Brevet FR2675386A1 — publié le 19921023

La présente invention concerne un procédé biologique de traitement de gaz, des biofiltres et leurs applications, notamment à la désodorisation des gaz. De nombreuses activités agricoles, industrielles et meme domestiques sont sources de nuisances olfactives. Arbitrairement, il est possible de les réunir suivant leur provenance en deux catégories - les odeurs provenant de la fermentation, - les odeurs émises par l'activité industrielle. Un autre classement s'appuie sur les réaction chimiques ou biologiques des émissions odorantes - la décomposition thermique de composés organiques : incinération de déchets des fonderies, de l'industrie pétrochimique, des centrales thermiques et analogue, - la décomposition anaérobique de matériaux organiques : fabrication d'aliments, de levures, - la décomposition anaérobique de produits animaux : équarrissage, fabrication de gélatine, de farine de poisson et analogue - les déjections animales : lisiers de porcs, fientes de volailles, ... Diverses méthodes sont aujourd'hui utilisées pour éliminer les odeurs. Ces méthodes sont généralement basées sur l'absorption, l'adsorption ou la combustion et varient selon les propriétés physiques et chimiques des gaz à traiter et selon leur concentration dans le gaz porteur. A l'heure actuelle, les plus utilisées sont les suivantes - combustion catalytique, - combustion thermique, - adsorption sur charbon actif, - condensation et absorption par voie humide, - ozonation, - procédés biologiques. L'utilisation d'agents masquants, la dilution et la dispersion sont aussi utilisées afin de minimiser la perception d'une odeur. Les procédés biologiques se caractérisent par l'oxydation de composés odorants biodégradables en composés neutres ou inodores. Pour de nombreux microorganismes (bactéries, levures, moisissures ...) ces composés odorants constituent une source de substrats (carbone, azote, oxygène ...) indispensables pour élaborer leurs constituants cellulaires et permettent ainsi une multiplication des microorganismes au détriment desdits composés odorants/substrats. Les produits d'oxydation des substrats sont en général le gaz carbonique et l'eau. Dans le cas des composés odorants inorganiques tel l'hydrogène sulfuré, l'oxydation biologique fournit l'énergie chimique indispensable aux microorganismes et conduit à la formation de composés neutres au plan olfactif (exemples : soufre, sulfate). Les procédés biologiques mettent en oeuvre des biofiltres comprenant de la terre, des composts d'ordures ménagères mais surtout des biofiltres à tourbe arrosés par une phase aqueuse constituée d'une solution de nutrients. La tourbe renferme peu de carbones assimilables et nécessite donc un apport en nutrients ; il est nécessaire de l'ensemencer en microorganismes, et une période d'adaptation lui est également nécessaire. On distingue généralement trois types de procédés biologiques - laveurs, dans lesquels la microflore et la phase aqueuse sont mobiles, - lits bactériens, dans lesquels la microflore est immobile et la phase aqueuse mobile, - biofiltres, dans lesquels la microflore et la phase aqueuse sont immobiles. On recherche toujours un procédé efficace et économique pour traiter les rejets responsables de nuisances olfactives. Par ailleurs, l'élimination des boues des stations d'épuration reste un problème car elles constituent un déchet, généralement jeté à la décharge. C'est pourquoi la présente invention a pour objet un procédé biologique de traitement de gaz dans lequel l'on traite le gaz à l'aide d'un biofiltre, caractérisé en ce que ledit biofiltre comprend des boues humides de station d'épuration. Le gaz à traiter peut renfermer des composés tant organiques qu'inorganiques. Il peut provenir par exemple des raffineries et dans ce cas renfermer des gaz telluriques, de crackage, de catalyse des fluides, de chaudières ou d'entrepôts. Il peut aussi provenir de l'industrie chimique minérale, et notamment de la production d'engrais ou de phosphates, d'acide phosphorique, de soude ou d'acide nitrique ou sulfurique. Il peut encore provenir de l'industrie chimique organique, et notamment de l'élaboration des peintures, plastiques. Il peut enfin provenir de stations d'équarrissage ou de 11industrie agroalimentaire. Par "biofiltre" l'on entend un produit perméable aux gaz et renfermant un certain nombre de microorganismes de type bactéries ou fungi ou un mélange de ceux-ci. Le biofiltre selon l'invention comprend des boues humides de station d'épuration. A titre de biofiltre les boues ci-dessous peuvent être utilisées seules ou en mélange, par exemple jusqu'à 60 % avec des matériaux organiques : tourbes, écorces, paille ou sciures, ou plastiques. Lesdits matériaux peuvent être intimement mélangés ou disposés en couches alternées avec les boues, réparties en succession d'unités filtrantes et de volume gazeux (ciel gazeux) de façon à améliorer le transfert gaz liquide-solide (biomasse fixée au biofiltre). Les boues ci-dessus sont avantageusement utilisées essentiellement seules, c'est-à-dire qu'elles représentent plus de 70 % et de préférence plus de 90- % de la matière active du biofiltre, ce qui n'exclut pas que l'on puisse leur additionner divers adjuvants comme on le verra ci-après. Les boues peuvent provenir de stations biologiques d'épuration d'eaux industrielles, mais de préférence de stations d'épuration des eaux usées de laiteries et particulièrement d'eaux usées urbaines. Les stations d'épuration de type biologique sont bien connues, elles consistent à faire subir aux eaux usées un traitement en aérateurs puis en digesteurs, à savoir en cuves agitées et chauffées, à l'aide de boues activées par des bactéries aérobies. les boues activées ci-dessus, après avoir été classiquement utilisées, peuvent être mises en oeuvre selon la présente invention. Les boues ci-dessus sont utilisées humides, brutes ou partiellement digérées. Leurs caractéristiques essentielles sont de renfermer une grande variété de microorganismes viables et une importante proportion de carbone assimilable. A titre purement illustratif, les boues digérées peuvent contenir, en moyenne, en pourcentage pondéral exprimé en matière sèche - 45-55 % de carbone C - 4-7 % d'hydrogène H - 1-3 % d'azote N - 1-2 % de soufre S - 20-50 % d'oxygène O - 0,4-0,6 % de fer Fe - [ de manganèse (50-100 ppm) Mn - De [ de zinc (600-900 ppm) Zn - 0,1 à [ de cuivre (250-300 ppm) Cu - 0, 2 % E de plomb (80-160 ppm) Pb - [ de chrome (30-60 ppm) Cr Le carbone est essentiellement présent sous forme organique. Les boues constituent en elles-mêmes une source d'éléments nutritifs permettant la croissance de microorganismes. Après séchage (lit de sable) ou déshydratation (centrifugation) les boues contiennent une population hétérogène et dense de microorganismes constituée essentiellement - de bactéries aérobies ou aérobies tolérantes (la majorité des populations anaérobies strictes ont disparu) qui sont des bacilles, coques ou filaments, - de champignons microscopiques. Le dénombrement de ces microorganismes sur milieu complet fait apparaître que ces boues contiennent une microflore bactérienne importante. Par culture sur gélose nutritive (ou P.C.A.)on obtient de 0,5 à 1.1010 UFC/g de boue sèche. (UFC : Unité formant colonie) Les boues constituent non seulement le support sur lequel de nombreux microorganismes sont immobilisés, mais représentent également une source potentielle importante d'éléments nutritifs pour ces microorganismes. Les boues utilisées auront de préférence une teneur en microorganismes supérieure à 107 Unités Formant Colonie (UFC) par gramme de boue sèche. Les boues peuvent être conditionnées de différentes manières - broyage après séchage, conduisant à une g#ranulométrie de particules entre 0,2 et 10 mm de diamètre, - les boues peuvent être utilisées après avoir été conditionnées, sous diverses formes : billes, granulés, plaquettes, et analogue. Elles peuvent avoir subi un traitement physique (centrifugation), chimique (ajout de poly-électrolytes...) ou thermique (400-500 C) en vue de les déshydrater. Elles peuvent avoir été séchées, déshydratées, compactées, extrudées. Les boues obtenues après ces différents traitements peuvent éventuellement faire l'objet, avant leur utilisation comme biofiltre en traitement d'air, d'une réhumidification. Elles peuvent aussi faire l'objet d'un ensemencement à l'aide de boues activées liquides fraiches, ceci durant 24 h à raison de, par exemple, 1 1 de boues liquides par kg de boues déshydratées. Les boues peuvent être additionnées de produits chimiques - sels métalliques pouvant servir d'oligoéléments, - éléments azotés, - sels tels les phosphates ou carbonates, lesquels peuvent servir de sources de carbone pour les microorganismes autotrophes ou améliorer l'effet tampon du biofiltre vis-à-vis de modifications importantes éventuelles du pH, lors du fonctionnement du biofiltre. Lesdits produits chimiques peuvent être ajoutés directement aux boues, ou encore dilués dans l'eau d'alimentation du biofiltre. L'addition, par exemple de particules solides d'un sel tampon comme un phosphate ou un carbonate, par exemple alcalin ou alcalino-terreux tel que le phosphate acide de potassium, le carbonate de magnesium ou de préférence le carbonate de calcium, notamment le maerl, permet de limiter les éventuels problèmes de tassement d'une colonne. De plus il tamponne le biofiltre, lui conservant ainsi son efficacité au cours du temps. Le carbonate de calcium représentera par exemple 10 à 15 % en poids du biofiltre ; il pourra être présent en particules allant de 0,5 à 10 mm, et notamment de 2 à 3 mm. Dans des conditions préférentielles de mise en oeuvre du procédé ci-dessus décrit, le biofiltre sera utilisé dans une gamme de pH allant de 4 à 9 et notamment de 6 à 8. Le procédé selon l'invention peut être mis en oeuvre avec un flux de gaz ascendant, descendant ou même horizontal. On peut travailler en fosse, mais de préférence en réacteurs, isolés ou en batterie. Compte-tenu du flux de gaz à traiter qui entraine une partie de l'humidité du biofiltre, les boues sont avantageusement réhumidifiées pendant la mise en oeuvre du procédé, tant en continu que de manière séquentielle. La figure 1 schématise une installation utilisable pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus décrit. Le procédé selon l'invention comporte un nombre important d'avantages énumérés ci-après Les gaz pouvant être traités selon l'invention peuvent contenir des composés organiques ou inorganiques ou un mélange de ceux-ci. Les résultats obtenus montrent que l'efficacité du procédé est totale dans les deux cas et ceci dès le début de l'alimentation du biofiltre avec le gaz pollué. Comparé à d'autres supports ou biofiltres type tourbe, sols et analogues, le biofiltre mis en oeuvre dans le procédé ci-dessus constitué de boues de station d'épuration, présente la particularité et l'avantage d'être naturellement riche en microorganismes, 108 à 1010 UFC/g de boue sèche selon la durée du séchage. Ledit biofiltre présente en outre l'avantage d'être une source d'éléments nutritifs pour les microorganismes. Le biofiltre, du fait de ses qualités intrinsèques évoquées plus haut, est susceptible de faire face à des fluctuations importantes de débits et de concentrations en polluants, ceci, particulièrement à faible charge Cv Le biofiltre ne nécessite pas d'énergie thermique pour fonctionner : placé à l'extérieur, il reste efficace dans une large plage de température (-20 C ; +50 C) avec une température de gaz à traiter allant de 50C à 40 C. Le biofiltre en tant que tel représente un investissement financier faible. Le biofiltre présenté ici peut fonctionner avec des gaz à traiter contenant peu d'oxygène, jusqu'à même seulement 5% en volume. Le biofiltre ne déplace pas la pollution d'une phase gazeuse vers une phase liquide ou solide. En effet, le traitement selon l'invention conduit à la formation de composés neutres au plan olfactif et non toxiques (par exemple, S0, S04, CO2, H2O). Une fois le biofiltre épuisé, il constitue un matériau présentant des caractéristiques intéressantes parmi lesquelles - une concentration élevée en matière organique sous forme de biomasse, - un enrichissement en certains éléments minéraux ; tel est le cas notamment pour le traitement de gaz contenant des sulfures et/ou des mercaptans permettant d'enrichir le biofiltre en soufre jusqu'à une teneur de 50%. De telles caractéristiques confèrent au matériau constitué du biofiltre épuisé des propriétés agronomiques intéressantes pour améliorer la qualité pédologique de certains sols (apport de matières organiques, de soufre, etc. . . La présente invention a donc également pour objet les biofiltres caractérisés en ce qu'ils comprennent des boues de stations d'épuration. Comme déjà indiqué, les biofiltres selon l'invention peuvent comprendre des boues séchées ou humidifiées donc prêtes à l'emploi, seules ou mélangées, notamment avec de la tourbe, de l'écorce, de la paille, des sciures, des matières plastiques ou encore du verre. Les boues peuvent se présenter sous les différentes formes précitées, et avoir reçu éventuellement un traitement adjuvant. Le taux d'humidité des biofiltres et des boues, selon la présente invention, pourra aller par exemple de 10 à 70 % pendant le fonctionnement du procédé en régime établi, et de préférence de -10 à 40 %. La présente demande a enfin pour objet l'application des boues de stations d'épuration, notamment de laiteries ou urbaines, à la désodorisation de gaz. Les exemples qui suivent illustrent la présente invention, sans toutefois la limiter EXEMPLE 1 Désodorisation d'un gaz Le matériel utilisé est représenté à la figure 1. Le gaz à traiter arrive en 1, aspiré par un ventilateur 2. Un rotamètre 3 permet de mesurer le débit d'alimentation en gaz du réacteur 4. Les gaz traversent verticalement le biofiltre 5. Le biofiltre est réhydraté à l'aide d'eau provenant d'un réservoir 6, aspirée par une pompe 7, par exemple péristaltique. Les gaz traités, désodorisés sortent en 8. Un manomètre différentiel 9 est également prévu entre l'alimentation en gaz à traiter et la sortie des gaz traités. Les caractéristiques du biofiltre utilisé sont les suivantes Diamètre 8,5 cm, hauteur 40 cm, boues broyées, 700 g de matières sèches. Les boues proviennent de la station d'épuration des eaux usées de la ville d'Alès (Gard - France). Des essais de biodésodorisation ont été réalisés sur des gaz pollués avec des composés inorganiques (par exemple H2S) ou organiques (par exemple l'acétone), ceci dans une gamme de concentration en polluants variée 10 ppm à 2500 ppm. Le débit de l'air pollué est fixé à 90 l/h, soit une vitesse des gaz de 16 m/h ; le temps de séjour dans le biofiltre est de 90 s. L'humidification avec de l'eau est réalisée par une pompe péristaltique, de manière à conserver le taux d'humidité entre 30 et 40 %. Le taux a été déterminé par des prélèvements, pesée, et passage à l'étuve. Les essais réalisés, sans addition d'éléments nutritifs, ont montré que l'unité de traitement telle qu'elle est présentée dans la figure 1 permet d'obtenir une efficacité totale à faible, moyenne ou forte charge comme en témoigne le tableau ci-après : Charge Cv Durée Rendement kg H2S/m3 biofiltre/j Faible charge (200 ppm H2S) 0,27 6 mois 100 % Forte charge (2500 ppm H2S) 3,33 10 jours 100 % Le biofiltre est efficace et performant dès le début de l'alimentation du procédé par un gaz pollué (pas de phase de latence ou d'acclimatation). Le biofiltre selon l'invention peut être indifféremment efficace pour épurer un gaz contenant un composé gazeux inorganique tel le sulfure d'hydrogène ou un composé gazeux organique comme l'acétone. D'autre part, des essais réalises avec de faibles concentrations en oxygène (5 % v/v) dans le gaz à traiter montrent que le biofiltre conserve une efficacité comparable à celle constatée en présence d'air (21 % d'oxygène). EXEMPLE 2 Désodorisation d'un gaz contenant de l'acétone Les caractéristiques du biofiltre utilisé sont identiques à celles de l'exemple 1. Les essais ont été réalisés sur un gaz pollué avec 400 vpm d'acétone, selon une charge de 0,985 kg d'acétone par mètre cube de biofiltre et par jour. L'essai réalisé sans l'addition d'éléments nutritifs montre une efficacité totale à la charge considérée : rendement de 100 % sur une durée de 6 mois. Il est à noter que le biofiltre est efficace dès le début de son alimentation par le gaz pollué et n'a nécessité ni de phase d'acclimatation ni de phase de latence. EXEMPLE 3 Désodorisation d'un mélange On a traité à l'aide d'un biofiltre analogue à celui de l'exemple 1 un mélange odorant renfermant - H2S 60 vpm - NH3 10 vpm - Ethyl mercaptan 0,5 vpm - Ethylamine 0,5 vpm - Ethanol 1 vpm L'efficacité du traitement a été de 100 % pour une vitesse de 200 mètres à l'heure. REVENDICATIONS 1. Procédé biologique de traitement de gaz dans lequel l'on traite le gaz à l'aide d'un biofiltre, caractérisé en ce que ledit biofiltre comprend des boues humides de station d'épuration. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les boues ont une teneur en microorganismes supérieure à 107 Unité Formant Colonie (UFC)/g de boue sèche. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, carac térisé en ce que le biofiltre renferme en outre un sel choisi dans le groupe du carbonate de calcium et du carbonate de magnesium. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'humidité des boues est comprise entre 10 et 70 t. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le biofiltre est réhumidifié pendant sa mise en oeuvre. 6. Biofiltre caractérisé en ce qu'il comprend des boues de station d'épuration. 7. Biofiltre selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il renferme des particules d'un sel tampon. 8. Biofiltre selon la revendication 7, caractérisé en ce que le sel tampon est choisi parmi le carbonate de calcium et le carbonate de magnesium. 9. Application des boues de stations d'épuration à la désodorisation de gaz.