Mesure & méthodes de surveillance du chlore

Qu'est-ce que le chlore

Le chlore (Cl₂) est un désinfectant oxydant puissant, couramment utilisé en traitement de l’eau pour éliminer les microorganismes et maintenir une concentration résiduelle protectrice dans les procédés et les réseaux de distribution. Grâce à sa capacité à inactiver rapidement les bactéries, les virus et d'autres agents pathogènes, il demeure un incontournable en eau potable et en traitement des eaux usées.

Outre ces applications municipales, le chlore joue un rôle essentiel dans de nombreux procédés industriels où le contrôle microbiologique et la qualité de l’eau doivent être rigoureusement gérés. Les systèmes de refroidissement industriels, les procédés d’assainissement en agroalimentaire, les installations aquatiques et les systèmes de réutilisation de l’eau s’appuient tous sur le chlore pour maintenir des conditions hygiéniques, prévenir la croissance biologique et assurer une performance de procédé constante.

Formes du chlore utilisées en traitement de l’eau

Dans les systèmes de traitement de l’eau, le chlore ne demeure pas sous une seule forme chimique. Il réagit plutôt avec l’eau, l’ammoniac et d’autres composés pour générer plusieurs espèces désinfectantes. Les concentrations résiduelles sont habituellement exprimées selon trois paramètres, soit le chlore libre, le chlore combiné et le chlore total, chacun représentant un état chimique différent.

Chlore libre (CL)

Le chlore libre désigne la fraction de chlore disponible pour une désinfection immédiate, constituée principalement d’acide hypochloreux (HOCl) et d’ion hypochlorite (OCl⁻). Ces espèces sont responsables de l’inactivation rapide des microorganismes et représentent la concentration résiduelle de désinfectant actif utilisée pour l’évaluation de la performance du procédé.

Chlore libre = Acide hypochloreux + Ion hypochlorite

Chlore combiné (CC)

Le chlore combiné est issu de la réaction du chlore libre avec l’ammoniac ou l’azote organique, générant des chloramines, principalement la monochloramine (NH₂Cl), ainsi que des quantités moindres de dichloramine (NHCl₂) et de trichloramine (NCl₃). Ces composés fournissent une concentration résiduelle de désinfectant plus stable, mais moins réactive, ce qui justifie l’utilisation de la monochloramine comme désinfectant secondaire dans les réseaux de distribution.

Chlore combiné = Monochloramine + Dichloramine + Trichloramine

Chlore total (CT)

Le chlore total correspond à la somme du chlore libre et du chlore combiné présents dans l’eau. Comme il regroupe ces deux formes de désinfectant, sa concentration est toujours supérieure ou égale à celle du chlore libre.

Chlore total = Chlore libre + Chlore combiné

L'importance de la surveillance du chlore

La surveillance des concentrations résiduelles de désinfectant est essentielle, car elles fluctuent en fonction de la demande du système, de la température, du pH et des réactions avec la matière organique et inorganique. En eau potable, les concentrations résiduelles de chlore libre se situent généralement entre 0,2 et 2,0 mg/L, bien que des valeurs pouvant atteindre 5,0 mg/L soient parfois utilisées selon les objectifs de traitement et les exigences réglementaires.

Comme le chlore combiné se forme lorsque le chlore libre réagit avec l’ammoniac ou l’azote organique, une augmentation des chloramines peut indiquer un changement dans la chimie de l’eau ou dans la demande en désinfectant. Le suivi de ces variations permet aux exploitants de maintenir des conditions de désinfection stables et de détecter rapidement les changements du procédé.

Une mesure fiable du chlore permet de confirmer l’efficacité de la désinfection, de limiter la prolifération microbienne, d’éviter les surdosages et de réduire la formation de sous-produits indésirables. Des données stables facilitent aussi le contrôle du dosage et réduisent les coûts liés aux ajustements manuels.

La surveillance en continu du chlore procure les avantages suivants :

• Optimisation de l’application du désinfectant et des stratégies de dosage chimique.
• Prévention de la prolifération microbienne ou de la perte de désinfectant à l'intérieur des systèmes de distribution.
• Préservation de la qualité de l'eau tout en évitant l'utilisation excessive ou le gaspillage de produits chimiques.
• Soutien de la conformité réglementaire et de la réduction de la formation de sous-produits de désinfection.

Méthodes de mesure du chlore

Le chlore peut être mesuré selon trois approches principales : l’analyse en laboratoire, les tests sur le terrain et la surveillance continue en ligne. Les méthodes de laboratoire et de terrain sont couramment utilisées pour des analyses ponctuelles, notamment pour les rapports de conformité, la vérification des concentrations résiduelles ou le diagnostic de certaines parties du système. Ces approches sont appropriées lorsque les mesures sont requises de façon intermittente, lorsqu’un échantillonnage ponctuel est nécessaire pour confirmer des valeurs réglementaires ou lorsque les exploitants doivent valider les données provenant des instruments en ligne.

La surveillance continue en ligne, quant à elle, est utilisée lorsque le contrôle en temps réel du procédé est nécessaire. Les usines de traitement, les installations industrielles et les réseaux de distribution s’appuient souvent sur des données continues pour ajuster le dosage chimique, suivre la dégradation du chlore et maintenir des concentrations résiduelles stables malgré les variations de débit et de qualité de l’eau. Les mesures continues offrent une visibilité immédiate sur les changements de la demande en chlore, permettant aux exploitants de réagir plus rapidement aux variations du procédé.

La précision des mesures du chlore, qu'elles soient ponctuelles ou continues, dépend d’un bon étalonnage, d’une compensation de température adéquate et d’un échantillonnage représentatif. Un étalonnage régulier garantit la fiabilité des données, tandis que la compensation de température tient compte des variations liées à la chaleur. En prélevant de l’eau dans une zone bien mélangée et en mouvement, plutôt que dans des sections stagnantes ou des points morts, il est possible d’obtenir des résultats fidèles aux conditions réelles. Ensemble, ces bonnes pratiques assurent des mesures fiables et constantes.

Facteurs pouvant influencer les mesures

Le pH et le débit sont deux facteurs clés qui influencent le comportement du chlore et la précision des mesures. Le pH détermine l’équilibre entre l'HOCl et l'OCl⁻, et donc l’efficacité de la désinfection. Même de faibles variations de pH peuvent modifier la proportion de ces espèces et entraîner des écarts mesurables dans les concentrations résiduelles si la compensation du pH n’est pas adéquatement appliquée. De son côté, un débit instable ou insuffisant peut entraîner de la stagnation, accélérer la dégradation du chlore et fausser les mesures.

Influence du pH sur la spéciation du chlore libre

Répartition de l’acide hypochloreux (HOCl) et de l’ion hypochlorite (OCl⁻) en fonction du pH. Source : USDA AMS, Hypochlorous Acid Petition.

D’autres variables, comme la température, la matière organique, l’ammoniac, les agents réducteurs et l’hydraulique du système, influencent également la demande en chlore et sa dégradation. Ces facteurs peuvent entraîner des variations des concentrations résiduelles entre les points d’échantillonnage et affecter la réponse des capteurs. La compréhension des interactions entre le pH, le débit et les conditions de qualité de l’eau permet de maintenir des concentrations résiduelles stables et d’améliorer la fiabilité des échantillons ponctuels comme des mesures continues.

Défis posés par la surveillance du chlore

La mesure précise du chlore est souvent complexe, car ce désinfectant est très réactif et se transforme rapidement en présence d’ammoniac, de matière organique ou d’agents réducteurs.

L’un des principaux défis est la présence de sections mortes, c'est-à-dire de portions de canalisations ou de lignes d’échantillonnage où le débit est faible ou nul. Dans ces zones stagnantes, le chlore se dégrade beaucoup plus rapidement que dans le flux principal, ce qui entraîne des mesures qui ne reflètent pas les conditions réelles du système.

Les échantillons ponctuels ne représentent pas toujours les conditions réelles, car le chlore peut se dégrader entre le prélèvement et l’analyse. Les méthodes d'échantillonnage colorimétriques exigent aussi des réactifs, ce qui ajoute des coûts et des contraintes opérationnelles. Des interférences liées aux métaux, aux oxydants ou à la couleur peuvent altérer la précision des mesures, tandis que la variabilité hydraulique peut affecter la réponse des capteurs.

Ces défis rendent les analyses ponctuelles en laboratoire insuffisantes pour les systèmes dynamiques, ce qui renforce la valeur de la surveillance continue.

Solutions pour la surveillance du chlore

Plusieurs technologies permettent de mesurer le chlore, en fonction du niveau de précision requis, de la nature de l’eau et des objectifs d’exploitation. Les méthodes en laboratoire et portatives utilisent fréquemment la photométrie au DPD, une technique colorimétrique reconnue pour mesurer les concentrations résiduelles de chlore.

Bien que les méthodes au DPD soient appréciées pour leur simplicité et leur fiabilité, elles présentent certaines limites. Elles nécessitent notamment un apport continu de réactifs, ce qui entraîne des coûts de consommables et des exigences de manipulation supplémentaires, en plus d’être sensibles aux interférences liées à la couleur ou à la turbidité de l’échantillon. De plus, elles sont peu adaptées au contrôle continu des procédés, puisqu’elles exigent un prélèvement manuel des échantillons ou des systèmes automatisés de dosage de réactifs.

Les technologies de surveillance continue comprennent les capteurs ampérométriques et les analyseurs colorimétriques à réactifs, chacun offrant des avantages précis pour le contrôle des procédés.

Les systèmes de surveillance continue, comme les capteurs électrochimiques (ampérométriques) ou les analyseurs colorimétriques à réactifs en continu, sont généralement privilégiés lorsque le dosage automatisé ou la rétroaction en temps réel est requis, tandis que les analyses en laboratoire conviennent davantage aux échantillons de conformité ou aux vérifications ponctuelles. Le choix de la méthode de surveillance dépend de plusieurs facteurs, notamment de la plage de chlore attendue, de la présence d’ammoniac ou de charge organique, des conditions d’écoulement et de la fréquence de mesure requise.