Élimination des agents pathogènes de l'eau

La nécessité d'éliminer les agents pathogènes des approvisionnements en eau potable est reconnue depuis longtemps. Dans cet article, les caractéristiques des groupes d'agents pathogènes sont décrites parallèlement à un aperçu des approches utilisées pour éliminer ou autrement désactiver les agents pathogènes de l'eau. L'efficacité de ces approches et tout inconvénient important sont également pris en compte.

Dans cet article, nous décrivons les caractéristiques des groupes d'agents pathogènes et donnons un aperçu des approches utilisées pour éliminer ou autrement désactiver les agents pathogènes de l'eau, en résumant l'efficacité de ces approches et en soulignant leurs inconvénients importants. Nous nous concentrons en particulier sur l'efficacité des technologies modernes améliorées pour l'élimination des agents pathogènes, y compris la filtration sur membrane, désormais adoptées pour de multiples raisons dans le monde entier. Nous examinons l'efficacité de l'élimination par filtration des agents pathogènes des eaux usées et de l'approvisionnement en eau potable.

Les agents pathogènes, organismes biologiques microscopiques capables de provoquer des maladies, comprennent les virus (comprenant de l'ADN ou de l'ARN avec un revêtement protéique), les bactéries (organismes unicellulaires), les protozoaires (également unicellulaires, mais avec un noyau distinct lié à la membrane) et les toxines libérées par les algues (espèces aquatiques photosynthétiques unicellulaires ou multicellulaires).

Les effets nocifs des agents pathogènes vont de la maladie aiguë bénigne à la mort en passant par la maladie chronique grave. D'importantes maladies d'origine hydrique (transmission via la consommation d'eau contaminée), lavées à l'eau (où la qualité de l'eau de nettoyage utilisée est de moindre importance elle-même agit comme une source d'agents pathogènes) et d'origine hydrique (l'agent pathogène ou un hôte intermédiaire passe une partie de son cycle de vie dans l'eau) tuent des millions de personnes chaque année. L'Organisation mondiale de la santé (OMS) déclare que 2,16 millions de personnes sont mortes de maladies diarrhéiques dans le monde en 2004, dont plus de 80 % provenaient de pays à faible revenu. Le choléra, la giardiase, l'hépatite infectieuse, la typhoïde, les dysentries amibiennes et bacillaires et la bilharziose sont quelques-unes des maladies les plus fréquemment responsables.

La voie de transmission de loin la plus courante est la voie de consommation orale d'agents pathogènes, dérivés des matières fécales humaines ou de l'urine résidant dans l'eau contaminée, y compris l'eau de nettoyage/lavage. Bien que de nombreux agents pathogènes ne puissent vivre que pendant une courte période en dehors du corps humain, la transmission par l'eau de kystes et d'oocystes bactériens résistants, ainsi que le transport direct d'agents pathogènes, est un mécanisme d'infection clé. Les excréments et l'urine des animaux abritent également d'importantes espèces pathogènes (par exemple la leptospirose) tandis que d'autres risques, en particulier pour le bétail, proviennent de l'excrétion de toxines dans l'eau par les algues et d'autres microbes (par exemple les cyanobactéries). Au cours des dernières années, la contamination potentielle par des agents pathogènes due à l'augmentation des boues d'épuration répandues sur le sol a nécessité une plus grande attention au traitement des boues pour atténuer le risque.

Une gamme d'approches de traitement de l'eau peut améliorer la sécurité de l'eau potable en ce qui concerne la contamination pathogène. L'efficacité du traitement est largement mesurée à l'aide de la valeur d'élimination logarithmique (LRV) :

LRV=log10(Cin/Cout)

Où Cin est la concentration d'agents pathogènes dans l'effluent et Cout est la concentration d'agents pathogènes dans l'effluent.

Par conséquent, pour un agent pathogène donné, LRV 2 reflète une élimination de 99 %, tandis que LRV 4 reflète une élimination de 99,99 %.

L'importance d'un traitement efficace des agents pathogènes, en particulier pour certains agents pathogènes indicateurs à faible dose infectieuse, se reflète dans les normes de qualité élevées établies dans le monde industrialisé. La réglementation britannique sur l'approvisionnement en eau (qualité de l'eau) (2000), elle-même une mise en œuvre nationale de la directive européenne sur l'eau potable, exige une concentration nulle d'E. Coli et d'entérocoques et aucun changement anormal dans les colonies microbiennes cultivables dans l'eau des robinets des utilisateurs, tandis que la réglementation nationale américaine sur l'eau potable primaire adopte des niveaux de concentration maximum zéro pour Cryptosporidium, Giardia lamblia et les coliformes totaux.

Le traitement des agents pathogènes est abordé de deux manières : les processus d'élimination et/ou les processus d'inactivation (désinfection). Idéalement, ces processus font partie d'une stratégie globale de traitement à « barrières multiples » qui assure la protection de la source d'eau (en utilisant de l'eau de la meilleure qualité initiale possible), suivie d'une élimination appropriée des agents pathogènes, d'une désinfection ultérieure et de stratégies finales de protection contre la contamination pour le système de distribution d'eau.

Les processus d'élimination utilisent des technologies de longue date et des traitements plus modernes. Classiquement, le prétraitement via des filtres grossiers (par exemple, gravier, sable) ou d'autres moyens réduit la turbidité brute (les populations d'agents pathogènes sont généralement élevées sur les particules), étant particulièrement efficace pour réduire les concentrations d'algues et de protozoaires (LRV 2–3 est facilement réalisable). Une simple installation dans des réservoirs de stockage ou par filtration sur berge peut également assurer l'élimination primaire des agents pathogènes. Le stockage permet non seulement la sédimentation, mais laisse également le temps à la mort bactérienne et virale en dehors de son environnement hôte. Cependant, ces systèmes de traitement simples suffisent rarement à eux seuls à répondre aux normes élevées d'élimination des agents pathogènes requises pour une protection efficace de la santé.

Le prétraitement est souvent complété par un traitement de clarification renforcé par floculation ou coagulation et sédimentation ultérieure. Les systèmes optimisés peuvent atteindre une LRV de 1 à 2 pour les virus, les bactéries et les protozoaires. Cependant, l'expérience dans le monde a montré qu'il est difficile de maintenir des conditions optimales, ce qui peut conduire à des efficacités d'élimination des agents pathogènes très variables. Par exemple, une coagulation efficace repose sur un dosage et un mélange précis de charges d'affluent souvent très variables et sur une élimination efficace et bien contrôlée des boues. En outre, l'élimination du virus peut varier considérablement selon les espèces, et le degré de variation (jusqu'à LRV 2) est également influencé par le type de coagulant. Des LRV plus élevées pour les principaux groupes d'agents pathogènes sont généralement obtenues à l'aide de clarificateurs à haut débit, bien qu'une attention particulière soit requise dans les zones à problèmes d'élimination des algues, afin de ne pas perturber les cellules d'algues et permettre la libération de toxines. La flottation à air dissous est une alternative appropriée pour l'élimination des algues (LRV 1 à 2 pour de nombreuses espèces), et est également une approche efficace pour l'élimination des oocystes de Cryptosporidium (LRV 2 à 2,6). L'élimination des agents pathogènes par filtration est décrite en détail ci-dessous.

La désinfection (inactivation) des agents pathogènes est la deuxième approche importante. Dans les grandes lignes, on utilise des traitements oxydants, thermiques ou UV ; l'oxydation réagit avec la structure organique de l'agent pathogène, la chaleur tue les agents pathogènes en dépassant les tolérances thermiques, tandis que les UV perturbent le matériel génétique cellulaire par un mécanisme qui limite finalement la réplication.

L'efficacité de la désinfection oxydative est spécifique à l'espèce et suit généralement une relation temps-dose de contact dans des conditions fixes. De nombreux oxydants sont à base de chlore (par exemple le chlore gazeux, la monochloramine, l'hypochlorite de sodium, le dioxyde de chlore) tandis que l'ozone est l'une des nombreuses alternatives. Bien qu'une discussion détaillée dépasse le cadre de cet article, les efficacités de désinfection (généralement exprimées en produits à dose temporelle requise pour affecter une LRV donnée) peuvent varier considérablement entre les oxydants et sont influencées par la turbidité, le pH et la température de l'eau. Les considérations supplémentaires pour les opérateurs qui choisissent des oxydants appropriés incluent la résistance de l'installation et la sécurité du personnel exposé à ces substances corrosives dangereuses, les quantités requises et les caractéristiques de stockage et de stabilité associées des oxydants.

Jusqu'à présent, la discussion s'est concentrée sur les besoins en eau potable où des efficacités de traitement des agents pathogènes très élevées sont nécessaires. Dans d'autres circonstances, l'élimination des agents pathogènes de qualité inférieure peut être suffisante, par exemple lorsque l'objectif est de protéger les environnements sensibles de la contamination par des agents pathogènes, en s'appuyant sur une auto-épuration environnementale ultérieure pour terminer le processus. Par exemple, lorsque les effluents doivent être rejetés dans des zones désignées par la directive européenne sur les eaux de baignade (2006/07/CE) et que la classification dépend des concentrations environnementales mesurées d'E. Coli et d'entérocoques, les opérateurs de traitement des eaux usées peuvent être tenus de limiter les rejets d'agents pathogènes dans les eaux de surface. Les exigences peuvent différer entre les rejets dans les eaux intérieures ou dans les eaux côtières. De même, la nouvelle directive codifiée sur les eaux conchylicoles (de croissance) (2006/113/CE) établit des lignes directrices pour les concentrations acceptables de coliformes dans les coquillages récoltés dans les zones désignées. Ailleurs, l'USEPA a mis à jour les directives pour les règles de traitement amélioré des eaux de surface, un objectif clé étant la protection des approvisionnements en eaux souterraines contre la contamination pathogène des eaux de surface percolantes. Dans ces cas, les opérateurs doivent évaluer leurs systèmes de traitement en ce qui concerne l'efficacité d'élimination des agents pathogènes si leur affluent est contaminé.

La filtration lente sur gravier et sur sable peut être la seule technologie rentable pour éliminer les agents pathogènes dans certaines circonstances. En fonction des débits, de la taille et de l'uniformité du média et de la profondeur du lit filtrant, ces systèmes peuvent être très efficaces (Figure 1). Des LRV de grande envergure allant jusqu'à 5 ont été rapportées dans des tests, tandis que l'expérience opérationnelle aux États-Unis démontre une LRV de coliformes totaux jusqu'à 2,3 et une élimination très efficace de Giardia (LRV environ 4) par des filtres à sable, en particulier après la mise en place de films microbiologiques sur le support. Cependant, les capacités de traitement peuvent être faibles et les efficacités d'élimination des agents pathogènes peuvent être très variables ; L'élimination de Cryptosporidium en particulier s'est généralement avérée relativement faible (LRV souvent < 0,5).

Les systèmes de traitement à faible coût sont capables d'éliminer efficacement les agents pathogènes s'ils sont correctement construits. Des études menées dans plusieurs petites stations d'épuration en Espagne et aux îles Canaries (projet d'amélioration des eaux côtières et récréatives, ICREW) démontrent que ces stations ont la capacité de se conformer aux exigences microbiologiques des directives sur les eaux de baignade et les eaux urbaines résiduaires (71/271/CEE) en utilisant diverses technologies conventionnelles (par exemple, aération prolongée, contacteur biologique rotatif, filtre bactérien) et non conventionnelles (étangs de stabilisation, filtres à tourbe, étangs anaérobies et filtre bactérien).

Aux États-Unis, on estime que 25 % de la population utilise une certaine forme de système de traitement de l'eau sur place, mais la contamination pathogène peut être problématique. Les systèmes de traitement conventionnels sur site fonctionnent généralement par déplacement par gravité avec mouvement piston à travers le système de traitement. Des problèmes peuvent survenir dans des conditions de débit de pointe entraînant une faible efficacité de traitement, potentiellement exacerbés par une défaillance de l'intégrité du réservoir ou de la tuyauterie, en particulier lorsqu'ils sont situés sur un aquifère non confiné. Les technologies améliorées de traitement sur site intègrent des systèmes de dosage temporel stabilisant le temps de rétention hydraulique, puis employant une gamme de médias filtrants (par exemple, sable, tourbe, textile). Là où des systèmes de traitement avancés à petite échelle ont été installés, de petites unités de désinfection UV sont également disponibles pour obtenir un traitement de haute qualité.

La filtration membranaire s'est généralisée aussi bien dans les stations d'épuration neuves qu'en rétro-installation sur des stations existantes. La filtration sur membrane a pris de l'importance en tant qu'approche viable de traitement des eaux usées au cours de la dernière décennie, car les développements technologiques ont amélioré la robustesse de la membrane, la fiabilité du système et la rentabilité. Dans de nombreux cas, l'objectif principal d'un système de filtration à membrane est d'éliminer les solides en suspension et la demande chimique en oxygène (DCO) pour répondre aux autorisations de rejet strictes. La capacité d'exclusion de taille des membranes de microfiltration (MF) et d'ultrafiltration (UF) montre le potentiel d'élimination simultanée des agents pathogènes (Figure 2).

MF élimine efficacement les algues, les protozoaires et de nombreuses bactéries (par exemple LRV entre 4 et 7 pour Giardia et Cryptosporidium en utilisant une membrane de 0,1 μm), en particulier dans des conditions de test, mais fonctionne généralement moins bien dans des conditions opérationnelles à moins que les membranes ne soient efficacement nettoyées de la croissance bactérienne. L'élimination des virus par MF est médiocre, bien qu'elle puisse être meilleure que prévu à partir de simples considérations de taille des pores si les espèces virales sont fortement associées aux particules. En conséquence, pour une élimination efficace des virus, l'UF est normalement nécessaire. L'élimination des virus par UF est plus efficace avec des membranes de coupure de poids moléculaire inférieur, car le mécanisme d'élimination clé est l'exclusion physique (l'influence de la composition du microfilm est secondaire). Il est important de noter que l'efficacité d'élimination des agents pathogènes est indépendante de la qualité de l'influent et d'autres paramètres de fonctionnement, se situant facilement dans la plage LRV 4 à 7 pour les principaux agents pathogènes.

La filtration sur membrane utilisant l'UF peut efficacement éliminer les agents pathogènes au degré très élevé atteint par la désinfection chimique oxydative, et est sans les problèmes et les coûts associés de stockage et d'utilisation d'agents corrosifs. Cependant, des problèmes importants surviennent en cas de défaillance de l'intégrité de la membrane (déchirure des fibres, égratignure de la membrane, etc.), car l'efficacité de l'élimination des agents pathogènes peut se détériorer considérablement. Le développement de matériaux membranaires robustes surmonte ce problème, mais une surveillance efficace des effluents pour identifier les problèmes d'intégrité reste un élément essentiel d'un système de traitement MF/UF. Des approches de test d'intégrité directes (par exemple, test de pression) ou indirectes (par exemple, contrôle des particules) ont été utilisées avec succès. Pour l'approvisionnement en eau potable, la désinfection post-membranaire reste nécessaire pour réaliser la désinfection secondaire.

Dans les applications d'approvisionnement de haute qualité, la nanofiltration (NF) ou l'osmose inverse (RO) associée à la désinfection UV est bien établie. Normalement, un prétraitement MF/UF est utilisé, avec une désinfection oxydative couramment utilisée pour limiter l'établissement de biofilm sur la membrane NF/RO. La lumière UV-B ou UV-C est la meilleure pour l'inactivation des agents pathogènes (200-310 nm) avec des doses d'environ 30 mWscm-2 adaptées à tous les virus sauf les plus résistants.

Le traitement de l'eau pour les agents pathogènes utilise des processus d'élimination et d'inactivation des agents pathogènes. Une gamme de technologies, dont beaucoup sont bien établies, peut permettre d'obtenir une stratégie globale d'élimination des agents pathogènes adaptée à l'objectif. Pour les applications d'eau potable, les efficacités d'élimination les plus élevées sont généralement recherchées en utilisant une approche à barrières multiples. La filtration simple des médias peut faire partie intégrante de cette stratégie si elle est correctement mise en œuvre et entretenue, bien que les technologies modernes UF ou RO offrent une alternative robuste ; l'inactivation est toujours nécessaire pour établir et maintenir la désinfection. Pour des applications plus générales de rejet d'eaux usées, MF ou UF sont des approches viables pour l'élimination efficace des agents pathogènes en même temps que d'autres objectifs de traitement de l'eau.