Performances et fiabilité d'une désinfection d'eau usées urbaines par les ultraviolets : station d'épuration de Landévant

Aujourd'hui, en France, une plus grande sensibilité de certaines catégories de la population (malades immunodéprimés, diminution de l'immunité naturelle des jeunes adultes face à l'hépatite A (Joussemet et al., 1991) nous oblige à reconsidérer le danger des micro-organismes infectieux. Par ailleurs, la perception de ces problèmes s'est aussi modifiée et les incidents, même fortuits, sont de moins en moins acceptés par la population. De plus, avec l'importance du tourisme le long du littoral français et les enjeux sani-

*CSHPF : Conseil Supérieur d'Hygiène Publique de France

Sanitaires et économiques de la conchyliculture, les collectivités locales doivent préserver au maximum les usages du milieu. Afin de gérer la situation avec cohérence, il est nécessaire de mener une démarche globale à l’échelle du bassin versant (amélioration de la collecte des eaux usées en zone littorale, guide des bonnes pratiques agricoles, mise aux normes des élevages…). En l’absence de solutions alternatives (réutilisation des eaux épurées, infiltration drainée, émissaire en mer…) et en cas de rejets à proximité de zones conchylicoles ou de baignade, l’installation d’une unité de désinfection peut s’avérer nécessaire.

Actuellement, nous savons que la désinfection est efficace sur les Germes Témoins de Contamination Fécale : GTCF (Escherichia coli et streptocoques fécaux). Mais, qu’en est-il pour les virus et germes pathogènes peu nombreux et difficilement détectables ? Les virus sont, par exemple, plus résistants (Chang et al., 1985), la désinfection peut alors constituer une assurance sécurité et masquer la réalité du risque sanitaire. En effet, les exemples d’une eau sans GTCF mais contenant encore des virus ne sont pas rares (Campisi et al., 1986). C’est pourquoi le pouvoir virucide d’un procédé de désinfection est un critère de choix important.

Pourquoi désinfecter à Landévant ?

Le rejet de la station s’effectue dans le ruisseau de Kergroix, celui-ci rejoint le ruisseau de la Demi-Ville classé 1B avant d’atteindre la ria d’Étel où la conchyliculture est très développée (production annuelle de 6000 tonnes de coquillages).

Le choix technologique des UV repose sur des considérations financières et de qualité de traitement. D’une part, du fait d’une forte pression foncière, la commune souhaite disposer d’un système ne nécessitant pas de surfaces importantes. D’autre part l’objectif est de préserver des zones de production conchylicole et de pêche à pied. Ces activités nécessitent une plus grande vigilance sanitaire que dans le cas des zones de baignade, les normes impératives à respecter étant plus sévères. Les ultraviolets s’inscrivent dans cette optique car ils permettent d’assurer une régularité des performances en toutes saisons et ne génèrent pas de produits toxiques dans le milieu récepteur.

Le protocole d’étude de désinfection, proposé par Cise, Ifremer et le comité de pilotage (Mairie de Landévant, Conseil Général, DDASS du Morbihan, Agence de l’eau Loire-Bretagne) a été présenté au Conseil Supérieur d’Hygiène Publique de France le 21 octobre 1993. Ce dernier a suggéré la mise en place d’un comité de suivi scientifique et validé le site durant la première année de fonctionnement.

La station d’épuration de Landévant

Construite en 1992 et exploitée par Cise, la station d’épuration de Landévant (Morbihan) se caractérise par une filière biologique à boues activées (aération prolongée faible charge). Elle reçoit un effluent mixte. La part agro-alimentaire représente actuellement 35 % de la charge hydraulique et 60 % de la charge organique. La capacité nominale de la station est de 7500 E.H. soit une charge de 455 kg DBO5/j et un débit de 600 m³/j. La filière eau est schématisée sur la figure 1.

Le bassin tampon représente l’atout majeur de la station de Landévant. Il permet d’alimenter la filière biologique à sa capacité nominale. Il assure ainsi une régulation du débit et offre des conditions hydrauliques favorables :

• d’une part à la rétention des matières en suspension au niveau du clarificateur (vitesse ascensionnelle faible et constante : 0,3 m/h) et donc des germes associés,
• d’autre part à la désinfection aux UV. En effet, cette nouvelle station, soumise à des niveaux de rejet contraignants (f, NK2, PT2), présente les conditions requises pour une désinfection efficace par la technique des ultraviolets.

L’installation de désinfection aux UV

En sortie du clarificateur, l’effluent traité aboutit dans une bâche d’une capacité de 3 m³ pour être refoulé à un débit de 30 m³/h sur le filtre à sable (hauteur : 1 m ; granulo-

après ajustements, le protocole définitif en octobre 1995.

L’objectif de cette étude est d’essayer de fournir des recommandations concernant le choix du procédé UV et de décrire les résultats obtenus sur

[Figure : Évolution de l’abondance des germes témoins de contamination fécale aux différents niveaux de la filière (Période d’étude : juillet 1996 - août 1997). Il s’agit des concentrations en sortie des ouvrages indiqués]

...métrie : 0,8-1,4 mm) placé en amont du réacteur UV (figure 2). Le débit d’alimentation du traitement tertiaire (filtre + générateur UV) est régulé à 30 m³/h depuis le bassin tampon situé en tête de station d’un volume de 200 m³. Ainsi, à Landévant, le filtre et l’unité de désinfection fonctionnent approximativement suivant deux cycles continus de 7 heures par jour. Ce programme de fonctionnement permet d’éviter des arrêts/démarrages fréquents des lampes UV qui accélèrent leur vieillissement.

Le système de désinfection est un réacteur fermé de la marque Wedeco comportant 6 lampes à vapeur de mercure basse pression. Les caractéristiques des lampes UV utilisées figurent dans le tableau I.

Le dimensionnement de l’installation de désinfection tient compte des caractéristiques suivantes :

• • Débit maximum : 30 m³/h (temps de contact de 2,4 s dans le réacteur UV)
• • Transmittance UV à 254 nm : 55 % sur 1 cm
• • Lame d’eau de 30 mm
• • Intensité délivrée en fin de vie des lampes : perte de l’ordre de 35 %

Dans ces conditions, le constructeur garantit une dose UV minimale de 50 mW·s/cm². Le calcul de la dose UV a été effectué par le modèle mathématique dit de sommation des points sources.

Une sonde d’intensité, placée sur la paroi du réacteur au niveau du point le plus éloigné des lampes, permet d’assurer un suivi en continu du dispositif de désinfection. Elle constitue un indicateur d’efficacité de traitement qui prend en compte tous les paramètres influençant les performances du procédé (vieillissement des lampes, encrassement des gaines de quartz recouvrant les lampes et dégradation de la qualité de l’effluent).

Le programme de suivi : protocole d’échantillonnage

La fréquence d’échantillonnage a été hebdomadaire pendant les huit premières semaines puis mensuelle le reste de l’année. Les échantillons ponctuels ont été prélevés aux différents niveaux du traitement tertiaire (sortie clarificateur, sortie filtre, sortie générateur UV). De plus, afin de prendre en compte la variabilité d’échantillonnage, des tripliquats (trois prises ponctuelles consécutives au même endroit) ont été effectués. Pour les analyses microbiologiques, les Escherichia coli ont été dénombrés par conductancemétrie « MALTHUS » calibrée sur la technique NPP (NFT 90-413), les streptocoques fécaux (S.F.) par la technique sur membrane (Slanetz – NFT 90-416) et les phages fARN spécifiques (MS-2) par la souche hôte E.coli W1485 (ISO 10705-1). Des recherches de salmonelles (NF 08-052), de spores de bactéries anaérobies sulfito-réductrices (NFT 90-415), d’entérovirus (XPT 90-451) et de coliphages somatiques ΦX174 (ISO 10705-2) ont également été effectuées. De plus, afin d’essayer de couvrir l’ensemble des risques sanitaires, des analyses ont permis d’évaluer l’abattement sur les œufs d’helminthes, les kystes de Giardia et les oocystes de Cryptosporidium aux différents niveaux de la filière.

Enfin des analyses et mesures complémentaires sont programmées lorsque la demi-vie (5 000 heures) des lampes sera atteinte. Parallèlement à chaque prélèvement microbiologique, les caractéristiques physico-chimiques sont mesurées.

Tableau I : Caractéristiques des lampes UV utilisées à Landévant

Type de lampe :	vapeur de mercure basse pression
• Longueur d’arc :	1 130 mm
• Puissance consommée :	170 W
• Puissance UV à 254 nm :	55 W
• Durée de vie des lampes (perte d’intensité de 35 %) :	10 000 h

Tableau II : Caractéristiques de l’effluent en sortie du clarificateur (Période d’étude : juillet 1996 - août 1997)

	min	max	moy	Nb de valeurs
DCO J (mg O₂ l⁻¹)	10	46	29	23
MES (mg l⁻¹)	0,3	12	5	23
Turbidité (NTU)	0,94	8,4	3,1	23
Couleur (mg Pt/Co l⁻¹)	0,01	0,18	0,11	23
Fer (mg l⁻¹)	0,01	0,71	0,15	15
% Tr λ 254 nm (L = 10 mm)	51	81	71	15

Tableau III : Caractéristiques physico-chimiques de l’effluent avant désinfection en juillet 1997

Date	Sonde générateur UV (% intensité)	% de transmission à 254 nm (l = 10 mm)	DCO (mg/l)	MES (mg/l)	Turbidité (NTU)	Couleur (mg PtCo/l)	Fe (mg/l)
17/7/97	54	60	40	23	6,11	68	0,98
22/7/97	55	62	28	18	5,21	82	0,80

Les caractéristiques physico-chimiques de l’effluent (MES, DCO, turbidité, couleur, fer, % de transmission à 254 nm) ont été mesurées.

Résultats

Les paramètres physico-chimiques

La qualité de l'effluent en sortie de clarificateur (tableau II) est très bonne et relativement constante. Bien que cette étude n’ait pas permis de conclure à la nécessité de placer une filtration en amont de l’unité de désinfection, il est souhaitable de prévoir cet équipement par mesure de précaution et pour une continuité des performances dans le temps. En effet en été, le filtre permet la rétention des algues qui peuvent se développer dans le clarificateur.

Les paramètres microbiologiques

Les caractéristiques bactériologiques de l’effluent aux différents niveaux du traitement tertiaire sont présentées sur la figure 3. Les mauvais résultats enregistrés en juillet/août 1996 correspondent à la période de « calage hydraulique » de l'installation. À partir d’août 1996, les densités en Escherichia coli et streptocoques fécaux, après désinfection aux ultraviolets sont, en permanence, inférieures au seuil de détection des techniques d’analyse (10/100 ml pour les E. coli et 1/100 ml pour les SF). Les faibles concentrations en GTCF de l'effluent (3-4 U.log) en amont de l'unité de désinfection (Cargouet, 1997), ne permettent pas d’observer de fortes valeurs d’abattement sur l’unité de désinfection. On constate toutefois que le procédé UV en service à Landévant est efficace sur l’abattement des GTCF compte tenu de la dose UV appliquée (> 50 mW·s/cm²) et donne des résultats comparables à ceux de la littérature (Baron et al., 1994 ; Cordroch et al., 1995).

Ce procédé garantit un rejet conforme à 100 % du temps aux normes de qualité des eaux de baignade fixées par la réglementation et aux exigences de qualité des eaux conchylicoles.

Les faibles concentrations en bactériophages spécifiques fRNA (MS-2) et l'absence d’entérovirus en sortie du clarificateur n’ont pas permis d’évaluer finement l’abattement des virus par les ultraviolets. C’est pourquoi, un dopage de l’effluent en sortie du clarificateur, avec des phages fRNA (MS2), virus non pathogène, a été effectué pour apprécier l'efficacité virucide de cette unité de désinfection.

Évaluation de l’action virucide des UV

Afin d’évaluer l’efficacité du procédé UV dans des conditions extrêmes, la filtration a été temporairement supprimée et une injection des boues de recirculation a été réalisée en sortie du clarificateur. L’objectif était de se placer au seuil alarme de la sonde UV dans le réacteur qui correspond à une intensité relative de 50 % (dose UV de 50 mW·s/cm²).

Deux expérimentations ont été réalisées les 17 et 22 juillet 1997. Pour les paramètres microbiologiques, chaque campagne a consisté en trois prises ponctuelles d'un volume de 300 ml en amont et en aval du générateur UV. Les caractéristiques physico-chimiques de l'effluent le jour des prélèvements sont présentées dans le tableau III. Sur l'unité de désinfection de Landévant, nous obtenons un abattement des fRNA supérieur à 2 U.log (figure 4) dans les conditions les plus défavorables, c’est-à-dire au seuil alarme défini par le constructeur et avec une dose UV de 50 mW·s/cm². Ce résultat confirme des observations faites dans le cadre du programme européen Newtech (Pommepuy et al., 1997), qui indiquent un très bon pouvoir virucide des ultraviolets à une dose supérieure ou égale à 50 mW·s/cm².

Dans l’état actuel des connaissances, aucun virus plus résistant aux UV que les bactériophages fRNA (MS-2) et présentant un risque en termes de santé publique n’a été signalé (Baron, 1997a). Cela signifie qu’un abattement d’1 U.log des fRNA s’accompagnera d'un abattement, au minimum, d’une U.log sur les autres virus. Baron (1997a) considère qu’un abattement d’une U.log sur les phages fRNA s’accompagne d’abattements compris entre 2 et 3 U.log pour le virus de l’hépatite A en conditions expérimentales. Compte tenu des concentrations en virus généralement observées en sortie de traitement biologique, nous pouvons conclure que le procédé UV mis en place à Landévant permet de maîtriser le risque sanitaire vis-à-vis des virus.

Évaluation de la réparation des bactéries après traitement UV

La réparation constitue l'argument le plus utilisé contre la désinfection aux UV. Elle se caractérise par une reprise du pouvoir de cultiver d'une cellule bactérienne, cette propriété ayant été perdue après irradiation UV.

[Figure : Evolution des densités de Coliformes thermotolérants (CTT) après irradiation aux UV (Suivi du 30 juin 1997 au 3 juillet 1997)]

En effet, certaines bactéries disposent d'un équipement enzymatique qui, par action de la lumière naturelle, va réparer les altérations de l'ADN.

Jusqu'à présent, la plupart des observations proviennent d'études menées en laboratoire (Darby et al., 1994). Par contre, à Landévant, l'objectif consistait à évaluer l'ampleur de ce phénomène dans les conditions les plus représentatives possibles du milieu récepteur et dans l’optique d’une protection des usages sensibles (conchyliculture, pêche à pied).

Comme le rejet de la station d’épuration s’effectue dans un ruisseau avant d’atteindre l'estuaire de la rivière d’Etel, les essais ont été réalisés en eau douce et en eau de mer. Après irradiation aux ultraviolets, les effluents ont été introduits dans des béchers de 2 litres disposés soit à la lumière naturelle soit à l’obscurité pendant 72 heures. En effet, afin de prendre en compte les caractéristiques intrinsèques de l’effluent (multiplication et mortalité naturelle des cellules bactériennes), il est indispensable de disposer d'un témoin à l’obscurité.

Lors de cette expérimentation, les analyses de la cultivabilité des germes fécaux (coliformes thermotolérants et streptocoques fécaux) par la technique sur membrane ont été réalisées sur le site de Landévant par la société Micromer – Brest.

Les coliformes thermotolérants (CTT), qui n’étaient pas décelés sur milieu de culture après irradiation UV, tendent à réapparaître à la lumière alors qu’aucune évolution des germes n’est observée à l’obscurité (figure 5). L’hypothèse de l’existence de cette photoréparation serait donc confirmée. Cette expérience sera renouvelée afin de confirmer ces premiers résultats.

Par contre, l’absence ou la faible réparation des streptocoques fécaux concordent avec les résultats obtenus antérieurement (Baleux et al., 1995 ; Tremblay et al., 1995 ; Baron, 1997b).

En termes d'impact sur le milieu récepteur, l'incidence de la photoréparation reste faible. Elle est d’autant plus faible que l’effluent est rejeté dans un milieu salin. Plusieurs auteurs (Baleux et al., 1995 ; Mignonac, 1994 ; Baron, 1997b) confirment que la réparation semble négligeable pour une dose UV supérieure à 50 mW·s/cm² comme c’est le cas à Landévant.

Baron, 1997b, dans des travaux récents, indique que les salmonelles qui possèdent une morphologie et physiologie cellulaire proches de celles des coliformes thermotolérants ne présentent pas de phénomène de réparation en milieu marin. De plus, il est important de signaler que seules les bactéries sont concernées par la photoréparation. En effet, étant des « parasites obligatoires », les virus ne possèdent pas de système enzymatique pour assurer leur réparation.

Enfin, les conditions stressantes du milieu récepteur (prédation, sédimentation, dispersion…) vont dans le sens d'une réduction maximale du risque sanitaire.

Choix du procédé UV

Sur un plan général, le choix des équipements de désinfection UV doit prendre en compte les éléments suivants :

• Aspects hydrauliques :
  • Écoulement flux piston turbulent
  • Configuration du réacteur (fermé/ouvert) et disposition des lampes (parallèles ou perpendiculaires au flux)
  • Évaluation de la dose UV 254 nm fonction du temps d’exposition et de l’intensité
• Qualité de l'effluent : MES (< 20 mg/l), % de transmission (> 35 %), fer (< 0,5 mg/l)

Ainsi :

• Les performances d'un réacteur fermé s'avèrent relativement meilleures que celles d'un canal ouvert en raison d'une hydraulique mieux maîtrisée (alimentation à débit constant et écoulement flux piston turbulent). En effet, dans un canal ouvert, une faible variation du niveau d'eau engendre une irradiation insuffisante de la lame d’eau supérieure.
• Toutefois, pour des débits supérieurs à 80 m³/h, le système fermé n'est plus compétitif sur le plan économique et il convient de s’orienter vers un réacteur ouvert (Failly J., 1994).
• Les lampes à vapeur de mercure basse pression équipent la majorité des unités de désinfection en raison de leur bon rendement énergétique par rapport aux lampes de type moyenne pression. Cependant, pour des débits à traiter supérieurs à 1500 m³/h et des qualités d'eau médiocres, la forte puissance des lampes moyenne pression et donc le faible encombrement de l'installation justifient leur utilisation pour des raisons économiques.

Conclusions

En cas de rejet direct en zone sensible (pêche à pied de coquillage, zone conchylicole) et dans l’optique d'une parfaite maîtrise des risques sanitaires et particulièrement des contaminations virales par les coquillages, la mise en place d'une désinfection peut s'avérer nécessaire. À cet égard, le traitement aux ultraviolets à une dose supérieure à 50 mW·s/cm² est concluant et reste d'un coût relativement modéré tant sur le plan de l'investissement que du fonctionnement. À Landévant, le coût d’exploitation de la désinfection représente 10 % de celui de la station d’épuration.

Si l’étude à Landévant n’a pas permis d’évaluer totalement l’efficacité du procédé sur les pathogènes (salmonelles et entérovirus) ni sur les parasites en raison de leur faible abondance, voire de leur absence dans l’ef…

effluent à désinfecter, certains résultats s’avèrent encourageants :

• • Pour les salmonelles, 33 % des échantillons ont montré une présence en amont du traitement UV alors qu’aucune présence n’a été décelée après désinfection.
• • Les abattements supérieurs à 2 U.log obtenus sur les bactériophages fRNA spécifiques dans des conditions extrêmes de fonctionnement de l’installation UV montrent le bon pouvoir virucide des UV. Au niveau international, ces bactériophages spécifiques tendent maintenant à être reconnus comme les meilleurs indicateurs d’efficacité de traitement pour les virus entériques vis-à-vis de la désinfection UV (Baron, 1997a).

Toutefois, afin de garantir la pérennité d’un procédé UV sur site, il est indispensable :

• • dans un premier temps, de mettre en place un protocole pour valider les performances du procédé et définir des paramètres de surveillance fiables,
• • puis, de disposer d’un programme de surveillance renforcé qui associe une obligation de moyens (suivi de paramètres techniques de fonctionnement) à une obligation de résultats.

Sans cette précaution, tout système de désinfection est à proscrire car il peut conduire à une fausse sécurité et masquer la réalité du risque sanitaire en détruisant les indicateurs bactériens de contamination fécale sans garantir une élimination des virus et germes pathogènes.

Cette étude a pu être réalisée grâce au concours financier de l’Agence de l’Eau Loire-Bretagne, du Conseil Général du Morbihan, de la commune de Landévant et du Ministère de la Santé (D.G.S.)

Nous adressons nos sincères remerciements pour leurs observations, suggestions et critiques aux relecteurs de cet article et plus particulièrement à Mmes S. Corre Micromer, N. Hyvrard Cise-Saur, M. Legeas ENSP et M. Pommepuy Ifremer, et à Mrs J-F. Guillaud Ifremer et J. Lesne ENSP.

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