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MEMOIRE DESCRlPTlF
La présente invention concerne la réalisation d'une usine productrice de gaz
biologique (biogaz) et d'engrais organique (digestat) à partir de fumiers organiques
liquides.
Approximativement jusqu'à 1960, les fumiers organiques liquides ne posaient
pratiquement pas de problemes car la production était faible. Le producteur de fumier
en connaissait bien la valeur comme engrais organique et, après fermentation, l'utilisait ..
pour ses besoins personnels.
Mais maintenant, le stade artisanal a été remplacé par la production
industrielle qui pose de très graves problèmes de pollution car le tonnage des fumiers -~
produit est énorme. Par exemple, il y a actuellement en élevage au Québec environ cinq ~ :~
millions (5,000,000) de porcs qui produisent journellement vingt mille (20,000) tonnes de
fumier liquide. ~ ~-
. .
'
Les éléveurs en général s'en débarassent en le faisant répandre pendant
certaines périodes sur les terrains de culture et cela bien souvent en trop grande quantité
sans l'avoir fait fermenter. De cette manière, les germes pathogènes et les parasites
prolifèrent et se retrouvent dans les produits agricoles ou polluent la nappe phréatique
et les rivières, ce qui est très grave pour l'environnement et la santé publique.
De même, les ordures ménagères posent aussi actuellement de graves
problèmes d'environnement car le tonnage produit dans les pays développés est énorme
(environ 1 tonne/an par habitant).
Des procédés modernes permettent maintenant de broyer les ordures et
d'effectuer des triages de manière à ne conserver que les matières organiques qui, sous
la forme de boues liquides peuvent fermenter comme les fumiers organiques liquides
provenant d'animaux.
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. .
Ainsi, en étudiant et expérimentant les différents phénomènes de la
fermentation anaérobique mésophile, j'ai découvert qu'il était possible de construire des
usines rentables de traitement de fumiers organiques liquides produisant de l'énergie
renouve]able et de l'en~rais organique tout en contribuant à dépolluer l'environnement
et à préserver nos ressources en eau pure.
Relativement aux dessins qui illustrent la réalisation de l'invention~
- la figure no 1 représente le schéma de principe de l'usine. ~ `
- Ia figure no 2 représente une vue en plan de l'usine.
- la figure no 3 représente une vue en élévation de l'usine coupée suivant
l'axe perpendiculaire du bâtiment et du digesteur-accélérateur primaire;
- la figure no 4 représente une vue en élévation de l'usine coupée suivant
l'axe du bâtiment et du digesteur secondaire.
Prévu pour traiter les boues organiques dilluées produites par environ 300
t/jour d'ordures ménagères organiques ou le fumier liquide de 200 000 porcs soit environ
960m3/jour, I'usine fonctionne de la manière suivante:
,
A l'arrivée de l'influent brut à l'usine de fermentation par pompage ou par
camions-citerne, les fumiers organiques liquides passent par un appareil de pesée (1)
avant de se vider par pompage ou gravité dans un dispositif étanche comprenant une
citerne de réception d'une capacité de 2000 m3 (2). Ce volume permet de stocker et de
répartir l'influent pendant une période d'environ 2 jours. Ainsi, une panne de système
ne causerait pas de problème malgré l'arrivée de 960 m3/jour.
Du dispositif de réception, I'influent passe dans une cuve (3) où après
brassage et dilution il est repris par un système de pompage (4) prévu pour influent très
chargé et qui l'envoi dans le dispositif de digestion primaire. Le fonctionnement de cette
partie de l'installation est entièrement automatique et est fonction: du niveau du
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digesteur qui commande le pompage de l'entrée de l'influent dans la cuve et de
l'analyseur automatique qui, suivant les résultats de la fermentation anaérobique,
commande la dilution et le temps de brassage en fonction du rapport carbone/~zote
(C/N) qui doit pouvoir varier entre 6 et 22/1 et du pourcentage de matière organique
sèche qui doit pouvoir varier entre 6 et 35~/o.
Après sa dilution et brassage, I'influent est pompé vers la digestion primaire
qui s'effectue dans un dispositif composé d'une cuve en béton parfaitement étanche et
calorifugée appelée digesteur-accélérateur primaire d'un volume de 9000 m3 (~) qui
permet une fermentation anaérobique d'une durée de 5.5 à 7 jours avec une entréed'influent dilué d'environ 960 m3/jour.
Cette cuve se compose principalement~
- D'une partie haute avant un volume d'environ 2000 m3, où par pompage
(6) l'effluent ruisselle sur des surfaces horizontales inclinées ou verticales
qui servent d'habitats et de lieux de développement aux bactéries
mésophiles acidogènes et méthanogènes (7). Ces surfaces rugueuses sont
prévues pour offrir au minimum une surface d'un mètre carré par 100
kilogrammes/jour de solides volatils envoyés dans la cuve.
,
- D'une partie basse (8!~ avant un volume d'environ 7000 m3, où l'effluent
s'accumule après avoir ruisselé sur les plans inclinés.
:
Cette masse en fermentation, qui doit avoir la meilleure homogénéité
possible, est mise en mouvement et brassée par les pompes prévues pour le remplissage ~ -
(4) et qui assurent automatiquement une recirculation de l'effluent en fermentation grâce
à un jeu de vannes électriques, de By-pass et de tuyauteries (9) et qui permettent en plus
le prélèvement de l'effluent ~ de multiples endroits dans le digesteur-accélérateur
primaire. Le brassage peut également être effectué par insuflation de biogaz.
, ':
- 4 - ;
r ~ ~ J.
r~ 20~98932
Au bout de 5.5 à 7 jours de fermentation, l'effluent recueilli à la partie
médiane du digesteur-accélérateur primaire est dirigé vers un deuxième dispositif compos~
d'une cuve en béton parfaitement étanche et calorifugée, similaire à la partie basse de
la précédente mais d'un volume de 3000m3, ce qui permet une fermentation anaérobie
d'une durée de 3 jours maximum pour une entrée d'effluent de 810 m3/jour provenant
du digesteur-accélérateur primaire. Ce deuxième digesteur est appelé digesteur
secondaire (10). Ces 810 m3 d'effluent en fermentation sont transférés d'un digesteur à
l'autre par des pompes prévues pour effluent très chargé identiques aux précédentes (4).
Afin d'assurer une bonne décantation des boues, le digesteur secondaire ne
comporte pas de brassage par recirculation de l'effluent en fermentation.
Afin de maintenir la fermentation optimum, la température de la masse doit
être maintenue entre 36 et 45 degrés centigrades. Pour cela, des dispositifs de
réchauffage appelés échangeurs-réchauffeurs à circulation d'eau chaude sont prévus pour
échanger avec la masse en fermentation environ 14,000,000 de BTU maximum par heure
(11). Ils seraient composés de plusieurs éléments pouvant fonctionner séparément et les
mêmes pompes à effluent chargées assurent le brassage et la circulation de l'effluent
réchauffé (4).
,
A certains niveaux, des prises d'échantillons permettent de suivre la
fermentation des boues et la température.
Le débit d'eau chaude dans les échangeurs serait commandé par des sondes
de température placées à l'intérieur du digesteur primaire de manière à surveiller
l'évolution des conditions de fermentation.
Cette eau chaude destinée à chauffer le digesteur primaire et le bâtiment
est produite par 2 chaudières (12) de 10,000,00 BTU/heure, installées dans le bâtiment
de commande et fonctionnant soit au gaz méthane produit par la fermentation anaérobie,
soit électriquement ou bien en brûlant le digestat produit.
'', ~; ~.,
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. ~ ~
En cas de panne l'hiver, une seule chaudière serait suffisante pour
maintenir une température correcte pendant plusieurs jours. ~ ;
.. ~....
Le biogaz produit dans les digesteurs par la fermentation s'accumule à la -
partie haute des digesteurs dans des dispositifs appelés cloche à gaz (13) et il se dirige
ensuite vers des appareils épurateurs (14) et un grand réservoir (15) où il est stocké
avant sa compression et son traitement.
A la sortie du digesteur secondaire (16), par le trop plein, I'efffuent contientencore de l'azote dissous et des particules en suspension et il est nécessaire de le purifier
complètement par une floculation et décantation secondaire dans un bassin à :; -
compartiments multiples (17) appelé décanteur-floculateur. ~ ~,
L'ef~luent épuré est canalisé vers l'extérieur de la station après chlorination,traitement à l'Alun et mesure du débit (23). Suivant le type d'usine, il sera réutilisé ou
rejeté à l'extérieur. Les boues recueillies à la partie inférieure sont également dirigées
vers la citerne à boues (18). i~
De la partie inférieure du digesteur secondaire où elles s'accumulent, les
boues digérées sont chassées par la pression hydro-statique (18) vers un dispositf composé
d'une citerne de pompage (19) et de pompes ~ boues à piston (20) qui dirigent ces
boues vers les appareils d'assèchement appelés assécheurs rotatifs à vide. -
Ces appareils sont composés de grands cylindres entoilés tournant dans un
bassin rempli de boues digérées (21). En créant une dépression à l'intérieur, I'eau filtre
au travers de la toile et coule jusqu'au réservoir d'eau brute. Le gâteau de boues est
ensuite détaché de la surface extérieure de la toile et un tapis transporteur le transporte
vers le lieu de stockage (22) après avoir traversé un désydrateur.
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~, ~
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, ................................................................. .
.
En plus des pompes à vide les assécheurs rotatifs comprennent des pompes
d'alimentation et des doseurs de réactifs coagulants.
En sortant des digesteurs, le biogaz abandonne son hydrogène sulfureux
dans un appareil épurateur à rognures d'acier (14,1) (environ 1 g. maximum de H2S par
m3). L'épurateur étant double, une moitié se régénère pendant que l'autre moitié est
en service.
Le biogaz passe ensuite dans un condenseur (14,2) appelé épurateur H20
où il perd la plus grande partie de son humidité sur des éléments réfrigérants. Par la
suite, le biogaz est dirigé vers le dispositif de stockage. Afin de posséder un volume
tampon, il est prévu pour le biogaz un dispositif pouvant contenir environ 3 heures de
production de gaz biologique. Ce dispositif appelé gazomètre (15) a une capacité utile
d'environ 4,000 m3. C'est un gazomètre classique à cuve mobile métallique et étanchéité
par anneau liquide.
Depuis le gazomètre, le biogaz est acheminé vers le bâtiment des
compresseurs où le méthane est comprimé avant son entreposage à l'extérieur (24) et
après séparation du gaz carbonique (25) pendant le traitement du purification. .;
,
Par la suite, en vue de sa livraison aux utilisateurs, le méthane serait
entreposé dans des réservoirs sous pression (26) qui, au total, peuvent emmagasiner 2
jours de production, soit 6 réservoirs de 30 m3.
De même la production de gaz carbonique serait entreposé dans 3
réservoirs de 30 m3 (27).
Un local permettant la vente et l'expédition des différents produits (28) :
serait également prévu dans le bâtiment de l'usine.
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- 7 - :-
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Pour fonctionner correctement, la partie fermentation de cette usine,
absorbant 960 m3/jour de fumiers organiques liquides, a besoin de 4 hommes, 8 heures
par jour et 6 jours par semaine, soit:
1. Un responsable de l'installation chargé de la surveillance de la commande, -
de l'entretien général et des rapports avec les clients. ~ -
2. Un mécanicien-électricien chargé des réparations, du graissage et remplaçant
le responsable s'il le faut. ;~
3. Deux hommes pour l'arrivée des fumiers liquides, I'entrepôt, les gros ~ ~ -
nettoyages et les livraisons.
4. Un bio-chimiste à temps partiel. ~ ;
5. En plus de ce personnel, il est nécessaire de prévoir 8750 heures par an - -~ ~ ~` s
de surveillance industrielle.
Le fonctionnement de l'installation est entièrement automatique car toutes
les données la concernant sont ramer~ées à un mini-ordinateur qui est programrné pour
prendre les décisions voulues et au besoin avertir ~ distance la direction d'un incident
tel que: alarme de gaz, de température, de niveau, de mauvais fonctionnement, etc...
Afin d'alimenter la partie fermentation de l'usine en énergie électrique, il
est prévu un poste de transformation triphasé de 200 KVA 25,000/600/347 V - 60 Hz,
relié par cable souterrain au bâtiment de commande. Dans le cas d'un chauffage
électrique, le poste de transformation sera prévu pour 500 kVA.
De plus, un tableau de commande contenant tout l'appareillage de
puissance 600 V ainsi que les auxiliaires, est prévu pour contrôler tout l'appareillage à
distance et alimenter l'installation.
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Afin que l'usine soit conforme aux règlements de l'hygiène, il sera prévu
dans le bâtiment principal, un local contenant un réfectoir, un vestiaire avec lavabos,
douches, etc...
De même, le bâtiment principal contiendra également une pièce servant de
bureau et un petit atelier.
Résultats du traitement (extrapolation des essais)
A) Si l'on utilise du fumier organique liquide de porcs, les résultats du
traitement journalier de 960 m3/jour sont les suivants:
1. Environ 18,000 m3/jour de gaz méthane biologique pur (15,5 T.E.P.)
2. Environ 9 000 m3/jour de gaz carbonique pur. -;-
3. Environ 70 tonnes/jour de boues sèches.
4. Environ 800 m3/jour d'eau épurée qui sont rejetes à l'égout, ou recyclées.
N.B.: Les résultats sont légèrement différents suivant la provenance du fumier organique liquide: boeufs, vaches, poulets, etc.
B) Pour la région de Montréal, si l'on utilise des ordures m~nagères broyées
et triées pour ne conserver que la matière organique, les résultats du
traitement journalier de 300 tonnes/jour de matières organiques sont les
suivants:
1. Environ 21 000 m3/jour de gaz methane biologique pur (18 T.E.P.)
2. Environ 9 000 m3/jour de gaz carbonique pur. ~:
3. Environ 75 tonnes/jour de boues sèchées. ~ -
4. Environ 800 m3/jour d'eau épurée qui sont recyclées.
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