Les technologies de désinfection des eaux évoluent au gré des réglementations

« Nous buvons 90 % de nos maladies » affirmait Pasteur en 1881, en découvrant l’existence de ce que l’on nommait alors les microbes. Il a été le premier à tenter une définition sanitaire de l’eau potable, avec des références bactériologiques. À l’époque et jusqu’au début du XXᵉ siècle avec le développement de traitements de désinfection, la garantie d’élimination des microbes passe par l’ébullition de l’eau. Parallèlement, l’eau potable devient un concept légal, bien que fluctuant.

La maîtrise du risque sanitaire microbiologique est assurée par la multiplication d’étapes de traitement dans une stratégie d’approche « multi-barrières ». L’application de ce concept se traduit par des étapes de traitement diversifiées combinant souvent ozone/UV.

Évoluant au fil des temps : celle de 2013 n’est pas celle de 1990, ni celle de 2020 ; mêmes nuances d’un pays à un autre. Quelles que soient les applications (eau potable, de process, de baignade, piscine…), les réglementations évoluent au gré de la liste des paramètres microbiologiques qui tend à s’étendre sans cesse. Et les technologies s’adaptent.

La désinfection : une problématique transversale

Les procédés de désinfection sont avant tout choisis en fonction de la finalité du traitement et de la qualité de la ressource et mis en œuvre dans le cadre d’une problématique transversale. Exemple en matière d’eau potable : « La désinfection n’est plus considérée comme l’étape ultime de traitement, explique Sylvie Baig, responsable scientifique innovation chez Degrémont. De gros progrès ont été faits en amont et une bonne part de la désinfection est maintenant réalisée lors des étapes de clarification avec de simples filtrations dans les schémas les plus simples, associées à de la coagulation, des filtrations sur charbon actif, des traitements membranaires dans des schémas plus complexes. » C’est la meilleure façon de faire face à la dégradation continuelle de la ressource qui exige non seulement un traitement de plus en plus performant, mais également une adaptation en continu pour traiter les problèmes émergents comme actuellement l’élimination des micropolluants ou des perturbateurs endocriniens.

On parle d’ailleurs désormais de concept multi-barrières. La plupart des traiteurs d’eau parmi lesquels Xylem, Degrémont et ses filiales Ozonia et Ondeo I.S., O.E.I. France, Siemens Water Technologies, Veolia Eau, Serep ou Eau Pro proposent ozonation et/ou UV. « Sur les grosses usines d’eau potable, on ajoute souvent des traitements ultraviolets (UV) à l’ozonation, devenue systématique depuis une vingtaine d’années », poursuit Sylvie Baig. Eau de Paris a ainsi récemment réhabilité ses stations de Joinville et Orly avec Ozonia en conservant la conception initiale avec l’ozonation, désormais utilisée seulement en prétraitement pour limiter le risque de formation de bromates, à laquelle ont été ajoutés des réacteurs UV pour détruire les Cryptosporidium et Giardia, des parasites intestinaux traités. « Une démarche globale exemplaire, d’autant plus que la construction initiale ne laissait pas beaucoup de place pour implanter les réacteurs UV pour un traitement efficace », reconnaît-elle.

Et les procédés se combinent. Les recherches menées par Veolia Eau sur la station d’épuration de traitement biologique de Cham (Lucerne, Suisse) montrent qu’en combinant un procédé d’oxydation chimique à l’ozone avec un procédé d’adsorption sur un réacteur CAP (Actiflo carb) il était possible de traiter efficacement la majorité des micropolluants présents dans l’eau sans pour autant conduire à la formation de sous-produits (voir EIN n° 353).

Désinfection : des principes différents

Pour y voir clair, quelles sont les capacités de désinfection des procédés en lice ? Précisons d’abord qu’aucune technique n’est idéale dans l’absolu. Trois solutions sont aujourd’hui utilisées couramment : le chlore, l’ozone et les UV. Les deux premiers sont des désinfectants chimiques, de puissants oxydants (ozone environ quatre fois plus que le chlore), connus de longue date : Nice avait fait le choix de l’ozone…

BWT Permo

En 1906 pour traiter son eau potable, tout comme Chartres ou Lille, Paris a choisi le chlore en 1911. Rapidement, la chloration, économique, facile d'utilisation et fiable a pris le dessus. Elle reste l'une des principales solutions appliquées en matière de potabilisation dans les pays en voie de développement. Ces trente dernières années, dans les pays industrialisés, elle est concurrencée par l'ozonation qui a fait de gros progrès technologiques, notamment en matière de génération d’ozone. La désinfection des eaux ne saurait se passer de chlore. Mais cette substance incontournable doit être manipulée et dosée de manière rigoureuse. Cifec, Eurochlore, Prominent, Cir, BWT Permo, Aquacontrol, TMR, Siemens Water Technologies ou encore Grundfos proposent tout un ensemble de solutions (production, injection, dosage, analyse) pour exploiter les propriétés désinfectantes du chlore en eau potable, eaux industrielles ou encore eaux de piscines.

À ce titre, Grundfos, par le biais des quatre technologies ci-dessous, est en mesure de proposer un système adapté pour la désinfection de l'eau qu'il s’agisse d'eau potable, d'eaux usées ou encore d’eaux de process :

1. 1. Dosage de chlore gazeux (Vaccuperm) ;
2. 2. Dosage de solution d’hypochlorite de sodium ou de chlorure de calcium (pompe doseuse Smart Digital) ;
3. 3. Générateur de bioxyde de chlore (Oxiperm) ;
4. 4. Electrochloration (Selcoperm).

Le Selcoperm, de par sa technologie de fabrication in-situ de chlore à partir de sel, se révèle être une technologie intéressante puisqu'elle présente les avantages suivants :

1. 1. Perte du titre de javel négligeable : concentration de la solution de javel stable (fabrication in situ et en fonction de la demande) ;
2. 2. Moins de goût de chlore du fait d’une meilleure gestion du taux de traitement ;
3. 3. Formation de chlorates faible ;
4. 4. Présente moins de dangers d’exploitation que le chlore (qui se résume au stockage, au transport, à la manipulation de sel) ;
5. 5. Exploitation courante aisée ;
6. 6. Pas de carbonatation par rapport à la javel ;
7. 7. Coûts d’exploitation qui peuvent se révéler plus faibles que le chlore gazeux.

Par principe, les oxydants agissent à deux niveaux : d'une part en éliminant les pathogènes, d’autre part en empêchant leur reviviscence en détruisant la matière organique qui leur sert d’alimentation. Ils coupent des liaisons, déstructurant ainsi bactéries, virus et matières. Par exemple, l'acide hypochloreux, principal agent biocide chloreux, pénètre la membrane de la cellule des microorganismes et bloque toute activité enzymatique, entraînant la mort de la cellule. Le chlore a néanmoins l’avantage de la rémanence : sa capacité de désinfection est persistante alors que celle de l’ozone ne dure que deux minutes. Pour conserver une qualité sanitaire de l’unité de traitement jusqu'au robinet du consommateur (avec une rechloration si besoin) ou dans

Pour les piscines, la réglementation française impose, conformément au plan Vigipirate, une teneur résiduelle en chlore de 0,3 mg/l à l’usine et dans les réservoirs et 0,1 mg/l en tout point du réseau. « À ces teneurs, la désinfection est assurée et il n’y a pas d’odeur », affirme Jean-Jacques Dewost d'Eurochlore, société spécialisée dans la commercialisation de chlore gazeux et du matériel associé. Le chlore est également un bon indicateur de l’état du réseau : s’il est absent, c’est qu’il a été consommé, ce qui révèle un dysfonctionnement. La rechloration en cours de réseau est une technique, de plus en plus utilisée, permettant de limiter le taux de chlore en sortie d’usine tout en conservant un résiduel de sécurité jusqu’en bout de réseau long. Pour cela, Cifec a développé des régulateurs spécifiques et vannes modulantes de précision permettant d’ajuster en permanence le taux de traitement aux variations de débit d’eau et de demande en chlore de l’eau traitée.

À la fin des années 1990, la découverte de l'effet germicide des ultraviolets sur Cryptosporidium et Giardia a relancé cette troisième solution de désinfection, physique cette fois, qui empêche les microorganismes de se reproduire. Tout ou partie de la lumière produite par ces lampes correspond au pic d’absorption de l’ADN et l’ARN des microorganismes, endommageant les acides nucléiques, stoppant ainsi la reproduction. Autrement dit, les procédés UV inactivent les microorganismes, garantissant, selon les doses, un abattement de leurs taux (mesuré en log, %) alors que chlore et ozone garantissent une valeur maximale. En revanche, c’est la solution la plus efficace pour lutter contre Cryptosporidium et Giardia : le chlore ne détruit pas ces protozoaires, l’ozone si, mais à des doses élevées qui risqueraient de former des bromates sous certaines conditions. L’autre avantage des UV est de ne pas modifier la composition physico-chimique de l’eau, donc d’éviter de créer des sous-produits, principal reproche fait notamment à la chloration, outre son goût et son odeur.

La notion de sous-produits est complexe, explique Sylvie Baig. Leur production dépend avant tout de la dose d’oxydant. Certains sont néfastes comme les bromates, reconnus cancérogènes, d’autres sont néanmoins recherchés comme les sous-produits biodégradables de l’ozonation utiles pour la filtration sur charbon actif, qui permettent

de limiter les doses d’ozone ». L’Organisation mondiale de la santé (OMS) statuera sous peu sur les teneurs acceptables en bromates sous l’effet des avancées produites par un projet de recherche international portant sur l’évaluation de leur toxicité, projet financé en particulier par la WRF (Water Research Foundation, USA) et l’IOA (International Ozone Association).

Ozone :

la technique progresse

Xylem, à travers la marque Wedeco, est l’un des trois premiers fabricants d’ozoneurs et de réacteurs UV dans le monde. L’équipementier, qui développe et fabrique en Allemagne (centre R&D et usine à Herford près d’Hanovre et usine de lampes à Essen), a une base installée de plus de 300 ozoneurs en France (Wedeco ou Trailgaz), dont de grosses usines de potabilisation, comme à Toulouse ou Paris. « Nos installations utilisent de l’air comprimé sec à 7,5 bar, ou de l’oxygène, pour produire de quelques grammes à plusieurs centaines de kilogrammes par heure d’ozone sous pression (cf. encadré), précise Amaury Totain, ingénieur traitement chez Xylem. Grâce à leurs doubles espaces de décharges, nos électrodes Effizon evo (qui équipent les gammes SMOevo ou PDOevo) sont parmi les plus efficaces du marché en termes de rendement énergétique ». L’équipementier revendique par ailleurs une conservation de la très haute efficacité énergétique de ces ozoneurs jusqu’à une température de l’eau de refroidissement de 35 °C, alors que la plupart des concurrents ont des difficultés au-delà de 25 °C. Enfin, grâce à la technologie utilisée et à un traitement de l’air adapté, l’encrassement des électrodes, principal problème de maintenance des ozoneurs (lorsque l’azote se combine avec l’humidité de l’air pour former de l’acide nitrique) est limité. Xylem est l’un des rares fabricants à garantir ses électrodes 10 ans. « Nous en remplaçons d’ailleurs très peu, même après 15 ans », confirme-t-il.

Depuis une dizaine d’années, l’entreprise mène des recherches avec des universités pour traiter les micropolluants (voir encadré). « La solution consiste à utiliser des ozoneurs avec des tours de contact où la quantité d’ozone en contact avec l’eau est jusqu’à cinq fois supérieure à celle utilisée en potabilisation (5 à 10 gO3/m3 au lieu d’1 à 2), explique l’ingénieur. Des filtres à charbon actif adsorbent les produits de réaction ». Le système est relativement coûteux mais efficace.

Chez Ozonia, la dernière génération d’ozoneurs, développée en 2010, utilise un autre système innovant, là encore pour améliorer l’efficacité énergétique, le nerf de la guerre : l’IGS (Intelligent Gap System) qui diminue la consommation électrique de 20 à 30 %. Il s’agit de faire varier l’épaisseur de l’espace de décharge électrique pour optimiser la production de l’ozone et sa destruction concomitantes. Plusieurs installations de traitement d’eau en sont équipées avec une capacité de production unitaire de 150 kg/h.

UV en eau potable :

une efficacité désormais certifiée

Pour la potabilisation, les UV proposés par Trojan, Xylem, Degrémont, OEI France, Bordas - UVGERMI, Siemens Water Technologies, Abiotec, ou encore BIO-UV sont utilisés d’une part en prétraitement depuis que les doses de chlore ou ozone ont dû être diminuées pour respecter les limites en bromates. Ils servent, d’autre part, à désinfecter depuis l’Attestation de conformité sanitaire (ACS UV, 9 octobre 2012) qui certifie l’efficacité du système (inactivation de 4 log soit 99,99 % vis-à-vis des bactéries et de 3 log soit 99,9 % vis-à-vis des Cryptosporidium et Giardia). Xylem (via sa marque Wedeco, gammes Spektron et Quadron), qui est le premier constructeur à avoir obtenu l’ACS UV, a doublé ses ventes mensuelles en 2013.

« Les rendements de nos lampes BP de dernière génération (Ecoray®) atteignent 53 % », explique Amaury Totain chez Xylem. « Elles ont une durée de vie garantie de 14 000 heures (environ 2 ans) et sont adaptées aux stations de moins de 1 000 m³/h ». Xylem fournit aussi depuis peu des systèmes équipés de lampes moyenne pression (gamme Quadron), qui viennent d’obtenir également l’ACS UV, notamment adaptés à la réhabilitation de grosses installations pour des raisons de compacité.

Eaux usées et eaux de process : ozone, UV, chlore se partagent le marché

Les avancées technologiques dans le traitement des eaux incluant les ultraviolets (UV) et les procédés d’oxydation avancée UV et peroxyde d’hydrogène (UV/H₂O₂) sont prometteuses pour le traitement des polluants émergents comme les N-nitrosodiméthylamine (NDMA), les composés pharmaceutiques, et autres perturbateurs endocriniens.

« Nous avons maintenant acquis une solide expérience dans ce domaine, comme par exemple lors de la destruction d’une nitrosamine lors de la production d’un principe actif dans l’industrie pharmaceutique » souligne Guerric Vrillet chez Bordas UVGERMI.

Tous les équipementiers cherchent à améliorer l’efficacité énergétique et l’hydraulique de leurs systèmes pour assurer que l’eau à traiter traverse bien les réacteurs, sachant que l’épaisseur de pénétration des UV est limitée à quelques centimètres.

Le ModeauPro EF de BMES couple les rayonnements UV avec les Procédés d’Oxydation Avancée (AOP) afin de répondre aux besoins de désinfection de micro-organismes et de destruction de micropolluants.

L'eau est rejetée dans des zones sensibles comme des eaux de baignade ou de culture de coquillages ou réutilisée pour l'irrigation, elle est soumise soit à la directive européenne Eaux de baignade (2006), soit à l'arrêté français d’août 2010 pour l’irrigation, particulièrement strict. À tel point que ce traitement est souvent plus coûteux que ceux applicables dans le cadre de la production d’eau potable. « Avec des abattements demandés pour certains germes de 4 log, les installations doivent être 3 à 4 fois plus grosses que pour des rejets en milieu naturel et les essais sur équipements pilote sont longs (6 mois) et coûteux », confirme Amaury Totain. La situation est bloquée pour l’instant mais la réglementation pourrait évoluer prochainement. Dans ce contexte difficile, Bio-UV annonce néanmoins développer un pilote près de Montpellier et avoir quelques dossiers en cours. L'entreprise a équipé une vingtaine de stations d’épuration en France, avec des rejets conformes aux eaux de baignade.

L'Eau Pure, à travers sa filiale marocaine Eau Pure Afriquia, propose depuis plus de trois ans des unités de filtration et de désinfection en phase finale de traitement des eaux usées. Elle a ainsi équipé pour le compte de l’Onep la ville de M'Haya près de Fès, d’un filtre à sable dynamique couplé à des UV pour réutiliser l’eau traitée en irrigation. De même derrière un procédé biologique de type Mbbr sur un site touristique près de Rabat où les eaux usées épurées sont traitées avec des UV pour arrosage d’un golf.

UV et ozone sont également de plus en plus utilisés pour la désinfection des eaux de process même si le chlore est encore souvent utilisé dans l’agroalimentaire pour les produits frais, par exemple le lavage des salades. « Pour les autres applications (pharmaceutiques, électroniques, chimie), il y a eu de gros développements en ozone, avec parfois des installations utilisant ozone et UV pour les eaux ultra­pures, explique Sylvie Baig chez Degrémont. Cela assure la sécurité des équipements, par exemple pour éviter qu’un biofilm ne se dépose ou que la qualité du produit ne soit altérée ». Autres exemples : Xylem, qui propose aussi des solutions UV et ozone pour des applications agro­alimentaires, pharmaceutiques, pour l’aquaculture, Bio-UV qui a installé un réacteur UV pour BASF dans le Haut-Rhin en 2012 ou encore RER qui s’est spécialisée sur les applications de désinfection UV en process agroalimentaire et pharmacie.

Epuro propose de son côté une unité de désinfection mobile baptisée Epurozone reposant sur la génération d’ozone électrolytique, directement à partir de l’eau pure à désinfecter. Ce système mobile intègre un générateur et les lignes de raccordement et de contrôle sur les réseaux à traiter. Cette unité trouve des applications en industrie pharmaceutique, chimie fine, biotechnologies, boissons, cosmétiques, hospitalier, etc.

Eaux de piscines : les techniques de désinfection évoluent

Les technologies de désinfection ont aussi considérablement évolué ces dernières années dans les piscines municipales et centres de loisirs, pour lesquels seuls l’ozone et les produits chlorés sont autorisés en matière de désinfection, le chlore étant obligatoire en France pour sa rémanence. Problème : l’augmentation de fréquentation des piscines, et les températures élevées.

Les températures élevées des centres aquatiques (32 à 35 °C au lieu de 27 ou 28 °C pour les bassins sportifs) nécessitent des taux de chlore de plus en plus élevés, avec de plus en plus de sous-produits à la clé, notamment des chloramines par réaction avec les substances organiques azotées apportées par les baigneurs (urine, sueur, salive, squames…). Ces composés très volatils provoquent irritations, picotements aux yeux et dégradent les locaux (altération des métaux, bois, décollement des matériaux). Il suffirait d’une meilleure qualité d’hygiène et de comportement, mais la pratique peine à se développer en France.

« Résultat : la plupart des centres aquatiques français dépassent la norme en matière de chloramines (0,6 mg/L alors qu’elle est déjà de 0,2 mg/L en Allemagne et en Autriche, norme qui pourrait bientôt se généraliser en Europe. Les agences régionales de santé émettent de plus en plus souvent menaces voire avis de fermeture de piscines, regrette Jocelyn Blais de Cillit. Si l’on passe à 0,2 mg/L, toutes les piscines françaises ferment ! » Pourtant, les techniques classiques reposant sur la seule chloration continuent d’être installées, notamment lors des rénovations, souvent pour des raisons de coûts, parfois avec des taux de chloramines qui avoisinent le g/L ! Seule solution dans ce cas : la dilution par renouvellement d’eau potable chauffée, peu économique et peu écologique.

En piscine, la diminution des chloramines, la fameuse odeur faussement appelée « odeur de chlore », peut aussi se faire par extraction. Dans tous les cas, il faut mesurer le taux de trichloramines dans l’air des piscines couvertes, ce qui est enfin possible maintenant que l’on trouve sur le marché des analyseurs portables des trichloramines de l’air comme le TriChlorAir de Cifec. L’exploitant peut ainsi assurer et vérifier la sécurité des baigneurs et du personnel tout en optimisant les apports d’air neuf et d’eau neuve, très énergivores et coûteux.

Cillit, qui a équipé une trentaine de piscines en France en ozonation, revendique une expérience d’une dizaine d’années avec ses premières piscines à Pailleron et au grand centre aquatique de Lorient. Un de ses plus beaux projets : le centre aquatique de Chartres avec 14 bassins, au total 5 ozoneurs. « L’ozone généré est mis en contact pendant 4 mn avec l’eau dans des tours de 1,6 à 2,8 m de diamètre sur 3,2 m de haut », détaille Jocelyn Blais. Cette option devient une évidence, au moins dans la réflexion des bureaux d’études, même s’il regrette un manque flagrant d’expertise en traitement d’eau alors que les piscines comptent parmi les bâtiments les plus complexes, concentrant toutes les problématiques et imposant de vrais spécialistes. Comme Cillit, Ozonia, nouvel entrant sur ce marché, considère que l’ozone est la solution la plus efficace actuellement : puissant désinfectant, il garantit une teneur maximale en chloramines en agissant directement sur la pollution azotée. Toutes les piscines de taille olympique en sont équipées.

L’ozonation est un véritable process industriel, bien plus complexe et coûteux que la chloration mais avec des garanties de qualité d’eau et d’air incomparables. Aujourd’hui, une nouvelle piscine sur quatre choisirait ce procédé de désinfection. En Allemagne, c’est une piscine nouvelle sur deux qui fonctionne à l’ozone, parfois sans chloration si les organismes de contrôle considèrent que les normes sont respectées. « Outre-Rhin, ce sont des piscines désinfectées par ultrafiltration (avec des seuils de filtration autour de… »

0,5 microns) qui voient le jour, en Bavière notamment, ajoute-t-il. C’est très efficace mais beaucoup plus cher que l’ozone ».

ProMinent fabrique des générateurs d’ozone depuis les années 70 mais le marché français ne s’ouvre vraiment à cette technique que depuis les années 2000. ProMinent commercialise une solution complète avec son procédé « OzonePack » qui présente la particularité de s’adapter aussi bien aux piscines neuves qu’aux piscines existantes. Ce procédé se base sur la postozonation et garantit une élimination totale de l’ozone avant retour dans le bassin afin d’être conforme à la réglementation des piscines publiques en vigueur.

L’Eau Pure suit également depuis maintenant 4 ans des projets incluant des systèmes de désinfection à l’ozone. Depuis la piscine de Dijon, en Bourgogne, jusqu’en Alsace à Kaysersberg, elle a participé à l’élaboration et à la mise en place de systèmes de filtration intégrant une ozonation parfaitement dimensionnée.

Autre solution en lice en piscines : les UV, reconnus depuis 2004 comme un procédé de déchloramination, utilisés après la filtration et avant la chloration. « Même s’il n’est pas reconnu comme tel pour les piscines, c’est aussi un moyen d’abattement microbiologique », précise Xavier Bayle chez BioUV, première société à avoir obtenu l’agrément piscine pour ses gammes BP et MP. Précurseur sur ce nouveau marché avec Abiotec, Bordas UV Germi, Comap Water Treatment ou encore Cifec, Bio-UV a équipé plus de 1 000 bassins publics de piscine en France (sur 8 000 environ), en réhabilitation ou neufs avec sa gamme MP. Bio-UV garantit un abattement jusqu’à 75 % des trois types de chloramines pour atteindre moins de 0,3 g/l. Le procédé est entre dix fois moins coûteux que l’ozone et s’amortit en 1 an à 1,5 an. Ozone et UV permettent aussi une économie d’eau de renouvellement jusqu’à 60 % voire plus (la réglementation impose un apport minimum d’eau neuve de 30 l/jour/baigneur).

Bordas UVGERMI, qui figure parmi les leaders du marché de la déchloramination UV en France, continue à investir dans ce domaine. L’extension de son usine de fabrication et la mise en place d’un nouveau laboratoire de tests à Saint-Viance (19) permettent à cette entreprise de valider avec ses partenaires (maîtres d’ouvrage, bureaux d’études et exploitants) les cahiers des charges de demain. « Nous souhaitons ainsi maintenir l’avancée technologique de notre gamme UVDECHLO® avec un nouveau concept d’exploitation », indique Guerric Vrillet.