En matière de protection de l'environnement comme en matière de production, l'industriel est appelé à faire des choix où l'innovation et le développement de techniques adaptées au contexte économique prennent toute leur importance.
Dans ce domaine, la référence industrielle représente une approche de valeur pour la connaissance et l'appréciation de ces technologies. C’est en effet, à partir d'opérations démontrées au stade industriel que peuvent se dégager les réels avantages aussi bien techniques qu'économiques des procédés avancés.
L'association de l'aspect de « valorisation » au traitement des effluents industriels est largement souhaitée par les Pouvoirs Publics et recherchée par les industriels. On citera succinctement et à titre d'exemples :
— la récupération de matières premières,
— la récupération de levures, de protéines à partir de certains effluents agro-alimentaires,
— la valorisation sous forme d'engrais par épandage.
La fermentation méthanique des effluents industriels représente, elle, une valorisation « énergétique ». C'est un traitement biologique offrant l'avantage d'un bilan énergétique (énergie produite — énergie consommée) équilibré ou même positif.
Ce type de traitement est adapté à des effluents très chargés et riches en matières organiques comme les hydrates de carbone et les protéines.
Ses principales applications actuelles au stade d'essais pilotes et réalisations industrielles portent de ce fait sur les effluents d'industries agro-alimentaires ; on citera notamment les sucreries, brasseries, amidonneries, pectineries, conserveries végétales et élevages industriels.
Ce sont des exemples pris dans ces secteurs que nous nous proposons de présenter.
LA FERMENTATION MÉTHANIQUE
Principe, procédés et caractéristiques
La fermentation méthanique est un procédé de dégradation des matières organiques contenues dans un substrat par bactéries en l'absence d’oxygène. Le processus de dégradation se fait en deux phases bien distinctes.
Première phase : l'acidogénèse au cours de laquelle les bactéries acidogènes dégradent les composés organiques en acides gras volatils, hydrogène et gaz carbonique.
Deuxième phase : la méthanogenèse conduisant à la formation de gaz carbonique et de gaz méthane sous l'action des bactéries méthanogènes.
La concentration en biomasse active que l’on peut maintenir dans le digesteur est un critère important de la fermentation méthanique. Il représente l'un des paramètres conditionnant les charges polluantes que l’on peut appliquer au fermenteur et par conséquent la taille des installations de traitement.
Cette biomasse peut être fixée sur un support (c'est le cas du filtre anaérobie), ou libre.
Dans ce deuxième cas, plusieurs procédés d'application sont connus. On citera ceux qui ont été appliqués au cours des essais et réalisations présentés :
- — le procédé par contact. Le digesteur est suivi d'un décanteur où s'effectue la séparation effluent digéré-boues. Les boues ainsi épaissies sont recirculées au niveau du digesteur ;
- — le procédé à « lit fluidisé » : les effluents sont traités par passage au travers d’un lit fluidisé de bactéries.
La digestion anaérobie est caractérisée de mésophile lorsqu'elle s’effectue à des températures de 25 à 35 °C, et de thermophile à des températures de 55 à 65 °C.
On notera que c'est un procédé délicat à mettre en œuvre, car les conditions physico-chimiques à respecter sont strictes. L'exploitation de ce type d'installations nécessite un contrôle sérieux des variations des caractéristiques des effluents d'une part (pH, azote ammoniacal) et des paramètres de la digestion d'autre part (t°, alcalinité, teneurs en acides gras volatils).
QUELQUES DONNÉES SUR DES TRAITEMENTS ANAÉROBIES D’EFFLUENTS D’INDUSTRIES AGRO-ALIMENTAIRES
I. — BRASSERIES
Un pilote industriel de type procédé par contact a fonctionné pendant trois mois dans une brasserie du Nord de la France, sur l'ensemble des effluents de la brasserie.
CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT
- — la température du digesteur a été maintenue au voisinage de 35 °C ;
- — le temps de séjour a été défini arbitrairement suivant le rapport :
t = Volume du digesteur / Débit journalier d’effluent brut
sans tenir compte du recyclage des boues.
DESCRIPTION DU PILOTE
— le débit de recyclage des boues par rapport au débit d'entrée des effluents s'est situé aux environs de :
• 140 % pour une alimentation correspondante à t = 6 j
• 100 % pour une alimentation correspondante à t = 5 j
• 80 % pour une alimentation correspondante à t = 4 j
— le pH dans le digesteur a été maintenu entre 6,8 et 7,2 avec addition de lait de chaux si nécessaire. On notera que les rejets des effluents sodés des bains de laveuses n'ont pas été pris en compte.
— au démarrage de l'installation, 13 m³ de boues provenant d'un digesteur de station d'épuration ont été introduits dans le digesteur.
ACTIVITÉ DE LA BRASSERIE
Les activités de la brasserie sont de l'ordre de :
1 000 000 hl de bière brassée/an
1 500 000 hl de bière conditionnée/an.
Caractéristiques des rejets de la brasserie
Débit journalier : 1 260 à 1 750 m³/j
DCO : 4 200 à 5 300 mg/l
DBO₅ : 2 300 à 2 900 mg/l
MES : 1 150 à 1 450 mg/l
N : voisine de 55 mg/l
P : voisine de 13 mg/l
Rapport DBO₅/DCO : 0,54
t° moyenne de l’effluent comprise entre 30 °C et 40 °C
pH pratiquement toujours > 7.
Résultats des essais
On citera les résultats obtenus lors d’alimentation en continu du pilote correspondant à trois temps de séjour différents des effluents dans le fermenteur.
| t = 6 jours | t = 5 jours | t = 4 jours | |
|---|---|---|---|
| Charge moyenne du digesteur en kg DCO/m³·j : | 0,65 | 0,68 | 1,0 |
| Concentration en MES g/l dans digesteur : | 6,0 | 7,5 | 8,2 |
| DCO moyenne en mg/l sur eff. brut filtré : | 3 944 | 3 433 | 2 065 |
| Épuration sur la DCO en % : | 79 | 82 | 70 |
| DBO₅ moyenne en mg/l sur eff. brut filtré : | 2 544 | 1 796 | 2 074 |
| Épuration sur la DBO₅ en % : | 75 | 80 | — |
| MES moyenne en mg/l sur eff. brut : | 550 | 390 | 290 |
| Épuration sur les MES : Négative (absence de dégazage des effluents digérés) | |||
| % de CH₄ dans gaz produit : | 61 | 65 | 68 |
Remarques
Les valeurs de pH de l'effluent brut lors des essais étaient inférieures à 7,0 et ne correspondaient pas aux valeurs réelles des effluents de la brasserie. Une acidification des effluents lors du stockage pendant 24 heures dans le bac tampon peut en être la cause. Ce problème a nécessité de fréquents ajouts de lait de chaux dans le digesteur.
CONCLUSION
Les charges appliquées sont faibles.
Les résultats obtenus avec des temps de séjour de 5 à 6 jours sont satisfaisants dans l'optique d'un premier traitement.
La taille des ouvrages que nécessiterait le traitement global des effluents de la brasserie oriente les recherches actuelles vers un traitement d'effluents partiels et concentrés (retours de bière) permettant de travailler à des charges plus importantes.
Économies d’énergie
Le traitement des effluents concentrés d'une brasserie tels que les jus de pressage des drêches, le trouble du moût, les freintes par fermentation anaérobie permettrait d'économiser 11 % de combustible fossile consommé au niveau de la brasserie, tout en réduisant de 80 % la pollution.
L'économie de combustible fossile au niveau de l'ensemble des brasseries françaises par ce type de récupération est estimée à 10 000 TEP.
II. — AMIDONNERIES
Une installation de traitement anaérobie a été mise en place suivant le procédé Bioenergy commercialisé par la société anglaise Biomechanics dans une glutennerie-amidonnerie de blé.
ORIGINE ET CARACTÉRISTIQUES DES EFFLUENTS
L'activité de l'usine consiste en :
— transformation de farine de blé en pâte.
— lavage de la pâte (27 m³/h d’eau pour 4 t de farine),
— séparation du gluten de l’eau de lavage devenu lait d’amidon,
— concentration en centrifugeuses, séchage du lait d’amidon.
Les effluents à la sortie des centrifugeuses (1 % de matières sèches) contiennent les parties solubles ou en très fines suspensions de la farine :
1/3 protéines solubles 1/3 de pentosanes 1/3 amidon
Effluent brut : DBO₅ ...... 8 900 mg/l MES ......... 1 333 mg/l pH ........... 4,5
PROCEDE BIOENERGY
Le procédé Bioenergy comporte :
— une phase de digestion anaérobie suivant le procédé par contact ;
— une phase de finition : un traitement par boues activées.
Chaque « digesteur » est constitué d’une cuve comportant :
— une partie basse où s’effectue la digestion,
— une partie haute : décanteur à fond raclé.
CAPACITE DE TRAITEMENT DE L’INSTALLATION
L’installation a été conçue pour traiter les charges suivantes :
| moyenne | maxi | |
|---|---|---|
| Débit ............. | 660 m³/j | 800 m³/j |
| DBO₅ ............. | 5 930 kg/j | 8 300 kg/j |
| MES ............... | 1 400 kg/j | 2 000 kg/j |
Ces caractéristiques correspondent à 4 t/h de farine de blé traitées en continu par l’usine.
Charge de l’installation
Charge des digesteurs anaérobies : 0,16 kg de DBO₅/kg de matières sèches
Charge des boues activées : 0,5 kg de DBO₅/kg de matières sèches.
Performances du procédé
Les performances appréciées à partir d’essais conduits dans une société sœur à Ashford, dans le Kent (G.B.) sont les suivantes :
| Boues | Total | ||
|---|---|---|---|
| Anaérobie | activées | ||
| Éliminationde la DBO₅ ..... | 85 % | 90 % | 98,5 % |
Production de gaz ..... 180 m³/h, soit 0,7 m³/kg DBO₅
Pouvoir calorifique du gaz récupéré ............ 1,11 × 10⁶ Kcal/h
Production de boues ... 575 kg/j 220 kg/j 795 kg/j soit 0,14 kg boues/kg DBO₅ éliminé (pour 0,8 à 1 en traitement aérobie)
Bilan énergétique
Besoins moyens en chaleur pour le procédé anaérobie ............ 0,58 × 10⁶ Kcal/h Chaleur récupérée de sécheurs ....................................... 0,30 × 10⁶ Kcal/h Pouvoir calorifique du gaz ................................................ 1,11 × 10⁶ Kcal/h Production moyenne nette pour l’usine ............................. 0,83 × 10⁶ Kcal/h
Coût de l’installation (en francs 1976)
partie anaérobie ............ 3 427 300 F partie aérobie ............... 1 135 200 F Total ........................... 4 562 500 F
soit 780 F/kg DBO₅ éliminée.
Coût approximatif d'un traitement aérobie : 1 900 F à 2 000 F/kg de DBOS éliminée.
Coûts d'exploitation
Frais d'exploitation (y compris amortissements sur 15 ans) : 518 250 F/an
Valeur nette du gaz (gaz naturel à 0,268 F/m³) : 210 000 F/an
Coût net de l'exploitation : 308 250 F/an
Remarque
Le coût total du traitement de l'effluent par une aérobie classique serait d'environ 956 000 F/an.
Observations
La station présente actuellement des problèmes de génie civil rendant difficile son exploitation ; ces difficultés ne mettent toutefois pas en doute le procédé.
III. — INDUSTRIE DE LA PECTINE
Une réalisation de fermentation anaérobie est en cours actuellement dans une pectinerie.
L'activité de cette société consiste en la fabrication de marcs secs de pommes et d'écorces d'agrumes.
Production 1976
- — pectine en poudre : 2 010 t
- — concentré de jus de pomme
- — marcs dépectinisés pour le bétail : 7 400 t
ORIGINE ET CARACTÉRISTIQUES DES EFFLUENTS DE L'USINE
Les marcs de pommes et d'agrumes sont hydrolysés par de l'acide nitrique : les jus extraits sont centrifugés, filtrés, concentrés, puis mis en présence d'alcool isopropylique pour précipiter la pectine.
Les eaux mères sont distillées pour réintroduire l'alcool en fabrication. Les effluents de l'usine proviennent :
- — du rejet des vinasses de distillation, volume journalier 330 m³. pH : 1,4 DCO : 11 000 kg/j NO₃ : 3 000 kg/j NH₃ : 300 kg/j
- — des eaux de lavages des appareils et des sols.
Les écorces d’agrumes dépectinisées seront également introduites en fermentation.
Total des charges
| Volume | DCO | |
|---|---|---|
| Vinasses et eaux de lavage : | 600 m³/j | 2 400 t/an |
| Écorces : | 100 m³/j | 600 t/an |
| Total : | 700 m³/j | 3 000 t/an |
Charge en DCO : 16 000 mg/l.
Température des effluents : 30 °C.
PROCÉDÉ ET INSTALLATIONS
Le schéma de traitement adopté est celui proposé par la société danoise KRUGER. Il a été testé et mis au point à partir d'un pilote (réduction au 1/100 de l'installation réelle) qui a fonctionné à la société pendant près de deux ans.
L'installation comporte :
- — une préneutralisation des effluents au carbonate de chaux jusqu’à pH 5-5,5 (volume des bassins : 400 m³), suivie d'un ajustement du pH à 7,5 par addition de chaux ;
- — un tank de dénitrification (150 m³), réaction exothermique ;
- — un digesteur anaérobie (3 000 m³) brassé et chauffé ; les effluents ont une température de 36-38 °C maintenue :
- • par les calories apportées par la réaction exothermique de dénitrification,
- • si nécessaire, par échange des eaux chaudes récupérées à l'usine ;
- — un dégazage sous vide des effluents en sortie du digesteur ;
- — un décanteur de 250 m³ avec recirculation des boues dans le fermenteur ;
- — un silo à boues de 40 m³ et une déshydratation des boues par décanteuse-centrifuge ;
- — un gazomètre de 300 m³ servant de tampon entre la production et l'utilisation (chaudière à vapeur).
Performances du procédé
Dénitrification
NO₃ : 4 300 mg/l → 30 mg/l (—10 mg/l N) Rendement : 99 %
Digestion
Charge du digesteur : 3,7 kg DCO/m³ DCO totale : 16 000 mg/l → 2 000 mg/l Rendement : 85 %
Temps de séjour : 5 jours
Production de boues : 8 m³/j environ après centrifugation. En supposant une siccité de 25 à 30 %, cela correspond à 0,20 à 0,25 kg MS/kg DCO éliminée.
Production de biogaz : 3,58 m³ CH₄/m³ d'eau traitée, 0,236 m³ CH₄/kg DCO introduite, 0,272 m³ CH₄/kg DCO éliminée.
En tenant compte des activités et jours de travail dans l'année de la société, la quantité de gaz utilisable correspond à 430 TEP, soit 8 % de la consommation annuelle de l'usine en fuel (6 000 t).
On notera d'autre part qu'une consommation d'énergie de 400 à 750 TEP/an serait nécessaire pour traiter les effluents par aérobie, suivant le procédé choisi.
L'économie d'énergie totale du projet peut être chiffrée à 430 TEP + 400 TEP = 830 TEP
COÛTS D'INVESTISSEMENTS
| Postes | Montant (F H.T.) |
|---|---|
| Génie civil ................................................. | 947 000 |
| Chaudronnerie .......................................... | 1 189 000 |
| Amenées des fluides (effluent eau, air, vapeur, électricité, pompes et régulation) ............ | 1 523 200 |
| Études et mises en route .............................. | 624 800 |
| Chaudière à gaz 2 200 kg/h à 13 bars, surpresseur, installation, amenée des gaz ........... | 238 000 |
| Appareillage laboratoire, campagne de mesure ................................................. | 80 000 |
| Total .......................................................... | 5 012 000 |
soit environ 525 F/kg DCO éliminée.
Frais de fonctionnement annuel de la station (basés sur l'exploitation du pilote) :
| Énergie — 40 000 kW h × 0,165 ....................................... | 66 000 F |
| Réactifs : 400 t de chaux + 540 kg de polyélectrolyte ........ | 133 600 F |
| Main-d'œuvre et maintenance .................................... | 50 000 F |
| Laboratoire + divers ................................................. | 55 760 F |
| Total ................................................................ | 305 360 F |
Comparaison avec d'autres procédés étudiés
| Filtre biologique | Puits profond | Anaérobie | |
|---|---|---|---|
| Coût de l'installation avec dispositifd'assèchement des boues (F) ............... | 9 350 000 | 6 550 000 | 5 000 000 |
| Frais de fonctionnement, par an (F) ........ | 855 000 | 930 000 | 305 360 |
| Consommation d'électricité(en milliers de kW h) ............................... | 1 076 | 1 618 | 400 |
| Récupération d'énergie, par an (F) ........... | 0 | 0 | 430 |
CONCLUSION
On retiendra un coût d'investissement et des frais de fonctionnement faibles pour le procédé anaérobie.
Toutefois, l'épuration par fermentation méthanique conduit à des effluents encore chargés et la comparaison avec les traitements aérobies, pour être correcte, devrait être ramenée aux performances des différents procédés.
IV. — SUCRERIES
Plusieurs exemples d’essais et d'installations de fermentation méthanique d'effluents de sucreries sont connus actuellement. Les applications citées portent sur des réalisations en France et aux Pays-Bas.
1. RÉALISATIONS EN FRANCE
Une sucrerie dans l'Oise a mis au point avec l'IRIS un système d’épuration de ses effluents par digestion anaérobie.
Les effluents de cet établissement (eaux de lavage et de transport des betteraves et rejets de raffineries), fortement chargés en matières biodégradables, sont traités par anaérobie puis par lagunage.
Description du prototype
Le traitement anaérobie s'effectue dans un bassin rectangulaire imperméabilisé comprenant deux zones :
— une zone centrale agitée par hélice correspondant au fermenteur (volume utile 800 m³). Cette zone est recouverte d'une bâche PVC pour le recueil des gaz ;
— une zone périphérique servant de décantation : surface de décantation 400 m².
De par sa taille, il s'agit plus d'une petite réalisation industrielle que d'un pilote.
Caractéristiques des eaux traitées
Débit moyen : 30 m³/h, soit 720 m³/j. DCO mg/l : 5 900. DBO₅ mg/l : 3 980. Azote total (mg/l) : 49,7. Phosphore total mg/l : 8,4. Soufre total mg/l : 6,5.
Performance du procédé
Charge du digesteur : 5,3 kg DCO/m³/j ; 3,5 kg DBO₅/m³/j. Temps de séjour des effluents dans le fermenteur : 1,1 jour.
Effluents traités :
DCO ............. 1 100 mg/l DBO₅ ............ 720 mg/l N total ............. 36,7 mg/l
Épuration :
DCO = 81 % DBO₅ = 82 %
Qualité moyenne du biogaz produit : 82 % de CH₄.
Remarque
Au cours de la dernière campagne, les rendements obtenus sur le traitement des eaux de sucrerie ont été améliorés : 94 % du carbone organique éliminé en moyenne.
Les eaux traitées ont une DCO résiduelle comprise entre 150 et 200 mg O₂/l et une DBO₅ voisine de 30 mg O₂/l.
Coût du procédé
Les coûts énoncés pour une réalisation en Belgique et un projet d’équipement en France d'installation du même type que celle prescrite sont respectivement :
• 730 000 F pour 5 t de DCO éliminée par jour. • 300 000 F pour 1,5 t de MO éliminée par jour.
L'ordre de grandeur des coûts unitaires relatifs à ces deux exemples et études en cours actuellement est de :
• 200 F/kg MO éliminée.
Autres données
L’IRIS a également effectué des essais sur pilote dans une sucrerie du Nord de la France.
Les caractéristiques des effluents et quelques résultats obtenus en février 1977 sont rassemblés ci-après.
Volume du fermenteur : 30 m³. Température de digestion : 30 °C environ. Temps de séjour des effluents dans le digesteur : ≥ 78 h.
Bilan global sur un mois d'essais :
• Charge volumique : 1,07 kg COT/m³/j, soit 3 kg DCO/m³/j. • Débit moyen : 1,67 m³/h. • Rendement d'épuration moyen : 88,8 %. • Débit moyen de gaz recueillis : 0,78 m³/h.
Valeurs moyennes comparées sur plusieurs jours de COT, DCO, DBO₅ (mg/l) :
| COT | DCO | DBO₅ | |
|---|---|---|---|
| Entrée | 914,7 | 2 620 | 1 363 |
| Sortie | 88 | 321 | 115 |
| Rendements comparés | 90,4 % | 87,7 % | 91,6 % |
Remarques
Le volume des gaz produits est en fait mal connu du fait du caractère provisoire du dispositif employé. Ils sont par contre à forte teneur en méthane (entre 87 % et 90 % de CH₄).
Le fermenteur a bien supporté des refroidissements accidentels dus à l’imperfection du matériel expérimental.
Le traitement n'a pas nécessité d’ajouts de nutriments dans les effluents.
2. RÉALISATION AUX PAYS-BAS
Après une période d'essais de quatre années sur pilotes de différentes tailles, une réalisation de traitement par fermentation méthanique fut construite en 1978 pour traiter les effluents d'une sucrerie hollandaise traitant 5 200 t/j de betteraves.
Les eaux de lavage et transport des betteraves ainsi que les rejets de raffinerie sont traités respectivement dans des fermenteurs de 800 m³ et 30 m³.
Les digesteurs fonctionnent suivant le procédé hollandais « Upflow anaerobic sludge blanket », que l’on peut traduire par procédé à « lit fluidisé ».
Caractéristiques des eaux traitées en 1979
| Type d’effluent | Sucrerie | Raffinerie |
|---|---|---|
| Volume du fermenteur (m³) | 800 | 30 |
| DCO (mg/l) | 1 600-2 600 | 8 000-56 000 |
| DBO₅ (mg/l) | 55-1 450 | – |
| Sucrose (% de COD) | – | 50 |
| Acétate (% de COD) | 40 | 20 |
| Propionate (% de COD) | 45 | 5 |
Butyrate (% de DCO) ........................................ 4 5 Matières en suspension (g/l) ............................ 0,1 – 1,0 — Kjeldahl-N (mg/l) ........................................ 20 – 55 10 – 40 pH ....................................................... 5,8 – 7,8 3,2 – 4,0 Alcalinité (meq HCO₃⁻/l) ................................. 10 – 40 —
Les eaux boueuses du lavage et du transport des betteraves sont évacuées vers un décanteur, puis recyclées. Les boues recueillies sont ensuite épaissies dans des bassins de sédimentation. Le surnageant de ces épaississeurs est ensuite traité par anaérobie, puis aérobie avant d’être soit réutilisé au transport et lavage des betteraves, soit rejeté.
Les effluents de raffinerie nécessitent l’ajout de nutrients (azote et phosphore).
Caractéristiques des installations
30 m³ fermenteur — 800 m³ fermenteur Forme des fermenteurs ................. cylindrique — rectangulaire Matériau ................................ acier — béton Hauteur (m) ............................ 6 — 4,5 Surface de base (m²) ................... 5 — 178 Hauteur de la zone de digestion (m) ..... 4,9 — 3,3 Hauteur de la zone de décantation (m) ... 1,1 — 1,2
Résultats obtenus en 1979 sur le traitement des eaux de sucreries et de raffineries : valeurs moyennes d’élimination de la DCO, de production de gaz et de composition du gaz.
Effluents de sucrerie ...... 10 79,3 100 90 0,38 4 Effluents de raffinerie ... 14,2 98,9 10,2 68,5 0,56 24
La température de digestion est maintenue à 35 °C grâce à un échangeur thermique.
De très fortes concentrations de boues dans le digesteur caractérisent ce procédé : on observe un gradient de concentration allant de 50 à 100 kg/m³ à la base du digesteur à 5 à 40 kg/m³ au sommet du lit de boues.
Remarques
On notera que le système s’est avéré stable, supportant facilement des variations en qualité et en quantité des effluents.
Aucune modification des performances du procédé n'a été observée pour des pH allant de 6,3 à 8,0 dans le digesteur, ainsi que pour des températures allant de 25 à 40 °C.
Les résultats obtenus sur le traitement des effluents de sucrerie (période d’octobre à décembre) ont pu être atteints après deux semaines de « mise en régime » du digesteur, celui-ci ayant été inactif pendant les neuf mois d’inter-campagne.
Conclusion
Le procédé « Upflow Anaerobic Sludge Blanket » apparaît particulièrement performant : charges appliquées importantes et temps de séjour réduits.
Les fortes quantités de boues maintenues grâce au séparateur inclus dans le digesteur lui confèrent de plus une bonne résistance aux variations de ses paramètres de fonctionnement.
On notera, en outre, que des essais-pilotes ont été conduits sur d'autres effluents d'industries agroalimentaires (conserverie, brasserie, amidonnerie, industrie de la pomme de terre...).
Dans tous les cas, l'abattement de la DCO s'est avéré supérieur à 1 kg DCO/kg de boues/j avec des charges appliquées de 5 à 15 kg DCO/m³/j.
V. — CONSERVERIE DE LÉGUMES
Le traitement des effluents de conserverie par fermentation méthanique a été testé et mis au point par l’INRA à Villeneuve-d’Ascq, au cours d'essais en laboratoire.
Une application à l’échelle industrielle est actuellement en cours de réalisation.
Activité de l'usine et caractéristiques des effluents à traiter.
La Société F est une conserverie de légumes (100 000 t traitées par an) ayant une forte activité de pointe de juillet à septembre correspondant aux campagnes de traitement des petits pois, haricots verts et carottes.
L'usine est actuellement équipée d'une station de lagunage aéré qui se trouve très surchargée pendant la période estivale.
Afin de décharger cet équipement, le traitement des effluents de ces campagnes est souhaité.
La température et la concentration de ces effluents ont conduit à tester la possibilité d'un traitement de fermentation méthanique permettant en plus de récupérer de l'énergie.
Les caractéristiques des effluents à traiter sont rassemblées dans les tableaux I et II.
Remarque
Les effluents de carottes n'étant pas représentatifs de la réalité ont été dilués au 1/2 au cours des essais.
Autres données sur les effluents :
| Température | Volume | Période | |
|---|---|---|---|
| Blancheur de petits pois | 60° | 350 m³/j | Juillet |
| Blancheur de haricots verts | 76° | 350 m³/j | Août et mi-septembre |
| Pelage des carottes | 15° | 1 200 m³/j | Juillet environ et août |
Schéma des pilotes : figures 1 et 2.
Extrait de : Epuration et valorisation énergétique des eaux résiduaires de conserveries de légumes, par J-N. MORFAUX, G. ALBAGNAC et J.-P. TOUZEL. Colloque international du CENECA, Paris, février 1980
Résultats obtenus :
Les résultats obtenus au cours des essais effectués par l’INRA sur chacun des effluents de campagne sont énoncés dans le tableau III.
Épuration et valorisation des eaux résiduaires de conserveries
Extrait de Albagnac et al.
par J.-N. Morfaux, J.-P. Touzel
Cahiers du CENECA – Colloque international du CENECA, février 1980
TABLEAU I : Caractéristiques des effluents de conserverie de légumes
| BlancheurPetits pois | BlancheurHaricots verts | Pelagecarottes | |
|---|---|---|---|
| pH | 5,6 | 5,6 | 5,7 |
| Matières sèches totales (g/l) | 27,0 | 16,2 | 42,5 |
| Matières en suspension (g/l) | 2,0 | 0,65 | 12,5 |
| DCO totale (mg O₂/l) | 26 500 | 16 000 | 40 000 |
| Carbone organique total (mg C/l) | 11 000 | 9 400 | 23 000 |
| Azote total Kjeldahl (mg N/l) | 1 030 | 320 | 800 |
| O-phosphates (mg P/l) | 120 | 80 | 90 |
| Rapport C/N/P | 100/9,4/1,1 | 100/4/0,6 | 100/3,5/0,4 |
| Sucres totaux (mg/l) | 12 500 | 7 250 | 25 000 |
TABLEAU II : Analyse des fractions glucidiques et protéiques des effluents
| BlancheurPetits pois | BlancheurHaricots verts | Pelagecarottes | |
|---|---|---|---|
| Oses (glucose + fructose) (mg/l) | 1 400 | 7 800 | 16 800 |
| Saccharose (mg/l) | 7 000 | 980 | 360 |
| α-glucanes (mg/l) | 2 000 | 1 100 | 430 |
| Azote ammoniacal (mg N/l) | 290 | 80 | 130 |
| Acides α-aminés libres (mg N/l) | 400 | 130 | 175 |
TABLEAU III : Résultats des essais de méthanisation en pilote de laboratoire des effluents de conserverie de légumes
| PETITS POIS | HARICOTS VERTS | CAROTTES | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Mélange complet | Anaérobie | Contact | Anaérobie | Contact | Anaérobie | |
| Température (°C) | 35 | 35 | 35 | 35 | 35 | 35 |
| pH | 7,4 | 7,0 | 7,5 | 7,0 | — | — |
| Temps de séjour (jours) | 10,5 | 6,0 | 5,5 | 7,0 | — | — |
| Charge volumique (kg DCO/m³/j) | 2,4 | 3,5 | 2,7 | 3,5 | — | — |
| Charge massique (kg DCO/kg MVS/j) | 0,5 | 0,6 | 0,31 | 0,45 | — | — |
| DCO sortie (mg O₂/l) | 1 500 | 1 500 | 650 | 800 | — | — |
| % épuration sur DCO soluble | 95 | 95 | 96 | 96 | — | — |
| MES sortie (g/l) | 5,0 | 1,8 | 1,3 | 5,8 | — | — |
Production de gaz
| – l/kg DCO | 490 | 450 | 540 | 450 |
| – l/l digesteur/j | 1 300 | 1 700 | 1 380 | 1 400 |
| – méthane (%) | 60 | 60 | 55 | 55 |
Bilans carbone (en % du carbone présent dans l’effluent)
| – CH₄ | 40 | 37 | 22 | 27 |
| – CO₂ | 26 | 24 | 26 | 22 |
| – bicarbonates | 7 | 7 | 2 | 3,7 |
| – carbone résiduel | 5 | 3,5 | 2,5 | 2,8 |
| – MES sortie | 24 | 5 | 3 | 17-27 |
x MES = matières en suspension
Remarques
Les pertes importantes de matières en suspension dans l'effluent de sortie sont imputées au décanteur de laboratoire très rudimentaire.
Réalisation
Elle est effectuée par la Société DEGREMONT. Elle porte sur le traitement, par le procédé contact anaérobie, de la totalité des effluents de blancheur des petits pois et haricots verts, l'effluent de carotte (t° = 15 °C) étant partiellement utilisé en tant que coupage de refroidissement des eaux résiduaires de blancheur afin d’obtenir une température voisine de 36 à 37 °C.
Les caractéristiques de fonctionnement sont estimées à :
— DCO à traiter ..................................................... 15 à 16 t/j — Charge volumique de la digestion anaérobie ...... 3 à 3,2 kg DCO/m³/j — Temps de séjour ............................................... 6 à 7 jours — % épuration sur la DCO ................................. 95 % — Production de CH₄ ........................................... 0,3 m³/kg DCO éliminée
L’ensemble des installations nécessaires à la digestion est chiffré à 5 760 milliers de francs pour 14,7 t de DCO éliminée, soit 400 F environ/kg de DCO éliminée.
L’économie globale d’énergie produite par an est estimée à 720 TEP, dont 550 dues à la récupération de méthane produit et 170 dues à l’économie d’électricité réalisée sur l’actuel traitement aérobie.
VI. — ELEVAGES INDUSTRIELS
De nombreuses réalisations existent dans le domaine du traitement des lisiers de porcheries.
Cela va des fosses anaérobies rustiques, mais fiables à alimentation manuelle rencontrées au niveau des petites exploitations, au système très élaboré des gros élevages.
Dans le premier cas, des taux d’épuration de 80 à 90 % sur la DCO sont observés pour des temps de séjour respectifs de 50 à 90 jours.
On citera, à titre indicatif, que l’IRCHA, en collaboration avec d’autres organismes et le professeur ISMAN, a mis au point un fermenteur permettant, à partir de sous-produits d’exploitation (pailles) et déjections animales, de produire du méthane pouvant rendre une exploitation agricole moyenne indépendante énergétiquement.
Dans le cas des gros élevages, on peut citer deux exemples :
— Une porcherie de Bretagne équipée d’une installation suivant le procédé anglais (ANOX system).
Les équipements destinés à traiter les lisiers de 20 000 porcelets comportent : — une phase de digesteur anaérobie fonctionnant suivant le procédé par contact, éliminant 90 à 95 % de la charge polluante (1 400 kg/j de DBOS, 3 600 kg/j de DCO, 70 m³/j) pour des temps de séjour de 10 à 15 jours ; — un traitement physico-chimique par floculation, électroflottation des effluents digérés ; — un traitement de finition par oxydation catalytique à l’ozone et filtration sur sable des effluents digérés ; — un traitement des boues par filtre-presse.
Les effluents ainsi traités (+ de 99 % de la charge polluante éliminée) et stérilisés peuvent être directement réutilisés pour les besoins en eau industrielle de l'exploitation.
L’ensemble des besoins énergétiques nécessaires au fonctionnement des installations est assuré par l’énergie fournie à partir de méthane récupéré.
Le coût total de l'investissement s’élève à 2 500 000 F, soit 700 F/kg DCO éliminée ; la part relative à l’installation de digesteur est de 1 110 000 F environ, soit 335 F/kg DCO éliminée.
— Un élevage en Italie équipé d’une installation de récupération de gaz et de traitements de déchets organiques selon un procédé conjoint de MONTEDISON et de la Société « Risorse ambientali » de Pérouse.
L’installation traite 100 m³/j d’effluents à 40 000 mg/l de DCO, avec une épuration de l’ordre de 90 à 95 % et produit 1 500 m³/j environ de gaz à 65,70 % de méthane.
Ce gaz est utilisé pour l’alimentation de quatre moteurs Fiat pour la production de chaleur et d’électricité.
VII. — AUTRES BRANCHES EN BREF
Une étude des traitements par fermentation méthanique des résidus d’abattoir est projetée en 1980, sous la responsabilité du laboratoire d’énergétique biochimique à Créteil.
Un pilote exploité sur un abattoir de la Côte d’Or et des essais de laboratoire en parallèle permettront de mettre au point les conditions d’utilisation des matériaux à traiter ainsi que d’évaluer et optimiser la productivité de méthane.
La traitabilité par fermentation méthanique des vinasses de vins blancs produites au cours de la distillation du cognac a été étudiée au stade laboratoire par l’INRA de Narbonne. Les résultats obtenus sur le
plan épuration rendent cette technique compétitive par rapport aux autres traitements biologiques.
La méthanisation de l'ensemble des vinasses produites dans l'industrie de la distillerie viticole produirait 25 000 TEP/an.
CONCLUSION
La fermentation méthanique appliquée aux effluents industriels très concentrés peut être envisagée en tant que premier traitement.
Il peut correspondre à une épuration suffisante avant raccordement à un égout, mais doit être suivi d'un traitement de finition en cas de rejet dans le milieu naturel.
C'est pourquoi, parmi les exemples présentés, la phase de digestion est parfois suivie d'un traitement de finition.
Ce traitement de finition peut être soit une épuration biologique aérobie (boues activées ou lagunage), soit une épuration physico-chimique très élaborée.
Le procédé utilisé pour la majeure partie de ces essais et réalisations est le procédé par contact.
Des charges volumiques de 3 à 5,3 kg DCO/m³/j sont appliquées et les effluents sont épurés (de 80 % à 95 % de rendements en DCO) avec des temps de séjour variables suivant les substrats (1 à 7 jours).
On notera toutefois que le procédé à « lit fluidisé » (UASB) permettrait d'atteindre des taux d’épuration équivalents avec des charges appliquées beaucoup plus importantes (10 à 20 kg DCO/m³/j) et des temps de séjour de quelques heures.
La récupération d’énergie par production de gaz méthane obtenue dans ces exemples est de l'ordre de 0,5 m³ gaz/kg DCO éliminée, soit environ 2,7 thermies/kg DCO éliminée.
À ce type de traitement apparaît couplée une production de boues faible : elle est estimée de 10 % à 20 % de celle issue d'un traitement aérobie à forte charge et à moins de 50 % de celle issue d'une aération prolongée. Les boues produites sont en outre plus stabilisées et plus facilement déshydratables mécaniquement du fait de leur minéralisation importante. On peut donc s’attendre à un gain d'investissement et d'exploitation sur le poste traitement des boues.
Les coûts unitaires d'investissements chiffrés pour quelques exemples font apparaître la fermentation méthanique comme un traitement intéressant.
Deux paramètres importants semblent favoriser ce type de traitement :
- — la possibilité d’avoir des effluents concentrés en faible quantité ;
- — le rejet de ces effluents à des températures tièdes.
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10. Épuration et valorisation énergétique des eaux résiduaires de conserveries de légumes, par J.-N. MORFAUX, G. ALBAGNAC et J.-P. TOUZEL. Cahiers du CENECA. Agriculture et Agra Paris, 27-29 février 1980. Colloque International.
11. Mise au point d'un fermenteur modulaire pour déjections animales et sous-produits agricoles en vue de la production de méthane. Rapport présenté par l'IRCHA, la SNPE, le GIDA, la SETAL et le professeur ISMAN.
12. Treatment and Re-use of Organic Effluents, Effluents and Water Treatment Journal, 1979, n° 2, 91.
13. Preziose risorse dalle nuove techniques del disinquinamento Technosentesi. MONTEDISON.
