Traitement des COV et composés odorants
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Traitement des COV et composés odorants
Ecole des Mines de Nantes > Traitement des COV et composés odorants 11 février 2010 Eric Dumont – [email protected] Département Systèmes énergétiques environnement (GEPEA) (Université de Nantes) direction des études | juin 2009 | page 1 1 > Procédés de traitement des composés odorants de l’air 1 2 Bibliographie : Pascaline Pré, Yves Andrès, Claire Gérente, Pierre Le Cloirec Bioprocédés en traitement de l’air (Techniques de l’ingénieur G1 780) Pierre Le Cloirec Introduction aux traitements de l’air (Techniques de l’ingénieur G1 700v2) Nadia Soltys Procédés de traitement des COV ou composés organiques volatils (Techniques de l’ingénieur J3 928) Centre Interprofessionnel Technique d’Etudes de la Pollution Atmosphérique Citepa.org Procédés de traitement des composés odorants >Les procédés existants COV odeurs Les critères de choix : - le débit d’air (Q en m3/h) - la concentration (C en g/m3) Procédés de traitement des composés odorants >Adsorption PRINCIPE : fixation réversible de molécules sur des surfaces solides (poreuses) - Charbons actifs (tirés du bois, noix de coco…) - Zéolithes (solides cristallisés à base de silice et alumine) µpore <2nm mesopore 2-50nm macropore >50nm Procédés de traitement des composés odorants >Adsorption AVANTAGES : - permet le traitement de COV chlorés - utilisation facile, concentration de pollution - variations de flux possibles INCONVÉNIENTS : - coûts (exploitation, régénération) - humidité - auto-ignition aux fortes concentrations - régénération obligatoire Procédés de traitement des composés odorants >Absorption PRINCIPE : transfert de molécules entre gaz et liquide (aqueux ou organique) AVANTAGES : - utilisation facile - souplesse (variations de charges et de flux) INCONVÉNIENTS : - coûts (exploitation, régénération) - solubilité (couple COV / liquide) -transfert de pollution (rejet ou régénération) Procédés de traitement des composés odorants >Condensation PRINCIPE : abaissement de la température, passage de l’état vapeur à l’état liquide (échangeur de chaleur, cryogénie) AVANTAGES : - récupération des COV INCONVÉNIENTS : - performances limitées, coût énergétique - températures de – 20 à – 80 °C - débits faibles Procédés de traitement des composés odorants >Séparation sur membranes PRINCIPE : transfert sélectif des COV à travers une couche épaisse à base de silicone AVANTAGES : - récupération des COV - traitement à température élevée (200°C) INCONVÉNIENTS : - sensibilité aux variations de débits et de concentrations Procédés de traitement des composés odorants >Incinération Oxydations thermique, catalytique PRINCIPE : combustion à 750°C (250-400°C en présence de catalyseur) AVANTAGES : - simple, efficace - récupération de chaleur - « tous » les COV peuvent être incinérés INCONVÉNIENTS : - coûts (investissements, énergie, maintenance) - la présence de composés halogénés (formation de produits agressifs –acides- et toxiques –dioxines-) - érosion et empoisonnement de catalyseur Procédés de traitement des composés odorants >Photocatalyse PRINCIPE : sous l’action d’un rayonnement (UV, visible), un semi conducteur (TiO2) produit des radicaux très oxydants permettant la destruction des COV adsorbés en surface AVANTAGES : - auto régénération du support DOMAINES D’APPLICATION : - traitement de l’air intérieur Procédés de traitement des composés odorants >Traitements biologiques PRINCIPE : les COV servent de substrats aux microorganismes (bactéries, levures,…) AVANTAGES : - faibles coûts (investissement, fonctionnement) - débits élevés et concentrations faibles INCONVÉNIENTS : - cinétiques de dégradation lentes - temps de contact importants (emprise au sol élevée) - apports d’éléments nutritifs Procédés de traitement des composés odorants >Faisabilité technico-économique Incinération Absorption Biofiltration Adsorption Condensation Procédés de traitement des composés odorants >Faisabilité technico-économique Coût Procédé Efficacité (%) Investissement (€/(m3.h-1)) Coût de fonctionnement (€/1000 m3 traités) Oxydation thermique 95 à 99 5 à 200 1 à 10 Oxydation catalytique 90 à 98 5 à 96 0,6 à 6,2 Absorption 95 à 98 7 à 32 1,7 à 8,2 Adsorption sur charbon actif 80 à 90 7 à 55 0,7 à 2,4 Condensation 50 à 90 5 à 37 1,4 à 8,2 Biodégradation 60 à 99 Souvent >90 15 à 25 0,2 à 0,5 Référence : contribution au développement d’un procédé de lavage chimique compact (thèse P.F. Biard, Université de Rennes I, 2009) Traitement des composés odorants 1 2 2 > Traitements biologiques de l’air Traitement biologique de l’air >Principe Dégradation biologique de COV en CO2 et H2O par des bactéries vivant en suspension dans un liquide ou déposées sur un support solide 2 étapes : • Transfert gaz liquide du COV • Dégradation par la biomasse - besoins en eau indispensables - température : de 20 à 40 °C - pH contrôlé entre 5 et 9 - prétraitement des effluents Air Polluant en phase gazeuse Consommation par les cellules (dépoussiérage…) Concentration à l ’interphase air-eau Dissolution dans l ’eau Eau Adsorption sur la biomasse et le biofilm Biofilm Support Absorption par la matière organique du support Adsorption sur le support Diffusion poreuse Traitement biologique de l’air >Procédés Phase aqueuse Biomasse Libre Immobile Mobile Immobile Biolaveur - Filtre percolateur ou lit bactérien Biofiltre Traitement biologique de l’air >Biofiltre : description Flux gazeux ascendant, eau non percolante, Réacteur piston Système rustique Traitement biologique de l’air >Biofiltre : description Flux gazeux ascendant, eau non percolante, Réacteur piston Système rustique Traitement biologique de l’air >Biofiltre : description Système ouvert ou fermé Traitement biologique de l’air >Biofiltre : média filtrant Lit filtrant formé de matériaux naturels (terre, tourbe, bois, noix de coco, boues STEP…) - résidus ou co-produits (faible coût) - bonne rétention d ’eau (40-50 % en masse) Référence : http://www.biofilter.ch/fr - source potentielle de microorganismes - surface spécifique élevée pour favoriser le transfert (300-1000 m2/m3) - source potentielle de nutriments pour microorganismes (C, N, P, K…) - bon comportement hydrodynamique : perméabilité (0,5 < ε < 0,9) Traitement biologique de l’air >Biofiltre : performances Paramètres effluent (imposés) : Biofiltre (à optimiser) : - le débit d’air (Q en m3/h) - volume (V en m3) - la concentration en COV (C en g/m3) - surface (S en m2) On veut V et S petits On définit : = - charge entrante (en g.m-3.h-1) Q Centrée V Efficacité - charge traitée (en g.m-3.h-1) = Q (Centrée − Csortie ) V C − C sortie E = 100 entrée Centrée Les performances dépendent de la vitesse dans le biofiltre U (en m/h) U = Q S Traitement biologique de l’air >Biofiltre : performances (H2S) 26 écorces de pin pouzzolane-UP20 (2 couches) tourbe-UP20 (2 couches) tourbe-UP20 (en mélange) tourbe aubier de pin aubier de pin-UP20 (2 couches) peat-UP20 model (mixed) peat-UP20 model (2 layers) peat model pozzolan-UP20 model (2 layers) pine bark model sapwood-UP20 model (2 layers) sapwood model 24 Charge traitée (g/(m3.h)) 22 20 18 16 14 12 10 Efficacité 100% 8 6 4 2 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Charge entrante (g/(m3.h)) 18 20 22 24 26 Traitement biologique de l’air >Biofiltre : performances - temps de contact : 60 à 90 s - concentration en polluant < 1 g.m-3 - solubilité polluant : coeff. répartition à l ’équilibre air/eau > 10 mol.m-3air/mol.m-3eau Notion de biodégradabilité Traitement biologique de l’air >Biofiltre : performances Traitement biologique de l’air >Biofiltres industriels : exemples Composé traité Odeur Type d’industrie Torréfaction du cacao Odeur Elevage Odeur Industrie du tabac Odeur Huile végétale Odeur Odeur COV COV Industrie de la gélatine Traitement de l’eau résiduelle Industrie du poisson Traitement de l’eau résiduelle industrielle Capacité épuratoire (%) Débit de gaz (m3.h-1) Charge volumique (m3.m-3.h-1) > 99 4 000 73 94 – 99 214 000 66 - 180 000 109 97 39 000 120 49 –93 35 000 146 Composé traité 80 – 90 5 000 7 COV 95 6 300 105 70 – 90 65 000 31 Type d’industrie Torréfaction Réservoirs dedu stockage Capacité épuratoire (%) Débit de gaz (m3.h-1) Charge volumique (m3.m-3.h-1) 90 2 000 8 H2S Décharge du gaz > 99 300 17 Alcools Fonderies > 99 30 000 150 Aromatiques Fonderies 80 40 000 120 85 8500 51 80-90 12000 37 Ammoniac COV Traitement de résidus d’électrolyse Production de résine polyurethane Tableau I - 1 : Biofiltres utilisés au niveau industriel. Traitement biologique de l’air >filtre percolateur Moins fréquemment rencontrés que les biofiltres - alimentation continue d ’une phase aqueuse mobile contenant des éléments nutritifs - à co- ou contre-courant de la phase gaz - biomasse fixée sur un garnissage synthétique inerte Principe : Transfert par absorption de la phase gaz vers la phase liquide Transfert dans le biofilm Réactions biologiques de dégradation Traitement biologique de l’air >Filtre percolateur : garnissage - matériaux inertes (plastique, verre, céramique … 5 à 10 cm) - distribution uniforme de la phase liquide dans le filtre - bonne porosité de surface pour l ’accrochage de la biomasse - bonne porosité interne pour surface d ’échange (100 à 400 m2/m3) - bonne porosité du lit ( entre 0,4 et 0,8) - polluant plus soluble que pour biofiltre - temps de contact < 1 min - vitesse de la phase gaz : entre 100 et 1000 m/h - vitesse de la phase aqueuse : < 15 m/h Procédés de traitement des composés odorants >Filtre percolateur Exemple : équarissage (COV, H2S, mercaptans, NH3, vésicules graisseuses) Prétraitement : tour de lavage acide Filtre percolateur (3 bassins - garnissage : débris de coquillages) problème de colmatage par les graisses Traitement biologique de l’air >Filtres percolateurs industriels Situation Temps de séjour (s) Vitesse (m/h) Substrat Charge traitée (g.m-3.h-1) Circuits imprimés 300 – 400 m/h Isopropanol acétone 100 Station d’épuration 7s 400 m/h H2S, NH3, méthylsulfure 20 Assainissement 4s 430 m/h H2S 64 Réseau d’égouts 300 m/h H2S, mercaptans 35 Traitement biologique de l’air >Biolaveur Procédés en 2 étapes dans des réacteurs distincts en série : 1. absorption en colonne (étape de transfert de masse gaz-liquide) - temps de séjour : entre 1 et 20 s - Polluant très soluble 2. dégradation en bassin d ’oxydation - idem bassin de boues activées de STEP - concentration en microorganismes < 1,5 g/l - temps de séjour fonction du débit de la solution de lavage - charge maximale de 0,4 kg DCO.m-3.h-1 Procédés de traitement des composés odorants >Biolaveur Agroalimentaire : composés odorants Biolaveur 25 000 m3/h. Entrée Niveau d’odeur 1020 UOE / m3, Sortie 380 UOE / m3. COT entrée 5,2 ppm C , 4,1 ppm C en sortie Traitement biologique de l’air >Biolaveurs industriels Situation Paramètres Substrat Efficacité peinture 35000 – 60000 m3/h Butyl glycol Nbutanol, ethyl glycol Isobutanol xylène >99% >99% 93% 60% Ammoniaque Formaldéhyde phénol >99% 86% 94% Fabrication Lavage chimique + d’abrasifs biolavage (30000 m3/h) Procédés de traitement des composés odorants >Biolaveur : R & D Traitement des COV hydrophobes et/ou toxiques : utilisation d’un solvant organique (huile de silicone) - amélioration du transfert gaz/liquide - réservoir de stockage du polluant Procédés de traitement des composés odorants >Comparaison des bioprocédés Avantages Inconvénients Biofiltre - faible coût d'opération - possibilité d'opération en discontinu - surface requise importante - Contrôle température, pH, humidité,… Filtre percolateur - bon contrôle des nutriments et du pH - périodes d'arrêt non tolérées - coûts d'opération élevés Biolaveur - bon contrôle des nutriments et du pH - périodes d'arrêt non tolérées - apport d'oxygène nécessaire - coûts plus élevés que les autres systèmes biologiques Ecole des Mines de Nantes > Merci 11 février 2010 Eric Dumont – [email protected] Département Systèmes énergétiques environnement (GEPEA) (Université de Nantes) direction des études | juin 2009 | page 35