Méthodes pour l élimination, concentration ou transformation de l azote pour les installations de biogaz agricoles de petite taille.

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1 RITTMO 18 e Rencontre s Professionnelles Colmar, le 15 décembre 2011 Engrais minéraux issus de l organique : intérêts et limites Méthodes pour l élimination, concentration ou transformation de l azote pour les installations de biogaz agricoles de petite taille Etat de l art Nathalie BACHMANN, Toine Bakx EREP SA Chemin du Coteau 28 CH-1123 Aclens - Suisse nathalie.bachmann@erep.ch +41 (0)

2 EREP SA Bureau d étude et de conseils Spécialisé dans le traitement et la valorisation des déchets et des effluents organiques Expertise spécifique dans la production et l utilisation du biogaz Crée en 1980 Localisé à Aclens, partie francophone de la Suisse 1

3 Contenu de la présentation Introduction Technologies Analyse Conclusions Digestat Objectifs du traitement Vue générale Exemple: Filtration membranaire Comparaisons au niveau environnemental et économique Technologie en fonction du contexte 2

4 Le digestat Matière issu de la digestion anaérobie MO: Réduction de 50 80% (transformées en biogaz) N, P et K : pas de pertes pendant la digestion Ammonification: azote organique Ammonium Les principaux avantages p. r. aux engrais de ferme: - Réduction odeurs - Réduction des germes pathogènes et graines d adventices - D avantage de fluidité (liquéfaction) - Amélioration de la disponibilité de l azote - Amélioration de la capacité de rétention d eau dans le sol 3

5 Le digestat Répartition des composants fertilisants dans la fraction solide et liquide: Phase liquide Phase solide / matière en suspension N - Ammonium N - organique Potassium (K) Phosphore (P) * Matière fibreuse 95% 5% 5% 80% 20% 50-1% 50-99% 95% 100% Volume ** 80-90% 10-20% * Dépend de l'utilisation des coagulants / floculats ** Dépend des substrats de digestion Source: [adapté IBBK] 4

6 Traitement du digestat: Objectives Réduction du volume Export / élimina ation nutriments Concentration du fertilisant, faciliter le stockage et l épandage Faciliter le transport du fertilisant (export de nutriments) Amélioration qualitative du digestat Changer le rapport NPK pour une application plus ciblée Faciliter la commercialisation du digestat (export de nutriments, recettes) Elimination de nutriments (N) Si pas de possibilité d exportation Pour éviter l excès de nutriments (respect de la loi) Emissions Réduction des émissions nocives N2O, NH3 5

7 Techniques de traitement Digestat Épandage directe Séparation des phases Phase liquide filtration membranaire strippage Phase solide Sécheur à bandes compostage traitement biologique précipitation struvite évaporation / condensation Remarque: Liste non exhaustive! 6

8 Exemple: Filtration membranaire digestat séparation de phases par centrifugeuse phase liquide filtre police phase liquide première concentration par ultrafiltration filtrat ultrafiltration deuxième concentration par osmose inverse effluent produit solide produit solide concentré ultrafiltration concentré osmose inverse Produit solide séparé par centrifugation * Volume 18% N-total - N-ammonium 18% P 76% K 17% Matière en suspension 70% Concentré ultrafiltration * Volume 12% N-total - N-ammonium 13% P 20% K 12% Matière en suspension 30% Concentré osmose inverse * Volume 18% N-total - N-ammonium 70% P 4% K 70% Matière en suspension 0% Effluent de l'osmose inverse * Volume 53% N-total - N-ammonium 0% P 0% K 0% Matière en suspension 0% * Données de A3 Watersolutions

9 Evaluation des technologies Facilité d opération Techniques disponibles Stabilité des procédés Degré d automatisation Main d œuvre (manutention, réparations) Facteurs environnementaux Consommation énergétique Influence sur les émissions Influence sur les nutriments Facteurs économiques Frais d épandage et stockage Frais du traitement Recettes (redevances fertilisant) 8

10 Consommation énergétique Consommation [kwh / m 3 digestat] presse à vis 0.4 centrifugeuse filtration membranaire strippage combustion strippage lavage acide évaporation sécheur à bandes précipitation de struvite compostage intensif traitement biologique 20.0 consommation électrique consommation thermique produits chimiques 9

11 Emissions: N2O et NH3 Comparaison qualitative des émissions lors de l épandage (p.r. à l épandage du digestat brut) moins d émissions plus d émissions presse à vis centrifugeuse filtration membranaire strippage combustion strippage lavage acide évaporation sécheur à bandes précipitation de struvite compostage intensif traitement biologique 10

12 Répartition des nutriments Fraction à épandre sur place: Fraction à exporter (concentrât): Pou rcentage [%] à épa ndre Pourcentage [%] expo rtable épandage liquide presse à vis épandage liquide presse à vis cent rif ugeuse filtratio n me mbranaire strippage co mbustio n s trippage lavage acide évapo ratio n séch eur à ba nde p récipitatio n de struvite centrifugeuse filtratio n membranaire strippage co mbustio n strippage lavage acide évaporat io n sécheur à bande précipitatio n de st ruvite 430 co m po stage intensif co mpo stage intensif traite ment bio lo gique Nto t P K traitement bio logique Ntot P K 11

13 Analyse économique épandage liquide presse à vis centrifugeuse [CHF / m 3 ] filtration membranaire strippage combustion strippage lavage acide évaporation sécheur à bandes précipitation de struvite compostage intensif Remarques 1. Le calcul est valable pour: - les installations de petite capacité - le contexte Suisse 2. Le calcul ne prend pas compte des couts pour la chaleur 3. 1CHF 0.8 Euro traitement biologique frais épandage + stockage frais traitement redevances fertilisants 12

14 Conclusions Evacuation de plus de 50% de l azote (élimination ou export) : Filtration membranaire, strippage/lavage acide, évaporation, précipitation struvite, traitement biologique Méthodes permettant la conservation de N : Filtration membranaire, strippage/lavage acide, évaporation, précipitation struvite Méthodes permettant une élimination de N : Strippage combustion, traitement biologique Techniques envisageables pour petites installations : Presse à vis, centrifugeuse, compostage (Traitement biologique: en développement pour améliorer bilan économique et environnemental) Techniques intéressantes pour grandes installations : Filtration membranaire, strippage/lavage acide, évaporation, précipitation struvite 13

15 Informations pratiques Etude financée par l Office Fédérale pour l Energie Realisée par EREP SA et EAWAG Contact auteur: toine.bakx@erep.ch Téléchargement de l étude: energieforschung/index.html?lang=fr&pr oject=

16 Total Nitrogen Reduction [%] land spreading screw press separator centrifuge membrane filtration 69 stripping - combustion 44 stipping - acid scrubbing 70 evaporation 84 belt dryer 20 struvite precipitation 78 intensive composting 20 biological treatment 64 15

17 Presse a vis digestat séparation de phases par presse à vis produit liquide produit solide Produit liquide * Volume 80-90% N-total 75-92% N-ammonium 89-97% P 72-92% K 87-94% Matière en suspension 45-80% Produit solide * Volume 10-20% N-total 8-25% N-ammonium 3-11% P 8-28% K 6-13% Matière en suspension 20-55% * KBTL

18 Centrifugation digestat séparation de phases par centrifugation produit solide produit liquide Produit solide Volume ** 7% N-total * 22% N-organique * 17-25% N-ammonium **** 10% P *** 27-79% K **** 3% Matière organique Matière en suspension * 48% Produit liquide Volume ** 93% N-total * 78% N-organique * 75-83% N-ammonium ***** 90% P *** 21-73% K **** 97% Matière organique Matière en suspension * 52% * KBTL ** présentation IBBK *** La répartition du phosphore dépend de l'utilisation ou pas de floculants / coagulants. L'utilisation permet de réduire le contenu de P dans le produit liquide **** 100% - pourcentage dans produit liquide 17

19 Filtration membranaire digestat séparation de phases par produit solide centrifugeuse Produit solide séparé par centrifugation * Volume 18% N-total - N-ammonium 18% P 76% K 17% Matière en suspension 70% phase liquide filtre police produit solide Concentré ultrafiltration * Volume 12% N-total - N-ammonium 13% P 20% K 12% Matière en suspension 30% phase liquide première concentration par ultrafiltration concentré ultrafiltration Concentré osmose inverse * Volume 18% N-total - N-ammonium 70% P 4% K 70% Matière en suspension 0% filtrat ultrafiltration deuxième concentration par osmose inverse effluent concentré osmose inverse Effluent de l'osmose inverse * Volume 53% N-total - N-ammonium 0% P 0% K 0% Matière en suspension 0% * Données de A3 Watersolutions

20 Strippage et combustion catalytique digestat centrifugation produit solide aluminosilicate de sodium er réacteur de strippage 1 er récirculation de l'air digestat à faible teneur d'ammoniac gaz de strippage ème réacteur de strippage 2 ème oxidation catalytique produit à faible teneur en ammoniac N 2, N 2 O gaz 19

21 Strippage et combustion catalytique Produit solide séparé par centrifugation * Volume 7% N-total 22% N-organique 17-25% N-ammonium 10% P 27-79% K 3% Matière organique Matière en suspension 48% * Voir paragraphe présentation centrifugeuse Produit liquide à faible teneur en ammoniac Volume 91% N-total 36% N-ammonium 27% P 25% K 93% Matière en suspension 52%

22 Strippage et lavage acide digestat centrifugation produit solide NaOH réacteur de strippage digestat à faible teneur en ammoniac gaz de strippage récirculation air acide sulfurique réacteur de lavage acide solution (NH 4 ) 2 SO 4 OU NH 4 NO 3 21

23 Strippage et lavage acide Produit solide séparé par centrifugation * Volume 7% N-total 22% N-organique 17-25% N-ammonium 10% P 27-79% K 3% Matière organique Matière en suspension 48% * Voir paragraphe présentation centrifugeuse Produit liquide à faible teneur en ammoniac Volume 90% N-total 8% N-organique 75-83% N-ammonium 9% P 21-73% K 93% Matière en suspension 52% Solution de sulfate d'ammonium Volume - N-total - N-ammonium * 81% P - K - Matière en suspension - * 90% de réduction d'ammoniac

24 Evaporation/condensation digestat séparation de phases par presse à vis produit solide Produit solide après presse à vis* Volume 10-20% N-total 8-25% N-ammonium 3-11% P 8-28% K 6-13% Matière en suspension 20-55% * KBTL phase liquide évaporation 2-étapes eau concentré Produit concentré après évaporation Volume 28% N-total * 75-92% N-ammonium * 89-97% P * 72-82% K * 87-94% Matière en suspension * 45-80% Calculé comme 100% - valeurs dans le produit solide après presse à vis traitement biologique effluent Effluent après traitement biologique Volume 62% N-total 0% N-ammonium 0% P 0% K 0% Matière en suspension

25 Sécheur à bandes Produit liquide après presse à vis Volume * 80-90% N-total ** 80% N-ammonium ** 91% P * 72-92% K * 87-94% Matière en suspension * 46% * KBTL Digestat séché Volume / masse 5% N-total 11% N-ammonium - P * 8-28% K * 6-13% Matière en suspension * 54% * données produit liquide après presse à vis Eau de lavage Volume / masse * 2% N-total 9% N-ammonium ** 9% P * - K * - Matière en suspension * * volume créé; pourcentage par rapport au volume initial ** estimation que tout N-total est disponible comme ammoniac 24

26 Précipitation de struvite digestat flocculants coagulants centrifugation produit solide phase liquide réactifs P, Mg et base réacteur séparation / décantation solide minéral effluent 25

27 Précipitation de struvite Produit solide après centrifugation avec adjonction des flocculants/coagulants Volume 7% N-total 22% N-organique 17-25% N-ammonium 10% P * 79 K 3% Matière organique Matière en suspension >48% * Ici utilisation des floculants / coagulants pour améliorer séparation. L'utilisation permet de réduire le contenu du P dans le produit liquide Produit liquide après séparation boues de MAP Volume 93% N-total - N-ammonium * 9% P ** < 21% K 97% Matière organique Matière en suspension <52% * Élimination de 90% d'ammonium ** Difficile de juger le solde en P. On l'estime à 100 % moins le pourcentage évacué par la centrifugeuse 100 Boues de MAP Volume - N-total - N-ammonium 81% P * 430% K 0% Matière en suspension * Pour la précipitation il faut ajouter du phosphore en quantités plus élevées que présent dans le digestat

28 Compostage digestat séparation de phases par presse à vis produit liquide phase solide aération forcée compostage intensif air sortant compost Lavage (acide) de l'air résidu liquide résidu liquide du lavage Compostage intensif (avec aération) 27

29 Compostage Produit liquide après presse à vis* Volume 80-90% N-total 75-92% N-ammonium 89-97% P 72-92% K 87-94% Matière en suspension 45-80% * KBTL Compost ** Volume *** 5-10% N-total 8-25% N-ammonium 3-11% P 8-28% K 6-13% Matière en suspension 20-55% ** Calculé par différence sur le produit liquide *** Estimation réduction du volume de 50%

30 Traitement biologique digestat séparation de phases mécanique produit solide phase liquide traitement biologique boues activées séparation boues / liquide traité boues d'épuration effluent 29

31 Traitement biologique Produit solide (après presse à vis) * Volume 10-20% N-total 8-25% N-ammonium 3-11% P 8-28% K 6-13% Matière en suspension 20-55% * KBTL Effluent ** Volume 63% N-total 2% N-ammonium - P 12% K 56% Matière en suspension Boues d'épuration ** Volume 27% N-total 18% N-ammonium - P 71% K 29% Matière en suspension - ** [Teffene] Valeurs indicatives sur le traitement de lisier de porc