Eaux de piscines Partie I : Étude de cas

La matière organique naturelle peut devenir dangereuse lorsqu’elle est mise en contact avec du chlore, ce qui se produit par exemple lors de l’ultime étape de traitement avant distribution dans le réseau municipal. Il y a alors réaction entre cette matière organique et l’acide hypochloreux, ce qui cause la formation de sous-produits de désinfection. Gopal et al. (2000) ont classé les sous-produits de désinfection les plus abondants dans l’eau potable (tableau 1). Il apparaît immédiatement que la présence de tels produits dans l’eau pose un problème de santé publique. La problématique des sous-produits de désinfection présente dans la potabilisation de l’eau se retrouve très fortement accentuée lors du traitement des eaux de piscine, puisque ce traitement se fait principalement par ajout de chlore ou de composé chloré. Il y a donc réaction du chlore avec la matière organique apportée par les baigneurs, de la même façon que le chlore réagit avec la matière organique naturellement présente dans les eaux de surface.

Le traitement classique des eaux de piscine s’effectue en deux grandes étapes : (i) une coagulation plus filtration sur sable permettant d’éliminer les matières en suspension et une partie de la matière organique, (ii) une désinfection de l’eau.

La durée du cycle de traitement dépend des caractéristiques du bassin. Pour des bassins de profondeur inférieure ou égale à 1,5 m, la durée du cycle de traitement est fixée à une heure trente. Pour des bassins de profondeur supérieure à 1,5 m, l’intégralité du volume de la piscine doit être traitée en quatre heures (Décret n° 81-324 du 7 avril 1981). Un apport d’eau neuve quotidien à raison d’environ 50 L par baigneur ayant fréquenté l’installation est nécessaire. Le procédé de piscine doit répondre à un certain nombre de critères de qualité, parmi lesquels les plus importants sont les critères bactériologiques : l’eau doit être à la fois désinfectée et désinfectante. L’eau de piscine est facilement contaminée par des microorganismes pathogènes : protozoaires, champignons, bactéries et virus.

Le chlore, par son pouvoir rémanent, est le principal agent de désinfection utilisé dans les piscines publiques. Il est présent dans

Tableau 1 : Sous-produits de désinfection et effet sur la santé

L'eau sous différentes formes possédant un pouvoir désinfectant plus ou moins important (figure 1). L’acide hypochloreux (HClO) est la forme active du chlore, autrement appelé chlore actif, qui lui confère son pouvoir désinfectant. Les proportions relatives en ions hypochlorites (ClO⁻) et en acide hypochloreux (HClO) dépendent donc de la température de l'eau et surtout du pH. Ces deux formes constituent le chlore libre. Les ions hypochlorites représentent le chlore potentiel, car ils sont susceptibles de se transformer en acide hypochloreux désinfectant selon le pH. Enfin, le chlore combiné est le terme employé pour parler des produits de réaction formés par le chlore avec les polluants organiques. La somme du chlore libre et du chlore combiné représente le chlore total. La figure 1 regroupe ces quatre définitions. Les concentrations en chlore sous ses différentes formes sont soumises à une réglementation stricte : la concentration en chlore actif doit être comprise entre 0,4 et 1,4 ppm, tandis que la concentration en chlore combiné ne doit pas dépasser 0,6 ppm.

Problème de santé publique

L’eau de piscine subit une contamination biologique, qui a depuis longtemps retenu l'attention du fait de son risque sanitaire immédiat. Il existe cependant une contamination chimique, que les traitements classiques ne peuvent pas toujours affronter, et qui entraîne les mêmes problèmes de santé que les sous-produits de désinfection dans l'eau potable. La principale source de contamination reste le baigneur, puisqu’il introduit divers composés par ses phanères (cheveux, poils), sa peau (squames), ses sécrétions rhino-pharyngées (salive, mucus), ses urines et matières fécales, mais aussi par sa sueur et les cosmétiques qu'il utilise. Seux (1988) a estimé, à partir d'une étude bibliographique, les volumes horaires d’urine et de sueur émis par un baigneur à 25 – 60·10⁻³ L·h⁻¹ et 200·10⁻³ L·h⁻¹ respectivement, ce qui entraîne une pollution non négligeable. La matière organique, carbonée et azotée, apportée par les baigneurs est susceptible de réagir avec le chlore présent dans l'eau. Tout comme lors de l’étape de désinfection finale dans le procédé de potabilisation de l'eau, les composés majoritaires détectés dans l'eau de piscine sont les haloformes, plus précisément les trihalométhanes comme le chloroforme. Une étude montre que le carbone issu des acides humiques naturellement présents dans l'eau de surface a une capacité à former des trihalométhanes huit fois plus importante que le carbone issu des fluides corporels (Judd et Bullock 2003). Toutefois leur faible concentration dans les eaux de surface entraîne une concentration en trihalométhane moindre que dans les eaux de piscine (tableau 2). La matière carbonée dans les eaux de piscine forme aussi des acides chloroacétiques ainsi que des acétonitriles, composés aussi présents en grande quantité lors de la désinfection pour la potabilisation de l'eau. Le tableau 2 compare les concentrations en sous-produits de désinfection majoritaires dans l'eau potable et les eaux de piscine trouvées dans la littérature. Les quantités sont du même ordre de grandeur, hormis le chloroforme, qui se démarque fortement dans les eaux de piscine puisque sa concentration peut atteindre 180 µg·L⁻¹, ainsi que les acides chloroacétiques dont la concentration peut être 10 000 fois plus importante.

La matière azotée, grande partie de la pollution induite par les utilisateurs de piscine, possède une grande réactivité avec l’acide hypochloreux ou l'ion hypochlorite. Les acides aminés conduisent à la formation de composés nitrile ou d’aldéhyde, et les réactions mises en jeu sont assez rapides. L'urée, après substitution de quatre hydrogènes par quatre atomes de chlore, réagit aussi avec l’acide hypochloreux pour former des chloramines NH₂Cl et NCl₃, en quantités sensiblement égales (Seux 1988). Trihalométhanes et chloramines possèdent une grande volatilité, et peuvent donc rapidement se retrouver dans l'air. Le trichlorure d’azote est le composé qui se libère le plus facilement dans l’atmosphère des halls de bassins de piscine. Cette molécule est responsable de l’odeur caractéristique des piscines. L’eau, mais aussi l’air, représentent alors une menace pour la santé, comme le prouvent les études faites sur la qualité de l’air des piscines fermées (Aggazzotti et al., 1998; Fantuzzi et al., 2001; Erdinger et al., 2004). Les quantités de polluants varient selon de nombreux paramètres, tels que la fréquentation, l'hygiène des baigneurs, la ventilation et la présence de bassins ludiques. Ces quantités sont donc très importantes dans les piscines ludiques. Un suivi des chloramines dans l'air de différentes piscines réalisé par l’Institut National de Recherche et de Sécurité montre que la concentration peut atteindre 1,85 mg·m⁻³ pour des piscines soumises à de fortes fréquentations et à un renouvellement de l'air minimal (Héry et al., 1994). Cette valeur est trois fois plus importante que la valeur limite d’exposition à long terme préconisée (0,5 mg·m⁻³). La quantité de trihalométhanes est moins importante, un maximum de 200 µg·m⁻³ ayant été relevé par Aggazzotti et al. (1998).

Les composés les plus volatils, à savoir les chloramines et les trihalométhanes, sont aussi ceux qui sont les plus toxiques pour

L’être humain.

Le chloroforme est un cancérogène suspecté, classé dans la catégorie 2B par le Centre International de Recherche sur le Cancer (CIRC). La trichloramine est un irritant aussi fort que le chlore (Gagnaire et al., 1994), et l'INRS préconise une valeur limite d’exposition à long terme de 0,5 mg.m³. L’être humain absorbe facilement ces composés par contact avec la peau, mais surtout par inhalation (Erdinger et al., 2004). Les Maîtres Nageurs Sauveteurs (MNS) sont les plus sujets à cette pollution. En effet, l’enquête de Massin et al. (2001) recense des cas de bronchite chronique, toux et/ou expectoration chronique, épisodes de bronchites, dyspnée et asthme chez 334 MNS interrogés. Une autre étude réalisée par Héry et al. (1994) montre que des irritations respiratoires et oculaires apparaissent pour une concentration en équivalent trichloramine de 0,5 mg.m³, quels que soient les établissements. Au-delà de 0,7 mg.m³, tous les employés sont concernés par ces gênes. D'autre part, le développement des séances de bébés-nageurs, qui concerne en France entre 30 000 et 40 000 enfants de moins de trois ans (Moulin, 2007), alimente aussi la polémique sur la qualité de l'air et de l'eau dans les piscines. En effet, les enfants en bas âge sont fortement concernés par la problématique des sous-produits chlorés pour plusieurs raisons : comportementales (apprentissage de la nage, ingestion volontaire, etc.), physiologiques (peau plus perméable) et environnementales (bassin peu profond, forte fréquentation, apport de pollution plus important, eau plus chaude). Tous ces facteurs font qu’un enfant d’un an peut absorber en une heure trois fois plus de chloroforme qu'un maître-nageur en une semaine. Ces conditions entraînent un net dépassement de la dose journalière acceptable de 15 µg.kg⁻¹ (WHO, 2000). Une étude montre que les enfants ayant fréquenté régulièrement une piscine avant l’âge de deux ans se distinguent nettement des autres par des risques significativement plus élevés d’asthme diagnostiqué, de bronchite, d’eczéma et de symptômes respiratoires comme de l’oppression thoracique et des crises d’asthme plus fréquentes (Nickmilder et al., 2003). Chez les enfants de moins de un an, ces auteurs ont trouvé une forte réduction de l'intégrité des bronchioles terminales, cas uniquement décelé chez l’homme lors de tabagisme actif et d’exposition industrielle. Le traitement classique des eaux de piscine pose donc un problème de santé publique, à la fois chez le personnel de la piscine, notamment les Maîtres Nageurs Sauveteurs (MNS), mais aussi chez les enfants en bas âge. L’activité “bébés-nageurs” devient le sujet de controverses.

L’objectif de cette étude est double, faire une étude de cas sur un bassin confronté à des activités bébés-nageurs, à des activités diverses mais également à une surfréquentation. Cette étude qui fait l'objet de cette partie I doit montrer l’évolution des paramètres globaux de pollution en fonction de la fréquentation, des activités, des périodes de fermeture mais également établir les conditions extrêmes que l’on peut rencontrer dans ce type de bassin. L'idée est d’évaluer le risque réel pour le développement d’un procédé innovant de traitement par couplage ultrafiltration-adsorption. Le développement et les résultats sont présentés dans une seconde partie (Barbot et al., 2008).

Tableau 2 : Comparaison des concentrations en sous-produits de désinfection pour l’eau potable et l’eau de piscine

Résultats

Une grande attention a été portée au choix de la piscine d’étude. Plusieurs piscines ont été sélectionnées pour les fortes contraintes auxquelles elles étaient soumises : piscine municipale, piscine de rééducation fonctionnelle. Il s’agissait de se placer dans des conditions difficiles, comme une surfréquentation, une population immunodépressive ou fragile et une température élevée. Il était de plus important que le bassin soit d’assez petit volume et que le traitement de l'eau soit autonome. Un petit bassin de 100 m² dans une piscine municipale de Marseille a donc été sélectionné. Cette piscine offre des créneaux horaires pour des séances d’aquaphobie, d’aquagym, de bébés-nageurs et d’activités post-natales, qui se déroulent

Dans le petit bassin. En dehors de ces créneaux, la piscine est soit ouverte au public, soit réservée à des cours de natation pour les scolaires, soit fermée pendant la nuit. La température moyenne de l’eau est de 27 °C. Les séances de bébés-nageurs ont lieu le samedi matin. Ces séances nécessitent une eau plus chaude : l’eau commence donc à être chauffée le vendredi matin, pour atteindre 32 °C le lendemain matin.

La fréquentation du bassin a été suivie afin de déterminer son influence sur la qualité de l’eau. La comparaison des résultats est rendue délicate par le fait que l’eau du bassin n’est jamais rigoureusement identique. Aussi et afin d’être le plus proche de la réalité, l’étude est menée sur plusieurs mois permettant ainsi d’accumuler un nombre très important de résultats. Il a ainsi pu être mis en évidence que pendant les séances de bébés-nageurs, qui se déroulent chaque samedi matin, la fréquentation du bassin est comprise entre 40 et 50 personnes (figure 3). Le lundi est réservé en partie aux séances d’aquagym et d’aquaphobie. Les séances d’aquaphobie regroupent environ six personnes, dont l’activité est très modérée. Les séances d’aquagym rassemblent 25 personnes, dont l’activité est intense.

Pendant les créneaux d’ouverture au public, la fréquentation du bassin d’étude est très variable en termes de nombre de personnes et de tranche d’âge, et peut atteindre des pics de 80 personnes dans le bassin dont le volume n’est que de 100 m³ (figure 4). Au début de chaque journée, la qualité de l’eau est bonne puisque la concentration en chlore combiné est en moyenne égale à 0,3 ppm (figure 5). Cependant, au cours de la journée, cette concentration augmente, jusqu’à dépasser 3 jours sur 5 la norme imposée par la réglementation de 0,6 ppm, révélant une accumulation des molécules composant le chlore combiné dans le bassin.

Pendant la nuit où la piscine demeure fermée, l’eau est suffisamment renouvelée pour obtenir au matin la qualité attendue. Ce phénomène d’accumulation est tout à fait visible lors de la journée du 28 juin 2006, pendant laquelle la fréquentation reste quasiment constante autour de 30 personnes. Même si la concentration en chlore combiné suit assez bien la variation de fréquentation du bassin tout au long d’une journée, l’activité des baigneurs reste un paramètre important à prendre en compte. En effet, pendant la journée du 30 juin, la fréquentation reste en moyenne égale à 30 personnes dans le bassin, et la concentration en chlore combiné ne dépasse pas 0,45 ppm, tandis qu’elle atteignait 0,7 ppm pour la journée du 28 juin pour une fréquentation identique. De fortes différences de qualité de l’eau ont ainsi été relevées selon l’activité des baigneurs.

Figure 6 montre l’évolution de la concentration en chlore combiné dans le bassin pendant une journée où une séance d’aquagym a lieu entre 11 h et 12 h. La seule présence de 25 baigneurs participant à cette activité durant 1 h fait accroître la concentration de 0,46 à 0,73 ppm. Ainsi, si l’activité des baigneurs reste un paramètre difficilement mesurable, elle demeure un critère déterminant pour la formation de sous-produits de désinfection. Sur cette figure encore, la variation de la concentration en chlore combiné suit celle de la fréquentation. Il a été observé un décalage d’une heure entre le pic de fréquentation et le pic de chlore combiné dans le bassin, correspondant à l’accumulation dans le bassin tampon servant pour le traitement de l’eau. Aucune corrélation n’a pu toutefois être mise en évidence entre fréquentation et concentration en chlore combiné. Même si la formation de chlore combiné est accrue par la présence de baigneurs, vient se greffer un phénomène d’accumulation. Ainsi, une forte dégradation de la qualité de l’eau a été observée pendant la période de fortes chaleurs en juillet 2006, où la fréquentation moyenne était de 50 personnes en continu. On constate (figure 7) que des valeurs trois fois supérieures à la norme sont ainsi mesurées lors de fortes canicules.

Au bout de 18 mois de surveillance, les valeurs limites ont été rassemblées dans le tableau 3. Pour des raisons de sur-fréquentation et/ou des problèmes de fonctionnement ponctuels, il a été observé des variations très importantes en chlore libre pouvant être insuffisant ou très largement au-dessus des normes, et des pH de baignade très acides ou très basiques. Il a été également observé en fin d’activités bébés-nageurs un trouble de l’eau. Malheureusement, les techniques classiques de turbidité ou d’absorbance n’ont pas permis de quantifier ce trouble sur la hauteur d’eau.

Tableau 3 : Conditions limites

Concentration moyenne en Cl libre (ppm) : 1,95

Conclusion

L’objectif de cette première partie était de déterminer la variation des paramètres globaux de pollution dans un bassin d’une piscine municipale. On constate que, sans pouvoir établir de relation de proportionnalité, la pollution est amenée par la présence de baigneurs mais est également fonction de l’activité. On constate également sur une longue période des conditions extrêmes de baignade. Cette étude de cas montre clairement la toxicité des bassins de baignade et les limites du traitement des eaux mis en place dans ces piscines. Les risques sanitaires sont importants et de nouveaux procédés doivent être développés. Plusieurs critères sont à prendre en compte :

• (i) la compacité : le traitement est souvent situé dans les sous-sols des piscines,
• (ii) l’efficacité : il doit permettre d’arrêter les pollutions solides mais également dissoutes,
• (iii) la flexibilité : il doit traiter quelle que soit les conditions opératoires et quelle que soit la fréquentation (dans notre cas entre 6 et 80 personnes pour 100 m²).

Le procédé original présenté dans la partie II couple l’ultrafiltration et l’adsorption (Barbot et al., 2008).

Remerciements :

Les auteurs souhaitent remercier la Ville de Marseille, la direction déléguée à la Recherche Scientifique, à l’Enseignement Supérieur, aux Pôles Technologiques, aux Nouvelles Technologies de l’Information et de la Communication, aux Relations avec les Communautés et à Marseille Espérance, la direction déléguée à l’Hygiène et Santé, à la Toxicomanie, au Sida et à la Prévention des Risques Sanitaires chez l’Adolescent et la direction déléguée aux Services Techniques et des Sports ainsi que le Ministère de la Santé pour leur support financier et technique.

Références bibliographiques

– Moulin J.P., Bébés-nageurs : effets des séances de piscine sur le développement du jeune enfant, Journal de Pédiatrie et de Puériculture, 20(1) (2007) 25-28.

– Nickmilder M., S. Carbonelle, C. de Burbure, X. Dumont, A. Bernard, M. Francaux, O. Michel, Risques respiratoires de la désinfection des piscines par le chlore : Études épidémiologiques et expérimentales, Rapport final, Convention IBGE/UCL n° 747, Bruxelles, décembre 2003.

– Seux R., Évolution de la pollution apportée par les baigneurs dans les eaux de piscines sous l’action du chlore, Journal Français d’Hydrologie, 2 (1988) 151-168.

– Stack M.A., G. Fitzgerald, S. O’Connell et K.J. James, Measurement of trihalomethanes in potable and recreational waters using solid phase micro-extraction with gas chromatography-mass spectrometry, Chemosphere, 41(11) (2000) 1821-1826.

– Stottmeister E., F. Nagitsch, Human exposure to other disinfection by-products than trihalomethanes in swimming pools, Annual report of the Federal Environmental Agency, Berlin, Germany (1996).

– Villanueva C.M., B. Gagnière, C. Monfort, M.J. Nieuwenhuijsen et S. Cordier, Sources of variability in levels and exposure to trihalomethanes, Environmental Research, 103(2) (2007) 211-220.

– WHO, Guidelines for safe recreational water environments, Volume 2, Swimming pools, spas and similar recreational water environments, 2000.