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.
Dr.
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.
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, O₂, 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-
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 protéiques 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 sulfate. La formation de ces composés de soufre organiques ainsi que la formation de composés d’azote organiques – skatole et amines telles que ptomaines, putrescine et cadavérine – 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 que ceux du sulfure d’hydrogène.
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 × 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 × 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 × 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 surface interne de la canalisation doit également être prise en compte. Les valeurs indicatives sont présentées dans le tableau ci-dessous.
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 (mm) | Surface de la conduite (m²/m) | Volume de la conduite (l/m) | Demande de la conduite (mg/(m × h)) | Demande de la conduite (mg/(l × h)) |
|---|---|---|---|---|
| 80 | 0,25 | 5,03 | 700 × 0,25 = 175 | 175 / 5,03 = 35 |
| 100 | 0,31 | 7,85 | 220 | 28 |
| 200 | 0,63 | 31,4 | 440 | 14 |
La 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/(m² × h). Le tableau 1 décrit l’influence de cette demande instantanée en oxygène dans la couche interne sur la surface de la canalisation pour 700 mg/(m² × 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/(m² × 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/(m² × h) ou de 25 mg/(l × h). Si l’on y ajoute la demande instantanée en oxygène de l’eau usée de 15 mg/(l × h), la demande instantanée totale en oxygène à l’intérieur de cette conduite forcée s’élève à 40 mg/(l × 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 H₂S (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/(m² × h). Lorsque les conduites sont longues, la diminution du DBO₅ 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 de la conduite forcée, les composés volatils passent de l’eau usée dans l’atmosphère et de là…
Tableau 2 : Consommation d’oxygène dans une conduite forcée, Ø = 80 mm (par m linéaire)
| Demande dans la couche [mg/(m × h)] | Demande dans l’eau [mg/(l × h)] | Demande totale [mg/(l × h)] | Consommation à VCF = 5 m³ [kg/h] [kg/d] |
|---|---|---|---|
| 260 | 65 | 13 | 0,09 2,0 |
| 330 | 75 | 15 | 0,11 2,5 |
| 400 | 100 | 20 | 0,17 3,6 |
| 500 | 125 | 25 | 0,23 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 H₂S, 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 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 elle-même, 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 :
- 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 × h) dans l’eau usée et d’environ 250 à 500 mg/(m² × 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 dysfonctionnements, 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.
