Domaine technique de l'invention

La présente invention concerne le domaine du traitement biologique des matières et déchets organiques volatiles ou non. Ces matières et déchets organiques peuvent être d’origines diverses, tels que des déchets d'abattoir, de cuisine et de table, des végétaux ou produits ligneux d’origine agricole, forestière ou industrielle. Ils peuvent être liquides comme du sang ou des rebuts de l'industrie laitière ou vinicole, ou solides comme des viscères, des drêches, des marcs ou la fraction fermentescible des déchets ménagers et assimilés. Plus précisément, l’invention concerne les procédés de digestion anaérobie ainsi que les procédés de compostage aérobie de matières organiques, mais surtout le couplage de ces deux modes de traitement sur une seule station.

L’invention porte donc sur un nouveau procédé qui couple en en seul dispositif un procédé de méthanisation et un procédé de compostage de matières et déchets organiques. L’invention porte également sur un nouveau dispositif pour mettre en œuvre ce procédé.

État de la technique

WO 2017/109398 (JUA Group) décrit une installation et un procédé de traitement biologique de déchets et effluents organiques par biodigestion. On sait que le traitement de matières organiques par biodigestion est avant tout soumis à des contraintes d’écologie bactérienne que tentent de respecter les techniques employées pour créer et maintenir un écosystème favorable pour les micro-organismes particuliers à ce type de bio-oxydation. Ainsi un biodigesteur est un réacteur qui accueille et entretient des populations de microbes strictement anaérobies qui sont amenées à croître et à se reproduire sur un substrat organique constitué de matières liquides ou solides en présence d’eau. Pour l’essentiel ces populations microbiennes particulières développent une activité de bio-oxydation, mais en l'absence de l'oxygène de l'air. La réaction n’est possible que lorsque les trois communautés bactériennes typiques de ce trophisme constituent un écosystème équilibré de telle sorte que l’essentiel des équivalents réducteurs (atomes de carbone et d’hydrogène) produits comme déchets au cours de l’anabolisme bactérien (hydrolyse, acidogenèse et acétogenèse) se retrouvent finalement dans le méthane (CH ₄ , méthanogenèse). Les espèces bactériennes concernées sont complexes et relativement variées, mais on connaît assez bien leurs caractéristiques biochimiques et les grands traits de leur écologie. Elles se classifient généralement en trois groupes: Les bactéries hydrolytiques et fermentatives, les bactéries acétogènes, et les bactéries méthanogènes.

La gestion de l'écosystème artificiel que constitue un bioréacteur anaérobie nécessite que l'on intervienne dynamiquement pour assurer certaines conditions physico-chimiques essentielles; telles que le pH, la température et le potentiel d'oxydoréduction et les besoins nutritionnels. La disponibilité en carbone digestible est notamment critique pour éviter des inhibitions fatales en présence d’acides gras volatile (couramment abrégé AGV) ou d’ammonium surnuméraires et pour optimiser la production de méthane.

Les paramètres critiques dans la conduite du procédé de biodigestion anaérobie sont le pH, la température, le potentiel d’oxydoréduction, et l’offre nutritionnelle et métabolique.

Le pH optimum de la digestion anaérobie se situe autour de la neutralité. Il est le résultat du pH optimum de chaque population bactérienne; celui des bactéries acidifiantes se situe entre 5,5 et 6, les acétogènes préfèrent un pH proche de la neutralité tandis que les méthanogènes ont une activité maximale dans une gamme de pH comprise entre 6 et 8. Toutefois, la méthanisation peut se produire dans des milieux légèrement acides ou alcalins.

L'activité du consortium méthanogène est étroitement liée à la température. Deux plages de températures optimales peuvent être définies : la zone mésophile (entre 35°C et 38°C) et la zone thermophile (entre 55°C et 60°C) avec une décroissance de l'activité de part et d'autre de ces températures. La majorité des espèces bactériennes a été isolée dans des environnements mésophiles, mais tous les groupes trophiques des étapes de digestion anaérobie possèdent des espèces thermophiles utilisant les mêmes voies métaboliques que les bactéries mésophiles avec des performances analogues ou supérieures. Il reste néanmoins possible de travailler à des températures différentes des optima avec des performances plus faibles.

Le potentiel d'oxydoréduction représente l'état de réduction du système, il affecte l'activité des bactéries méthanogènes. Ces bactéries exigent en effet, outre l'absence d'oxygène, un potentiel d'oxydoréduction inférieur à 330 mV pour initier leur croissance. Le potentiel Redox (Eh) est un indicateur de l'activité bioélectrique d'un milieu naturel ; plus il est bas plus il indique un niveau d'énergie important et disponible pour des échanges biochimiques dans le milieu considéré. Les substances humiques influent positivement sur le potentiel redox.

En ce qui concerne les besoins nutritionnels et métaboliques, comme tout micro organisme, chaque bactérie constituant la flore méthanogène demande un apport suffisant de macro-éléments (C, N, P, S) et d’oligo-éléments pour sa croissance. Les besoins en macro-éléments peuvent être évalués grossièrement à partir de la formule brute décrivant la composition d'une cellule (C ₅ H ₉ O ₃ N). Pour les bactéries méthanogènes, le milieu de culture doit avoir des teneurs en carbone (exprimée en Demande Chimique en Oxygène (DCO), en azote et en phosphore au minimum dans les proportions DCO/N/P égale à 400/7/1. L'ammonium est leur principale source d'azote. Certaines espèces fixent l'azote moléculaire alors que d'autres ont besoin d'acides aminés. Les besoins en azote représentant 11 % de la masse sèche volatile de la biomasse et les besoins en phosphore 1/5 de ceux de l'azote.

Les bactéries méthanogènes possèdent de hautes teneurs en protéines Fe-S qui jouent un rôle important dans le système transporteur d'électrons et dans la synthèse de coenzymes. Aussi la concentration optimale de soufre varie-t-elle de 1 à 2 mM (mmol/L) dans la cellule. Cette flore utilise généralement les formes réduites comme le sulfure d'hydrogène. Les méthanogènes assimilent le phosphore sous forme minérale.

Certains oligo-éléments sont nécessaires à la croissance des méthanogènes. Il s'agit plus particulièrement du nickel, du fer et du cobalt. En effet, ce sont des constituants de coenzymes et de protéines impliquées dans leur métabolisme. Le magnésium est essentiel puisqu'il entre en jeu dans la réaction terminale de synthèse du méthane ainsi que le sodium apparaissant dans le processus chimio-osmotique de synthèse de l'Adénosine Tri-Phosphate (ATP).

Il existe des facteurs de croissance stimulant l'activité de certains méthanogènes : acides gras, vitamines ainsi que des mélanges complexes comme l'extrait de levure ou la trypticase peptone.

En conclusion si l'on maîtrise aujourd'hui correctement le macro-modèle qui simule un processus de biodigestion, au point que l'on peut prédire sommairement l'ampleur et la forme des productions méthaniques et de la composition d'un digestat, il n'en reste pas moins que les procédés sont difficiles à mettre en œuvre. En effet, si l'on veut traiter un effluent organique donné, la fraction fermentescible des déchets ménagers et assimilés ou certains déchets organiques industriels ou issus des secteurs agricoles, ou encore un mélange d'intrants (co-digestion) il faut à chaque fois dédier le processus pour atteindre la meilleure productivité car à chaque substrat correspond un écosystème microbiologique optimum et les créneaux de rendement biochimique sont étroits. En d'autre termes, le défi consiste à concevoir et à mettre en œuvre un digesteur méthanique à faible investissement et faibles coûts d'exploitation mais parfaitement versatile en termes de ressources bactériennes pour assurer une productivité méthanique élevée quelle que soit la variation des contraintes d'intrants

Un bioréacteur sous condition anaérobie est un artefact qui tente d'optimiser les conditions de vie d'une colonie de micro-organismes donnés à un moment donné et / ou en un lieu donné afin de concentrer en un minimum de temps de rétention biologique, donc dans un volume de bioréacteur minimal, la production maximale de méthane qui résulte de la digestion des substrats mis en solution aqueuse ou plus généralement en absence d'oxygène gazeux. Un biodigesteur est constitué de quatre composants majeurs: une enceinte étanche et souvent calorifugée, un dispositif d'agitation ou de brassage, un dispositif de chauffage des digestats, et des dispositifs d'entrée sortie pour le substrat, le digestat et le biogaz.

Selon les procédés mis en œuvre on distingue deux grands types d'écosystèmes dans un tel réacteur : la biomasse fixée et la biomasse libre.

Dans un digesteur à biomasse fixée, l'enceinte sert non seulement à contenir le substrat et l'isoler de l'air mais aussi à fixer des colonies bactériennes anaérobies sur des supports adaptés. Certaines techniques en phase liquide utilisent des cellules fixatrices autonomes qui sont immergées dans le flux. D'une manière générale, l'avantage de ce procédé réside dans le maintien de la disponibilité des souches bactériennes malgré le transfert permanent ou séquentiel des flux de substrats traités, l'objectif recherché étant de n'avoir pas à redémarrer un ensemencement bactérien ou d'éviter de spécialiser la flore par apports chimiques. Plusieurs types de procédés fixant sont disponibles, certains par exemple granulent le substrat ou une partie du substrat entrant avant de l'ensemencer et le faire circuler dans l'enceinte du biodigesteur. En règle générale, les opérations de bio-oxydation des déchets ou matières organiques doivent satisfaire plusieurs critères d'efficacité et de biosécurité que l'on opère en réalisant des réglages et des ajustements critiques. Ainsi, dans un digesteur à biomasse libre ou fixée on fait appel à des procédés de renforcement de la biomasse active qui résultent du réchauffage et de la circulation des jus et éventuellement d'apports en oligo éléments et en correcteurs de pH. Le procédé est adaptatif et fait le pari de la capacité spontanée de la flore bactérienne à se spécialiser en fonction des contraintes du milieu, notamment en ce qui concerne la présence de nutriments en quantité importante. L'adaptabilité de la biomasse, laissée libre de quitter l'enceinte avec l'écoulement séquentiel ou continu des flux, et d'évoluer en fonction des contraintes de l'écosystème est renforcée par des actions «extérieures», thermiques (maintien en conditions mésophiles à 38°C ou thermophiles 55°C), chimiques (neutralisation des pH acides ou alcalins) et mécaniques (transferts, fluidification et brassage). En règle générale un biodigesteur nécessite donc soit un bon suivi des indications fournies par des capteurs, afin de permettre une réponse humaine de réglage en temps différé, soit l'analyse et le traitement automatique des signaux transmis par des capteurs inférant en temps réel l'actionnement d'effecteurs.

Au-delà de la différenciation entre biomasse fixée et population libre, réglages manuels ou automatisés, on distingue aussi deux types de dynamique des flux: le procédé peut être à chargement séquentiel (procédé « batch ») ou à alimentation continue.

Les procédés à chargement séquentiel ont comme caractéristique majeure qu'ils cherchent à établir, dans la même enceinte pour une seule dose de substrat, la succession des phases majeures de la digestion méthanique. Pour le dire autrement on peut considérer que dans ce contexte les populations bactériennes évoluent sur un substrat identique du début à la fin du cycle et n'ont donc pas besoin de dépenser de l'énergie pour s'adapter à des changements non attendus de leur écosystème, ce sont elles qui le transforment et non pas l'inverse. Ainsi dès lors que le chargement de la cuve est achevé, et il peut se faire en une journée comme en trois ou quatre, les conditions optimum de démarrage de la phase d'hydrolyse sont apportées (température, pH, nutriments, ensemencement). C'est ensuite le tour de la phase transitoire d'acidogenèse qui est régulée pour permettre le déclenchement de l'acétogenèse et enfin de la méthanogenèse. En théorie ce procédé présente l'intérêt d'avoir un Temps de Rétention Hydraulique (TRH) plus court que celui des protocoles en flux continu et d'être plus facile à maîtriser. D'une manière générale il faut disposer de plusieurs cuves fonctionnant en parallèle qui sont activées l'une après l'autre au fur et à mesure de leur remplissage. En cas de dysfonctionnement d'une cellule on peut continuer le traitement avec les autres. C'est aussi un procédé où les cuves sont plus petites et qui acceptent généralement des substrats plus denses en matière sèche. Néanmoins, le chargement séquentiel oblige à multiplier les enceintes et les dispositifs annexes tels que les trémies de chargement, les valves et autres pompes. Par ailleurs, l’évolution spontanée des microbiomes anaérobies en corrélation avec la succession des phases de la digestion n’est pas garantie et nécessite souvent des interventions externes pour contrer des inhibitions, réguler les demandes en nutriments et la dynamique acide base

Quoi qu’il en soit, l'alimentation continue s'oppose strictement au chargement séquentiel sur plusieurs plans. D'abord parce que dans le premier cas l'écosystème et particulièrement la flore bactérienne sont amenés à être polyvalents, ou plutôt à faire coexister dans la même enceinte et en même temps mais pas forcément dans la même zone du volume de bioréaction des bactéries et leurs co-enzymes pour les quatre phases du cycle. Ensuite parce que pour obtenir un TRH suffisant il faut dimensionner la cuve sur des volumes très importants ce qui entraîne des dépenses énergétiques proportionnelles pour maintenir une température adaptée et surtout pour brasser le mélange en continu afin d'éviter la formation d'une croûte en surface, d’une accumulation de sédiments trop denses au fond de la cuve et pour assurer une circulation minimale à l’intérieur des bioréacteurs pour que le transit des substrats parcoure toute la variété des biomes bactériens.

Il faut néanmoins noter que ce procédé, très ancien puisque les biodigesteurs domestiques ou fermiers chinois sont majoritairement alimentés en continu, s'adapte bien aux micro-gisements de substrats organiques homogènes à très faible variabilité. En effet avec des dimensions très faibles (quelques dizaines de m ³ ), des déchets de qualité et quantité stables, ils sont faciles à entretenir si tant est qu'on ne cherche pas à évacuer les sédiments en temps réel mais plutôt les flux en phase liquide ou turbide (éluats) qui peuvent être ensuite valorisés en épandage. Il n’en reste pas moins qu’après plusieurs cycles de fonctionnement ces petites unités doivent être arrêtées et vidangées de leurs sédiments qui à force de s'accumuler réduisent le volume utile de l'installation et nuisent au développement de la flore bactérienne. Seuls certains procédés industriels arrivent à produire en plus du biogaz, des flux très chargés dont on extrait par décantation et / ou essorage des digestats qui sont généralement difficilement valorisables en tant que fertilisant biologique. L'avantage de ce procédé, au niveau industriel ou domestique, réside donc essentiellement dans sa capacité à accepter un flux continu de déchets ou d'effluents à faible charge organique avec des productions de biogaz moyennes mais une valorisation possible des effluents extraits et plus difficilement de la fraction « solide » des digestats.

Sur la base de ce qui vient d’être décrit, deux types majeurs de procédés continuent de se concurrencer, à savoir les procédés à phase unique et les procédés à phases différenciées.

Dans le premier cas, que le biodigesteur soit de type séquentiel ou continu, à biomasse fixée ou libre, l'ensemble des phases se déroule dans la même enceinte. Ce sous- système est soit gravitaire (sédimentation) soit à contre flux et est largement majoritaire. Les variations technologiques fondamentales concernent les modalités du mélange séquentiel ou linéaire des substrats (brassé vs pulsé vs infiniment mélangé), les modalités d’introduction des substrats et d'extraction des digestats et éluats.

Dans le second cas et en théorie, chacune des quatre phases peut être confinée dans une cuve distincte et le passage du substrat modifié à l'issue de chaque phase vers la suivante est assuré par un système mécanique ou hydraulique. En réalité l'état de l'art favorise nettement les systèmes bi-phase au sein desquels hydrolyse et acidogenèse sont confinées dans une première enceinte alors que l'acétogenèse la méthanogenèse sont assurés ensemble dans la seconde enceinte. Le but recherché par ces procédés multiphases est de mieux gérer les phases individuellement en jouant sur les micro conditions optimisant ces différents écosystèmes.

Plus complexes et coûteux, les procédés à phases différenciées ont néanmoins un meilleur rendement en termes de biodégradabilité notamment pour des substrats qui requièrent une forte spéciation enzymatique et / ou un environnement chimique ou thermique particulier. Par contre pour un flux de déchets homogènes dans le temps et d'une composition n'offrant pas de risques particuliers (surtout au stade de l'acétogenèse) il est généralement considéré que ce procédé n'apporte pas de valeur ajoutée suffisante pour légitimer la complexité et l'investissement requis.

Enfin, on fait la distinction entre trois types de biodigesteurs selon la concentration de Solides Totaux mis en Suspension (STS) dans les flux, c'est à dire la proportion de Matière Sèche (MS) mise en solution dans le digesteur. Ainsi on distingue les biodigesteurs à faible concentration de MS avec moins de 10 % de STS, les biodigesteurs à concentration moyenne de MS, contenant entre 15% et 20% de STS, et les biodigesteurs à haute concentration en MS, contenant entre 22% et 40% de STS ; toutes ces indications sont données en pourcentage massique.

Les biodigesteurs de flux à faible teneur en STS ont comme intrants principaux des effluents industriels ou domestiques, comme c'est le cas pour les stations de traitement des eaux usées ou des intrants solides fortement volatiles et riches en composants inhibants (AGV, NhV) fortement dilués. Ces biodigesteurs ont une configuration particulière ; le principe consiste à utiliser le biodigesteur comme une cuve de sédimentation où les STS sont retenus et traités par voie anaérobie alors qu'un flux d'eau plus ou moins épuré s'en échappe. Ainsi, le Temps de Rétention Biologique (TRB) des STS y est plus important que celui du flux total (TRH) car le biodigesteur intègre un système de décantation passive ou active et un système de rétention / dégradation anaérobie des MS digestibles sédimentées.

En tant que tel ces biodigesteurs sont impropres au traitement des déchets organiques solides sauf à ce que ces derniers soient broyés et mis en solution avec des effluents qui constitueront toujours la majorité de l'intrant ou fortement dilués. Sous ces protocoles, la production de biogaz et de digestats (en l'occurrence sous forme de boues) est relativement faible mais on recherche surtout leur capacité d'épuration primaire d'un effluent, et leur bilan énergétique s'équilibre avec la cogénération du biogaz. Éventuellement la productivité de ces sous-systèmes s'améliore avec la revente des liqueurs de digestats (éluats) en tant que fertilisants organiques liquides lorsqu’ils peuvent d’une part faire la preuve d’une stabilité biologique avérée et être acheminés sur des zones étendues afin de garantir une faible concentration à l’épandage ce qui est toujours difficile à assurer dans des conditions d’exploitation normales sauf à accepter des coûts logistiques significatifs pour élargir suffisamment la zone d’épandage. Avec ce type de procédé les charges volumiques maximales applicables sont de l’ordre de 2 à 5 kg de DCO/ m ³ /j.

La famille des biodigesteurs à concentration moyenne en STS est la plus courante. Sous cette configuration un substrat digestible solide est mis en solution dans deux à trois fois son poids en eau. Cette modalité de densité en matière organique mise en solution correspond à une recherche d'équilibre entre la quantité de matière digestible, sa viscosité et sa coalescence dans l'enceinte du digesteur et la capacité du milieu anaérobie à abriter et maintenir des populations bactériennes sans risquer leur inhibition par voie de saturation biochimique. En effet, pour que l'activité bactérienne opère dans les meilleures conditions il est nécessaire que le digestat ne se compacte pas tant qu'il peut être mobilisé au fur et à mesure des différentes phases de la biodigestion. Ce procédé s'adapte donc au traitement de la fraction digestible des déchets organiques solides sous réserve d'un tri efficace en amont pour évacuer les indésirables et d'un broyage relativement fin qui autorise le transfert hydraulique de la masse digestible et la prolifération d'une forte diversité bactérienne.

Plus approprié aux procédés à chargement continu que séquentiel, les biodigesteurs à concentration moyenne en MS profitent particulièrement des systèmes à biomasse fixée car le flux de substrat a un débit suffisamment important pour appauvrir les flores résidentes. D'une manière générale, les charges volumiques à appliquer peuvent atteindre 15 à 20 kg DCO/m ³ /j. Les temps de séjour hydraulique varient entre 4 et 5 semaines. Sous cette configuration les rendements en biogaz sont bons et la production de digestats sous la forme d’un substrat plus ou moins fibré nécessite pour le moins une décantation si ce n'est une centrifugation.

Certains gisements de déchets organiques sont constitués d'une fraction solide importante avec une digestibilité faible : la masse de MS est importante mais la proportion de Matière Organique Volatile (MOV) sur la MS est faible. Dans la mesure où l'on ne peut valablement concentrer la MOV de ces déchets il est souhaitable de disposer d'une technologie qui autorise leur traitement par voie anaérobie. Certains biodigesteurs sont conçus pour ce type d'application ; ils sont dits à Haute concentration en MS.

La spécificité de ces biodigesteurs réside dans le mode d'avancement et de brassage du substrat et dans le fait qu'il s'agit presque exclusivement de bioréacteurs à chargement séquentiel et à biomasse libre, mais avec ensemencement. D'une manière générale, il faut noter qu'au-delà d'un certain seuil de teneur en MOV, il existe un risque de surcharge qui peut entraîner une inhibition de la méthanogenèse ce qui est surtout valable pour les déchets riches en protéines animales (carcasses et graisses) ou en ammonium (litières et lisiers). De plus les charges volumiques à appliquer peuvent atteindre 40 kg DCO/m ³ /j. Les temps de séjour hydraulique varient entre 2 et 3 semaines.

Il faut ainsi prendre en compte le fait qu'au-delà de 3 g / I, l'ammonium (NH4 ⁺ ) est un inhibiteur de la méthanogenèse. On sait aussi que cette limite de 3 g / 1 de NH4 ⁺ ne doit pas être dépassée pour des déchets dont le rapport C / N est égal ou inférieur à 20 avec un taux de MOV de l'ordre de 60% de la MO.

Au-delà et en complément de la dilution avec de l’eau la technique la plus pratiquée pour maintenir ces substrats organiques particuliers en deçà du seuil d’inhibition consiste à mélanger les déchets trop riches en protéines (viscères, poisson, produits laitiers, carcasses et autres déchets carnés) avec des substrats carbonés.

L'alternative à l'approche par régulation du mélange consiste à abattre le taux de MOV des déchets (surtout la proportion d'ammonium) en les soumettant à une phase préalable de fermentation aérobie thermophile intense, mais celle-ci requiert de toute façon que les déchets carnés soient mélangés à des substrats carbonés.

Une autre alternative consiste en un traitement thermique à basse température induisant une thermolyse qui affecte particulièrement les AGV et les restitue dans une configuration de digestibilité accrue. Ces trois techniques peuvent être mobilisées ensemble, le traitement thermique intervenant séquentiellement en premier lieu.

Pour conclure, quel que soit le procédé de digestion méthanique retenu, quatre paramètres contribuent fortement à assurer une productivité biologique satisfaisante et une faisabilité économique avérée :

Premièrement, le brassage profond en déplacement positif, non destructeur des biomes structurés établis par les colonies bactériennes au sein des digestats en cours de maturation anaérobie en présence et de leurs commensaux enzymatiques. Ce brassage est particulièrement nécessaire dans la zone de sédimentation compactante où il doit favoriser une dynamique de bioturbation active.

Deuxièmement, le traitement des digestats pour les rendre valorisables en tant que biofertilisant, sans risque environnemental ou biologique. Cela est généralement achevé après séparation de phase liquide / solide ou plus rarement par maturation aérobie thermophile.

Troisièmement, la disponibilité de carbone organique digestible sous une forme progressivement mobilisable et en proportion de la demande particulière de chaque phase de la digestion méthanique afin de rester toujours en dessous du seuil d’inhibition en AGV et ammonium.

Quatrièmement la gestion thermique des bioréacteurs pour atteindre et maintenir une température optimale qui requiert des apports énergétiques d’autant plus significatifs que le volume des cuves est important, ou dit autrement, d’autant plus que la dilution est importante au sein des bioréacteurs

La présente invention cherche à apporter une solution intégrée aux difficultés que rencontrent les différents procédés existants de digestion méthanique confrontés aux risques d’inhibition par défaut de carbone digestible ou par manque d’eau de dilution, à l’impossibilité de rejeter dans l’environnement des digestats bruts et aux dépenses énergétiques requises du fait des besoins thermiques des bioréacteurs.

Objets de l'invention

La présente invention concerne les procédés de digestion anaérobie multi-phase à chargement continu aussi bien que séquentiels infiniment mélangés, quelle que soit leur teneur en solides organiques volatiles, qu’ils soient à biomasse libre ou fixée, mésophiles ou thermophiles.

L’invention concerne de préférence des procédés multiphases à chargement continus, mésophiles et thermophiles et à haute teneur en solides volatiles et à biomasse fixée.

Selon un aspect essentiel de l’invention, on couple un équipement de digestion méthanique avec un équipement de compostage en vase clos, ce qui permet de réaliser l’ajout de compost bruts et l’injection de percolâts de compostage dans le digesteur, d'assurer le traitement des digestats par co-compostage avec des matières ligneuses pour produire un biofertilisant stable et équilibré. Cela permet également, et de manière avantageuse de capter de la chaleur dans le silo de compostage pour la transférer dans les cuves du bio-digesteur.

Ainsi, un premier objet de l’invention est un procédé continu de traitement de déchets organiques se déroulant dans une installation couplée, ledit procédé de traitement de déchets organiques comportant un procédé de digestion anaérobie d’une première partie desdits déchets, qui se déroule dans au moins une enceinte de digestion, et un procédé de compostage aérobie d’une deuxième partie desdits déchets qui se déroule dans au moins une enceinte de compostage, dans lequel procédé de traitement de déchets organiques: on recueille à l’issue dudit procédé de digestion anaérobie du digestat et du biogaz, on recueille à l’issue dudit procédé de compostage aérobie du compost et du percolât humique, on introduit au moins une partie dudit digestat dans ledit procédé de compostage aérobie, on introduit au moins une partie dudit percolât humique dans ledit procédé de digestion anaérobie.

Typiquement, ladite première partie desdits déchets organiques comporte majoritairement des déchets organiques volatils, sélectionnés dans le groupe formé par : les déchets d'abattoir, les déchets de laiterie, les déchets de vinification, les déchets de transformation du poisson, les déchets de transformation de la viande, les déchets d'élevage stabulaire, les déchets de cuisine et de table, les déchets organiques en provenance des industries agro-alimentaires.

Typiquement, ladite deuxième partie desdits déchets organiques comporte majoritairement des déchets organiques structurants, qui sont majoritairement des polymères organiques de type lignine, cellulose, hémicellulose, et/ou kératine, et/ou ladite deuxième partie desdits déchets organiques comporte majoritairement des déchets sélectionnés dans le groupe formé par : les déchets de sciage (tels que la sciure ou des déchets de bois de scierie), les déchets forestiers broyés, les déchets ou produits en bois broyés, des cartons bruns, les végétaux broyés d’origines diverses tel que l’élagage, le débroussaillage, le ramassage de feuilles mortes, les déchets agricoles diverses telles que de la paille.

Dans un mode de réalisation préféré, ledit procédé de compostage aérobie se déroule dans au moins une enceinte de compostage, de préférence verticale pour assurer une hauteur suffisante au processus de percolation, et pourvue d’un premier échangeur de chaleur par lequel ladite enceinte de compostage chauffe un fluide caloporteur à une première température, et/ou ledit procédé de digestion aérobie se déroule dans au moins une enceinte de digestion pourvue d’un deuxième échangeur de chaleur par lequel ladite au moins une enceinte de digestion est chauffée par ledit liquide caloporteur se trouvant à une deuxième température, inférieure à ladite première température. De manière très avantageuse, ladite première partie desdites déchets organiques est soumise à un prétraitement thermique dans une enceinte de prétraitement thermique, à une température supérieure à 45 °C, et de préférence comprise entre 70°C et 80°C, avant d’être refroidi et admise dans ladite enceinte de digestion anaérobie.

De manière avantageuse, ladite enceinte de prétraitement thermique est pourvue d’un troisième échangeur de chaleur.

Dans un mode de réalisation avantageux, au moins une partie dudit fluide caloporteur chauffé par ledit premier échangeur de chaleur est conduite dans ledit deuxième échangeur de chaleur.

Le biogaz généré par le procédé de digestion anaérobie ou le biométhane qui en est extrait par filtration. Il peut alimenter en carburant un brûleur pourvu d’un quatrième échangeur de chaleur qui chauffe un liquide caloporteur, qui est en communication thermique avec ledit deuxième échangeur de chaleur et/ou ledit troisième échangeur de chaleur.

Dans un mode de réalisation particulier, ledit brûleur est en communication énergétique avec générateur d’énergie électrique, qui, de préférence, alimente en énergie électrique au moins une partie de ladite installation.

Un autre objet de la présente invention est une installation configurée pour exécuter le procédé selon l’invention. Cette installation comprend :

- une unité de digestion anaérobie pour le traitement de ladite première partie des déchets organiques, comportant successivement une première enceinte destinée au déroulement de l’hydrolyse et de l’acidogenèse, une deuxième enceinte destinée au déroulement de l’acétogenèse, une troisième enceinte destinée au déroulement de la méthanogenèse, et une quatrième enceinte destinée au dégazage, lesdites quatre enceintes étant successivement en connexion fluidique (préférentiellement pas sur-verse assistée) pour permettre le transfert de des déchets traités d’une enceinte à la suivante, ladite unité de digestion anaérobie étant configurée pour produire essentiellement du digestat et du biogaz ; - une enceinte de compostage destinée au déroulement du compostage aérobie de ladite deuxième partie des déchets organiques, configurée pour produire essentiellement du compost et des percolâts humiques ;

- des moyens de transfert dudit digestat de ladite enceinte de dégazage vers ladite unité de compostage aérobie ;

- des moyens de transfert dudit compost et dudit percolât vers ladite unité de digestion anaérobie.

De manière très avantageuse, l’installation comporte une enceinte de prétraitement thermique disposée en amont de ladite unité de digestion anaérobie de manière à ce que ladite première partie des déchets organiques destinée à entrer dans ladite unité de digestion anaérobie passe par ladite enceinte de prétraitement thermique.

Dans un mode de réalisation avantageux, l’installation est configurée de manière à ce que : au moins une desdites enceintes de ladite unité de digestion anaérobie soit chauffée à l’aide d’un liquide caloporteur ; ladite enceinte de prétraitement thermique soit chauffée à l’aide d’un liquide caloporteur ; ladite enceinte de compostage aérobique soit refroidie par un liquide caloporteur ; la chaleur récupérée sur ladite enceinte de compostage aérobique soit utilisée pour chauffer au moins une desdites enceintes de ladite unité de digestion anaérobie, et/ou ladite enceinte de prétraitement thermique soit chauffée à l’aide d’un liquide caloporteur.

Au moins une partie de la chaleur transmis par l’enceinte de compostage aérobique au liquide caloporteur qui la refroidit peut être utilisé pour chauffer au moins une des unités de digestion anaérobie.

De manière avantageuse, l’installation comprend un brûleur configuré pour brûler la fraction énergétique du biogaz (qui comporte majoritairement du méthane) produit par ladite enceinte de digestion anaérobique. Cette énergie thermique peut être utilisée de deux manières différentes, qui peuvent être combinées au sein de l’installation : d’une part, ledit brûleur peut être configuré pour chauffer un fluide caloporteur qui est en communication thermique avec au moins une desdites enceintes de ladite unité de digestion anaérobie et/ou avec ladite enceinte de prétraitement thermique. D’autre part, ledit brûleur peut être associé à un dispositif générateur d’énergie électrique. L’installation peut être configurée de manière à ce que le dit dispositif générateur d’énergie électrique puisse alimenter ladite installation en énergie électrique, pour une partie ou pour la totalité de ses besoins, sachant que l’installation comprend des moyens accessoires, tels que des pompes, convoyeurs, électrovannes, qui utilisent de l’énergie électrique.

Ainsi, l’invention permet de réaliser une installation traitement de déchets organiques, associant la digestion anaérobie au compostage aérobie, et impliquant le compostage des digestats et le recyclage des percolâts humiques dans la digestion anaérobie, qui peut couvrir au moins une partie de ses propres besoins en énergie électrique et/ou thermique.

Figures

[Fig.1] présente un schéma d’un mode de réalisation avantageux du procédé selon l’invention.

[Fig. 2] présente un premier détail du schéma selon la figure 1.

[Fig.3] présente un deuxième détail du schéma selon la figure 1.

[Fig.4] est une représentation schématique simplifiée d’un dispositif utilisable pour mettre en œuvre le procédé selon l’invention.

Les repères numériques à trois chiffres se réfèrent à des éléments du dispositif, alors que les repères numériques à quatre chiffres désignent des étapes ou aspects du procédé.

Description détaillée

D’une manière générale, le procédé selon l’invention permet d’utiliser des déchets organiques d’origines très diverses. Il peut s’agir notamment de déchets d'abattoir, de déchets de cuisine et de table, de végétaux ou produits ligneux d’origine agricole, forestière ou industrielle. D’une manière générale, le procédé selon l’invention permet d'utiliser des déchets liquides comme du sang ou des rebuts de l'industrie laitière ou vinicole, et des déchets solides comme des viscères, des drêches, des marcs ou la fraction fermentescible des déchets ménagers et assimilés.

Le procédé selon l’invention sera décrit ici de manière détaillée d’abord en relation avec la figure 1.

Le procédé selon l’invention mobilise deux matières premières différentes, qui sont toutes deux des matières ou des déchets organiques. La première matière première est constituée de matières ou déchets organiques dits structurants (essentiellement des polymères organiques de type lignine, cellulose, hémicellulose, kératine). La deuxième matière première est constituée de matières et déchets organiques volatiles (essentiellement des molécules organiques de type sucres, protéines, hydrates de carbone, donc faiblement polymérisés).

Ces matières premières et leurs transformations biologiques seront expliquées en référence à la figure 1 qui montre de manière schématique un mode de réalisation de l’invention. Sur cette figure, les traits pleins représentent un flux de matière, les traits pointillés un flux énergétique. Les boîtes épaisses représentent un réacteur, les autres boîtes représentent un produit ou une étape de procédé.

Le procédé selon l’invention utilise comme matière première des déchets organiques approvisionnés sous la forme de matières et déchets organiques structurants (repère 1000). Il s’agit de déchets majoritairement solides, hautement polymérisés, qui sont difficiles à dégrader par voie biologique anaérobie; à ce titre ils peuvent comprendre de la matière ligneuse ou autres matières cellulosiques et/ou de la kératine. Il peut s’agir notamment de déchets de sciage, de sciure, de végétaux broyés d’origine diverses (élagage, débroussaillage, ramassage de feuilles mortes ou de paille), de déchets forestiers broyés, de produits en bois broyés, des cartons (notamment des cartons bruns). Ces déchets sont approvisionnés sous une forme divisée, par exemple sous forme de granulat ou broyât ne dépassant pas une dimension typique d’environ 50 mm x 20 mm (et de préférence ne dépassant pas une dimension d’environ 30 mm x 20 mm). Ils peuvent être secs ou humides.

Ces déchets organiques solides peuvent subir un nouveau broyage qui permet de les amener à une granulométrique plus fine (repère 1010). Ce broyage peut être réalisé par exemple dans un dispositif de type broyeur lent à couteau à double axe, alimenté en matière par une trémie de chargement. Ils sont ensuite transférés, typiquement par l’intermédiaire d’une trémie, dans une enceinte de compostage (repère 1020) qui agit comme un bioréacteur. Comme il sera décrit ci-dessous, selon une caractéristique essentielle du procédé selon l’invention ces déchets structurants seront mélangés en vue de leur compostage avec une autre fraction résultant du procédé selon l’invention, à savoir le digestat issu de la digestion anaérobie des déchets organiques volatils.

Le procédé de compostage est un procédé aérobie qui se déroule en deux phases distinctes ; pour cette raison, ladite enceinte de compostage, qui est typiquement réalisée sous la forme d’un silo vertical, présente deux compartiments, dont chacun est dédié à l’une des deux phases du procédé de compostage. Ces deux phases sont représentées sur la figure 2.

La première phase 1022 du procédé de compostage 1020 est un procédé aérobie, thermophile et exothermique qui se déroule à une température de l’ordre de 65 °C à 75° ou 80 °C sous l’effet conjugué de divers micro-organismes. La matière traitée doit être alimentée en eau d’humectation (qui comprend, ou qui est, typiquement du percolât humique recirculé) et en air frais. La deuxième phase 1024 du procédé de compostage 1020 est mésophile. Le compostage génère deux fractions, à savoir une fraction liquide, appelée percolât humique (repère 1030) et un produit solide appelé compost (repère 1040). Comme indiqué ci-dessus il est nécessaire de maintenir une circulation du percolât humique (repère 1090) dans l’enceinte de compostage aérobie.

Chacun de ces deux sous-produits peut être valorisé à l’extérieur du procédé selon l’invention selon des méthodes connues en tant que telles ; cette sortie du procédé est appelée ici « export ». A titre d’exemple, le compost peut être exporté (repère 1070) pour être utilisé pour améliorer un milieu de culture agricole ou horticole, étant riche en matières humiques et minéraux. Le percolât humique est riche en acides humiques et co enzymes. Sa teneur en matière sèche est faible, de préférence inférieure à 5 % massiques, typiquement inférieure à 4 %. Il peut également être exporté (repère 1060) pour être utilisé en tant que biostimulant de la vie des sols et de la croissance des plantes.

On note que la solubilisation des acides humiques dans le percolât nécessite un temps de séjour élevé dans une zone thermophile permanente (température typiquement comprise entre 65°C et 80°C) qui se forme dans une enceinte de compostage de taille (et notamment de hauteur) suffisante ; cette enceinte doit avoir un niveau de maturité suffisant. Ces conditions nécessitent typiquement que l’épaisseur (hauteur) de l’andain dans l’enceinte soit d’au moins 3 mètres, et de préférence d’au moins 3,5 mètres, et encore plus préférentiellement d’au moins 4 mètres. Par ailleurs, il est avantageux de recirculer en permanence les effluents dans le composteur (étape 1090 de la figure 1) pour qu’ils se chargent progressivement d’acides humiques. Ainsi se forme un percolât humique, qui a typiquement une couleur de café, et qui diffère notablement des simples effluents d’un réacteur de compostage de type connu. Le procédé selon l’invention utilise également comme matière première des matières et déchets organiques volatiles. Le terme « volatil » se réfère ici non pas à un caractère gazeux mais à leur décomposition biochimique plus aisée : Ces matières et déchets sont faiblement polymérisés. Ils peuvent être liquides, boueux ou solides ; ils peuvent comprendre par exemple des protéines, lipides, glucides ou sucres. Il peut s’agir notamment de déchets d'abattoir, de laiterie, de vinification, de transformation du poisson et de la viande, d'élevage stabulaire, de cuisine et de table, et plus généralement de déchets organiques en provenance des industries agro-alimentaires. Ils comprennent typiquement des fractions solides et des fractions liquides ; leur fraction liquide peut comporter de l’eau et divers déchets organiques liquides, tels que du sang, des huiles, des jus divers.

Ces matières et déchets organiques volatiles (repère 1100), en totalité ou au moins leur fraction solide, peuvent subir d’abord un broyage qui permet de les réduire à une granulométrie acceptable (repère 1110). Ensuite elles sont soumises à un prétraitement thermique 1120 qui sera expliqué ci-dessous.

Selon l’invention, à l’issue de leur traitement thermique ces matières et déchets organiques volatiles sont soumises à un procédé de digestion anaérobie (repère 1150), appelée aussi digestion méthanique car elle produit du méthane. La digestion anaérobie 1150 est un procédé endothermique qui se déroule en plusieurs phases, qui sont représentées en plus grand détail sur la figure 3. Elle se déroule par passage successif de la masse dans plusieurs enceintes hydrauliquement connectées en série.

Dans une première étape 1152 exécutée dans une première enceinte chauffée, on procède à deux procédés microbiologiques anaérobies qui se déroulent en même temps, en utilisant deux souches microbiennes différentes pouvant coexister au sein de la même masse, à savoir l’hydrolyse et l’acidogenèse. Ces deux procédés se déroulent typiquement à une température de l’ordre de 38°C à 40°C, avec un temps de séjour compris entre trois et dix jours. Dans une deuxième étape 1154, on transfère la masse (de préférence par sur-verse assistée) dans une deuxième enceinte chauffée et on la soumet à un procédé d’acétogenèse ; le temps de séjour est de l’ordre de huit à douze jours. Dans une troisième étape 1156, on transfère la masse dans une troisième enceinte chauffée et on la soumet à un procédé de méthanogenèse ; le temps de séjour est de l’ordre de douze à dix-huit jours. Dans une quatrième étape 1158 on transfère la masse dans une quatrième enceinte de dégazage pour recueillir la faible fraction de biogaz qui est resté fixé dans les digestats par tension superficielle (repère 1160). Le biogaz produit lors de la digestion anaérobie 1150, riche en méthane, est piégé dans le ciel gazeux qui couvre les trois cuves du digesteur en une seule enveloppe souple et étanche.

Selon une caractéristique essentielle de l’invention, le procédé couple le compostage aérobie 1020 à la digestion anaérobie 1150 en exécutant des échanges réciproques de matières solides et liquides de l’un vers l’autre de ces deux bioréacteurs.

Ainsi, les enceintes dans lesquelles se déroulent les différentes phases de digestion 1152,1154,1156 peuvent être alimentées en percolât humique (repère 1053) en provenance de l’enceinte de compostage. Plus précisément, le percolât humique 1030 est ajouté de préférence dans l’une des enceintes (ou dans les deux à la fois) dans lesquelles se déroulent l’acétogenèse 1154 et la méthanogenèse 1156, ces ajouts étant identifiés sur la figure 3 par les repères 10534 et 10536, respectivement, et/ou en amont de la digestion anaérobie 1150, à savoir dans l’enceinte de prétraitement thermique (repère 1051) et/ou, éventuellement, dans le broyeur 1110 situé en amont de l’enceinte de prétraitement thermique (repère 1052), et/ou éventuellement, dans un mélangeur 1140, optionnel, qui est situé entre l’enceinte de prétraitement thermique 1120 et la digestion anaérobie 1150. Dans un mode de réalisation préféré on introduit le percolât humique 1030 dans l’enceinte de prétraitement thermique 1120.

Sous réserve de la présence de capteurs mesurant le potentiel Redox (Eh) dans chacune des trois cuves du cycle de digestion méthanique il est possible d’injecter des percolâts humiques de manière singulière et automatisée dans chaque cuve pour y induire une régulation fine de la bio-réactivité chimique optimum qui leur est spécifique.

Par ailleurs, on peut alimenter le procédé de digestion anaérobie 1150 en compost 1040 en provenance de l’enceinte de compostage. De manière préférée, ce compost 1040 est ajouté lors de l’étape d’homogénéisation 1120, à savoir dans l’enceinte de prétraitement thermique 1120 (cette voie d’ajout porte le repère 1051) et/ou dans le broyeur 1110 situé en amont de l’enceinte de prétraitement thermique (cette voie d’ajout porte le repère 1081).

Comme indiquée ci-dessus, le bon déroulement du procédé de digestion anaérobie 1150 nécessite la présence d’une quantité suffisante de carbone organique digestible (qui s’élève typiquement à environ la moitié de la matière sèche organique pour un déchet organique donné) pour éviter l’inhibition du procédé. C’est l’ajout de percolât 1050,1051,1052,1053 aux matières et déchets 1100 entrant dans l’enceinte de compostage qui permet de contrôler la bonne teneur en carbone digestible dans les enceintes de digestion 1150.

Comme indiqué ci-dessus, le procédé de digestion anaérobie selon l’invention peut utiliser des matières et déchets organiques volatiles (repère 1100), se présentent typiquement sous une forme fluide, c’est-à-dire liquide ou boueuse ou chargé de particules solides broyés. Il peut s’agir de déchets d’origine diverses, broyés et/ou homogénéisés. Ces déchets sont avantageusement riches en protéines, lipides et sucres. On peut aussi utiliser des boues de stations d’épuration biologiques, mais à condition qu’elles ne comportent pas de substances chimiques susceptibles d’interférer avec l’utilisation finale du compost 1260 et du percolât 1240 exportés.

En fonction de leur origine, il peut être nécessaire de pré-traiter thermiquement lesdits matières et déchets organiques volatils 1110 dans une enceinte de traitement thermique (repère 1110). A titre d’exemple, les déchets de produits alimentaires collectés après leur mise dans le commerce (déchets de cuisine provenant de ménages ou du secteur de la restauration) ou provenant de l’industrie agro-alimentaire, ainsi que plus spécifiquement les sous-produits animaux et les produits qui en sont dérivés, doivent faire l’objet d’un traitement thermique approprié (hygiénisation, pasteurisation, voire même stérilisation en cas de haut risque sanitaire) en vue de leur valorisation et élimination dans des procédés biologiques. Comme cela a été décrit ci-dessus, on ajoute à la masse destinée à la digestion anaérobie du compost et du percolât humique en provenance de l’enceinte de compostage. Selon un mode de réalisation très avantageux, le compost ajouté est également soumis au traitement thermique 1120, et pour cette raison on l’ajoute soit au stade du broyage / mélange 1110 soit directement dans l’enceinte de traitement thermique 1120. En effet, le traitement thermique du compost élimine certaines souches susceptibles d’interférer avec le procédé de digestion anaérobie. Le percolât peut également être soumis au traitement thermique, avec la masse à laquelle il a été ajouté.

La digestion anaérobie 1150 génère du biogaz (repère 1160). Le biogaz est riche en méthane ; il comporte également de l’azote, de l’eau et du dioxyde de carbone. Il est soumis à un procédé de filtration 1170 pour séparer le méthane. Ce dernier peut faire l’objet d’une valorisation énergétique 1190, dans un brûleur, et/ou il peut être exporté. La digestion anaérobie génère un résidu boueux ou pâteux appelé digestat (repère 1200) qui est mélangé à des déchets structurants broyés et ce mélange est transféré dans l’enceinte de compostage (repère 1210) pour être décomposé en compost 1040 et percolâts humiques 1030, comme décrit ci-dessus.

Selon une mise en œuvre très avantageuse du procédé selon l’invention, les enceintes de digestion anaérobie 1150 et l’enceinte de compostage aérobie 1020 sont reliées non seulement par des flux de matière, mais encore par des flux énergétiques. En effet, le procédé global comporte au moins une étape exothermique, à savoir la première phase thermophile 1022 du compostage aérobie 1020 (et, le cas échéant, également la valorisation énergétique 1190 du biogaz), et au moins une étape endothermique, à savoir la digestion anaérobie 1150 (et, le cas échéant, également le prétraitement thermique 1120 des déchets fluides). Ces flux énergétiques sont représentés sur la figure 1 par des lignes pointillées. L’énergie thermique libérée lors du refroidissement 1130 des matières et déchets organiques fluides à l’issue de leur traitement thermique 1120 peut également être valorisée.

Ainsi, dans un mode de réalisation très avantageux de l’installation selon l’invention, l’enceinte de compostage aérobie 1020, et plus précisément son compartiment dédié à la réaction thermophile 1022, comporte un échangeur de chaleur susceptible de absorber la chaleur réactionnelle produite lors de la phase thermophile du compostage, et de la transférer, par l’intermédiaire d’un fluide caloporteur approprié qui peut être de l’eau, vers un échangeur de chaleur associé à l’enceinte de digestion aérobie 1150, capable de chauffer la masse contenue dans cette enceinte. A titre de variante, ledit fluide caloporteur chauffé par l’enceinte de compostage aérobie 1020 peut également chauffer l’enceinte de prétraitement thermique 1120.

Selon un autre aspect avantageux de l’installation selon l’invention qui peut être combiné avec le précédent, le brûleur qui assure la valorisation énergétique 1190 du biométhane, chauffe un fluide caloporteur (repère 1240), typiquement de l’eau (par exemple sous la forme de vapeur surchauffée) qui alimente l’échangeur de chaleur de l’enceinte de digestion anaérobie (repère 1250) et/ou l’enceinte de prétraitement thermique (repère 1260). Le reste de l’énergie provenant de la valorisation énergétique du biométhane peut faire l’objet d’un export (repère 1270) ; il peut s'agir d’énergie thermique ou électrique, cette dernière étant générée soit par des groupes électrogènes avec cogénération soit par une turbine mue par un gaz chauffé par la combustion du biométhane. Au moins une partie de ladite énergie électrique peut être utilisée par l’installation elle-même, qui comporte des moyens de transfert de flux de matière (tels que des pompes pour les déchets organiques fluides 1100, les percolâts humides 1030 et les digestats 1180, et de convoyeurs pour le compost 1040) qui consomment de l’énergie électrique. Ces flux énergétiques ne sont pas représentés sur la figure 1 afin de na pas la surcharger.

Ainsi, l’invention permet de réaliser une installation qui est totalement autonome en énergie, et qui est en plus capable de produire un surplus d’énergie très significatif.

Un avantage important du procédé selon l’invention réside dans le fait qu’il est conduit de manière continue, par opposition aux procédés discontinus (mode « batch »), les flux de matière se font de manière quasi continue, les enceintes n’ont pas besoin d’être vidangées et redémarrées périodiquement.

Le procédé selon l’invention permet de valoriser le digestat issu d’un procédé de digestion anaérobie. Dans les procédés connus, le digestat comporte encore de la matière volatile qui n’est pas minéralisée ce qui pose un problème lors de l’épandage du digestat sur des surfaces de terre agricole. Le procédé selon l’invention valorise ces matières volatiles dans un procédé de compostage. L’apport de digestat à équivalence de masse de matière sèche avec des déchets structurants permet non seulement d’améliorer la dynamique de la phase thermophile de compostage mais aussi d’augmenter très sensiblement le taux de nutriments azotés dans le compost.

Enfin le procédé selon l’invention réintroduit très partiellement le percolât issu de ce procédé de compostage dans le procédé de digestion anaérobie. Ainsi, la matière volatile est utilisée au mieux dans un procédé cyclique.

En référence à la figure 4 nous décrivons maintenant une installation selon l’invention qui permet de mettre en œuvre le procédé selon l’invention qui vient d’être décrit.

L’installation selon l’invention comprend une unité de digestion anaérobie 110. Elle comprend quatre enceintes accueillant des phases liquides, et une enceinte accueillant le biogaz généré, comme cela sera expliqué maintenant. La première enceinte 120 est une enceinte chauffée dans laquelle se déroulent en même temps 1152 l’hydrolyse et l’acidogenèse. La deuxième enceinte 122 est une enceinte chauffée dans laquelle se déroule l’acétogenèse 1154. La troisième enceinte est une enceinte chauffée 124 dans laquelle se déroule la méthanogenèse 1156. La quatrième enceinte 130 est une enceinte de dégazage 1158 dans laquelle le biogaz est séparé du digestat (phase de dégazage

1158).

Lesdites première 120, deuxième 112 et troisième 124 enceintes sont chauffées par un liquide caloporteur. Le transfert successif de la phase liquide d’une cuve à l’autre peut se faire par sur-verse assistée du contenu d’une enceinte dans l’enceinte suivante, comme cela est symbolisé sur la figure par la différence de hauteur des enceintes. Le biogaz s’accumule dans la cinquième enceinte 112 qui est fermée par un toit souple qui est extensible en fonction de la pression du biogaz.

L’unité de digestion anaérobie est chargée par un moyen de chargement 180 qui peut être un convoyeur à bande ou, de préférence, un convoyeur pneumatique. La matière première rentre dans une trémie puis dans un mélangeur 188, avant d’être admis dans l’enceinte de prétraitement thermique 184. Cette dernière est typiquement un bain-marie, avec un fluide caloporteur qui est typiquement de l’eau. Une pompe 138 achemine ces déchets pré-traités dans l’unité de digestion anaérobie 180. Le digestat est évacué par une pompe 131 vers une cuve de mélange 133.

L’installation comporte par ailleurs une enceinte 150 pour le compostage aérobie. L’enceinte peut être un silo cylindrique ou parallélépipédique et vertical, avec un fond, un couvercle et une enveloppe en tôle métallique de préférence en acier inoxydable ou revêtue en son intérieur d’un film plastique qui est de préférence en polypropylène. L’enceinte présente dans sa partie supérieure des moyens d’admission 148, 149 des matières et déchets organiques volatils et de digestat liquide. Cette enceinte comprend une première zone 152 dans laquelle se déroule la phase thermophile 1021, et une deuxième zone 154 dans laquelle se déroule la phase mésophile 1022. Dans un mode de réalisation, ladite première zone 152 se trouve dans la partie supérieure de l’enceinte 150 et la deuxième zone 154 dans la partie inférieure de l’enceinte 150.

Au moins sur la partie correspondant à la première zone 152, la paroi de l’enceinte est entourée d’un échangeur thermique, typiquement un serpentin 156, relié à un circuit dans lequel circule un fluide caloporteur, qui est typiquement de l’eau. En bas de l’enceinte se trouve des moyens de sortie 158,159 des percolâts humiques et du compost vers un réservoir intermédiaire 160. Le transfert vers l’unité de digestion anaérobie 110 sera décrit en plus grand détail ci-dessous. On donne ici une description plus détaillée de certains aspects importants de l’invention, afin que l’homme du métier puisse mettre en œuvre les objets de l’invention.

1. L’ajout de compost brut et de percolâts de compostage au digesteur anaérobie

La récolte de compost brut et de percolâts bruts de compostage est réalisée lors du co compostage des digestats issus d’un cycle complet du digesteur méthanique au sein d’un silo de compostage, selon des méthodes connues en tant que telles, par exemple comme cela décrit dans WO 2017/109398. Les composts bruts sont particulièrement riches en carbone digestible et en composés azotés simples, non saturants, compatibles avec la demande en nutriments des bactéries anaérobies. Les percolâts riches en acides humiques, tanins, colloïdes carbonés résultent de la séparation de phase liquide / solide des digestats mélangés à des matériaux ligneux ou cellulosiques broyés (le substrat de compostage) soumis à des réactions intenses et thermophiles puis mésophiles de bio oxydation bactérienne. Bien que ne contenant que très peu de matière sèche, typiquement de l’ordre de 2 % à 4 % en masse, on sait que ces percolâts comportent des médiateurs biochimiques et des co-enzymes propres à intensifier l’activité bactérienne anaérobie en favorisant notamment la croissance cellulaire.

Il faut souligner la qualité stable dans le temps des composts et des percolâts humiques qui sont produits en flux tendus au même rythme que celui du procédé de biodigestion en amont. Les apports des produits du compostage dans les cuves du digesteur sont donc réguliers avec des dosages simples à effectuer.

Selon l’invention, les doses de compost et de percolâts bruts sont injectées sous trois modes. Ils sont injectés d’abord au début du processus de digestion méthanique en substitution d’autres apports carbonés et d’eau de dilution. Il est aussi avantageux de les intégrer à la dose d’alimentation du digesteur soumise à un prétraitement thermique si un tel traitement thermique est pratiqué. Enfin il est possible et profitable de les injecter de manière adaptée dans chacune des trois cuves du digesteur en fonction de données fournies par des capteurs d’indices biochimiques (Eh, pH, production de biogaz et composition du biogaz, alcalinité totale, carbone total) ; en effet, au cours du processus de digestion anaérobie sur la base d’indices biochimiques l’injection de compost et de percolâts bruts a un impact particulièrement élevé dans des processus multiphases car l’injection de ces composés carbonés et humiques y est effectuée de manière bien plus ciblée.

Les ajouts ainsi obtenus de matière organique carboné digestible et d’intensificateurs du métabolisme bactérien en dilution aqueuse permettent non seulement d’optimiser la biochimie du procédé mais constituent aussi l’un des vecteurs d’une économie circulaire qui a pour grand avantage en fin de cycle de produire des digestats transformés en compost hautement valorisable en tant que biofertilisants, sans aucun des inconvénients de l’épandage des digestats bruts dont on sait l’impact négatif sur l’environnement.

Une autre conséquence positive de ce procédé tient à ce que le recyclage partiel de la phase liquide des digestats percolés au travers du silo de compostage économise la totalité des besoins en eau de dilution nécessaire à un dosage non inhibant de la fraction volatile qui alimente le digesteur tout en laissant disponible à l’emploi agronomique ces liqueurs humiques particulièrement efficaces après bullage aérobie pour régénérer des sols et soutenir leur activité biotique.

2. La création et le maintien d’une zone de bioturbation dans une cuve de digesteur

Elle a pour principal objectif l’intensification des échanges biogéniques et biochimiques dans l’horizon le plus turbide qui tend vers une sédimentation coalescente et solide. Le brassage en déplacement positif non destructeur, associé à un cycle de bullage par recirculation du biogaz désulfuré et éventuellement enrichi en hydrogène, prévient la solidification des sédiments de fonds de cuve et permet l’intensification des échanges. En effet les mouvements de sédiments ne se font pas au détriment des structures accrétives construites par assemblage des exopolymères de biofilms issus de l’activité bactérienne sur des bases ou nodules fixant. Dans le procédé selon l’invention les nodules fixant peuvent être exogènes, c’est-à-dire introduits comme des artefacts dans les cuves pour favoriser la fixation de biomasse ou bien plus favorablement endogènes, c’est-à-dire générés au fur et à mesure de la digestion anaérobie du fait de la dégradation de matières organiques telles que de la chair encore attachée à des structures osseuses ou à des arêtes, des téguments végétaux digestibles soutenus par un squelette ligneux, des ongles, poils et autres composés organiques riches en polymères tels que de la kératine.

Dans un procédé à alimentation continu il est nécessaire de prévenir l’accumulation excessive de nodules fixateurs endogènes ; pour cette raison on préfère réaliser cette opération par pompage sur l’horizon inférieur critique en extrayant régulièrement des doses qui ne mettent pas en péril la fonctionnalité fixante de cet horizon.

On observe toujours une sédimentation des résidus non digestibles riches en calcium ou en kératine, par ailleurs l’apport de compost brut encore structuré en fibres partiellement digestibles est soit absolument nécessaire dans le cas de substrat pauvres en nodules fixant endogènes soit recommandé pour enrichir la base fixante. Quoi qu’il en soit la formation d’un biofilm ancré sur ces particules fibrées ou calcifiées qui réunit en un horizon densitométrique holistique une grande variété de colonies bactériennes forme un écosystème complexe qui non seulement apporte une résistance aux perturbations (trophiques ou physiques) de l’environnement mais surtout permet une organisation en chaîne trophique avec des dynamiques d’échanges très actives, partant de sédiments activés et parcourant l’ensemble de la colonne de substrats en dilution.

Il faut souligner en effet que quand les nodules calciques se maintiennent dans l’horizon sédimentaire profond les matières fibrées solides issues du compost brut, qui ont une densité plus faible, se maintiennent dans le flux ascendant au sein de la cuve en présence des solutés de dilution et d’intensification métabolique, les percolâts de compostage étant proches de la densité de l’eau sont en effet présents dans l’ensemble du volume de la cuve alors que les co-enzymes minéraux plus denses vont migrer rapidement en fond de cuve.

Pour favoriser cette dynamique de bioturbation dans l’horizon sédimentaire et dans les couches supérieures du flux de matières le réacteur selon l’invention peut comprendre un système de déflecteurs hydrauliques convergents. Avantageusement, ces déflecteurs sont positionnés à deux hauteurs précises dans les cuves de digestion anaérobie, soit à l’approximativement tiers inférieur et à la mi-hauteur de la cuve. Les déflecteurs peuvent être réalisés sur la forme de simples plaques de plastique rigide, idéalement en polypropylène de 3 mm d’épaisseur, fixées sur des barres traversant latéralement les cuves (ces barres agissant comme tirants de rigidité). Les plaques ou déflecteurs fonctionnent comme des volets directionnels placés en vis-à-vis en opposition symétrique avec une distance entre les bords supérieurs des volets qui n’est de préférence pas moins que 300 mm. Avantageusement l’inclinaison des volets respecte un angle compris entre environ 20° et environ 45°, et de préférence d’environ 30° sur les volets inférieurs, et entre 40° et 60°, et de préférence d’environ 50° sur les volets supérieurs ; l’angle peut varier en ouverture ou en fermeture selon la turbidité du substrat dans la cuve de même que l’écart entre les bords supérieurs des volets.

Ce système de déflecteurs favorise une dynamique de flux ascendant au centre des cuves en canalisant la montée des sédiments sous la forme d'un courant avec emport de particules tel que généré pas le bullage.

3. Détails sur certains aspects du dispositif selon l'invention

Parmi les moyens mobilisés pour qualifier l’invention on distingue le couplage avec une unité de compostage et l’équipement de brassage et chauffage par citernes souples immergées. On indique ici des modes de réalisation pratiques de ces aspects.

En ce qui concerne le couplage avec une unité de compostage :

Selon un mode de réalisation une voie de transfert des digestats vers l’unité de compostage est constituée d’une cuve de dégazage des digestats 130, d’une pompe 131 à fluide visqueux et à forte teneur en solides totaux, d’une canalisation 132 d’un diamètre suffisant (au minimum DN80) disposant d’un dispositif de purge, d’une cuve de mélange 133 qui reçoit les digestats sur une dose suffisante de déchets ligneux structurants broyés.

Selon un mode de réalisation, une voie pour l’acheminement des percolâts de compostage est constituée d’une citerne de contention des percolâts bruts 160 connectée à une pompe à liquides chargés 161, d’une canalisation 134 reliant ladite pompe 161 la cuve de prétraitement thermique 184 où les matières organiques 1080/1081 ; 1051/1052 entrant dans le digesteur 110 sont préchauffées 1120 (avantageusement après broyage 1081/1052), d’un dispositif de mesure 135 du volume de percolâts transféré, et au minimum d’une vanne 136 qui peut être une vanne à commande manuelle ou une électrovanne automatisée .

Un dispositif d’échange thermique peut être constitué d’une paroi isotherme supportant un réseau de canalisations d’eau et dont la face de contact pour transfert thermique sera fixée sur les parois métalliques d’un silo de compostage dans la zone thermophile. La circulation d’eau avec une demande à 40°C peut être régulée en thermosiphon avec un gradient de l’ordre de 25°C. En ce qui concerne l’équipement de brassage et chauffage par citernes souples immergées :

Selon un mode de réalisation, un dispositif de chauffage d’eau ou d’un fluide caloporteur est constitué d’une cuve de chauffe du bain-marie, d’une chaudière alimentée au biométhane ou au biogaz, d’une station solaire thermique ou mixte PV et thermique, d’un système passif de récupération de la chaleur sur les parois d’un silo de compostage en zone thermophile, ou de l’assemblage de tout ou partie de ces moyens.

Un tel dispositif comprend par ailleurs avantageusement une pompe capable de mouvoir de l’eau chaude jusqu’à 60°C avec un paramétrage adapté à la configuration des citernes souples sur la base suivante (sans inférer des pertes de charges). Ce paramétrage est décrit par deux paramètres :

Le premier paramètre est le débit nominal de la pompe Dp=(Vi-Vm)/T, exprimé en m ³ /h ; dans cette équation Vi est volume intermédiaire d’une citerne souple, Vm est le volume minimal d’une citerne souple et T la durée (exprimée en heures) retenue pour passer de l’état Vm à l’état Vi.

Le deuxième paramètre est la pression de service nominale que doit délivrer la pompe Pp=((cf.Hs)/10).1,25, exprimé en bar (10 m de colonne d’eau) avec un facteur de prudence de 1,25 ; dans cette équation d est la densité apparente des digestats, et Hs la hauteur de la colonne de digestats au-dessus de la surface des citernes souples au stade Vm.

Un tel dispositif comprend par ailleurs avantageusement un débitmètre à transmission digitale et un dispositif de régulation thermique par thermocouple ou un système d’automate programmable connecté à un ou plusieurs capteurs de température et à un débitmètre à transmission digitale qui commande à l’alimentation de la pompe et des électrovannes.

Un tel dispositif comprend par ailleurs des connexions hydrauliques passe parois étanches permettant de relier les canalisations souples d’entrée et sortie du flux caloporteur des citernes souples immergées avec l’extérieur du digesteur. Il comprend également des connexions adaptées à la fixation étanche et durable des canalisations de flux caloporteur sur les citernes souples immergées.

Un tel dispositif comprend, comme cela a déjà été mentionné, des citernes souples. Ces dernières permettent la contention parfaite d’eau chaude à 60°C ou d’un flux caloporteur avec des paramètres d’agressivité équivalents ou inférieurs à de l’eau chaude et la résistance à l’agression chimique et mécanique de l’eau chaude ou d’un fluide caloporteur. Elles doivent résister à une certaine pression de colonne d’eau, qui est typiquement de 8 mètres maximum (0,8 bar) avec un remplissage minimal, intermédiaire ou maximal. Elles doivent résister au moins sur leur face extérieure aux agressions chimiques et mécaniques des digestats.

Un système de fixation desdites citernes souples en fond de cuve permet à la foi leur déploiement pour les différentes phases de remplissage, et prévient l’immixtion de digestats entre le fond de cuve et la citerne.

Avantageusement, un système de fixation des citernes souples immergées en parois de cuve complète le dispositif principal de citernes souples immergées en fond de cuve.

Le dispositif selon l’invention peut comprendre des moyens auxiliaires qui facilitent son utilisation ou qui le rendent plus polyvalent.

Ainsi, il peut comprendre un système de broyage des déchets et substrats entrants permet de réduire leur taille relative dans une granulométrie n'excédant de préférence pas 25 mm. Ce système peut prendre la forme d'un broyeur lent à couteau à double axe servi par une trémie de chargement assurant la protection de l'opérateur.

Il peut également comprendre un système de préchauffage et de mélange peut être réalisé sous la forme d'un bain marie ou de tout autre dispositif équivalent chargé par voie gravitaire des substrats organique et du compost brut issus du broyeur et recevant le liquide de dilution constitué de percolâts.

Il peut également comprendre une pompe de relevage acceptant des flux hautement turbides avec une granulométrie maximum de 35 mm est prévue pour alimenter le bioréacteur en partie haute. Il peut comprendre également un réseau de capteurs capables de et configurés à mesurer, en temps réel ou légèrement différé, les valeurs de la température, du pH, de la turbidité des digestats au cours des différentes phases la composition chimique, de la température et de l'humidité relative du biogaz et du biométhane épuré.

Dans une mode de réalisation, l’installation selon l’invention comprend une pluralité de capteurs configurés pour délivrer des données, installés dans les enceintes de l’unité de digestion anaérobie, et en ce que ladite installation est configurée pour exploiter en temps réel et à chaque étape du processus de digestion anaérobie lesdites données pour injecter des quantités déterminées de percolâts humiques.

On peut également prévoir un jeu de plusieurs automates industriels programmables configurés pour traiter les signaux reçus des capteurs, analyser le comportement d'effecteurs et rendre compte de l'état du système sur un poste de contrôle distant.

On peut également prévoir un réseau d'effecteurs tels que des électrovannes hydrauliques ou pneumatiques peut réguler la circulation des flux de substrats, digestats, éluats ; ces dispositifs sont commandés par les automates programmables ou directement par l'opérateur humain.

On peut prévoir une ou plusieurs cuves faisant office de bioréacteurs pour abriter les différentes phases de la biodigestion avec les moyens d’introduction et d’évacuation des matières traitées.

On peut prévoir un système de dégazage des digestats en fin de cycle de digestion méthanique. Ce système peut être une simple enceinte de décantation étanche au gaz dotée ou non de dispositifs de brassage spécifiques.

Dans une mode de réalisation, l’installation selon la l’invention est configurée pour recirculer les percolâts récupérés en partie basse d’une enceinte de compostage dans ladite enceinte de compostage afin de maintenir le taux d’humidité relative nécessaire aux phases de compostage, et pour décanter et éventuellement stabiliser par bullage à l’air les percolâts humiques avant leur valorisation ou reinjection dans l’enceinte de digestion méthanique. On peut prévoir un ou plusieurs dispositifs de traitement du biogaz. A ce titre on peut prévoir un dispositif de filtration du biogaz, avec pour fonction de séparer et traiter le CO2 et le CH ₄ , et qui pourra prendre la forme d'une cellule de solubilisation à l'eau, aux solvants, réactifs, filtres osmotiques ou tout autre dispositif équivalent. On peut également prévoir un dispositif de déshumidification du biogaz pour extraire l’eau H2O par condensation. On peut prévoir un dispositif de filtration du biogaz pour séparer et traiter l'hydrogène sulfuré (H ₂ S), les siloxanes et oxydes d'azote ; ce dispositif de filtration peut prendre la forme d'une cellule de capture par voie biologique, au charbon actif, ou tout autre dispositif équivalent.

Le dimensionnement de l’installation selon l’invention peut être adapté aux besoins d’un site, dans des limites assez larges.