.: . t 1 - INTRODUCTION Inspiré ...
.:
.
t
1 -
INTRODUCTION
Inspiré
d'un prototype zaïrois étudié par
PLUM et MBARILA en (1979)
le fermenteur I!?RA* a
été expérimenté depuis environ 2 ans au CNRA et en mi-
lieu paysan (9ertheau et &.
1980 - Allard
et &. 19?1). Le fermenteur uti-
lise le processus
continu do fermentation anaérobie un milieu liquide et est
particulièrement adapté aux disponibilités en résidus agricoles dans la par-
tie Nord du bassin arachidier - Les diunrsos exp6rimentations
ont entrain6
des
modifications par rapport au
prototype
initial, tant au point de vue technique
que biologique.
La construction a été simplifiée au maximum en utilisant des f'ûts
métalliques de 200 1 découpés et soudgs. Une pente de 4 à 6 3 assure
un
transit correct
du substrat
de l’entr6e vers l’évacuation. Le biogaz est;
évacué par l’intermédi.aire
de 3 piquages dispos6s sur le corps du fermenteur.
Afin d’assurer
une température
de fermentation homogène, le fermenteur peut
être enterré
et muni d'un dispositif d'agitation. Compte tenu du processus
continu,
le fermenteur
est alimenté journellement par
un mélange de féc&s
bovins additionnés d'eau jusqu'àunparrcontago de matiares eéchos de 8 à ,‘i2 $.
Occasionnellement des résidus v8gétaux de faible granulométrie (coques d'ara-
chide,
paille broyée)
peuvent @tre
introduits sans problèmes de bouchage. La
particularité essentielle
du processus continu est ,que le Fermenteur n'est
jamais vil3é j
chaque @port de substrat entraine
1'Bvacuation d'une même
quantité d'effluent digdré, par 1 ‘intermédiaire
d'w trop plein.
Les principaux paramètres
de fonctionnement d'un f ermenteur
ccnti-
nu sont les ,suivants :
- le temps de rétention
(TR) en jours
exp:rime le temps de séjour
moyen du substrat dans le fermenteur.
TCi = Volume utile du f ermenteur
I
Charge
volumique journalikre
- la charge
massiquo (CM) en tonnes de MS,/m3 fermenteur par jour,
en liaison avec 13 charge
volumique, e l l e e x p r i m e l a q u a n t i t é d e mati&re se-
che introduite
journellement dans '1 m3 de fermenteur ;
- la productivité en biogaz (P) en m3 biogaz/m3 fermenteur par jour
correspond
à la quantité de biogaz produite par
unité de volume de fermenteur;
- la tempdrature de fermentation (t> en “Cl ?
On remarquera
que lt! volume utile du fermentcur
est une donnée
importante
qui conditionne la majorité des paramètres
de fonctionnement. Dans
le cas
du f ormenteur zaïrois,
le volume utile varie
en fonction des caracté-
ristiques hydrauliques
de fonctionnement. Le but de l'étude est donc de quan-
tifier ces variations
afin de vérifier leur
impact sur le
fonctionnement gé-
neTa du fermenteur
et notamment sur les paramètres de gestion cités
plus
haut.
* Réalise
dans le cadre
du programme ISRA-GERDAT
631-03/CG 08.
- 2 -
2 - CA6fiCTERISTIDUES
3IMENTIONNELLES DU FEZMENTEUR
Le schema du farmenteu,r E:'-I fonctionnement :st donne figLJrs 1. L.2
ferm.znteur ;>st divisé on 3 p*j.rti,.:c :
1 -
chéimbro ci1 entrée ou de chargement p
2- chambre de fermentation
ou corps du formenteur j
3 - chambrv
d'evacuation de l'effluent digéré.
Le niveau liquide dans les chambres d’entrée
et d'evacuation ,zst
constant et
donné par la hauteur du déversoir
(0). Le niveau liquide dans
10 corps du fermonteur
depond de la hauteur
H, elle mène en relation avec
la pression du gaz
dans le fermenteur.
R
: rayon des fUts do 200 1 utilisés
L
: longueur du corps de fermenteur
Ho :
hauteur de mise
en pression initiale
H : hauteur de la phase gazeuse - H varie
sn fonction de la
pressi.on
du gaz
f
: angle d'inclinaison du fermonteur (pente : tg f x 100)
Remarques :
- pour
un fsrmontcur non-enterré Ho peut être nulle ;
- la hauteur H conditionne la surface de
dégazage. pour rentabi-
lisor
au maximum le volume,
ii ne doit pas être supérieur à
L tg i.
Compte
tenu de ces diff6rcntcs
dimensions, on
peut definir les
volumes suivants :
- volume
utile - Vu - : volume do liquida dans le corps
du furmon-
teur
- ~volumc gazeux - Vq - : volume du gaz d a n s 1.e f e r m e n t e u r
- volume du corps do formenteur - UC - : Vc =
Vu + Vg
Le volume utile (Vu) correspond 2 la
qluantite de substrat
en anae-
robioso et constitue donc le ~~otentiol de biomasse disponible pour la
proddc-
tion :de biogar.
3 - ETUDE DU FONCTIONNEMENT HYDEAULIOUE DU FERMENTElt&
Le fonctionnement hydraulique ost cssenticllement
r é g i t p a r l e
pr-ission du biogaz dans le fcrmontour. Cette pression, généralement exprimée
en mètres de colonne d;: liquida, &?t donnee par le dispositif de stockage du
hiogar. P o u r 13s formentours
dc potitcs t a i l l e s , deux types
de stockage peu-
v e n t Strë e n v i s a g é s :
- rés i2r voir
souple (ballon)
- gazomktrc 2 c l o c h e .
Selon lfi~tilisntion, la prossion
dans cc type de réservoir peut
vario
de 5 &. 30 cm de colonne d'eau.
-3-
Dans le cas du fL:rmentcur ISRA,
la prassion
du biogaz (P) peut
Ctro .:xpriméi:, en fonction des carctéristiquës dimcntiunnclles du fermznt,2ur :
A p a r t i r
dt; :ettl:: rolatiün,
diçférznts
cas diz fonctionnomant puu-
vI:r-t Gtr;: Qtudicis ut surit drnnbs dans 1.2 tablaau no 1.
O n
rzrn-rqu+Jr,? qut. 1s prtission d o i t tcujours jtr3 supQriwrti h i-lu
pour un fcncticnnt:mcnt
co1ïoct da l'&vûcuûti~n ilu r;zz. D3ns certains ci?s, at
not~~,mnit,nt pour d,,r f;lrflï+;ntdurs :2ntorrGs,
1~: prGssii:n
dunnGc p a r lc
stcckzlg,
est irsuffisantc pour attoindrc
ccttc valwr. Divorscs
soluticlns pouvont jtr,:
S;nwiszgQGs peur
wgmont <;r In pression
clans le farmcntour.
Lo lzstaqi? dss ~II-
skrvoi rs)
bien que pratiqus, doit Gtrc! utilise dsns czrtainus limites afin
d'bvitrr uno déthriorstiun du la
bâchs dans le cas d'un rbservoir souple et
unr: r&duction
ntitablc At: l a cnpacitk dv stockage pour 1,:s gazümètras 3 c1.sct1;.
Lo dispositif decrit figurz 2, pcrmdt d’augmuntcr la
prossion dans le fùrmcn-
tour
cn conservant la
Pression du
stockagi-: d’ariginc.
Compte
tenu riil l'angls d'inclinaison
12 surfaca dt! dhqazagc:
(interface qaz
liquida) varia
cn fonction do H at'donc on fonction ds P. Un,;
crr_ûtc do Jlu;i.uurs
clntim&tras peut SO formar
à l a surf’ac,:,
occssionnant
parfEis un blccag,: du d&gazaga DU (un bouchagtj
dtis tuyauteries d'évacuatiCen de
gaz. Un compr;mis 1di;i.t donc Gtro
trouvt cntrlr! uni: hauteur
CI suffisante et unti
rbduction minimum du volumr utilc.
Las t?ss3is
unt mi-ntr6
un f9nctiunnsm~nt
correct polAr 2
L sin$ (H CL
sinfscit ii« c 2
L sinC.(i" (Ho + L sin C .
3
3
Pnur d o s anglus d
linclir~aison :le 0,04 9 0,OO rd, 13 vali:ur H = 2L Sing Pe(~t
Stre c3nsid6r6, cornmc UF optimum.
3
Etud3 de variation
du vElumo utile 2n Sanction dr: 1~ prL!ssiun
Les calculs dz vnlumo sont !>fféctu6s on tenant compte de l%ppr;-
xim,ltiln suivante :
Pouriuoisin 3s 0 ( i 4 0,06 As), ces < 5 1.
Pour H<L sin< , ~A'o~~ PS Hc + L sin$,
1s variation du vclumo btilo
,.,n i‘un;Iti.un d;! 1s pr;:ss.iun est di.;nnéc par (voir
noto dz calcul - Annexa 4) :
t
VI.) z FI2
Th&criquumont peur
un foncticnncmtint crlrrk:ct, ii est inutil,.. d<:!
c.iiipPsskt:r
la valsur
P = Vb +
L s i n < corrt:spondant
à
unL surface de dbqazaqL
maximun.
Cependant sur cartniniis install.;qticns, la pri-!ssicn
du gaz puut 2t;rs
unr; donn6c à rospoctor
(:3limcntaticn d’nppnreils).
Dans ci: cas,'si P 'P HO +
L sinf li: volume utile (Vu’) o s t
dunn6 p a r l a ri-;latian :
-4-
ct Vu C:alculé en
(1)
Un exemple pr6cis nous permet d'apprécier les variations du volume
ltile
pour plusieurs niveaux
de pression :
Données
q zz 0 , :1 s
L = 5,1 m -.a----"+ vi: = IUOO 1
Ho= 0,15 m
pente : f :- O,Cl5 rdç
II1 (m) J H (m) .; vu (1)
;.
! 0 ,15!
0
!
1 000 !
!
II
, t;,2G ;;
!
0,os
1
3 9’7 ,
! c , 2 !5 !!
0,lO
!
$J’y 3
!
!
1
!
!
! ij,30 ;;
UP15
,
927
!
! 8,35 !
0,20
!
8 54
!
!
!
; c;,40 ;
0,25
,
‘7 5 5
!
!
!
!
!
s 1: r c 1.2 t e Y 0 rn p 1 (3 ’ on r erlar:.‘~‘.!ura c/ ~JE: pour
un
pression supérieu:: e
9 0,1?5 n:,
la répercussion sur
le volume utile du fermenteur
est importantn
e!.
peut entrainE.zr
des erreurs.
de gestion (temps de r&tention,
charge massi-
que lit productivité). La pression cptimum de fonrtionnement, p = t-10 + 2LsinQ..-
-
-
0,32
m corresponu i‘7, un volu~me utile de 901 1 soit une diminution d'en- 3
viron
10 -! par rapporl:
au volume du corps de fermerteur.
4 - APPLICATION AUX FE9MENTEURS EXPERitiENTES AU CNf;-
D eu x î‘ermenteurs
ISSA sont actuellement testés au CNRA. Les études
actuelles visent :i vérifier
l'influence d'une tempgrature de
Permsntation ho-
mog+ne
sur les performances
du formentsur (productivité
biogaz, qualité du
compost). A cet effet:, le premier fermenteur
(A) est enterré
et muni d'un
dispositif d’agitation permettant
l'homogénéisatior du milieu. Le second
f ermentebr
(0) est soumis aux variations de temperature
journalihres * CI:!mpte
tenu du caractgrc comparatif
de l'étude, les autres paramùtres
de fonctionne-
ment, tau.< de cIlarge,
temps de rgtention
sont identiques. Dans un tel cas
erperimental,
le
volume utile d.1 fermenteur
est hune donnee de départ
impor-
tante qd'il convient de calculer exactement dans 1~s conditions de l'essai :
- Fermenteur
A, enterré :
Donn&es ii :r 0,2F15 m, L = 3,3 m------:-7\\ Vc = 842 1
Ho -X 0,3
m
< := 0,06
rds
p optirnale = Ho + 2L sinl
= 0,43
m
7
Pression I-Je foncti.Jnrrement :
i1 s t o c k a g e
: 0,22 m
P su;:presseur
: 0,2G Tri
d 1 o :.i P LT 0 , 4 2 m
Le calcul donne Vu = 803 1
- Fermenteur 8, non-enterré :
Données Fi
= 0,2d5 , L :: 2,95 m ~------+Wc - 153 1
Ho .I 0
$- -: 0,05 rds
2Lsi
P 0~ltj.fllale = - I
yi-.
0,l m
3
Impératif technique (utilisation du même stockage que pour 10
fermenteur A )
Pression de fonctionnement = pression stockage = 0,22 m
Le calcul dcnne Vu = 567 1
Si, comme
dans la plupart des cas, le volume utile Qtait associé
au volune du corps de fermenteur, une arretir de 5 et 25 :',. serait commis!-
respectiwsment pour Les fermenteurs A et B entrainant parallèlement des
erreurs semblables sur les
paramEtres tels que l.e temps de rétention, la
charge
flassique et la ;lroductiwité.
La pression de Fonctionnement Qtant
variable selon les essais, ::ne courbe d'étalonnage 3 été tracés
pour cha.que
fermenteur (,?nnexes 2 et 3).
5 - COfKLUSIIliJS
Dan$ li-: Cos :II:!~
icrmentùurs 15i!A,
!a pression d-, I=iaqar e s t
une
donnee i~~~pOrLarite qui coniJitionne u'un6' part
le fonctionnement même dJ fer-
r3eite.x prir l'int~zrmédiaire
dri La surface dt! rdégaza:js et d'autre part la
dé'ser:nir;at;iorl
de:; Param?treu biologiques ÏIC i-gestion,
Souvent,
on calcule le volum9 utile d'un tel fermenteur b partir
du volurre du corps ce qui, pour certains niveaux de Pression, peut entraknsr
des erreurs
importantas.
Lors dti
dimensionnement d'uns
installation
de f errnsn tation, les
données de départ
sont :
- 1~ volume utile en relation
avec la quantité de r@sidus à traiter
et le temPs de rdtention pr6conisr5 ;
- les caract&ristiques
dimensionnelles des fûts de récupération ;
- la pente de 1'01 dre de 4 U G '.';.
Pour dlrzensionner
In fermentour 9 on ai;ira sur la
longueur et la
ProssioP en utili*,?ant ;~sr eueir;Ple une &thode
i t é r a t i v e t e l l e q u e d é c r i t e
sur l’or~;,anicjramr-ii?
en annexe 1,
BIBLIOGRAPH:E
- PLUfI t-I,
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ANNEXE 1 - DIMENSIONNEMENT D'UN FERMENTEUR ZAIROIS
ORGANIGRAMME DE DECISION
quantité de dhjections >
temps de rétention
!
!
!
-!
!
Tableau de calcul itératif
I
!
Tableau de calcul itératif
!
!
?
!
!
!
!
3 (P-Ho)
! P
!L =
!Vu d'après (I)i
!
P
!L = 3 P
!
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-
-
!Vu d'aprhs (l)!
!
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2
sin$ !
!
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T
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si P> pression stockage,
lestage du gazombtre ou
surpresseur.
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ANNEXE 4 - CALCUL DU VOLUME UTILE
ler cas H<L sin$:
Approximation préalable : pour <* 0 ; ços <= 1-
d'où R' = A
Volume du corps de fermenteur : Vc ='N R* L
Volume utile du fermenteur
:
vu = vc - ug
Vg est donn6 par
la demi-portion de cylindre hachurde :
/ljR2 8
surface
de base : S -2 - - (R - H) R sin 8/2
2 6
R - H
a v e c 9/2 = a r c Cos -
S :: R*(e/2
- sin f3/2 (1
On a Vg = -,
5x11
D-
H
- ,-etH=P-Ho
2
1%
R2 (p - Ho)
P
d'oh Vg =
w2
- sin 8/2 (1 -
- Ho>>
vu =
yR2 ;*L - ' - 'j" (9/2 -sin 8/2 (1 - ' - --
2
19x
R
vu = vc - vg = crjR2 L - vg
,
Hc:))i
R - -‘,S-1
(1)
R
_:
_.
2 1!3<
(p - Ho)
a v e c 012 = a r c Cos
R
.
ANNEXE 4 - CALCUL DU VOLUME LTILE (suite)
2&me cas H>L sin C
On a Vu' = t/u + v (Wg" = vg - v avec Wg calcul6 au Ier cas)
avec Vu calculé en 1
v est calculé de la même façon que Vu avec h = H - L sin t
R
et ei2 - arc cas
- (H - L sino
R
-----~--,~~
P
VU' = vu + R2 (P -- HO - L sing) 8' - sin 81
- Ho - L
sinf))
d'où :
2
lgI,
c2
R
tl
J/
avec El*/2
R
= arc cas
- (p - HO - L sinf)
t
R
1
et Vu Calcul& en (1)