DOSSIER COV - Destruction par voie biologique

Supports de conférences biogaz et méthanisation

Descriptif technique
A condition qu'ils soient solubles dans l'eau, biodégradables et en concentration convenable, les COV peuvent être dégradés par des micro-organismes (essentiellement des bactéries) à qui ils servent d'éléments nutritifs en présence d'oxygène. La croissance et l'activité métabolique des micro-organismes dépendent de la présence de ces éléments nutritifs (carbone, azote, phosphore, soufre, ... ), mais aussi du degré d'humidité, du pH et de la température (entre 20 et 40°C) du milieu. La dégradation s'effectue toujours en deux étapes : absorption du COV dans la phase aqueuse, puis oxydation. Tout l'art réside dans le choix de la souche la plus active pour détruire le COV à traiter et dans la conduite de l'installation pour éviter certains phénomènes nuisibles (compétition entre micro-organismes ou entre COV menant à une dégradation partielle, apparition de métabolites inhibiteurs).
Trois types de procédés sont disponibles : les biofiltres (phase aqueuse statique, biomasse fixée), les filtres percolateurs (phase aqueuse mobile, biomasse fixée) et les biolaveurs (phase aqueuse mobile, biomasse libre).

Dans les biofiltres (ouverts ou fermés), les micro-organismes sont fixés sur un matériau (tourbe, compost, écorces, copeaux de bois), formant un biofilm humide dans lequel les COV sont absorbés et oxydés. La hauteur du lit se situe généralement entre 0,5 et 1 mètre (compromis entre efficacité et perte de charge) et son humidité relative doit être maintenue entre 40 et 60% par une aspersion périodique qui est l'occasion d'un apport nutritif complémentaire. Cette technologie, la plus ancienne et la plus utilisée, présente quelques inconvénients: excès locaux d'humidité, compactage du matériau support, cheminements préférentiels de l'air, non-élimination des produits inhibiteurs susceptibles de se former, ajustement du pH difficile, surface au sol importante, rejet d'eau polluée. Actuellement, ce sont plutôt les biofiltres fermés, mieux contrôlables, qui se développent. Leur durée de vie peut atteindre 3 à 5 ans.

Dans les filtres percolateurs, le biofilm se développe à la surface d'un support fixe en matériau inerte (en vrac ou structuré) et peut atteindre plusieurs millimètres d'épaisseur. Un arrosage continu, distribuant l'eau et le complément nutritif, crée autour du biofilm un film liquide dans lequel l'oxygène et les COV sont absorbés et transférés vers le biofilm. Cet arrosage permanent permet de réguler le pH, la teneur en nutriments et la température au sein du filtre et les boues qui se forment sont éliminées par simple décantation. Pour une efficacité identique, le volume occupé est généralement moindre que celui d'un biofiltre.

Dans les biolaveurs, les deux étapes sont séparées: l'absorption est effectuée dans une tour de lavage à pulvérisation et la biodégradation dans un bassin d'activation contenant la biomasse en suspension (boues activées). Par rapport aux biolaveurs, ils présentent les mêmes avantages d'encombrement, de flexibilité et de contrôle que les filtres percolateurs. Ils offrent en outre la possibilité de traiter des composés peu solubles dans l'eau ou toxiques vis à vis des micro-organismes en utilisant une émulsion huile-eau. Avec de l'huile de silicone, on peut par exemple obtenir une dégradation de 90% du toluène et du xylène, alors qu'elle est quasiment nulle avec de l'eau seule. Ils sont enfin moins sensibles au colmatage par prolifération des micro-organismes que les biolaveurs.

Performances et caractéristiques
Les procédés biologiques permettent d'atteindre un rendement de dégradation supérieur à 90% ou une concentration dans les rejets inférieure à 150 mg/Nm3. Le débit n'est pas un facteur limitant mais peut conduire à des installations de très grandes dimensions. Les concentrations admissibles varient de quelques dizaines de mg à environ 1 g par m3 et les variations de charge ne perturbent pas le fonctionnement. Les installations peuvent même supporter des interruptions assez longues de l'alimentation.
D'abord destinés à la réduction des odeurs, les biofiltres sont utilisés depuis les années 80 pour le traitement des COV industriels, mis à l'étranger. Quant aux deux autres techniques, elles sont encore récentes. Le nombre limité de réalisations ne permet pas de donner des indications fiables de coûts d'investissement et d'exploitation.

Recherche et développement
En raison de leurs avantages, les travaux de R&D soutenus par l'ADEME portent sur le développement des biolaveurs et des filtres percolateurs.

La Société Alsacienne d'Aluminium (Célestat) et la société Bioeurope travaillent à la mise au point d'un biolaveur de 10 000 m3/h destiné à traiter une partie des effluents d'une imprimeuse en héliogravure. Le prototype, construit après plusieurs étapes de recherches et de tests à plus petite échelle, admet 10 000 m3/h d'air à 50 - 60°C chargé de COV divers à une concentration variant de 0 à 10 g/Nm3 (moyenne de 900 mg/Nm3). Une souche particulièrement efficace a été isolée et brevetée. L'eau pulvérisée dans le laveur provient du réacteur biologique via une cuve tampon. Elle doit être suffisamment épurée en COV pour assurer la fixation des COV de l'air pollué. Récupérée à la partie inférieure du laveur, elle rejoint ensuite le réacteur biologique où une injection d'air apporte l'oxygène nécessaire à la dégradation des composés. Ce cycle de l'eau dure environ 10 minutes. Un appoint d'eau est nécessaire pour compenser les pertes par évaporation et les purges destinées à stabiliser la concentration des sels minéraux et des produits biologiques moussants. Un échangeur permet soit d'évacuer les calories produites par l'oxydation des COV lorsqu'il est alimenté en eau froide, soit de préchauffer le réacteur ou de le maintenir hors gel lorsqu'il est alimenté en vapeur.

La dégradation biologique elle-même fonctionne bien et l'efficacité de destruction atteint 80% (150 mg/Nm3 à la sortie). Le prototype souffre cependant encore de quelques défauts de jeunesse, concernant notamment le bruit et dissolution des composés dans l'eau. La résolution de ces problèmes devrait permettre d'abaisser les coûts d'exploitation (450 000 F d'électricité) qui s'avèrent nettement supérieurs à ceux d'un incinérateur comparable (250 000 F de gaz), alors que les niveaux d'investissement sont du même ordre de grandeur (1,5 MF). Un avantage du traitement biologique est cependant de ne produire que 10 kg/h de C02 contre 460 kg/h pour l'incinérateur.

L'ADEME soutient également le développement d'un procédé de biofiltre percolateur avec transfert à une émulsion huile organique-eau destiné à élargir les possibilités de traitement à des composés non solubles dans l'eau ou toxiques à faible concentration, tels que le styrène, le benzène ou les solvants chlorés. L'application au styrène a été étudiée par la société Murgue Seigle en partenariat avec l'université technologique de Compiègne. Le styrène est en effet peu soluble dans l'eau (320 mg/1) et a un effet toxique sur les bactéries au-delà de 70 mg/1. L’eau de ruissellement a donc été additionnée d'huile de silicone qui a pour fonction de fixer le styrène gazeux et de le diffuser ensuite à faible dose dans la phase aqueuse pour qu'il soit oxydé par le biofilm. L'étude menée sur un pilote de laboratoire (lit de 600 mm) alimenté par de l'air chargé à 1 g/m3 de styrène a montré qu'après une période de colonisation et d'adaptation des bactéries d'environ deux mois, le rendement d'épuration se stabilise au-dessus de 95%, même si l'on triple la vitesse de passage de l'air (c'est ce paramètre qui dimensionne en fait l'installation), et que la capacité épuratoire du biofiltre est voisine de 2500 g/h/m3 de réacteur. Cette expérience doit être prochainement poursuivie sur un site industriel.

Enfin, l'ADEME soutient des travaux portant sur le choix des filières pour le traitement du CS2 dans un effluent chargé en H2S et sur la faisabilité de la biodégradation de la DMEA (Ecole de chimie de Rennes et Murgue Seigle).

Exemple de réalisation
L'usine Canon Bretagne à Liffré fabrique des cartes électroniques qui, après avoir reçu leurs composants, passe dans une machine capotée qui réalise un dépôt de film de résine puis des soudures dans un bain d'étain en fusion. L'effluent gazeux (3 000 m3/h) à 25°C contient entre 150 et 300 mg/Nm3 d'isopropanol (IPA), avec des traces d'acétone. L'IPA étant facilement biodégradable et la société Canon souhaitant mettre en place un procédé de traitement novateur, c'est une technologie de filtre percolateur qui a été choisie. L'Institut technique des gaz et de l'air (ITGA) de Rennes a réalisé l'étude de faisabilité, le choix de la souche, des essais sur maquette puis des essais sur unité pilote et a fourni à Murgue Seigle les paramètres nécessaires au dimensionnement et au fonctionnement de l'unité industrielle qui a été installée et qui est exploitée par Canon Bretagne.

L'installation a été mise en place en août 1995 en aval de l'une des trois machines à souder et dimensionnée pour une vitesse de passage de 330 m/h. La qualité nutritive et le pH de la solution de lavage sont contrôlés régulièrement et un surpresseur a été prévu pour assurer les décolmatages périodiques. Depuis cette date, l'installation a été raccordée aux deux autres machines à souder, mais entre temps la durée de travail journalière est passée de 16 à 8 heures et la consommation d'IPA a diminué en raison de l'utilisation de flux en spray à la soudure. Si bien que conçue pour traiter 3 000 Nm3/h à 350 mg d'IPA/Nm3, elle reçoit aujourd'hui 6 000 Nm3/h à 220 mg/Nm3.

Le taux d'abattement moyen reste cependant voisin de 80% (81 ppm à l'entrée, 16 ppm à la sortie), mais il connaît des variations au cours de la journée, entre 60 et 90%, et il faut décolmater périodiquement. L'investissement s'est élevé à 1,5 MF et les frais de modification (raccordement aux deux machines, moteur de ventilateur) à 77 kF. Les frais de fonctionnement, eux, sont de 77 F par jour dont 15 F de nutriants, 7,50 F pour la correction du pH, 13,50 F d'eau et le reste d'électricité. L'exploitant mentionne, comme inconvénients, l'obligation de maintenir l'aspiration pendant les week-end et les vacances, de fournir des ajouts d'IPA et de nutriants pendant les vacances, mais reconnaît que le traitement est rapide et que le système est bien adapté à débits importants avec de faibles concentrations de solvant.

Principaux fournisseurs
BEUGIN INDUSTRIE –BIOEUROPE -CLAIRTECH -DUMOUTIER & MASSETAT -ENVIROMAX -MURGUE SEIGLE -OBI BIOFILTER (représenté par EMAPE TECHNOLOGIES) -SAACKE SOCREMATIC -EUROPE ENVIRONNEMENT

Article paru dans le supplément technique d'Energie Plus n°204 du 15 avril 1998

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