Abstract :
[fr] Récemment, de nombreuses recherches ont été dévolues à la mise au point de réacteurs biphasiques, perçus comme une nouvelle technologie pour le traitement des polluants organiques dans les effluents gazeux. Ces réacteurs impliquent l’utilisation d’une seconde phase non aqueuse pour améliorer la solubilité et le transfert de masse des composés hydrophobes. Dans ce travail, nous avons développé un réacteur biphasique agité utilisant l’huile de silicone comme seconde phase. Initialement, Rhodococcus erythropolis T 902.1 a été sélectionné sur base de sa capacité à dégrader l’isopropylbenzène (IPB), un composé choisi comme modèle représentatif de la famille du benzène. Deuxièmement, le transfert de masse de l’oxygène et de l’IPB a été étudié en relation avec les conditions hydrodynamiques du réacteur et le type d’huile de silicone. L’utilisation d’une proportion de 10 % d’huile de faible viscosité (10cSt) n’affecte pas significativement le transfert de masse de l’oxygène. Cependant la grande solubilité de l’IPB dans l’huile de silicone conduit à une forte augmentation du potentiel de transfert, spécialement pour les proportions en huile les plus élevées. Néanmoins, il ne semble pas utile de dépasser une proportion de 10 % car le KLaIPB et le KLaO2 diminuent drastiquement pour des proportions supérieures. L’existence d’une concentration optimale en élément biotique apparaît également. En effet, les concentrations optimales en biomasse (B) et extrait surfactant (ES) peuvent être évaluées à, respectivement 0,5 g/L et 0,7 g/L, elles assurent une valeur maximale du coefficient global de transfert de masse de l’oxygène (KLaO2). Plus spécifiquement, l’ES augmente l’aire interfaciale « a » en diminuant le diamètre des bulles tandis que la biomasse la diminue dès qu’une concentration de 1 g/L est atteinte. Au contraire, l’ES agit négativement sur le KL tandis que la biomasse l’améliore globalement. En terme de performance, il est clairement montré que la taux de biodégradation de l’IPB est davantage corrélé au débit gazeux de l’effluent qu’à la concentration en polluant. Le réacteur biphasique a été suivi sur une période de 38 jours afin de caractériser son comportement à moyen terme pour différentes conditions opératoires. Lors d’une phase d’alimentation transitoire (10h/j), la capacité moyenne d’élimination est d’environ 240 g/m3 pour une charge massique de 390 g/m3. Finalement, une approche originale a été développée en utilisant un bioréacteur de type scale-down pour reproduire les conditions hydrodynamiques rencontrées dans les réacteurs industriels. Il est clairement démontré que le polluant (IPB) affecte négativement l’extrapolation en augmentant la vitesse de séparation de phase. Cependant cet impact négatif est largement compensé par la présence d’éléments biotiques qui stabilise fortement le système biphasique, rendant totalement envisageable l’extrapolation à grande échelle. En conclusion, l’utilisation d’un réacteur biphasique eau-huile de silicone pour l’élimination de concentrations élevées (~ 6g/m3) en polluants hydrophobes est adéquate. Le réacteur proposé présente de réelles opportunités pour le traitement biologique d’effluents pollués par des composés hydrophobes. Son utilisation pourrait être envisagée lorsque l’oxydation thermique s’avère trop onéreuse ou lorsque les biofiltres classiques atteignent leurs limites ( >1 g/Nm3 et une charge volumique de 90m3/m3.h.).
[en] Recently, a lot of research has been devoted to the study of two-phase partitioning bioreactors (TPPB) as new technology for xenobiotic degradation in gaseous effluents. These reactors involve the use of a second non-aqueous phase to improve the solubility and transfer of hydrophobic compounds. In this work, we have developed a stirred two-phase partitioning bioreactor using silicone oil as second phase. Initially, Rhodococcus erythropolis T 902.1 was selected on the basis of its capacity to metabolize isopropyl-benzene (IPB), used as representative of the benzene-containing compounds. Secondly, the mass transfer of both IPB and oxygen has been considered with relation to their influence on the hydrodynamics of the reactor and the type of silicone oil used. The addition of 10% low viscosity silicone oil (10 cSt) in the reactor does not significantly affect the oxygen transfer rate. The very high solubility of IPB in the silicone oil leads to an enhancement of the driving force term, especially when high proportion of silicone oil are used. However, it is not necessary to use a volume fraction higher than 10% since KLaIPB and KLaO2 decrease sharply at above such proportion. In addition, an optimal concentration appeared to exist for both biotic components, respectively 0,5 g/L and 0,7 g/L for biomass (B) and surfactant extract (SE) when the global mass transfer coefficient (KLa) of oxygen was measured in the TPPB. More specifically, SE improved the interfacial area “a” by decreasing the bubble diameter, while B reduced it at concentrations up to 1 g/L. In contrast, the SE concentration acted negatively on KL, while it was favoured by the B concentration. In term of performances, it was clearly shown that the biodegradation rate is more directly related to the inlet flow of IPB than to the concentration of IPB in the inlet gas. The TPPB was monitored for 38 days to characterise its behaviour under several operational conditions. During an intermittent loading phase (10 h/day), the average elimination capacity remained above 240 g/m3.h for an average IPB inlet load of 390 g/m3. h. Finaly, an original approach was developed using a scale-down bioreactor allowing to reproduce the hydrodynamics encountered under full scale TPPB. It was clearly shown that the IPB affects negatively the scaling-up of the process by increasing the speed of phase partitioning. However, this negative impact was strongly compensated by the presence of biotic compounds stabilizing the two phase system and rendering the scaling-up process feasible. In conclusion, the use of a water-silicone oil TPPB to remove a high inlet load of IPB was successful. The proposed reactor retains a high potential for the biological treatment of gas effluents polluted by hydrophobic aromatic compounds. The suggested process might be applied in the range of concentration and flow where thermal oxidation is too expensive (between 1 and 7 g/Nm3) or when the biofilters are usually limited, i.e. to treat a polluted effluent concentrated with > 1 g/Nm3 at a flow of 90m3/m3.h.
