Désinfection des eaux résiduaires urbaines par le chlore et le bioxyde de chlore

Mais quel que soit le degré d’épuration obtenu, le problème de la réduction de la charge microbiologique reste en général à résoudre.

L’importance de la pollution bactériologique des rejets n’est pas négligeable, surtout dans le cas de rejet au voisinage de prise d’eau en vue de l’alimentation humaine, de zones de baignades, de gisements ou de parcs coquilliers.

Dans l’étude présente, les coliformes ont été choisis comme germe test pour mesurer l’efficacité de la désinfection. Le seuil de 10³ coliformes/100 ml dans l’effluent désinfecté avait été choisi comme premier objectif.

L’eau traitée avant désinfection contenant 10⁴ à 10⁵ coliformes, il a été possible d’atteindre des numérations de l’ordre de 10² à 10¹ dans l’eau désinfectée, bien en-dessous des 10³ précités.

De nombreux auteurs ayant fait une relation directe entre l’abaissement des coliformes et certains vecteurs de contaminations extrêmement dangereuses telles que les salmonelles ou les virus, nos conclusions ont été évaluées en nombre de coliformes détruits exprimés en puissance de 10. Une élimination de 3,5 à 4 puissances semble en conformité avec les publications ou textes connus à ce jour.

Dans la majorité des cas ces chiffres de 3,5 à 4 sont plus sévères que le seuil des 10³ coliformes envisagé précédemment.

Les résultats obtenus après un an et demi nous ont permis de donner quelques nombres guides et de montrer l’avantage évident du bioxyde de chlore dans ce type de traitement.

Commencés sur la station de BORMES-LE-LAVANDOU (Var) en juillet 1975 (période de pleine surcharge estivale) en collaboration avec l’Agence Fin. du Bassin R.M.C. RHÔNE-MÉDITERRANÉE-CORSE (Service des aides aux investissements, M. Michel JANODY), ces essais ont été poursuivis sur la Station d’Épuration du Syndicat de CHAUNY-LA-FÈRE jusqu’en décembre 1976.

Ils ont été conduits conjointement par les équipes de techniciens de SOCEA (Laboratoire central) et de CIFEC (Département Désinfection eaux résiduaires).

Les agents oxydants utilisés ont été le chlore et le bioxyde de chlore.

Les essais ont été effectués sur station pilote, placée en dérivation des installations existantes, permettant ainsi une expérimentation dans les conditions réelles de l’exploitation.

Les analyses bactériologiques ont été confiées à des laboratoires agréés (Laboratoire Municipal de TOULON pour les essais de BORMES-LE-LAVANDOU, Laboratoire Départemental du Centre de Santé Publique de SOISSONS pour les essais de TERGNIER).

1 — DESCRIPTION SOMMAIRE DES STATIONS D'ÉPURATION SUR LESQUELLES ONT ÉTÉ EFFECTUÉS LES ESSAIS.

1.1. Station du S.I.V.M. de BORMES-LE-LAVANDOU

C'est une station mixte comportant une chaîne biologique (boues activées à moyenne charge) qui fonctionne toute l'année, et une chaîne physico-chimique (traitement de floculation par le chlorure ferrique et la chaux), dont le but est d'absorber la pointe estivale. Capacité 70 000 Eq. habitants. SOCEA est l'exploitant.

Les essais de désinfection ont été effectués sur l'eau après traitement physico-chimique, au débit de 6 m³/h.

1.2. Station du S.I.V.M. de CHAUNY-LA FÈRE & TERGNIER

Cette station comporte des prétraitements physiques (dégrillage, dessablage, décantation primaire), un traitement biologique à moyenne charge, une clarification. Sa capacité est de 35 000 Eq. habitants. Elle est également exploitée par SOCEA.

Les essais de désinfection ont été effectués sur l'eau clarifiée, le pilote étant alimenté à un débit constant de 10 m³/h.

1.3. Schémas des traitements

1. Dégrillage, dessablage, déshuilage  
2. Décanteur primaire  
3. Répartiteur  
4. Mélange rapide  
5. Canal de comptage physico-chimique  
6. Floculateur  
7. Clarificateur  
8. Bassin d’aération  
9. Clarificateur  
10. Bassin de stabilisation  
11. Digesteur primaire  
12. Digesteur secondaire  
13. Comptage  
P. Position du pilote.

2 — PILOTE DE DÉSINFECTION (Voir schéma n° 3)

Une pompe (1) prélève dans le canal des eaux décantées (2) l'eau épurée à un débit de 10 m³/h, contrôlé par rotamètre (3) équipé d'une vanne de réglage (4). La solution de désinfectant produite par le générateur BIOXY-CIFEC (5 à 12) est injectée à l'aval du rotamètre, l'homogénéisation étant assurée par un mélangeur hélicoïdal statique (13) de 50 mm de diamètre. L'eau traverse ensuite deux bacs (14 et 15) placés en série et munis chacun de cinq chicanes verticales : le premier bac, d'une capacité de 680 litres, assure un temps de contact de 4 minutes ; le second, d'une capacité de 980 litres, assure un temps de contact supplémentaire de 6 minutes.

Les temps de contact et l'homogénéisation ont été vérifiés pour chaque bac, par injection de colorant à l'entrée et mesure des colorations à la sortie de chacun d'eux.

3 — GÉNÉRATEUR BIOXY-CIFEC (Voir schéma n° 3)

Cet appareil a été utilisé pour la production de bioxyde de chlore et d'eau de chlore.

3.1. Description de l'appareil

L'installation consiste en un circuit fermé sous pression à débit accéléré, comprenant :

• une pompe d'enrichissement (8),  
• un hydro-éjecteur ou venturi (7) qui aspire le chlore à l'état gazeux,  
• un ensemble rotamètre et vanne de réglage (9) qui permet le contrôle et le réglage du débit d'eau de service entrant dans le système,  
• un réacteur (12) recevant d'une part une partie de la solution d'eau de chlore et d'autre part la solution de chlorite de sodium,  
• un bac (11) en PVC, en charge par rapport à la pompe doseuse, pour stockage du chlorite de sodium,  
• une armoire électrique incluse dans l'ensemble, assurant les commandes des pompes et l'arrêt automatique de l'ensemble en cas de manque de chlore.

3.2. Production de bioxyde de chlore

Le bioxyde de chlore est obtenu par action d’une solution d’eau de chlore à haute concentration sur une solution de chlorite de sodium, suivant la réaction :

Cl₂ + 2 ClO₂Na → 2 ClO₂ + 2 ClNa  
2 × 35,5 + 90,5 × 2        2 × 67,5

La haute concentration de l’eau de chlore est obtenue dans le circuit fermé sous pression à débit accéléré. Les conditions de concentration et de pH obtenues dans le milieu réactionnel chlore sur chlorite permettent un rendement de la réaction de 95 % dans les normes d’une stricte stœchiométrie ; il est possible de régler l’installation sans excès de chlore, permettant donc d’éviter la formation d’organo-chlorés.

Il est impensable, avec de l’eau de chlore à 3 g/litre, encore moins à 1 g/litre, de fabriquer du bioxyde de chlore avec un rendement valable. La consommation de chlorite est supérieure de 30 %. Il y a production d’un mélange de bioxyde de chlore et de chlore, ce dernier formant alors inévitablement des organo-chlorés.

Le réacteur sous pression (repère 12) est conçu pour assurer le mélange continu entre la solution d’eau de chlore et la solution de chlorite de sodium. Ce réacteur est dimensionné pour assurer un temps de contact suffisant et une homogénéisation de la solution de bioxyde de chlore. Son débit peut varier à la demande de 10 à 100 % du débit nominal.

3.3. Production d’eau de chlore

Dans ce cas, seule la pompe d’enrichissement fonctionne.

4 — MÉTHODES D’ANALYSES

Tout au long des essais, des échantillons d’eau en entrée et en sortie du pilote ont été prélevés pour analyses physico-chimiques et bactériologiques.

4.1. Analyses bactériologiques

Les analyses bactériologiques ont consisté en la numération des coliformes, Escherichia coli et streptocoques fécaux. Les résultats sont donnés en M.P.N. par 100 ml d’eau.

4.2. Analyses physico-chimiques

Nous avons utilisé les méthodes d’analyses normalisées : AFNOR, STANDARD METHODS, RODIER.

Dans le cas particulier du chlore et de ses composés (chlore libre, combiné, chlorite, bioxyde), nous avons utilisé les méthodes à la diéthyl-paraphénylène diamine (DPD) à l’aide d’un colorimètre CIFEC (voir en annexe, les méthodes d’analyses).

Eau floculée, décantée issue du traitement physico-chimique

5 — LES ESSAIS

5.1. Essais du LAVANDOU

Les essais se sont poursuivis toute la période estivale, c’est-à-dire un mois et demi. Ils ont permis d’obtenir des résultats d’orientation très importants. Il a été ainsi établi, par exemple, qu’une injection de 2,5 ppm de ClO₂ et un résiduel de 0,2 ppm de ClO₂ permettent de ramener une pollution de 10⁶ coliformes par 100 ml à 10⁴ coliformes. Ces essais d’orientation ont été repris comme base de départ pour des essais de plus longue durée, effectués à TERGNIER. Le tableau ci-dessous donne à titre indicatif quelques résultats significatifs.

Caractéristiques moyennes des eaux brutes avant traitement physico-chimique et des eaux floculées, décantées après traitement par le chlorure ferrique (110 g/m³ FeCl₃) et la chaux (240 g/m³ Ca(OH)₂)

5.2. Essais de TERGNIER

5.2.1. Essais de désinfection par le chlore.

5.2.1.1. Caractéristiques des eaux après traitement biologique durant les essais

5.2.1.2. Résultats.

Les résultats obtenus, indiqués dans le tableau ci-dessous correspondent à un temps de contact de 10 minutes.

Remarque importante concernant le tableau ci-dessous. Les résultats sont classés dans l’ordre décroissant de la valeur mesurée avec la pilule DPD n° 1 (sans glycine). L’ensemble des valeurs numériques du tableau ci-dessous est reporté sur les courbes n° 1 à 6.

Taux de traitement

Sur les courbes 1 et 2 sont portés, en ordonnée, le logarithme du nombre de coliformes ou d’E. Coli par 100 ml après traitement et, en abscisse, le produit R·t, « R » étant la mesure obtenue avec la pilule DPD n° 1 et « t » le temps de contact en minutes.

Sur les courbes 3 et 4, nous avons en ordonnée log N/N₀, N₀ étant le nombre de coliformes ou d’E. Coli avant traitement, « N » le nombre de ces bactéries après traitement et, en abscisse, le produit R·t, « R » étant le résiduel mesuré avec la pilule DPD n° 1.

Sur les courbes 5 et 6, « R » est le chlore résiduel total, les autres paramètres étant les mêmes que précédemment.

5.2.1.3. Analyse des résultats.

De l’observation de ces courbes, il apparaît donc : • pour obtenir, après 10 minutes de temps de contact, moins de 1 000 coliformes par 100 ml, il semble nécessaire d’avoir 5 ppm de chlore résiduel total (0,4 ppm de chlore libre) ; • l’on ne peut atteindre, malgré des doses de chlore résiduel total de 8 ppm, moins de 200 germes par 100 ml après 10 minutes de temps de contact.

En conclusion, les valeurs de base moyennes à prendre en compte, lors d’un traitement de désinfection par le chlore seraient les suivantes : • Taux de traitement : > 8 ppm • Temps de contact : 10 minutes • Résiduel mesuré à la pilule n° 1 : 0,4 ppm • Résiduel de chloramines : 7,5 ppm   Résultat espéré : 1 000 colif./100 ml

5.2.2.0. Essais de désinfection par le bioxyde de chlore.

ESSAIS AU CHLORE

5.2.2.1. Caractéristiques des eaux après traitement biologique durant les essais.

5.2.2.2. Résultats.

Après un temps de contact de 4 minutes.

Après un temps de contact de 10 minutes.

Les résultats numériques des deux tableaux du bas de la page sont rassemblés sur les courbes 7 à 10.

Sur les courbes 7 et 8 sont portés, en ordonnée, le logarithme du nombre de coliformes ou d'E. coli par 100 ml après traitement, en abscisse les produits R·t, « R » étant le résiduel en ClO₂ et « t » le temps de contact en minutes.

Sur les courbes 9 et 10, en ordonnée le logarithme de N/N₀, et en abscisse le produit R·t.

5.2.2.3. Analyse des résultats.

Ces essais de désinfection par le bioxyde de chlore permettent d’observer :

● qu'il y a peu de différence entre les résultats après 4 et 10 minutes de temps de contact ;

● que pour obtenir moins de 1 000 coliformes par 100 ml, il semble que la dose de bioxyde résiduel à respecter est de l’ordre de 0,05 à 0,07 ppm, pour un temps de contact compris entre 4 et 10 minutes ;

● que pour obtenir moins de 100 coliformes par 100 ml, la dose de ClO₂ résiduel à respecter est de l'ordre de 0,20 ppm à 0,22 ppm pour un temps de contact compris entre 4 et 10 minutes.

En conclusion, on peut, lors d'un traitement de désinfection par le bioxyde de chlore, prendre comme bases les valeurs suivantes :

● Taux de traitement ............ 2 ppm

● Temps de contact .............. 4 à 10 minutes

● Résiduel de ClO₂ .............. 0,05 ppm

6 — CONCLUSIONS

Les résultats ont été portés sur les courbes 11 et 12. Sur ce graphique sont portés en ordonnées les RT (R = résiduel en mg/l de stérilisant restant après le temps T — T = temps de contact en minute) ; en abscisse l'abaissement des coliformes directement exprimé en puissance de dix.

Il est remarquable qu'avec le chlore il est difficile, avec les doses que nous avons pratiquées, d’obtenir l'abaissement de 4 recherché. Avec le bioxyde de chlore il est facilement obtenu avec un RT de 1,1.

De ce tableau plusieurs remarques fondamentales s’imposent :

a) il est difficile avec le chlore gazeux d’atteindre un abaissement de 4 puissance de 10 avec des taux de traitement de 8 ppm ;

b) les quantités de ClO₂ à mettre en œuvre sont quatre fois inférieures à celles de chlore pur ;

c) l’avantage principal réside dans le fait que le traitement au bioxyde de chlore ne laisse pratiquement aucun résiduel d'oxydant en sortie ; par contre, le chlore combiné restant est supérieur ou égal à 7,5 ppm donc relativement dangereux pour le milieu récepteur ;

d) l’action du bioxyde de chlore est obtenue après quatre minutes de temps de contact, ce qui permet d’envisager des ouvrages de contact de relatives petites dimensions ;

e) en ce qui concerne les haloformes, le graphique ci-dessous montre que le bioxyde de chlore injecté ne réagit pratiquement pas sur les précurseurs et ne synthétise pas de chloroforme ;

f) l'action du bioxyde de chlore n’est pas tributaire du pH, alors que l’acide hypochloreux se transforme en hypochlorite peu actif à pH alcalin (exemple : à pH 8 le chlore actif ne représente que 78 % du chlore libre). Cette qualité supplémentaire du bioxyde de chlore permet de l'envisager comme stérilisant des effluents à haut pH après traitement physico-chimique, par exemple.

Tous ces critères techniques fondamentaux en faveur du bioxyde de chlore s’accompagnent d’avantages financiers non moins importants. Le prix du traitement par le bioxyde est pratiquement égal à celui du chlore, car la quantité injectée est quatre fois moindre.

Le coût du produit de stérilisation se situe aux alentours de 1,50 F H.T. par équivalent habitant et par an (calculé sur la base de 280 litres/jour/équivalent habitant).

Les ouvrages de génie civil permettant d’assurer la désinfection sont à calculer sur la base d'un temps de contact de l’ordre de 6 minutes, alors que pour le chlore ils sont généralement dimensionnés pour 10 minutes à un quart d’heure.

L’économie d’investissement ainsi réalisée permet de couvrir largement la plus-value correspondant au poste de bioxyde de chlore et de réaliser en outre des économies substantielles.

M. Lambert — C. Bernard.