Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
CA 02211~64 1997-07-18
Titre de l'invention:
Procédé et appareil de traitement de l'air pollué par des solvants organiques volatiles.
Domaine de l'invention:
L'invention a trait à un procédé et un appareil de traitement de l'air pollué par des
5 solvants organiques volatiles (SOV). Plus particulièrement, le procédé et l'appareil
font appel à un biofiltre.
Il est à noter que l'expression solvants organiques volatiles (SOV) est utilisée dans son
sens large et comprend l'expression synonyme composants organiques volatiles
(COV). Le mot "solvants" fait référence à tout composant peut importe sont utilisation
10 comme solvant ou non.
Arrière-plan technologique de l'invention:
Différentes technologies existent pour le contrôle des odeurs et de l'émission de
solvants organiques volatiles (ci-après SOV).
Les procédés de traitements traditionnels peuvent être divisés en trois classes
15 principales: les traitements chimiques, physiques et biologiques. La présente invention
a plus particulièrement trait aux traitements biologiques.
Bien que les méthodes traditionnelles de traitement biologiques procurent des résultats
adéquats, elles impliquent des coûts élevés. Ces coûts étant augmentés par la
nécessité de traitements additionnels de résidus, les coûts d'entretien et de
20 régénération des appareils de traitement et par une demande énergétique élevée.
Trois configurations de bioréacteurs sont présentement connues: le biolaveur, le filtre
percolateur et le biofiltre. Ces configurations de procédés biologiques utilisés pour le
traitement de l'air peuvent se distinguer suivant l'état de la phase liquide stationnaire
ou en mouvement et suivant que les micro-organismes sont immobilisés ou dispersés.
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La présente invention fait appel à la tiJ~ill,dlion. Le principe de la t ofillldlion consiste
à amener en contact l'air pollué avec une microflore immobilisée sur un support
perméable. Le polluant est source de carbone et d'énergie pour la microflore de
microorganismes aérobies. Le polluant est transformé en dioxyde de carbone, en eau,
5 en biomasse et en sels minéraux.
La complexité et la diversité des phénomènes impliqués dans l'opération de
transformation des SOV ont mené à diverses activités de recherche en biofiltration.
Un premier champ de recherche touche les aspects microbiologiques et se concentre
sur la purification et la sélection de souches bactériennes spécifiques démontrant une
10 habilité à dégrader les polluants organiques (Cox H.H.J., H.J. Doddema et W. Harder,
"Application of Styrene-Degrading Fungi in Biofilters", in "Proc. Int. Conf. Precis.
Process Technol.", M.P.C. Weijnen et A.A.H. Drinkenburg, Eds., 1993, Inst. Environ.
Sci. Delft. Neth, pp. 671-674.;
Tiwaree R.S., K.S. Cho, M.Hirai et W. Shoda, "Biological Deodorization of Dimethyl
15 Sulfide using Different Fabrics as the Carriers of Micro-organisms", App. Biochem.
Biotechnol. 32, 135-148 (1992);
Zinebi S., C. Henriette, E. Petitdemange et J.C. Joret, "Identification and
Characterization of Bacterial Activities Involved in Wastewater Treatment by Aerobic
Fixed-bed Reactor", Wat. Res. 28, 2575-2582 (1994)).
20 Un second champ de recherche se concentre sur l'étude du transfert de masse de la
phase gazeuse à la phase liquide et sur les aspects hydrodynamiques tels que
régimes d'écoulement et distribution des temps de séjour (Ottengraf S.S.P. et A.H.C.
van den Oever, "Kinetics of Organic Compound Removal from Waste Gases with a
Biological Filter", Biotechnol. Bioeng. 25, 3089-3102 (1983);
25 Tahraoui K., R. Samson et D. Rho, "Biodegradation of BTX from Waste Gases in
Biofilter Reactor", in "Proc. Am. Meet. - Air & Waste Management Association, 87th
Annual Meeting & Exhibition", June 2-13, Cincinnati, OH (1994), pp 2-13).
Il est à noter que dans un biofiltre, le polluant est envoyé dans le lit hltrant tandis
qu'une phase liquide est ajoutée périodiquement au lit filtrant pour enrichir les
30 micro-organismes avec des nutriments et contribuer ainsi à la formation d'un biofilm
entourant les particules du lit filtrant.
Un troisième champ de recherche se concentre sur les aspects physiques et
mécaniques des biofiltres, incluant supports, filtre percolateurs, tailles des particules,
tailles de biofiltres. Bien entendu, les avancements techniques visent la découverte
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de meilleurs lits filtrants en considérant coûts, performance et durabilité. Par exemple,
le matériel filtrant doit comporté de bonnes p~oprietés mécaniques et physiques telles
que structure, surface spécifique, résistance à l'écoulement, capacité tampon et de
bonnes propriétés biologiques permettant de soutenir la croissance de microflore.
5 Plusieurs types de matériaux filtrant sont connus, incluant le compost, la terre, la
tourbe et un mélange de ces derniers avec des morceaux de bois, de branches et des
particules de polystyrène (Ottengraf S.P.P. et R. Disks, "Biological Purification of
Waste Gases", Chemica oggi 8(5), 41-45 (1990);
Martin A. M., "Peat as an Agent in Biological Degradation: Peat Biofilters", in Biol.
Degrad. Wastes, A.M. Martin, Ed., (1991), pp. 341-62).
Il faut mentionner que parmi les lits filtrants, la tourbe est une composante qui possède
une combinaison privilégiée de propriétés chimiques et physiques (Martin, 1991,
précité et Rothenbuhler M., M. Heitz, M. Beerli et B. Marcos, "Biofiltration of Volatile
Organic Emissions in Reference to Flexographic Printing Process", Water, Soil and Air
Pollution, 83, pp 37-50 (1995)).
La plupart des biofiltres présentement connus possèdent des faibles capacités
d'élimination de SOV et ont le désavantage d'être volumineux, encombrants et coûteux
à construire. Par exemple, Kiared et coll., "Biological Elimination of VOC's in
Biofilters", Environmental Prog. 15(3),148-152 (1996). divulguent une méthode et un
20 système de biofiltre où la capacité maximale d'élimination du toluène ne dépasse pas
70g/m3.h pour une charge de 100g/m3.h.
Objectifs de l'invention:
L'objectif principal de la présente invention vise à développer des biofiltres peu
volumineux et offrant de très bon taux d'élimination de SOV.
25 Un autre objectif atteint par la présente invention touche la sélection de lits filtrants et
d'espèces microbiennes permettant d'obtenir une surprenante performance de
dégradation et d'élimination de SOV.
Sommaire de l'invention
De façon très générale, la présente invention procure un procédé et un appareil
30 avantageux pour l'élimination rapide et effficace de SOV polluant un milieu gazeux se
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retrouvant par exemple dans les émissions gazeuses d'imprimerie flexographiques.L'invention est privilégiée par la découverte d'un lit filtrant innovateur et non
compressible ou compactable et par la découverte d'une combinaison milieu filtrant
et microorganismes capable de fournir de très bons taux de dégradation de SOV.
L'invention, dans un premier aspect, porte donc sur un procédé de traitement de l'air
par biofiltration. Le procédé fait appel à un biofiltre innovateur. Le biofiltre de la
présente invention est modulaire, compact et équipé d'un lit filtrant granulé à base de
tourbe, stable, homogène, conférant au biofiltre un performance supérieures à celles
mentionnées dans la littérature.
10 Dans une incorporation souhaitable, le procédé de la présente invention comprend les
étapes suivantes:
a) la préparation d'un biofiltre capable de convertir une portion
substantielle des polluants organiques volatiles en des produits non-
polluants, ledit biofiltre comprenant au moins une unité verticale servant de
récipient-support aux composantes du biofiltre, lesdites composantes
comprenant:
- un premier élément comprenant un mélange non-
compactable servant de lit filtrant, ledit mélange comprenant:
- un premier matériau capable d'une grande ab/adsorption de
fluide gazeux et formulé de façon à présenter une surface spécifique
et un volume interstitiel adéquats pour permettre une capture du
fluide gazeux par des microorganismes adhérés à ce premier
matériau et exerçant une fonction de support des microorganismes;
- un deuxième matériau présent dans une proportion apte à
éviter le compactage du lit filtrant et servant d'agent liant au premier
matériau;
- un agent tampon servant à l'adhésion de microorganismes
au premier matériau et exerçant une fonction de support des
microorganismes; et
- un consortium de microorganismes capables de ladite
conversion, ces microorganismes étant inoculés et adhérés au
premier matériau; et
- des moyens d'arrosage permettant d'arroser ledit lit filtrant;
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b) I'humidification de la colonne par l'ajout d'une solution aqueuse
comprenant des nutriments et des tampons supportant l'intégrité et la
fonction des microorganismes, I'humidification étant assurée par lesdits
moyens d'arrosage;
c) le maintien du lit filtrant à une température compatible avec l'intégrité
et la fonction des microorganismes; et
d) I'apport du fluide gazeux, pouvant contenir les polluants organiques
volatiles, I'apport étant accompli au bas de la colonne, ledit fluide gazeux
étant au préalable humidifié, et l'apport étant effectué à un débit permettant
que ladite conversion soit effficace.
Le procédé de la présente invention constitue un avantage marqué en rapport à l'art
antérieur. Par exemple, pour le toluène une capacité d'élimination de 165 g/m3.h pour
une charge de 200 g/m3.h peut être atteinte ce qui est inattendu et de loin supérieur
aux valeurs relevées dans la littérature.
ll est à noter que contrairement aux procédés relevés dans l'art antérieur, le procédé
de la présente invention à l'avantage additionnel de générer presqu'aucun déchets
secondaires ou eaux usées. De plus le procédé de l'invention est économiquement
et écologiquement satisfaisant. Par surcroît, la très faible consommation énergétique
du procédé, la durabilité des matériaux filtrants et la possibilité de les utiliser à d'autres
fins quand ils ont à être remplacés s'avèrent des atouts majeurs pour le procédé, ce
qui rend ce dernier d'autant plus innovateur et compétitif face aux technologiesconcurrentes.
Dans un second aspect, la présente invention porte sur le biofiltre même. Dans un
incorporation souhaitée, le biofiltre comprend:
au moins une unité verticale servant de récipient-support aux composantes du
biofiltre, lesdites composantes comprenant:
- un premier élément comprenant un mélange non-compactable
servant de lit filtrant, ledit mélange comprenant:
- un premier matériau capable d'une grande ab/adsorption de
fluide gazeux et formulé de façon à présenter une surface spécifique
et un volume interstitiel adéquats pour permettre une capture du
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fluide gazeux par des microorganismes adhérés à ce premier
matériau et exerçant une fonction de support des microorganismes;
- un deuxième matériau présent dans une proportion apte à
éviter le compactage du lit filtrant et servant d'agent liant au premier
matériau;
- un agent adhésif servant à l'adhésion de microorganismes au
premier matériau; et
- un consortium de microorganismes capables de ladite
conversion, ces microorganismes étant inoculés et adhérés au
premier matériau; et
- des moyens d'arrosage permettant d'arroser ledit lit filtrant.
Dans un autre aspect, la présente invention a trait à un nouveau consortium ou
combinaison de souches microbiennes qui lorsqu'utiltisées ensemble donnent
d'excellents résultats lorsque placés dans un biofiltre.
15 Le consortium microbien présente les particularités suivantes:
Les pathogènes concernés sont les suivants: salmonelles, Staphylococcus aureus,
Shigella sp., Pseudomonas aeruginosa; Salmonella typhosa; Escherichia coli,
coliformes fécaux < 100 UFC/g; streptocoques fécaux < 100 UFC/g. Le contenu total
en bactéries est de 2109 UFC/g sec du consortium, en levures et moisissures 2103/9,
20 en actinomycètes mésophiles 2107/9. Les groupes microbiens reliés composants le
consortium font partie du groupe des levures et moisissures (Ex.: Aspergillus sp.),
d'actinomycètes et de Thiobacillus.
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D'autres aspects de la présente invention deviendront apparents à la lecture de la
description détaillée qui suit. Cependant, il est à noter que cette description détaillée
vise des incorporations préférées de l'invention et est donnée à titre indicatif et
d'illustration. Les spécialistes versés dans l'art comprendront que plusieurs
modifications et aménagements des incorporations de l'invention pourront être
apportés sans pour autant quitter l'esprit et la portée de la présente invention.
Brève description des figures:
La figure 1 représente schématiquement le biofiltre ci-après appelé biofiltre "B1".
La figure 2 est une version modifiée du biofiltre de la figure 1 ci-après appelé biofiltre
10 "B2".
La figure 3 est une version pilote du biofiltre de la présente invention ci-après appelé
biofiltre B3.
Description détaillée de l'invention
Un biofiltre de l'invention comprend donc au moins une unité verticale servant de
15 récipient-support aux composantes du biofiltre, les composantes du biofiltre
comprenant:
- un élément comprenant un mélange non-compactable servant de lit
filtrant, le mélange comprenant:
- un premier matériau capable d'une grande ab/adsorption de
fluide gazeux et formulé de façon à présenter une surface spécifique
et un volume interstitiel adéquats pour permettre une capture du
fluide gazeux par des microorganismes adhérés à ce premier
matériau et exerçant une fonction de support des microorganismes;
- un deuxième matériau présent dans une proportion apte à
éviter le compactage du lit filtrant et servant d'agent liant au premier
matériau;
- un agent adhésif servant à l'adhésion de microorganismes au
premier matériau; et
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- un consortium de microorganismes capables de ladite
conversion, ces microorganismes étant inoculés et adhérés au
premier matériau; et
et finalement des moyens d'arrosage permettant d'arroser ledit lit filtrant.
5 Préférablement, les moyens d'arrosage pourront surplomber le biofiltre ou être disposés à différents niveaux à l'intérieur du biofiltre.
Dans un premier temps, un montage expérimental de la présente invention sera décrit.
Le schéma du montage expérimental à l'échelle de laboratoire est représenté dansson ensemble sur la figure 1.
10 Deux biofiltres, de conception semblable, sont constitués de tubes en PVC opaque de
15 cm de diamètre et de 1 m 20 de hauteur. Ils sont posés verticalement sur des
socles métalliques. L'alimentation du biofiltre est assurée par un débit d'air principal
(1) issu d'un réseau d'air compri",é. Une faible partie de ce débit est déviée (2) vers
un barboteur plongé dans un bain-marie afin d'assurer un taux d'évaporation contrôlé,
15 et par voie de conséquence une concentration en polluants dans la phase gazeuse
fixe. Le transport du gaz chargé en SOV est assuré par des canalisations en TéflonTM
afin d'éviter toute réaction avec les molécules organiques. Les débits principal et
secondaire sont contrôlés par des débitmètres de type ~brooks"TM (3) préalablement
étalonnés. Après la sortie du débilll,etle, le débit principal d'air traverse une colonne
20 d'eau (8), pour assurer sa saturation en eau. Cette colonne d'eau est munie d'un
indicateur afin de visualiser le niveau d'eau. Le mélange du débit principal et du débit
secondaire (chargé en SOV) est réalisé à la sortie de la tour d'humidification pour
minimiser le transfert du polluant de la phase gazeuse à la phase liquide. Le taux
d'humidité relative de l'air à l'entrée du biofiltre est mesuré par l'intermédiaire d'un
25 capteur d'humidité préalablement étalonné. Après le mélange des deux circuits (4),
le gaz est conduit en bas du biofiltre et est distribué au moyen d'un tube, percé d'une
dizaine de trous de 1 mm de diamètre et placé diamétralement en bas de la colonne.
Le mélange artificiel de gaz ainsi formé traverse un prégarnissage (5) formé, par
exemple, de boulettes en polystyrène, ce dernier, posé au fond de la colonne,
30 totalement séparé du lit filtrant, qui repose sur une plaque en PlexiglasTM perforée. A
la sortie du biofiltre, I'air traité qui contient une faible teneur en SOV est canalisé vers
un circuit de hotte du laboratoire.
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L'humidification du biofiltre est assurée par deux arroseurs (6) placés én haut de la
colonne et alimentés séquentiellement par une pompe de recirculation (7) à débitcontrôlé. Un seul arroseur est montré à la figure 1. La distribution du liquide à l'entrée
du biofiltre est assurée par un prégarnissage d'anneaux Rashig de 20 cm de haut.
5 Après son écoulement à travers le biofiltre, I'eau de drainage est récupérée en bas de
colonne pour l'analyse éventuelle de la phase liquide. Afin de suivre l'évolution de la
réaction dans le biofiltre, des prises d'échantillons journalières de la phase gazeuse
sont effectuées à l'entrée (9) et à la sortie (10) du biofiltre ainsi qu'à des niveaux
intermédiaires dans la colonne. La prise d'échantillon du gaz est tributaire du type
10 d'analyseur utilisé pour mesurer la concentration en SOV. Dans le cas de l'utilisation
d'un l'analyseur d'hydrocarbures, une pompe aspire, en continu, un débit constant de
gaz pour l'injecter directement dans le détecteur. On obtient ainsi la quantité totale de
carbone présent dans l'échantillon à analyser. En revanche, dans le cas des analyses
par chromatographie en phase gazeuse couplée à de la spectrométrie de masse, les15 échantillons sont pris à travers une vanne d'injection automatique. L'avantage de
cette dernière technique est qu'elle permet d'injecter à pression contrôlée et d'une
façon précise un volume constant d'un échantillon gazeux.
L'analyse de la phase liquide récupérée en bas du biofiltre est réalisée par un
chromatographe en phase gazeuse couplée à un spectromètre de masse muni d'un
20 système de purge et piégeage "purge and trap".
Cinq prises de pression sont placées le long de la colonne pour mesurer le profil de
pression dans le biofiltre ainsi que les pertes de charge engendrées. Ces dernières
sont mesurées par un manomètre différentiel.
Cinq prises de température sont installées dans le poste d'étude. Les températures
25 sont mesurées par des thermocouples de type T. Deux prises servant à mesurer les
températures d'entrée et de sortie de l'air; les trois autres prises donnent le profil de
température dans le lit filtrant. La lecture sélective de ces différentes températures
est assurée par un lecteur muni d'un sélecteur manuel.
Afin de mesurer le contenu d'humidité du matériel filtrant, trois prises d'échantillon du
30 solide sont effectuées à trois différents niveaux du biofiltre. Cette mesure consiste à
prendre des échantillons solides, à les peser puis les placer dans l'étuve réglée à
105~C. Après 24 h passés dans une étuve, les échantillons sont pesés de nouveau.La différence entre la masse initiale de l'échantillon et la masse finale exprimée par
rapport à la masse initiale donne le taux d'humidité relative du solide. Parallèlement
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à ces mesures d'humidité, des caractérisations microbiologiques sont effectuées sur
les échantillons de solides prélevés.
Dans une seconde incorporation, le biofiltre de la présente invention est modifié
comme suit et tel qu'illustré en Figure 2. La colonne est divisée en trois sections e 2).
A la jonction de chacune des sections (entre les sections A et B et les sections B et
C), on a disposé un grillage en acier inoxydable sur lequel on a placé en croix deux
canalisations percées par plusieurs trous. Par dessus ces tuyaux, on a placé un
nouveau grillage en acier inoxydable qui sert de support pour la section du dessus.
Les grillages ont été renforcés par des barres d'acier inoxydable afin de pouvoir
10 soutenir le poids du matériel filtrant. De plus, on a installé le même grillage de support
au bas du biofiltre, au niveau O du lit filtrant. Ce grillage étant caractérisé par une
dimension de pores inférieures à 4 mm, pouvait retenir les particules de matériel
filtrant.
Des quantités égales de lit filtrant sont empilées sur une hauteur de 33 cm dans15 chacune des trois sections de la colonne. Afin d'assurer l'étanchéité de la colonne, on
a disposé entre chacune des sections un raccord hermétique. Les tuyaux en croix
percés installés entre les sections A et B et les sections B et C servent à arroser la
section A et la section B respectivement, alors que l'arrosage de la section C peut se
faire par le haut.
20 Le biofiltre pilote B3 est constitué d'un tube en PlexiglassTM de 30cm de diamètre et
de 3m de haut. La figure 3 présente d'une façon schématique le biofiltre dans son
ensemble et donne plus de détails sur les différentes composantes du biofiltre B3.
Contrairement aux biofiltres de laboratoire B1 et B2, le B3 se compose de trois
éléments réunis l'un à l'autre par des brides. Le lit filtrant repose sur une grille qui à
25 son tour repose sur un pré-garnissage de particules en polystyrène servant à la
distribution du gaz.
La nature transparente du PlexiglassTM présente les avantages suivants:
- la visualisation de l'écoulement de la phase liquide à travers l'empilement de
granules du matériel filtrant,
- le contrôle de l'état de compaction du lit filtrant,
- le contrôle de l'humidité superficielle des granules ainsi que l'état physique du
biofilm.
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Les différents éléments du biofiltre sont séparés par des portions de tube de 20 cm de
haut et diamétralement traversés par des tubes de 10 cm de diamètre. Dans ces
tubes sont placés des boîtes contenant des lamelles servant aux analyses
microbiologiques du biofilm. Ces tubes sont percés d'un nombre important de trous
5 de façon à ne pas perturber l'écoulement des phases fluides et à ne pas créer des
régions isolées dans le biofiltre. Ces éléments d'analyse servent également à placer
des prises d'échantillons du gaz pour la mesure de la concentration du polluant ainsi
que des prises de pression.
L'alimentation du biofiltre B3 en gaz et en liquide est identique à celle des biofiltres B1
10 et B2. Toutefois, une modification est apportée en bas du biofiltre au niveau du
distributeur. En raison de l'importance du diamètre de la colonne, le gaz est introduit
à quatre endroits différents situés sur le même niveau horizontal de la colonne. Les
quatre distributeurs sont arrangés en croix afin d'alimenter le biofiltre avec un courant
gazeux homogène.
15 Comme pour les biofiltres B1 et le B2, les températures dans le biofiltre B3 sont
mesurées à 5 différents niveaux par des thermocouples de type T, deux servant à la
mesure des températures d'entrée/sortie d'air; les trois autres donnent le profil de
température dans le lit filtrant. La lecture sélective des différentes températures est
assurée par un lecteur muni d'un sélecteur manuel.
20 L'humidification de l'air avant l'entrée du biofiltre ainsi que la mesure du taux d'humidité
de l'air et du solide sont strictement identiques à celles utilisées dans les biofiltres B1
et B2.
Le procédé de biofiltration de la présente invention fut testé à trois échelles soit
laboratoire, pilote et semi-industrielle en ce qui a trait à la performance de réduction
25 de la teneur en SOV émis par des efffluents gazeux contenant soit des hydrocarbures
(benzène, toluène, xylènes, éthylbenzène) soit des alcools (éthanol, n-butanol et
acétate de méthoxypropyl) et des mélanges de ces composés. Pour ces essais,
plusieurs lits filtrants à haute performance construit selon la présente invention et
développés à l'Université de Sherbrooke, furent étudiés. Plus particulièrement, la
30 validation de la présente invention fut complétée par l'étude des phénomènes
physiques, chimiques et microbiologiques de dégradation des SOV.
Pour chaque essai, en vue d'une optimisation des conditions de biofiltration, les
biofiltres furent opérés comme suit:
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- variation de la concentration d'entrée de 100 à 2000 ppm après acclimatation
pour bâtir un biofilm dégradant effficacement le polluant,
- analyse des concentrations des SOV et de leurs produits à différents niveaux
du biofiltre par un analyseur d'hydrocarbures totaux,
- analyse du gaz carbonique, révélateur d'une activité microbienne d'oxydation
des composés organiques volatiles par un analyseur de CO2,
- mesures de l'humidité relative de l'air, de la température et des pertes de
charge,
- analyse des fractions gazeuse et liquide: les fractions gazeuse et liquide sont
caractérisées afin de pouvoir visualiser et suivre les différentes étapes de
dégradation des SOV et la formation éventuelle de produits intermédiaires.
Une technique chromatographique couplée à de la spectrométrie de masse
(GC/MS) est utilisée pour obtenir l'information fine auprès de chaque SOV et
produits contenus dans l'air analysé. La phase aqueuse est analysée à l'aide
d'un chromatographe muni d'un système purge et piégeage "purge and trap"
pour obtenir l'information relative à la dégradation des substances organiques.
- étude des populations microbiennes dans le biofiltre: nous étudions la
dynamique de la population microbienne lors de la dégradation des
hydrocarbures et des alcools dans les bioréacteurs. Nous utilisons des
microorganismes présents sur le marché. Leur caractérisation est menée en
même temps que les études physico-chimiques. Y sont considérés les
décomptes ",i_robiens totaux dans la phase liquide (effluent) et dans la phase
solide, et la détermination des groupes taxonomiques prédominants (bactéries;
actinomycètes, champignons, etc...). L'accumulation du biofilm sur le biofiltre
est mesurée par le dosage de carbohydrates totaux extractables à l'EDTA
alcalin.
La dégradation de certains composés a conduit parfois à la formation d'intermédiaires
acides qui ont abaissé le pH du lit, et par voie de conséquence qui auraient pu inhiber
l'activité enzymatique des microorganismes. Dans de telles situations, I'acidification
30 du milieu filtrant fut contrôlée en maintenant le pH autour des valeurs 7 et 8 (gamme
de pH optimal pour la croissance des bactéries) en ajoutant des solutions-tamponappropriées.
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13
La sélection du matériel filtrant est un des facteurs cruciaux du procédé et du biofiltre
de la présente invention. Tout d'abord, le biofiltre fournit un environnement adéquat
aux microorganismes pour leur développement. Le matériel filtrant possède une
grande capacité d'ab/adsorption et en même temps un espace interstitiel important de
façon à minimiser les pertes de charge.
Tel que vu dans l'art antérieur, la capacité d'ab/adsorption et l'espace interstitiel ont
tendance à s'exclure mutuellement dans la plupart des milieux naturels comme lessols, les composts ou la tourbe.
L'invention révèle, entre autres, la possibilité d'augmenter l'espace interstitiel tout en
10 conservant les propriétés d'ab/adsorption naturelles du milieu en conditionnant le
matériel filtrant sous forme de granules ou de boulettes. Avantageusement, ces
granules ou boulettes auront une surface rugueuse et poreuse augmentant ainsi leur
surface spécifique et favorisant le transfert de masse pour la biodégradation des
polluants.
15 De plus, I'invention révèle la possibilité d'ajouter des boules de polystyrène de façon
à éviter le tassement de la matière organique (i.e. pour augmenter la rigidité des
milieux filtrants, i.e. pour réduire l'effet de compression dû à la charge des étages
supérieurs sur les étages inférieurs) et rendre le biofiltre plus durable.
Avantageusement, la tourbe préparée sous forme de granules ou de boulettes fut
20 retenue comme composante d'un support inerte pour micro-organismes. Le choix
étant motivé par les propriétés avantageuses de la tourbe soit une bonne capacité
d'absorption/adsorption, une grande capacité de rétention de l'humidité, un bon effet
tampon, une haute teneur en acide humique et une grande disponibilité de cette
matière.
25 Les incorporations souhaitées des milieux filtrants seront maintenant décrites en plus
de détails.
Dans une première étape, des granules ou billes de tourbe sont préparées et
conditionnés selon les étapes a), b) et c).
a) Granules et billes de tourbe fixateur des microorganismes, et liant les
nutriments pour une utilisation à long terme.
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Composition: Granules de tourbe à forme irrégulière ou sphérique, de
dimension moyenne de 4 mm avec une tourbe de mousse de sphaigne, avec
un degré de décomposition de la matière humique à l'échelle Van Post de H6
à H9, avec un liant de polymères de PVA eVou de gomme de guar eVou de
PAA (acide polyacrylique), eVou de PAM (polyacrylamide) eVou des silicates
d'origine naturelle, sans perte de fibres et sans perte de couleur brune en cours
de fonctionnement dans le lixiviat liquide. Le pH des granules était de 3.5 à 7.5.
La perte de charge maximale obtenue en fonctionnement est de 3 cm H2O/m.
Composition: Les boulettes (ou billes) de tourbe ont un diamètre moyen de 0.5
à 1 cm. Les boulettes de tourbe sont fabriquées avec ou sans ciment par
utilisation d'un bouleteur.
b) Agents combinant la neutralisation du pH, l'apport de nutriments et de micro
nutriments, et un pouvoir "liant" de la tourbe, des polymères et des
microorganismes ajoutés aux granules et aux billes de tourbe.
Les agents alcalinisant sont ajoutés dans la tourbe à un taux pouvant atteindre
30% p/p de ciment, ayant la composition en nutriments et en micro éléments
nutritifs, soit de 10 à 12% de potassium (K2O), de magnésium (MgO) de 1.0 à
3.0%, de cuivre (10-20 ppm), de manganèse (100-200 ppm), de molybdène
(1-5 ppm) et de zinc (10-130 ppm) avec un pouvoir neutralisant exprimé en
équivalent de carbonate de calcium (Ca CO3) de 30 à 40%, et un équivalent
comme pouvoir"précipitant" et "liant" exprimé en CaO de 30 à 50% p/p, eVou
de 5% p/p à 20% p/p de cendre de bois conditionnées ayant la composition
suivante en nutriments et en micro nutriments (éléments mineurs) essentiels
au métabolisme des groupes de micro-organismes: 0,3 à 0,6% en acide
phosphorique assimilable (P2Os), de 1,3 à 5,5% p/p en potasse soluble (K2O),
de 0.5 à 0.8% en magnésium (Mg), 0,1 à 0,8% en manganèse (Mn), en Fer
(Fe) de 0.1 à 0.9%, avec un pouvoir neutralisant en équivalent de carbonate de
calcium de 25 à 40%, et un équivalent "précipitant" ou "liant" de 5 à 10% de Ca
eVou de 5% p/p à 10% p/p de chaux calcaire ou hydratée ou de résidus de
chaux constitués de Ca (OH)2, MgO, Mg (OH)2, de CaCO3 et de MgCO3.
c) Agent combinant seulement la neutralisation du pH et la fixation naturelle des
mlcroorganlsmes.
Cet agent n'est pas inclus dans les billes ou dans les granules de tourbe, mais
est mélangé aux différents lits filtrants à base de tourbe sans agent alcalinisant.
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Avantageusement, cet agent sera des coquilles d'huître broyées ou d'autres
résidus de carapaces de produits marins, broyés a une granulométrie moyenne
de1 à8mm.
Dans une seconde étape, la technologie innovatrice propose l'agencement et la
combinaison de milieux filtrants en couches superposées (en série) ou non. Cet
agencement vise à offrir un support mécanique au lit de filtration et à procurer une
première filtration mécanique (non biologique) des poussières et des particules
présentes normalement dans les émissions gazeuses industrielles. De plus, cette
combinaison de couches permet la rétention de l'humidité du lit.
10 A la couche du lit filtrant à vocation biologique, c'est-à-dire là où a lieu la
biodégradation des SOV, peut être combiné des couches superposés, ou en série des
lits filtrants suivants:
a) Couche de pépites de tourbe:
Cette couche est disposée avant la portion biologique, représentée par les
billes de tourbe ou de granules, et a la fonction de supporter la couche
supérieure du lit filtrant eVou d'effectuer une filtration mécanique des
poussières présentes dans le fluide gazeux. Cette tourbe présente un degré de
décomposition Van Post de H4-H6, avec une granulométrie moyenne de 10
mm. Les caractéristiques générales sont les suivantes: 90% du lit filtrant avec
un diamètre moyen supérieur à 20mm. Le volume de cette portion du lit
représente 20-30% v/v du lit filtrant.
b) Couche de tourbe fibreuse non granulée:
Mousse de sphaigne peu décomposée (Van Post Hl à H3), très fibreuse, en
forme allongée fine plutôt que grossière, avec une humidité naturelle de l'ordrede 70%; 90% de sa composition est supérieure à 0,3 mm et 10% supérieure
à 2.5 mm. Cette portion supérieure du lit devrait permettre de conserver une
partie de l'humidité, tout en permettant un polissage final du traitement. Cetteportion du lit occupe de 30 à 50% du lit filtrant et ne procure aucune fonction
biologique.
30 c) Couche filtrante pour adsorption physico-chimique:
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Charbon activé eVou cendre de bois conditionnée, granulée sec, dont 90% des
granules ont un diamètre supérieur à 1 mm et 10% à 2 mm. Cette portion du
lit a comme role seul le polissage final du traitement des effluents et
d'absorbant avant la mise en oeuvre du traitement biologique, i.e. elle est
disposée de façon proximale à l'entrée des SOV.
Selon les principes connus, I'énergie consommée par le procédé de biofiltration est
proportionnelle à la résistance à l'écoulement du lit filtrant. La chute de pression
dépend généralement des propriétés d'écoulement du gaz, de son débit et également
de la nature et de la composition du garnissage.
10 Le biofiltre de la présente invention fut testé par rapport à ces paramètres. Il en
résulte que la perte de pression à travers le lit a été mesurée de façon journalière et
servait comme paramètre de contrôle et de diagnostic de l'état de compaction du
matériel filtrant. La perte de charge moyenne était comprise entre 1 et 2 cm H2O/m,
ce qui est très faible.
15 Selon l'invention l'humidification du lit filtrant est assurée régulièrement par
pulvérisation de l'eau à sa surface supérieure. De plus, une alimentation du biofiltre
en eau à différents niveaux a été mise en oeuvre puisqu'elle a comme avantage denourrir les différentes couches du lit à concentration de nutriments identiques, ce qui
permet de raccourcir le temps requis pour la période d'acclimatation.
20 Dans cette invention, les inventeurs ont également mis au point un biofiltre de type
percolateur. La percolation de la solution nutritive a été conçue pour fournir les
nutriments aux microorganismes, I'humidité au lit filtrant, et pour laver l'excès de
blomasse.
Le contrôle de la température est vital à l'efficacité et à la sécurité des composantes
25 d'un biofiltre. Dans cette invention les inventeurs ont pu établir une relation entre la
capacité d'élimination et la température.
Les inventeurs divulguent de plus que le contrôle de la température à l'entrée de la
colonne permettra d'accroître le rendement du biofiltre. Le contraste de température
entre les gaz entrant à température ambiante et la température de la colonne fait en
30 sorte que le bas de la section inférieure (A) se déshydrate plus facilement. Il est donc
suggéré d'installer un moyen de réchauffer le gaz entrant dans le biofiltre, par exemple
par une gaine chauffante. Inversement, il peut être utilisé un système de
refroidissement ou d'échange de chaleur de façon à éviter le contraste de température.
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Selon l'invention, si suffisamment de nutriments sont fournis au matériel filtrant, la
période de survie peut s'étendre jusqu'à deux mois. Cependant, durant des périodes
d'arrêt, il est fortement conseillé d'aérer périodiquement le filtre afin d'éviter la mort des
microorganismes par manque d'oxygène eVou par déshydratation du matériel filtrant.
5 Cependant, dans le cas présent, les inventeurs ont constaté que leur biofiltre, même
après une période d'inactivité de 8 mois sans aération, possédait encore des capacités
d'élimination identiques à celles avant la période d'arrêt.
Il est généralement admis qu'une période de 10 jours est nécessaire à l'acclimatation
des microorganismes avec les composés les plus facilement biodégradables. En
10 revanche, pour les composés qui sont moins biodégradables et pour lesquels les
microorganismes appropriés ne sont pas initialement adaptés dans le matériel filtrant,
la période d'acclimatation est plus longue. Dans le cas présent, la période
d'accli",atation s'étendait sur 2 - 3 jours quelque soit le polluant.
Un point important à respecter dans le présent procédé est d'éviter le transfert de
15 pollution sous une forme autre que gazeuse par exemple par un transfert dans l'eau
de nutriment. Des analyses d'eaux des procédés et de milieux usés ont donc été
effectuées afin de vérifier si ces deux éléments du procédé pouvaient être disposés
dans l'environnement ou devaient être traités. L'interprétation des analyses sur un
échantillon de milieu filtrant usé a révélé que le milieu filtrant était considéré comme
20 déchet non dangereux donc disposable dans un lieu d'enfouissement sanitaire.
En ce qui concerne les eaux de procédé, les analyses révèlent une charge polluante
trop importante en DBO, d'où la nécessité d'un dernier traitement avant rejet. Ce
traitement est aussi nécessaire pour disposer de phosphore résiduel et de matières
en suspension. Cependant, ce traitement additionnel est simple et n'a pas pour effet
25 d'augmenter sensiblement le coût d'opération du procédé de l'invention. De plus, les
eaux de procédé de la présente invention sont caractérisées par un surplus de
nutriments et une population microbienne importante. Il est donc prévu d'effectuer le
recyclage de ces eaux de procédé permettant ainsi de minimiser les coûts d'opération
du procédé.
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Exemple 1
Selon un premier exemple de la technologie, une source commerciale de
microorganismes (mélange 1) a été utilisée pour bâtir l'inoculum du biofiltre.
Cette préparation microbienne a été utilisée pour inoculer un biofiltre employé pour le
5 traitement de l'air contaminé avec de l'éthanol.
Le produit commercial a une consistance poudreuse et contient des micro-organismes
Iyophilisés. Pour préparer l'inoculum, 500 mg de cette poudre ont été introduits dans
un erlenmeyer contenant 250 ml de milieu d'inoculation stérile qui avait la composition
suivante:
dissous dans 958 ml d'eau distillée:
phosphate disodique anhydre 6 9
phosphate de potassium monobasique anhydre 3 9
chlorure d'ammonium 1 9
protéose peptone 1 9
extrait de levure 1 9
glycérol 1 ml.
Une fois cette solution stérilisée, les composantes suivantes (stérilisées séparément)
y étaient ajoutées en gardant la stérilité:
sulfate de magnésium 1 M 1 ml
chlorure de calcium 0.01 M 10 ml
chlorure de sodium 5% (p/v) 10 ml
Une fois cette solution refroidie, on ajoutait éthanol 96% 20 ml
En général, ce milieu était préparé dans des contenants de 1000 ml à raison de 250
ml de milieu par contenant. Une telle proportion assurait une bonne aération pendant
25 I'incubation des bactéries sur agitateur rotatif.
Les bouteilles inoculées avec le mélange 1 étaient placées sur un agitateur rotatif et
incubées pendant 24 heures à la température de la pièce.
Une petite quantité de cette culture était gardée pour examiner les populations
microbiennes au laboratoire, le restant était utilisé pour inoculer le biofiltre.
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Inoculation du biofiltre
Une fois la tourbe humidifiée placée dans le biofiltre, I'inoculum était introduit sur la
tourbe par l'orifice supérieur de la colonne du biofiltre.
En laboratoire, cette solution était préparée à l'état 5 fois concentré.
Solution nutritive 5x conc. ~recette pour 3 litres):
phosphate disodique anhydre 90 g
phosphate de potassium monobasique anhydre 45 g
chlorure d'ammonium 15 9
sulfate de magnésium 1 M 15 mlchlorure de calcium 0.01 M 150 mlchlorure de sodium 5% (p/v) 150 mlnitrate de potassium 1.5 g
solution de micro éléments 15 ml
Solution de micro éléments; recette pour 1 litre:
chlorure de zinc 40 mg
chlorure ferrique hexahydraté 200 mg
chlorure de cuivre dihydraté 10 mgchlorure de manganèse tétrahydraté 10 mg
tétraborate de sodium décahydraté 10 mg
ammonium molybdate tétrahydraté 10 mg
nitrate de cobalt hexahydraté 10 mg
La solution nutritive ainsi préparée était diluée avec de l'eau courante (1 volume de
solution pour 4 litres d'eau). Cette solution nutritive était ensuite introduite dans le
biofiltre chaque matin.
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Exemple 2
Selon un second exemple d'applicalion de la technologie, une combinaison innovatrice
de souches pures provenant de la collection ATCC (American Type Culture Collection)
fut utilisée.
5 Les souches ont servi à inoculer un biofiltre employé pour le traitement de l'air
contaminé par le toluène eVou les xylènes.
Les souches suivantes ont été employées (mélange 2)
Pseudomonas putida (ATCC 31483)
Pseudomonas putida biotype A (ATCC 39213)
Rhodococcus sp. (ATCC 21499), et
Affhrobacterparaffineus (ATCC 15590).
Les quatre microorganismes étaient cultivés séparément dans des portions de 500 ml
chacun de milieu Tryptic Soy Broth + 0.1% de toluène ou de xylènes. Après une nuit
d'incubation à 30~C, les cultures étaient soumises à une centrifugation, pour récupérer
15 la biomasse microbienne et éliminer le milieu de culture (riche en substancesorganiques). Pour procéder à l'inoculation des biofiltres, les microorganismes étaient
resuspendus dans la solution nutritive d'inoculation, telle que décrite dans l'exemple
d'application précédent.
Cette suspension microbienne préparée à l'aide de la solution nutritive (pauvre en
20 substances organiques) était directement introduite sur le matériau filtrant du biofiltre.
Dans une variante de la procédure d'inoculation, l'excès de suspension d'inoculation
a été recueilli en bas du biofiltre et ce liquide a été introduit une deuxième fois sur le
matériau filtrant, pour assurer une meilleure répartition des microorganismes del'inoculum dans le biofiltre.
25 Un autre exemple d'application de la technologie consiste à garder le mode
d'inoculation de l'exemple précédent mais en modifiant la solution nutritive de façon
à ramener le rapport molaire N:P à 5:1.
Selon cette variante, le biofiltre avait été inoculé comme précédemment avec 4
souches ATCC, mais les arrosages ont été effectués avec une solution nutritive de
30 composition suivante:
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KH2P04 15 9
NH4CI 10 g
(NH4)2S04 10 g
NH4HC03 20 g
solution de microéléments 5 ml
eau distillée à 1000 ml
(pH ajusté à 8.0 - 8.5 avec du NH40H).
Exemple 3
Dans cet exemple, un consortium de microorganismes (mélange 3) a été utilisé. Ceconsortium constitu une combinaison innovatrice de microorganismes.
Ce mélange a servi à inoculer les biofiltres pour le traitement de l'air contaminé par le
toluène, I'éthylbenzène, les xylènes et le benzène (BTEX).
Le consortium microbien présente les particularités suivantes:
Contenu en pathogènes et en indicateurs de pathogènes négatifs dans 25 grammes
sec. Les pathogènes concernés sont les suivants: salmonelles, Staphylococcus
aureus, Shigella sp., Pseudomonas aeruginosa; Salmonella typhosa; Escherichia coli,
coliformes fécaux < 100 UFC/g; streptocoques fécaux < 100 UFC/g. Le contenu total
en bactéries est de 2109 UFC/g sec du consortium, en levures et moisissures 2103/g,
en actinomycètes mésophiles 2107/g. Les groupes microbiens reliés composants le
consortium font partie du groupe des levures et moisissures (Ex.: Aspergillus sp.),
d'actinomycètes et de Thiobacillus.
Le consortium est une formulation de culture microbiennes, d'organismes observésnaturellement avec un contenu en micro nutriments (cuivre, fer, manganèse et zinc
entre 0.05% et 0.10%), en minéraux (calcium, magnésium, sodium, potassium et
phosphore entre 5 et 12%), en hydrates de carbone (entre 50 et 75%) et avec un
transporteur protéique (entre 10 et 20%). Le consortium sélectionné pour dégrader
les BTEX est aussi capable de métaboliser les alcools (ex.: éthanol, butanol).
L'avantage d'utiliser ce consortium réside dans la possibilité de traiter les effluents par
biofiltration avec un pH d'opération aussi faible que 4Ø
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[Toutes les données sont représentées par la capacité d'élimination (CE) et l'effficacité
d'élimination ou taux de conversion de la colonne. L'effficacité d'élimination est définie
comme la différence (%) entre les concentrations du polluant entrant et sortant de la
colonne, divisée par la concentration de polluant entrant. La capacité d'élimination
5 (exprimée en g/m3.h) est définie comme la différence de concentration de polluant
entrant et sortant (~C), multipliée par le débit volumique du polluant volatile (Qg),
divisée par le volume du lit filtrant (V):]
Q * l\C
EC =
La capacité d'élimination d'un composé donné dans un biofiltre a une valeur maximale
CEmaX correspondent à la quantité maximale de ce polluant qui peut être dégradée10 dans les conditions opératoires mises en oeuvre. Même si on augmente la
concentration du polluant ou le débit d'air contaminé, on ne peut pas dépasser ce
maximum. CEmaX est donc une caractéristique qui peut être utilisée pour comparer les
performances de biofiltration dans le cas de différents composés organiques et entre
différentes unités de biofiltration.
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Le tableau 1 en page suivante est un résumé des diverses expériences réalisées
dans divers biofiltres (B1, B2 et B3) et indique les capacités d'élimination
maximales obtenues. On trouve également dans ce tableau la valeur limite de la
charge à partir de laquelle la capacité maximale est atteinte. Cette valeur
correspond au taux de chargement maximum. Au delà de cette valeur, la capacité
d'élimination reste constante mais le taux de conversion diminue donc l'efficacité
de l'épuration diminue. Les charges à l'entrée peuvent varier aussi bien par la
concentration du polluant à traiter que par le débit d'air. L'on constate que peu
importe des variations de débits ou de concentrations, à charge égale, I'élimination
10 des SOV sera semblable.
De manière surprenante, I'on constate que les valeurs des capacités d'élimination
sont bien supérieures à celles données dans la littérature. Le meilleur résultat pour
le solvant toluène est obtenu avec les granules de tourbe. Par exemple, pour
l'épuration du toluène, Tahraoui et coll. (1994) trouvent 68 g/m3.h comme capacité
15 maximale d'élimination alors que nous avons atteint la valeur d'environ 165 g/m3.h
avec le biofiltre B3.
Ces valeurs élevées de capacité d'élimination permettent ainsi de réduire le
volume du biofiltre par rapport aux biofiltres présents sur les marchés et il faut
remarquer aussi que les concentrations utilisées vont du ppm à de fortes
20 concentrations supérieures à 1000 ppm, cette dernière concentration étant très
supérieure à celle mentionnée dans la littérature.
De plus, au cours des expériences, la concentration à l'entrée de polluants fut
augmentée de temps à autre de 500 à 1000 ppm ou de 1000 à 1500 ppm.
Aucune difficulté d'opération ne fut constatée. De même, lorsque le mélange
25 constitué de toluène et de xylènes a été envoyé dans le biofiltre B3, ce dernier
s'est acclimaté dès les premiers jours confirmant un comportement dynamique
satisfaisant et la flexibilité du procédé vis-à-vis d'une variation de la charge à
l'entrée. Par contre, un effet d'inhibition des xylènes sur le toluène a été constaté
puisqu'avec le toluène seul, une capacité maximale d'élimination de 165 g/m3.h a30 été obtenue alors qu'une capacité d'élimination de 90 à 110 g/m3.h a été obtenue
avec le mélange toluène/xylènes (la première valeur a été obtenue avec une
charge fixe de xylènes tandis que la seconde valeur a été obtenue avec une
charge fixe de toluène à l'entrée).
24
Tableau 1: Résurné des expériences réalisées
Bio- Milieu Polluant Concentra- Capacité Taux de Valeur "limite" de la
flltre filtrant tion maximale d'élimination conversion charae
à l'entrée maximale maximal (g/m3h)
(PPM) (g/m3h) (%)
B2 tourbe et toluène 170 45 94 48
ciment
B3 granules et toluène 1000 155 86 185 D
polystyrène
B3 granules et toluene 1020 90 à 110 59 145
polystyrène et
xylènes r
B1 tourbe xylènes 550 120 96 125 ~
B1 tourbe xylènes 1100 220 83 265 ~,
B2 schiste xylènes 600 120 92 130
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Le procédé de la présente invention est donc adaptable à plusieurs types de
polluants, la limite étant imposée par la disponibilité des microorganismes
capables de dégrader un type de polluant.
Bien que la présente invention ait été décrite plus haut par voie d'exemples
5 spécifiques, ces exemples peuvent faire l'objet de modifications et variationsapparentes à l'homme du métier. Ces modifications et variations sont bien
entendu couvertes par les revendications annexées, comme elles ne s'éloignent
pas des enseignements et de l'esprit de notre invention.
