance to the passage of gas by measuring the rate of passage of the gas injected into a sector at a given initial and final pressure.
- De recirculation du gaz produit dans les premiers compartiments dans les autres compartiments par des diffuseurs intégrés au plancher. - Recirculation of the gas produced in the first compartments in the other compartments by diffusers integrated into the floor.
- D'ajustement de la pression partielle du dioxyde de carbone dans les ciels de gaz fermés des compartiments d'acétogénèse et de méthanogénése. - Adjustment of the partial pressure of carbon dioxide in the closed gas skies of acetogenesis and methanogenesis compartments.
Grâce à ces dispositions, l'ensemble de la matière visqueuse en fermentation est brassé secteur par secteur, sans qu'il y ait sédimentation. Grâce à ces dispositions le substrat en fermentation est maintenu homogène. Thanks to these provisions, all of the viscous material in fermentation is brewed sector by sector, without there being sedimentation. Thanks to these provisions, the fermentation substrate is kept homogeneous.
Grâce à ces dispositions le brassage crée un mouvement latéral balayant le plancher et un mouvement ascendant et convectif du substrat en fermentation dans chaque secteur. Grâce à ces dispositions de mesure de la viscosité on peut ajuster le taux de matière sèche du substrat entrant et du substrat en fermentation. Thanks to these provisions the stirring creates a lateral movement sweeping the floor and an upward and convective movement of the fermenting substrate in each sector. Thanks to these viscosity measurement arrangements, the dry matter content of the incoming substrate and the fermenting substrate can be adjusted.
Grâce à ces dispositions on gère le transfert de la matière en fermentation et l'équilibre acido-basique dans les compartiments par l'agitation à proximité d'une canalisation de transfert. Thanks to these arrangements, the transfer of the fermentation material and the acid-base balance in the compartments are managed by stirring near a transfer line.
Grâce à ces dispositions on favorise dans le premier compartiment la solubilisation du substrat, une fermentation acide et l'abaissement du pH dont la valeur sera comprise entre 4,5 et 6. Thanks to these provisions, the substrate is solubilized in the first compartment, an acidic fermentation and the lowering of the pH, the value of which will be between 4.5 and 6.
Grâce à ces dispositions on favorise, notamment, dans le 1 ° compartiment d'hydrolyse et d'acidogénèse et le premier compartiment d'acétogénèse la production de dihydrogène dans le gaz. Thanks to these provisions, the production of dihydrogen in the gas is particularly favored in the first compartment for hydrolysis and acidogenesis and the first compartment for acetogenesis.
Grâce à ces dispositions, on constitue plusieurs phases de la fermentation dans des conditions thermodynamiques favorisant la cinétique de dégradation des substrats de fermentation. Thanks to these provisions, several phases of the fermentation are formed under thermodynamic conditions favoring the kinetics of degradation of the fermentation substrates.
Grâce se ces dispositions on diminue le volume des fermenteurs.
Grâce à ces dispositions on augmente le taux de méthane du biogaz produit par la recirculation du biogaz produit dans des diffuseurs et l'ajustement de la pression partielle de dioxyde de carbone. Thanks to these dispositions the volume of fermenters is reduced. Thanks to these provisions, the methane content of the biogas produced by the recirculation of the biogas produced in diffusers and the adjustment of the partial pressure of carbon dioxide is increased.
Grâce à des dispositions, l'équilibre acido-basique du substrat de fermentation est maîtrisé. Grâce à ces dispositions le gaz produit dans le compartiment d'hydrolyse et d'acidogénèse et d'acétogénèse contient du dioxyde de carbone et du dihydrogène. Thanks to provisions, the acid-base balance of the fermentation substrate is controlled. Thanks to these provisions, the gas produced in the compartment for hydrolysis and acidogenesis and acetogenesis contains carbon dioxide and dihydrogen.
Grâce à ces dispositions d'ajustement de la pression partielle de dioxyde de carbone, on régule le pH du substrat de fermentation, préférentiellement entre 6,8 et 7,3 par la solubilisation du dioxyde de carbone dans le dernier compartiment destiné à la méthanogenèse / hydrométhanisation. Thanks to these provisions for adjusting the partial pressure of carbon dioxide, the pH of the fermentation substrate is regulated, preferably between 6.8 and 7.3 by the solubilization of carbon dioxide in the last compartment intended for methanogenesis. hydrométhanisation.
Grâce à ces dispositions de réintroduction du biogaz produit contenant du dihydrogène dans le dernier compartiment destiné à l'hydrométhanisation on augmente le taux de méthane du biogaz produit. Thanks to these provisions reintroduction of biogas product containing dihydrogen in the last compartment for hydromethanization increases the methane content of the biogas produced.
Grâce à l'ensemble de ces dispositions on augmente le taux de matière sèche des substrats introduit dans le fermenteur, la cinétique et le taux de dégradation de la matière, la production et la qualité du biogaz et le rendement par tonne de matière organique introduite. Thanks to all these provisions, the dry matter content of the substrates introduced into the fermentor, the kinetics and the rate of degradation of the material, the production and the quality of the biogas and the yield per ton of organic matter introduced are increased.
La présente invention vise, selon un deuxième aspect un procédé de méthanisation en continu en voie visqueuse dans un fermenteur multi-compartiments caractérisé en ce qu'il consiste en des moyens : The present invention aims, according to a second aspect, a continuous methanization process in a viscous manner in a multi-compartment fermenter, characterized in that it consists of:
- De diminution de la viscosité par dilution du substrat de fermentation dans le premier compartiment d'hydrolyse et d'acidogénèse. - Decrease of the viscosity by dilution of the fermentation substrate in the first compartment of hydrolysis and acidogenesis.
- De concentration du substrat de fermentation en sortie du compartiment d'hydrolyse et d'acidogénèse avant son introduction dans le 2° compartiment permettant de produire des jus acides. - Concentration of the fermentation substrate at the outlet of the hydrolysis compartment and acidogenesis before its introduction into the 2nd compartment to produce acidic juices.
- De recirculation des jus acides pour diluer le substrat entrant. - Recirculation of acidic juices to dilute the incoming substrate.
- D'adaptation de la production de jus acide. - Adaptation of acid juice production.
- D'adaptation du temps de séjour hydraulique dans le premier compartiment d'hydrolyse et d'acidogénèse entre 1 ,5 et 3 jours. - Adaptation of the hydraulic residence time in the first compartment of hydrolysis and acidogenesis between 1, 5 and 3 days.
- De diffusion du biogaz produit enrichi en dihydrogène dans les premiers compartiments dans les derniers compartiments par des diffuseurs répartis sur le plancher. - Diffusion of the biogas product enriched in hydrogen in the first compartments in the last compartments by diffusers distributed on the floor.
- D'ajustement de la pression partielle du dioxyde de carbone dans les ciels de gaz fermés, notamment des compartiments de méthanogénèse. - Adjustment of the partial pressure of carbon dioxide in closed gas skies, including methanogenesis compartments.
Grâce à ces dispositions, le brassage dans le premier compartiment d'une matière non encore hydrolysé est rendu plus facile. Thanks to these provisions, the stirring in the first compartment of a material not yet hydrolysed is made easier.
Grâce à ces dispositions la diffusivité enzymatique et la solubilisation sont favorisées. Grâce à ces dispositions le substrat de fermentation est plus facilement et rapidement chauffé, notamment à une température hyperthermophile entre 65 et 70°C pour être plus
facilement refroidi à 55°C après le 1 ° compartiment avant d'être reconcentré et introduit dans les autres compartiments à une température thermophile. Thanks to these provisions the enzymatic diffusivity and the solubilization are favored. Thanks to these provisions the fermentation substrate is more easily and rapidly heated, especially at a hyperthermophilic temperature between 65 and 70 ° C to be more easily cooled to 55 ° C after the 1 ° compartment before being reconcentré and introduced into the other compartments at a thermophilic temperature.
Grâce à ces dispositions on dilue le substrat du 1 ° compartiment à un taux de matière sèche par exemple entre 10% à 12% par des jus acides issus de la séparation de phase en sortie du premier compartiment d'hydrolyse et d'acidogénèse. By virtue of these arrangements, the substrate of the first compartment is diluted to a solids content of, for example, between 10% and 12% by acidic juices resulting from the phase separation at the outlet of the first compartment of hydrolysis and acidogenesis.
Grâce à ces dispositions on reconcentre à la sortie du 1 ° compartiment le substrat hydrolysé et fermenté à un taux de matière sèche entre 18 à 25% par exemple selon le substrat afin de diminuer la vitesse de séparation entre la phase solide et la phase liquide. Grâce à ces dispositions en reconcentrant le substrat avant d'être introduit dans le 2 ° compartiment, on diminue le volume des compartiments réservés à l'acétogénèse et à la méthanogénèse. Thanks to these arrangements, the hydrolysed and fermented substrate is reconcentrated at the outlet of the first compartment at a solids content of between 18 and 25%, for example depending on the substrate, in order to reduce the separation rate between the solid phase and the liquid phase. Thanks to these provisions by reconcentrating the substrate before being introduced into the 2nd compartment, the volume of compartments reserved for acetogenesis and methanogenesis is reduced.
Grâce à ces dispositions on produit des jus acides que l'on réintroduit dans le 1 ° compartiment. Thanks to these provisions, acidic juices are produced which are reintroduced into the 1st compartment.
Grâce à ces dispositions on régule le volume de jus acides pour obtenir de préférence un pH de l'ordre de 5,5 dans le premier compartiment en adaptant le taux de dilution et le taux de matière sèche. Thanks to these arrangements the volume of acidic juice is regulated to obtain preferably a pH of the order of 5.5 in the first compartment by adjusting the dilution ratio and the dry matter content.
Grâce à ces dispositions de régulation du pH autour d'une valeur de 5,5 dans le premier compartiment on maximise la production de dihydrogène dans les gaz produits. With these pH control arrangements around a value of 5.5 in the first compartment, the production of dihydrogen in the gases produced is maximized.
Grâce aux dispositions de régulation de la pression partielle de dioxyde de carbone dans les derniers compartiments on maîtrise le pH autour de la neutralité (de 6,8 à 7,3) par la solubilisation du dioxyde de carbone sous sa forme acide et d'hydrogénocarbonate.. Thanks to the regulation provisions for the partial pressure of carbon dioxide in the last compartments, the pH around the neutrality (from 6.8 to 7.3) is controlled by the solubilization of the carbon dioxide in its acid form and hydrogen carbonate ..
Grâce à ces dispositions en favorisant la diminution du pH à une valeur comprise entre 4,5 et 6, préférentiellement autour de 5,5, à une température hyperthermophile dans le premier compartiment on produit du dihydrogène dans le gaz issu de la fermentation. Thanks to these provisions by promoting the decrease in pH to a value between 4.5 and 6, preferably around 5.5, at a hyperthermophilic temperature in the first compartment is produced dihydrogen in the gas from the fermentation.
Grâce à ces dispositions le gaz produit dans le compartiment d'hydrolyse et d'acidogénèse et d'acétogénèse contient préférentiellement du dioxyde de carbone et du dihydrogène.Thanks to these provisions the gas produced in the compartment for hydrolysis and acidogenesis and acetogenesis preferentially contains carbon dioxide and dihydrogen.
Grâce à ces dispositions en réintroduisant le dioxyde de carbone et le dihydrogène on favorise ainsi l'activité hydrogénophile. Thanks to these provisions by reintroducing carbon dioxide and dihydrogen, the hydrogenophilic activity is thus promoted.
Grâce à ces dispositions on réduit le dioxyde de carbone solubilisé dans les derniers compartiments par le dihydrogène produit et réintroduit pour produire du méthane. Thanks to these provisions, the solubilized carbon dioxide in the last compartments is reduced by the hydrogen produced and reintroduced to produce methane.
La présente invention vise, selon un troisième aspect un procédé de méthanisation en continu en voie visqueuse dans un fermenteur multi-compartimenté dans lequel on introduit dans le dernier compartiment destiné à l'hydrométhanisation d'une part le biogaz produit à une pression partielle de dioxyde de carbone favorisant un pH de moins de 7,3 par exemple et d'autre part du dihydrogène exogène, caractérisé en ce qu'il consiste en des moyens : - D'introduction dans le dernier compartiment à la fois du biogaz enrichi et produit dans les autres compartiments (compartiments 2, 3 et 4 de la figure 1 ) et le dihydrogène exogène dans un rapport compatible avec la réaction hydrogénotrophe.
- D'ajustement et de maintien de la pression dans le ciel de gaz en fonction de la pression partielle de dioxyde de carbone calculée. The present invention aims, according to a third aspect, a methanization process continuously viscous in a multi-compartmented fermenter in which is introduced into the last compartment for hydromethanization on the one hand biogas produced at a partial pressure of dioxide carbon-promoting a pH of less than 7.3 for example and exogenous dihydrogen, characterized in that it consists of means: - Introduction into the last compartment of both enriched biogas and produced in the other compartments (compartments 2, 3 and 4 of FIG. 1) and the exogenous dihydrogen in a ratio compatible with the hydrogenotrophic reaction. - Adjustment and maintenance of the pressure in the gas sky according to the calculated partial carbon dioxide pressure.
- De calcul en continu de la pression partielle de dioxyde de carbone. - Continuous calculation of the partial pressure of carbon dioxide.
- D'ajustement de la pression partielle de dioxyde de carbone dans les ciels de gaz fermés des compartiments d'acétogénèse et de méthanogénèse (compartiments 3 et 4 de la figure - Adjustment of the partial pressure of carbon dioxide in the closed gas skies of the compartments of acetogenesis and methanogenesis (compartments 3 and 4 of the figure
1 ) afin de maîtriser le pH du substrat de fermentation à une valeur proche de sept (7).1) to control the pH of the fermentation substrate to a value close to seven (7).
- D'introduction du dihydrogène par des rampes microporeuse au niveau du plancher du dernier compartiment destiné à l'hydrométhanisation (compartiment 5 de la figure 1 ).- Introduction of dihydrogen by microporous ramps at the floor of the last compartment for hydromethanization (compartment 5 of Figure 1).
- D'introduction progressive du dihydrogène à un débit ajusté jusqu'au point de détection de trace de dihydrogène dans le ciel de gaz. - Gradual introduction of dihydrogen at a rate adjusted to the point of detection of trace of hydrogen in the gas sky.
- D'ajustement de la pression partielle de dioxyde de carbone et de la pression totale dans le ciel de gaz du dernier compartiment et du débit de dihydrogène en fonction du taux de biométhane mesuré en continu. - Adjustment of the partial pressure of carbon dioxide and the total pressure in the gas phase of the last compartment and the flow rate of hydrogen according to the rate of biomethane measured continuously.
Grâce à ces dispositions on régule le pH en le maintenant à une valeur comprise entre 6,8 et 7,3 par l'augmentation de la pression partielle de dioxyde de carbone. Thanks to these provisions the pH is regulated by keeping it at a value between 6.8 and 7.3 by increasing the partial pressure of carbon dioxide.
Grâce à ces dispositions on favorise la solubilisation du dioxyde de carbone dans chaque compartiment. Thanks to these provisions it promotes the solubilization of carbon dioxide in each compartment.
Grâce à ces dispositions on maintient le pH dans une plage favorable à l'activité des bactéries hydrogénotrophes, à savoir un pH compris entre 6,8 et 7,3. With these provisions, the pH is maintained in a range favorable to the activity of hydrogenotrophic bacteria, namely a pH of between 6.8 and 7.3.
Grâce à ces dispositions on crée une sous-saturation permanente en dioxyde de carbone introduit en continu par sa réduction en continu par le dihydrogène diffusé en continu.Thanks to these provisions, a permanent undersaturation of carbon dioxide introduced continuously by its continuous reduction by the continuously diffused dihydrogen is created.
Grâce à ces dispositions on produit du méthane au fur et à mesure que le dioxyde de carbone solubilisé est réduit par le dihydrogène diffusé par des rampes microporeuses.With these arrangements, methane is produced as the solubilized carbon dioxide is reduced by the hydrogen diffused by microporous ramps.
Grâce à ces dispositions on ajuste le débit de dihydrogène à la vitesse de réduction du dioxyde de carbone pour produire du méthane. With these arrangements the flow rate of dihydrogen is adjusted to the rate of reduction of carbon dioxide to produce methane.
Grâce à ces dispositions on produit en continu un biométhane à au moins 95% de méthane Thanks to these provisions, a biomethane with at least 95% methane is continuously produced.
CH4. CH4.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES. BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
D'autres avantages, buts et caractéristiques de la présente invention rassortiront de la description qui va suivre, faite dans un but explicatif et nullement limitatif en regard des dessins annexés, dans lesquels : Other advantages, aims and features of the present invention will be further described in the following description, made for explanatory and non-limiting purposes with reference to the accompanying drawings, in which:
la figure 1 représente schématiquement en coupe vue de dessus, un premier mode de réalisation particulier du dispositif de fermentation objet de la présente invention, représentant le cheminement du substrat et le dispositif de brassage et de recirculation qui l'accompagne. Figure 1 shows schematically in section view from above, a first particular embodiment of the fermentation device object of the present invention, showing the path of the substrate and the mixing device and recirculation accompanying it.
la figure 2 représente schématiquement, en coupe longitudinale, le premier mode de réalisation particulier du dispositif de fermentation objet de la présente invention,
représentant le cheminement du substrat et le dispositif de brassage du substrat de fermentation dans les compartiments. FIG. 2 schematically represents, in longitudinal section, the first particular embodiment of the fermentation device which is the subject of the present invention, representing the path of the substrate and the stirring device of the fermentation substrate in the compartments.
la figure 3 représente schématiquement le mode de réalisation général du dispositif de fermentation objet de la présente invention, représentant le cheminement du biogaz produit et la recirculation du biogaz dans les diffuseurs de biogaz pour l'enrichissement du biogaz en méthane. Figure 3 schematically shows the general embodiment of the fermentation device object of the present invention, representing the path of the biogas produced and recirculation of biogas in the biogas diffusers for enriching the biogas methane.
la figure 4 représente schématiquement, en coupe latérale, un mode de réalisation particulier du dispositif de fermentation objet de la présente invention, représentant deux buses d'injection du biogaz et la plaque de dérivation de celui-ci. Figure 4 shows schematically, in side section, a particular embodiment of the fermentation device object of the present invention, showing two biogas injection nozzles and the bypass plate thereof.
- la figure 5 représente schématiquement, un mode de réalisation particulier du dispositif de fermentation objet de la présente invention, représentant deux buses d'injection du biogaz sous deux plaques de dérivation de celui-ci. - Figure 5 shows schematically, a particular embodiment of the fermentation device object of the present invention, showing two biogas injection nozzles under two branch plates thereof.
la figure 6 représente schématiquement, en coupe latérale un injecteur de gaz sous-pression, une plaque de dérivation du gaz et l'esquisse d'un mouvement convectif du substrat par la remontée des bulles de gaz qui grossissent au cours de leur ascension la figure 7 représente le mécanisme de régulation du pH par l'ajustement du transfert de substrat par une canalisation de transfert entre deux compartiments et le système d'agitation transférant le substrat d'amont en aval. DESCRIPTION DU DISPOSITIF A PARTIR DES FIGURES. FIG. 6 schematically represents, in lateral section, a pressurized gas injector, a gas bypass plate and the sketch of a convective motion of the substrate by the rise of the gas bubbles which enlarge during their ascent. FIG. 7 shows the pH regulating mechanism by adjusting the transfer of substrate by a transfer line between two compartments and the stirring system transferring the upstream upstream substrate. DESCRIPTION OF THE DEVICE FROM FIGURES
Figures 1 et 2 Figures 1 and 2
Le dispositif est composé d'un fermenteur cylindrique fermé figure 1 (vue de dessus) ou de forme parallélépipédique figure 2 (vue de côté), divisé en compartiments 2, 3, 4, 5 séparés de haut en bas par des parois 6, 7, 8 pour la forme parallélépipédique et 6, 7, 8 et 9 pour la forme cylindrique, d'un plancher 10 et d'un toit 1 1. The device is composed of a closed cylindrical fermenter FIG. 1 (seen from above) or of parallelepipedal shape FIG. 2 (seen from the side), divided into compartments 2, 3, 4, 5 separated from top to bottom by walls 6, 7 , 8 for the parallelepipedal shape and 6, 7, 8 and 9 for the cylindrical shape, a floor 10 and a roof 1 1.
Il reçoit le substrat de fermentation par une canalisation 12, Le substrat est transféré dans chaque compartiment par simple gravité ou par tous moyens de transfert d'une matière épaisse et visqueuse de type pompe à béton. Le substrat en fermentation passe successivement du premier compartiment 2, à un deuxième compartiment 3, puis à un troisième 4 et à un quatrième 5 par une canalisation de transfert 13 figure 1 et 2. Le nombre de compartiments n'est pas limitatif. Chaque compartiment peut être remplacé par des cuves séparées reliées l'une à l'autre selon le même cheminement par une canalisation de transfert du substrat d'une cuve à l'autre. It receives the fermentation substrate via a pipe 12, the substrate is transferred to each compartment by simple gravity or by any means of transfer of a thick and viscous concrete pump type. The fermenting substrate successively passes from the first compartment 2, to a second compartment 3, then to a third 4 and a fourth 5 by a transfer line 13 Figure 1 and 2. The number of compartments is not limiting. Each compartment can be replaced by separate tanks connected to each other along the same path by a transfer pipe substrate from one tank to another.
Chaque compartiment de fermentation est rempli de substrat à fermenter jusqu'à un niveau haut 14 laissant ainsi un ciel gazeux 15, 16, 17, 18 se remplir de gaz à évacuer figure 2. Chaque jour une quantité de matière est introduite par une canalisation adaptée 12 dans le compartiment selon le temps de séjour prévisionnel de la matière sur l'ensemble du volume de la cuve. A titre d'exemple le temps de séjour peut être de 15 jours. On introduit donc
chaque jour un quinzième du volume de matière présent dans le fermenteur. Chaque jour une quantité de matière correspondante est extraite par une canalisation 21 munie d'une vanne (non représentée). Each fermentation compartment is filled with substrate to ferment to a high level 14 thus leaving a gaseous sky 15, 16, 17, 18 fill with gas to be evacuated Figure 2. Each day a quantity of material is introduced through a suitable pipe 12 in the compartment according to the expected residence time of the material over the entire volume of the tank. For example, the residence time can be 15 days. So we introduce every day a fifteenth of the volume of material present in the fermenter. Each day a corresponding amount of material is extracted through a pipe 21 provided with a valve (not shown).
La matière en fermentation se déplace chaque jour en fonction de la matière introduite pour passer dans le compartiment suivant par simple gravité par une canalisation de transfert 13 dotée d'un diamètre suffisamment important laissant passer une matière épaisse et visqueuse ou par aspiration du substrat grâce à l'agitation de proximité, (voir description figure 7). The fermenting material moves daily depending on the material introduced to pass into the next compartment by simple gravity by a transfer pipe 13 having a sufficiently large diameter allowing a thick and viscous material to pass or by suction of the substrate through the agitation of proximity, (see description figure 7).
Selon la figure 1 , chaque canalisation de transfert est munie d'une vanne 22 permettant d'éviter le transfert du substrat d'un compartiment à l'autre lors de chaque agitation. La puissance du système d'agitation engendre une aspiration du substrat des compartiments limitrophes. Avec entre 5 et 12 agitations par jour par secteur selon les compartiments, un flux important transiterait d'un compartiment à l'autre ce qui ne permettrait pas de respecter la marche en avant du substrat et tendrait à ce que le réacteur compartimenté se rapproche d'un flux infiniment mélangé. According to Figure 1, each transfer line is provided with a valve 22 to prevent the transfer of the substrate from one compartment to the other during each stirring. The power of the stirring system causes suction of the substrate of the adjacent compartments. With between 5 and 12 agitations per sector per sector depending on the compartments, a large flow would pass from one compartment to another which would not respect the forward march of the substrate and tend to that the compartmentalized reactor is closer to an infinitely mixed flow.
La canalisation de transfert peut être remplacée par une ouverture en partie basse des cloisons 6, 7, 8 figure 2 pouvant être fermée par une porte à fermeture automatique. The transfer pipe can be replaced by an opening at the bottom of the partitions 6, 7, 8, Figure 2 can be closed by a self-closing door.
Le déplacement d'une matière épaisse, introduite dans le fermenteur, proche des seuils de non écoulement est difficile. Elle est rendue possible par l'activité hydrolytique et enzymatique et la solubilisation de la matière organique biodégradable en acides gras volatils. The displacement of a thick material, introduced into the fermenter, close to the non-flow thresholds is difficult. It is made possible by the hydrolytic and enzymatic activity and the solubilization of the biodegradable organic matter into volatile fatty acids.
Les figures 2, 4, 5 et 6 schématisent le dispositif d'agitation du substrat en fermentation particulièrement inventif. Celui-ci remédie aux problèmes rencontrés dans les systèmes d'agitation en continu d'un substrat en fermentation très visqueux. Figures 2, 4, 5 and 6 schematize the stirring device of the substrate in particular inventive fermentation. It overcomes the problems encountered in continuous stirring systems of a highly viscous fermentation substrate.
Pour que le déplacement du substrat en fermentation puisse s'effectuer la matière doit être régulièrement brassée pour éviter la séparation de phase entre le liquide et le solide. En cas de séparation de phase le liquide transite préférentiellement, ce qui engendre rapidement des blocages de la matière solide dans le fermenteur qui ne peut plus être transférée ou extraite. In order for the fermentation substrate to move, the material must be stirred regularly to avoid phase separation between the liquid and the solid. In the case of phase separation, the liquid preferably transits, which rapidly causes blockages of the solid material in the fermenter which can no longer be transferred or extracted.
Le dispositif de brassage est essentiel pour assurer l'écoulement d'une matière visqueuse dans des fermenteurs de plusieurs centaines de mètres cube, pouvant atteindre plusieurs milliers de mètres cube. The brewing device is essential to ensure the flow of viscous material in fermentors of several hundred cubic meters, up to several thousand cubic meters.
La matière épaisse est brassée régulièrement par l'arrivée de gaz sous pression. The thick material is brewed regularly by the gas inlet under pressure.
Le dispositif de brassage représenté figures 1 et 2 est fait du caisson sous pression 31 relié à un réseau de distribution du gaz sous pression 32 entourant le fermenteur et situé en partie basse du fermenteur. Le gaz utilisé est le biogaz produit par le fermenteur transitant
par un stockage de gaz souple 37 figure 2. Le biogaz tourne en boucle, injection, récupération dans le gazomètre, compression, injection. The stirring device shown in FIGS. 1 and 2 is made of the pressurized box 31 connected to a pressurized gas distribution network 32 surrounding the fermenter and located in the lower part of the fermenter. The gas used is the biogas produced by the transiting fermenter 37 Figure 2. The biogas rotates in a loop, injection, recovery in the gasometer, compression, injection.
Le dispositif illustré par les figures 1 et 2 met en œuvre un compresseur de faible puissance 30 qui envoie le gaz comprimé dans un caisson de gaz sous pression 31. Le gaz stocké dans le caisson de 10 m3 par exemple est comprimé sur une durée de plusieurs minutes (10 minutes par exemple) à une pression de 7 bars par exemple, soit 70 m3 comprimés. Il est relié au réseau de distribution du gaz sous pression 32. Ce réseau entoure le fermenteur en partie base et sert à alimenter en gaz sous pression les tuyaux d'amené du biogaz 33 sous les plaques de dérivation 34. Chaque tuyau d'amené du biogaz aux plaques de dérivation est muni d'un embout qui laisse passer le gaz sous pression sous la plaque de dérivation figures 4 5 et 6 décrites ci-après. Chaque tuyau d'amené du gaz sous pression est muni d'une vanne commandée 40 figure 1 et 2 qui lorsqu'elle s'ouvre laisse s'échapper le gaz. Le volume de gaz comprimé en plusieurs minutes est relâché à chaque agitation en quelques secondes, par exemple en 8 secondes. The device illustrated in FIGS. 1 and 2 implements a low power compressor 30 which sends the compressed gas into a pressurized gas box 31. The gas stored in the box of 10 m 3 for example is compressed over a period of several hours. minutes (10 minutes for example) at a pressure of 7 bars for example, or 70 m3 tablets. It is connected to the pressurized gas distribution network 32. This network surrounds the fermenter in the base portion and serves to supply pressurized gas to the biogas feed pipes 33 under the branch plates 34. The biogas at the branch plates is provided with a nozzle which allows the pressurized gas to pass under the branch plate of FIGS. 45 and 6 described hereinafter. Each pressurized gas supply pipe is provided with a controlled valve 40 FIG. 1 and 2 which, when it opens, allows the gas to escape. The volume of compressed gas in several minutes is released at each stirring in a few seconds, for example in 8 seconds.
Le gaz sous pression se détend entre 7 et 5 bars par exemple à un fort débit de 9000 m3 par heure sous la plaque de dérivation 34 figure 2 et 7 figure 4 5 et 6 engendrant à la fois un mouvement latéral et ascendant du biogaz et un mouvement convectif du substrat. Lors de chaque agitation une vanne 35 figure 2 de fermeture du compartiment agité située sur chaque ciel de gaz s'ouvre afin de laisser s'échapper le gaz par la canalisation 36 qui débouche dans un gazomètre tampon 37 figure 2 dont la fonction est d'amortir l'arrivée massive du biogaz lors de chaque agitation. La vanne 35 reste fermée entre chaque agitation. The pressurized gas expands between 7 and 5 bar, for example at a high flow rate of 9000 m3 per hour under the branch plate 34 figure 2 and 7 figure 4 5 and 6 generating both a lateral and upward movement of the biogas and a convective motion of the substrate. During each stirring a valve 2 FIG 2 closing the agitated compartment located on each gas sky opens to let the gas escape through the pipe 36 which opens into a buffer gasometer 37 Figure 2 whose function is to cushion the massive arrival of biogas during each agitation. The valve 35 remains closed between each agitation.
Le gaz débouche à un fort débit dans un ou plusieurs tuyaux d'amenés du gaz sous pression 33 figure 1 munis à leur extrémité d'une ouverture appelée buse d'injection situés sous les plaques de dérivation 34 figure 1 . Le gaz se heurte à une plaque de dérivation 34 figure 2 représentée sur les figures 4 5 6 engendrant à la fois un mouvement par balayage latéral et ascendant du biogaz créant un mouvement convectif. The gas emerges at a high flow rate into one or more pressurized gas supply pipes 33 FIG. 1 provided at their end with an opening called an injection nozzle located under the branch plates 34 FIG. 1. The gas collides with a branch plate 34 in FIG. 2 shown in FIGS. 46 which generates both lateral and upward sweeping movement of the biogas creating a convective movement.
Le volume initial du caisson 30 figure 1 et 2 est adapté au débit de gaz souhaité. Les variations de pression dans le caisson permettant de moduler le débit des agitations en fonction de la viscosité et du volume de matière à brasser. The initial volume of the chamber 30 and FIG. 1 is adapted to the desired gas flow rate. The pressure variations in the box to modulate the rate of agitation according to the viscosity and the volume of material to be stirred.
Le système de brassage périodique du substrat en fermentation pour éviter les séparations de phase n'est pas à confondre avec le système de recirculation du gaz produit figure 3 décrit ci-après. The periodic stirring system of the fermenting substrate to avoid phase separations is not to be confused with the gas recirculation system produced in Figure 3 described below.
Le nombre de secteurs d'agitation n'est pas limité. Ils sont déterminés par l'ouverture simultanée de plusieurs vannes 40 figure 1 et 2 sur plusieurs tuyaux d'amenée du gaz sous pression 33. Cela dépend de la géométrie, de la taille du fermenteur du nombre de secteurs d'agitation déterminant le nombre de rampes et d'injecteur de gaz sous pression s'ouvrant en même temps.
Les canalisations d'évacuation du biogaz ont un diamètre suffisant afin de limiter la surpression de biogaz dans le ciel de chaque compartiment du fermenteur. Le biogaz qui a brassé la matière et qui est ressorti du fermenteur revient dans le gazomètre tampon 37 d'une dimension suffisante afin qu'il n'y ait aucune surpression dans le gazomètre. The number of stirring sectors is not limited. They are determined by the simultaneous opening of several valves 40 1 and 2 on several pressurized gas supply pipes 33. This depends on the geometry, the size of the fermenter of the number of stirring sectors determining the number of ramps and pressurized gas injector opening at the same time. The biogas evacuation pipes have a sufficient diameter in order to limit the overpressure of biogas in the sky of each compartment of the fermenter. The biogas that has stirred the material and that has come out of the fermenter returns to the buffer gasometer 37 of sufficient size so that there is no overpressure in the gasometer.
Le réseau de distribution amène le biogaz comprimé à une pression de départ qui détermine le débit et ce en fonction de la viscosité de la matière en fermentation. La pression de départ est forte dans le 1 er compartiment d'hydrolyse où la viscosité est très élevée, puis décroit dans chaque compartiment, de secteur en secteur. La viscosité diminue au fur et à mesure que la matière organique se dégrade et que le taux de matière sèche diminue. La viscosité d'un compartiment à l'autre étant décroissante la pression de détente du gaz est donc décroissante d'un compartiment à l'autre dans le sens de l'introduction 12 de la matière jusqu'à l'extraction de celle-ci figures 1 et 2. The distribution network brings the compressed biogas to a starting pressure which determines the flow rate and this as a function of the viscosity of the material in fermentation. The starting pressure is strong in the 1 st hydrolysis compartment where the viscosity is very high and then decreases in each compartment, from sector to sector. The viscosity decreases as the organic matter is degraded and the dry matter content decreases. The viscosity of one compartment to another being decreasing, the pressure of expansion of the gas is decreasing from one compartment to the other in the direction of introduction 12 of the material until the extraction thereof Figures 1 and 2.
Les secteurs d'agitation sont déterminés par le nombre d'injecteurs ou buses d'injection du biogaz sous pression sous les plaques de dérivation activés en même temps par l'ouverture d'une vanne 40 figures 1 et 2. Le nombre dépend de la surface du secteur à agiter. Le plus souvent deux, trois ou quatre vannes s'ouvrent en même temps pour permettre le passage du gaz sous pression jusqu'aux buses d'injection du gaz sous pression. Le nombre de buses d'injection en action dépend du volume et de la géométrie du fermenteur. Le débit du gaz sous pression détendu dépend de l'état de la matière en fermentation mesurée ponctuellement par un viscosimètre. The agitation sectors are determined by the number of injectors or nozzles for injecting pressurized biogas under the bypass plates activated at the same time by the opening of a valve 40 FIGS. 1 and 2. The number depends on the surface area to be shaken. Most often two, three or four valves open at the same time to allow the passage of pressurized gas to the injection nozzles of pressurized gas. The number of injection nozzles in action depends on the volume and geometry of the fermenter. The flow rate of the expanded pressurized gas depends on the state of the fermentation material measured punctually by a viscometer.
Le rythme d'agitation des secteurs d'agitation d'une matière visqueuse dépend de la viscosité, de la vitesse de séparation de phase et du gonflement de la matière en gazéification dépendant de la nature du substrat en fermentation. Par exemple les secteurs d'agitation doivent être agité toutes les deux heures pour le premier compartiment réservé à l'hydrolyse et l'acidogénèse, alors que les autres compartiments peuvent être agitées toutes les cinq ou six heures. The stirring rate of the stirring sectors of a viscous material depends on the viscosity, the rate of phase separation and the swelling of the gasification material depending on the nature of the fermenting substrate. For example, agitation zones must be stirred every two hours for the first compartment reserved for hydrolysis and acidogenesis, while the other compartments may be agitated every five or six hours.
La mise en pression dans les ciels de gaz réduit la vitesse de séparation de phase et le gonflement et donc réduit la nécessité d'une agitation fréquente. Pressurization in the gas skies reduces the rate of phase separation and swelling and thus reduces the need for frequent agitation.
Les tuyaux de diffusion du gaz sous pression sont fixés sur le plancher du fermenteur par des brides 3 figures 4 et 5 fixées sur le plancher du fermenteur par des visses coulées dans le béton du radier. Ces tuyaux peuvent être également introduits dans des gaines encastrées dans le plancher à la conception de l'équipement. The pressurized gas diffusion pipes are fixed on the floor of the fermenter by flanges 3, 4 and 5 fixed on the floor of the fermenter by screws cast in the concrete of the raft. These pipes can also be introduced into ducts embedded in the floor at the design of the equipment.
La gaine reçoit un ou plusieurs tuyaux 6 d'amené du gaz sous pression qui s'arrête à l'endroit de diffusion du gaz 5 figure 5. The sheath receives one or more pipes 6 to supply pressurized gas which stops at the gas diffusion point 5 FIG.
On observe figure 2 que chaque tuyau de diffusion est relié à la nourrice d'amené du gaz sous pression 32, elle -même reliée au caisson de biogaz comprimé 31. Chaque tuyau est muni d'une vanne 40, qui lors de son ouverture laisse passer le gaz sous pression qui se détend dans le fermenteur à un débit de plusieurs milliers de mètre cubes par heure.
La tête de l'embout 5 est munie d'un orifice figure 4 et 5 d'une surface de l'ordre 5 à 7 cm2 par exemple disposé de manière à ce que la matière visqueuse ne puisse pas refluer dans le tuyau, ou que la matière refluée soit systématiquement évacuée lors des injections à fort débit de gaz. La matière étant très visqueuse ne peut pénétrer que sur une faible distance. Lors de l'injection de gaz, la force exercée par le gaz comprimé et détendu renvoie la matière dans le fermenteur. FIG. 2 shows that each diffusion pipe is connected to the pressurized gas supply feeder 32, itself connected to the compressed biogas box 31. Each pipe is provided with a valve 40 which, when opened, leaves pass the pressurized gas that relaxes in the fermenter at a rate of several thousand cubic meters per hour. The head of the nozzle 5 is provided with an orifice FIG. 4 and 5 with a surface of the order 5 to 7 cm 2, for example arranged in such a way that the viscous material can not flow back into the pipe, or that the refluxed material is systematically evacuated during injections with high gas flow. The material being very viscous can only penetrate a short distance. When gas is injected, the force exerted by the compressed and relaxed gas returns the material to the fermenter.
Le gaz débouchant par les embouts est ascendant. Il sort de par l'embout 5 du tuyau 6 figures 4 et 5 d'injection du gaz sous pression. Le gaz se heurte à une plaque de dérivation 7. La plaque de dérivation 7 figures 4, 5 et 6 engendre un mouvement latéral du gaz figure 6 qui balaie le fond sur un diamètre de 4 à 5 m par exemple. La largeur du balayage dépend de la pression de départ du gaz détendu, du débit, de la hauteur de matière et de la viscosité de la matière. Le différentiel de densité du gaz par rapport à la matière engendre un mouvement ascendant tout en créant des bulles de gaz devenant de plus en plus importantes au fur et à mesure que l'on se rapproche de la surface. Cette force ascensionnelle déplace la matière qui est entraîné par le mouvement du gaz tout en créant une forte aspiration de la matière sur les côtés de la colonne de gaz ascendante. Les bulles entraînant la matière s'éclatent en surface. Ceci engendre un mouvement convectif puissant de la matière autour de la colonne de gaz 5 ascendante engendrée par la plaque de dérivation 7 figures 4, 5 et 6. The gas opening through the tips is upward. It leaves through the end 5 of the pipe 6 4 and 5 of injection of the gas under pressure. The gas collides with a branch plate 7. The branch plate 7 Figures 4, 5 and 6 generates a lateral movement of gas Figure 6 which sweeps the bottom to a diameter of 4 to 5 m for example. The width of the sweep depends on the start pressure of the expanded gas, the flow rate, the material height and the viscosity of the material. The differential density of the gas relative to the material causes an upward movement while creating gas bubbles becoming increasingly important as one approaches the surface. This upward force displaces the material that is driven by the movement of the gas while creating a strong suction of the material on the sides of the ascending gas column. Bubbles causing the matter to explode on the surface. This results in a strong convective movement of the material around the ascending gas column generated by the bypass plate 7 FIGS. 4, 5 and 6.
En variante chaque tuyau d'amené du gaz sous pression peut être remplacé par deux tuyaux d'une section correspondant à la section d'un seul tuyau afin de réduire les risques de reflux de la matière dans le tuyau. Alternatively each pressurized gas supply pipe may be replaced by two pipes of a section corresponding to the section of a single pipe to reduce the risk of reflux of the material into the pipe.
Recirculation du gaz. Recirculation of the gas.
La présente invention figure 3 repose sur un dispositif de recirculation du gaz produit dans les premiers compartiments 2 et 3 dans le ou les deux derniers compartiments 4 et 5 pour être enrichie en méthane. Lors de l'hydrolyse et de l'acidogénèse, notamment à une température hyperthermophile, le taux de méthane du gaz produit est faible, ce qui entraîne un taux de méthane dans le biogaz de 50 à 60% selon le temps de séjour hydraulique. Dans le dispositif représenté en figure 1 , le gaz produit dans le premier compartiment 2 et le deuxième compartiment 3 d'hydrolyse et d'acidogénèse et d'acétogénèse figure 3 est surpressé par un surpresseur 30 figure 3 pour être réintroduit par des rampes de diffusion 31 débouchant sur le plancher dans le troisième compartiment 4 par des orifices 51 . Le gaz produit dans le troisième compartiment 4 s'est enrichi en méthane. Il est recirculé et surpressé préférentiellement dans le quatrième compartiment 5. Bien que les orifices 51 ne soient pas représentés en figure 1 , il est entendu que selon l'invention, ces orifices 51 peuvent également être présents dans le compartiment 5. Le gaz produit dans le dernier compartiment s'est enrichi en méthane grâce à l'activité hydrogénotrophe qui engendre la
réduction du dioxyde de carbone du biogaz par le dihydrogène produit dans le compartiment d'hydrolyse et d'acidogénèse maintenu à une température de préférence hyperthermophile 65 à 72°C et à un pH de l'ordre de 5,5 et dans le deuxième compartiment dans lequel le pH est bas, de l'ordre de 6,8 à 7,2 par exemple. The present invention is based on a device for recirculating the gas produced in the first compartments 2 and 3 in the last two or more compartments 4 and 5 to be enriched in methane. During hydrolysis and acidogenesis, especially at a hyperthermophilic temperature, the methane content of the gas produced is low, which results in a methane content in the biogas of 50 to 60% depending on the hydraulic residence time. In the device represented in FIG. 1, the gas produced in the first compartment 2 and the second compartment 3 for hydrolysis and acidogenesis and acetogenesis FIG. 3 is overpressed by a booster 30 FIG. 3 to be reintroduced by diffusion ramps. 31 opening on the floor in the third compartment 4 by orifices 51. The gas produced in the third compartment 4 is enriched in methane. It is recirculated and supercharged preferably in the fourth compartment 5. Although the orifices 51 are not shown in Figure 1, it is understood that according to the invention, these orifices 51 may also be present in the compartment 5. The gas produced in the last compartment is enriched in methane thanks to the hydrogenotrophic activity which generates the reduction of the carbon dioxide of the biogas by the hydrogen produced in the hydrolysis and acidogenesis compartment maintained at a temperature of preferably hyperthermophilic 65 at 72 ° C and at a pH of the order of 5.5 and in the second compartment in which the pH is low, of the order of 6.8 to 7.2 for example.
Le ciel de gaz des compartiments 3, 4 et 5 est maintenu en pression selon une consigne, par une vanne à ouverture variable 32, figure 3 dont l'ouverture dépend de la consigne de pression afin que la pression partielle de dioxyde de carbone dans le ciel de gaz engendre le processus de solubilisation du dioxyde de carbone et la baisse du pH. The gas sky of the compartments 3, 4 and 5 is maintained under pressure according to a set point, by a variable opening valve 32, FIG. 3 whose opening depends on the pressure setpoint so that the partial pressure of carbon dioxide in the gas sky generates the process of solubilizing carbon dioxide and lowering the pH.
Dans un processus de méthanisation classique le pH augmente au fur et à mesure que la matière organique biodégradable est réduite en biogaz. Ceci s'accompagne d'une augmentation de l'azote sous sa forme ammonium. Le substrat de fermentation se basifie pour atteindre dans la dernière partie du processus un niveau de pH, autour de 8 et plus. Celui-ci ralentie la dynamique de réduction des acides gras volatils non encore réduit. Ce ralentissement de la cinétique de dégradation est le plus souvent compensé par des temps de séjour hydraulique élevé. In a conventional biogas process the pH increases as the biodegradable organic matter is reduced to biogas. This is accompanied by an increase in nitrogen in its ammonium form. The fermentation substrate is basified to reach a pH level in the last part of the process, around 8 and above. This slows the dynamics of reduction of volatile fatty acids not yet reduced. This slowing of the kinetics of degradation is most often compensated by high hydraulic residence times.
Dans le processus selon l'invention, le pH du premier compartiment est maintenu à un pH de l'ordre de 5,5 par tout moyen tel que la température hyperthermophile et/ou la recirculation de jus plus ou moins acide. Dans les autres compartiments le pH est maintenu dans une plage de préférence entre 6,8 et 7,3 par la régulation de la pression partielle de dioxyde de carbone. Le dioxyde de carbone solubilisé grâce à la pression partielle de dioxyde de carbone est réduit en méthane par la recirculation du dihydrogène produit dans le gaz des premiers compartiments, notamment dans l'étape d'hydrolyse et d'acidogénèse et contenu dans le gaz recirculé. In the process according to the invention, the pH of the first compartment is maintained at a pH of the order of 5.5 by any means such as hyperthermophilic temperature and / or recirculation of more or less acidic juice. In the other compartments the pH is maintained in a range of preferably between 6.8 and 7.3 by regulating the partial pressure of carbon dioxide. Carbon dioxide solubilized by the partial pressure of carbon dioxide is reduced to methane by recirculation of the hydrogen produced in the gas of the first compartments, especially in the hydrolysis and acidogenesis step and contained in the recirculated gas.
Dans le même temps on améliore la cinétique de dégradation en maintenant le pH, de préférence, entre 6,8 et 7,3 tout au long du processus. De ce fait on augmente le taux de réduction du substrat, on produit ainsi plus de méthane dans le biogaz dans un temps de séjour hydraulique réduit. At the same time, the kinetics of degradation are improved by maintaining the pH, preferably between 6.8 and 7.3 throughout the process. As a result, the reduction rate of the substrate is increased, thus producing more methane in the biogas in a reduced hydraulic residence time.
En régulant le pH et en réduisant le temps de séjour hydraulique dans le dernier compartiment dans lequel on recircule le biogaz qui s'enrichie à chaque étape, on favorise le développement de l'activité hydrogénotrophe. Les bactéries hydrogénophiles ont des vitesses de croissance et de renouvellement de quelques heures et de moins de douze heures. Un temps de séjour hydraulique inférieur à trois jours environ ne permet pas le renouvellement des bactéries acétoclaste. By regulating the pH and reducing the hydraulic residence time in the last compartment in which the biogas enriched at each stage is recirculated, the development of the hydrogenotrophic activity is promoted. Hydrogenophilic bacteria have growth and renewal rates of a few hours and less than twelve hours. A hydraulic residence time of less than about three days does not allow the renewal of the acetoclast bacteria.
Dans un mode de réalisation le substrat du 1 er compartiment 2 est à une température hyperthermophile entre 65 et 72° par exemple. Ce niveau de température favorise la déstructuration de la matière cellulosique et l'activité acidogène qui fait baisser le pH à des pH situés entre 5 et 6 selon la nature du substrat et le taux de NH4+ et de sels dans le milieu. Cette baisse du pH favorise la production de dihydrogène et un meilleur équilibre
acido-basique dans le compartiment suivant. De plus une température à 70°C permet d'éradiquer les germes pathogènes. In one embodiment the substrate 1 compartment 2 is a hyperthermophilic temperature between 65 and 72 ° for example. This temperature level favors the destructuring of the cellulosic material and the acidogenic activity which lowers the pH to pH values between 5 and 6 depending on the nature of the substrate and the level of NH 4 + and salts in the medium. This drop in pH promotes the production of dihydrogen and a better balance acid-base in the next compartment. Moreover a temperature at 70 ° C can eradicate pathogens.
Le premier compartiment 2 figures 2 et 3 est réservé à l'hydrolyse et plus particulièrement à l'hydrolyse thermo-enzymatique 65° - 72°C ; il est séparé du reste du fermenteur par la paroi 6. La paroi faite de matériau isolant monte jusqu'au plafond ce qui limite le transfert thermique avec le deuxième compartiment de méthanogénèse 3 maintenu à une température thermophile à 55°C. The first compartment 2 figures 2 and 3 is reserved for hydrolysis and more particularly for thermo-enzymatic hydrolysis 65 ° -72 ° C .; it is separated from the rest of the fermenter by the wall 6. The wall made of insulating material rises to the ceiling which limits the heat transfer with the second methanogenesis compartment 3 maintained at a thermophilic temperature at 55 ° C.
Le substrat passe du premier compartiment 2 au deuxième compartiment 3 par l'ouverture d'une vanne 22 figure 1 et par un tuyau à forte section 13 à double enveloppe dans lequel le substrat est refroidi. Le liquide de refroidissement ramené à 62°C sert à réchauffer le liquide de dilution du substrat entrant. Le substrat refroidi est introduit par une pompe dans le deuxième compartiment 3 à 55°C, ce qui remonte temporairement la température du substrat entre 57°C et 58°C. Celui-ci est ramené très rapidement pas simple diffusion thermique avec le substrat en fermentation dans le deuxième compartiment et entre les parois non isolées entre les deuxième 6, troisième 7 et quatrième compartiment 8 à 55°C figure 1 , 2 et 3. Les parois extérieures sont suffisamment isolées pour limiter les déperditions thermiques. The substrate passes from the first compartment 2 to the second compartment 3 through the opening of a valve 22 Figure 1 and a pipe with a large section 13 double jacket in which the substrate is cooled. The coolant reduced to 62 ° C is used to heat the dilution liquid of the incoming substrate. The cooled substrate is introduced by a pump into the second compartment 3 at 55 ° C, which temporarily raises the temperature of the substrate between 57 ° C and 58 ° C. This is brought very quickly not simple thermal diffusion with the substrate in fermentation in the second compartment and between the uninsulated walls between the second 6, third 7 and fourth compartment 8 at 55 ° C Figure 1, 2 and 3. The walls outside are sufficiently insulated to limit thermal losses.
Des échangeurs thermiques sont placés sur la paroi des troisième et quatrième compartiments pour compenser les déperditions thermiques par les parois et par la vapeur d'eau évacué dans le gaz s'échappant pour le brassage du substrat et la production de biométhane. Il est à noter qu'il y a qu'une seule sortie de gaz 38 figure 2 dans le système selon l'invention, ce qui limite les déperditions par l'évacuation du gaz, notamment du gaz à 70°C produit dans le premier compartiment. Celui-ci étant recirculé par des diffuseurs situés sur le plancher vient ainsi réchauffer les autres compartiments. Heat exchangers are placed on the wall of the third and fourth compartments to compensate for heat losses through the walls and the water vapor discharged into the escaping gas for the stirring of the substrate and the production of biomethane. It should be noted that there is only one gas outlet 38 in FIG. 2 in the system according to the invention, which limits the losses by evacuation of the gas, in particular gas at 70 ° C. produced in the first compartment. The latter being recirculated by diffusers located on the floor thus warms the other compartments.
Dans un système de méthanisation classique le pH augmentant, l'équilibre NH4+/NH3- devient plus favorable à la forme NH3- plus volatile, pouvant engendrant une dynamique d'inhibition de la flore bactérienne se traduisant par un ralentissement de l'activité. D'autre part l'augmentation du pH engendre des pertes d'azote sous sa forme gazeuse NH3-, notamment à une température thermophile. In a conventional anaerobic digestion system with increasing pH, the NH 4 + / NH 3 - equilibrium becomes more favorable to the more volatile NH 3 - form, which can generate a dynamics of inhibition of the bacterial flora resulting in a slowing down of the activity. On the other hand, the increase in pH causes losses of nitrogen in its gaseous NH 3 - form, especially at a thermophilic temperature.
Les transferts d'un compartiment à l'autre 2, 3, 4, et 5 sont réalisés de préférence par des canalisations externe 13 d'un diamètre suffisamment important pour permettre le passage d'une matière épaisse et visqueuse figures 1 et 2. Le diamètre est de l'ordre de 0,35 m. Ces canalisations sont munies d'une vanne guillotine figure 3 s'ouvrant lors du chargement d'un substrat nouveau, ce qui permet le transfert par simple gravité du compartiment à l'autre. Comme déjà précisé, pour brasser une masse de plusieurs dizaines voire plusieurs centaines de mètre cube par secteur d'agitation, on fait appel à un système d'agitation, organisé en secteurs d'agitation, très puissant en injectant du gaz sous pression par des injecteurs situés sur le plancher engendrant des débits de gaz de plusieurs mètre cube par
seconde. Ce système engendre un mouvement très puissant du substrat de fermentation dans le secteur sollicité. Le niveau du substrat s'élève dans le secteur sollicité d'un à deux mètres, ce qui crée une augmentation du volume au-dessus du niveau de base hors agitation, de plus de 15 m3 pour un secteur d'agitation de cent mètre cubes de substrat par exemple. Ce mouvement crée une aspiration puissante de substrat dans la canalisation de transfert 7 d'un compartiment à l'autre, à proximité du secteur agité figure 7. La canalisation de transfert a un diamètre important pour laisser passer un substrat épais et visqueux, de l'ordre de 35 à 40 cm de diamètre par exemple. A chaque agitation, si la canalisation de transfert n'est pas fermée, on transfère une quantité importante de substrat d'un compartiment à l'autre. Transfers from one compartment to another 2, 3, 4, and 5 are preferably carried out by external pipes 13 of a diameter large enough to allow the passage of a thick and viscous material FIGS. 1 and 2. diameter is of the order of 0.35 m. These pipes are provided with a guillotine valve Figure 3 opening during the loading of a new substrate, which allows the transfer by gravity of the compartment to the other. As already stated, in order to mix a mass of several tens or even hundreds of cubic meters per stirring sector, a stirring system, organized in agitation zones, is used which is very powerful by injecting gas under pressure by means of injectors located on the floor generating gas flows of several cubic meters per second. This system generates a very powerful movement of the fermentation substrate in the sector requested. The level of the substrate rises in the stressed area of one to two meters, which creates an increase in volume above the base level without agitation, of more than 15 m 3 for a stirring area of one hundred meters. cubes of substrate for example. This movement creates a powerful suction of substrate in the transfer line 7 from one compartment to the other, close to the agitated sector FIG. 7. The transfer line has a large diameter to allow a thick and viscous substrate to pass through. order of 35 to 40 cm in diameter, for example. At each agitation, if the transfer line is not closed, a large amount of substrate is transferred from one compartment to another.
Selon le compartiment et le secteur on peut avoir entre 4 à 12 agitations par jour par secteur de l'amont à l'aval. Sur une journée c'est entre 8 et 24 agitations de part et d'autre des parois de séparation des compartiments, qui engendre des flux importants d'un compartiment à l'autre. Depending on the compartment and the sector, there may be between 4 and 12 agitations per day per sector from upstream to downstream. On a day is between 8 and 24 agitations on both sides of the partition walls of the compartments, which generates significant flows from one compartment to another.
Le substrat transféré d'un compartiment à l'autre est mélangé au substrat du compartiment d'accueil. Le mélange va mettre plusieurs minutes avant de refluer dans le compartiment d'origine. Au fil du temps ce phénomène tend à mélanger les compartiments, ce qui va à rencontre du processus de marche en avant et de maîtrise de l'équilibre biochimique. C'est ce qui justifie qu'entre chaque compartiment on a une vanne de type guillotine fermée 22 figure 1 et 8 figure 7. Ces vannes s'ouvrent seulement au moment du chargement du substrat dans le premier compartiment et lors du transfert par gravité d'un compartiment à l'autre une fois par jour. Elles s'ouvrent également, si besoin, selon l'équilibre acido-basique lors des agitations pour transférer le substrat par aspiration d'un compartiment à l'autre dans un sens de l'amont à l'aval ou dans le sens contraire de l'aval à l'amont par aspiration lors d'une agitation. The substrate transferred from one compartment to another is mixed with the substrate of the receiving compartment. The mixture will take several minutes before flowing back into the original compartment. Over time this phenomenon tends to mix compartments, which goes against the process of walking forward and control of the biochemical balance. This justifies that between each compartment there is a closed guillotine-type valve 22 FIG. 1 and 8 FIG. 7. These valves open only when the substrate is loaded into the first compartment and during the transfer by gravity. one compartment to another once a day. They also open, if necessary, according to the acid-base balance during agitation to transfer the substrate by suction from one compartment to the other in a direction from upstream to downstream or in the opposite direction of downstream upstream by suction during agitation.
La régulation du transfert participe à l'équilibre acido-basique. Par exemple si un compartiment a un pH trop acide on aspire du substrat des compartiments plus en aval vers les compartiments amont. Il est représenté par la figure 7. Celle-ci représente le système de flux et reflux du substrat entre deux compartiments 1 et 2 figure 7 remplis de substrat en fermentation 3 et 4. The regulation of the transfer participates in the acid-base balance. For example, if a compartment has a pH that is too acidic, the substrate is sucked from the compartments further downstream to the upstream compartments. It is represented by FIG. 7. This represents the system of flow and reflux of the substrate between two compartments 1 and 2 FIG. 7 filled with fermentation substrate 3 and 4.
La figure 7 représente le flux du substrat de l'aval à l'amont. Sur chaque compartiment on représente le système de brassage fait d'une plaque de dérivation du gaz 5 sous lequel débouche un tuyau 6 d'amené du gaz comprimé détendu. Les deux compartiments sont reliés par une canalisation de transfert 7 muni d'une vanne de transfert 8. Lorsque la vanne de transfert est fermée on n'a aucun flux entre les deux compartiments. Lorsque l'on a une agitation d'un secteur proche de la paroi de transfert 9 et 10 et que la vanne de transfert est ouverte on a un flux de matière du compartiment non agité vers le compartiment agité.
Dans un système industriel les parois 9 et 10 ne font qu'une paroi. La canalisation de transfert 7 est adaptée à la géométrie des fermenteurs et de leur compartimentation. La figure 7 représente un flux du compartiment aval 2 vers le compartiment amont 1. Ce flux engendre une augmentation temporaire du volume de substrat dans le compartiment amont 2 qui s'accompagne par une augmentation du niveau haut de substrat 1 1 par rapport au niveau hors agitation 12. Par contre le niveau de substrat 13 dans le compartiment aval 2 diminue temporairement. Puis le substrat du compartiment amont 1 reflux dans le compartiment aval pour retrouver un nouvel équilibre 12 dans les deux compartiments. Le mouvement est inversé lorsque l'on active l'agitation du secteur de proximité du compartiment aval. Le substrat provenant du compartiment amont 1 est aspiré dans le compartiment aval 2. Figure 7 shows the flow of the substrate from downstream to upstream. On each compartment is shown the brewing system made of a gas branch plate 5 under which opens a pipe 6 to bring compressed compressed gas. The two compartments are connected by a transfer pipe 7 provided with a transfer valve 8. When the transfer valve is closed there is no flow between the two compartments. When there is a stirring of a sector close to the transfer wall 9 and 10 and the transfer valve is open there is a flow of material from the unstirred compartment to the stirred compartment. In an industrial system the walls 9 and 10 are only one wall. The transfer line 7 is adapted to the geometry of the fermenters and their compartmentalization. FIG. 7 represents a flow from the downstream compartment 2 towards the upstream compartment 1. This flow generates a temporary increase in the volume of substrate in the upstream compartment 2 which is accompanied by an increase in the high level of substrate 1 1 compared to the outside level. However, the level of substrate 13 in the downstream compartment 2 decreases temporarily. Then the substrate of the upstream compartment 1 reflux in the downstream compartment to find a new equilibrium 12 in the two compartments. The movement is reversed when activating the agitation of the proximity sector of the downstream compartment. The substrate coming from the upstream compartment 1 is sucked into the downstream compartment 2.
Nous savons que le substrat en fermentation lors de l'acidogénèse est plutôt acide pour devenir de plus en plus basique en sortie du fermenteur au fur et à mesure que le processus de méthanisation évolue. Ce qui explique que lorsque la vanne de transfert est fermée, le substrat amont est plus acide que le substrat aval plus basique. Mais à chaque agitation lorsque la vanne de transfert est ouverte le flux et le reflux du substrat modifient le pH du substrat de part et d'autre de la paroi entre les compartiments. Lorsque l'on aspire du substrat plus basique, le substrat s'est mélangé à un substrat plus acide, ce qui diminue légèrement son pH avant qu'il reflux dans le substrat plus basique. A l'inverse l'agitation à proximité d'une canalisation de transfert en milieu plus basique provoque l'aspiration d'un substrat plus acide qui se mélange avec le substrat plus basique avant de refluer en amont dans le substrat acide. We know that the substrate in fermentation during the acidogenesis is rather acidic to become more and more basic at the exit of the fermenter as the process of methanisation evolves. This explains why when the transfer valve is closed, the upstream substrate is more acidic than the more basic downstream substrate. But with each stirring when the transfer valve is open the flow and reflux of the substrate change the pH of the substrate on either side of the wall between the compartments. When aspirating more basic substrate, the substrate mixes with a more acidic substrate, which slightly lowers its pH before it refluxes into the more basic substrate. Conversely, agitation near a transfer line in a more basic medium causes aspiration of a more acidic substrate which mixes with the more basic substrate before refluxing upstream in the acid substrate.
En renouvelant plusieurs fois par jour les transferts de substrat on modifie considérablement les équilibres biochimiques. By renewing the substrate transfers several times a day, the biochemical equilibria are considerably modified.
On voit bien tout l'intérêt du système qui permet de réguler l'évolution du pH, si besoin, en jouant sur l'ouverture ou la fermeture des vannes de transfert en dehors du transfert une fois par jour lors du chargement de substrat nouveau. We can see the whole point of the system which makes it possible to regulate the evolution of the pH, if necessary, by playing on the opening or the closing of the transfer valves outside the transfer once a day during the loading of new substrate.
Ceci participe aux moyens de régulation de l'équilibre acido-basique d'un fermenteur pour le maintenir dans une plage de fonctionnement optimum. Par exemple, si le substrat est trop acide on fait fonctionner le système dans le sens de l'augmentation du pH. Si le substrat est trop basique on fait fonctionner le système dans le sens de la diminution du pH. Ce système de régulation est utile mais s'avère, dans certaines situations, insuffisant puisque le processus de méthanisation tend inexorablement dans sa marche en avant à générer un pH basique. La gestion du pH par la gestion de la pression partielle de dioxyde de carbone reste une des bases essentielles de l'innovation. This contributes to the means of regulating the acid-base equilibrium of a fermenter to maintain it in an optimum operating range. For example, if the substrate is too acidic, the system is operated in the direction of increasing the pH. If the substrate is too basic, the system is operated in the direction of decreasing pH. This system of regulation is useful but turns out, in certain situations, insufficient since the process of anaerobic digestion inexorably tends in its forward march to generate a basic pH. PH management through the management of the partial pressure of carbon dioxide remains one of the essential bases of innovation.
Introduction de dihydrogène exogène. Introduction of exogenous dihydrogen.
Le processus d'enrichissement du taux de méthane peut être avantageusement amélioré par l'introduction de dihydrogène exogène 52 par les rampes de recirculation microporeuse
et de diffusion intégrées au plancher figure 3. Le dihydrogène est produit par n'importe quel procédé, par exemple par électrolyse de l'eau. The enrichment process of the methane level can be advantageously improved by the introduction of exogenous dihydrogen 52 by the microporous recirculation ramps The dihydrogen is produced by any method, for example by electrolysis of water.
Le dihydrogène est introduit par des rampes microporeuses permettant d'éviter la coalescence de bulles de dihydrogène. Celui-ci réduit le dioxyde de carbone recirculé et solubilisé en méthane, ce qui maintien le dioxyde de carbone en sous-saturation. Le méthane moins soluble monte dans le ciel de gaz. L'apport de dihydrogène est ajusté à la vitesse d'introduction du dioxyde de carbone du biogaz introduit et maintenu à une pression partielle favorable à sa solubilisation et à la production d'un biométhane à au moins 95%de méthane. L'apport de dihydrogène est régulé par un analyseur de gaz 32 détectant d'éventuelles traces de dihydrogène dans le ciel de gaz 15 figure 3 permettant d'ajuster le débit pour qu'il n'y ait plus de traces de dihydrogène. The dihydrogen is introduced by microporous ramps to avoid the coalescence of hydrogen bubbles. This reduces the carbon dioxide recirculated and solubilized into methane, which keeps the carbon dioxide under-saturation. The less soluble methane rises in the gas sky. The supply of dihydrogen is adjusted to the rate of introduction of carbon dioxide biogas introduced and maintained at a partial pressure favorable for solubilization and the production of a methane at least 95% methane. The supply of dihydrogen is regulated by a gas analyzer 32 detecting any traces of dihydrogen in the gas sky 15 Figure 3 to adjust the flow so that there is more traces of hydrogen.
AUTRES MISES EN ŒUVRE SELON L'INVENTION La présente invention concerne également un dispositif de méthanisation en continu en voie visqueuse dans un fermenteur divisé en compartiments à ciels de gaz fermés et à pression variable caractérisé en ce qu'il comprend des moyens : The present invention also relates to a device for continuous methanization in a viscous manner in a fermenter divided into closed gas and variable pressure gas compartments characterized in that it comprises means:
D'introduction et de transfert d'une matière épaisse à fermenter dite « substrat », à forte viscosité comportant au moins 12% de matière sèche dans un premier compartiment destiné à l'hydrolyse et à l'acidogenèse maintenu à une température hyperthermophile, de préférence entre 65° et 72°C, puis dans plusieurs compartiments destinés à l'acétogenèse et à la méthanogenèse maintenus à une température thermophile, de préférence environ 55°C, Introduction and transfer of a thick material to ferment said "substrate", high viscosity comprising at least 12% dry matter in a first compartment for hydrolysis and acidogenesis maintained at a hyperthermophilic temperature, preferably between 65 ° and 72 ° C, then in several compartments for acetogenesis and methanogenesis maintained at a thermophilic temperature, preferably about 55 ° C,
De mélange du substrat en fermentation dans les secteurs d'agitation de chaque compartiment par injection de biogaz comprimé détendu sous des plaques de dérivation fixées au plancher de chaque compartiment, Mixing the fermentation substrate in the stirring sectors of each compartment by compressed biogas injection expanded under branch plates fixed to the floor of each compartment,
De régulation du transfert du substrat en fermentation d'un compartiment à l'autre par l'aspiration créée par le flux de gaz sous pression de part et d'autre de la paroi de séparation des compartiments, et Regulating the transfer of the fermentation substrate from one compartment to another by the suction created by the flow of gas under pressure on either side of the partition wall of the compartments, and
- De régulation du pH du premier compartiment à 5,5 environ pour produire du dihydrogène. - regulating the pH of the first compartment to about 5.5 to produce dihydrogen.
L'invention se caractérise en particulier par l'utilisation de plaques de dérivation destinées à améliorer le brassage du substrat en fermentation. The invention is characterized in particular by the use of bypass plates to improve the stirring of the substrate in fermentation.
Les figures 2, 4, 5 et 6 schématisent le dispositif d'agitation du substrat en fermentation particulièrement inventif. Celui-ci remédie aux problèmes rencontrés dans les systèmes d'agitation en continu d'un substrat en fermentation très visqueux, contenant au moins 12% de matière sèche.
Pour que le déplacement du substrat en fermentation puisse s'effectuer, la matière doit être régulièrement brassée pour éviter la séparation de phase entre le liquide et le solide. En cas de séparation de phase le liquide transite préférentiellement, ce qui engendre rapidement des blocages de la matière solide dans le fermenteur qui ne peut plus être transférée ou extraite. Figures 2, 4, 5 and 6 schematize the stirring device of the substrate in particular inventive fermentation. It overcomes the problems encountered in continuous stirring systems of a highly viscous fermentation substrate, containing at least 12% dry matter. In order for the fermentation substrate to move, the material must be stirred regularly to avoid phase separation between the liquid and the solid. In the case of phase separation, the liquid preferably transits, which rapidly causes blockages of the solid material in the fermenter which can no longer be transferred or extracted.
Le dispositif de brassage est essentiel pour assurer l'écoulement d'une matière visqueuse dans des fermenteurs de plusieurs centaines de mètres cube, pouvant atteindre plusieurs milliers de mètres cube. The brewing device is essential to ensure the flow of viscous material in fermentors of several hundred cubic meters, up to several thousand cubic meters.
Dans le dispositif selon l'invention, la matière épaisse est brassée régulièrement par l'arrivée de gaz sous pression. Le gaz débouchant par les embouts est ascendant. In the device according to the invention, the thick material is brewed regularly by the inlet of gas under pressure. The gas opening through the tips is upward.
Comme cela est montré en figures 4, 5 et 6, le gaz sort par un embout 5 du tuyau 6 d'injection du gaz sous pression. Le gaz se heurte à une plaque de dérivation 7. La plaque de dérivation 7 engendre un mouvement latéral du gaz qui balaie le fond sur un diamètre de 4 à 5 m par exemple. La largeur du balayage dépend de la pression de départ du gaz détendu, du débit, de la hauteur de matière et de la viscosité de la matière. Le différentiel de densité du gaz par rapport à la matière engendre un mouvement ascendant tout en créant des bulles de gaz devenant de plus en plus importantes au fur et à mesure que l'on se rapproche de la surface. Cette force ascensionnelle déplace la matière qui est entraîné par le mouvement du gaz tout en créant une forte aspiration de la matière sur les côtés de la colonne de gaz ascendante. Les bulles entraînant la matière s'éclatent en surface. Ceci engendre un mouvement convectif puissant de la matière autour de la colonne de gaz 5 ascendante engendrée par la plaque de dérivation 7. As shown in Figures 4, 5 and 6, the gas exits through a nozzle 5 of the pipe 6 for injection of gas under pressure. The gas collides with a branch plate 7. The branch plate 7 causes a lateral movement of the gas which sweeps the bottom to a diameter of 4 to 5 m for example. The width of the sweep depends on the start pressure of the expanded gas, the flow rate, the material height and the viscosity of the material. The differential density of the gas relative to the material causes an upward movement while creating gas bubbles becoming increasingly important as one approaches the surface. This upward force displaces the material that is driven by the movement of the gas while creating a strong suction of the material on the sides of the ascending gas column. Bubbles causing the matter to explode on the surface. This causes a powerful convective movement of the material around the ascending gas column generated by the branch plate 7.
Selon un aspect particulier, le dispositif selon l'invention comprend de plus des moyens de recirculation du gaz contant du dihydrogène produit dans les premiers compartiments à travers des rampes microporeuse situées sur le plancher d'un dernier compartiment destiné à l'hydrométhanisation. According to a particular aspect, the device according to the invention further comprises means for recirculating the gas containing the hydrogen produced in the first compartments through microporous ramps located on the floor of a last compartment for hydromethanization.
Selon un autre aspect particulier, le dispositif selon l'invention comprend de plus des moyens d'ajustement de la pression partielle de C02 dans le ciel de gaz fermé du compartiment destiné à l'hydrométhanisation, afin de maintenir le pH dudit compartiment compris entre 6,8 et 7,5. According to another particular aspect, the device according to the invention further comprises means for adjusting the CO 2 partial pressure in the closed gas space of the compartment intended for hydromethanisation, in order to maintain the pH of said compartment between 6 , 8 and 7.5.
Selon un autre aspect particulier, le dispositif selon l'invention comprend de plus des moyens d'introduction de dihydrogène exogène dans le ciel de gaz du dernier compartiment destiné à l'hydrométhanisation, lesdits moyens comprenant des rampes microporeuses situées sur le plancher du dernier compartiment pour produire du biométhane à au moins 95% de CH4. According to another particular aspect, the device according to the invention further comprises means for introducing exogenous dihydrogen into the gas sky of the last compartment intended for hydromethanization, said means comprising microporous ramps located on the floor of the last compartment to produce at least 95% biomethane CH4.
Selon un autre aspect particulier, le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce que les moyens de mélange du substrat en fermentation comprennent un injecteur de gaz
composé d'une part de plusieurs embouts à l'extrémité de tuyaux d'amené du gaz sous pression suffisamment étroits pour que le substrat visqueux ne puisse refluer dans le tuyau de gaz et d'autre part d'une plaque de dérivation du gaz détendu. According to another particular aspect, the device according to the invention is characterized in that the means for mixing the fermenting substrate comprise a gas injector consisting on the one hand of several tips at the end of pressurized gas supply pipes sufficiently narrow so that the viscous substrate can not flow back into the gas pipe and secondly of a relaxed gas branch plate .
De manière préférée, lesdits moyens de mélange du substrat en fermentation comprennent des buses situées sous les plaques de dérivation. Preferably, said means for mixing the fermenting substrate comprise nozzles located under the branch plates.
Selon une mise en œuvre particulière, les moyens de mélange du substrat en fermentation comprennent des plaques de dérivation situées entre 5 et 20 centimètres au-dessus du plancher de chaque compartiment. According to one particular embodiment, the means for mixing the fermenting substrate comprise branch plates located between 5 and 20 centimeters above the floor of each compartment.
Selon un autre aspect particulier, le dispositif selon l'invention comprend un moyen de mesure de la viscosité de la matière épaisse en fermentation, permettant d'ajuster le débit du gaz d'agitation dans les secteurs de chaque compartiment. According to another particular aspect, the device according to the invention comprises a means for measuring the viscosity of the thick material in fermentation, making it possible to adjust the flow rate of the stirring gas in the sectors of each compartment.
De manière préférée, le moyen de mesure de la viscosité est un moyen de mesure du débit de gaz comprimé dans un caisson à volume et à une pression données détendu dans un secteur d'agitation sur une durée donnée, les valeurs de viscosité associées aux pressions, durées et débits ayant été, au préalable, prédéterminées et étalonnées par un viscosimètre industriel. Preferably, the viscosity measuring means is a means for measuring the flow rate of compressed gas in a box with a given volume and pressure in a stirring sector over a given period of time, the viscosity values associated with the pressures. , durations and flow rates having been previously predetermined and calibrated by an industrial viscometer.
Selon un autre aspect particulier, le dispositif selon l'invention comprend un moyen de régulation de l'équilibre acido-basique dans les compartiments, consistant en des vannes fermant les canalisations de transfert entre les compartiments pouvant être ouvertes lors de l'agitation, ceci engendrant l'aspiration d'un compartiment à l'autre et donc le flux puis le reflux du substrat de l'autre côté de la paroi. According to another particular aspect, the device according to the invention comprises a means of regulating the acid-base balance in the compartments, consisting of valves closing the transfer lines between the compartments which can be opened during stirring, this generating suction from one compartment to another and thus the flow and then the reflux of the substrate on the other side of the wall.
La présente invention concerne également un procédé de méthanisation en continu en voie visqueuse, comprenant les étapes suivantes : The present invention also relates to a continuous methanization process in the viscous process, comprising the following steps:
a) Introduction dans un fermenteur divisé en compartiments à ciels de gaz fermés et à pression variable d'une matière épaisse à fermenter dite « substrat », à forte viscosité comportant au moins 12% de matière sèche ; a) Introduction into a fermentor divided into compartments closed gas skies and variable pressure of a thick material to ferment said "substrate", high viscosity comprising at least 12% dry matter;
b) Hydrolyse et acidogenèse du substrat à une température hyperthermophile (de préférence entre 65° et 72°C) et à un pH d'environ 5,5 ; b) hydrolysis and acidogenesis of the substrate at a hyperthermophilic temperature (preferably between 65 ° and 72 ° C) and at a pH of about 5.5;
c) Acétogenèse et méthanogenèse du substrat à une température thermophile c) Acetogenesis and Methanogenesis of the Substrate at a Thermophilic Temperature
(55°C environ) et à un pH compris entre 6,8 et 7,5 ; (About 55 ° C.) and at a pH of between 6.8 and 7.5;
d) Récupération du biogaz ainsi produit ; (d) recovery of the biogas thus produced;
caractérisé en ce que le mélange du substrat en fermentation dans les secteurs d'agitation de chaque compartiment est effectué par injection de biogaz comprimé détendu sous des plaque de dérivation fixées au plancher de chaque compartiment. characterized in that the mixing of the fermenting substrate in the stirring sectors of each compartment is effected by compressed compressed biogas injection under bypass plates fixed to the floor of each compartment.
Selon une mise en œuvre préférée, le procédé selon l'invention comprend de plus une étape d'hydrométhanisation par re-circulation du biogaz produit lors des étapes
précédentes dans un compartiment destiné à l'hydrométhanisation, via des rampes microporeuses situées sur le plancher dudit compartiment. According to a preferred embodiment, the process according to the invention further comprises a step of hydromethanisation by re-circulation of the biogas produced during the steps in a compartment for hydromethanization, via microporous ramps located on the floor of said compartment.
Selon une autre mise en œuvre spécifique, le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que la pression partielle de dioxyde de carbone dans le ciel de gaz fermé du compartiment destiné à l'hydrométhanisation est ajustée de manière à maintenir dans ce compartiment un pH compris entre 6,8 et 7,5. According to another specific implementation, the process according to the invention is characterized in that the partial pressure of carbon dioxide in the closed gas space of the compartment intended for hydromethanization is adjusted so as to maintain a pH in this compartment. between 6.8 and 7.5.
Selon cette mise en œuvre, la pression partielle de dioxyde de carbone peut être régulée par l'ajustement de la pression totale en fonction du taux de dioxyde de carbone et du volume de ciel de gaz, par le moyen de vannes à ouverture variable sur chaque ciel de gaz. Selon une autre mise en œuvre spécifique, le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que l'équilibre acido-basique des compartiments est régulé par l'ouverture des vannes fermant les canalisations de transfert entre les compartiments lors de l'agitation, ceci engendrant l'aspiration d'un compartiment à l'autre et donc le flux puis le reflux du substrat de l'autre côté de la paroi. According to this implementation, the partial pressure of carbon dioxide can be regulated by the adjustment of the total pressure as a function of the carbon dioxide content and the volume of gas sky, by means of variable opening valves on each gas sky. According to another specific implementation, the process according to the invention is characterized in that the acid-base balance of the compartments is regulated by the opening of the valves closing the transfer lines between the compartments during agitation, this generating suction from one compartment to another and thus the flow and then the reflux of the substrate on the other side of the wall.
COMPARTIMENT D'HYDROMÉTHANISATION HYDROMETHANIZATION COMPARTMENT
Le terme « hydrométhanisation » désigne la transformation chimique représentée par l'équation suivante : C02 + 4 H2—► H20+ CH4. The term "hydromethanization" refers to the chemical transformation represented by the following equation: CO2 + 4H 2 -> H 2 O + CH 4.
Dans le compartiment d'hydrométhanisation, du dihydrogène H2 est introduit afin de favoriser la transformation du dioxygène de carbone C02 en méthane CH4, ceci permettant d'augmenter le proportion de CH4 dans le biogaz produit dans le fermenteur selon l'invention. La présente invention concerne un dispositif de méthanisation en continu en voie visqueuse dans un fermenteur divisé en compartiments à ciels de gaz fermés et à pression variable caractérisé en ce qu'il comprend des moyens : In the hydromethanization compartment, hydrogen H 2 is introduced in order to promote the conversion of C 2 carbon dioxide into CH 4 methane, which makes it possible to increase the proportion of CH 4 in the biogas produced in the fermentor according to the invention. The present invention relates to a continuous methanization device in a viscous manner in a fermenter divided into closed gas and variable pressure gas compartments characterized in that it comprises means:
D'introduction et de transfert d'une matière épaisse à fermenter dite « substrat », à forte viscosité comportant au moins 12% de matière sèche dans un premier compartiment destiné à l'hydrolyse et à l'acidogenèse maintenu à une température hyperthermophile, de préférence entre 65° et 72°C, puis dans plusieurs compartiments destinés à l'acétogenèse et à la méthanogenèse maintenus à une température thermophile, de préférence environ 55°C, Introduction and transfer of a thick material to ferment said "substrate", high viscosity comprising at least 12% dry matter in a first compartment for hydrolysis and acidogenesis maintained at a hyperthermophilic temperature, preferably between 65 ° and 72 ° C, then in several compartments for acetogenesis and methanogenesis maintained at a thermophilic temperature, preferably about 55 ° C,
De mélange du substrat en fermentation dans les secteurs d'agitation de chaque compartiment par injection de biogaz comprimé, Mixing the fermentation substrate in the agitation sectors of each compartment by compressed biogas injection,
De régulation du transfert du substrat en fermentation d'un compartiment à l'autre par l'aspiration créée par le flux de gaz sous pression de part et d'autre de la paroi de séparation des compartiments,
De régulation du pH du premier compartiment à 5,5 environ pour produire du dihydrogène, et Regulating the transfer of the fermentation substrate from one compartment to another by the suction created by the flow of gas under pressure on either side of the partition wall of the compartments, Regulating the pH of the first compartment to about 5.5 to produce dihydrogen, and
De recirculation du gaz contant du dihydrogène produit dans les premiers compartiments à travers des rampes microporeuse situées sur le plancher d'un dernier compartiment destiné à l'hydrométhanisation. Recirculation of the gas containing dihydrogen produced in the first compartments through microporous ramps located on the floor of a final compartment for hydromethanization.
De manière préférée, ce dispositif comprend de plus des moyens d'ajustement de la pression partielle de C02 dans le ciel de gaz fermé du compartiment destiné à l'hydrométhanisation, afin de maintenir le pH dudit compartiment compris entre 6,8 et 7,5. De manière encore plus préférée, ce dispositif comprend de plus des moyens d'introduction de dihydrogène exogène dans le ciel de gaz du dernier compartiment destiné à l'hydrométhanisation, lesdits moyens comprenant des rampes microporeuses situées sur le plancher du dernier compartiment pour produire du biométhane à au moins 95% de CH4. REGULATION DU pH Preferably, this device further comprises means for adjusting the CO 2 partial pressure in the closed gas space of the compartment intended for hydromethanisation, in order to maintain the pH of said compartment between 6.8 and 7.5 . Even more preferably, this device further comprises means for introducing exogenous dihydrogen into the gas sky of the last compartment intended for hydromethanization, said means comprising microporous ramps located on the floor of the last compartment to produce biomethane at least 95% CH4. PH REGULATION
Les moyens de maintien d'une certaine valeur de pH dans les différents compartiments sont des moyens essentiels pour la mise en œuvre de l'invention. Means for maintaining a certain pH value in the different compartments are essential means for the implementation of the invention.
En effet, dans un processus de méthanisation classique, le pH augmente au fur et à mesure que la matière organique biodégradable est réduite en biogaz. Ceci s'accompagne d'une augmentation de l'azote sous sa forme ammonium. Le substrat de fermentation se basifie pour atteindre dans la dernière partie du processus un niveau de pH le plus souvent supérieur à 8. Celui-ci ralentie la dynamique de réduction des acides gras volatils non encore réduit. Ce ralentissement de la cinétique de dégradation est le plus souvent compensé par des temps de séjour hydraulique élevé. Indeed, in a conventional methanation process, the pH increases as the biodegradable organic matter is reduced to biogas. This is accompanied by an increase in nitrogen in its ammonium form. The fermentation substrate is basified to reach in the last part of the process a pH level most often greater than 8. It slows down the dynamics of reduction of volatile fatty acids not yet reduced. This slowing of the kinetics of degradation is most often compensated by high hydraulic residence times.
La présente invention propose un dispositif et un procédé dans lequel la valeur de pH est régulée: The present invention provides a device and a method in which the pH value is regulated:
a) dans le ou les compartiments destinés à l'étape d'hydrolyse et acidogenèse, afin que celui-ci soit compris entre 4,5 et 6, de préférence compris entre 5 et 6, et a) in the compartment or compartments intended for the hydrolysis and acidogenesis step, so that it is between 4.5 and 6, preferably between 5 and 6, and
b) dans les compartiments destinés à l'acétogenèse et à la méthanogenèse, afin que le pH soit compris entre 6,8 et 7, 5, et de préférence compris entre 6,8 et 7,3. b) in compartments for acetogenesis and methanogenesis, so that the pH is between 6.8 and 7.5, and preferably between 6.8 and 7.3.
Les moyens permettant d'obtenir ce maintien des pH adéquats sont exposés de manière détaillée dans la présente demande. The means for obtaining this maintenance of the appropriate pH are described in detail in the present application.
Dans le dispositif et le procédé selon l'invention, le pH est maintenu dans une plage de préférence entre 6,8 et 7,3 dans les compartiments destinés à l'acétogenèse et la méthanogenèse, par la solubilisation du dioxyde de carbone générée par une pression
partielle de dioxyde de carbone adaptée et constante, notamment dans les deux derniers compartiments. Une partie du dioxyde de carbone solubilisé grâce à la pression partielle de dioxyde de carbone suffisante est réduit en méthane de manière concomitante par le dihydrogène généré, notamment dans l'étape d'hydrolyse et d'acidogénèse et contenu dans le gaz recirculé. In the device and method according to the invention, the pH is maintained in a range preferably between 6.8 and 7.3 in the compartments intended for acetogenesis and methanogenesis, by the solubilization of the carbon dioxide generated by a pressure partial carbon dioxide adaptation and constant, especially in the last two compartments. Part of the solubilized carbon dioxide due to the sufficient partial pressure of carbon dioxide is reduced in methane concomitantly with the generated hydrogen, especially in the hydrolysis and acidogenesis step and contained in the recirculated gas.
Dans le même temps on améliore la cinétique de dégradation en maintenant le pH, de préférence, entre 6,8 et 7,3 tout au long du processus. De ce fait on augmente le taux de réduction du substrat, on produit ainsi plus de méthane dans le biogaz dans un temps de séjour hydraulique réduit. Le volume des fermenteurs est plus petit. At the same time, the kinetics of degradation are improved by maintaining the pH, preferably between 6.8 and 7.3 throughout the process. As a result, the reduction rate of the substrate is increased, thus producing more methane in the biogas in a reduced hydraulic residence time. The volume of fermenters is smaller.
En régulant le pH et en réduisant le temps de séjour hydraulique dans le dernier compartiment dans lequel on recircule le biogaz qui s'enrichi à chaque étape, on favorise le développement de l'activité hydrogénotrophe. Les bactéries hydrogénophiles ont des vitesses de croissance et de renouvellement de quelques heures et de moins de douze heures. Un temps de séjour hydraulique inférieur à trois jours environ ne permet pas le renouvellement des bactéries acétoclaste alors que les bactéries hydrogénophile ont des vitesses de croissance et de renouvellement de quelques heures.
By regulating the pH and reducing the hydraulic residence time in the last compartment in which the biogas which is enriched at each stage is recirculated, the development of the hydrogenotrophic activity is promoted. Hydrogenophilic bacteria have growth and renewal rates of a few hours and less than twelve hours. A hydraulic residence time of less than three days does not allow the renewal of acetoclast bacteria whereas the hydrogenophilic bacteria have growth and renewal rates of a few hours.