Le système d’alimentation en eau et d’évacuation des eaux de laboratoire est un système spécialement conçu sur la base du réseau d’alimentation en eau et d’évacuation des eaux du bâtiment, qui se caractérise par une conception non standard et une grande variété d’agencements flexibles.

La conception du système d’alimentation en eau et d’évacuation des eaux de laboratoire est achevée avant la conception technique du bâtiment. Il s’agit d’un ouvrage intégré aux travaux de construction et au réseau d’alimentation en eau et d’évacuation des eaux du bâtiment ; par conséquent, sa conception doit être définie par des professionnels en fonction des besoins en alimentation et évacuation des eaux des paillasses de laboratoire configurées dans le laboratoire, après quoi l’agencement global du réseau d’alimentation et d’évacuation des eaux du projet est conçu.

I. Système d’alimentation en eau

En tant que base importante pour la recherche scientifique, la sécurité et l’hygiène des laboratoires revêtent une importance vitale. Cela est particulièrement vrai pour les laboratoires spéciaux, tels que les laboratoires de recherche médicale sur les virus infectieux et les laboratoires de biologie, dont la sécurité est encore plus cruciale, et le rôle du réseau d’alimentation en eau et d’évacuation des eaux, élément indispensable des expérimentations, ne doit pas être sous-estimé. Le système d’alimentation en eau de laboratoire comprend le système d’eau de procédé de laboratoire, le système d’eau domestique et le système d’eau de protection incendie. L’eau de procédé de laboratoire se divise en eau de laboratoire générale et en eau de laboratoire purifiée ; le système d’eau purifiée de laboratoire est un système d’alimentation en eau indépendant. Le système d’eau domestique et le système d’eau de protection incendie sont identiques aux systèmes d’alimentation en eau des bâtiments ordinaires et peuvent généralement être combinés au système d’eau de laboratoire général pour former un seul système.

Différents laboratoires ont des exigences différentes en matière d’eau de laboratoire ; la qualité de l’eau de refroidissement en circuit recirculé destinée aux instruments de laboratoire doit satisfaire aux exigences de qualité d’eau propres à chaque type d’instrument. Les laboratoires réalisant des expériences avec des acides forts, des bases fortes ou des liquides hautement toxiques susceptibles de provoquer des éclaboussures ou des explosions doivent être équipés de douches de secours à proximité ; lorsque la charge d’eau à la sortie d’un rince-œil d’urgence dépasse 1 m, des mesures de réduction de pression doivent être mises en place ; les robinets des laboratoires de classe II doivent utiliser des dispositifs de commande au pied, au coude ou par capteur. Les bouches d’incendie intérieures doivent être situées dans la zone propre ; le point de pénétration des canalisations du système d’alimentation en eau doit généralement se trouver dans la zone propre, avec un réseau d’alimentation en eau de type descendant (alimentation ascendante).

Le système d’eau de protection incendie intérieur comprend le système de protection incendie ordinaire, le système d’alimentation en eau des sprinkleurs automatiques et le système d’alimentation en eau des rideaux d’eau. Les bâtiments tels que les bâtiments de laboratoire et les entrepôts doivent être équipés d’un système d’alimentation en eau de protection incendie extérieur si nécessaire, composé de canalisations d’eau incendie extérieures, de bouches d’incendie extérieures, de pompes à incendie, etc. Voir les figures 6-44 et 6-45.

II. Méthodes d’alimentation en eau

Un laboratoire ordinaire n’a généralement besoin que d’un seul branchement d’alimentation en eau ; toutefois, si les équipements d’un grand bâtiment de laboratoires nécessitent une alimentation en eau sécurisée, deux branchements doivent être prévus. Un branchement unique pénètre généralement dans le bâtiment de laboratoires par la partie centrale de celui-ci, afin que la pression de l’eau soit plus équilibrée. Lorsque deux branchements sont prévus, ils pénètrent généralement par des côtés différents du bâtiment. Si, dans des circonstances particulières, ils ne peuvent entrer que par le même côté, un écart important — d’au moins 10 m — doit être maintenu entre les deux branchements, et des vannes doivent être installées sur le réseau d’alimentation en eau reliant les deux branchements, afin qu’une alimentation en eau sûre puisse toujours être assurée en cas de défaut local. Les branchements d’alimentation doivent être introduits depuis l’emplacement où la consommation d’eau est la plus importante. Par ailleurs, la tuyauterie d’alimentation en eau interne du laboratoire doit être agencée de manière rationnelle pour faciliter la maintenance des canalisations. Le tracé des canalisations internes doit être aussi court que possible et les croisements doivent être évités, ce qui rend l’alimentation en eau plus sûre et plus fiable. La tuyauterie des laboratoires ordinaires est généralement posée en apparent le long des couloirs,

[Figure : Fig. 6-44 « Plan d’alimentation en eau de laboratoire » — plan d’alimentation en eau / implantation des points d’eau de laboratoire (échelle approximative 1:100), comprenant le contour du plan du bâtiment, les cloisons des pièces, les points d’utilisation d’eau, le tracé des canalisations d’alimentation en eau, les lignes de cote et les numéros d’axe.]

Fig. 6-44 Plan d’alimentation en eau de laboratoire

[Figure : Fig. 6-45 « Schéma du système d’alimentation en eau de laboratoire » — comprenant le « Schéma du système d’alimentation en eau 1:100 » (vue axonométrique) et le « Schéma du système de production d’eau 1:100 », montrant les colonnes montantes d’alimentation et de production d’eau, les conduites principales, les branchements, les vannes, les raccordements aux points d’utilisation d’eau, le tracé des canalisations et les relations d’altitude.]

Fig. 6-45 Schéma du système d’alimentation en eau de laboratoire

des murs, des plafonds ou des angles de poteaux, en pose apparente. Ce type d’installation est pratique pour l’observation des canalisations mais accumule facilement la poussière. C’est pourquoi, dans les laboratoires aux exigences de sécurité relativement élevées, la pose encastrée est généralement privilégiée, les canalisations étant logées dans des gaines de canalisations, des plafonds, des tranchées de canalisations ou des galeries techniques communes. Il est important de noter que toutes les canalisations encastrées doivent comporter des ouvertures d’accès au niveau des vannes de commande, afin de faciliter la réparation des défauts. Les canalisations d’alimentation en eau sanitaire sont souvent situées dans les zones propres. Pour le point d’entrée des canalisations du système d’alimentation en eau d’un laboratoire radioactif, le réseau d’alimentation adopte souvent une configuration descendante (alimentation ascendante). Lorsque les canalisations cheminent de la zone propre vers des équipements situés dans la zone contaminée — tels que les boîtes à gants, les hottes aspirantes et les douches — une contamination est possible ; elles doivent donc être alimentées par un réservoir de rupture de charge local. La capacité et la hauteur du réservoir de rupture de charge doivent être adaptées, et un dispositif de surpression doit être ajouté si nécessaire. Alternativement, à la jonction entre des zones de différents niveaux de rayonnement, une vanne d’isolement peut être installée à chaque extrémité de la canalisation, avec un branchement raccordé entre elles ; lorsque la canalisation n’est pas en service, les vannes d’isolement sont fermées et la vanne de vidange est ouverte pour évacuer l’eau résiduelle. Pour les petits laboratoires de radiochimie, un clapet anti-retour peut être installé sur la canalisation avant qu’elle ne pénètre dans la zone contaminée, afin d’empêcher toute contamination. Le système d’alimentation en eau du laboratoire doit garantir la pression, la qualité et la quantité d’eau nécessaires. Pour les grands bâtiments de laboratoires de grande hauteur, lorsque le réseau extérieur ne peut pas satisfaire les besoins en eau des laboratoires des étages supérieurs, ou lorsque la pression du réseau extérieur est insuffisante périodiquement — notamment pour garantir l’alimentation en eau sûre des laboratoires — des équipements de surpression locaux ou des réservoirs de toiture et des pompes doivent être prévus, réservés exclusivement à l’usage des laboratoires des étages supérieurs ; des douches de sécurité à déluge et des lave-yeux de sécurité doivent être installés, avec un débit d’eau suffisamment important et des vannes à ouverture rapide. Les méthodes d’alimentation en eau courantes sont les suivantes :

  1. Alimentation en eau directe. Lorsque le laboratoire comporte peu d’étages et que la pression et le débit d’eau sont suffisants, la méthode d’alimentation directe peut généralement être utilisée ; avec cette méthode, aucune pompe de surpression intérieure n’est nécessaire et le système est généralement raccordé au réseau d’alimentation en eau extérieur.

  2. Alimentation en eau avec réservoir surélevé. Cette méthode peut être utilisée lorsque, pendant les périodes de pointe de consommation d’eau, la pression du réseau extérieur chute de sorte que les besoins en eau des étages supérieurs ne peuvent pas être satisfaits, ou lorsque la pression du réseau extérieur est insuffisante périodiquement.

  3. Alimentation en eau avec pompes de surpression. Cette méthode peut être utilisée lorsque la pression du réseau extérieur est inférieure à la pression requise pour l’eau de laboratoire, l’eau domestique et l’eau de protection incendie.

Exigences relatives aux installations d’alimentation en eau et de drainage pour les différents niveaux de laboratoire :

  1. BSL-1 : Chaque laboratoire doit disposer d’un lavabo à proximité de sa sortie.

  2. BSL-2 : Chaque laboratoire doit disposer d’un lavabo à proximité de sa sortie ; des dispositifs de rinçage oculaire et des douches de secours, etc., doivent être prévus.

  3. BSL-3 : Des installations de lavage des mains doivent être prévues aux sorties de la zone semi-contaminée et de la zone contaminée ; l’alimentation en eau doit être équipée de dispositifs anti-refoulement et utiliser des vannes d’alimentation non manuelles (sans contact). Des installations de douche doivent être prévues dans la zone propre ; des dispositifs de douche de désinfection d’urgence doivent être prévus dans la zone semi-contaminée si nécessaire. Aucun siphon de sol ne doit être aménagé à l’intérieur du laboratoire principal ; le drainage des zones semi-contaminée et contaminée doit être complètement isolé des autres systèmes de drainage, collecté par des canalisations dédiées dans un dispositif indépendant, puis désinfecté et stérilisé.

III. Système de drainage

Le système de drainage du laboratoire est configuré en fonction de la composition, des propriétés, du débit et du mode de rejet des eaux usées évacuées par le laboratoire. L’eau de refroidissement rejetée par les équipements de laboratoire ou d’autres eaux usées ne contenant que des matières en suspension ou colloïdales inoffensives n’ont pas besoin d’être traitées et peuvent être rejetées directement dans le réseau de drainage extérieur. Les eaux usées contenant de multiples composants ou des substances toxiques et dangereuses, qui sont susceptibles d’interagir entre elles, d’endommager les canalisations ou de provoquer des accidents, doivent être séparées des eaux usées domestiques et évacuées par des canalisations dédiées vers un bassin de désinfection pour une désinfection unifiée. Les déchets liquides de solvants relativement purs ou les réactifs toxiques doivent de préférence être rejetés après traitement ; les eaux usées rejetées destinées à être réutilisées doivent être traitées en conséquence. Ils sont traités comme des déchets médicaux chimiques et ne doivent pas être rejetés directement dans la station d’épuration des eaux usées. La disposition des canalisations de drainage doit également être rationnelle, avec le moins de coudes possible pour Empêchez le colmatage par les impuretés, et l’agencement doit être relativement concentré pour faciliter la maintenance après les pannes. Les conduites de drainage doivent longer les couloirs, les angles des poteaux, les murs, les plafonds, etc., mais il faut veiller à éviter de traverser les laboratoires à exigences de sécurité élevées, tels que les salles d’instruments de précision. Les conduites principales doivent être agencées aussi près que possible des équipements à plus grand volume de drainage. Les petits laboratoires générant de faibles volumes d’eaux usées peuvent utiliser un système de drainage unique. Cependant, lorsque le volume d’eaux usées est faible mais sa concentration élevée, elles peuvent être collectées dans des conteneurs dédiés et envoyées vers une zone de stockage d’eaux usées ou traitées en conséquence. Les eaux usées radioactives rejetées nécessitent un traitement spécial : après décroissance des isotopes, elles sont traitées comme des eaux usées médicales ; elles ne doivent pas traverser la zone propre et doivent s’écouler de la zone propre vers la zone contaminée pour éviter la propagation de la contamination. Si le niveau de rayonnement est élevé, des tranchées de drainage, des puits et des canaux de conduites dédiés doivent être prévus, accompagnés des mesures de protection nécessaires. Si les eaux usées radioactives sont corrosives, des matériaux résistants à la corrosion appropriés doivent être sélectionnés pour les conduites afin d’éviter la corrosion et les fuites. En règle générale, les tranchées de conduites peuvent être construites en brique ; lorsqu’une protection est nécessaire ou que le niveau de la nappe phréatique est élevé, du béton doit être utilisé. Le revêtement des tranchées utilise un enduit de ciment, une face en acier carbone ou en acier inoxydable, peinte avec une peinture antirouille. Voir les figures 6-46 et 6-47.

[Figure : Plan de drainage au sol du laboratoire (dessin CAO en couleur), montrant l’agencement et les points de drainage des salles fonctionnelles du service de laboratoire clinique ; les étiquettes des salles incluent : salle de centrale d’air frais, salle de stockage, zone de laboratoire d’immunologie VIH, zone d’analyse de produits, zone d’amplification, zone de préparation des échantillons, zone de préparation des réactifs, salle de lavage, zone tampon, zone de préparation, couloir dédié, salle d’inoculation et de culture, salle d’analyse des crachats, salle des liquides biologiques, salle d’identification, salle stérile, salle de désinfection, salle de phlébotomie, zone des grands instruments au sol, biochimie, immunologie, hématologie, analyses cliniques, zone d’attente, vestiaires femmes/hommes, salle de production d’eau, onduleur (UPS), chambre froide, salle de stockage des échantillons, salle de diagnostic moléculaire des pathogènes, laboratoire de typage tissulaire, salle de culture cellulaire, salle des oligo-éléments, salle de traitement des échantillons, salle de prélèvement sanguin VIP, zone de délivrance des rapports, salle de réunion, salle d’archives, bureau du service de laboratoire, bureau du directeur, salle de garde, etc.]

Fig. 6-46 Dessin de drainage du laboratoire

[Figure : Schéma axonométrique du système de drainage du laboratoire, avec des étiquettes de diamètre de conduite telles que De50/De75/De110, des symboles de pente et d’élévation, des conduites de branchement/colonnes montantes, des drains de sol et des regards de nettoyage ; intitulé « Schéma du système de drainage 1:100 » dans la figure]

Fig. 6-47 Schéma du système de drainage du laboratoire

1. Composition et dangers des eaux usées

Les eaux usées générées par les laboratoires incluent les échantillons excédentaires, les résidus d’échantillons d’analyse, les solutions mères périmées et les solutions de lavage, ainsi que de grandes quantités d’eau de rinçage. Presque tous les postes d’analyse de routine présentent des problèmes de pollution par les eaux usées à des degrés divers. La composition de ces eaux usées est très variée : elle inclut les matières organiques les plus courantes, les ions de métaux lourds et les micro-organismes nuisibles, ainsi que des cyanures plus rares nécessitant un traitement séparé ; les bactéries, les toxines, etc. doivent être stérilisés.

Lorsque des eaux usées contenant des métaux lourds en excès sont rejetées en aval dans des eaux propres, elles contaminent de grandes étendues d’eau ; comme ces eaux contaminées par des métaux lourds ne se distinguent pas des eaux normales par leur couleur et leur odeur, une fois utilisées pour l’irrigation, le sol et les cultures sont inévitablement contaminés par des métaux lourds. Les personnes qui consomment des cultures cultivées dans un sol contaminé par des métaux lourds sont facilement intoxiquées par ces derniers.

2. Méthodes de traitement des eaux usées

Il existe généralement des méthodes physiques, chimiques et biologiques. La méthode physique repose principalement sur l’action physique pour séparer les matières en suspension des eaux usées ; la méthode chimique utilise principalement des réactions chimiques pour traiter les substances dissoutes ou colloïdales présentes dans les eaux usées ; la méthode biologique permet d’éliminer les matières organiques colloïdales et dissoutes des eaux usées. Chacune de ces trois méthodes de traitement de base possède ses propres caractéristiques et conditions d’application. Avant le rejet des eaux usées dans le réseau municipal d’assainissement, le niveau de traitement doit être défini en fonction des exigences de rejet, en tenant compte de la capacité d’autoépuration de la masse d’eau réceptrice ; la charge admissible de la masse d’eau, c’est-à-dire la concentration admissible de rejets dans celle-ci, est généralement déterminée à partir des indicateurs de substances nocives et d’oxygène dissous.

2.1 Traitement des eaux usées acides

On procède à la neutralisation en mélangeant les eaux usées acides avec des eaux usées alcalines afin que le pH des eaux usées mélangées soit proche de la neutralité ; on peut également ajouter des agents neutralisants aux eaux usées acides, ou faire filtrer les eaux usées acides à travers un lit filtrant alcalin pour obtenir leur neutralisation.

2.2 Traitement des eaux usées alcalines

On neutralise les eaux usées alcalines en les mélangeant à des eaux usées acides, ou en y ajoutant des agents neutralisants acides ;

on peut également injecter des gaz de combustion (gaz acides tels que le dioxyde de carbone ou le dioxyde de soufre) dans les eaux usées alcalines, ou utiliser du dioxyde de carbone dissous dans l’eau pour les neutraliser.

2.3 Traitement des mélanges de déchets liquides

Le procédé suivant est mis en œuvre : « homogénéisation de la qualité de l’eau + filtration de neutralisation — coagulation de neutralisation — électrolyse interne par déplacement — bac d’adsorption biologique — bac de sédimentation associé à un bac d’eau claire ». Dans le traitement des eaux usées, afin de protéger le système de contrôle du pH en ligne, la technologie de filtration de neutralisation est utilisée pour garantir que les eaux usées acides et alcalines respectent en permanence la norme de rejet, et permet de réduire la consommation de réactifs. Un garnissage combiné est employé pour immobiliser les boues ; l’étape de désinfection utilise un générateur d’ozone perfectionné ; la digestion des boues fait appel à un distributeur d’eau à impulsions pour parvenir à une réduction du volume de boues. Ce procédé permet de décomposer les matières organiques complexes et de traiter de manière stable les effets des réactifs présents dans les eaux usées de laboratoire. De plus, il présente de faibles coûts de fonctionnement, une gestion aisée et un large champ d’application.

Grâce à un aménagement rationnel, son emprise au sol est réduite au minimum ; grâce à un aménagement paysager soigné, la station d’épuration est planifiée de manière judicieuse pour devenir un élément caractéristique du centre de laboratoire.

2.4 Traitement des eaux usées spéciales

Les eaux usées contenant des radionucléides sont classées, en fonction de la demi-vie des nucléides, en eaux usées à radionucléides à vie longue et en eaux usées à radionucléides à vie courte, qui doivent être traitées séparément. Pour les eaux usées contenant des radionucléides à vie longue à des concentrations radioactives relativement élevées, elles doivent être stockées de manière centralisée ; lorsqu’une quantité suffisante est accumulée, elles sont traitées par des méthodes de purification, et la faible quantité de concentrat produite au cours de la purification peut être traitée par solidification. Les eaux usées à radionucléides à vie courte sont traitées par la méthode de stockage. Le traitement des eaux usées contenant des radionucléides doit être conforme à la norme GB 8703-88 en vigueur, Règlement sur la radioprotection. Les eaux usées provenant des laboratoires de niveaux de biosécurité 4 et 3 doivent obligatoirement être désinfectées ; après traitement, elles doivent respecter la Norme de rejet des eaux usées hospitalières. Voir la fig. 6-48. [Figure : Schéma de flux du procédé de traitement des eaux usées. La séquence est la suivante : eaux usées de laboratoire → bassin d’homogénéisation de la qualité de l’eau → filtre de neutralisation → bac de neutralisation (raccordé à une soufflante, avec dosage d’acide et de base) → bac de sédimentation (les boues sont évacuées vers le bassin de digestion et d’épaississement des boues) → bac de déplacement par électrolyse interne → bac d’adsorption biologique → bac de désinfection (ozone fourni par un générateur d’ozone) → bac d’eau claire → rejet conforme. Note dans la figure : les déchets de tamisage et les boues sont désinfectés puis transportés hors du site avec les déchets dangereux pour une élimination inoffensive.]

Fig. 6-48 Flux de procédé de traitement des eaux usées

IV. Précautions pour la conception du système d’alimentation en eau et d’évacuation des eaux usées

  1. Le système d’alimentation en eau et d’évacuation des eaux usées du laboratoire doit être conçu scientifiquement afin de garantir que la source d’eau n’est pas contaminée ; si les sources d’eau du laboratoire et d’eau potable sont distinctes, les robinets d’eau potable et d’eau du laboratoire doivent être étiquetés séparément pour éviter toute confusion.

  2. Le bâtiment du laboratoire doit disposer d’une source d’eau de secours ; lorsque l’alimentation en eau municipale est insuffisante ou interrompue, la source de secours permet de garantir l’alimentation normale en eau de refroidissement pour les divers instruments, en eau pour les douches oculaires, en eau pour les distillateurs et en eau pour les condenseurs de ballons distillatoires.

  3. Le système d’alimentation en eau et d’évacuation des eaux usées doit être adapté aux modules du laboratoire, agencé de manière rationnelle et facile à entretenir ; les tracés des tuyauteries doivent être aussi courts que possible et les croisements doivent être évités. Les tuyaux d’alimentation en eau et d’évacuation des eaux usées doivent être acheminés le long des murs, des poteaux, des gaines techniques, des cavités des paillasses, des panneaux de revêtement des hottes aspirantes et autres emplacements similaires ; ils ne doivent pas être placés à côté d’articles qui se décomposent rapidement, brûlent, explosent ou sont endommagés au contact de l’eau, ni au-dessus d’instruments et d’équipements de valeur. Les tuyauteries des laboratoires ordinaires peuvent être installées apparentes ; dans les laboratoires aux exigences de sécurité plus élevées, elles doivent être dissimulées dans la mesure du possible, et toutes les tuyauteries dissimulées doivent comporter des ouvertures d’accès au niveau des vannes de régulation pour permettre l’entretien.

  4. Le système d’alimentation en eau et d’évacuation des eaux usées doit être conçu avec flexibilité, et certaines installations doivent être réservées afin de garantir la fiabilité et le fonctionnement continu du laboratoire.

Pour les systèmes à flux descendant (alimentation ascendante), la tuyauterie principale horizontale d’alimentation en eau doit de préférence être posée au-dessus du couloir du rez-de-chaussée ou sur le plafond du sous-sol ; pour les systèmes à flux ascendant (alimentation descendante), la tuyauterie principale horizontale doit de préférence être posée dans l’espace technique de tuyauterie du dernier étage ou au-dessus du couloir du dernier étage ; dans les régions sans gel, elle peut être posée sur la toiture. Une vanne doit être installée sur chaque tuyau de dérivation partant de la conduite principale d’alimentation vers un laboratoire.

  1. Les positions des points d’eau à l’intérieur du laboratoire doivent être déterminées scientifiquement et installées au préalable ; les points d’eau doivent être placés contre les murs dans la mesure du possible, afin de faciliter l’agencement des points d’évacuation et de répondre aux besoins de rénovation future.

  2. Lorsque des analyseurs biochimiques entièrement automatiques, des analyseurs d’hématologie et des analyseurs d’immunodosage sont placés dans le laboratoire, des siphons de sol anti-odeurs dédiés doivent être prévus, la distance maximale entre le siphon de sol et l’instrument ne dépassant pas 2 m.

V. Système d’eau purifiée

Dans les laboratoires d’aujourd’hui, l’environnement hydrique — l’environnement le plus fondamental de la grande majorité des laboratoires — occupe une place très importante. La qualité de l’eau détermine souvent l’authenticité et la reproductibilité de nombreux résultats expérimentaux ; pour les expériences, la concentration des éléments et composés impurs dans l’eau purifiée doit généralement être au niveau ppb, voire plus faible. Dans la recherche scientifique en laboratoire, le point de départ de la purification est l’eau du robinet ; si le laboratoire dispose déjà d’eau distillée, d’eau déionisée ou d’eau issue de l’osmose inverse, seul le procédé d’ultrapurification doit alors être pris en compte. Un système d’eau purifiée de laboratoire produit une eau d’une pureté extrêmement élevée — une eau dont les milieux conducteurs ont été presque complètement éliminés, tandis que les gaz non dissociés, les colloïdes et les matières organiques (y compris les bactéries) sont également éliminés à un niveau très bas. Sa conductivité est généralement de 0,1 à 0,055 μS/cm, sa résistivité (à 25 °C) est supérieure à 10 × 10⁶ Ω·cm et sa teneur en sels est inférieure à 0,1 mg/L ; l’eau pure idéale (théorique) a une conductivité de 0,055 μS/cm et une résistivité (à 25 °C) de 18,3 × 10⁶ Ω·cm. Voir la fig. 6-49.

[Figure : Plan d’alimentation en eau purifiée de laboratoire (dessin CAO), montrant l’aménagement au sol d’un laboratoire médical, avec la zone d’attente, la zone de traitement des échantillons, plusieurs laboratoires, des couloirs et des noyaux d’escalier/ascenseur aux deux extrémités visibles ; la tuyauterie d’eau purifiée est représentée par des lignes colorées indiquant le tracé et les points d’utilisation de l’eau, avec des dimensions marquées sur le périmètre]

Fig. 6-49 Dessin d’alimentation en eau purifiée de laboratoire

1. Méthodes de purification de l’eau et leur application combinée

Dans les laboratoires médicaux — tels que les salles de biochimie, les salles de bactériologie, les salles de culture cellulaire, les salles d’immunologie et les salles d’hématologie — on utilise de l’eau purifiée.

L’eau purifiée de laboratoire peut être produite par les méthodes suivantes ; l’eau ultrapure doit combiner plusieurs moyens techniques pour satisfaire pleinement les spécifications.

1.1 Distillation

La distillation est une méthode traditionnelle et un moyen couramment utilisé pour produire de l’eau purifiée à partir d’eau potable. Selon le nombre de distillations, elle est divisée en distillation simple, double et triple ; la pureté de l’eau augmente avec le nombre de distillations.

Les avantages de la distillation sont sa simplicité et le faible investissement initial dans l’équipement ; ses inconvénients sont une consommation d’énergie relativement élevée et une pureté et un débit limités.

1.2 Filtration

Cette méthode utilise généralement d’abord une pré-filtration pour éliminer les grosses particules et le limon de l’eau, puis des cartouches de coton filtrant grossier et fin, et enfin l’osmose inverse (OI). Les membranes d’OI sont généralement utilisées pour filtrer les contaminants jusqu’à un diamètre de 1 nm ; un procédé d’osmose inverse typique peut éliminer 90 % de la contamination ionique, la plupart des contaminants organiques et presque toute la contamination particulaire de l’eau. L’osmose inverse a une faible capacité d’élimination des contaminants non ioniques de masse moléculaire inférieure à 100 daltons, et la capacité d’élimination de la membrane d’OI augmente avec la masse moléculaire du contaminant. Théoriquement, cette méthode peut éliminer 100 % des molécules de masse moléculaire supérieure à 300 daltons et des particules, y compris les colloïdes et les micro-organismes ; les gaz dissous ne peuvent pas être éliminés.

Dans le procédé d’osmose inverse, l’eau d’alimentation est pompée à une certaine pression (généralement 4 à 15 bar, 60 à 220 psi) sur le côté alimentation de la membrane d’OI selon un écoulement tangentiel. Les membranes d’OI sont généralement des membranes de polyamide très minces, stables sur une large plage de pH, mais elles peuvent être endommagées par des oxydants tels que le chlore présent dans les réseaux d’eau municipaux. Les filtres à profondeur microporeux et les colonnes de filtration à charbon actif utilisés pour le prétraitement de l’eau d’alimentation protègent généralement la membrane d’OI des grosses particules, des métaux lourds et du chlore libre. Généralement, 15 % à 25 % de l’eau d’alimentation devient du perméat ; le concentré retenu en amont contient la plupart des sels, des matières organiques et presque toutes les particules. Le rapport volumique entre le perméat et l’eau d’alimentation est appelé taux de récupération.

Les performances des membranes d’OI dans les systèmes de purification de l’eau sont généralement surveillées en mesurant le taux de rétention ionique, qui correspond à la différence entre la conductivité de l’alimentation et celle du perméat divisée par la conductivité de l’alimentation, exprimée en pourcentage. Le taux de rétention ionique et le taux de récupération dépendent de la qualité de l’eau d’alimentation, de la pression d’alimentation, de la température de l’eau et de l’état de la membrane d’OI. Grâce à son excellente efficacité de purification, l’osmose inverse est une technologie très efficace pour éliminer la grande majorité des impuretés. Cependant, son taux de production de perméat est relativement faible, elle est donc généralement associée à un réservoir de stockage pour conserver l’eau produite en vue de son utilisation ou d’une purification ultérieure. L’unité d’osmose inverse protège les systèmes en aval contre l’encrassement ou la contamination par les colloïdes et les matières organiques ; les systèmes en aval sont généralement équipés de dispositifs d’échange d’ions ou d’électrodéionisation. Pour comprendre le principe de dessalement de l’osmose inverse, il faut d’abord appréhender le concept d’« osmose ». L’osmose est un phénomène physique : lorsque deux masses d’eau présentant des concentrations en sel différentes sont séparées par une membrane semi-perméable, les molécules d’eau du côté le moins concentré en sel traversent la membrane pour passer dans l’eau la plus concentrée en sel, tandis que le sel ne traverse pas ; les concentrations en sel des deux côtés s’égalisent ainsi progressivement.

(1) Pré-filtration. La filtration réalisée à l’aide de matériaux dont la taille des pores est supérieure à 5–8 μm est appelée pré-filtration ; elle est principalement appliquée à l’entrée des instruments de purification d’eau pour éliminer les grosses particules de l’eau du robinet.

(2) Ultrafiltration (UF). La filtration continue avec un seuil de coupure de masse moléculaire de 5 000 daltons est appelée ultrafiltration. Elle est principalement utilisée pour la purification de macromolécules biologiques ou l’élimination d’impuretés. Dans les instruments à eau ultrapure, elle sert principalement à éliminer les macromolécules biologiques telles que les nucléases et les endotoxines de l’eau ultrapure, répondant aux exigences strictes des expériences biologiques en matière d’eau ultrapure.

(3) Microfiltration (MF). La filtration réalisée à l’aide de matériaux dont la taille des pores est comprise entre 0,1 μm et 5 ou 8 μm est appelée microfiltration. Elle est utilisée pour éliminer les particules et les micro-organismes de l’eau purifiée ; des microfiltres en ligne dans le circuit d’écoulement ou des microfiltres de point d’utilisation à la sortie sont disponibles.

1.3 Adsorption

La méthode d’adsorption exploite la haute porosité du charbon actif pour adsorber et éliminer certains micro-organismes, le chlore libre et d’autres impuretés.

1.4 Photo-oxydation

La photo-oxydation utilise un rayonnement ultraviolet de 185 nm et/ou 254 nm pour tuer et décomposer par oxydation les micro-organismes dans l’eau, permettant ainsi de contrôler le niveau de carbone organique total (COT) de l’eau ultrapure.

1.5 Échange d’ions

Avec l’amélioration continue de la production industrielle, les résines échangeuses d’ions ont également été perfectionnées ; combinées à plusieurs autres moyens techniques, elles ont donné naissance à l’électrodéionisation, une méthode d’échange d’ions pouvant être régénérée en ligne.

1.5.1 Échange d’ions classique (SDI)

Généralement, les résines cationiques et anioniques sont placées dans des cuves séparées ; après une période d’utilisation, elles sont quasiment saturées et peuvent ensuite être régénérées hors ligne. La pureté de l’eau déionisée produite par cette méthode est d’environ 1 MΩ·cm.

1.5.2 Échange d’ions avec résine de qualité nucléaire

Il s’agit du produit de résine échangeuse d’ions le plus efficace à ce jour ; l’eau traitée avec celui-ci peut atteindre 18,2 MΩ·cm, soit de l’eau ultrapure de grade I. Dans les instruments à eau ultrapure, les résines échangeuses d’ions cationiques et anioniques de qualité nucléaire sont mélangées et conditionnées dans une seule cuve pour un usage unique ; elles sont jetables et ne peuvent pas être régénérées.

1.5.3 Électrodéionisation (EDI)

Il s’agit d’une méthode d’échange d’ions combinant l’échange d’ions, les membranes sélectives d’ions et la régénération immédiate sous champ électrique. L’EDI est une version perfectionnée de l’échange d’ions. Le plus grand avantage de cette technologie est qu’en théorie, elle n’utilise aucun consommable ; ses inconvénients sont en revanche un investissement initial important et les exigences de pureté élevées du module EDI vis-à-vis des ions de métaux lourds et autres substances présentes dans l’eau d’alimentation — à défaut, il s’empoisonne facilement, et la résine échangeuse d’ions active ne peut pas être régénérée sous l’effet du champ électrique, ce qui impose de remplacer le module EDI. L’intérêt réel de l’EDI réside dans les entreprises telles que les usines pharmaceutiques soumises à des exigences de certification strictes, pour lesquelles il permet de garantir une production continue. Dans le domaine des laboratoires, l’utilisation d’un module EDI pour la production d’eau augmente le coût d’achat et ne constitue pas le choix le plus efficace. Avec l’échange d’ions, plus le parcours de l’eau à travers la résine échangeuse d’ions est long, meilleur est l’effet d’échange.

(1) Avec l’échange d’ions, le procédé est le suivant : eau brute → pompe de surpression d’eau brute → filtre multimédia → filtre à charbon actif → adoucisseur d’eau → filtre de précision → filtration sur résine cationique → filtration sur résine anionique → lit mélangé de résines cationique/anionique → filtre microporeux → point d’utilisation (ou réservoir de stockage)

(2) Avec l’osmose inverse à deux étages, le procédé est le suivant : eau brute → pompe de surpression d’eau brute → filtre multimédia → filtre à charbon actif → adoucisseur d’eau → filtre de précision → osmose inverse de premier étage → ajustement du pH → réservoir intermédiaire → osmose inverse de deuxième étage → réservoir d’eau purifiée → pompe à eau purifiée → filtre microporeux → point d’utilisation

(3) Avec l’EDI, le procédé est le suivant : eau brute de l’équipement d’eau ultrapure → pompe de surpression d’eau brute → filtre multimédia → filtre à charbon actif → adoucisseur d’eau → filtre de précision → unité d’osmose inverse de premier étage → réservoir intermédiaire → pompe intermédiaire → système EDI → filtre microporeux → point d’utilisation

(4) Eau brute → filtre multimédia → filtre à charbon actif → adoucisseur d’eau → réservoir intermédiaire → pompe basse pression → ajustement du pH → mélangeur haute efficacité → filtre de précision → osmose inverse haute efficacité → réservoir intermédiaire → pompe EDI → système EDI → filtre microporeux → point d’utilisation

1.6 Application combinée des technologies de purification

Les fournisseurs d’eau purifiée ou ultrapure pour laboratoires associent souvent plusieurs moyens pour transformer l’eau du robinet en eau de haute pureté requise par les laboratoires.

2. Classification de l’eau purifiée de laboratoire

L’eau purifiée de laboratoire se divise en trois catégories conventionnelles : eau purifiée, eau purifiée de laboratoire de catégorie II et eau purifiée de laboratoire de catégorie III.

2.1 L’eau purifiée de catégorie III présente généralement une pureté physique inférieure à 50 μS/cm ; l’eau distillée simple, l’eau distillée double, l’eau déionisée ordinaire et l’eau issue d’osmose inverse appartiennent toutes à cette catégorie, et sont généralement produites par purification de l’eau du robinet. Les principales utilisations de l’eau purifiée de catégorie III sont le lavage de la verrerie, l’eau pour autoclaves, l’eau pour environnements artificiels et l’eau d’alimentation des instruments à eau ultrapure.

2.2 La pureté de l’eau purifiée de catégorie II est couramment exprimée par une valeur de 5 à 15 MΩ·cm, bien que la plage de 1 à 17 MΩ·cm puisse également être considérée comme correspondant à de l’eau purifiée de catégorie II ; l’eau purifiée de catégorie II est généralement produite en soumettant de l’eau purifiée de catégorie III à un échange d’ions ou à une électrodéionisation supplémentaire. Elle est principalement utilisée pour la préparation de réactifs courants, comme eau pour les expériences chimiques ordinaires et comme eau d’alimentation des instruments à eau ultrapure.

2.3 L’eau ultrapure de catégorie I désigne une eau dont la pureté physique est supérieure à 18 MΩ·cm ; une résistivité de 18,2 MΩ·cm est l’indicateur de l’eau ultrapure de catégorie I. L’eau ultrapure de catégorie I est produite en purifiant davantage de l’eau purifiée de catégorie III ou de catégorie II à l’aide de résine échangeuse d’ions de qualité nucléaire, et elle est principalement utilisée pour les expériences d’analyse de haute précision et les expériences en sciences de la vie ayant des exigences de pureté de l’eau très élevées.

3. Modes d’alimentation en eau purifiée de laboratoire

Il existe deux modes d’alimentation en eau purifiée de laboratoire : le mode d’alimentation centralisé et le mode d’alimentation décentralisé.

3.1 Mode d’alimentation centralisée en eau purifiée

Le mode d’alimentation centralisée en eau purifiée signifie que les équipements de production d’eau purifiée sont installés de manière centralisée, et que l’eau de laboratoire est acheminée par des canalisations d’alimentation jusqu’aux points d’utilisation de l’eau de chaque laboratoire — qu’il s’agisse d’un laboratoire unique ou de l’ensemble d’un bâtiment de laboratoires — afin que l’eau purifiée ou l’eau ultrapure de laboratoire soit obtenue directement à partir du robinet d’eau purifiée de chaque point d’utilisation.

Avantages du mode d’alimentation centralisée en eau purifiée :

(1) Faibles coûts d’exploitation et gestion centralisée.

(2) Utilisation collective, sans aucun risque d’immobilisation des machines.

(3) Production importante ; l’approvisionnement en eau est mis en réseau, avec plusieurs points de puisage dans un même laboratoire.

Inconvénient du mode d’alimentation centralisée en eau purifiée : le système doit garantir un fonctionnement sûr à long terme, sinon il existe un risque de coupure d’eau.

3.2 Mode d’alimentation décentralisée en eau purifiée

Le mode d’alimentation décentralisée en eau purifiée signifie qu’une machine de purification d’eau ou de l’eau finie est mise à disposition à chaque point d’utilisation de l’eau dans le laboratoire.

Avantages de l’alimentation décentralisée en eau purifiée : chaque instrument dispose de son propre droit d’utilisation et présente un taux d’utilisation élevé.

Inconvénients de l’alimentation décentralisée en eau purifiée :

(1) Coûts d’exploitation élevés, gestion dispersée et coûts de consommation relativement importants.

(2) Installation à emplacement fixe sous forme d’unités au sol ou de paillasse, puisage d’eau à point fixe, faible production et faible débit des machines, et faible efficacité de travail.

(3) Si chaque groupe expérimental achète ses équipements séparément, l’investissement total du propriétaire dans ce type de produits est très élevé, et le taux d’inoccupation peut augmenter en raison des charges de travail variables de chaque groupe, ce qui n’est pas favorable à la maximisation de l’efficacité de l’investissement.

(4) La qualité de l’eau est variable.

Avec le développement des équipements de laboratoire, l’alimentation en eau centralisée et mise en réseau des laboratoires est devenue la tendance pour l’eau purifiée [dans les grands bâtiments de laboratoires]