Traitement des nuisances olfactives par photocatalyse et charbon actif dans les stations et tunnels de métro

Christine PARFAIT

TRAITEMENT DESNUISANCESOLFACTIVES PARPHOTOCATALYSE ETCHARBONACTIF DANSLESSTATIONS ETTUNNELSDEMETRO

Les odeurs ~t la RATP font pattie de l'histoire de l'entrepfise. D~s sa raise en service en 1900, le m4tro a dfl faire face ~ des probl~mes de g4ne olfactive et pendant longtemps, les nuisances ont 4t4 trait~es par l'hygi~ne et la propret4. Des essais ont 4t4 men4s sur l'odofification des tames de m~tro/t la citronnelle dans les ann4es 30. Mais c'est r4ellement en 1993 que la RATP s'est pench4e sur le sujet, d4cidant d'approfondir scientifiquement les connaissances dans ce domaine. C'est ainsi que le m~tro parisien est devenu un terrain d'exp4fimentation pour des 4quipes de recherche f4d4r4es au sein du Club CRIN ,, Traitement des nuisances olfactives ,,. D'ores et d~j~tdes campagnes d'analyses ont pennis d'identifier et de quantifier les substances et produits h

Docteur en Pharmacie, Responsable de I'entite Expertise de la Qualite de I~Air~ la RATR

Andr~VILLANOVA

Ing~nieur dipl6m~ de l'Ecole Sup~rieure de l'l~nergie et des Materiaux, charge d'etude la RATR

l'ofigine des nuisances olfactives. Elks se compl~tent d'~tudes psychosociologiques qui visent h ~valuer la perception des odeurs par les voyageurs. Des ~tudes olthctom~tfiques ont permis d'~tablir une cartographie d6taill~e du ressenti olfactif selon les intensit~s d'odeurs, sur le site m~tro et RER de CMtelet-Les Halles.

Ce texte a fait l'objet d'une presentation sous forme de poster au Carvefour PREDIT qui s'est tenu h Lille les 23, 24 et 25 mars 1999.

D6s h pr6sent d~butent les ~tudes consacr&s aux proc~d~s de traitement. Deux voies sont en cours d'~valuation, l'adsorption de compos~s soufr~s sur charbon actif et la d~gradation mol~culaire par photocatalyse.

Eanalyse olfactom~trique, r~alis~e en deux saisons par un panel d e , nez, specialists, r~v61e une perception d'odeurs fr~quentes et vari6es provenant essentiellement du materiel roulant (freins et caoutchouc chaud...) et des voyageurs. Ces odeurs proviennent aussi plus localement des installations fixes (eaux stagnantes, ~gouts...) et patrols, de produits d'entretien. Le nombre de perceptions oKactives est plus important en hiver qu'en ~t~.

Les conclusions de ces actions permettront d'offrir un meilleur confort aux voyageurs du m~tro. Elles pourrout ~galement ~tre transpos~es d'autres sites industriels.

Revue g~n~rale des chernins de fer - 0035-3183/99/06/© Elsevier,Paris

II

La perception des odeurs

B

Le m~tro est jug~ assez n~gativement par los voyageurs en ce qui concerne la qualit~ des ambiances et le confort alors qu'il est appr~ci~ pour sos aspects fonctionnels. Les odeurs y sont ressenties comme bien sp~citlques et composent un environnemerit olfactif tout ~ fail particulier qui lui conf~re son identitY. Cependant ce paysage olfactif est parfois v~cu comme une nuisance ; ainsi les odeurs de sous-sol et los odcurs humaines sont per~ues comme particuli~rement d~sagr~ables et g~nantes, contraltomerit k cellos des produits d'entretien, ce qui correspond, semble t-fl, fi des images tout ~ fait diff~rentes des sources ~voqu~es. Los ~manations humaines semblent davantage renvoyer/t un manque d'hygi~ne et fi une promiseuit~ v~cue avec autrui comme particuli~rement insupportable dans l'espace public. Alors que los produits d'entretien ~voquent la propret~ et du m~me coup la s~curit~ et l'ordre. IJutilisation des mesures olfactom~triques pour d~terminer l'exposition des voyageurs am,: odeurs a perre_is de mettre en ~vidence l'~cart entre les dimensions objectives et subjectives de l'environnement olfactif.

I

La composition des odeurs

Eanalyse physico-chimique des diff~rentes sources odorantes a permis, outre la raise au point de m~thodes analytiques sp~cifiques, l'identification des principaux compos~s odorants de chaque source. La circulation automobile est une source majeure de C.O.V (1) dans l'air de la RATP et constitue le bruit de fond avec des concentrations de quelques dizaines de microgrammes par m~tre cube pour les compos~s les plus importants. Lea autres sources (malAriel roulant et installations du m~tro, produits d'entretien, prgsence httmaine...) ont pennis de mettre en ~vidence les principaux indicateurs /t l'origine des ~missions olfactives.

(1) C.O.~ : Compos~sorganiquesvolatils.

IN

P E R C E P T I O N D E S O D E U R S D A N S LE M E T R O R6sultats d'enqu6tes voyageurs h ~ mauvetses oOeu~

nulsent J hem r 6 |o~S4~* r ~ 8 ~ ! mauvait fat saiL* s~ ~;8 s~nt ms~vaJs c'4m~qMe r a t eM polio6

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Fig. 1. - R~sultats d ' e n q u ~ t e s voyageurs visant fi gvaluer la p e r c e p t i o n d e s o d e u r s darts le mgtro.

Los caract~risations chimiques des sources ont servi de base ti l'application de traitements visant/~ diminuer los niveaux de COV et notamment des compos~s/~ impact olfactif. Ellen ont ~galement contribu~ ~ modifier certains comportements ou habitudes rencontr~es darts l'exploitation du r~seau. Ainsi, lYtude des ~missions des puisards de quai et d'escaliers m~caniques a montr~ que ces installations n'~taient pas toujours r~guli~rement entretenues et que des nettoyages plus frdquents emp~cheraient que ne stagnent los eaux et que ne soient

~mis los compos~s fortement odorants li~s/~ cette source. De m~me, los travaux effectu~s sur los produits li~s au fonctionnement de la RATP ont permis de valider les produits de nettoyage employ~s sur le r~seau pour ~viter d'introduire des compos~s pr~occupants s u r u n plan sanitaire dans un milieu aussi frequent& Ce travail a mis en ~vidence la difficult~ d'effectuer des operations de masquage sur site du fait des mouvements d'air al~atoires. Le ressenti de cos mises en parfum est tr~s faible-

O R I G t N E t ! I NATI3RV DES N U I S A N C [ L S O L F A C I ' I V E S M al~riel roulanl el installations du m ~tro

Produits d'enlretien

Terp~n¢* HAM

Cempos*s

esyl~m~s Fretu s

A tides carbosyltque. C t

V oy a g e u r s

osyR~nl~s

Hlydrocarbures

CS

]PuJsards

(¢~fomem,

aldtbldesl Hydroctrbures C o m pes~s

Colts pes~| 8oafr~s (H 2S, R $ H )

NH3 Alcanes CS HAM

k C12

,

Fig. 2. - O r i g i n e e t nature d e s nuisances olfactives dims l'enceinte du m~tro.

m ment per~u alors que les quantit~s de polluants ajout~es darts l'atmosph~re de la station sont parfois importantes.

En travaillant en r~gime statique, des concentrations en H2S importantes par rapport ~ celles rencontr~es dans le m~tro, on a montr~ que l'on pouvait ~liminer de grandes quantit~s de H2S 0usqu'~ 600 mg/g de charbon acti0. De plus, la presence d'humidit~ aecdl~re la cin~tique d'~limination. Ce r~sultat est int~ressant car l'atmosph~re du m~tro a une humidit~ relative de 30 ~ 40 %.

De nombreux traitements au niveau des sols ct des b~tons ont d~j~ ~t~ essay,s pour supprimer les t~missions d'hydrog~ne sulfur~ dans les tunnels autour de Ch~telet-Les Halles, sans beaucoup de succ~s ou avec un cofit trop important et des interrogations quant h la p~rennit~ de l'effcacit~ dans le temps de ces travaux.

I

Les traitements envisages

Ne pouvant r~soudre globalement le problCme des odeurs dans le m~tro, du fair de sa complexitY, la RATP a odent~ ses actions sur le tmitement des compos~s soufr~s. Ce travail constitue le cadre d'un projet PREDIT auquel sont associ~s les laboratoires Photocatalyse, Catalyse et Environnement - CNRS , de l'Ecole Centrale de Lyon et ,, Chimie des nuisances et g~nie de l'environnement, de l't~cole Nationale Sup~deure de Chimie de Rennes. ,,

La premiere phase du travail vise ~tudier les performances de d~gradation de H~S par du tissu de charbon actif dans une situation hydrodynamique particuli~re. En effet, les zones de production rencontr~es dans les tunnels du m~tro sont tr~s localis~es. Les gaz sont ~mis par des fssures situ~es dans les ma~onnedes. Une phase d'~tude th~odque a permis de d~terminer les cin~tiques de r~action, les m~canismes de diffusion et de transfert limitant. Un pilote, install~ dans la station Pyramides de la ligne 14, permettra de tester dans des conditions r~elles d'exploitation l'efficacit~ du charbon actif. La deuxi~me phase du travail est de coupler au charbon actif un proc~d~ photocatalytique, qui pr~sente l'int~r~t de d~truire les poUuants.

Fig. 3. - Syst~me de t r a i t e m e n t p a r charb o n actif- B a n e P I C A de r E N S C R .

La photocatalyse a ~t~ test~e en laboratoire, elle a montr~ de boris r&sultats dans la d~gradation de l'acide pentanoique, du limon~ne et de I'H2S. Ces composds sont ~mis respectivement par les syst~mes de freinage et les produits d'entretien. Tr~s sch~matiquement, la photocatalyse repose sur l'activation d'un solide sembconducteur, le dioxyde de titane (TiQ), par de la lumi~re U~. Les changements ~lectroniques provoqu~s par cette activation an sein du T i Q et par une succession de r~actions chimiques impliquant l'oxyg~ne de l'air d~gradent les polluants jusqu'h ce que le carbone organique soit compl~tement transform~ en CQ.

Un pilote en r~gime semi-statique a ~t~ dtudi~ afn d'approcher au mieux les conditions rencontr~es lors de l'application. Pour simuler les conditions a~rodynamiques particuli~res, une atmosphere charg~e en polluant a ~t~ isol~e ~ l'aide d'une toile de charbon actif. Le c6t~ ext~deur de la tote est balay~ par un courant d'air, afin de simuler la ventilation dans les tunnels. Les premieres conclusions montrent que cette toile de charbon aetif permet d'isoler efficacement l'atmosphere non pollute de l'atmosph~re contamin~e en H2S. Ce filtre de 15 cm2 s'est av~r~ efflcace pendant environ 7 jours pour isoler une atmosphere pollute ~t 20 ppmv en H2S. I1 faut noter qu'apr~s la perc~e du filtre, la fuite maximale observ~e est de l'ordre de 2 ppmv. Une application int~ressante du flltre est la possibilit~ de traiter une contamination accidentelle de la zone non pollute. On peut donc penser que lors de l'application sur site, les miles auront un double r61e : • ~puration de l'air charg~ en H2S lors des dmanations bact~riennes ; • ~puration de l'air du tunnel en cas de pollution accidentelle.

I

R~sultats des premiers travaux

Les travaux men~s au laboratoire Chimie des Nuisances et G~nie de l'Environnement ont montr~ que les miles de charbon actif poss~daient de tr~s bonnes capacit~s d'~limination de H2S car, en plus de l'adsorption classique, on observe une d~gradation de H~S sur les toiles.

Les travau:3men~s par le laboratoire CNRS de l'Ecole Centrale de Lyon, dans le cadre d'une th~se cofmanc~e par la RATP et I'ADEME, ont montr~ que la d~sodorisation par photocatalyse h~t~ro@ne sur TiO2 est efflcace en ce qui concerne l'acide pentano'ique, compos~ malodovant produit par les syst~mes de freinage et par la presence humaine. Plusieurs personnes du labomtoire ont servi de ,, nez ,, et aucune d'entres elles n'a per~u d'odeur en sortie de r~acteur ;

m

pas plus qu'une odeur nouvelle que celle de l'acide pentanoique. Ce laboratoire a montr6 qu'en r~gime dynamique, avec un d6bit d'air de 10 mL/rnin, une pression partielle d'acide pentanoique de 0,5 torr, et une irradiation UV potentiellement absorbable par Ti02 de 2,6.10 is photons par seconde h 365 nrn, environ 8 grnol/h d'acide pentanoique sont converties en C02. I1 n'a pas ~t6 mis en 6vidence la presence de produits interm6diaires en phase gazeuse en r~gime dynamique, rn6me en recuefllant les produits dans des cartouches contenant dn charbon actif et sur des fibres SPME (Solid Phase Micro Extraction). En r4gime statique et en pr4sence de fortes concentrations d'acide pentano'ique, plusieurs interm~diaires ont ~t6 d6cel~s dans la phase gazeuse. I1 s'agit des acides carboxyliques lindaires de C1 CA, des aldehydes de C2 ~t CA, et des alcools primaires de C2 ?~C4. La formation d'hydrocarbures l~gers (m~khane, ~thane, ~th~ne, propane et propane) a ~galernent ~t4 observ~e.

Les produits d6tect6s en r~gime statique doivent se former en r6girne dynamique, rnais /t de tr6s faibles concentrations, ce qui est tr6s rassurant d'un point de vue toxicologique. Le laboratoire a aussi identifi6 les produits interm6diaires extraits de la toile de fibre de verre supportant le TiO 2. Ce sont les acides carboxyliques de C1/~ C4, l'acide propanedioique, l'acide 2-hydroxypropanoique, l'acide 4-oxopentanoique et probablernent l'ac~tald6hyde. Ces prodnits sont min6ralis6s, ce qui explique qu'ils ne sont pas ddtect~s en phase gazeuse. I1 a 6t~ 6tabli que la vitesse de d6gradation photocatalytique du limon~ne, compos~ contenu dans les produits d'entretien, est maximale pour un degr~ d'humidit~ relative correspondant /~ celui de l'atrnosph~re du rn~tro. De telles d~gradations de molecules pourraient permettre de r~duire la charge en polluants de l'atmosph~re donc de concourir h une meilleure qnalit~ de Fair.

II Perspectives du proiet Ce programme permettra de progresser dans la connaissance des transferts de masse gaz-solide, en particulier dans l e c a s d'une rnise en oeuvre passive de supports associ~s ou non h des r~actions de photocatalyse.

On trouvera une mise en oeuvre active (aspiration de Fair, lampe UV et non 6elairage ambiant) dans l'application de l'~lirnination par photocatalyse, des polluants et des odeurs ~t l'int~rieur d'un habitacle roulant ou dans des espaees off cela peut ~tre possible. Les consequences attendues au plan scientitlque sont donc multiples et perrnettront de cornpl6ter les ~tudes sur les r~actions photocatalytiques (rn6canisrnes, cin6tiques, caract~ristiques du solide...) ainsi que les caract~risations des performances de ce syst~rne vis-~tvis d'odeurs de polluants types, Ces ~tudes permettront de dirnensionner un syst~me de traiternent de Fair adapt6 au cas du rn6tro parisien.

REVUE GENERALE DES CHEMINS DE FER

O U l , je souhaite recevoir le "M~dia Kit" et les informations utiles/l la r~alisation d'un plan m~dia. [] Melle [] Mine [] M. Nom ...................................... Pr~nom ........................... Fonction .........................................................Soci~t~ ........................................................ ........... ...... Code:postal ............................ Ville . . . . . . . ~;x . . . . . . . . . . .............................................. T&: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .'. . . . : . . . . . . :' : ................. ....

C. PARFAIT A. VILLANOVA Traitement des nuisances olfaalves par photocatalyse et charbon actif darts les stations et tunnels de m~tro

Le traitement des nuisances olfactives dans le m~tro parisien a dt~ l'objet de nombreux travaux de recherche. Des Etudes men@s en partenariat entre la RATP et des universit~s ont permis de connaitre la perception et l'~valuation des odeurs dans diff~rentes stations par les voyageurs. Les compos~s presents dans l'environnement m~tro et les sources impliqu@s ont ~t2 d~termin~s lors de campagnes de mesures. Des travaux de laboratoire ont mis en dvidence l'int~r~t du charbon actif et de la photocatalyse dans le traitement des composes odorants. La RATP souhaite tester, dans son environnement, l'efficacit~ de ces deux procEd~s.

Treatment of unpleasant odours by photocatalysis and active carbon in metro tunnels A lot of research has been carfled out on treatment of unpleasant odours in the Paris metro. Studies carried out in partnership with the RATP and universities have made it possible to identify the way in which commuters perceive and assess odours in the various metro stations. The compounds present in the metro environment and the sources involved have been identified during measurement campaigns. Laboratory work has shown that active carbon and photocatalysis are effective in the treatment of odorous compounds. The RATP intends to test the effectiveness of these two processes in its environment. Behandlung der Geruchsbeliistigung mittels Fotokatalyse und Aktivkohle in den Stafionen und Tanneln der Metro Die BekSmfung der Geruchsbel/istigung in der Pariser Metro war Gegend zahlreicher Unter-

snchungen. In Zusammenarbeit zwischen der RATP und den Universitfiten durchgeffihrte Studien haben es erm6glicht, in Erfahrung zu bringen, wie die Reisenden die Gel-fiche in den verschiedenen Metrostationen empfinden nnd bewerten. Bei Messkampagnen wurden die in der Metroumgebtmg vorhandenen gerncherzengenden Verbindungen sowie die daffir verantwoalichen Quellen ermittelt. Bei Laborarbeiten wurde die Bedeutung der Aktivkoble sowie der Fotokatalyse bei der Bekfimpfung der gerncherzeugenden Verbindungen herausgestellt. Die RATP m6chte die Wirksamkeit dieser beiden Verfahren in der Metroumgebung erproben.

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P.I~. GAUTIER C. TALOTTE P. FODIMAN La recherche/l la SNCF pour la r~duction du bruit des trains Le bruit ferroviaire, un des seuls points faibles environnementaux de ce mode de transport, a fait l'objet de recherehes de base permettant tout d'abord de comprendre et rdduire le bruit de roulement. Ce deruier est en effet la source principale dn bruit des trains, pour les vitesses classiques, et sa reduction reste d'actualitE compte tenu de la pression institutionnelle pour la rdduction du bruit des trains de fret. Des gains sur le bruit dmis allant jusqu'/t 10 dB(A) ont ddj~ dt~ obtenus avec les solutions de r~duction ddjh op~rationnelles sur TGV (travail de rdduction de la , rugositd odes roues). Par ailleurs, le module TWINS a mont_r6 que des r~ductions suppldmentaires impliquent une action sur la voie. Des prototypes combinant optimisation des roues et de la vole ont permis de faire apparaltre des gains sur le bruit de roulement allant jusqu'/~ 7 dB(A) pour le fret comme pour les TGV. A grande vitesse, l'efflcacit~ de solutions agissant sur le bruit de roulement est diminude par le bruit a~rodynamique, qni a par

ailleurs fait l'objet d'un travail approfondi h trois niveanx : - identification des sources pr~dominantes et de leurs m~canismes de g~n~ration, - ~valuation sur maqnettes /t ~chelle r~duite de potentiel de r~duction de ces sources. Des pistes ont ainsi Etd identifi~es, - mod~lisation plus g~ndrale des Ecoulements permettant ultErieurement la prdvision et la rdduction du bruit a~rodynamique. Les r~sultats de ces recherches permettent la construction de modules globaux d'dmission du bruit ferroviaire, de construire des normes de mesure qui seront mieux adapt@s au contexte europ~en, et laissent envisager l'Evaluation globale sur le rdseau du potentiel optimal de protection des riverains selon diff~rents scdnarios variant avec le niveau acoustique pris pour objectif et le cofit de mise en oeuvre.

-identification of the prime sources and the mechanisms generating this noise, - a s s e s s m e n t on small scale models of the potential for reducing these sources of noise, - m o r e general modelling of noise flows to be able to foresee and diminish aerodynamic noise subsequently. The findings of this research have been used to build global railway noise emission models, to establish measurement standards better adapted to the European context and as a result, it is now possible to make an overall assessment on the network of the optimal potential for protecting local residents with different scenarios which vary according to the acoustic level targeted and the cost of implementation.

Research at SNCF to dimim'sh train noise

Der Eisenbahnlfirm, einer der wenigen schwachen Punkte dieses Verkehrsmittels in puncto Umwelt, war Gegenstand grundlegender Untersuchungen, die es erm6glichen, das Rollgerfiusch zun/ichst einmal zu effassen und zu reduzieren. Dieses Rollgergusch ist in der Tat die Hauptquelle fiir die Verursachung des Zuglfirms bei den herk6mmlichen Geschwindigkeiten, und seine Herabsetzung bleibt in Anbetracht des Drucks seitens der Beh6rden, den IArm der Giiterzfige zu verringern, aktuell. Anhand der bereits auf den TGV angewandten L6sungen zur IArmverringerung (Arbeiten zur Verringernng der ,,Ranhigkeit" der R/kter) wurden schon Verbesserungen in bezug auf die IArmemission yon bis zu 10 dB(A) erzielt. Dafiiber hinaus hat das Modell TWINS gezeigt, dass weitere IArmveningerungen eine Behandlung des Gleises efforderlich machen. Anhand von Prototypen, bei denen optimierte RMer und Gleise kombiniert wnrden, konnten Verbesserungen in bezug auf das Rollgerfiusch yon bis zu 7 dB(A) beim Gfiterverkehr sowie beim TGV erzielt werden. Bei hoher Geschwindigkeit wird die Wirksamkeit yon

Railway noise, one of the only environmental weak points of this transport mode, has been the subject of fundamental research making it possible firstly to understand and diminish train running noise. The latter is indeed the prime source of train noise for conventional speeds and noise reduction is still a topical concern given the pressure exerted by institutions to reduce freight train noise. Noise emission has been diminished by as much as 10 dB(A) with noise abatement solutions that are already operational on TGV trains (wheel roughness has been reduced). Furthermore, the TWINS model has shown that additional reductions call for action on the track. Prototypes combining wheel and track optimisation have shown that train running noise can be reduced by as much as 7 dB(A) for freight trains and for TGV trains. At high speed the effectiveness of solutions with an impact on train running noise is diminished by aerodynamic noise which has been studied in depth at three levels :

Die Untersuchungen zur Verringerung des Zugl/irms bei der SNCF

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