Dangers liés aux sous produits de désinfection

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Différents modes de Chloration :

Le chlore destiné à la désinfection se trouve normalement sous l’une des trois formes suivantes :

Chlore gazeux :

Il est stocké et livré sous forme liquide en bouteilles de 15 à 100 kgs sous pression.

Le chlore sous pression provenant des récipients et amené par une canalisation à l’appareil de stérilisation proprement dit.

Le gaz est alors le plus généralement dissous par un courant d’eau à faible débit dans un dissolveur et c’est la solution chlorée ainsi formée qui est introduite et mélangée dans l’eau à traiter pour y produire la stérilisation. Introduit dans l’eau le chlore gazeux est rapidement hydralisé pour donner de l’acide hypochloreux (HOCl) selon les réactions suivantes : Cl2 +H2O HClO + H+ Cl-

L’addition de chlore gazeux dans l’eau réduit le pH car cela entraîne la formation d’un ion hydrogène. L’acide hypochloreux est un acide faible (un Pka d’environ 7,5) ce qui signifie qu’il se dissocie légèrement en ions hydrogène et hypochlorite, tel que montre la réaction suivante : HO Cl H+ OCL-

Ces réactions chimiques sont influencées par la température et surtout le pH de l’eau à traiter.

A pH ≤ à 2, tout le chlore est sous forme moléculaire CL2, à PH <6,5 le HOCl ne se dissocie pas, alors qu’a un pH ≥ 8,5 la dissociation en OCl- est complète.

Quand le pH se situe entre 6,5 et 8,5, c’est le cas habituel des eaux traitées par le chlore, il y a mélange d’acide hypochlorite qui n’est qu’un faible désinfectant et l’aide hypochloreux (HOCl) qui est un puissant bactéricide. Par ailleurs, l’efficacité de la chloration est d’autant plus meilleure que le temps de contact du chlore dans l’eau est plus long (au moins 4 heures).

Hypochlorite de sodium :

Appelé l’eau de javel qui est un excellent désinfectant.

Pour la fabrication industrielle de la javel, on fait agir le chlore sur la soude, on obtient du sel, de l’eau et de l’hypochlorite : le mélange de ces 3 produits constitue l’eau de javel. CL2+2 Na OH Na Cl + H2O + NaCLO.

L’équation suivante illustre la réaction qui se produit entre l’hypochlorite de sodium et l’eau NaOCL + H2O HOCl+ Na+ + OH-

Cette équation montre que l’ajout d’hypochlorite de sodium dans l’eau entraîne la formation d’acide hypochloreux un peu comme dans le cas de l’hydrolyse du chlore gazeux. Toutefois, contrairement à l’hydrolyse du chlore, l’ajout d’hypochlorite de sodium dans l’eau produit un ion hydroxyle qui fait grimper le pH.

Hypochlorite de calcium :

On fabrique l’hypochlorite de calcium à partir du précité issu de la dissolution de chlore gazeux dans une solution d’oxyde de calcium (chaux vive) et d’hydroxyde de sodium.

2 Ca O + 2 Cl2 Ca Cl2 + Ca (O Cl)2

L’hypochlorite de calcium a une teneur très élevé en chlore actif et est surtout employé dans des pays ne pouvant s’approvisionner ni en chlore gazeux, ni en solution d’hypochlorite de sodium (coût de transport). Généralement utilisé sous forme solide en poudre [1, 7, 9, 13, 14, 15, 16].

Ca (O Cl) 2 + 2H2O 2 HO Cl + Ca+2 + 2 OH-

Mode d’action du chlore et de ses dérivés :

Il existe trois modes d’action du chlore sur les molécules organiques. Il s’agit particulièrement des substances humiques et des dérivés du phénol (le résorcinol, le phloroglucinol, le dichloro3, 5 phénol, etc.) et les acides aminés.

 L’oxydation des fonctions réductrices ou réduites en acceptant des électrons du précurseur organique comme l’oxydation des alcools primaires R – CH2OH en aldéhyde R-CHO, puis en acide carboxylique R-COOH. Les alcools secondaires R- CHOH-R’ donnent des cétones R-CO-R’. Les produits d’oxydation finaux sont principalement le CO2 et les chlorures (Cl-).

 L’addition sur des liaisons insaturées et des substitutions électrophiles.

L’addition sur les doubles liaisons présente les caractères d’une réaction en deux étapes :

La première consiste en une attaque électrophile sur les électronsπ, ce qui provoque la rupture hétérolytique de la molécule d’oxydant en un fragment cationique et un autre anionique. Le premier se fixe sur un des carbones en utilisant le doublet. La partie anionique se lie ensuite grâce au doublet libre de l’autre carbone. Le cas n°3 permet d’interpréter la formation des chloramines et des organochlorés.

Le chlore est un agent de chloration. Les substances humiques possèdent des fonctions méthy-cétones qui réagissent fortement en présence du chlore. La substitution conduit à un dérivé trihalogène de formule de type R-CO-CCl3. Celui-ci subit une réaction de coupure en haloforme (chloroforme, bromoforme) et sel de l’acide R-COOH. Il faut noter que le schéma réactionnel est différent suivant le pH du milieu [3, 17].

La chloration au point critique et relation avec SPD :

• La dénomination tient à ce que, si l’on déverse progressivement du chlore dans une eau contenant une certaine proportion de matières organiques (courbe C3) ou d’ammoniaque libre (courbe C4), la quantité de chlore résiduel à l’état libre, après avoir augmenté d’abord linéairement subit une chute plus ou moins brutale en passant par un minimum avant de recommencer à croître sans limitation. Ce minimum marque le « break point » ou « point critique » et indiquerait le taux minimum de chlore à appliquer

pour obtenir en quelques minutes la destruction pratique de toutes bactéries contenues dans l’eau. La courbe du C4 montre un exemple du point critique.

Dans la partie OA, de la monochloramine se forme suivant l’équation : NH3 +Cl2 ⇒ NH2 Cl+ H Cl

Dans la partie AB, il y a formation de dichloramine : NH3 +2Cl2 ⇒ NHCl2 + 2HCl

Dans la partie BC, il y a destruction des chloramines dont le goût de chlore est très nettement supérieur à celui du chlore lui-même . 2 NH2 Cl+Cl ⇒ N2 + 4HCl

Enfin dans la partie CD, le chlore n’est plus consommé et la pente remente à 45° c’est-à-dire que l’on retrouve en chlore résiduel dans l’eau traitée la même quantité de chlore rajoutée à celle-ci Cette méthode se propose de lutter contre les inconvénients par du chlore lui-même à doses massives tels que la formation de chlorophénols extrêmement stables et qui, même sous de très faibles doses, confèrent à l’eau des « mauvais goûts » particulièrement tenaces [9, 18, 19].

Niveaux d’oxydation et oxydants adaptés : (Tab. VII)

 Pré oxydation :
Ce traitement en tête de filière se justifie en raison de ses multiples objectifs.
L’élimination des algues, des goûts, de l’odeur et de la couleur, l’amélioration des qualités organoleptiques d’une eau. Si l’eau brute est riche en matières organiques mesurées en COT, l’emploi de chlore est proscrit. L’oxydation des micropolluants minéraux tels que les ions ammonium, ferreux et manganeux se déroule très souvent en début de la filière de traitement. Si de fortes teneurs en matières organiques accompagnent les polluants Fe2+ et Mn2+, il faut éviter toute sur consommation d’un oxydant trop puissant par les composés organiques. En conséquence, l’emploi de KMnO4 est préconisé.
La préoxydation permet également de pallier le dysfonctionnement de la nitrification sur filtres spécifiques.
La préoxydation améliore les phénomènes de coagulation et de floculation en terme de turbidité éliminée, de durée de fonctionnement des filtres, d’économie de réactif et de compacité des boues hydroxydes. L’oxydation des algues provoque la rupture de leur membrane, libérant ainsi l’alginate qui est un floculant naturel. On évoque aussi une modification des composés organiques qui se polymérisent sous l’action des radicaux OH- et une inversion de charge des colloïdes. Enfin, l’oxydation de complexes libérerait des ions métalliques participant à la coagulation. Il s’agirait d’un ajout virtuel de chlorure ferrique de formule FeCl3.
Les principaux oxydants utilisés en pré oxydation sont le chlore et dérivés, le dioxyde de chlore et l’ozone.
Inter oxydation :
L’élimination des micropolluants organiques de type pesticides peut passer par une interoxydation. L’autre solution est une adsorption sur charbon actif. Le couplage de ces procédés est souhaitable pour économiser la capacité de rétention de l’adsorbant.
L’amélioration des qualités organoleptiques et une élimination des micro-organismes les plus résistants tels que les virus, kystes de protozoaires et spores peuvent être également les buts recherchés. La déferrisation et la démanganisation de l’eau brute trouvent leur justification. Depuis un certain nombre d’années et la découverte des phénomènes de filtration biologique sur charbon actif en grains, l’augmentation de la biodégradabilité des matières organiques, par transformation du carbone réfractaire en carbone assimilable, est devenue une raison supplémentaire d’installer une telle étape. Ceci en vue d’éviter au maximum tout phénomène de reviviscence bactérienne sur réseau.
L’in ter oxydation ne se justifie que dans le cas de développement important d’algues. En effet, elle limite considérablement l’activité biologique des filtres à sable. L’ozone est l’oxydant le plus employé en interoxydation.
Post oxydation :
La post oxydation est une désinfection qui a pour objet l’inhibition des micro-organismes en sortie d’usine et qui doit assurer un résiduel de désinfectant dans le réseau pour garantir la protection sanitaire de l’eau. On désire donc un effet bactéricide ou biocide qui consiste en un abattement des germes et effet bactériostatique sur le réseau.
Cette dernière condition n’est possible qu’avec l’emploi d’un oxydant rémanent tel que le chlore [17].

Impuretés apportées suite au traitement chimique :

L’introduction d’un réactif dans l’eau peut conduire à deux formes de pollution, Les impuretés du réactif lui-même et les produits de réaction du réactif avec les matières organiques de l’eau.

Impuretés dues au réactif :

Dans de nombreux pays, l’utilisation d’un réactif est soumise à l’agrément des autorités sanitaires. La législation peut prévoir, pour chaque réactif, une concentration maximale d’impuretés à respecter par le producteur. Une analyse précise des produits doit être effectué. Au cas où l’on constate la présence d’impuretés, il importe de vérifier que la chaîne de traitement prévue en permet l’élimination.

Coagulants minéraux :

Certains coagulants sont préparés à partir de minerais ou métaux pouvant contenir des impuretés en quantité non négligeable : attaque acide de bauxite pour préparer le sulfate d’aluminium, attaque de carcasses métalliques pour préparer le chlorure ferrique. Cette attaque dissout également des impuretés (tungstène, manganèse, arsenic).

Polyélectrolytes, adjuvants :

Les polyélectrolytes de synthèse sont préparés par polymérisation de monomères (polyacrylamides, polyamines en traitement d’eau potable, la législation de chaque pays peut fixer le type de monomère utilisable, la teneur maximale en monomère utilisable dans le polymère et le taux de traitement maximal qu’il est possible de mettre en œuvre (0,5 % de monomère acrylamide dans le cas des polyacrylamides par exemple).

Correction de pH :

Il faut vérifier les impuretés de la chaux et de la soude qui doit être exempte de mercure (soude préparée par le procédé à membrane).

Air d’entraînement (stripping) :

L’air utilisé au cours de certaines étapes du traitement peut apporter des éléments indésirables : impuretés de l’atmosphère, gaz d’échappement, fumées, bactéries [8].

Les différents classes de sous produits de désinfection :

Sous produits de chloration :

Trihalométhanes (THM):

généralités :

Les trihalométhanes sont des composés mono carbonés de formule générale CHX3, dans laquelle X peut être présenter un atome de fluor, de chlore, de brome ou d’iode, ou une combinaison de ces éléments. Les THM sont les sous produits les plus abondants dans l’eau potable chlorée ils représentent 44 à 50 %des AOX totaux.
L’étape de pré chloration engendre plus de35% des THM formés, alors que 60 à 70% sont formés lors de la post chloration. On note aussi que les différentes étapes du traitement physicochimique n’ont pratiquement aucune influence notable sur la réduction des THM formés en pré chloration. Les quatre membres du groupe les plus importants sont : le trichlorométhane (CHCl3 ou chloroforme), le dibromochlorométhane (CHClBr2), le bromodichlorométhane (CHBrCl2) et le tribromométhane (CHBr3 ou bromoforme).le dibromochlorométhane est le THM qui présente le risque sérieux de cancer suivi par le bromoforme et enfin le chloroforme. La concentration des THMs est deux fois plus en saison chaude qu’en saison froide [9, 24, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38].
Trihalométhanes iodés sont responsables de l’odeur médicinale qui apparaît rarement dans les eaux potables chlorées. Il était mentionné q’une concentration de 5µg/l est suffisante pour donner une telle odeur.
Leur formation est liée à la présence d’ions d’iode qui représente 0,01à 20µg/l dans l’eau souterraine. Le trihalométhane le plus représentatif de cette catégorie est le iodoforme (CHI3).
Il a été montré que le iodoforme est formé lors de la formation des chloramines, dans la région où la formation des autres THM n’est plus favorable [39, 40].

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Table des matières

Introduction
Partie Bibliographique
I- traitements des eaux destinées à la consommation
I-1- différents types d’eau de consommation
I-1-1- eaux souterraines
I-1-2- eaux minérales
I-1-3- eaux de source
I-1-4- eaux de surface
I-2- Impuretés contractés dans les eaux
I-2-1- Impuretés biologiques
I-2-2- Impuretés minérales
I-2-2-1-Impuretés sans effet appréciable sur la santé
I-2-2-2- Impuretés affectant la santé
I-2-3-Impuretés organiques
I-3- Les procédés de traitement
I-3-1- dégrossissage
I-3-2- prétraitement au chlore
I-3-3- la clarification
I-3-4- la désinfection
I-4- Traitements supplémentaires
I-4-1- la déferrisation
I-4-2- démanganisation
I-4-3- Elimination de l’ammonium
I-4-4- Elimination du fluorure
I-4-5-Autres paramètres
I-4-5-1- Arsenic
I-4-5-2- Métaux lourds
II- la chloration
II-1- Différents modes de chloration
II-1-1- Chlore gazeux
II-1-2- Hypochlorite de sodium
II-1-3- Hypochlorite de calcium
II-2- Mode d’action du chlore et de ses dérivés
II-3- La chloration au point critique et relation avec SPD
II-4- Les points d’injection du chlore
III- Procédés d’oxydation
III-1- Différents types d’oxydants autres que le chlore
III-1-1- Permanganate de potassium
III-1-2- Chloramines
III-1-3- Rayons ultraviolets
III-1-4- Rayonnements ionisants
III-1-5- Dioxyde de chlore
III-1-6- L’ozone
III-2- Niveaux d’oxydation et oxydants adaptés
III-3- Impuretés apportés suite au traitement chimique
III-3-1-Impuretés dues au réactif
III-3-1-1- Coagulants minéraux
III-3-1-2- Poly électrolytes, adjuvants
III-3-1-3- Correction de pH
III-3-1-4- Air d’entraînement (stripping)
III-3-1-5- l’oxydant..
III-3-2- Impuretés par réaction du réactif sur les molécules organiques de l’eau
IV- Sous produits de désinfection et la santé publique
IV-1- Les différents classes de sous produits de désinfection
IV-1-1- Sous produits de chloration
IV-1-1-1- Trihalométhanes
IV-1-1-2- Acides haloacétiques
IV-1-1-3- Hydrate de chloral
IV-1-1-4- Acétonitriles halogénés
IV-1-1-5- Chloracétones
IV-1-1-6- Chlorophénols
IV-1-1-7- Chloropicrine
IV-1-1-8- Chlorohydroxy furanones
IV-1-2- Sous produits de chloramination
IV-1-2-1- Le chlorure de cyanogène
IV-1-2-2- Autres sous produits de chloramination
IV-1-3- Sous produits d’ozonation
IV-1-3-1- Bromates
IV-1-3-2- Formaldéhyde
IV-1-4- Sous produits du dioxyde de chlore
IV- Chlorates
IV- Chlorites
IV-2- Dangers liés aux sous produits de désinfection
IV-2-1- Effets toxiques
IV-2-1-1- Anomalies du développement
IV-2-1-2- Reprotoxicité
IV-2-2- Effets mutagènes et génotoxiques
IV-3- Contrôle des sous produits de chloration
V- Mutations et cancer
V-1- Relation entre mutation et cancer
V-2- Généralités sur les mutations
V-2-1- Définition de mutation
V-2-2- Mécanisme de mutagenèse
V-2-2-1- Agents physiques
V-2-2-2- Agents chimiques
V-2-3- Classement des mutations
V-2-3-1- Selon la nature et la localisation
V-2-3-2- Selon le phénotype
V-2-4- Mécanismes biologiques de réparation
Partie expérimentale
I- Matériel et méthodes
I-1- Méthodologie
I-1-1- Description de la station de traitement
I-1-2-Echantillons et fréquence d’échantillonnage.
I-1-3- Choix des paramètres
I-2- la recherche des organohalogénés totaux
I-3- le dosage du CHCl3 et CHBr3
I-4- Détermination de l’activité mutagène
I-4-1- Test d’Ames
I-4-1-1- Matériel biologique
I-4-1-2- Confirmation des génotypes
I-4-1-3- Test de mutagenèse
I-4-2- Le SOS chromotest
I-4-2-1- Matériel biologique
I-4-2-2- Confirmation des génotypes
I-4-2-3- Test de mutagenèse
I-4-2-3-1- SOS spot test
I-4-2-3-2- Méthode standard du SOS chromotest
II- Résultats et discussion
Conclusion
Références bibliographiques
Annexes