Études de cas pratique

EGC

Analyse de la Désinfection de l’Eau

Analyse de la Désinfection de l’Eau en Eau Potable

Analyse de la Désinfection de l’Eau Potable

Comprendre la Désinfection de l'Eau Potable

La désinfection est une étape cruciale du traitement de l'eau potable, visant à éliminer ou inactiver les micro-organismes pathogènes (bactéries, virus, protozoaires) susceptibles de causer des maladies d'origine hydrique. Plusieurs méthodes de désinfection existent, dont la chloration, l'ozonation, et l'irradiation UV. Pour la désinfection chimique, le concept de CT (Concentration du désinfectant multipliée par le Temps de contact) est fondamental. Il quantifie l'exposition des micro-organismes au désinfectant. Différents micro-organismes nécessitent des valeurs de CT différentes pour atteindre un niveau d'inactivation souhaité (par exemple, une réduction de 3-log, soit 99.9%). La température, le pH, et la turbidité de l'eau influencent également l'efficacité de la désinfection.

Données de l'étude

Une usine de traitement d'eau potable utilise du chlore gazeux pour la désinfection. On souhaite vérifier l'efficacité de la désinfection vis-à-vis de Giardia lamblia.

Conditions de fonctionnement et objectifs :

  • Débit d'eau à traiter (\(Q\)) : \(250 \, \text{m}^3\text{/h}\)
  • Volume du bassin de contact (supposé à écoulement piston) (\(V_{\text{contact}}\)) : \(125 \, \text{m}^3\)
  • Concentration de chlore résiduel libre maintenue à la sortie du bassin (\(C\)) : \(0.6 \, \text{mg/L}\)
  • Température de l'eau : \(10^\circ\text{C}\)
  • pH de l'eau : \(7.5\)
  • Objectif d'inactivation pour Giardia lamblia : \(3\text{-log}\) (soit 99.9%)
  • Valeur de CT requise (\(CT_{\text{requis}}\)) pour une inactivation de \(3\text{-log}\) de Giardia lamblia à \(10^\circ\text{C}\) et pH \(7.5\) (selon tables réglementaires) : \(95 \, \text{mg} \cdot \text{min/L}\)
Schéma : Bassin de Contact pour Désinfection
Bassin de Contact (V_contact) Eau + Cl2 Q Eau Désinfectée C, t Désinfection par Chloration

Schéma simplifié d'un bassin de contact avec chicanes pour la désinfection de l'eau.

Questions à traiter

  1. Définir le concept de CT en désinfection. Quelles sont ses unités usuelles ?
  2. Calculer le temps de contact théorique (\(t\)) de l'eau dans le bassin de contact, en minutes. (On supposera un écoulement piston parfait, donc le temps de contact est le temps de séjour hydraulique moyen).
  3. Calculer la valeur du CT appliqué (\(CT_{\text{appliqué}}\)) dans ce système de désinfection.
  4. Comparer le \(CT_{\text{appliqué}}\) au \(CT_{\text{requis}}\). Le niveau d'inactivation de 3-log pour Giardia lamblia est-il atteint ?
  5. Si le temps de contact réel (\(t_{10}\)), tenant compte de l'hydraulique du bassin (facteur de baffling), est estimé à 70% du temps de contact théorique, quel serait le nouveau \(CT_{\text{appliqué, réel}}\) ? Le niveau d'inactivation serait-il toujours atteint ?
  6. Si la température de l'eau baisse à \(5^\circ\text{C}\), le \(CT_{\text{requis}}\) pour Giardia augmente à \(130 \, \text{mg} \cdot \text{min/L}\). En gardant \(C = 0.6 \, \text{mg/L}\) et en utilisant le \(t_{10}\) de la question 5, le niveau d'inactivation serait-il atteint à cette nouvelle température ?

Correction : Analyse de la Désinfection de l’Eau Potable

Question 1 : Définition du concept de CT

Définition :

Le concept de CT (ou produit Concentration × Temps) est un paramètre fondamental utilisé pour évaluer l'efficacité de la désinfection chimique de l'eau. Il représente l'exposition cumulée des micro-organismes à un désinfectant.

  • C (Concentration) : Représente la concentration du désinfectant résiduel (par exemple, chlore libre, ozone) dans l'eau, mesurée à la sortie du bassin de contact ou au point où le temps de contact est mesuré. Elle est généralement exprimée en milligrammes par litre (\(\text{mg/L}\)).
  • T (Temps de contact) : Représente la durée pendant laquelle les micro-organismes sont exposés au désinfectant à la concentration C. Ce temps est crucial et correspond souvent au \(t_{10}\), qui est le temps nécessaire pour que 10% de l'eau traversant le bassin de contact sorte (ce qui indique que 90% de l'eau a eu un temps de contact au moins égal à \(t_{10}\)). Il est généralement exprimé en minutes (\(\text{min}\)).

L'efficacité de la désinfection (c'est-à-dire le niveau d'inactivation des micro-organismes) dépend de la valeur du CT atteint. Pour un niveau d'inactivation donné d'un micro-organisme spécifique, et pour des conditions de température et de pH données, une valeur de CT minimale est requise (\(CT_{\text{requis}}\)).

Unités usuelles :

L'unité la plus courante pour le CT est le milligramme-minute par litre (\(\text{mg} \cdot \text{min/L}\)).

Résultat Question 1 : Le CT est le produit de la concentration du désinfectant résiduel (C) par le temps de contact (T). Il mesure l'exposition des micro-organismes au désinfectant. Unité usuelle : \(\text{mg} \cdot \text{min/L}\).

Question 2 : Temps de contact théorique (\(t\))

Principe :

Le temps de contact théorique (ou temps de séjour hydraulique moyen) dans un bassin à écoulement piston est le volume du bassin divisé par le débit traversant.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ t = \frac{V_{\text{contact}}}{Q} \]
Données spécifiques :
  • \(V_{\text{contact}} = 125 \, \text{m}^3\)
  • \(Q = 250 \, \text{m}^3\text{/h}\)
Calcul :

Temps de contact en heures :

\[ \begin{aligned} t (\text{heures}) &= \frac{125 \, \text{m}^3}{250 \, \text{m}^3\text{/h}} \\ &= 0.5 \, \text{heures} \end{aligned} \]

Conversion en minutes :

\[ \begin{aligned} t (\text{minutes}) &= 0.5 \, \text{h} \times 60 \, \text{min/h} \\ &= 30 \, \text{minutes} \end{aligned} \]
Résultat Question 2 : Le temps de contact théorique dans le bassin est \(t = 30 \, \text{minutes}\).

Question 3 : Calcul du \(CT_{\text{appliqué}}\)

Principe :

Le \(CT_{\text{appliqué}}\) est le produit de la concentration de chlore résiduel (\(C\)) par le temps de contact théorique (\(t\)) calculé.

Formule(s) utilisée(s) :
\[CT_{\text{appliqué}} = C \times t\]
Données spécifiques :
  • \(C = 0.6 \, \text{mg/L}\)
  • \(t = 30 \, \text{minutes}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} CT_{\text{appliqué}} &= 0.6 \, \text{mg/L} \times 30 \, \text{min} \\ &= 18 \, \text{mg} \cdot \text{min/L} \end{aligned} \]
Résultat Question 3 : La valeur du \(CT_{\text{appliqué}}\) (basée sur le temps de contact théorique) est de \(18 \, \text{mg} \cdot \text{min/L}\).

Question 4 : Comparaison \(CT_{\text{appliqué}}\) vs \(CT_{\text{requis}}\)

Principe :

Pour que l'objectif d'inactivation soit atteint, le \(CT_{\text{appliqué}}\) doit être supérieur ou égal au \(CT_{\text{requis}}\).

Données spécifiques :
  • \(CT_{\text{appliqué}} = 18 \, \text{mg} \cdot \text{min/L}\)
  • \(CT_{\text{requis}} = 95 \, \text{mg} \cdot \text{min/L}\) (pour 3-log Giardia à 10°C, pH 7.5)
Comparaison :
\[ 18 \, \text{mg} \cdot \text{min/L} < 95 \, \text{mg} \cdot \text{min/L} \]

Le \(CT_{\text{appliqué}}\) est inférieur au \(CT_{\text{requis}}\).

Résultat Question 4 : Le \(CT_{\text{appliqué}}\) (\(18 \, \text{mg} \cdot \text{min/L}\)) est inférieur au \(CT_{\text{requis}}\) (\(95 \, \text{mg} \cdot \text{min/L}\)). Par conséquent, en se basant sur le temps de contact théorique, le niveau d'inactivation de 3-log pour Giardia lamblia n'est pas atteint.

Quiz Intermédiaire 1 : Pour atteindre un \(CT_{\text{requis}}\) de \(95 \, \text{mg} \cdot \text{min/L}\) avec un temps de contact théorique de \(30 \, \text{min}\), quelle concentration de chlore \(C\) serait nécessaire ?

Question 5 : \(CT_{\text{appliqué, réel}}\) avec temps de contact réel \(t_{10}\)

Principe :

Le temps de contact réel \(t_{10}\) (temps pour que 10% de l'eau sorte) est souvent inférieur au temps de contact théorique en raison des courts-circuits hydrauliques dans le bassin. On recalcule le CT avec ce temps de contact effectif.

Données spécifiques :
  • Temps de contact théorique \(t = 30 \, \text{minutes}\)
  • Facteur de baffling (pour \(t_{10}\)) : \(70\% = 0.70\)
  • Concentration de chlore \(C = 0.6 \, \text{mg/L}\)
  • \(CT_{\text{requis}} = 95 \, \text{mg} \cdot \text{min/L}\)
Calcul :

Temps de contact réel \(t_{10}\):

\[ \begin{aligned} t_{10} &= 0.70 \times t \\ &= 0.70 \times 30 \, \text{minutes} \\ &= 21 \, \text{minutes} \end{aligned} \]

Nouveau \(CT_{\text{appliqué, réel}}\):

\[ \begin{aligned} CT_{\text{appliqué, réel}} &= C \times t_{10} \\ &= 0.6 \, \text{mg/L} \times 21 \, \text{min} \\ &= 12.6 \, \text{mg} \cdot \text{min/L} \end{aligned} \]

Comparaison : \(12.6 \, \text{mg} \cdot \text{min/L} < 95 \, \text{mg} \cdot \text{min/L}\).

Résultat Question 5 : Le \(CT_{\text{appliqué, réel}}\) avec \(t_{10} = 21 \, \text{minutes}\) est de \(12.6 \, \text{mg} \cdot \text{min/L}\). Ce CT est encore plus faible et donc toujours insuffisant pour atteindre l'inactivation de 3-log de Giardia lamblia.

Question 6 : Impact d'une baisse de température à \(5^\circ\text{C}\)

Principe :

La température de l'eau a un impact significatif sur l'efficacité de la désinfection. Généralement, une baisse de température ralentit les réactions chimiques, ce qui signifie qu'un CT plus élevé (ou un temps de contact plus long pour une même concentration) est nécessaire pour atteindre le même niveau d'inactivation.

Données spécifiques :
  • Nouveau \(CT_{\text{requis}}\) à \(5^\circ\text{C}\) : \(130 \, \text{mg} \cdot \text{min/L}\)
  • \(CT_{\text{appliqué, réel}}\) (calculé avec \(t_{10}\) à \(10^\circ\text{C}\)) : \(12.6 \, \text{mg} \cdot \text{min/L}\)
  • Concentration \(C = 0.6 \, \text{mg/L}\)
  • Temps de contact réel \(t_{10} = 21 \, \text{minutes}\)
Analyse :

Le \(CT_{\text{appliqué, réel}}\) reste \(12.6 \, \text{mg} \cdot \text{min/L}\) (en supposant que la concentration et le \(t_{10}\) ne changent pas immédiatement avec la température, bien que l'hydraulique puisse être légèrement affectée par la viscosité).

Comparaison avec le nouveau \(CT_{\text{requis}}\) à \(5^\circ\text{C}\) :

\[ 12.6 \, \text{mg} \cdot \text{min/L} < 130 \, \text{mg} \cdot \text{min/L} \]

L'écart entre le CT appliqué et le CT requis s'est encore creusé. La baisse de température rend la désinfection encore moins efficace pour la même dose et le même temps de contact.

Résultat Question 6 : À \(5^\circ\text{C}\), le \(CT_{\text{requis}}\) augmente à \(130 \, \text{mg} \cdot \text{min/L}\). Le \(CT_{\text{appliqué, réel}}\) de \(12.6 \, \text{mg} \cdot \text{min/L}\) est largement insuffisant. Une baisse de température diminue l'efficacité de la désinfection et nécessite un CT plus élevé.

Quiz Intermédiaire 2 : Pour compenser une baisse de température de l'eau et maintenir le même niveau d'inactivation, un opérateur devrait généralement :

Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)

7. Le concept de CT est utilisé pour évaluer l'efficacité de :

8. Une inactivation de 3-log d'un micro-organisme signifie une réduction de sa concentration de :

9. Le temps de contact \(t_{10}\) dans un bassin de désinfection :

Glossaire

Désinfection
Processus visant à éliminer ou inactiver les micro-organismes pathogènes présents dans l'eau pour la rendre propre à la consommation.
CT (Concentration × Temps)
Produit de la concentration résiduelle d'un désinfectant (\(C\)) par le temps de contact effectif (\(T\)) avec l'eau. C'est un indicateur de l'efficacité de la désinfection. Unité : \(\text{mg} \cdot \text{min/L}\).
Chlore Résiduel Libre
Concentration de chlore (sous forme d'acide hypochloreux HOCl et d'ion hypochlorite OCl⁻) qui reste dans l'eau après que la demande en chlore a été satisfaite, et qui est disponible pour une action désinfectante continue.
Temps de Contact (\(t\))
Durée pendant laquelle l'eau est en contact avec le désinfectant. Le \(t_{10}\) est le temps au bout duquel 10% de l'eau ayant traversé un bassin de contact est sortie, indiquant que 90% de l'eau a eu un temps de contact au moins égal.
Inactivation Logarithmique (Log)
Mesure de la réduction de la concentration de micro-organismes. Une inactivation de 1-log correspond à une réduction de 90%, 2-log à 99%, 3-log à 99.9%, etc.
Giardia lamblia
Protozoaire parasite responsable de la giardiase, une maladie intestinale. C'est un micro-organisme souvent ciblé par la désinfection de l'eau potable en raison de sa résistance relative aux désinfectants.
Écoulement Piston
Modèle d'écoulement idéal dans lequel toutes les particules de fluide se déplacent à la même vitesse et dans la même direction, sans mélange longitudinal. Le temps de séjour de toutes les particules est alors identique.
Bassin de Contact (Contacteur)
Ouvrage (réservoir ou conduite) conçu pour assurer un temps de contact suffisant entre l'eau et le désinfectant.
Analyse de la Désinfection de l’Eau Potable - Exercice d'Application

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