Elimination des bactéries et des virus au cours de la préchloration des eaux d'alimentation

par J.-C. BLOCK, J.-C. JORET, D. ROLLAND, Y. RICHARD et J.-M. FOLIGUET

Communication présentée au Colloque : « Eaux d'Alimentation et Santé Publique », 25-26 mai 1978, LILLE, France.

La pratique de la préchloration des eaux brutes destinées à la préparation d'eaux d'alimentation a eu comme objectif originel la satisfaction de la demande en chlore de l'eau avant son envoi dans le réseau de distribution. De cette façon, il est possible de maintenir un résiduel de chlore libre stable pendant le séjour de l'eau dans ce réseau et de garantir ainsi une bonne désinfection.

Depuis, la préchloration a été recherchée pour ses effets secondaires comme la diminution de la dose de coagulant, l'amélioration de la floculation et de la cohésion des boues, la limitation de la croissance des algues dans les ouvrages, etc. (Richard, 1975).

Primitivement, cette préchloration était réalisée en ajoutant le chlore juste avant le décanteur et en utilisant le temps de séjour dans le floculateur et le décanteur comme temps de réaction du chlore avec les matières oxydables de l'eau. L'augmentation des mauvais goûts dans l'eau brute a souvent conduit à ajouter avant le décanteur du charbon actif en poudre qui décompose le chlore. Pour corriger ce fait, un certain temps de contact a été réservé à l'action du chlore réalisant ainsi une préchloration de l'eau brute avant tout autre traitement.

Les effets de la préchloration sur les populations de micro-organismes ont été évalués le plus souvent en laboratoire en ajoutant des virus ou des bactéries à l'eau à traiter et ce, du fait du manque de sensibilité des méthodes de détection de ces micro-organismes, les entérovirus en particulier.

À l'heure où de nouvelles techniques de recherche des virus permettent d’analyser d'importants volumes d’eau, il semblait très important, comme Petrilli et coll. (1974) l'avaient fait, de vérifier sur le terrain les données obtenues en laboratoire.

Ce travail présente donc une partie des analyses réalisées sur une station industrielle de production d'eau potable et plus spécialement les résultats obtenus au cours de la préchloration.

MATERIEL ET METHODES

1. Points de prélèvements

Les prélèvements ont été effectués sur une usine de production d'eau potable à partir d'eau de rivière au niveau de deux chaînes de traitement, l'une avec préchloration, l'autre sans préchloration.

Les échantillons ont été réalisés :

— pour la chaîne de traitement avec préchloration (chaîne industrielle 1) : sur l'eau brute, l'eau préchlorée, l'eau coagulée-floculée-décantée et l'eau filtrée.

— pour la chaîne de traitement sans préchloration (chaîne semi-industrielle 2) : sur l'eau brute, l'eau coagulée-floculée-décantée et l'eau filtrée.

Les temps de séjour dans les différents compartiments du système sont respectivement de 30 minutes pour la préchloration, 35 minutes pour la coagulation-floculation-décantation chaîne 1, et 60 minutes chaîne 2, enfin de 13 minutes pour la filtration sur sable chaîne 1, et 20 minutes chaîne 2.

2. Analyses bactériologiques

Les échantillons destinés à l'analyse bactériologique ont été prélevés en flacons de verre stériles d'un volume de 500 ml et contenant 0,5 ml d'une solution stérile de sulfite de sodium à 3 %.

Après transport au laboratoire en boîte isotherme, ils ont été analysés selon les techniques du « Journal Officiel » en utilisant des milieux de culture dont la composition est donnée par Buttiaux et coll. (1974). Ces analyses ont permis d’évaluer le nombre de coliformes dans 100 ml d'eau, de E. coli dans 100 ml d'eau, de S. faecalis dans 100 ml d'eau, de Clostridium sulfito-réducteurs sous forme sporulée dans 100 ml d'eau, des germes totaux capables de se multiplier à 37 °C en 24 heures dans 1 ml d'eau, des germes totaux capables de se multiplier à 22 °C en 72 heures dans 1 ml d'eau.

3. Analyses virologiques

Les échantillons destinés à l’analyse virologique ont été concentrés directement et en continu sur le terrain selon une méthode décrite précédemment (Block et coll., 1978). Les volumes analysés ont été de 100 à 200 litres pour les eaux brutes et pré-chlorées (en fonction du colmatage des filtres) et de 1000 litres pour les eaux décantées et filtrées.

La technique de concentration des virus peut se résumer succinctement en deux étapes : adsorption puis élution des particules virales.

— adsorption : après addition en continu de sulfite de sodium, d’acide chlorhydrique jusqu’à pH 3,5 et de chlorure d’aluminium à la concentration finale de 5·10⁻³ M, les échantillons sont filtrés à travers une première cartouche filtrante en polyéthylène fritté et une seconde composée de microfibres de verre liées par une résine époxy.

— élution : les virus retenus sur les filtres sont élués par passage à travers ces deux cartouches filtrantes de 1500 ml de tampon soude-glycine 0,5 M pH 11,5. Le liquide d’élution est ensuite neutralisé à un pH voisin de 7-7,2.

Après décontamination bactérienne par traitement au chloroforme selon la technique de Buras (1974), les échantillons sont inoculés, dilués ou non, sur cultures de cellules BGM (Barron et coll., 1970) à raison de 1 ml pour 25 cm² de tapis cellulaire confluent. Les virus sont numérés selon la technique des plages (Dahling et coll., 1974) et les titres viraux exprimés en unités formant plages ou U.F.P. par litre d’eau analysé.

4. Analyses physico-chimiques

Quelques paramètres physico-chimiques ont été évalués dans les eaux brutes et pré-chlorées selon les techniques décrites dans Standard Methods (1975) : le pH, la température (°C), la turbidité (unité formazine), l’azote ammoniacal (mg/l) et le chlore total et libre (mg/l).

RESULTATS

1. Analyse des eaux brutes

Le tableau 1 rassemble les résultats des analyses réalisées sur les eaux superficielles brutes. Ces eaux sont troubles, peu chargées en azote ammoniacal et contiennent des populations bactériennes relativement importantes. Sauf le 31.01.78 et le 1.02.78, les virus ont été mis en évidence dans ces eaux de surface. Leur densité varie de 0 à 6210 U.F.P./litre.

2. Analyse des eaux pré-chlorées, avant addition de coagulant

Le tableau 2 rassemble les résultats des analyses réalisées sur les eaux pré-chlorées et avant addition de coagulant (sulfate d’alumine). Les quantités de chlore ajoutées varient en fonction de la qualité de l’eau de 1,8 à 3,4 mg/litre. Elles sont ajustées au point critique de façon à avoir en fin de chaîne de traitement du chlore résiduel libre. Avant addition de coagulant et après 30 minutes de contact chlore-eau, les quantités d’oxydant résiduel sont importantes. On y trouve un mélange de chloramines et de chlore libre (0,4 à 0,8 mg/l). À la température et au pH légèrement alcalin de l’eau, environ 70 % de ce chlore libre se trouve sous forme d’ions hypochlorite OCl⁻.

La comparaison des tableaux 1 et 2 permet d’apprécier l’élimination des micro-organismes au cours de cette pré-chloration. Les résultats exprimés en pourcentages sont présentés dans le tableau 3. L’élimination des bactéries coliformes, E. coli et S. faecalis avoisine 99 %, celle des Clostridium sous forme sporulée environ 71 % et celle des virus (U.F.P.) varie de 0 à 26 %. Dans cette investigation, 0 % d’élimination traduit en fait des populations virales plus denses dans les eaux pré-chlorées que dans les eaux brutes.

Tableau 1 Caractéristiques physico-chimiques et microbiologiques des eaux brutes avant traitement

(–) analyse non faite # échantillon inoculé

Tableau 2 : Caractéristiques physico-chimiques et microbiologiques des eaux brutes après chloration et avant addition du coagulant

Tableau 3 : Élimination des microorganismes (en %) après chloration et avant addition du coagulant

3. Analyse des eaux en sortie de décanteur et de filtre

Des analyses comparatives ont été réalisées sur la chaîne industrielle 1 (eau préchlorée) et sur la chaîne semi-industrielle 2 (eau non préchlorée). Des prélèvements ont été effectués à la sortie des décanteurs (après traitement au sulfate d’alumine 90 g/m³) et des filtres (filtration sur sable).

Pour des raisons techniques, nous n’avons pu mener cette investigation qu’une seule fois (le 31 janvier 1978). Les résultats sont présentés dans le tableau 4. Sur la chaîne industrielle 1 (eau préchlorée) l’eau décantée contient 0,17 mg de chlore libre et quelques dizaines de bactéries à la numération totale à 22 °C et 37 °C. Sur la chaîne semi-industrielle 2 (eau non préchlorée) et après décantation, l’élimination des bactéries de l’eau brute avoisine 96 % des coliformes, de E. coli, 100 % de S. faecalis, 80 % de Clostridium sous forme sporulée, et respectivement 95 et 92 % des populations bactériennes numérées à 22 °C et 37 °C.

Après filtration, en ce qui concerne les bactéries, la situation n’a pas évolué pour les eaux préchlorées et, pour les eaux non préchlorées, l’élimination des coliformes et de E. coli est supérieure à 99 %, celle de S. faecalis et des Clostridium atteint 100 % et celle des populations bactériennes à 22 °C et 37 °C dépasse 99 %.

La turbidité des eaux analysées sur la chaîne semi-industrielle 2 (sans préchloration) est supérieure à celle des eaux de la chaîne industrielle 1 tant en sortie décanteur (38 gouttes mastic contre 21 gouttes mastic) qu’à la sortie des filtres (3,5 gouttes mastic contre 2,5 gouttes mastic).

En ce qui concerne les virus, aucun résultat ne peut être exploité car nous n’avons pas pu en isoler aux différents points de prélèvement. Ces faits sont exceptionnels car, dans d’autres séries d’analyses (résultats non publiés), des virus avaient pu être mis en évidence dans l’eau brute et l’élimination virale en sortie de décanteur (chaînes industrielles) variait de 71 à 79 % et était de l’ordre de 100 % après filtration.

DISCUSSION

L’analyse des eaux superficielles destinées à la préparation d’eau de distribution publique permet de souligner deux faits :

— D’une part, des virus y ont été fréquemment mis en évidence, mais la distribution des populations virales semble plus hétérogène que celle des populations bactériennes comme le montraient déjà les résultats de Sarrette et coll. (1977). Le rapport virus sur bactéries E. coli varie au même point de prélèvement et à quelques mois d’intervalle de 1/10 à 1/5 000.

— D’autre part, les quantités de virus trouvés sont relativement importantes si on les compare à d’autres valeurs signalées, en particulier dans la littérature anglo-saxonne. Cela permet en fait d’insister sur l’impossibilité d’homogénéiser toutes les données internationales tant sont nombreuses les différences d’ordre méthodologique mais surtout d’ordre géographique, écologique et épidémiologique.

Les effets de la préchloration sur les populations de micro-organismes exprimés en pourcentage d’élimination (tableau 3) montrent que les virus rencontrés dans le milieu hydrique semblent très difficiles à inactiver, comparativement aux formes sporulées et végétatives de certaines bactéries.

Si les résultats notés sur le terrain concordent en ce qui concerne les bactéries avec ceux obtenus par Petrilli et coll. (1974) sur des eaux de rivière et Ludovicci et coll. (1975) sur des eaux usées, ils contredisent pour les virus ceux de Kjellander et coll. (1965), Lothrop et coll. (1969), Liu et coll. (1973), Foliguet et coll. (1974), Herbeth (1976), Hugues et coll. (1977). Dans tous ces travaux de laboratoire, leurs auteurs ont conclu à l’efficacité d’une élimination virale de 90 à 99 % en 10 à 30 minutes en présence de chlore libre de 0,1 à 0,5 mg/litre.

Par contre, de très faibles pourcentages d’élimination virale par préchloration ont déjà été signalés par Petrilli et coll. (1974) lors d’analyses réalisées sur une station industrielle. Ces auteurs, dans un certain nombre de cas, retrouvent 50 à 80 % des virus présents dans des eaux de puits et de surface préchlorées respectivement pendant 15 à 30 minutes par l’hypochlorite de sodium et pendant 55 minutes avec 3 ppm de bioxyde de chlore et 10 ppm de chlore gazeux.

Les différences entre les résultats obtenus au laboratoire et au stade industriel peuvent provenir à la fois de la nature de l’eau traitée et des virus qu’elle véhicule et des modalités industrielles du traitement.

1. L’eau traitée

Il faut noter que la préchloration des eaux brutes vise à désinfecter dans de très mauvaises conditions (eaux turbides et forte demande en oxydant, chargées en azote ammoniacal…) contraires aux règles générales d’application d’un désinfectant (Fair et coll., 1968). À cet égard, on peut rappeler que pour Lund (1975) la chloration d’effluents tertiaires d’eaux usées n’a d’effet significatif sur les entérovirus qu’en présence de chlore libre appliqué pendant 24 heures.

Par ailleurs, certains paramètres « classiques » ont été évalués ici (pH, température, turbidité, azote ammoniacal) ; ils ne sont peut-être pas les plus utiles ou les plus représentatifs pour apprécier, sinon prévoir l’inactivation des virus par le chlore dans de telles eaux.

2. Les virus

La majeure partie des études de préchloration ont été menées en laboratoire en ajoutant à des eaux synthétiques ou naturelles certaines bactéries et virus. Dans ces conditions, la résistance des virus à l’oxydant n’est que légèrement supérieure à celle des bactéries (Scarpino et coll., 1974), de l’ordre de quelques dixièmes de milligrammes de chlore ou de quelques minutes de contact. Cette faible différence ne permet donc pas d’expliquer le décalage observé sur le terrain en bactéries et virus indigènes. La résistance des virions à l’action du chlore doit alors être rattachée à leur environnement immédiat, à leur état physique dans l’eau… différents de celui des bactéries et non reproductible en laboratoire.

À cet égard, les phénomènes d’enrobage par de la matière organique, d’adsorption et d’agrégation de ces particules virales indigènes sont capables de limiter l’action de l’oxydant comme l’ont déjà rappelé Berg et coll. (1967), Lovtsevich (1973), Stagg et coll. (1977).

3. Les modalités industrielles de traitement

Une installation industrielle aussi sophistiquée soit-elle a ses imperfections, fonction de l’importance des volumes traités alors qu’un système expérimental permet une investigation plus rigoureuse mais, du reste, difficilement extrapolable. L’utilisation de pilotes semi-industriels ne résout qu’en partie ce dilemme. Ainsi, l’étude comparative réalisée entre la chaîne industrielle 1 et la chaîne semi-industrielle 2 (tableau 4) ne permet pas de conclure avec certitude quant à l’impact de la préchloration sur les micro-organismes.

En effet, comme la turbidité de l’eau n’est pas la même sur les deux chaînes, il est par ailleurs difficile de savoir si les bactéries ont été mises en évidence,

Tableau 4 : Résultats d’analyse à la sortie des décanteurs et des filtres de la chaîne industrielle (eau préchlorée) et de la chaîne semi-industrielle (eau non préchlorée)

— d'une part, parce qu’il n’y avait pas de chlore dans l’eau ; — ou d’autre part, parce que le décanteur de la chaîne semi-industrielle 2 fonctionnait moins bien que celui de la chaîne industrielle 1 à cause d’une moins bonne coagulation-floculation en absence de chlore.

CONCLUSION

Les résultats obtenus sur une station industrielle de production d’eau potable ne sont que des préliminaires dans l'approche des effets de la chloration d’eaux superficielles. Préliminaires à trois titres :

— le nombre d’analyses est encore trop restreint pour en permettre une évaluation statistique ; — tous les virus isolés n’ont pas été identifiés et la réduction obtenue ne présente qu’un caractère quantitatif global de la flore virale ; — les virus isolés ne l’ont été que par une seule méthode de concentration et sur un seul système cellulaire et ne représentent sans nul doute qu'une fraction de la flore virale soumise à nos investigations.

Ces restrictions étant faites, on peut toutefois souligner les constatations suivantes :

— Il n’y a pas de corrélation entre le nombre de particules virales et les bactéries fécales habituellement recherchées dans les eaux superficielles ; — les virus indigènes du milieu hydrique sont plus difficilement éliminés au cours de la préchloration que les bactéries de pollution fécale, même en présence de chlore libre ; — Il existe un hiatus considérable entre les résultats obtenus en laboratoire (virus ajoutés) et les investigations menées sur le terrain (virus indigènes). Dans ces conditions, et comme les méthodes actuelles le permettent, il est indispensable de vérifier sur le terrain toutes les données obtenues en laboratoire.

J. C. BLOCK* – J. C. JORF** – D. RIVAND** Y. RICHARD** – J.-M. FOLIGUET**

* INSERM ** Laboratoire d'Hygiène et de Recherche en Santé Publique *** Société Degrémont

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