Une odeur est un mélange complexe hyperdilué de molécules organiques ou minérales. On y retrouve des composés soufrés (hydrogène sulfuré, mercaptans, sulfures'), des produits azotés (ammoniac, amines') ou encore des molécules oxygénées (acides gras organiques, alcools, aldéhydes, cétones, esters'). Les concentrations trouvées sont au maximum de quelques ppm et généralement sont proches de quelques ppb voire ppt pour certains produits. Ces spécificités amènent à proposer des procédés de traitement particuliers basés sur les propriétés physico-chimiques des composés odorants à éliminer. Ainsi, un produit soluble pourra être transféré dans une solution de lavage, un composé acide ou basique sera éliminé respectivement par une base ou un acide, une molécule adsorbable par un charbon actif ou biodégradable par des micro-organismes. En outre, la faible concentration des polluants amène à définir des dimensionnements et des conditions opératoires spécifiques à ce problème. La notion de coût d'investissement de traitement est primordiale en environnement. Il convient donc d'imaginer et de proposer des procédés rustiques dans leur conception et leur fonctionnement. Dans cet article seront présentés les procédés les plus couramment mis en ?uvre pour abattre les nuisances olfactives. Une approche identique sera proposée intégrant le principe de fonctionnement, la mise en ?uvre, quelques données de dimensionnement et des exemples d'applications. Enfin, quelques éléments de choix d'un procédé de traitement seront donnés incluant des critères objectifs et plus subjectifs ainsi que les notions de coûts relatifs.
Il existe actuellement une panoplie de procédés d’épuration des émissions gazeuses odorantes.
Classification générale des procédés de traitement
Afin de les résumer et en s’appuyant sur des ouvrages généraux et une classification générale préalablement publiée [1] [2-8] [23][29], la figure 1 reprend les principaux traitements possibles en les classant arbitrairement suivant qu’ils mettent en jeu une destruction des molécules ou plus simplement un transfert. On verra dans la suite de l’article que ce type de classification est rapide car généralement les mécanismes
Destruction - Oxydation Transfert Gaz / liquide - absorption Photocatalytique Filtre percolateur Physico-chimique Biologique Gaz / solide - adsorption Biofiltre Thermique Thermique catalytique Biolaveur
Figure 1 : Classification arbitraire de quelques procédés de traitement des émissions odorantes canalisées [1].
mis en jeu dans les procédés comprennent à la fois des transferts et des réactions chimiques ou biologiques.
Les traitements thermiques
Les traitements thermiques sont largement utilisés pour la réduction des composés organiques volatils et pour l’élimination des molécules odorantes présentes dans les émissions gazeuses. D’utilisation relativement simple, ils présentent aussi l’avantage de mettre en œuvre des technologies classiquement rencontrées sur les sites de production industriels.
Principe
Les procédés de traitement thermique des émissions sont basés sur une oxydation totale des molécules odorantes. L’équation générale de l’oxydation d’une molécule organique odorante s’écrit sous la forme simplifiée :
4CₘHₙOₚ + (4m + n – 2p)O₂ ⇒ 4mCO₂ + 2nH₂O
Le tableau 1 résume des réactions, non équilibrées, spécifiques pour différentes molécules odorantes. Il faut remarquer, dès à présent, la production de sous-produits de réaction indésirables dans les émissions traitées comme les oxydes de soufre, d’azote, d’acide chlorhydrique ou encore de chlore dont les rejets atmosphériques sont réglementés. Afin d’éviter de surajouter un système de traitement des fumées produites par l’oxydation thermique, on évite généralement ces procédés de dégradation pour de l’air contenant des composés soufrés, azotés ou halogénés (chlorés, bromés, iodés ou fluorés).
Tableau 1 : Réactions d’oxydation de molécules odorantes
Les unités de traitement
De façon générale, des plus simples au plus sophistiquées, les technologies à disposition consistent en une chambre de combustion dans laquelle les composés odorants présents dans l’air pollué sont oxydés par passage dans une flamme alimentée généralement par du méthane (gaz naturel) ou un autre combustible comme du propane ou du butane. Du fait des faibles concentrations en molécules organiques présentes dans l’air, il est très rare d’obtenir un système autotherme (concentrations comprises entre 8 et 12 g/m³). Aussi, l’appoint de gaz pour entretenir la flamme est-il indispensable. Les températures dans la chambre de combustion sont, suivant les procédés, comprises entre 350 °C et 800 °C. Tout le challenge est ici de récupérer la chaleur produite afin de diminuer les coûts de traitement. À l’exception de la torchère, on rencontre des traitements thermiques ou thermiques régénératifs dont les réactions d’oxydation peuvent être éventuellement catalysées.
La torchère et la dispersion atmosphérique
Le système le plus rustique des traitements thermiques, toujours en fonctionnement actuellement, est la torchère. Elle permet, dans une flamme au gaz naturel, d’oxyder à l’air libre les molécules odorantes présentes dans un effluent gazeux. Cette réaction de dégradation a aussi pour but de minimiser l’effet de serre responsable du réchauffement de la planète. En effet, le gaz carbonique produit a un potentiel « effet de serre » plus faible que les composés organiques volatils ou que le méthane. La torche est généralement positionnée en hauteur pour obtenir une dispersion naturelle dans l’environnement du CO₂ et de la vapeur d’eau ainsi que d’éventuels sous-produits de réaction. Dans le cas spécifique des odeurs, on rencontre des modèles gaussiens de transport et diffusion ou
encore des modèles par bouffées [9]. Cependant, quelques règles simples de calcul de hauteur de cheminée sont utilisables pour optimiser la dispersion du rejet à l'atmosphère [10].
Le traitement thermique - thermique récupératif
Basés sur la dégradation des molécules odorantes dans une flamme, les traitements thermiques font appel à une technologie dont le schéma de principe est présenté sur la figure 2. L'émission d'air contenant les molécules odorantes est injectée dans une flamme alimentée généralement par du méthane (gaz de ville). La température de la chambre, la turbulence et le temps de séjour (règle des trois T) sont les paramètres opératoires majeurs et doivent être optimisés pour obtenir une bonne efficacité d'épuration. Dans le cas du traitement des odeurs, il y a généralement un excès d'oxygène de l'air et les réactions d'oxydation sont alors totales.
La récupération de chaleur peut être effectuée de deux manières différentes. En amont, le flux d'air à traiter peut être réchauffé par passage dans l'espace annulaire de la double enveloppe de la chambre de combustion. En aval, des échangeurs de chaleur, tubulaires ou à plaques, sont positionnés en sortie du réacteur afin de récupérer de l'énergie et produire de la vapeur ou de l'eau chaude.
Le traitement thermique régénératif
Afin d'obtenir de hautes efficacités énergétiques et d'augmenter préalablement la température de l'air pollué entrant dans la chambre de combustion, une étape de préchauffage peut être envisagée. La figure 3 présente le système. On peut remarquer deux échangeurs céramiques (solides-gaz) présents sur le circuit de l'air fonctionnant alternativement. Les céramiques ont été choisies pour leur forte capacité calorifique et leur inertie thermique. Après avoir préchauffé l'un des échangeurs au démarrage de l'installation, celles-ci vont chauffer l'air pollué entrant et le garnissage va se refroidir. Dans le même temps, le deuxième échangeur va se réchauffer par l'effluent gazeux sortant après son passage dans la flamme (figure 3, étape 1). Lorsque les températures des lits de céramique ont des températures proches, le courant gazeux entrant est inversé comme le montre l'étape 2 sur la figure 3. Afin d'éviter une bouffée d'air non traité lors de l'inversion, un épurateur à trois lits est souvent utilisé.
Le traitement thermique catalytique
Afin d'abaisser les énergies d'activation des réactions d'oxydation et donc par conséquent la température au sein du réacteur, on utilise des catalyseurs supportés. Participant à la dégradation des composés organiques par des mécanismes réactionnels complexes d'adsorption-oxydation-désorption, ces solides sont retrouvés à leur état initial en fin de réaction. Les supports catalytiques sont généralement constitués d'une base inerte réfractaire du type alumino-silicate, alumine, céramique, métaux… recouverte de métaux nobles comme du platine (Pt), du palladium (Pd) ou encore de métaux plus courants comme du cuivre (Cu), manganèse (Mn), du vanadium (V), du chrome (Cr), du tungstène (W)… seuls ou en mélange à des teneurs allant de 0,15 % à 25 %. Ces catalyseurs se trouvent sous la forme de billes ou de cylindres, mais des structures monolithes sont de plus en plus employées.
Le traitement thermique catalytique régénératif
Ce procédé est une combinaison des technologies mises en œuvre dans les traitements thermiques catalytiques et thermiques régénératifs. Il est alors aisé de comprendre le fonctionnement d'un tel système en intégrant les figures 3 et 4 précédentes.
Quelques données pratiques
Des gammes de valeurs pratiques sont données dans le tableau 2. Cependant chaque
[Figure : Schéma de principe d'un procédé d'oxydation thermique catalytique d'un flux d'air odorant.]Le constructeur ou installateur préconise des conditions spécifiques de fonctionnement suivant le type d’installation choisie.
Tableau 2 : Quelques paramètres de dimensionnement et de fonctionnement d’un brûleur utilisé en traitement des émissions odorantes industrielles
| • Temps de séjour (s) : 0,1 – 1 | Observations : installation de faible dimension |
| • Température dans l’installation (°C) : Thermique : 750 – Catalytique : 350 | Observations : attention à l’empoisonnement possible du catalyseur |
| • Humidité de l’air (%) : 60 – 100 | Observations : une faible humidité relative est préconisée |
| • Concentration (mg/m³) : 100 – 10 000 | Observations : système non autotherme à ces valeurs – besoin de gaz naturel |
| • Débit (m³/h) : Thermique : < 30 000 – Régénératif : 500 000 | Observations : il existe des installations travaillant à des débits de 60 000 m³/h |
Les bioprocédés
Mis en œuvre industriellement en France en 1979, les procédés biologiques utilisés en traitement de l’air connaissent un intérêt croissant. On compte environ 270 installations en fonctionnement actuellement pour le contrôle et la réduction des nuisances olfactives.
Principe
Le principe de la biodégradation est basé sur l’oxydation, via des micro-organismes, de composés organiques. Le tableau 3 symbolise les transformations biologiques via des réactions enzymatiques. La matière organique (MO) présente dans l’air est le substrat principal qui, en présence d’oxygène, de sources d’azote (N) et de phosphore (P), d’oligo-éléments et d’eau, est dégradée en dioxyde de carbone, en eau et en métabolites (sous-produits de réaction). Ces réactions, ne pouvant s’effectuer qu’en milieu aqueux, fournissent un apport d’énergie aux micro-organismes (X) et permettent la multiplication de ceux-ci.
Tableau 3 : Réactions d’oxydation de molécules odorantes
MO + O₂ + sources de N et P, oligo-éléments + H₂O ⇒ CO₂ + H₂O + X ⇒ CO₂ + H₂O + énergie ⇒ métabolites
Les micro-organismes
Une biomasse particulière peut dégrader un grand nombre de molécules présentes dans le mélange odorant à traiter. Un consortium de bactéries sera donc présent sur le support.
Ce constat amène à proposer d’injecter dans les bioprocédés une boue de station d’épuration préalablement diluée. En effet, cet inoculum renferme une telle variété de bactéries qu’il contiendra donc les micro-organismes adaptés à la dégradation des composés présents dans l’air odorant. Une sélection de la biomasse s’effectuera naturellement en fonction du substrat en présence.
Mise en œuvre
En prenant comme variable la mobilité de la biomasse associée…
Tableau 4 : Quelques exemples de substrats biodégradables et la biomasse associée aux réactions de biodégradation
| • Hydrocarbure – Toluène, Xylène, Naphtalène – Nocardia, Aureobacter, Corynebacterium, Rhodococcus |
| • Alcool – Méthanol, Isopropanol, Butanol, Ethylhexanol – Pseudomonas fluorescens |
| • Aldéhyde – Acétone – Pseudomonas putida |
| • Cétone – Propionaldéhyde, Butyraldéhyde – Pseudomonas sp., Rhodococcus |
| • Amine – Diéthylamine, Indole, Scatol – Pseudomonas sp. |
| • Ester – Acétate d’éthyle, Acétate de butyle, Acétate de méthyle, Acrylate de méthyle – Pseudomonas sp. |
| • Chloroalcane – Dichloroéthane, Chlorure de vinyle, Dichlorométhane – Xantobacter sp., Mycobacterium sp., Hyphomicrobium |
Phase liquide et de la masse de micro-organismes, il est possible de générer un tableau permettant de concevoir trois types de procédés : les biofiltres, les biolaveurs et les lits bactériens (Tableau 5). Un schéma de principe de fonctionnement est donné sur la figure 5.
Tableau 5 : Types de procédés biologiques de traitement de l’air
| Phase aqueuse | ||
|---|---|---|
| Mobile | Immobile | |
| Biomasse libre | Biolaveur | — |
| Biomasse fixée | — | Lit bactérien, Biofiltre |
– Les biofiltres (figure 6)
Dans un biofiltre, la biomasse (X) est supportée sur un garnissage de type tourbe, copeaux de bois, écorces… simplement humidifié par un apport d’eau percolant. Le taux d’humidité optimal du support est de l’ordre de 60 %. Il doit être homogène afin d’éviter les zones mortes (anaérobie) et les chemins préférentiels. Certains nutriments peuvent être apportés par l’eau (ammoniaque, phosphate…) afin d’obtenir un équilibre nutritionnel pour les bactéries.
– Les lits bactériens
Dans le cas d’un lit bactérien, appelé aussi filtre percolateur, la biomasse est fixée et l’eau ruisselle sur un garnissage du type particule d’argile, anneaux de Raschig, tellerettes. Un apport d’eau additionnel est nécessaire afin de compenser la perte par évaporation du fait du passage de l’air. La rétention d’eau est généralement faible. Un colmatage du filtre, dû à la croissance bactérienne, est parfois obtenu impliquant un lavage périodique du garnissage.
– Les biolaveurs
Dans le cas des biolaveurs, le transfert de polluants odorants gaz–liquide s’effectue dans la colonne, qui peut être du type colonne à pulvérisation ou à garnissage. Un bassin de boue activée permet la biodégradation des substrats. La phase liquide, après une éventuelle décantation, est recyclée dans la colonne.
Quelques données pratiques
La majeure partie du parc français des traitements biologiques des odeurs est constituée de biofiltres. Les valeurs présentées sur le tableau 6 correspondent aux conditions opératoires des biofiltres utilisés pour le traitement des émissions odorantes industrielles. Cependant, des installations industrielles de biolaveurs sont en plein développement.
Tableau 6 : Quelques paramètres de dimensionnement et de fonctionnement d’un biofiltre utilisé en traitement des émissions odorantes industrielles
| Paramètre | Valeur | Observations |
|---|---|---|
| Vitesse de passage (m/h) | 100 – 500 | Ces valeurs faibles, du fait de la cinétique de dégradation, donnent des surfaces de filtre importantes |
| Temps de séjour (s) | 15 – 60 | Même remarque que précédemment |
| Température de l’air (°C) | 10 – 30 | Gamme de température de l’air à respecter pour la viabilité des micro-organismes |
| Humidité de l’air (%) | 60 – 100 | Une humidité proche de 100 % est intéressante |
| Concentration (mg/m³) | 10 – 1 000 | |
| Perte de charge (m d’eau) | 0,1 – 1 | Attention aux chemins préférentiels |
| Temps d’acclimatation (j) | 30 – 90 | Fonction de l’utilisation d’un inoculum du type boue de station d’épuration |
Le lavage de gaz – l’absorption
Principe
Le principe de l’absorption est un transfert de matière d’une phase gazeuse dans une phase liquide. Le polluant présent dans l’air est solubilisée dans un liquide ; on parle alors d’absorption physique. Cependant, afin d’accélérer le transfert, la molécule peut être transformée dans le liquide. Par exemple, on favorise une réaction chimique instantanée par un oxydant ou encore on effectue une dissociation par variation du pH de la solution. L’approche des mécanismes et la modélisation des phénomènes d’absorption ont fait l’objet de nombreuses approches théoriques (double film, pénétration, renouvellement de l’interface) que l’on retrouve dans un certain nombre d’ouvrages de référence [18-20]. La théorie des deux films, bien que plus ancienne, est largement utilisée pour le dimensionnement des unités d’absorption.
Mise en œuvre [18]
La mise en œuvre des contacteurs gaz–
[Photo : Figure 6 : Exemple d’un biofiltre utilisé pour le traitement d’une émission gazeuse d’un équarrissage [16]]liquide doit répondre à des critères simples issus des mécanismes de transfert de matière, à savoir : une surface de contact la plus importante possible ; une différence de concentration entre les phases la plus importante possible. Aussi, les technologies actuellement utilisées sont de trois types :
- les colonnes vides à pulvérisation ;
- les colonnes garnies ;
- les venturis - scrubbers.
Les colonnes à pulvérisation
Les colonnes à pulvérisation sont constituées d'une colonne vide dans laquelle sont introduits à contre-courant l'air à traiter et la solution de lavage nébulisée sous la forme de fines gouttelettes (Figure 7). Le diamètre de gouttes est de l'ordre de 20 à 100 µm. Afin d’éviter l'entraînement du liquide avec la solution, il convient d'utiliser, en aval de la colonne, un dévésiculeur qui permet la coalescence de l'aérosol éventuel [28]. La perte de charge est faible car il n’existe pas de réelle résistance à l’écoulement de l’air. Cependant, les rendements dans ce type de procédé sont moyens.
Les colonnes garnies
Parmi les laveurs d'air odorant, les colonnes garnies travaillant à contre-courant sont les plus utilisées. Il convient de remarquer que pour un certain nombre de polluants, le dimensionnement de ces installations (diamètre, hauteur) s'effectue aisément par des calculs relativement simples. Par contre, pour des mélanges complexes de molécules odorantes, il est souvent nécessaire d'effectuer une étude pilote sur site réel afin d'affiner les conditions opératoires. La figure 8 donne un schéma de principe du système avec les garnissages utilisables. Actuellement les tellurettes semblent être le garnissage de choix du fait de son degré de vide minimisant les pertes de charge et son aire spécifique favorisant une bonne interface solution-air.
Les venturis – scrubbers
La figure 9 présente le schéma de principe des venturis utilisés pour le transfert gaz-liquide. Ils permettent aussi de faire du dépoussiérage [29]. Leur utilisation est très simple mais implique des débits gazeux relativement faibles (< 5 000 m³/h) et un traitement d'eau résiduaire.
Les solutions de lavage
Du fait des diverses caractéristiques des molécules odorantes (acidité, basicité et oxydabilité) des solutions de lavage différentes sont utilisées dans des laveurs disposés en série. Ainsi on utilise :
- l'acide sulfurique pour le piégeage de l'ammoniac et des amines ;
- la soude pour les composés à caractère acide comme l'hydrogène sulfuré, les mercaptans, les acides gras volatils (acides formique, acétique, propionique, butyrique...). Les solutions basiques ont tendance à capter le CO₂ présent dans l'air, ce qui implique une consommation plus élevée de réactif ;
- l'eau de javel permet d'oxyder les produits organiques. Son caractère basique permet d'accélérer le transfert de molécules acides précédemment citées avant leur dégradation chimique.
Tableau 7 : Quelques paramètres de dimensionnement et de fonctionnement d’un laveur de gaz utilisé en traitement des émissions odorantes industrielles
| Vitesse de passage (m/h) | 50 – 1 000 |
| Temps de séjour (s) | 0,1 – 10 |
| Température de l'air (°C) | 10 – 30 — Gamme de température à respecter pour éviter trop de vaporisation d'eau |
| Humidité de l'air (%) | sans objet |
| Concentration (mg/m³) | 10 – 1 000 — Consommation de réactif fonction de la concentration |
| Perte de charge (m d'eau) | 0,1 – 1 — Se calcule aisément [19–20] |
Quelques données pratiques
Quelques valeurs pratiques de dimensionnement et de fonctionnement pour une colonne garnie sont présentées sur le tableau 7.
L’adsorption – le charbon actif
Principe [25-27]
L’adsorption en traitement de l’air est un transfert d'une molécule de la phase gazeuse sur une surface d'un solide. Phénomène très répandu dans la nature, il est ici amplifié par l'utilisation de matériaux poreux possédant une très grande surface. Le mécanisme global d’adsorption peut être décomposé en plusieurs phases :
- le transfert du polluant présent dans l’air vers la surface externe du solide ;
- la diffusion dans la porosité interne ;
- la réaction exothermique d’adsorption, c'est-à-dire l'interaction entre la molécule et la surface du matériau ;
- la diffusion de surface.
Ces mécanismes ont fait l'objet d’approches plus détaillées que l’on pourra retrouver dans des articles et ouvrages de référence [16][25-27].
Les matériaux adsorbants – le charbon actif
S'il existe de nombreux matériaux poreux commerciaux, l’adsorbant universel est le charbon actif que l’on retrouve dans pratiquement tous les procédés de traitement des odeurs. Quelques caractéristiques de charbons actifs sont données dans le tableau 8. Ces matériaux carbonés poreux présentent de grandes surfaces spécifiques propices à l'adsorption de la plupart des molécules odorantes. Cependant, des composés comme H₂S ou NH₃ sont peu ou pas retenus par une adsorption physique. Aussi, certains mécanismes de réactions chimiques ou de complexation de surface sont favorisés. Pour H₂S, il se produit très souvent une oxydation en surface du matériau due à la présence d’oxygène adsorbé donnant à la fois du soufre natif (S°) ou des sulfates (SO₄²⁻). De plus, on peut utiliser des charbons actifs imprégnés de sels métalliques ou de métaux comme le fer ou le cuivre afin de favoriser la formation de sulfure et ainsi d'accroître la capacité d’adsorption. Il en est de même pour éliminer NH₃, et dans ce cas, des complexes sont formés avec des métaux préalablement déposés sur charbon actif.
D'autres matériaux adsorbants peuvent être aussi mis en œuvre. On peut citer pour mémoire les zéolites hydrophobes, les alumines activées ou encore les résines synthétiques macroréticulées.
Quelques données d’adsorption
Le charbon actif est bien connu pour ses bonnes capacités d’adsorption d’un grand nombre de molécules odorantes. Afin de quantifier cette propriété, des capacités d’adsorption sont données sur le tableau 9.
Les unités de traitement
L'utilisation des adsorbants et en particulier du charbon actif en grains pour le traitement des odeurs présente l'avantage d'une mise en œuvre excessivement simple. L’adsorbeur est constitué d'un container, garni d’adsorbant, par exemple des grains de charbon actif, au travers duquel passe de manière ascendante ou descendante l’air à purifier, comme cela est présenté sur la figure 10.
[Photo : Schéma de principe d'un venturi et d'un éjecteur (adapté de [18])]Tableau 8 : Caractéristiques de charbons actifs utilisés en traitement d’air odorant
| Origines | Noix de coco, bois, tourbe, houille, viscose |
| Présentations | Grains ou extrudés, fibres, tissus ou feutres |
| Taille | |
| – Grains ou extrudés (mm) | 1 – 5 |
| – Fibres (µm) | 10 – 40 |
| Densité apparente | 0,3 – 0,7 |
| Porosité | Micro et/ou mésoporeux |
| Surface spécifique (BET) (m² g⁻¹) | 500 – 2 000 |
| Diamètre moyen des micropores (Å) | 5 – 10 |
| Volume poreux (cm³ g⁻¹) | 0,2 – 0,8 |
Tableau 9 : Capacité maximale d’adsorption de quelques molécules odorantes sur un charbon actif
| Composé | Capacité maximale d’adsorption (mg g⁻¹) |
|---|---|
| Acétaldéhyde | 70 |
| Acétate d’éthyle | 190 |
| Disulfure de carbone | 150 |
| Crésol | 300 |
| Crotonaldéhyde | 200 |
| Formaldéhyde | 40 |
| Hydrogène sulfuré | 30* |
| Méthylmercaptan | 200 |
| Nicotine | 250 |
| Phénol | 300 |
| Pyridine | 250 |
| Toluène | 290 |
Généralement, lorsque l’adsorbeur est saturé, on effectue le plus souvent un échange standard du système complet. L’adsorbant saturé est alors soit incinéré, soit régénéré par le producteur de charbon actif (25).
Il convient de comprendre des paramètres quantifiables et/ou identifiables aisément applicables à toutes les situations. Le type de molécule et plus précisément ses caractéristiques physico-chimiques permettent une première approche.
Des exemples ont été donnés dans la présentation des divers procédés utilisables. Ainsi, la solubilité, l’adsorbabilité, le caractère acide ou basique, la présence d’halogènes dans la structure de la molécule… sont autant de critères de choix d’une technologie.
Outre le type et les propriétés des polluants à éliminer, deux critères majeurs du flux gazeux à traiter sont à prendre en compte pour trouver les domaines d’utilisation économiquement optimales : le débit et la concentration.
Afin de corréler ces deux paramètres dans le choix d’une technologie d’épuration, un schéma est présenté sur la Figure 11. Certaines zones comprennent des intersections de deux ou trois procédés différents. Ainsi, ce graphique montre bien qu’il n’est pas possible de trouver un procédé universel applicable sur l’ensemble des gammes de débits et de concentrations qui correspondent à celles rencontrées dans la plupart des situations industrielles.
Tableau 10 : Quelques paramètres de dimensionnement et de fonctionnement d’un filtre de charbon actif utilisé en traitement des émissions odorantes industrielles
| Paramètre | Valeur | Observations |
|---|---|---|
| Vitesse de passage (m/h) | 500 – 2 000 | Souvent proche de 1 500 m/h |
| Temps de séjour (s) | 0,1 – 5 | Vers 1 s |
| Température de l’air (°C) | < 40 | Des températures basses favorisent l’adsorption |
| Humidité de l’air (%) | 60 – 80 | Déshumidification possible |
| Concentration (mg/m³) | 1 – 5 000 | Pas de régénération |
| Perte de charge (m d’eau) | 0,1 – 1 | Se calcule aisément comme pour un filtre granulé |
Quelques données pratiques
Dans le cas de la mise en œuvre du charbon actif en grains en lit fixe, des données de dimensionnement et de fonctionnement sont proposées dans le tableau 10.
Éléments de choix d’une technique de traitement
Il n’existe pas de procédés de traitement d’air universels utilisables quelle que soit l’application. Aussi, quelques critères techniques objectifs et subjectifs peuvent être utilisés pour positionner et comparer les procédés de purification d’air les uns par rapport aux autres. Enfin, les critères économiques de coûts de procédé sont des arguments importants dans le choix d’une technologie à mettre en œuvre.
Les critères objectifs : type de molécules, débit et concentration
Dans cette notion de critères objectifs, il convient de comprendre des paramètres quantifiables et/ou identifiables aisément applicables à toutes les situations. Le type de molécule et plus précisément ses caractéristiques physico-chimiques permettent une première approche.
Avantages et inconvénients des différents procédés
Afin de compléter ces approches objectives, le tableau 11 regroupe, pour chaque technologie de traitement, les domaines d’application ainsi que les avantages et les inconvénients de procédés de traitement des odeurs.
Les critères subjectifs
Par critères subjectifs, il convient de comprendre des paramètres spécifiques propres à la situation industrielle et au lieu d’implantation du procédé de traitement. Pour mémoire, quelques-uns de ces critères sont listés sur le tableau 12.
Tableau 11 : Avantages et inconvénients de techniques de traitement d’odeurs
Oxydation
• Principe
– Thermique : oxydation par combustion (T > 750 °C)
– Catalytique : combustion sans flamme (200 < T < 450 °C)
• Domaines d’application : solvants, fortes concentrations, opérations de séchage (peinture, encre, vernis) et de fabrication (agro-alimentaire, pharmaceutique, …)
• Avantages : simplicité de mise en œuvre, performances élevées, récupération de chaleur, convient aux mélanges complexes
• Inconvénients : ne convient pas aux gaz chlorés, soufrés, fluorés, coût énergétique, coût d’investissement, coût de maintenance, érosion et empoisonnement du catalyseur
Traitements biologiques
• Principe : oxydation par voie biologique – molécules biodégradables et hydrosolubles
• Domaines d’application : faible coût d’investissement ; secteurs d’activité : élevage, lieux de stockage, industrie alimentaire, stations d’épuration
• Sous-procédés :
– Biofiltre : micro-organismes fixés sur le garnissage traversé par les gaz à épurer
– Lit bactérien : phase aqueuse circulante, biomasse fixée
– Biolaveur : phase aqueuse circulante, biomasse en suspension
• Avantages : adaptés aux débits élevés et aux concentrations faibles, accepte les variations de flux, utilisation très facile
• Inconvénients : forte perte de charge, écoulements préférentiels, surveillance (humidité, éléments nutritifs, décolmatage)
Adsorption
• Principe : transfert de molécules gazeuses dans un matériau poreux (charbon actif)
• Domaines d’application : molécules adsorbables, flux importants, activités liées aux traitements de déchets, petites installations
• Avantages : accepte les variations de flux, utilisation très facile
• Inconvénients : coût d’exploitation, sensibilité à l’humidité
Absorption
• Principe : transfert des composés à éliminer de la phase gazeuse vers une phase liquide (aqueuse ou organique)
• Domaines d’application : molécules solubles, flux importants, secteurs d’activités : raffineries, chimie, pétrochimie, pharmacie, stations d’épuration
• Avantages : technique souple et adaptable aux variations de charge et de débits, utilisation facile
• Inconvénients : transfert de pollution (rejets aqueux ou régénération), coût de fonctionnement (consommables)
Un critère important : le coût
Dans le choix d’une technique de traitement, le coût est, bien sûr, un critère important. Il est assez difficile d’obtenir des indications précises sur ce sujet tant en termes d’investissement que de fonctionnement.
Une approche simpliste permet de proposer un classement de divers procédés en intégrant à la fois des notions de valorisation ou des gammes d’utilisation (tableau 13). Ainsi il est parfois possible d’utiliser les garnissages de biofiltres à des fins agricoles, de récupérer de l’énergie dans le cas de l’incinération, de recycler les solvants pour des systèmes d’adsorption-désorption…
La taille des unités est aussi à prendre en compte. De petites unités modulables et souples d’utilisation peuvent être très intéressantes dans le cas d’adsorption sur charbon actif en grain ou sur tissu de carbone activé, par exemple.
Conclusion – Perspectives
Ce panorama des procédés de traitement de l’air chargé en molécules odorantes n’est pas, bien sûr, exhaustif. Cette approche sélective a voulu donner les grandes technologies (transfert – destruction) mises en œuvre pour la désodorisation de flux d’air industrielle. On peut remarquer qu’il n’existe pas de procédés universels et que chaque traitement se positionne avec ses avantages et ses inconvénients à des situations spécifiques. Actuellement, des travaux de recherche et de développement montrent des innovations intéressantes dans ce domaine. Il convient
Tableau 12 : Exemples de quelques critères subjectifs de choix
| Rusticité du procédé | formation du personnel de l’entreprise |
|---|---|
| Haute technologie | — |
| Lieu d’installation du procédé | longueur des gaines de ventilation, encrassement et besoin de nettoyage, pertes de charges, puissance des ventilateurs/compresseurs, problème de bruit, problème de place sur le site industriel, génie civil |
| Encombrement du procédé | choix définitif sur le site, stockage de produits chimiques, renouvellement des produits consommables, traitement des fluides induits (eau, fumée, aérosols…), déclarations réglementaires, aérosols bactériens, contamination bactérienne, traitement des eaux d’humidification en excès, gestion technique des biofiltres ou biolaveurs, boues en excès pour les biofiltres et lits bactériens |
| Procédé physico-chimique | — |
| Procédé biologique | — |
Tableau 13 : Estimation de coût de traitement d’émissions gazeuses odorantes
| Coût | Procédé | Commentaires |
|---|---|---|
| Incinération | Sans valorisation | |
| Laveur organique | Avec valorisation de composés | |
| Oxydation catalytique | Avec pré et post traitement | |
| Oxydation chimique | Économie sur de petites unités | |
| Charbon actif | À adsorbant perdu | |
| Filtre à ruissellement | Avec fluidisation | |
| Laveur biologique | Pour solubilité modérée | |
| Neutralisation chimique | Faible charge | |
| Laveur à eau | Bonne solubilité, faible charge | |
| Laveur primaire | Bonne solubilité, faible charge | |
| Biofiltre | Faible charge |
de noter une volonté d’intensification et de couplage des procédés existants afin d’obtenir de meilleures performances avec des dimensionnements réduits. Parmi les systèmes émergents on peut citer par exemple : les condenseurs à effet cyclonique, les techniques de plasma froid, de nouveaux adsorbants, l’oxydation catalytique… Ces traitements sont pour l’instant utilisés via des maquettes ou de petites unités. Cependant, certains devraient voir un développement intéressant à court et moyen terme.
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