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)
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