comment fonctionne la desinfection

Jean Pierre Veyrenche

Description

Concept AQUASURE Le concept consiste en une pastille bi couche permettant de potabiliser l’eau par le moyen d’une double action. La coagulation / floculation, dans un premier temps, puis la chloration dans un deuxième temps. Une fois la pastille introduite dans l’eau souillée, la couche contenant les agents coagulants et floculants se délite instantanément ; il suffit d’agiter le liquide pour répartir les agents coagulants et floculants de façon homogène. Grâce aux coagulants et floculants, les particules en suspension, chargées négativement dans l’eau turbide à clarifier, sont neutralisées (par le système coagulant cationique) et s’agrègent (grâce au système floculant anionique) pour former des flocs qui deviennent plus cohésifs, plus volumineux et plus denses que l’eau assurant une décantation rapide au fond du récipient. Une fois la phase de décantation terminée (eau devenue claire), la couche contenant l’agent chloré se délite progressivement et libère le chlore « libre », également appelé «actif », dans l’eau et réalise la désinfection. Cette couche contenant l’agent désinfectant a la particularité de flotter en surface, lui permettant de ne pas être recouverte par les flocs, évitant ainsi le développement éventuel de dérivés chlorés (THM) dangereux pour la santé humaine. Le taux de chlore résiduel libre varie généralement dans l’eau traitée entre 0,5 et 0,8 mg/L Principe de fonctionnement de la désinfection avec ...

Informations

• Publié par: Ontea
• Nombre de lectures: 384
• Langue: Français

Extrait

1

Concept AQUASURE

Le concept consiste en une pastille bi couche

permettant de potabiliser l’eau par le moyen d’une

double action. La coagulation / floculation, dans un premier temps, puis la chloration dans un

deuxième temps.

Une fois la pastille introduite dans l’eau souillée, la couche contenant les agents coagulants et

floculants se délite instantanément ; il suffit d’agiter le liquide pour répartir les agents coagulants et

floculants de façon homogène. Grâce aux coagulants et floculants, les particules en suspension,

chargées négativement dans l’eau turbide à clarifier, sont neutralisées (par le système coagulant

cationique) et s’agrègent (grâce au système floculant anionique) pour former des flocs qui

deviennent plus cohésifs, plus volumineux et plus denses que l’eau assurant une décantation

rapide

au fond du récipient.

Une fois la phase de décantation terminée (eau devenue claire), la couche contenant l’agent chloré se

délite progressivement et libère le chlore « libre », également appelé «actif », dans l’eau et réalise la

désinfection. Cette couche contenant l’agent désinfectant a la particularité de flotter en surface, lui

permettant de ne pas être recouverte par les flocs, évitant ainsi le développement éventuel de dérivés

chlorés (THM) dangereux pour la santé humaine.

Le taux de chlore résiduel libre varie généralement dans l’eau traitée entre 0,5 et 0,8 mg/L

Principe de fonctionnement de la désinfection avec AQUASURE

La désinfection est possible grâce au dichloroisocyanurate de sodium (DCCNa) qui, réagissant au

contact de l’eau, libère du chlore « actif » (acide hypochloreux (HC lO

-

) et hypochlorite de sodium

(Na

+

ClO

-

) suivant le pH de l’eau), qui est l’agent biocide et de l’isocyanurate de sodium (non

toxique).

Le DCCNa, 2H

2

O titre 27,7% en élément Chlore. Le chlore « libre » ou « actif » correspond au

chlore dont le degré d’oxydation est +1 (HC lO et C lO

-

). Comme les deux atomes de chlore du

DCCNa sont au degré d’oxydation +1, le taux de chlore libre libérable par le DCCNa, 2H

2

O

est

de 55,4%. Lors de l’hydrolyse du DCCNa, et compte tenu des équilibres des espèces hydrolysables

ci-dessous, le DCCNa relargue en quelques secondes de l’acide hypochloreux en équilibre avec les

isocyanurates chlorés. Le DCCNa joue, en quelque sorte, le rôle de réservoir de chlore actif

disponible, et le relargue au fur et à mesure de la consommation de HC lO. La concentration

stationnaire en chlore libre varie en fonction du taux de chlore actif relarguable et de la demande

en chlore du milieu traité :

2

Dichloroisocyanurate Na

Monochloroisocyanurate Na

Isocyanurate Na

Na

+

Cl

2

cy

-

+

H2O (excès)

↔

HC lO

+

Na

+

HC lcy

-

+ H2O (excès)

↔

HC lO

+

Na

+

H

2

cy

-

Les deux réaction

successives A

↔

B + D et B

↔

C + D sont équilibrées mais très rapides (la 1

ère

étant encore plus rapide que la seconde).

Les constantes d’hydrolyse (kh) sont respectivement de 3,1.10

-5

M.L

-1

et

2,3.10

-6

M.L

-1

La constante de vitesse pour la réaction B -- > C + D est k

1

=0,17 s

-1

et celle de la réaction inverse

C + D -- > B est k

-1

= 7,4.10

4

M

-1

L s

-1

Le temps de demi réaction dans le sens direct (B -- > C + D) est = Ln2/k

1

= 4,08 s

Le temps de demi réaction dans le sens inverse (C + D -- > B) est = 1/ (k

-1

.B

0

) = 2,08 s pour une

concentration en DCCNa = 2.10

-5

M.L

-1

caractéristique de Aquasure. Ces temps caractéristiques

sont du même ordre de grandeur et les équilibres sont atteints en quelques secondes.

A partir des constantes d’hydrolyse de ces deux réactions successives, le calcul de la composition

de la solution lorsque l’équilibre est atteint, est reporté ci-dessous :

DCCNa, réservoir de Chlore actif

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

80,0

90,0

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

[DCCNa,2H2O] introduit (mg/L)

% massique eq. Cl

HClO + ClO-

Cl2cy-

HClcy-

Ces réactions successives montrent l’existence d’un équilibre de concentration en

chloroisocyanurates tant que la demande en chlore actif ne consomme pas celui qui est libéré par

l’hydrolyse du DCCNa, suivant la loi d’action de masse appliquée aux deux équilibres

A

↔

B + D

et

B

↔

C + D :

Cela signifie, par exemple, qu’en partant d’une concentration initiale de 2.10

- 5

M L

-

1 de Cl

2

cy-

(correspondant à 5 mg/L de DCCNa, 2H2O), la fraction réagie exprimée en chlore actif libre ne

dépassera pas 46 % tant que la demande en HC lO + C lO

-

sera nulle. Les 54 % de chlore actif

disponible mais non libéré se répartissent entre le dichloroisocyanurate (31%) et le

monochloroisocyanurate (23%).

Si l’on considère un taux de chlore actif disponible de 1 mg/L (correspondant à 1,8mg/L de DCCNa,

2H2O), le chlore actif

libre représentera environ 61% et

les 39% de chlore actif non libéré se

répartiront entre le dichloroisocyanurate (16%) et le monochloroisocyanurate (23% ).

Au-delà de ce seuil, le DCCNa s’hydrolysera progressivement pour rétablir l’équilibre, jusqu’à

épuisement total du DCCNa introduit dans le milieu réactif. Le DCCNa ne libère en quelque sorte du

chlore actif qu’à la demande, mais très rapidement.

3

Cette cinétique montre également que l’effet de « réservoir » de chlore augmente en valeurs absolues

et relatives avec le taux de DCCNa introduit.

L’acide hypochloreux provoque l’hydrolyse des chaînes peptidiques des membranes cellulaires des

micro-organismes.

Or le taux de HC lO présent dans une solution aqueuse d’hypochlorite est fonction du pH,

conformément à l’équilibre suivant :

HC lO

↔

H

+

+

C lO

-

K = ([H

+

][C lO

-

])/[HC lO] = 2,9 .10

-8

pK =

7,54

La fraction présente de HC lO dans la solution est :

[HC lO]/ ([HC lO] + [C lO

-

]) = 1 / (1 + [C lO

-

])/ [HC lO]) = 1 / (1 +10

(pH-pK)

)

(a)

Cela signifie qu’à pH = pK, l’acide hypochloreux représente 50% du taux de chlore libre total dosé.

La courbe ci-dessous traduit l’équation

(a)

:

fraction HC lO libéré / total HC lO + C LO -)

0,000

0,100

0,200

0,300

0,400

0,500

0,600

0,700

0,800

0,900

1,000

5

6

7

8

9

10

pH

fraction HCLO

Comme le pouvoir biocide (*) de HC lO est environ 100 fois plus important

que celui de l’eau de Javel (C lO

-

+ Cl

-

), laquelle n’agit que par son action

oxydante de ClO

-

, cette courbe traduit –à un facteur 100 près -, en fonction du

pH de l’eau, le pouvoir biocide du DCCNa comparé à celui de l’eau de Javel.

A pH 6,5 par exemple, une solution aqueuse contenant du DCCNa présente

une activité biocide environ 90 fois plus active que celle d’une solution

d’hypochlorite, à même concentration.

La capacité biocide de la solution varie et diminue lorsque le pH augmente. A

pH > 9 la solution aqueuse n’a pratiquement plus de supériorité par rapport à

l’eau de Javel. Mais le pH de l’eau destinée à la boisson est en général compris

entre 6 et 8, ce qui justifie d’autant plus l’emploi de DCCNa en tant que

précurseur biocide.

4

La désinfection par chloration simple implique un dosage de 2 à 3 mg de chlore libre /L pour

produire une concentration en chlore libre convenable, avec un temps de contact préconisé

de 30

min, mais ceci n’est qu’une valeur indicative : la quantité de chlore à utiliser dépend de la qualité de

l’eau à traiter. Il faut une concentration en chlore libre

≥

0,5 mg/L, après au moins 30 min de contact

à un pH

≤

8, pour une désinfection efficace.

Le DCCNa ne libère, lorsque le taux de chlore libre est d’environ 1 mg/L dans les solutions

aqueuses, qu’environ 60% de chlore libre (sous forme de HC lO et C lO

-

) par rapport au chlore total

libérable, et cet équilibre demeure jusqu’à ce que la présence de micro-organismes, de matières

organiques ou azotées exigent du chlore. Ce relarguage de chlore latent offre de plus grandes

capacités désinfectantes au DCCNa comparativement aux hypochlorites inorganiques.

(*) Costigan, S.M. Co mparison of the Germic idal Effic iency of Hypochlorites of High and Low A lka linity J. of

Bacteriol. 1937, 34, 1-7.

Pourquoi

le DCCNa ?

Dans les années 50, la chloramine T (sel de sodium de la N-chloro-4-méthylbenzène sulfonamide) a

été la seule molécule facile d’emploi permettant de purifier par voie chimique les eaux destinées à la

boisson des troupes en campagne. Ce produit est un désinfectant lent dont l’efficacité est grandement

affectée par la présence de matières organiques et s’est avéré nettement moins performant que

l’hypochlorite de sodium. Le chlore libéré se trouve sous forme combinée, relativement peu actif.

Les comprimés de chloramine T sont lents à se dissoudre et nécessitent d’être fragmentés. C’est

pourquoi ce produit a été remplacé par le dichloroisocyanurate de sodium (DCCNa), beaucoup plus

actif, dans les années 90 par certaines armées étrangères et organismes internationaux (Croix Rouge,

UNICEF...).

L’OMS a remplacé l’hypochlorite de sodium par le DCCNa dans la liste des médicaments essentiels,

publiée en 1998.

Le DCCNa a obtenu en F rance l’homologation du M inistère de la Santé pour son emploi dans la

désinfection de l’eau de boisson destinée à la consommation humaine

sous la marque Aquatabs

®

(références des homologations N° 980119 du 03 mai 1999 pour le traitement de 1 litre d’eau

d’alimentation et N° 010014 du 17 octobre 2001 pour le traitement de 10 litres).

Le DCCNa est agréé par l’US EPA et est utilisé comme désinfectant par de nombreuses

municipalités aux Etats-Unis.

Le dichloroisocyanurate de sodium dihydrate (N° CAS 51580-86-0 et N° EC 220-767-7), mis en

oeuvre dans AQUASURE, a été notifié pour l’application P T5 dans le cadre de la directive Biocide

98/8/CE (Annexe II du Règlement 2032/2003)

.

Le large spectre d’action de la pastille AQUASURE permet de traiter de l’eau :

-à un pH compris entre 5 et 8,5

-pour des turbidités de 40 à 2000 NTU

-à une température variant de +2 à

>+35°C

-pour des salinités conduisant à des conductivités jusqu’à 2000 μS/cm

5

Efficacité du traitement

Les micro-organismes sont plus ou moins résistants à l’attaque du chlore. S uivant leur nature, la

demande en chlore pour les inactiver varie en conséquence.

Par ordre de résistances croissantes au chlore, les plus sensibles au chlore sont les virus (virus

hépatite A, poliovirus, rota virus), les bactéries (salmonelles, coliformes fécaux (E. Coli),

streptocoques fécaux), les protozoaires (kystes de Giardia Lamblia, oocystes de cryptosporidium) et

les plus résistants sont les kystes de cryptosporidium.

L’USEP A a introduit le concept

Ct

(exprimé en mg*min/L), où

C

représente la concentration en

chlore libre (mg/L) et

t

représente le temps de contact (minute) minimum

pour assurer la

désactivation d’un micro-organisme donné, dont le niveau d’abattement s’exprime en log, suivant le

modèle de C hick et Watson :

Ct = k* log (N

0

/N)/

λ

Où N

0

et N représentent respectivement la concentration initiale et finale après traitement en micro-

organisme :

Pour log (N

0

/N) =1

l’abattement est de 90%

Pour log (N

0

/N) =2

l’abattement est de 99%

Pour log (N

0

/N) =3

l’abattement est de 99,9%

Pour log (N

0

/N) =4

l’abattement est de 99,99%

Pour log (N

0

/N) =5

l’abattement est de 99,999%

k représente un paramètre correctif pour tenir compte du pH et du taux de chlore libre (C l) et

λ

traduit la sensibilité au chlore du micro-organisme considéré.

k = (a*pH+b)*C l+ c*pH+d avec

a =

0,0433

b = -0,1990

c = 0,2688

d = -1,1043

(valeurs obtenues par régression)

Exemples : k = 0,88 pour pH = 7 et C l = 1 mg/L

k = 1,12 pour pH = 8 et C l = 0,5 mg/L

Quelques valeurs de

λ

(données dans la littérature) :

Micro- organismes

λ

20°C

virus Hépatite A

5,6

Poliovirus

4,8

Rota virus

0,133

Escherichia Coli

0,133

kystes de Giardia Lamblia

0,05

Kystes de Cryptosporidium

0,0028

A l’exception des kystes de Cryptosporidium qui ne sont pratiquement pas inactivables par le chlore,

mais qui, en revanche, sont éliminés par la coagulation/floculation/décantation (à hauteur d’environ

2 log), on remarque qu’en appliquant un C t permettant un abattement donné des kystes de Giardia

Lamblia, on abattra davantage de micro-organismes ayant un

λ

supérieur à celui des kystes de

Giardia Lamblia (bactéries et virus). O n peut donc calculer les conditions de traitement à appliquer

sur la base de l’abattement recherché des kystes de Giardia Lamblia.

6

Le tableau ci-dessous, traitant l’inactivation des kystes de Giardia Lamblia par le chlore, rassemble

les valeurs de Ct, et de t pour différentes concentrations en chlore libre, à différents pH et à des

températures de traitement

comprises entre 10 et 25°C :

Inactivation des kystes de Gi ardia Lamblia par le chlore libre

pH 6

pH 7

log(N

0

/N)

log(N

0

/N)

10°C

Cl mg/L

1

2

3

4

1

2

3

4

1

0,5

22

44

66

88

34

68

101

136

46

Ct

1

23

46

70

92

36

72

108

144

49

1,5

24

49

73

98

38

76

114

152

52

(mg.min/L)

2

26

51

77

102

40

80

121

160

55

0,5

44

88

132

176

68

135

203

270

91

1

23

46

70

92

36

72

108

144

49

1,5

16

33

49

66

25

51

76

102

34

t (min)

2

13

26

39

52

20

40

60

80

27

Inactivation des kystes de Gi ardia Lamblia par le chlore libre

pH 6

pH 7

log(N

0

/N)

log(N

0

/N)

15°C

Cl mg/L

1

2

3

4

1

2

3

4

1

0,5

15

31

46

62

24

47

71

94

32

Ct

1

16

33

49

66

25

50

75

100

34

1,5

17

34

51

68

27

53

80

106

36

(mg.min/L)

2

18

36

54

72

28

56

84

112

38

0,5

31

62

92

124

47

95

142

190

64

1

16

33

49

66

25

50

75

100

34

1,5

11

23

34

46

18

36

53

72

24

t (min)

2

9

18

27

36

14

28

42

56

19

Inactivation des kystes de Gi ardia Lamblia par le chlore libre

pH 6

pH 7

log(N

0

/N)

log(N

0

/N)

20°C

Cl mg/L

1

2

3

4

1

2

3

4

1

0,5

11

22

32

44

17

33

50

66

22

Ct

1

11

23

34

46

18

35

53

70

24

1,5

12

24

36

48

19

37

56

74

25

(mg.min/L)

2

13

25

38

50

20

39

59

78

27

0,5

22

43

65

86

33

66

99

132

45

1

11

23

34

46

18

35

53

70

24

1,5

8

16

24

32

12

25

37

50

17

t (min)

2

6

13

19

26

10

20

30

40

13

7

Inactivation des kystes de Gi ardia Lamblia par le chlore libre

pH 6

pH 7

log(N

0

/N)

log(N

0

/N)

25°C

Cl mg/L

1

2

3

4

1

2

3

4

1

0,5

8

15

23

30

12

23

35

46

16

Ct

1

8

16

24

32

12

25

37

50

17

1,5

8

17

25

34

13

26

39

52

18

(mg.min/L)

2

9

18

26

36

14

28

41

56

19

0,5

15

30

45

60

23

46

70

92

31

1

8

16

24

32

12

25

37

50

17

1,5

6

11

17

22

9

17

26

34

12

t (min)

2

4

9

13

18

7

14

21

28

9

La température influe fortement sur la vitesse d’inactivation des micro-organismes par le chlore.

Cette influence est traduite par le paramètre

Ct

(exprimé en mg* min/L), où, par exemple, à 20°C,

à pH = 7 et pour un taux de chlore libre final de 0,5 mg/L, le taux d’inactivation de kystes de

Giardia Lamblia est respectivement de 99% (2 log) et 99,9% (3 log) pour Ct = 33

et 50 mg.min/L,

correspondant à un temps de contact de 1H et 1H30.

Le temps est doublé pour une diminution de 10°C de la température de traitement (et inversement

pour une augmentation de 10°C).

Les deux abaques ci-dessous sont établies sur la base d’un abattement de 4 log de Giardia Lamblia

pour un taux de chlore libre de 1 mg/L représentatif du taux de chlore libre moyen libéré par une

pastille Aquasure dans 200L d’eau..

A partir de caractéristiques immédiatement accessibles de l’eau à traiter (température et pH), ils

permettent de calculer le temps de contact à maintenir (pastille/eau) pour assurer une bonne

désinfection avec Aquasure.

8

Efficacité biocide Aquasure

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

6

6,25

6,5

6,75

7

7,25

7,5

7,75

8

pH

Température (°C)

1H

1,5H

2H

2,5H

3H

0,5H

0,75H

1,25H