Influence de la gestion des centrales de traitement d’air des réseaux de ventilation de bâtiments sur le développement d’aérosols microbiens

Influence of Air Handling Units (AHU) management of ventilation systems of buildings on microbial aerosols behavior

• Auteur / Autrice : Luisa Fernanda Gonzalez Herrera
• Direction : Laurence Le Coq
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 28/03/2014
• Etablissement(s) : Nantes, Ecole des Mines
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences pour l'Ingénieur, Géosciences, Architecture
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ecole nationale supérieure des Mines de Nantes - Laboratoire de génie des procédés - environnement - agroalimentaire / GEPEA
• Jury : Président / Présidente : Manuel Rodriguez Susa
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yves Andres, Aurélie Joubert
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Dominique Thomas, Anne-Marie Delort

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microorganismes

Aérosols

Ventilation

Filtres à air

Filtration

Mots clés libres

Filtration de l’air

CTA

Aérosols microbiens

Air filtration

AHU

Microbial aerosols

Résumé

Les performances de filtration des filtres de CTA vis-à-vis de particules et d’aérosols microbiens (AM) ont été étudiées ainsi quel’influence des conditions opératoires sur le comportement de microorganismes collectés sur les filtres. A l’échelle du laboratoire, une mini CTA ayant deux étages de filtration en série a été développée et validée pour l’étude de filtres prototypes ayant des géométries industrielles. Trois types de filtres de différentes efficacités ont été considérés : G4, F7 et F9 selon la norme EN 779. Deux configurations de filtres ont été étudiées : 1) G4 plan plissé/F7 à poches et 2) F7/F9 à poches. Les filtres ont été colmatés séquentiellement par des particules d’alumine, qui assurent une fraction minérale, puis du riz microniséqui apporte le champignon Penicillium chrysogenum et assure une fraction organique agissant comme substrat pour les microorganismes. Enfin, un AM composé d’endospores de Bacillus subtilis et de spores d’Aspergillus niger a été nébulisé pour la contamination des filtres. Après colmatage, des périodes de marche/arrêt de la ventilation de différentes durées (10 j ou 6 semaines) ont été simulées. Lors des reprises de la ventilation, des comptages de particules et d’AM en avaldes filtres ont été effectués. Les principaux résultats sont : (i) les filtres placés en 2ème étage présentent un colmatage plus faible que ceux du 1er étage de filtration, (ii) survie de B. subtilis, croissance de P. chrysogenum et décroissance d’A. niger sur les filtres quelle que soit la période d’arrêt de ventilation étudiée, et (iii) lors des reprises de ventilation, il n’a pas été observé de relargage d’AM pour la fraction échantillonnée.D’autre part, deux CTA à pleine échelle ont été étudiées pendant 6 mois. Une CTA ayant deux étages de filtration avec une configuration G4 plan plissé/F7 à poches, traite l’air extérieur et le souffle vers des locaux desservis. L’autre CTA correspond à l’extraction de l’air vicié d’un local pour le rejeter vers l’extérieur. La perte de charge des filtres, l’humidité relative, et la température de l’air ont été suivies en continu. L’efficacité des filtres vis-à-vis des particules et des aérosols microbiens a été mesurée une fois par mois. Une méthodologie originale de suivi mensuel de la concentration des microorganismescollectés sur les filtres a été mise en oeuvre. Les principaux résultats sont : (i) faible évolution de la perte de charge du filtre placé en 2ème étage, (ii) efficacité des filtres G4 comparable à celle des filtres G4 prototypes, (iii) efficacité du filtre F7 plus faible que celle des filtres prototypes, ce qui peut être expliqué par une différence de vitesse de filtration entre les deux échelles, (iv) le filtre G4 de la CTA-extraction contient une concentration de microorganismes 10 fois plus élevée que celle du filtre G4 de la CTA-soufflage après 6 mois de fonctionnement.

Filtration performances of Air Handling Units (AHU) filters regarding particles and microbial aerosols have been studied, as well as the influence of the AHU operational conditions on behavior of microorganisms collected on the filters. A lab-scale AHU with two successive filtration stages was developed and validated for the study of prototype filters with industrial geometries. Three types of filters of different efficiency have been considered : G4, F7 and F9 according to EN 779 Standard. Two configurations of filters were considered: 1) G4 pleated/F7 bag and 2) F7/F9 bag. Filters were sequentially clogged by alumina particles which assured a mineral fraction, and then by micronized rice particles which provides the fungi Penicillium chrysogenum and assures an organic fraction which acts as a substrate for microorganisms. Finally, a microbial aerosol composed by endospores of Bacillus subtilis and spores of Aspergillus niger was nebulized for filters contamination. After clogging, stops and restarts of ventilation were simulated for different durations (10 days or 6 weeks). During restarts of ventilation, particles and microbial aerosols samplings were performed downstream of the filters. Main results are: (i) level of clogging is significantly less important for the 2nd filtration stage than for the first one, (ii) survival of B. Subtilis, growth of P. Chrysogenum and decline of A.niger on the filters whatever the period of time studied, and (iii) during restarts of ventilation, microbial aerosols releasing was not detected for sampled fraction. Moreover, two full-scale AHU were studied during 6 months. One of the AHU studied is equipped with two filters in series: a G4 pleated filter in 1st stage and a F7 bag filter in 2nd stage. This AHU treats the outdoor air to blow it towards the indoor environments. The other one extracts the indoor air to reject it back outdoors. The filters pressure drop, relative humidity and temperature of the air were measured continuously. Filters efficiency regarding particles and microbial aerosols were measured once a month. An original methodology for the monthly estimation of the concentration of microorganisms on the filters was implemented. Main results are: (i) no significant evolution of the filter pressure drop in 2nd stage, (ii) efficiency of G4 filters are comparable to the prototype filtersone, (iii) efficiency of F7 filters are lower than prototype filters one, which can be explained by differences of filtration velocity between the two scales, (iv) after 6 months of operation, concentration of microorganisms on G4 filter of the AHU of extraction is 10 times higher than the G4 filter one of AHU who treats outdoor air.