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RÉSUMÉ
Les biotechnologies utilisées pour la dépollution des émissions gazeuses, et qui convertissent les composés organiques polluants en dioxyde de carbone et eau, se sont considérablement développées ces dernières années. La connaissance des phénomènes physiques, chimiques et biologiques mis en jeu permettent la modélisation de ces bioréacteurs, et ainsi la prédiction de leurs performances d’épuration. Cet article décrit le cadre théorique des différents modèles de représentation, en avançant pour chacun des exemples d’applications.
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Pascaline PRÉ : Maître de ConférenceÉcole des Mines de Nantes
INTRODUCTION
Les biotechnologies applicables à la dépollution des émissions gazeuses sont de mieux en mieux développées. Elles sont classées parmi les technologies destructives car elles permettent de convertir les composés organiques polluants en dioxyde de carbone et eau (voir articles [G 1 700] et [G 2 971]).
Les caractéristiques de fonctionnement des différents types de procédés biologiques utilisés pour le contrôle de la qualité des émissions gazeuses : biofiltres, filtres percolateurs et biolaveurs, ont été amplement décrites dans l’article [G 1 780] « Bioprocédés en traitement de l’air. Mise en œuvre ». Cependant, afin de mieux concevoir, dimensionner et gérer ces unités, il est nécessaire de rendre compte de l’ensemble des phénomènes physiques chimiques et biologiques mis en jeu. À partir de la compréhension fine des processus impliqués, il convient ainsi de modéliser les systèmes pour pouvoir prédire leurs performances d’épuration dans les conditions spécifiées.
Cet article décrit les bases théoriques sur lesquelles sont fondés les modèles classiquement développés dans la littérature, permettant de représenter les différents types de bioréacteurs appliqués au traitement d’effluents gazeux.
Ces modèles sont issus d’une approche déterministe couplée à une approche stochastique, permettant d’appréhender la complexité des mécanismes. Ils s’appuient ainsi sur la formulation et la résolution d’équations de bilan de matière, auxquelles on adjoint des relations empiriques issues d’études statistiques de données expérimentales. Les principes de base du génie des procédés sont utilisés, en intégrant les spécificités des systèmes biologiques.
Des exemples d’applications de ces modèles permettent de montrer tout leur intérêt pour l’amélioration des performances et la gestion opérationnelle des procédés. Ces exemples permettent aussi de mesurer l’écart entre la simplicité des représentations adoptées à l’heure actuelle et la complexité des phénomènes régissant les procédés dans les conditions réelles de fonctionnement, résultant notamment de leur variabilité dans le temps.
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Modélisation des filtres percolateurs1. Modélisation des biofiltres
Parmi les biotechnologies appliquées au traitement de gaz, la biofiltration figure certainement comme le procédé le plus rustique et le plus ancien. Développés dans les années 1960 pour l’élimination des odeurs issues des installations de traitement d’eau, ces systèmes étaient à l’origine construits sur la base de considérations empiriques. Ils connaissent depuis une vingtaine d’années un fort développement pour le traitement des composés organiques volatils notamment. Cet essor s’accompagne d’études scientifiques récentes visant à rationaliser les méthodes de conception et dimensionnement.
Sera décrit ci-après l’un des modèles classiques de la littérature qui, en raison de sa simplicité, reste l’un des plus employés.
1.1 Modèle d’Ottengraf
Pour décrire les mécanismes qui régissent le processus de transfert et de dégradation d’un polluant dans un biofiltre, un modèle théorique simple a été initialement proposé par Ottengraf . Rappelons que le biofiltre est constitué d’un garnissage naturel solide servant de support à la croissance de la biomasse au sein d’une phase aqueuse immobile appelée « biofilm ». Ce modèle rend compte ainsi de la diffusion du composé organique présent en phase gaz dans le biofilm déposé à la surface d’une particule du garnissage naturel, où il subit une biodégradation aérobie. Les hypothèses simplificatrices suivantes sont émises :
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la biodégradation a lieu dans la phase liquide qui constitue le biofilm ;
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la phase liquide dans le biofilm est assimilée à de l’eau ;
-
l’épaisseur du biofilm est faible devant la taille des particules du garnissage, si bien que la surface du biofilm peut être considérée comme plane ;
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la distribution de la biomasse (X) est supposée homogène dans tout le volume du réacteur et sa concentration ne varie pas au cours du temps ;
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l’écoulement...
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Modélisation des biofiltres
BIBLIOGRAPHIE
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(2) - MARTIN (G.), LAFFORT (P.) - Odeurs et désodorisation dans l’environnement - . p. 452, Tec & Doc, Lavoisier, Paris, 1991.
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(3) - Degrémont - Mémento technique de l’eau - . Degrémont, p. 221, Distributeur, Tec & Doc, Lavoisier, Paris, 1989.
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(4) - BALEO (J.N.), BOURGES (B.), COURCOUX (Ph.), FAUR-BRASQUET (C.), LE CLOIREC (P.) - Méthodologie expérimentale, Méthodes et outils pour les expérimentations scientifiques - . p. 367, Tec & Doc, Lavoisier, Paris, 2003.
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(5) - OTTENGRAF (S.P.P.) - Biotechnology : a comprehensive treatise – Exhaust gas purification - . Rhem (H.J.) and Reed (G.), Weinheim, 1986.
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(6) - PERRY (R.H), GREEN (D.W.) - Perry’s...
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