L'H2S en assainissement : prévention et traitement
31 mai 2021Paru dans le N°442
à la page 61 ( mots)
Rédigé par : Antoine BONVOISIN
La problématique de l’H2S est bien connue des exploitants et des concepteurs de réseaux d’assainissement. L’hydrogène sulfuré peut engendrer des problèmes de corrosion des ouvrages, des odeurs désagréables, et peut représenter un risque pour le personnel à de trop fortes concentrations. Deux solutions principales existent pour prévenir ou traiter la présence de ce composé.
La formation d’H2S est constatée dans un grand nombre d’installations d’assainissement, en particulier au niveau des postes de refoulement. La présence de sulfates dans les eaux résiduaires urbaines peut entraîner la formation d’hydrogène sulfuré puis d’acide sulfurique, en particulier au débouché de conduites sous pression, dans la partie gravitaire.
Odeurs, risques de corrosion, et danger pour l’homme
L’hydrogène sulfuré est un gaz à l’odeur caractéristique d’œufs pourris dont le seuil de perception varie selon les individus. Son odeur est un indicateur de présence seulement pour de faibles concentrations, car en cas de teneurs élevées, l’hydrogène sulfuré entraîne une paralysie des centres nerveux olfactifs et une anesthésie de l’odorat. L’impossibilité de le détecter par l’odeur dans ce cas aggrave donc les risques pour la santé des personnes qui travaillent à proximité.
Les nuisances générées par ce composé sont ainsi de trois ordres. Tout d’abord olfactives : il peut causer des désagréments pour les résidents aux abords de la source d’émissions. L’H2S provoque également une “corrosion biogénique” des infrastructures, qu’il s’agisse des réseaux et/ou des dysfonctionnements des stations de traitement ; les dommages peuvent parfois provoquer l’effondrement de certaines structures. Enfin, l’inhalation d’hydrogène sulfuré représente un danger pour la santé des individus.
Trop souvent, les dommages liés à l’H2S sont constatés de manière tardive. Il est donc préférable d’adopter des solutions préventives pour s’en prémunir.
D’abord le diagnostic
La bonne connaissance des conditions favorables à la production d’H2S, associée à une juste appréciation des conditions intrinsèques, permet de confirmer le potentiel de pollution soufrée du système étudié. Dans les systèmes de stockage, de transport et de traitement d’effluents, la formation d’H2S est le résultat de processus chimiques et biochimiques complexes dépendants de nombreux paramètres. Elle est directement liée à la présence de sulfures dissous.
Dans les eaux usées, les sulfures peuvent avoir comme origine le déversement d’effluents industriels, mais elles proviennent principalement de la décomposition des sulfates par les bactéries anaérobies sulfato-réductrices. Si tous les réseaux d’assainissement sont concernés par la présence de sulfates, tous ne présentent pas des conditions favorables à la transformation de ces sulfates en sulfures et en H2S.
Les principaux facteurs favorisant la production de sulfures et d’H2S sont les suivants : présence de sulfures dissous déjà formés, charge des effluents (DBO5, DCO, MES, teneur en sulfates), l’épaisseur et la surface des dépôts sur les parois des ouvrages immergés, le temps de séjour des eaux usées dans un milieu non-réapprovisionné en oxygène, et enfin la température des effluents, véritable accélérateur et amplificateur des processus de production. Seuls l’absence de sulfates et une température inférieure à ± 5 °C (selon la nature de l’effluent) sont des facteurs limitant du processus de production de sulfures et d’H2S.
La bonne connaissance des processus de production d’H2S permet également d’adapter certaines procédures d’exploitation et d’anticiper la problématique en cas de projets de transport ou de traitement d’effluents. Plusieurs bureaux d’études spécialisés en odeurs, environnement et gaz comme Atheo Solutions, Environnement’Air, Tekmad, TC Innov ou encore Odournet France apportent leur expertise aux maîtres d’ouvrages et aux exploitants confrontés à de telles situations. La réalisation d’un diagnostic complet, associé à une étude théorique du système d’assainissement, permet d’identifier précisément les origines et les conséquences des dysfonctionnements, de mesurer ses seuils odorants et de proposer les aménagements adaptés.
« Les solutions et les procédés de lutte contre l'H2S et les nuisances qu'il génère se sont développés au fil des années, grâce à une meilleure considération de la problématique et aux retours d'expérience sur le long terme. L'intérêt commercial porté par les fabricants et les fournisseurs a également permis ce développement du panel de solutions », explique Vincent Charbau, d’Atheo Solutions. « Les procédés de traitement et de lutte habituels, comme les solutions plus récentes proposées, présentent des avantages et des inconvénients qu'il convient d'étudier scrupuleusement avant d'opter pour la solution qui répondra aux attentes techniques et économiques. Un traitement mal dimensionné, ou un mauvais choix de procédé, entraîne bien sûr un manque efficacité, mais également des coûts d'investissement et d'exploitation injustifiés. Un diagnostic de la situation et une étude comparative multicritères facilitent la prise de décision quant aux solutions à mettre en œuvre » .
Atheo Solutions propose également un accompagnement personnalisé réalisé au travers de formations professionnelles sur-mesure pour le personnel intervenant et aussi pour les bureaux d’études.
En parallèle de ces études, il est aussi possible de recourir à un suivi en continu des émissions odorantes responsables des odeurs perçues par le biais de capteurs et de différents gaz traceurs, (H2S/Méthylmercaptan, NH3, COVnm, etc.). De nombreuses solutions compactes qui peuvent servir soit en diagnostic classique, soit en version communicante sont proposées par les fabricants d’instrumentation parmi lesquelles la gamme Logaz-H2S d’Ijinus, le détecteur MS08 H2S avec micro-capteur ampérométrique d’AquaMS, le PS200 détecteur multiGaz de Teledyne Gas and Flame Detection ou encore le spectro::lyser™ de s ::can. L’un des avantages du spectro::lyser™ étant qu’il peut mesurer simultanément la concentration d’hydrogène Sulfuré et éventuellement le surdosage de produit chimique anti-odeur à base de nitrate administré en amont de la station d’épuration.
De son côté, Kemira tire parti de son expertise dans la production de coagulants à base de sels ferreux et de l'évolution du numérique pour faciliter le pilotage du process sur site. Avec à la clé, le programme KemConnect. Selon la concentration recensée par l’automate de gestion, KemConnect OCC détermine en conséquence l’ajout de sels ferreux nécessaire. Cela permet d'améliorer la visibilité de l’ensemble du procédé en temps réel, d'éviter le surdosage des consommations et d'améliorer l'empreinte écologique du traitement.
S’il est indispensable de quantifier le niveau d’intensité d’une odeur, il faut aussi qualifier cette odeur en identifiant les informations olfactives caractérisant un mélange gazeux, « ce qui nécessite de s’appuyer sur un jury de nez qui soit représentatif et expert, le mieux étant que le jury de nez soit constitué d'experts sélectionnés et formés selon le référentiel NF EN 13725 (norme odeurs de référence) et formés à la reconnaissance des odeurs », insiste Marie-Amélie Presset directrice administrative et financière chez Odournet.
L’olfactométrie permet d’appréhender l’odeur de façon globale puisqu’elle prend en compte l’ensemble des molécules chimiques à l’origine de l’odeur ainsi que le système physiologique grâce auquel l’odeur est perçue. Elle permet d’accéder à la concentration d’odeur, à son intensité, à sa fréquence et également à la gêne olfactive via le jury de nez.
« L'olfactométrie à dilution dynamique permet d'atteindre la persistance d'une odeur ou sa concentration odeur. L'intensité est mesurée selon une norme française désuète, alors que la gêne n'a pas de mesure aujourd'hui si ce n'est la méthode que nous avons développée en associant la mesure de l'acceptabilité d'une odeur et sa concentration en odeur conduisant à un potentiel de nuisance. Aujourd'hui, la détermination des paramètres de l'odeur se fait en laboratoire et non plus sur le terrain comme autrefois », nuance Jean-François Despres, président d’Olentica. Dans sa mise en œuvre, elle nécessite une très grande rigueur, une formation et sélection des experts à la NF EN 13725, rendant souvent nécessaire le recours à une société spécialisée telle que Chromatotec, Klearios, Odournet, Olentica ou encore Yara. Les solutions s’appellent Long Nose chez Yara, vigi e-nose chez Chromatotec pour ne citer qu’elles, et permettent d’effectuer une gestion active de la qualité de l’air grâce à la modélisation des émissions historiques et prédictives d’odeurs.
Contrairement aux nez électroniques classiques, vigi e-nose de Chromatotec® fournit en plus de l’intensité ou concentration d’odeurs, une concentration individuelle des composés soufrés (H2S, Mercaptans, DMS, DMDS…) grâce à la technologie MEDOR® et une quantification des COVs totaux en utilisant un PID embarqué dans le même équipement. Dans l’environnement des stations d’épuration, il permet de détecter automatiquement les molécules à des seuils de concentration inférieurs aux perceptions olfactives autour de 1ppb (permettant ainsi une excellente corrélation). C’est la solution que le SIAAP a choisi pour la surveillance des émissions de H2S dans l’air ambiant depuis de nombreuses années.
Soulignons qu'Odournet propose plusieurs plateformes de monitoiring Ortelium et EnviroSuite, Yara son site E-Nutriox et Klearios son site eDoz.
Le choix entre des solutions préventives et curatives
Deux solutions principales ont fait leurs preuves pour se prémunir de l’H2S. La première, plutôt préventive, consiste à utiliser du nitrate de calcium pour limiter la formation d’H2S. L’approche curative privilégie de son côté l’utilisation des sels ferreux pour éliminer l’hydrogène sulfuré. Enfin, la couverture des stations d’épuration reste une méthode également utilisée pour piéger les gaz rejetés et éventuellement traiter l’air emprisonné.
Titulaire d’une réelle expertise et de différents savoir-faire dans le domaine du traitement de l’air et des odeurs, Klearios propose et maîtrise des solutions techniques aussi variées que les neutralisants d’odeurs, l’injection optimisée de différents réactifs, les bio-filtres, le lavage humide, l’adsorption sur médias imprégnés, ainsi que les couvertures modulaires rigides et textiles. Mais avant tout, Klearios propose de détecter la formation d’H2S pour réaliser les diagnostics nécessaires à l’implantation et au dimensionnement des équipements. « Nous avons développé MyKlearSens, une solution autonome et communicante, qui offre une mesure et un enregistrement en continu de l’H2S en assainissement et en surveillance atmosphérique » explique Anthony Bourbane, responsable commercial chez Klearios, Service Sede environnement, filiale de Veolia. MyKlearSens H2S Mobile propose une mesure en continu vers un site Internet dédié“e-Doz” par 3G. La tête de mesure est interchangeable sur site et le logger peut-être couplée à une cellule de gaz différente afin de déceler la présence d’autres composés. « Par la lecture du synoptique du réseau, on identifie les points stratégiques (poste, exutoire de roulement, sortie usine, riverain…) et on place un ensemble de capteurs. On peut analyser ainsi d’où provient l’H2S et corréler les profils avec l’activité humaine et industrielle ». Un modem de communication intégré à MyKlearSen H2S permet de paramétrer le dispositif à distance tandis que la version sans modem transfère des données par Bluetooth sur ordinateur ou smartphone avec l’application Gasbuster.
De son côté, Yara et son service Odor & H2S solutions a développé un panel complet de procédés à la fois préventifs, tel que le YaraNutriox, et curatifs soit par traitement chimiques (sels de fers ou autres), soit par traitement en phase gazeuse par le biais de système de désodorisation. « Nous sommes aujourd’hui en mesure de prédire la formation des sulfures dans les réseaux grâce à la puissance de notre outil N-Simulator. Il permet de faire gagner du temps sans être exposé aux risques “terrain”, de réduire les coûts d’étude en ciblant directement des zones pré-identifiées et aussi de comprendre les problématiques de traitement en station d’épuration. Nous pouvons également mettre en place des essais pilotes pour valider les études théoriques afin de déterminer le choix de la solution curative ou préventive, la mieux adaptée au réseau », précise Clément Mahé, directeur technique Sud Europe chez Yara.
L’H2S se forme souvent quand de l’eau stagne pendant longtemps, donc particulièrement lorsqu’on est en présence de longs linéaires de refoulement ou lorsque les débits sont faibles. « On s’intéresse dans ce cas aux eaux parasites, et aux paramètres qui amplifient le phénomène de formation d’H2S : la charge organique, l’activité bactérienne, la concentration en éléments soufrés, et la température qui amplifie le phénomène » poursuit Anthony Bourbane.
Pour répondre à cette problématique de transformation septique des effluents dans les refoulements, UFT France a développé la technologie pneumatique Gulliver®. Quelle que soit la longueur de refoulement et du débit à transiter, « notre système permet de répondre parfaitement et simultanément aux attentes au niveau de la prévention des risques d’H2S, du caractère saisonnier de fonctionnement (évacuation complète des eaux usées du poste et de la canalisation) et de l’absence de ballon anti-bélier », soulignait Jean-Philippe Martz, gérant d’UFT France dans notre dossier EIN 394.
Adapter le traitement en fonction de la configuration du réseau
Le fait de limiter la longueur des tronçons d’un réseau permet d’éviter naturellement la formation d’H2S, mais parfois, cela est impossible. Dans ce cas, un traitement préventif s’impose et nécessite d’adapter l’intervention en fonction de la configuration du site à traiter. « Il est indispensable effectivement de faire une étude de dimensionnement pour que la solution soit la plus adaptée possible au site traité. Des mesures olfactives après mise en place de solutions constituent une bonne technique pour adapter/réajuster au mieux le traitement ou la solution choisie et vérifier sa bonne mise en place », rappelle Marie-Amélie Presser. « Toutes les solutions sont efficaces quand elles sont bien utilisées », poursuit Anthony Bourbane. « Parfois, un compresseur à air peut suffire pour chasser l’H2S, notamment sur de petits linéaires. D’autres fois, il faudra recourir à du nitrate de calcium ou à des sels ferreux. Dans tous les cas, c’est du cas par cas, d’où l’intérêt du diagnostic et de disposer de capteurs pour s’assurer de l’effcacité du traitement ».
Pour gérer l’H2S de manière stratégique sur le lieu et au moment où il est détecté, en utilisant la quantité de produits chimiques adéquate, Klearios propose depuis plus de 15 ans sa solution de traitement BioKlear, à savoir l’injection de sels de nitrate ou de sels de fer, associée à un automate de régulation communicant : DosaKlear ou ThioBox. « Le nitrate de calcium est un procédé préventif et biologique : on injecte des sels de nitrate dans le réseau, ce qui favorise le développement de bactéries dénitrifiantes et permet de limiter la formation d’H2S », explique Anthony Bourbane. Toutes les données de dosage et des effluents sont représentées graphiquement sur le site Internet dédié e-Doz permettant ainsi d’injecter les réactifs en temps réel depuis n’importe quel ordinateur ou smartphone. « En permettant un dosage approprié de réactifs de manière à supprimer pratiquement l’apparition de H2S, le système réduit fortement la consommation de réactifs quel qu’il soit, par rapport aux dosages manuels ou pilotés actuellement sur le marché ». En 2019, Klearios a mené le premier essai en France avec son armoire de traitement H2S ThioBox 2.0, sur le réseau d’assainissement en introduisant de l’eau oxygénée H2O2. Le peroxyde d’hydrogène permet en effet un traitement à la fois préventif et curatif de l’H2S et des mercaptans. Oxydant puissant, il s’est révélé efficace sur les effluents industriels avec d’importantes concentrations en H2S (> 1.500 ppm).
En traitement préventif, Yara France propose Nutriox, un mélange de sels de nitrates qui permet au site touché de ne traiter que ce qui est nécessaire pour éliminer non seulement l’odeur mais qui permet également d’éliminer les risques de corrosion et de protéger en même temps le patrimoine.
Pour contrôler la quantité strictement nécessaire de réactif à injecter, Yara a développé la gamme de contrôleurs de dosage YaraNutriox. Ces contrôleurs de dosage utilisent un modèle dynamique permettant de prendre en compte les variations des différents paramètres influant sur la formation du hydrogène sulfuré.
« Avec les sels ferreux, on vise plutôt un effet curatif en raison de la réaction qu’ils provoquent, poursuit Anthony Bourbane. Ils sont souvent utilisés lorsqu’on a des postes en cascade. Dans ce cas, on traite le dernier poste de la série ». En curatif, Klearios propose d’autres procédés comme les laveurs secs. Procédé complémentaire à l’injection de réactifs, il peuvent être utilisés quand les concentrations en H2S ne sont pas trop importantes (< à quelques dizaines en moyenne) et le plus souvent sur les ouvrages afin de traiter l’air vicié.
Spécialisé dans la production de sels ferreux, Kronos ecochem produit et commercialise ces sels pour traiter notamment la présence d’H2S sur de longs tronçons d’assainissement, car ils ont la particularité de rester stable et rémanent en raison de la faible disponibilité d’oxygène dans les réseaux. « Nous produisons 150.000 tonnes de FeCl2 par an et passerons bientôt à 70.000 tonnes de plus », explique Didier Le Baron, France Sales Manager pour Kronos ecochem. « Nous proposons du FeCl2 très pur. Nous le vendons en direct aux régies ou à des clients qui l’utilisent en déphosphoration ou pour l’élimination de l’H2S. On le livre également aux grands distributeurs de produits chimiques en France ». Pour améliorer les conditions de sécurité et préserver les ouvrages le plus longtemps possible, Kronos ecochem propose une assistance technique au produit et met à la disposition des utilisateurs ses équipes techniques pour dispenser in situ les bons conseils sur le dosage et l’utilisation du produit au mieux. « Nous conseillons à la fois le FeCl2 en préventif et en curatif, poursuit Didier Le Baron. En dosant le Kronofloc en amont d'un réseau, on empêche la formation d'H2S en aval, quelle que soit la longueur du réseau. Le Chlorure ferreux n’a qu’une seule action, celle de fixer les sulfures (S2-), avant que ceux-ci ne migrent en H2S, pour former un sulfure de fer FeS (Fe2+ + S2- → FeS). Le Chlorure ferreux n’a pas d’action parasite dans le réseau et ne forme pas de boue. Une fois arrivé en station d’épuration, le sulfure de fer (FeS) s’oxyde en ferrique, ce qui permet de faire de la déphosphatation : cela produit un effet double car on évite la formation d’H2S dans les réseaux et on fixe en complément le phosphate dans les STEP. C’est une solution économique et un seul point d’injection suffit pour traiter plusieurs km de canalisations ».
Confiner l’air vicié des STEP
Certaines stations d’épuration, généralement d’une forte capacité, privilégient la couverture des ouvrages. Bien souvent démontables, modulables et adaptables, ces bâches peuvent adopter diverses formes et se parer d’autant de matériaux que le souhaitent les fabricants qui les proposent. Pure player, Ciffa Systèmes propose la gamme de couvertures OLFACIF® spécialement conçues pour limiter les odeurs, le gel et l’évaporation. Les toiles enduites spécifiques offrent des systèmes de couvertures résistantes aux fortes concentrations de méthane (CH4) et hydrogène sulfuré (H2S). Elles sont généralement tendues sur des structures en acier, en inox ou en IPN protégés par une peinture résistante à l’hydrogène sulfuré.
Trioplast, qui est un fabricant de composites, dispose également d’un grand choix de couvertures rigides modulaires pour confiner les ouvrages disposant de mécanismes rotatifs ou alternatifs, ou autoportantes (panneaux assemblés autour d’une clef de voûte au sol puis mis en place par grutage). Maître mot des solutions proposées : la légèreté. Parmi les avantages des composites, leur caractère isolant d’où une sécurité accrue au niveau des garde-corps et des caillebotis, leurs propriétés thermiques et leur transparence aux ondes électromagnétiques qui ne provoque aucune interférence due aux charpentes. Soulignons que Trioplast propose aussi la fourniture des éléments d’accès et de sécurisation (passerelles, échelles, trous d’hommes…) aux stations d’épuration. Toujours en composite.
Autre spécialiste d’architectures textiles et bâches techniques, les fabricants de réservoirs comme Apro Industrie, Labaronne Citaf, ou encore la société Prat. « Nous avons développé des dômes métallo-textiles pour confiner les gaz des bassins d’épuration » explique Jacques Prat, président de la société éponyme. « La structure retient l’H2S, les odeurs, et évite en même temps les nuisances visuelles des bassins. L’intérêt de ce système réside dans sa simplicité : une toile de PVC est en contact avec l’atmosphère corrosive, la structure métallique est à l’extérieur et résiste à la corrosion chimique. Nous sommes les seuls à pouvoir couvrir les grands bassins de 30 à 100 mètres et exportons notre savoir-faire partout dans le monde ». Certains exploitants de STEP disposent d’installations de traitement d’air sous les dômes, notamment avec des filtres à charbon. Mais globalement, « peu de clients traitent l’air confiné », confie Jacques Prat. L’entreprise travaille principalement avec des clients hors de France, dans le golfe Persique ou en Afrique du Nord. Car côté coût, il faut compter 250 euros par mètre carré, soit environ 700.000 euros pour un bassin de 60 mètres. Autant dire, un budget important pour une collectivité.
Neutraliser les émanations
Autre solution, les produits neutralisants. Ces formulations adaptées au type d’odeurs à traiter sont mises au point pour chaque application et permettent d’obtenir une réaction d’abattement des odeurs avec un ratio de 70 à 95 % selon les cas. Biothys, Klearios et Westrand fournissent ce type de produits assortis des équipements nécessaires à leur application.
Biothys développe depuis 30 ans des neutralisants brevetés, spécifiquement dédiés au secteur de l’eau. « Dans le domaine de l’assainissement, nous proposons un complexe de neutralisants d’odeurs à forte rémanence et à large spectre d’action, explique Michael Luccisano de chez Biothys. Gelactiv® inhibe les odeurs de manière à rendre les molécules odorantes non perceptibles au nez ».
Le produit, disponible en deux versions selon que l’on doive faire face à des composés soufrés (Gelactiv® SHK) ou à des composés ammoniaqués (Gelactiv® NHK), se présente sous la forme d’une matrice polymérique suspendue au sein du réseau ou d’un avaloir. Son efficacité s’étend sur 3 à 4 mois en fonction des conditions climatiques. Il est mis en œuvre dans plusieurs grandes villes en Europe et dans le monde. Simples à utiliser et économiques, ces produits savent s’adapter à la configuration de chaque réseau en utilisant les flux d’air naturels pour traiter les mauvaises odeurs.
Les produits neutralisants d'odeurs, proposés par Westrand reposent sur un mélange de produits chimiques et d’huiles essentielles. Non toxiques, biodégradables, les principes actifs ne se contentent pas de masquer les mauvaises odeurs, ils se combinent aux groupements malodorants pour les neutraliser. « Nous proposons dans 95 % des cas des traitements par vaporisation d’un produit pur (sans eau), selon la technique de traitement dite de “vapeur-sèche”. Cette technique permet d’abattre les odeurs et les gaz dans des atmosphères saturées en humidité. L’utilisation d’un produit pur (sans eau) augmente l’efficacité du traitement avec comme avantages principaux, le faible débit de produits (entre 40 ml/h et 200 ml/h - en fonction du volume/débit) à traiter et de l’intensité de l’odeur rencontrée, pas d’utilisation d’eau (traitement écoresponsable), une maintenance réduite », résume Arnault Gaudron, ingénieur commercial nord-est chez Westrand.
Lorsqu’une grande quantité d’H2S est mesurée sur les postes de refoulement, Klearios propose une solution permettant d’extraire l’air vicié. Il s’agit de CarboKlear, une tour à charbon actif, qui permet de capter l’air de l’ouvrage et d’éliminer l’H2S présent. Ce système permet d’éviter les odeurs désagréables et empêche la stagnation d’H2S dans le réseau. L’utilisation de charbon actif sur les postes de refoulement est complémentaire aux réactifs chimiques qui sont injectés sur le réseau. Les neutralisants d’odeurs sont également associés à ces technologies et permettent de réduire la concentration d’odeurs.
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