Les mécanismes de formation d odeurs et de corrosion dans les canalisations d eaux usées sous pression

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1 LES AUTRES THÈMES LE TRAITEMENT DES ODEURS Les mécanismes de formation d odeurs et de corrosion dans les canalisations d eaux usées sous pression Dr. Ernst Ecker Dès que des composantes organiques provenant de matières fécales humaines, des restes d aliments ou des substances de nature similaire parviennent dans une canalisation, les micro-organismes commencent à les utiliser. Cette utilisation repose sur des processus très complexes. Un grand nombre de nouvelles substances apparaissent : d une part de nouveaux organismes vivants et d autre part des produits provenant du métabolisme de ces êtres vivants. Dès sa formation, l eau usée est donc soumise à des processus de décomposition dont l intensité et le déroulement dépendent à la fois de la nature de l eau usée et des conditions environnantes. ABSTRACT Mechanisms in the formation of odours and corrosion in pressurised sewerage systems. As soon as organic components from human faecal material, left-over food or substances of a similar nature reach the inside of a sewerage system, micro-organisms start to make use of them. This use is based on very complex processes. A large number of new substances are making an appearance: they originate on the one hand from new living organisms and on the other from the metabolic products of these living creatures. From the moment it is formed, therefore, wastewater is subject to decomposition processes the intensity and progress of which depend on the nature of the wastewater and on the environmental conditions. À la différence de tous les êtres vivants supérieurs, bon nombre de micro-organismes sont capables de puiser également l oxygène dont ils ont besoin pour respirer au sein de produits contenus dans l eau tels des composés d azote (nitrite, nitrate), de soufre (sulfite, sulfate), mais aussi d arsenic (arsénite, arséniate) contenant des atomes d oxygène. Ils libèrent d une part des composés dépourvus d oxygène tels que l ammoniac, le sulfure d hydrogène et l arsenic hydride ou des éléments tels que l azote, le soufre et l arsenic et d autre part des composés oxygénés tels que le dioxyde de carbone et l eau comme produits finaux des réactions du métabolisme. Dans des conditions aérobies, seule la molécule d oxygène, O 2, de l air dissous est utilisée, les produits finaux des réactions de ce métabolisme aérobie sont uniquement du dioxyde de carbone et de l eau. À partir du substrat organique se forment, aussi bien dans des conditions anaérobies qu aérobies, des produits intermédiaires et finaux qui peuvent varier fortement en fonction des conditions environnementales (nature des micro-organismes, température, valeur du ph, teneur en oxygène, etc.). Composés de soufre, d azote et d arsenic Les composés contenant du soufre sont tou- N L EAU, L INDUSTRIE, LES NUISANCES - 59

2 sulfate. La formation de ces composés de soufre organiques ainsi que la formation de composés d azote organiques skatole et amines telles que ptomaïnes, putrescine et cadaverine sont souvent mentionnées en raison de leur odeur désagréable déjà perceptible à toutes petites concentrations. Les seuils d odeurs des composés de soufre organiques se situent à des niveaux 100 fois plus faibles de ceux du sulfure d hydrogène. Vue de l'introduction du tuyau Drausy au sein de la canalisation. jours présents en quantité importante dans l eau usée. L eau potable et les eaux de source peuvent déjà contenir à elles seules jusqu à 250 mg/l de sulfate. Les détergents, l urine et les excréments fournissent d autres composés avec du soufre. Les restes d aliments, comme par exemple la viande, contiennent des substances protéiniques à teneur en soufre. Les boues fécales contiennent des sulfures. À cela s ajoutent les eaux usées industrielles qui contiennent, elles aussi, souvent du sulfate. En l absence d oxygène dissous (anaérobie), les composés anorganiques de soufre d oxygène sont réduits en sulfure sous l effet des bactéries (désulfurisation, réduction dissimilative du sulfate, digestion du sulfate). Les bactéries du type désulfuricans ( désulfuricans dans la suite de l article) sont des bactéries spécialisées que l on trouve partout. Elles tolèrent très bien le sel et s adaptent facilement. Elles opèrent sur une échelle de températures de 5 à 75 C et dans une zone de ph allant de moins de 5 à 9.5. Ce sont des bactéries anaérobies strictes; lorsque la teneur en oxygène est faible, elles ne meurent pas mais sont seulement désactivées. Elles supportent le sulfure d hydrogène jusqu à 2 g/l. Le sulfure d hydrogène n entrave donc pas le développement des désulfuricans, mais empêche celui des autres micro-organismes qui les accompagnent, lorsqu il ne les empoisonne pas. Les désulfuricans sont omniprésents et se retrouvent également dans la couche de matière biologique déposée sur la surface interne des canalisations ou dans les dépôts qui s y forment dans les canalisations d eaux usées. Là où le taux de lavage des désulfuricans est inférieur à leur taux de reproduction, les désulfuricans se multiplient massivement. Ce phénomène est observé aussi bien dans les couches sur les surfaces internes des canalisations que dans les dépôts. Outre la désulfurisation, la décomposition des substances protéiniques par les bactéries intervient également dans le milieu anaérobie. Certaines de ces protéines contiennent du soufre. En milieu anaérobie, cette décomposition provoque la formation non seulement de sulfure d hydrogène, mais aussi de thiols (mercaptans), de thioéther et de polysulfure. La contribution apportée à la charge de sulfure par la décomposition des protéines est cependant négligeable comparée à celle que représente la réduction du Vitesses des réactions de transformation, demande en oxygène instantanée Le texte qui suit décrit le cas d une conduite sous pression telle que dans des installations de refoulement, mais le même type de réflexions peut être fait pour les canalisations et égouts fonctionnant par gravité, en particulier si le temps de séjour est élevé. La demande instantanée en oxygène dans une eau usée domestique récente est en général estimée être de 2 à 4 mg/(l x h). Dans le cas de conduites sous pression ont été relevés, à une température d environ 15 C, des taux de demande en oxygène de 10 à 18 mg/(l x h) dans les fosses de relevage ainsi qu à la sortie. Des analyses effectuées sur des eaux usées moins récentes fournissent même des taux de demande en oxygène de 15 à 25 mg (l x h). Les taux de demande instantanée en oxygène ne présentent de corrélation, ni avec la teneur en substance sèche organique, ni avec la concentration de facteurs polluants organiques dans l eau usée. Les facteurs limitant la demande en oxygène sont liés au métabolisme des bactéries et non à la nature du substrat. La multiplication des micro-organismes durant le vieillissement de l eau usée est donc déterminante pour l évaluation de la demande en oxygène instantanée. Parallèlement à la demande instantanée en oxygène dans l eau usée, la demande instantanée en oxygène dans la couche sur la sur- Tableau 1 : Demande instantanée en oxygène due à la couche interne sur la surface de la canalisation (Sauf pour le diamètre, toutes les valeurs sont calculées pour un mètre linéaire de conduite) Diamètre Surface de la conduite Volume de la conduite Demande de la conduite [mm] [m 2 /m] [l/m] [mg/(m x h)] [mg/(l x h)] 80 0,25 5, x 0,25 = / 5,03 = ,31 7, ,63 31, L EAU, L INDUSTRIE, LES NUISANCES - N 280

3 face interne de la canalisation, en particulier dans des conduites sous pression de faible diamètre, est d une grande importance. Cette demande instantanée en oxygène dépend directement de la teneur en masse sèche organique de la couche située sur la surface interne de la canalisation. Le rapport entre la surface interne de la canalisation et le volume d eau usée est donc ici très important. La demande instantanée en oxygène dans la couche sur la surface interne de la canalisation à une température de 15 C peut habituellement aller jusqu à 700 mg/(m 2 x h). Le tableau 1 décrit l influence de cette demande instantanée en oxygène dans la couche interne sur la surface la canalisation pour 700 mg/(m 2 x h) en fonction du diamètre de la conduite forcée : Puisque dans le cas d une couche sur la surface interne d une certaine épaisseur, les couches les plus profondes ne respirent pas autant que les couches qui sont proches de la surface de contact avec l eau, il convient de considérer ces valeurs comme des valeurs maximales. En prenant comme valeur de base 500 mg/(m 2 x h), la demande instantanée en oxygène constatée dans la couche interne de la canalisation d une conduite de type DN 80 (tableau 2) est de 125 mg/(m. x h) ou de 25 mg/(l x h). Si l on y ajoute la demande instantanée en oxygène de l eau usée de 15 mg/(l x h), la demande Le procédé Drausy instantanée totale en oxygène à l intérieur de cette conduite forcée s élève à 40 mg/(l x Le tube souple Drausy, en polyuréthane, est percé au laser sur toute sa longueur de minuscules trous. La forme de sa section (voir schéma) est telle que lorsque la pression est forte, le diamètre des petits trous est faible et ce diamètre augmente au fur et à mesure que la pression diminue. Ce système permet, par exemple comme dans le cas de Harz, d assurer une diffusion d air à un débit égal tout au long du tuyau grâce à un modeste compresseur. Le procédé Drausy peut être utilisé pour l oxygénation des eaux usées sur de grandes longueurs avec des gaz, tels l air ou l oxygène pur, mais également avec des produits oxydants tels l eau oxygénée très diluée ou le nitrate de calcium. Dans le cas de produits oxydants, du fait de la répartition douce tout au long du tuyau de ces produits, les quantités nécessaires sont très nettement réduites par rapport à l introduction brutale en un seul point en amont. Le système Drausy peut également être très utile pour l aération des lagunes, étangs, lacs, lieux d aquaculture et bacs à graisse. Ce procédé peut également servir pour l irrigation dans les zones désertiques. Dans ce cas, le tuyau Drausy est enfoui dans le sol et libère l eau doucement sans les importantes pertes dues à l évaporation quand de façon classique on arrose les plantes et le terrain. Des réalisations diverses existent en Allemagne et un premier système d aération sur 1000 m par air comprimé dans un égout gravitaire avec une chambre à sable a été mis en route par la SEVESC au cours de l été 2004 à Clamart dans les Hauts de Seine. h). Lorsque l eau usée arrive dans la conduite sous pression avec une concentration en oxygène de 8 10 mg/l, l oxygène est consommé en l espace de 12 à 15 minutes. À partir de là, le sulfure commence lentement à se former. L eau usée lie également certaines parties du sulfure, par exemple grâce aux composés ferriques qui se trouvent dans l eau usée. C est le sulfure formé par cette réaction qui génère sous forme de H 2 S (sulfure d hydrogène) des odeurs nauséabondes. La quantité de sulfure d hydrogène produite dans des couches sur la surface interne que l on rencontre classiquement lors d une exploitation anaérobie d une conduite forcée se situe aux alentours de 0,25 à 1,1 g/(m 2 x h). Lorsque les conduites sont longues, la diminution du DBO 5 et du DCO a lieu aussi bien dans des conditions aérobies qu anaérobies. Conséquences Par diffusion et sous l effet de turbulences dans la canalisation qui se trouve en aval la conduite forcée, les composés volatils passent de l eau usée dans l atmosphère et de là N L EAU, L INDUSTRIE, LES NUISANCES - 61

4 Tableau 2 : Consommation d oxygène dans une conduite forcée, ø = 80 mm (par m linéaire) Demande dans la couche Demande dans l eau Demande totale Consommation à VCF = 5 m 3 [mg/(m 2 x h)] [mg/(m x h)] [mg/(l x h)] [mg/(l x h)] [mg/(l x h)] [kg/h] [kg/d] ,09 2, ,11 2, ,17 3, ,23 4,8 ils se déposent sur les parois et couvercles des différents matériaux de construction. Les composés de soufre sont alors oxydés chimiquement en soufre élémentaire par l oxygène de l air. Le soufre peut ensuite être oxydé en acide sulfurique par divers thiobacilles présents partout. Cet acide sulfurique corrode aussi bien le béton, les additifs calcaires que les métaux. L eau usée contient en général rarement plus de 5 mg/l de sulfure d hydrogène. La teneur en sulfure d hydrogène est sans conséquence lorsqu elle ne dépasse pas 0,1 mg/l, tolérable jusqu à 1 mg/l et nocive lorsqu elle est supérieure à 2 mg/l. Dans des locaux fermés, les composés de soufre, en particulier le H 2 S, peuvent représenter un problème pour la sécurité du personnel en raison de leur toxicité. Cette forte toxicité peut également faire baisser l activité biologique dans la station d épuration. Souvent, dans le bassin d aération, le volume de boue s accroît, l indicateur de boue activée augmente et une boue expansée se constitue. En dehors de la corrosion, la formation d odeurs doit être considérée comme l effet collatéral le plus critique des états anaérobies dans les conduites. Ces dernières années, le seuil de tolérance concernant les odeurs a considérablement baissé et le besoin de se protéger contre ce genre de nuisances olfactives s est renforcé. Les éléments porteurs d odeurs sont les substances osmogènes. L eau usée aérobie dégage une odeur typique qui lui est propre, mais qui n est pas désagréable. Les cas particuliers, comme certaines eaux usées industrielles, n entrent pas dans cette catégorie. Les mauvaises odeurs se développent uniquement dans les canalisations où l aération est insuffisante. Les substances osmogènes primaires, apportées par l eau usée ellemême, sont en général négligeables. Les substances osmogènes secondaires sont les substances odorantes qui se forment dans l eau usée de la section étudiée - ici, la conduite sous pression - du réseau d eaux usées débouchant sur une station d épuration. On constate que les substances osmogènes critiques ne se développent en général que dans des conditions anaérobies. Stratégies permettant d éviter les odeurs nauséabondes Puisque la perception d une odeur relève du domaine sensoriel et varie d un individu à l autre aussi bien qualitativement - de quelle odeur s agit-il? - que quantitativement - quelle est l intensité de cette odeur? -, les plaintes concernant les mauvaises odeurs comportent une composante psychologique. Il est donc pratiquement impossible d établir une distinction entre les émissions d odeurs supportables et celles qui sont insupportables. Puisque les émissions d odeurs - les odeurs désagréables proviennent presque toujours des substances osmogènes secondaires - sont donc dans la majorité des cas dues à des insuffisances du réseau ou dans la station d épuration, il semble être dans l intérêt de l exploitant d éviter de telles émissions. De telles insuffisances causent le plus souvent, outre les odeurs indésirables mentionnées, également d autres problèmes. C est pourquoi, il est recommandé de réfléchir dès la phase de conception et de planification à des solutions permettant d éviter au maximum l émission d odeurs. C est en étudiant la formation des odeurs indésirables que l on trouve les solutions les plus efficaces pour les éviter : Arrêt de la formation d H 2 S dans une canalisation de refoulement de 8 km grâce à une simple aération linaire continue à l air comprimé sur deux grandes longueurs Dans la ville d Elbingerode dans le massif de la Harz (près de Göttingen, Allemagne) de très mauvaises odeurs étaient constatées au point d arrivée des 8 km d une canalisation en refoulement transportant des eaux usées. Cette odeur gênait les habitants et les touristes sur plusieurs kilomètres alentour. Les conséquences étaient très néfastes sur l'activité touristique. Des mesures s'imposaient donc pour résoudre cette situation. Le schéma montre le profil de la conduite forcée avec des variations de niveau atteignant 40 m. À l extrémité de cette conduite, l'eau s'écoule dans un égout gravitaire et le dégazage entraînait ces odeurs nauséabondes. Après un examen approfondi de la situation du réseau, il a été décidé, d aérer linéairement l eau usée en équipant du dispositif Drausy deux segments de la conduite forcée, respectivement d environ m et 800 m chacun. Après moins d un mois, le problème d odeurs nauséabondes était résolu. Depuis maintenant plus de deux ans, l'aération linéaire fonctionne 24 h sur 24, avec le simple entretien de routine du compresseur. Les odeurs à la sortie de la conduite forcée ne sont plus considérées comme dérangeantes. Au cours de cette période, les mesures faites ont montré que la concentration en sulfure d hydrogène dans l'eau usée à la sortie de la conduite est toujours restée inférieure à 0,4 mg/l. Aucune émission notable de H 2 S n'a pu être constatée dans l'air. Le risque de corrosion par le soufre a donc été nettement diminué. Cet exemple de recours au système Drausy, ainsi que d'autres cas vécus montrent que chaque réseau d'eaux usées doit être examiné individuellement, puis traité en fonction de ses caractéristiques propres. L'installation d'un système d'aération linéaire dans un réseau complexe doit se faire pas à pas de manière à résoudre le problème posé, tout en limitant les coûts globaux (investissement et fonctionnement récurrent) et en appréciant également des gains à long terme lié à la réduction de la corrosion L EAU, L INDUSTRIE, LES NUISANCES - N 280

5 Préservation de la fraîcheur de l eau usée afin d éviter les états anaérobies, Pas de dépôts de boues, ni de bords formés par des dépôts sales, etc. mais un nettoyage régulier, Pas de boues fécales, ni de débordements des contenus des fosses collectant les eaux usées à l entrée des collecteurs, De fortes turbulences dans la conduite sous pression pour réduire l épaisseur de la couche de la surface interne de la canalisation et par conséquent l intensité de l odeur. Réflexions concrètes sur la technique d épuration Lorsque l eau usée séjourne longtemps dans des conditions principalement aérobies dans la canalisation, les odeurs et les substances corrosives qui en résultent sont relativement faibles. De telles conditions, essentiellement aérobies, ne sont cependant possibles que si l eau usée dispose d une quantité suffisante d oxygène tant dans les canalisations qui précèdent la pompe de relèvement que dans la conduite forcée. Il est par ailleurs recommandé d intervenir en provoquant des turbulences dans les conduites afin d éviter les dépôts et de minimiser la formation de couches à l intérieur de la canalisation. Un nettoyage régulier des zones non aérées au niveau de la pompe et des conduites est également très important. La fosse de relevage et les endroits hydrauliquement défavorables au niveau du transport de l eau usée doivent être entièrement vidés à intervalles réguliers, si possible, courts, afin d aérer au moins partiellement les croûtes sur les surfaces. Ces zones hydrauliquement défavorables constituent un terrain idéal pour la formation d épaisses croûtes biologiques. Les dépôts, les couches de boue et les croûtes contiennent des bactéries réductrices de sulfate qui leur permettent d en inoculer à l eau usée préalablement libérée de désulfuricans. Ils favorisent ainsi la formation de sulfure d hydrogène. Une demande instantanée en oxygène d une grande intensité, influencée par le temps de transport de l eau usée et la nature de la couche sur la surface interne présente dans la canalisation, existe dans les conduites d eau usée fermées (conduites forcées) non aérées. En supposant une saturation en oxygène d environ 10 mg/l à l entrée de la conduite forcée, la demande en oxygène d environ 8 à 15 mg/(l x h) dans l eau usée et d environ 250 à 500 mg/(m 2 x h) dans la couche de la surface interne de la canalisation entraînera une diminution de l oxygène. Étant donné que, en raison des trajets et du temps de parcours effectués avant la conduite forcée, les taux de demande en oxygène liés au vieillissement de l eau usée sont relativement élevés et que celle-ci subit une inoculation par les désulfuricans, il est, à notre avis, pratiquement impossible de se baser sur des taux de demande instantanée en oxygène plus faibles. Une vitesse d écoulement de 0,5 m/s est considérée comme la vitesse minimale pour garantir un niveau de turbulences suffisant. Lorsque l eau usée est bien désablée et scrupuleusement libérée des résidus solides grâce à des grilles fines, des vitesses d écoulement allant de > 2 à 2,5 m/s peuvent être tolérées; plus le diamètre de la conduite forcée est grand, plus la vitesse d écoulement maximale peut être élevée sans pour autant endommager mécaniquement la conduite. Là où l aération de la conduite forcée par de l air entraverait l écoulement en raison des bulles de gaz et serait la cause de disfonctionnements, il est possible d apporter de l oxygène sous forme de gaz de qualité industrielle à l eau usée. L utilisation de gaz oxygène permet de réduire de quatre-cinquièmes le volume de gaz comparé à l air. Due à sa grande solubilité, son efficacité (pression partielle de l oxygène plus élevée) est nettement supérieure à celle de l oxygène de l air. Outre l air et l oxygène pur, il est bien sûr possible d utiliser également des substances fournissant de l oxygène telles que le peroxyde d'hydrogène ou le nitrate. La dénitrification du nitrate de calcium est déjà fréquemment appliquée pour éviter la formation de sulfure. Afin de ne pas diffuser les substances odorantes qui se sont éventuellement constituées dans l eau usée en dépit de toutes les mesures de précaution prises, il convient d éviter tout dégazage de l eau usée dans le système de transport qui se trouve derrière la conduite forcée. L écoulement de l eau usée doit donc être régulier, des chutes ou d autres constructions similaires pouvant provoquer des turbulences doivent être évitées. La partie du dispositif de traitement des eaux usées la plus exposée aux odeurs et à la corrosion est celle dans laquelle débouche la conduite forcée. Conclusion Lors de la mise en place et de l exploitation d une conduite forcée pour eau usée, il convient de veiller tout particulièrement à ce que la vitesse d écoulement à l intérieur de la conduite forcée soit supérieure à 0,5 m/s et à ce que l eau soit maintenue en permanence en état aérobie grâce à un apport d oxygène. Les travaux de maintenance requis par ce type de conduite concernent : le réservoir en amont de la station de pompage, en y apportant éventuellement déjà de l oxygène, le dispositif de pompage, l exploitation et l alimentation en oxygène de la conduite forcée ainsi qu un nettoyage régulier de l ensemble des croûtes qui se sont formées. Le respect d un niveau faible d odeurs d intensité odorante non désagréable ne peut être obtenu que par des mesures techniques appropriées parmi lesquelles se trouvent l injection d air, d oxygène, de peroxyde d hydrogène ou de nitrate afin de satisfaire la demande instantanée en oxygène ainsi qu éventuellement le dosage de solutions de sels ferriques pour fixer le sulfure. N L EAU, L INDUSTRIE, LES NUISANCES - 63