Le traitement de l'eau au dioxyde de chlore

Il y a quelques années, la technique de production de ClO₂ était réputée dangereuse mais la formation de chlorite peut maintenant être contrôlée par injection de chlorure ferreux suite à sa fabrication par action de l’acide chlorhydrique sur du chlorite de sodium.

Le dioxyde de chlore est utilisé pour la désinfection des eaux : eau potable (pré-oxydation et désinfection), traitement d’eau de circuit de refroidissement, eaux d’injection pour l’exploitation du pétrole, eaux résiduaires urbaines et industrielles, industrie alimentaire, papeteries (agent « anti-slime »).

C’est un gaz qui nécessite d’être préparé sur le lieu d’utilisation. Il est très soluble dans l’eau. C’est un agent oxydant très puissant. Le dioxyde de chlore est très actif contre les bactéries, virus, algues, champignons et macro-organismes. Ses caractéristiques sont les suivantes :

• · Très efficace dans les systèmes avec bref temps de contact ;
• · Moins de corrosion (comparé avec le chlore) ;
• · Très efficace à pH élevé (eau de mer, « traitement organique et Zn/phosphonate ») ;
• · Très efficace dans l’eau qui contient de l’ammoniaque (fertilisant et unité de production d’ammoniaque) ;
• · Il peut être appliqué par simple modification de l’installation du chlore déjà présent ou bien sans l’utilisation du chlore ;
• · Traitement de désinfection « ami de l’environnement ».

Le problème du biofouling

Biofilms et protozoaires

Faire un diagnostic ou suivre un traitement en se basant uniquement sur le dénombrement des légionelles circulant dans le milieu ne peut que fausser les résultats. En effet, il faut tenir compte de l’autre grande particularité de cette bactérie, qui est son mode de survie, un parasitisme particulier, naturel, de divers protozoaires de la microflore aquatique.

Présentes dans les eaux naturelles à faible concentration, les légionelles sont particulièrement bien adaptées aux réseaux d’eau artificiels en raison de leur intégration au sein de biofilms, qui joue un rôle protecteur prépondérant des bactéries.

Un biofilm est un amoncellement de dépôts biologiques qui se forment sur des parois mouillées ou humides dès lors que le temps de résidence de l’eau dans une boucle ou que le ratio entre le débit d’eau nouvelle et le volume du circuit est trop faible ou que la température augmente dans le circuit. En quelques secondes, les micro-organismes se fixent aux parois. En quelques minutes, elles sécrètent une sorte de mucus constitué de polysaccharides leur permettant de

s'agglomérer entre elles et de se joindre définitivement au substrat.

Microfouling

Bactéries, virus, algues, corrosion microbiologique et perte de l’échange thermique.

Macrofouling

• • Moule, balane, ver, hydrozoaires
• • Incrustation, formation de bouchon dans les tubes, corrosion.

Ainsi constitué, le biofilm va croître par prolifération des micro-organismes, contaminer l'ensemble des surfaces et s’épaissir. Du fait d'une trop forte prolifération ou d'un courant d’eau qui va l’entraîner, une partie du biofilm peut se décoller et libérer les bactéries dans l'eau en circulation. À l’intérieur du biofilm se trouvent tous les éléments nutritifs essentiels à la prolifération des bactéries ; en effet, il sert de support d’amplification pour les légionelles et de base nutritive aux protozoaires. De plus, il peut constituer une structure résistante aux agents chimiques susceptibles d’être introduits dans le circuit.

Les légionelles ont la capacité particulière de survivre aux conditions environnementales défavorables et de proliférer à l’intérieur de certains protozoaires, comme les amibes ou les ciliés de type Naegleria, Acanthamoeba, mais elles peuvent également se multiplier à l’intérieur de macrophages humains. Cette caractéristique de parasitisme intracellulaire facultative de cellules phylogénétiquement très éloignées est rare en biologie.

La bactérie a des besoins nutritionnels stricts, ainsi les protozoaires parasités retrouvés dans les systèmes hydrauliques vont pouvoir lui fournir des nutriments essentiels à son développement. Legionella est ingérée lors du processus de phagocytose et se réplique à l'intérieur d’une vésicule de phagocytose qui échappe à l’acidification et à la dégradation intra-cytoplasmique.

Les protozoaires parasités peuvent fabriquer des formes de subsistance telles que des kystes ou des spores dont peuvent ainsi bénéficier les bactéries pour survivre et se développer. Suite à sa destruction, une amibe peut libérer jusqu’à 10 000 cellules bactériennes dans le milieu en l’espace de 36 heures.

Ce parasitisme intracellulaire implique alors un suivi indispensable du biofilm.

Voie de transmission

La maladie s’acquiert par l'inhalation d’air empoussiéré (lors d’excavation) ou d’air saturé en gouttelettes d’eau contaminées par des légionelles sous forme d’aérosols de taille inférieure à 5 µm (douches, vapeurs, climatisation, appareillages médicaux et humidificateurs d’air) qui pénètrent jusqu’aux alvéoles pulmonaires. D’autres modes de contaminations sont possibles comme l’infection directe à partir de flore oro-pharyngée (intubation) ou par voie digestive après ingestion d’eau contaminée mais elles n'ont pas encore été prouvées. Tout comme il n’y a pas de preuves à ce jour d'une transmission inter-humaine car un malade ne recèle pas de légionelles en nombre suffisant pour transmettre la maladie à une autre personne.

Formes de la légionellose

La maladie se manifeste soit selon un mode sporadique (cas isolé), soit sous forme de cas groupés ou même de véritables épidémies.

Les légionelles sont à l’origine de pathologies dénommées légionellose pouvant prendre des formes plus ou moins graves. On distingue la maladie du légionnaire et la fièvre de Pontiac. La maladie du légionnaire est une infection rare mais qui représente la forme la plus sévère de la maladie puisqu’elle correspond à une pneumopathie aiguë pouvant être mortelle.

Dans la nature, les légionelles sont des parasites des micro-organismes unicellulaires mais chez l'homme, elles déjouent également les défenses de l'hôte et deviennent des envahisseurs opportunistes des cellules phagocytaires.

La fièvre de Pontiac est une maladie bénigne car elle peut être assimilée à un syndrome pseudo-grippal aboutissant à une guérison spontanée.

Tours aéroréfrigérantes

Fonctionnement

En France, plusieurs cas récents de légio-

Les légionelles ont mis en cause des systèmes de refroidissement par pulvérisation d’eau dans un flux d’air : les tours aérofrigérantes (TAR). Ces TAR sont des équipements extérieurs de refroidissement des circuits chauds ; elles ont pour fonction d’évacuer vers le milieu extérieur la chaleur issue de systèmes de refroidissement en pulvérisant de l'eau chaude dans un flux d’air. Elles sont utilisées en annexe des installations frigorifiques, en climatisation, en froid industriel et en refroidissement d'eau chaude industrielle.

Elles fonctionnent comme un échangeur de chaleur. L’eau à refroidir (comprise entre 25 °C et 40 °C) est pulvérisée en fines gouttelettes au niveau de rampes de distribution sur une surface d’échange « le packing » qui favorise les échanges thermiques par évaporation avec de l’air. L’air est mis en mouvement par circulation à contre-courant grâce à un ventilateur ou par un courant d’air. L’air de refoulement, chargé de vapeur d’eau due à l’évaporation (panache) et de fines gouttelettes d’eau (entraînement vésiculaire), est ensuite expulsé vers l’extérieur. L’échange thermique, en conduisant à l’évaporation, abaisse la température de l'eau non évaporée. Un appoint d'eau est donc nécessaire pour compenser l'évaporation. L'eau refroidie est collectée dans un bassin de rétention avant de retourner vers le système à refroidir. Parmi ces circuits de refroidissement, on distingue les circuits fermés et les circuits non fermés (ou dits « ouverts »). L’installation à circuit primaire non fermé offre un contact direct entre l'eau qui circule dans la tour et l’air. Quant à l’installation à circuit primaire fermé, elle n’offre pas de contact avec l’air car l'eau de refroidissement circule dans un circuit fermé. Dans les deux cas, l’air saturé de vapeur d’eau crée un nuage visible à la sortie des tours mais le risque est notable pour la TAR ouverte. Un séparateur de gouttelettes est placé en haut de la tour afin de limiter le plus possible l’entraînement de gouttelettes en dehors de la tour.

Il existe en France quatre types de tours : les tours à tirage induit (ventilateur au-dessus) à contre-courant, à tirage forcé (ventilateur latéral) à contre-courant, à tirage induit et à courant croisé et enfin, à tirage naturel (sur les centrales électriques). La vitesse d’éjection des gaz en haut de la tour est différente entre la tour à tirage induit (souvent vers 10 m/s) et celle à tirage forcé (vers 3-5 m/s), ce qui engendra des conséquences sur la dispersion du panache.

Sources de contamination, de prolifération et de dissémination

Dans les circuits de refroidissement, les sources de contamination se situent au niveau de la tour, à l’endroit où s’effectue l’aspiration d’air et au niveau de l'eau d’appoint. Mais il ne faut pas non plus négliger la proximité de l'environnement des tours qui peut constituer un risque plus ou moins important ; en effet, des sources potentielles de contamination ont été décrites lors de fortes pluies ou de travaux d’excavation, de démolition, puisque ce germe cherche des abris favorables à son développement. Seuls les équipements qui font appel à un système de refroidissement par pulvérisation ou ruissellement d’eau peuvent générer des aérosols susceptibles d’être inhalés.

Les contaminations de personnes peuvent apparaître pour les habitants des immeubles voisins, lors du passage à proximité d'un bâtiment avec une tour colonisée par la bactérie et exposée aux émissions de microgouttelettes. Mais également au contact d'une prise d’air neuf d’un bâtiment placé sous le vent d’une TAR d'un système de colonisation d’un autre bâtiment.

Les mécanismes de colonisation des circuits d’eau des TAR sont encore mal connus mais l’on sait que les sources de prolifération ne sont pas circonscrites à la tour : les légionelles peuvent s’installer dans l'ensemble du circuit. Il y a de nombreux points critiques qui entraînent des risques de prolifération, tant au niveau de la conception, de la maintenance et de l’exploitation qu’au niveau de la surveillance des tours aéroréfrigérantes. Des défauts de conception comme l’absence de compteur d'eau d’appoint, nécessaire au contrôle de purge, la présence de bras morts ont été constatés. On note également des défauts de maintenance et d’exploitation des postes de traitement d’eau (absence de prétraitement, injection mal réglée de biocide, absence de désinfection après arrêt prolongé). Au niveau de la surveillance, l’absence de contrôles d’efficacité de la désinfection peut s’avérer être un grave

problème quant aux conclusions rendues après traitement.

Les sources de dissémination sont localisées au niveau du panache de la tour. Les gouttelettes entraînées dans ce panache ont une composition similaire à l’eau du circuit et sont donc susceptibles de véhiculer les bactéries lorsque les conditions d'exploitation et de surveillance des installations sont défaillantes.

Biocides oxydants

Les biocides oxydants détruisent et coagulent la matière organique (élément nutritif de la bactérie) puis ont une action biocide détruisant les microorganismes. Leur efficacité biocide dépend des caractéristiques physico-chimiques de l’eau (en particulier le pH). Ils sont injectés en continu et à de faibles teneurs, vérifiés en permanence pour contrôler le niveau de corrosion engendré par leur emploi. Ils sont appliqués avec une pompe doseuse. Les plus utilisés sont le chlore et le brome, cependant ils présentent des inconvénients au niveau de leur action qui n'est pas sélective et qui dépend du pH.

La chloration est la technique la plus utilisée en France et dans le monde, mais il y a plus d’échecs et de problèmes que de réussites avec cette technique. Le traitement chloré ne présente pas une efficacité suffisante vis-à-vis des bactéries situées sous le biofilm ou dans les dépôts de produit de corrosion (le chlore actif est consommé par les matières organiques dissoutes) d’où la nécessité de réaliser un traitement choc avec un biodispersant avant ce traitement. L'utilisation du chlore ne semble pas être optimum pour les TAR car une concentration importante nécessaire rend le traitement très corrosif. De plus, bien qu'il soit le plus utilisé en France, il présente une faible stabilité dans le temps et n’a donc plus d’effet à moyen ou long terme, compte tenu de son caractère ponctuel et de nombreuses impuretés comme la chaleur et la lumière qui le décomposent. Le chlore pose également de nombreux problèmes d’exploitation : problème d'injection (ce produit dégaze et désamorce les pompes doseuses), de régulation (difficulté de mesure en continu du chlore libre), problème de dosage.

La bromation est similaire à la chloration, seulement le brome est privilégié car il limite les problèmes de corrosion et il est efficace au pH compris entre 7 et 8 alors qu’à ces pH, l’efficacité de la chloration baisse. Il est fabriqué par addition d’un sel (bromure de sodium) dans une solution d'eau de javel.

Le dioxyde de chlore (ClO₂) est probablement une technique d’avenir dans la lutte contre Legionella. Il y a quelques années, la technique de production de ClO₂ était réputée dangereuse et entraînait le reclassement du site par la DRIRE. En effet, son process est difficile et il est le générateur de chlorite et de chlorate (potentiellement toxiques mais la formation de chlorite peut maintenant être contrôlée par injection de chlorure ferreux) suite à sa fabrication par action de l'acide chlorhydrique sur du chlorite de sodium. Cependant, il présente de nombreux avantages sur le chlore : il possède une activité corrosive moins grande que le chlore à performance identique et il est à même de détruire le film bactérien avec un bon pouvoir pénétrant.

Le GS 4000 est un nouveau générateur de dioxyde de chlore. Sa production se fait en « batch ». Cette nouvelle unité de ClO₂ est conçue pour des applications nécessitant de faible quantité. Il est capable de produire de 10 g/h de ClO₂ jusqu’à 2 g/jour.

présente sous la forme d’un panneau mural de 600 x 800 mm.

Principe de production du dioxyde de chlore

Pour produire 1 g de ClO₂, en utilisant des solutions diluées :

NaClO₂ 7,5 % (80 g/l d15 °C = 1,07 kg/l) et HCl 9 % (88 g/l d15 °C = 1,04 kg/l).

La consommation de réactifs est de :

• HCl = 20 ml ;
• NaClO₂ = 20 ml ;

Avec un ratio en poids de R = 0,97, et égal à 300 % d’excès en HCl.

Quand la réaction est complète, le ClO₂ produit est dilué dans l'eau afin d’obtenir une solution finale de 0,1 % (1 g/l). Cette solution est considérée comme “sécurisée” car le stockage est de faible quantité (2 à 4 litres).

Évaluation du risque lié aux légionelles

La légionellose est une infection respiratoire provoquée par une bactérie de la famille des Legionellaceae, du genre Legionella constituée de 43 espèces différentes avec 64 groupes sérologiques.

La plupart des espèces ont été isolées à la fois chez l'homme et dans l’environnement. Bien qu’un grand nombre d’espèces de légionelles aient été identifiées, moins de la moitié d’entre elles ont été associées à des affections humaines.

Legionella, bactérie d'origine hydrotellurique, est un bacille à Gram négatif, aérobie strict et mobile. Elle se présente au microscope électronique sous forme de bâtonnet de 2 à 4 µm de long et de 0,5 à 0,7 µm de diamètre.

La bactérie Legionella pneumophila est la plus fréquente en pathologie humaine ; elle est la cause de 95 % des infections et le sérogroupe 1 est responsable de 80 % des cas suivi du sérogroupe 6.

Les légionelles sont des bactéries présentes naturellement dans les eaux et les vases de régions extrêmement variées. Elles ont également été retrouvées dans des sols humides lors de prélèvements de terre (terrassement). Le germe est considéré comme ubiquitaire.

L’une des particularités de cette bactérie est qu'elle est particulièrement tolérante aux écarts de température, ce qui lui a permis de coloniser des eaux et des systèmes de distribution d'eau, à des températures allant de +5 à +63 °C bien que son optimum thermique de croissance soit compris entre 25 et 43 °C. Pour des températures beaucoup plus faibles, elles survivent sous forme de dormance. À 25 °C la population de bactéries double toutes les 4 heures. À une température optimale, le doublement est obtenu en 2 heures uniquement.

Le pH de croissance des légionelles sur milieu de culture est légèrement acide.

autour de 6,8, mais elles ont été isolées dans des eaux à pH compris entre 5,5 et 9,2 et sont résistantes à des pH plus aci- des (jusque 2,5). Elles exigent également la présence d’oxygène à une teneur supé- rieure à 2,2 mg/l.

Autres exemples d’applications avec des générateurs plus puissants

Aciérie

Plaquette pour le contrôle du macrofou- ling.

Pétrochimie

Système de prise de l'eau de mer

Avant le traitement :

- nouvelle plaquette, - après 30 jours (B2), - après 60 jours (A2).

Après le traitement :

- après 90 jours (F2), - après 90 jours (X2).

Conclusions

Si d’un côté la technologie moderne et les progrès scientifiques ont fait reculer d'une manière spectaculaire les épidémies, de l'autre la main de l'homme a créé des situa- tions favorables au développement de nou- veaux types d’infections. Les légionelles en sont un bon exemple. À l'heure actuelle, l’intimité de Legionella reste pleine de mys- tère mais le voile commence à se lever sur les conditions complexes qui favorisent la contamination des circuits de refroidisse- ment, la prolifération et la dissémination. Cependant, les caractéristiques de Legio-

Legionella permet de la considérer comme un germe banal présent dans l'environnement de l'homme dès lors qu’il lui fournit un milieu favorable. Tant qu'elle est confinée dans son écosystème naturel, Legionella ne pose pas de problèmes particuliers. À la faveur d’un meilleur confort tel que les tours aéroréfrigérantes, l'homme a généré des niches écologiques, favorables à sa prolifération et à sa propagation.

Il y a de nombreux points critiques au niveau des tours aéroréfrigérantes qui les rendent potentiellement dangereuses.

La gestion du risque microbiologique sur les circuits de refroidissement humides, que sont les tours aéroréfrigérantes, nécessite l'implication de tous les opérateurs. Les décrets de 2004 renforcent les mesures de surveillance et de prévention. Toutes les mesures mises en place par le gouvernement reflètent l'objectif de réduire de 50 % l'incidence des cas de légionellose d'ici à 2008. Mais au-delà de l’application de la réglementation, la recherche de la réduction maximum du risque sanitaire passe par la remise en cause de l’exploitation des tours aéroréfrigérantes associée à une bonne compréhension des mécanismes de prolifération et de contamination.

C’est pourquoi, la gestion du risque de la prolifération des légionelles n’est pas qu'une affaire de spécialistes. Elle doit impliquer tous les opérateurs et exploitants du site. Au-delà de la réglementation, les exploitants des tours aéroréfrigérantes font l'objet d'une campagne de sensibilisation aux bonnes pratiques de maintenance et d’entretien des sites.

Il est important d’identifier et de hiérarchiser les risques liés aux TAR en ayant une bonne connaissance du circuit tout comme il est indispensable de posséder une maîtrise parfaite de l'utilisation des traitements pour que tous les critères sur lesquels repose l’estimation du risque soient bien pris en compte afin de réaliser une gestion adaptée du site.

L’arrivée de nouvelles méthodes rapides de détection des légionelles peut être utilisée en complément de la méthode de référence mais l’analyse de Legionella est un élément indicatif qui doit être considéré en complément de nombreux autres paramètres.

Seule la mise en œuvre de moyens adaptés associée à la conception, à la maintenance, à l’exploitation et à la surveillance des installations permet de maîtriser ce risque sanitaire sans générer un risque pour l’environnement lié aux traitements chimiques.

Face aux risques, une tendance pourrait conduire à supprimer les TAR à voie humide afin de privilégier celle à voie sèche qui élimine le contact entre le fluide contaminé et l’air. Cependant, l’emprise au sol, le poids, le niveau sonore et la consommation électrique sont plus importants pour ces équipements à batterie sèche. Éliminer les tours humides ne constitue donc pas une solution d’autant que les TAR, montrées du doigt, sont désormais conçues pour limiter au maximum ces risques. La responsabilisation n’est-elle pas la meilleure des solutions face à ce problème de santé publique ?