CA2211564A1 - Process and device for treating air polluted by volatile organic solvents - Google Patents
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Abstract
Cette invention est reliée à un procédé de traitement par biofiltration d'un flu ide gazeux comprenant des polluants organiques volatiles, tels que solvants organiques volatiles (SOV). Le biofiltre est composé d'un consortium de microorganismes sélectionnés pour leur grande capacité de dégrader les BTEX (benzène, toluène, éthylbenzène, xylènes) et les alcools. Avantageusement, ces microorganismes sont inoculés sur un lit filtrant vertical composé de (i) tourbe granulée; (ii) d'un matériau non-compactable et liant comme le PVA, la gomme de guar, l'acide polyacrylique, le polyacrylamide, un silicate ou du ciment; (iii) un agent tampon pour permettre d'adhésion des microorganismes sur le mélange tourbe/liant; (iv) un matériau retenant l'humidité; et (v) un matériau de finiti on adsorbant les polluants dégradés ayant échappé à une conversion en produits non-polluants, avant la relâche du fluide gazeux dans l'environnement. Le fluide gazeux chargé en polluants est introduit au bas du biofiltre et remonte en traversant le lit filtrant qui en capture les polluants et les convertit en diox ide de carbone et en eau. Le procédé, le biofiltre et le système de traitement permette nt une capacité d'élimination d'environ 165 g/m3.h de toluène pour une charge de 200 g/m3.h. Le système est peu dispendieux, compact, efficace, et facile à opére r.This invention is related to a process for the biofiltration treatment of a gaseous fluid comprising volatile organic pollutants, such as volatile organic solvents (SOV). The biofilter is made up of a consortium of microorganisms selected for their great capacity to degrade BTEX (benzene, toluene, ethylbenzene, xylenes) and alcohols. Advantageously, these microorganisms are inoculated on a vertical filter bed composed of (i) granulated peat; (ii) a non-compactable and binding material such as PVA, guar gum, polyacrylic acid, polyacrylamide, a silicate or cement; (iii) a buffering agent to allow adhesion of the microorganisms to the peat / binder mixture; (iv) a moisture-retaining material; and (v) a finiti on material adsorbing degraded pollutants which have escaped conversion into non-polluting products, before releasing the gaseous fluid into the environment. The gaseous fluid loaded with pollutants is introduced at the bottom of the biofilter and rises through the filter bed which captures the pollutants and converts them into carbon dioxide and water. The process, the biofilter and the treatment system allow a removal capacity of approximately 165 g / m3.h of toluene for a load of 200 g / m3.h. The system is inexpensive, compact, efficient, and easy to operate.
Description
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.
CA 02211~64 1997-07-18 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 CA 02211~64 1997-07-18 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 CA 02211~64 1997-07-18 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;
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 CA 022ll~64 l997-07-l8 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.
CA 02211~64 1997-07-18 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 CA 02211~64 1997-07-18 - 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.
CA 02211~64 1997-07-18 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 CA 02211~64 1997-07-18 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.
CA 02211~64 1997-07-18 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:
CA 02211~64 1997-07-18 - 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.
CA 022ll~64 l997-07-l8 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.
CA 02211~64 1997-07-18 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.
CA 02211~64 1997-07-18 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:
CA 022ll~764 l997-07-l8 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.
CA 02211~64 1997-07-18 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.
CA 022ll~64 l997-07-l8 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.
CA 02211~64 1997-07-18 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.
CA 02211~64 1997-07-18 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:
CA 02211~64 1997-07-18 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
CA 02211~64 1997-07-18 [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.
CA 02211~64 1997-07-18 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).
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 CA 02211~64 1997-07-18 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. CA 02211 ~ 64 1997-07-18 Title of the invention:
Method and apparatus for treating air polluted with volatile organic solvents.
Field of the invention:
The invention relates to a method and an apparatus for treating air polluted by 5 volatile organic solvents (SOV). More particularly, the method and the apparatus use a biofilter.
It should be noted that the expression volatile organic solvents (SOV) is used in its broad meaning and includes the synonym expression volatile organic components (VOC). The word "solvents" refers to any component whatever its use.
10 as solvent or not.
Technological background of the invention:
Different technologies exist for controlling odors and the emission of volatile organic solvents (hereinafter SOV).
Traditional treatment methods can be divided into three classes 15 main: chemical, physical and biological treatments. The present invention relates more particularly to biological treatments.
Although traditional biological treatment methods provide results adequate, they involve high costs. These costs being increased by the need for additional residue treatment, maintenance and 20 regeneration of treatment devices and by high energy demand.
Three configurations of bioreactors are currently known: the bioscrubber, the filter percolator and biofilter. These configurations of biological processes used for the air treatment can be distinguished according to the state of the stationary liquid phase or in motion and depending on whether the microorganisms are immobilized or dispersed.
CA 02211 ~ 64 1997-07-18 The present invention uses the tiJ ~ ill, dlion. The principle of the t ofillldlion consists bringing the polluted air into contact with a microflora immobilized on a support permeable. The pollutant is a source of carbon and energy for the microflora of aerobic microorganisms. The pollutant is transformed into carbon dioxide, into water, 5 in biomass and mineral salts.
The complexity and diversity of the phenomena involved in the operation of SOV transformation has led to various research activities in biofiltration.
A first field of research touches microbiological aspects and focuses on the purification and selection of specific bacterial strains demonstrating a 10 empowered to degrade organic pollutants (Cox HHJ, HJ Doddema and W. Harder, "Application of Styrene-Degrading Fungi in Biofilters", in "Proc. Int. Conf. Precis.
Process Technol. ", MPC Weijnen and AAH Drinkenburg, Eds., 1993, Inst. Environ.
Sci. Delft. Neth, pp. 671-674 .;
Tiwaree RS, KS Cho, M.Hirai and 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 and JC Joret, "Identification and Characterization of Bacterial Activities Involved in Wastewater Treatment by Aerobic Fixed-bed Reactor ", Wat. Res. 28, 2575-2582 (1994)).
20 A second field of research focuses on the study of the mass transfer of gas phase to liquid phase and on hydrodynamic aspects such as flow regimes and distribution of residence times (Ottengraf SSP and AHC
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 and 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).
It should be noted that in a biofilter, the pollutant is sent to the filter bed while that a liquid phase is added periodically to the filter bed to enrich the 30 microorganisms with nutrients and thus contribute to the formation of a biofilm surrounding the particles of the filter bed.
A third field of research focuses on the physical and mechanical biofilters, including supports, percolator filter, particle sizes, sizes of biofilters. Of course, technical advancements are aimed at discovery CA 02211 ~ 64 1997-07-18 better filter beds considering costs, performance and durability. For example, the filtering material must have good mechanical and physical properties such as that structure, specific surface, resistance to flow, buffer capacity and good biological properties to support the growth of microflora.
5 Several types of filter materials are known, including compost, soil, peat and a mixture of these with pieces of wood, branches and polystyrene particles (Ottengraf SPP and R. Disks, "Biological Purification of Waste Gases ", Chemica oggi 8 (5), 41-45 (1990);
Martin AM, "Peat as an Agent in Biological Degradation: Peat Biofilters", in Biol.
Degrad. Wastes, AM Martin, Ed., (1991), pp. 341-62).
It should be mentioned that among the filter beds, peat is a component that has a privileged combination of chemical and physical properties (Martin, 1991, supra and Rothenbuhler M., M. Heitz, M. Beerli and B. Marcos, "Biofiltration of Volatile Organic Emissions in Reference to Flexographic Printing Process ", Water, Soil and Air Pollution, 83, pp 37-50 (1995)).
Most currently known biofilters have low capacities of SOV elimination and have the disadvantage of being bulky, bulky and expensive to build. For example, Kiared et al., "Biological Elimination of VOC's in Biofilters ", Environmental Prog. 15 (3), 148-152 (1996). Disclose a method and a 20 biofilter system where the maximum toluene removal capacity does not exceed 70g / m3.h for a load of 100g / m3.h.
Objectives of the invention:
The main objective of the present invention is to develop low biofilters bulky and offering very good SOV elimination rate.
Another object achieved by the present invention relates to the selection of filter beds and microbial species to obtain a surprising performance of degradation and elimination of SOV.
Summary of the invention Very generally, the present invention provides a method and an apparatus 30 advantageous for the rapid and efficient removal of SOV polluting a gaseous medium CA 02211 ~ 64 1997-07-18 found for example in gaseous emissions from flexographic printing. The invention is privileged by the discovery of an innovative filtering bed and not compressible or compactable and by the discovery of a filter medium combination and microorganisms capable of providing very good degradation rates of SOV.
The invention, in a first aspect, therefore relates to a method of air treatment by biofiltration. The process uses an innovative biofilter. The biofilter of the present invention is modular, compact and equipped with a granulated filter bed based on peat, stable, homogeneous, giving the biofilter a performance superior to those mentioned in the literature.
In a desirable embodiment, the method of the present invention includes the following steps:
a) the preparation of a biofilter capable of converting a portion of volatile organic pollutants into non-volatile products pollutants, said biofilter comprising at least one vertical unit serving as support container for the components of the biofilter, said components including:
- a first element comprising a non-mixed compactable serving as a filter bed, said mixture comprising:
- a first material capable of high ab / adsorption of gaseous fluid and formulated to present a specific surface and an adequate pore volume to allow capture of the gaseous fluid by microorganisms adhered to this first material and exercising a support function for microorganisms;
- a second material present in a proportion suitable for avoid compaction of the filter bed and serving as a binding agent for the first material;
- a buffering agent used for the adhesion of microorganisms to the first material and exercising a support function for microorganisms; and - a consortium of microorganisms capable of said conversion, these microorganisms being inoculated and adhered to first material; and - watering means for watering said filter bed;
b) humidifying the column by adding an aqueous solution including nutrients and buffers supporting the integrity and function of microorganisms, humidification being ensured by said watering means;
c) maintaining the filter bed at a temperature compatible with integrity and the function of microorganisms; and d) the supply of gaseous fluid, which may contain organic pollutants volatile, the contribution being made at the bottom of the column, said gaseous fluid being moistened beforehand, and the supply being made at a rate allowing that said conversion be effective.
The process of the present invention is a marked advantage over the art prior. For example, for toluene an elimination capacity of 165 g / m3.h for a load of 200 g / m3.h can be reached which is unexpected and far superior to the values found in the literature.
It should be noted that unlike the methods identified in the prior art, the method of the present invention with the additional advantage of generating almost no waste secondary or wastewater. In addition, the process of the invention is economically and ecologically satisfactory. In addition, the very low energy consumption of the process, the durability of the filter materials and the possibility of using them for others when they have to be replaced are major advantages for the process, which makes it all the more innovative and competitive in the face of competing technologies.
In a second aspect, the present invention relates to the biofilter itself. In one desired incorporation, the biofilter includes:
at least one vertical unit serving as a support container for the components of the biofilter, said components comprising:
- a first element comprising a non-compactable mixture serving as a filter bed, said mixture comprising:
- a first material capable of high ab / adsorption of gaseous fluid and formulated to present a specific surface and an adequate pore volume to allow capture of the CA 022ll ~ 64 l997-07-l8 gaseous fluid by microorganisms adhered to this first material and exercising a support function for microorganisms;
- a second material present in a proportion suitable for avoid compaction of the filter bed and serving as a binding agent for the first material;
- an adhesive agent used for the adhesion of microorganisms to the first material; and - a consortium of microorganisms capable of said conversion, these microorganisms being inoculated and adhered to first material; and - Watering means for watering said filter bed.
In another aspect, the present invention relates to a new consortium or combination of microbial strains which when used together give excellent results when placed in a biofilter.
15 The microbial consortium has the following particularities:
The pathogens concerned are the following: salmonella, Staphylococcus aureus, Shigella sp., Pseudomonas aeruginosa; Salmonella typhosa; Escherichia coli, fecal coliforms <100 CFU / g; faecal streptococci <100 CFU / g. Total content in bacteria is 2109 CFU / g dry of the consortium, in yeasts and molds 2103/9, 20 into mesophilic actinomycetes 2107/9. The linked microbial groups composing the consortium are part of the yeast and mold group (Ex .: Aspergillus sp.), actinomycetes and Thiobacillus.
CA 02211 ~ 64 1997-07-18 Other aspects of the present invention will become apparent upon reading the detailed description which follows. However, it should be noted that this detailed description is for preferred embodiments of the invention and is given for information only and illustration. Those skilled in the art will understand that many modifications and adjustments to the embodiments of the invention may be provided without departing from the spirit and scope of the present invention.
Brief description of the figures:
Figure 1 shows schematically the biofilter below called biofilter "B1".
Figure 2 is a modified version of the biofilter of Figure 1 hereinafter called biofilter 10 "B2".
Figure 3 is a pilot version of the biofilter of the present invention hereinafter called biofilter B3.
Detailed description of the invention A biofilter of the invention therefore comprises at least one vertical unit serving to 15 support container for biofilter components, biofilter components including:
- an element comprising a non-compactable mixture serving as a bed filter, the mixture comprising:
- a first material capable of high ab / adsorption of gaseous fluid and formulated to present a specific surface and an adequate pore volume to allow capture of the gaseous fluid by microorganisms adhered to this first material and exercising a support function for microorganisms;
- a second material present in a proportion suitable for avoid compaction of the filter bed and serving as a binding agent for the first material;
- an adhesive agent used for the adhesion of microorganisms to the first material; and CA 02211 ~ 64 1997-07-18 - a consortium of microorganisms capable of said conversion, these microorganisms being inoculated and adhered to first material; and and finally watering means for watering said filter bed.
5 Preferably, the watering means may overhang the biofilter or be arranged at different levels inside the biofilter.
First, an experimental setup of the present invention will be described.
The diagram of the experimental set-up on the laboratory scale is represented as a whole in FIG. 1.
10 Two biofilters, of similar design, consist of opaque PVC tubes of 15 cm in diameter and 1 m 20 in height. They are placed vertically on metal bases. The biofilter is supplied by a main air flow (1) from a compressed air network ", é. A small part of this flow is diverted (2) towards a bubbler immersed in a water bath to ensure a controlled rate of evaporation, 15 and consequently a concentration of pollutants in the gas phase fixed. The gas loaded with SOV is transported by TeflonTM pipes in order to avoid any reaction with organic molecules. The main and secondary are controlled by flowmeters of type ~ brooks "TM (3) beforehand calibrated. After the outlet of the flow, and the main air flow passes through a column 20 of water (8), to ensure its water saturation. This water column is provided with a indicator to display the water level. The mixture of main flow and flow secondary (loaded with SOV) is carried out at the outlet of the humidification tower to minimize the transfer of the pollutant from the gas phase to the liquid phase. The rate relative humidity of the air at the inlet of the biofilter is measured via a 25 humidity sensor previously calibrated. After mixing the two circuits (4), the gas is led to the bottom of the biofilter and is distributed by means of a tube, pierced with a ten holes of 1 mm in diameter and placed diametrically at the bottom of the column.
The artificial gas mixture thus formed passes through a pre-filling (5) formed, by example, polystyrene pellets, the latter placed at the bottom of the column, 30 completely separated from the filter bed, which rests on a perforated PlexiglasTM plate. AT
leaving the biofilter, the treated air which contains a low SOV content is channeled to a laboratory hood circuit.
CA 02211 ~ 64 1997-07-18 The biofilter is humidified by two sprinklers (6) placed at the top of the column and supplied sequentially by a recirculation pump (7) with controlled flow. A single sprinkler is shown in Figure 1. Distribution of liquid at the inlet of the biofilter is ensured by a pre-coating of Rashig rings 20 cm high.
5 After it has flowed through the biofilter, the drainage water is collected at the bottom of column for possible analysis of the liquid phase. In order to follow the evolution of the reaction in the biofilter, taking daily samples of the gas phase are carried out at the inlet (9) and at the outlet (10) of the biofilter as well as at levels intermediaries in the column. The gas sampling is dependent on the type 10 analyzer used to measure the SOV concentration. In the case of use of a hydrocarbon analyzer, a pump sucks, continuously, a constant flow of gas to inject it directly into the detector. This gives the total amount of carbon present in the sample to be analyzed. However, in the case of analyzes by gas chromatography coupled with mass spectrometry, the 15 samples are taken through an automatic injection valve. The advantage of this last technique is that it allows to inject at controlled pressure and a precisely a constant volume of a gas sample.
The analysis of the liquid phase recovered at the bottom of the biofilter is carried out by a gas chromatograph coupled to a mass spectrometer equipped with a 20 purge and trap system.
Five pressure taps are placed along the column to measure the profile of pressure in the biofilter as well as the pressure losses generated. These last are measured by a differential pressure gauge.
Five temperature sockets are installed in the study station. The temperatures 25 are measured by type T thermocouples. Two sockets used to measure the air inlet and outlet temperatures; the other three takes give the profile of temperature in the filter bed. Selective reading of these different temperatures is provided by a reader fitted with a manual selector.
In order to measure the moisture content of the filter material, three samples of the 30 solid are carried out at three different levels of the biofilter. This measure consists of take solid samples, weigh them and place them in the oven set to 105 ~ C. After 24 hours in an oven, the samples are re-weighed. The difference between the initial mass of the sample and the final mass expressed by compared to the initial mass gives the relative humidity of the solid. in parallel CA 02211 ~ 64 1997-07-18 at these humidity measurements, microbiological characterizations are carried out on solid samples taken.
In a second incorporation, the biofilter of the present invention is modified as follows and as illustrated in Figure 2. The column is divided into three sections e 2).
At the junction of each section (between sections A and B and sections B and C), a stainless steel mesh was placed on which two crosses were placed pipes pierced by several holes. Over these pipes, we placed a new stainless steel mesh that supports the top section.
The gratings have been reinforced with stainless steel bars in order to be able 10 support the weight of the filter material. In addition, we installed the same support grid at the bottom of the biofilter, at level O of the filter bed. This mesh being characterized by a pore size less than 4 mm, could retain material particles filtering.
Equal amounts of filter bed are stacked 33 cm high in each of the three sections of the column. In order to ensure the tightness of the column, we has placed between each of the sections a hermetic connection. Cross pipes holes installed between sections A and B and sections B and C are used to water the section A and section B respectively, while the watering of section C can be do it from the top.
20 The B3 pilot biofilter consists of a PlexiglassTM tube 30cm in diameter and 3m high. Figure 3 shows schematically the biofilter in its together and gives more details on the different components of the B3 biofilter.
Unlike laboratory biofilters B1 and B2, the B3 consists of three elements joined to each other by flanges. The filter bed rests on a grid which 25 in turn is based on a pre-lining of polystyrene particles used for the gas distribution.
The transparent nature of PlexiglassTM has the following advantages:
- visualization of the flow of the liquid phase through the stack of filter material granules, - checking the compaction state of the filter bed, - the control of the surface humidity of the granules as well as the physical state of the biofilm.
CA 02211 ~ 64 1997-07-18 The different elements of the biofilter are separated by 20 cm tube portions of high and diametrically crossed by tubes of 10 cm in diameter. In these tubes are placed in boxes containing coverslips for analysis microbiological biofilm. These tubes are drilled with a large number of holes 5 so as not to disturb the flow of the fluid phases and not to create isolated regions in the biofilter. These analytical elements are also used to place taking samples of the gas to measure the concentration of the pollutant as well than pressure taps.
The supply of biofilter B3 with gas and liquid is identical to that of biofilters B1 10 and B2. However, a modification is made at the bottom of the biofilter at the level of the distributor. Due to the size of the column diameter, gas is introduced at four different places located on the same horizontal level of the column. The four distributors are arranged in a cross to supply the biofilter with a current homogeneous gas.
15 As with biofilters B1 and B2, the temperatures in biofilter B3 are measured at 5 different levels by type T thermocouples, two used for measurement of air inlet / outlet temperatures; the other three give the profile of temperature in the filter bed. The selective reading of the different temperatures is provided by a reader fitted with a manual selector.
20 Humidifying the air before entering the biofilter and measuring the humidity air and solid are strictly identical to those used in B1 biofilters and B2.
The biofiltration process of the present invention was tested on three scales, namely laboratory, pilot and semi-industrial with regard to reduction performance 25 of the SOV content emitted by gaseous effluents containing either hydrocarbons (benzene, toluene, xylenes, ethylbenzene) or alcohols (ethanol, n-butanol and methoxypropyl acetate) and mixtures of these compounds. For these tests, several high performance filter beds constructed according to the present invention and developed at the University of Sherbrooke, were studied. More specifically, the 30 validation of the present invention was completed by the study of the phenomena physical, chemical and microbiological degradation of SOV.
For each test, with a view to optimizing the biofiltration conditions, the biofilters were operated as follows:
CA 02211 ~ 64 1997-07-18 - variation of the input concentration from 100 to 2000 ppm after acclimatization to build a biofilm effectively degrading the pollutant, - analysis of the concentrations of SOV and their products at different levels biofilter by a total hydrocarbon analyzer, - analysis of carbon dioxide, revealing microbial oxidation activity volatile organic compounds by a CO2 analyzer, - measurements of the relative humidity of the air, the temperature and the losses of charge, - analysis of the gas and liquid fractions: the gas and liquid fractions are characterized in order to be able to visualize and follow the different stages of degradation of SOV and possible formation of intermediate products.
A chromatographic technique coupled with mass spectrometry (GC / MS) is used to obtain detailed information from each SOV and products contained in the air analyzed. The aqueous phase is analyzed using a chromatograph fitted with a purge and trap system to obtain information relating to the degradation of organic substances.
- study of microbial populations in the biofilter: we are studying the dynamics of the microbial population during the degradation of hydrocarbons and alcohols in bioreactors. We use microorganisms present on the market. Their characterization is carried out in at the same time as the physico-chemical studies. Are considered there counts ", total i_robians in the liquid phase (effluent) and in the phase solid, and the determination of predominant taxonomic groups (bacteria;
actinomycetes, fungi, etc.). The accumulation of biofilm on the biofilter is measured by the dosage of total carbohydrates extractable with EDTA
alkaline.
The degradation of certain compounds has sometimes led to the formation of intermediates acids that lowered the pH of the bed, and as a result that could have inhibited the enzymatic activity of microorganisms. In such situations, acidification 30 of the filter medium was controlled by maintaining the pH around the values 7 and 8 (range optimal pH for bacteria growth) by adding appropriate buffer solutions.
CA 022ll ~ 64 l997-07-l8 The selection of the filter material is one of the crucial factors of the process and the biofilter.
of the present invention. First, the biofilter provides an adequate environment microorganisms for their development. The filter material has a high ab / adsorption capacity and at the same time a large interstitial space of so as to minimize pressure losses.
As seen in the prior art, the ab / adsorption capacity and the interstitial space have tendency to exclude each other in most natural environments such as soil, compost or peat.
The invention reveals, among other things, the possibility of increasing the interstitial space while 10 retaining the natural ab / adsorption properties of the medium by conditioning the filtering material in the form of granules or pellets. Advantageously, these granules or pellets will have a rough and porous surface thus increasing their specific surface and promoting mass transfer for the biodegradation of pollutants.
In addition, the invention reveals the possibility of adding polystyrene balls in a manner to avoid the compaction of organic matter (ie to increase the rigidity of filter media, ie to reduce the compression effect due to the load of the stages on the lower floors) and make the biofilter more durable.
Advantageously, the peat prepared in the form of granules or pellets was 20 retained as a component of an inert support for microorganisms. The choice being motivated by the advantageous properties of peat or good capacity absorption / adsorption, high moisture retention capacity, good effect buffer, high humic acid content and high availability of this matter.
The desired incorporations of the filter media will now be further described.
details.
In a first step, granules or peat balls are prepared and packaged according to steps a), b) and c).
a) Granules and beads of peat fixing microorganisms, and binding nutrients for long-term use.
CA 02211 ~ 64 1997-07-18 Composition: Granules of peat with an irregular or spherical shape, average size of 4 mm with a peat of sphagnum moss, with a degree of decomposition of humic matter on the Van Post scale of H6 to H9, with a binder of PVA polymers eVou guar gum eVou de PAA (polyacrylic acid), eVou de PAM (polyacrylamide) eVou silicates of natural origin, without loss of fibers and without loss of brown color in progress operating in the liquid leachate. The pH of the granules was 3.5 to 7.5.
The maximum pressure drop obtained during operation is 3 cm H2O / m.
Composition: The peat balls (or balls) have an average diameter of 0.5 at 1 cm. The peat pellets are made with or without cement by use of a pelletizer.
b) Agents combining neutralization of pH, supply of nutrients and micro nutrients, and a "binding" power of peat, polymers and microorganisms added to granules and peat beads.
Basifying agents are added to peat at rates up to 30% w / w of cement, having the composition of nutrients and micro elements nutritious, i.e. 10 to 12% potassium (K2O), magnesium (MgO) 1.0 to 3.0%, copper (10-20 ppm), manganese (100-200 ppm), molybdenum (1-5 ppm) and zinc (10-130 ppm) with a neutralizing power expressed in equivalent of calcium carbonate (Ca CO3) from 30 to 40%, and an equivalent as "precipitating" and "binding" power expressed in CaO from 30 to 50% w / w, eVou from 5% w / w to 20% w / w of conditioned wood ash having the composition next in essential nutrients and micro nutrients (minor elements) metabolism of groups of microorganisms: 0.3 to 0.6% acid assimilable phosphoric (P2Os), from 1.3 to 5.5% w / w in soluble potash (K2O), from 0.5 to 0.8% in magnesium (Mg), 0.1 to 0.8% in manganese (Mn), in Iron (Fe) from 0.1 to 0.9%, with a neutralizing power in carbonate equivalent of 25 to 40% calcium, and a "precipitating" or "binder" equivalent of 5 to 10% Ca eVou from 5% w / w to 10% w / w of lime or hydrated lime or residues of lime consisting of Ca (OH) 2, MgO, Mg (OH) 2, CaCO3 and MgCO3.
c) Agent combining only the neutralization of pH and the natural fixation of mlcroorganlsmes.
This agent is not included in the beads or in the peat granules, but is mixed with the various peat-based filter beds without alkalizing agent.
CA 02211 ~ 64 1997-07-18 Advantageously, this agent will be crushed oyster shells or other shell residues of marine products, ground to an average particle size from 1 to 8mm.
In a second step, the innovative technology offers the layout and combination of filter media in superimposed layers (in series) or not. This arrangement aims to provide mechanical support to the filtration bed and to provide first mechanical (non-biological) filtration of dust and particles normally present in industrial gas emissions. In addition, this combination of layers allows the moisture retention of the bed.
10 At the layer of the biological filter bed, that is to say where the biodegradation of SOV, can be combined with superimposed layers, or in series of following filter beds:
a) Peat nugget layer:
This layer is placed before the biological portion, represented by the peat balls or granules, and has the function of supporting the layer upper part of the eVou filter bed or perform mechanical filtration of dust present in the gaseous fluid. This peat has a degree of Van Post decomposition of H4-H6, with an average particle size of 10 mm. The general characteristics are as follows: 90% of the filter bed with an average diameter greater than 20mm. The volume of this portion of the bed represents 20-30% v / v of the filter bed.
b) Ungranulated fibrous peat layer:
Slightly decomposed sphagnum moss (Van Post Hl to H3), very fibrous, elongated fine rather than coarse, with a natural humidity of about 70%; 90% of its composition is greater than 0.3 mm and 10% greater at 2.5 mm. This upper portion of the bed should allow to keep a part of the humidity, while allowing a final polishing of the treatment. This portion of the bed occupies 30 to 50% of the filter bed and does not provide any function biological.
C) Filter layer for physicochemical adsorption:
CA 022ll ~ 764 l997-07-l8 Activated carbon eVou conditioned wood ash, dry granulated, 90% of which granules have a diameter greater than 1 mm and 10% to 2 mm. This portion of reads only the final polishing of the effluent treatment and absorbent before the implementation of biological treatment, ie it is arranged proximal to the SOV entrance.
According to known principles, the energy consumed by the biofiltration process is proportional to the flow resistance of the filter bed. Pressure drop generally depends on the flow properties of the gas, its flow and also the nature and composition of the filling.
The biofilter of the present invention was tested against these parameters. It results that the pressure loss across the bed was measured daily and served as a control and diagnostic parameter for the compaction state of the filter material. The average pressure drop was between 1 and 2 cm H2O / m, which is very weak.
According to the invention, the humidification of the filter bed is regularly ensured by spraying water on its upper surface. In addition, a biofilter feed in water at different levels has been implemented since it has the advantage of nourishing the different layers of the bed at an identical concentration of nutrients, which allows to shorten the time required for the acclimatization period.
In this invention, the inventors have also developed a biofilter of the type percolator. The percolation of the nutrient solution was designed to provide the nutrients to microorganisms, moisture in the filter bed, and to wash away excess blomass.
Temperature control is vital to the efficiency and safety of components 25 of a biofilter. In this invention the inventors were able to establish a relationship between the elimination capacity and temperature.
The inventors further disclose that the temperature control at the entrance to the column will increase the yield of the biofilter. Temperature contrast between the gases entering at room temperature and the temperature of the column made in 30 so that the bottom of the lower section (A) becomes more easily dehydrated. It is therefore suggested installing a way to heat the gas entering the biofilter, for example by a heating sheath. Conversely, a system of cooling or heat exchange so as to avoid temperature contrast.
CA 02211 ~ 64 1997-07-18 According to the invention, if sufficient nutrients are supplied to the filter material, the Survival period can extend up to two months. However, during periods it is strongly recommended to periodically ventilate the filter in order to avoid the death of microorganisms due to lack of oxygen eVou by dehydration of the filter material.
5 However, in the present case, the inventors have found that their biofilter, even after a period of inactivity of 8 months without ventilation, still had the capacity identical to those before the shutdown period.
It is generally accepted that a period of 10 days is necessary for acclimatization microorganisms with the most easily biodegradable compounds. In 10 however, for compounds which are less biodegradable and for which the suitable microorganisms are not initially adapted in the filtering material, the acclimatization period is longer. In this case, the period acclimatization ", atation lasted 2 - 3 days whatever the pollutant.
An important point to be observed in the present process is to avoid the transfer of 15 pollution in a form other than gas for example by transfer to water of nutrient. Analyzes of process water and spent media were therefore carried out in order to check whether these two elements of the process could be arranged in the environment or were to be treated. Interpretation of analyzes on a sample of spent filter medium revealed that the filter medium was considered to be 20 non-hazardous waste therefore disposable in a sanitary landfill.
With regard to process water, analyzes reveal a polluting load too high in BOD, hence the need for a final treatment before rejection. This treatment is also necessary to dispose of residual phosphorus and materials in suspension. However, this additional treatment is simple and does not have the effect 25 significantly increase the operating cost of the method of the invention. Moreover, the process waters of the present invention are characterized by a surplus of nutrients and a large microbial population. It is therefore planned to carry out the recycling of process water, thereby minimizing operating costs of the process.
CA 022ll ~ 64 l997-07-l8 Example 1 According to a first example of the technology, a commercial source of microorganisms (mixture 1) was used to build the inoculum of the biofilter.
This microbial preparation was used to inoculate a biofilter used for 5 treatment of contaminated air with ethanol.
Commercial product has a powdery consistency and contains microorganisms Freeze-dried. To prepare the inoculum, 500 mg of this powder was introduced into an Erlenmeyer flask containing 250 ml of sterile inoculation medium which had the composition next:
dissolved in 958 ml of distilled water:
anhydrous disodium phosphate 6 9 anhydrous monobasic potassium phosphate 3 9 ammonium chloride 1 9 proteose peptone 1 9 yeast extract 1 9 glycerol 1 ml.
Once this solution is sterilized, the following components (sterilized separately) were added to it while keeping sterility:
1 M magnesium sulfate 1 ml 0.01 M calcium chloride 10 ml sodium chloride 5% (w / v) 10 ml Once this solution had cooled, 96% ethanol 20 ml was added.
In general, this medium was prepared in 1000 ml containers at a rate of 250 ml of medium per container. Such a proportion ensured good ventilation during 25 incubation of bacteria on a rotary shaker.
The bottles inoculated with mixture 1 were placed on a rotary shaker and incubated for 24 hours at room temperature.
A small amount of this crop was kept to examine populations microbial in the laboratory, the rest was used to inoculate the biofilter.
CA 02211 ~ 64 1997-07-18 Inoculation of the biofilter Once the moist peat was placed in the biofilter, the inoculum was introduced onto the peat through the upper orifice of the biofilter column.
In the laboratory, this solution was prepared in the 5-fold concentrated state.
Nutritional solution 5x conc. ~ recipe for 3 liters):
anhydrous disodium phosphate 90 g anhydrous monobasic potassium phosphate 45 g ammonium chloride 15 9 magnesium sulfate 1 M 15 ml calcium chloride 0.01 M 150 ml sodium chloride 5% (w / v) 150 ml potassium nitrate 1.5 g 15 ml microelements solution Solution of micro elements; recipe for 1 liter:
zinc chloride 40 mg ferric chloride hexahydrate 200 mg copper chloride dihydrate 10 mg manganese chloride tetrahydrate 10 mg sodium tetraborate decahydrate 10 mg ammonium molybdate tetrahydrate 10 mg cobalt nitrate hexahydrate 10 mg The nutritive solution thus prepared was diluted with running water (1 volume of solution for 4 liters of water). This nutrient solution was then introduced into the biofilter every morning.
CA 02211 ~ 64 1997-07-18 Example 2 According to a second example of application of technology, an innovative combination of pure strains from the ATCC collection (American Type Culture Collection) was used.
5 The strains were used to inoculate a biofilter used for air treatment contaminated with toluene and xylenes.
The following strains were used (mixture 2) Pseudomonas putida (ATCC 31483) Pseudomonas putida biotype A (ATCC 39213) Rhodococcus sp. (ATCC 21499), and Affhrobacterparaffineus (ATCC 15590).
The four microorganisms were grown separately in 500 ml portions each of Tryptic Soy Broth medium + 0.1% toluene or xylenes. After one night incubation at 30 ~ C, cultures were subjected to centrifugation, to recover 15 the microbial biomass and eliminate the culture medium (rich in organic substances). To inoculate the biofilters, the microorganisms were resuspended in the nutrient inoculation solution, as described in the example of previous application.
This microbial suspension prepared using the nutrient solution (poor in 20 organic substances) was directly introduced onto the filter material of the biofilter.
In a variant of the inoculation procedure, the excess inoculation suspension was collected at the bottom of the biofilter and this liquid was introduced a second time on the filter material, to ensure a better distribution of microorganisms from the inoculum in the biofilter.
25 Another example of the application of technology is to keep the mode inoculation of the previous example but by modifying the nutritive solution so to reduce the N: P molar ratio to 5: 1.
According to this variant, the biofilter was inoculated as before with 4 ATCC strains, but watering was done with a nutrient solution of 30 following composition:
CA 02211 ~ 64 1997-07-18 NH4CI 10 g (NH4) 2S04 10 g NH4HC03 20 g microelements solution 5 ml 1000 ml distilled water (pH adjusted to 8.0 - 8.5 with NH40H).
Example 3 In this example, a consortium of microorganisms (mixture 3) was used. This consortium constitutes an innovative combination of microorganisms.
This mixture was used to inoculate the biofilters for the treatment of air contaminated with toluene, ethylbenzene, xylenes and benzene (BTEX).
The microbial consortium has the following particularities:
Content in pathogens and indicators of negative pathogens in 25 grams dry. The pathogens concerned are the following: salmonella, Staphylococcus aureus, Shigella sp., Pseudomonas aeruginosa; Salmonella typhosa; Escherichia coli, fecal coliforms <100 CFU / g; faecal streptococci <100 CFU / g. Total content in bacteria is 2109 CFU / g dry of the consortium, in yeasts and molds 2103 / g, into mesophilic actinomycetes 2107 / g. The linked microbial groups composing the consortium are part of the yeast and mold group (Ex .: Aspergillus sp.), actinomycetes and Thiobacillus.
The consortium is a formulation of microbial cultures, naturally occurring organisms with a content of micro nutrients (copper, iron, manganese and zinc between 0.05% and 0.10%), in minerals (calcium, magnesium, sodium, potassium and phosphorus between 5 and 12%), in carbohydrates (between 50 and 75%) and with a protein transporter (between 10 and 20%). The consortium selected to degrade BTEX is also capable of metabolizing alcohols (e.g. ethanol, butanol).
The advantage of using this consortium lies in the possibility of treating the effluents by biofiltration with an operating pH as low as 4Ø
CA 02211 ~ 64 1997-07-18 [All data are represented by elimination capacity (CE) and efficiency column removal or conversion rate. The elimination efficiency is defined as the difference (%) between the concentrations of the pollutant entering and leaving the column, divided by the concentration of incoming pollutant. Elimination capacity 5 (expressed in g / m3.h) is defined as the difference in pollutant concentration incoming and outgoing (~ C), multiplied by the volume flow rate of the volatile pollutant (Qg), divided by the volume of the filter bed (V):]
Q * l \ C
EC =
The elimination capacity of a given compound in a biofilter has a maximum value CEmaX correspond to the maximum quantity of this pollutant which can be degraded10 under the operating conditions used. Even if we increase the pollutant concentration or contaminated air flow, you cannot exceed this maximum. CEmaX is therefore a characteristic that can be used to compare the biofiltration performance in the case of different organic compounds and between different biofiltration units.
CA 02211 ~ 64 1997-07-18 Table 1 on the following page is a summary of the various experiments carried out in various biofilters (B1, B2 and B3) and indicates the elimination capacities maximum obtained. We also find in this table the limit value of the load from which the maximum capacity is reached. This value corresponds to the maximum loading rate. Above this value, the capacity elimination rate remains constant but the conversion rate therefore decreases the efficiency of the purification decreases. Entrance charges may vary as well by the concentration of the pollutant to be treated only by the air flow. We find that few imports variations in flow rates or concentrations, for equal load, elimination 10 of the SOV will be similar.
Surprisingly, we see that the values of elimination capacities are much higher than those given in the literature. The best result for the toluene solvent is obtained with the peat granules. For example, for purification of toluene, Tahraoui et al. (1994) find 68 g / m3.h as capacity 15 maximum elimination when we have reached the value of approximately 165 g / m3.h with biofilter B3.
These high values of elimination capacity thus make it possible to reduce the volume of the biofilter compared to the biofilters present on the markets and it is necessary also note that the concentrations used range from ppm to high 20 concentrations above 1000 ppm, the latter concentration being very higher than that mentioned in the literature.
In addition, during the experiments, the concentration at the entrance of pollutants was increased from time to time from 500 to 1000 ppm or from 1000 to 1500 ppm.
No operational difficulties were noted. Likewise, when the mixture 25 consisting of toluene and xylenes was sent to biofilter B3, the latter acclimated from the first days confirming a dynamic behavior satisfactory and the flexibility of the process with regard to a variation of the load at the entrance. On the other hand, an effect of inhibition of xylenes on toluene was observed since with toluene alone, a maximum elimination capacity of 165 g / m3.h has been obtained while a elimination capacity of 90 to 110 g / m3.h has been obtained with the toluene / xylenes mixture (the first value was obtained with a fixed charge of xylenes while the second value was obtained with a fixed load of toluene at the entrance).
Table 1: Summary of the experiments carried out Bio- Pollutant medium Concentra- Capacity Rate of value "limit" of the filter filter maximum elimination of conversion charae at maximum maximum input (g / m3h) (PPM) (g / m3h) (%) B2 peat and toluene 170 45 94 48 cement B3 granules and toluene 1000 155 86 185 D
polystyrene B3 granules and toluene 1020 90 to 110 59 145 polystyrene and xylenes r B1 peat xylenes 550 120 96 125 ~
B1 xylen peat 1100 220 83 265 ~, B2 xylenic shale 600 120 92 130 CA 02211 ~ 64 1997-07-18 The process of the present invention is therefore adaptable to several types of pollutants, the limit being imposed by the availability of microorganisms capable of degrading a type of pollutant.
Although the present invention has been described above by way of examples 5 specific, these examples may be subject to modifications and variations apparent to those skilled in the art. These modifications and variations are good heard covered by the appended claims, as they do not depart not the teachings and the spirit of our invention.
Claims (24)
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;
b) l'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, l'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) l'apport du fluide gazeux, pouvant contenir les polluants organiques volatiles, l'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 efficace. 1. A process for treating a gaseous fluid comprising pollutants volatile organic, comprising the following stages:
a) the preparation of a biofilter capable of converting a portion substantial volatile organic pollutants into non-polluting products, said biofilter comprising at least one vertical unit serving as support container for the components of the biofilter, said components including:
- a first element comprising a mixture non-compactable serving as a filter bed, said mixture comprising:
- a first material capable of high ab / adsorption of gaseous fluid and formulated to present a specific surface and an adequate pore volume to allow capture of the gaseous fluid by microorganisms adhered to this first material and exercising a support function for microorganisms;
- a second material present in a proportion suitable for avoid compaction of the filter bed and serving as a binding agent for the first material;
- a buffering agent used for the adhesion of microorganisms to the first material and exercising a support function for microorganisms; and - a consortium of microorganisms capable of said conversion, these microorganisms being inoculated and adhered to first material; and - watering means for watering said filter bed;
b) humidifying the column by adding an aqueous solution including nutrients and buffers supporting the integrity and function of microorganisms, humidification being ensured by said watering means;
c) maintaining the filter bed at a temperature compatible with integrity and the function of microorganisms; and d) the supply of gaseous fluid, which may contain organic pollutants volatile, the supply being made at the bottom of the column, said gaseous fluid being moistened beforehand, and the supply being made at a rate allowing that said conversion be effective.
de convertir, en eau et en bioxyde de carbone les alcools, les xylènes, le toluène, l'éthylbenzène, le benzène, et tout mélange de ceux-ci. 9. A method as defined in any one of claims 1 to 8, in which the consortium of microorganisms is selected for its capacity to convert alcohols, xylenes, toluene, to water and carbon dioxide, ethylbenzene, benzene, and any mixture thereof.
- 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 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. 12. A biofilter for the treatment of a gaseous fluid comprising pollutants volatile organic, comprising at least one vertical unit serving as support container for the components of the biofilter, said components comprising:
- a first element comprising a non-compactable mixture serving as a filter bed, said mixture comprising:
- a first material capable of high ab / adsorption of gaseous fluid and formulated to present a specific surface and an adequate pore volume to allow capture of the gaseous fluid by microorganisms adhered to this first material and exercising a support function for microorganisms;
- a second material present in a proportion suitable for avoid compaction of the filter bed and serving as a binding agent for the first material;
- an adhesive agent used for the adhesion of microorganisms to the first material; and - a consortium of microorganisms capable of said conversion, these microorganisms being inoculated and adhered to first material; and - Watering means for watering said filter bed.
de convertir en eau et en bioxyde de carbone les alcools, les xylènes, le toluène, l'éthylbenzène, le benzène, et tout mélange de ceux-ci. 20. A biofilter as defined in any one of claims 12 to 19, in which the consortium of microorganisms is selected for its capacity to convert alcohols, xylenes, toluene into water and carbon dioxide, ethylbenzene, benzene, and any mixture thereof.
- un biofiltre tel que défini à l'une quelconque des revendications 12 à 23;
- une unité d'humidification rattachée bas du biofiltre;
- une conduite transportant le fluide gazeux comprenant les polluants organiques volatiles rattachée à l'unité d'humidification;
- des stations de mesure de la température du biofiltre; et - des stations d'échantillonnage pour évaluer le degré d'humidité, le pH et la composition des fluides aqueux et gazeux, lesdites stations de mesure et d'échantillonnage étant réparties à divers niveaux verticaux du biofiltre. 24. A system for the treatment of a gaseous fluid comprising pollutants volatile organic, comprising:
- a biofilter as defined in any one of claims 12 at 23;
- a humidification unit attached to the bottom of the biofilter;
- a pipe transporting the gaseous fluid comprising the pollutants volatile organic attached to the humidification unit;
- biofilter temperature measurement stations; and - sampling stations to assess the humidity level, the pH and composition of aqueous and gaseous fluids, said measuring and sampling stations being distributed to various vertical levels of the biofilter.
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|---|---|---|---|
| CA002211564A CA2211564A1 (en) | 1997-07-18 | 1997-07-18 | Process and device for treating air polluted by volatile organic solvents |
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| Publication Number | Publication Date |
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