Efficacité de filtration d’un filtre vierge selon les différents mécanismes de capture particules

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Introduction générale

Des récits de l’époque médiévale évoquent des désagréments de personnes causés par de l’air pollué par des fumées de bois et des odeurs provenant d’activités domestiques et d’ordures en décomposition. Des historiens estiment que ce n’est qu’à partir du début du XIVème siècle que la pollution de l’air est devenue un réel problème social. En particulier, l’avènement du charbon comme moyen de chauffage a fortement poussé les populations à s’intéresser aux polluants de l’air. Mais l’historique scientifique et technique ne débute guère avant les années 1850. A partir de cette époque, l’industrialisation fait considérablement évoluer l’urbanisation de la France et le mode de vie de la population. Parallèlement, Louis Pasteur présente ses premières mesures de microorganismes de l’air en 1861. Le chirurgien John Lister se sert alors en 1867 des études de Pasteur pour révolutionner la chirurgie en aseptisant les instruments et en vaporisant du phénol dans les salles d’opération, ce qui a réduit considérablement le nombre d’infections dues à la présence d’aérosols microbiens.
Durant le XXème siècle, le mode de vie des gens a continué d’évoluer avec l’urbanisation du pays ce qui a conduit la population à occuper de plus en plus de temps dans des environnements dits semi-clos. Actuellement, un habitant d’un pays industrialisé passe en moyenne 80 à 90% de son temps dans des lieux semi-clos tels que : logement, bureau, transport, musée, magasin,… (Gustavsson et al., 2010). Aussi, depuis une trentaine d’années environ, l’étude de la qualité de l’air intérieur est devenue une thématique majeure dans de nombreux pays.
Bien que la France ait fait preuve d’avancées remarquables en ce qui concerne l’étude de la qualité de l’air extérieur, le pays a pris du retard sur l’étude de l’air en environnement intérieur jusque dans les années 2000 (Shriver-Mazzuoli, 2009). Néanmoins, les instances politiques et scientifiques ont désormais pris conscience de l’enjeu sanitaire que représente l’air intérieur, et plusieurs moyens ont été mis en place pour développer les connaissances et lutter contre une pollution de l’air. L’Organisation Mondiale de la Santé classe la pollution de l’air à l’intérieur des habitations au 8ème rang mondial des facteurs de risques les plus importants ; cette pollution, toujours selon l’OMS, serait responsable de 2,7 % de la charge mondiale de morbidité. Selon l’INSERM, la prévalence des maladies allergiques (asthme, rhinites, conjonctivites,…) augmenterait considérablement depuis 25-30 ans dans les pays industrialisés. L’évolution du mode de vie et du secteur du bâtiment sont des facteurs pouvant favoriser une telle augmentation. En effet, les sources de pollution intérieures sont majoritairement dues aux occupants, à leurs activités, aux systèmes de chauffage, à l’isolation des bâtiments, à la ventilation, aux équipements, aux caractéristiques de construction et aux différents types de matériaux utilisés dans les bâtiments.
La problématique de l’air intérieur s’est tout d’abord inscrite dans le Plan National Santé-Environnement I (PNSE I) et a été renforcée dans le PNSE II (2009 – 2013). L’objectif du PNSE II est de définir et de hiérarchiser les actions à mener sur le plan de la santé-environnement en se situant au cœur des engagements du Grenelle de l’environnement. Le Grenelle de l’environnement étant un projet porté par l’Etat et visant à créer des conditions favorables à l’écologie, au développement et à l’aménagement durable, un de ses objectifs est la diminution de la consommation d’énergie. En particulier, le PNSE II incite à développer des moyens pour concilier économie d’énergie et qualité de l’air intérieur en limitant les sources de pollution. Il incite à optimiser l’aération, la ventilation et la climatisation ainsi qu’à une meilleure gestion et surveillance de la Qualité de l’Air Intérieur (QAI). Des guides (INVS et Ministère de la Santé, 2010) sont aussi parus afin de conseiller des responsables d’Etablissement Recevant du Public (ERP) et des personnes en charge de la QAI, sur la prévention et la gestion de la QAI (mise en place d’outils d’analyse de l’air, maintenance,…). A partir de cela, un décret a été établi en 2011 pour veiller à une surveillance de la qualité de l’air dans certains ERP. L’application de ce décret n°2011-1728 est progressive entre 2015 et 2023 selon les ERP, et impose la surveillance de la QAI dans les ERP tous les 7 ans.
Selon les locaux, des règles de ventilation sont imposées. Un débit d’air neuf par mètre cube d’air et par personne doit être respecté (Tableau 0). Des systèmes complexes de ventilation et de climatisation, les Centrales de Traitement de l’Air (CTA), ont pour objectif d’assurer une ventilation adéquate selon l’établissement mais également de veiller au confort des occupants.
Tableau 0. Débit minimal d’air neuf par occupant (ventilation mécanique) selon la circulaire du 20/1/83 – D’après Schriver-Mazzuoli (2009).
Locaux Débit (m3/h/personne)
Locaux d’enseignement 15- 18
Bureaux – locaux de réunion 18
Locaux de vente 22
Locaux de restauration 22
Locaux à usage sportif 22
Ateliers et locaux avec travail physique 45
Autres ateliers et locaux 60
Des règles de ventilation sont spécifiques au type de lieu à aérer, aux occupants de ces lieux et aux règlementations spécifiques à certains polluants. Dans le milieu du travail, des particularités interviennent selon le secteur : agro-alimentaire, milieu hospitalier, automobile, tertiaire,… Dans le cas du secteur tertiaire et des bureaux, qui représentent le second lieu
d’occupation des travailleurs de ce secteur d’emploi, les polluants de l’air intérieur proviennent (Schriver-Mazzuoli, 2009) :
– Des matériaux de construction et du mobilier (pouvant émettre des COV)
– Des éléments de décoration (moquettes, papier peint, tissus,…)
– Des équipements de bureau : les imprimantes et photocopieuses émettent de l’ozone. L’imprimante laser émet également des COV, tandis que l’encre des imprimantes à jet d’encre émet des particules de carbone. Enfin le papier fraîchement imprimé émet du styrène
– Des ordinateurs qui émettent des COV
– Des occupants qui peuvent être à l’origine de contaminants biologiques et de COV issus des produits d’hygiène corporelle
– Des systèmes de ventilation et de CTA qui peuvent accroître la pollution de l’air, la concentration d’organismes microbiens, de moisissures,… suivant leur condition de maintenance
– De nombreux éléments dans des bureaux (mobilier, occupants, équipement de bureaux…) émettent des particules dont des particules fines et ultrafines, aussi les
particules font partis des polluants d’intérêts prioritaires (De Beaudoin, 2006)
De plus en plus de CTA sont installées dans les bâtiments du secteur tertiaire. Leur utilité et leur capacité à améliorer la qualité de l’air intérieur ont été démontrées (Rim et al., 2010 ; Yu et al., 2009). Néanmoins, ces systèmes présentent des limites notamment en raison des composants de la CTA en termes de dimensionnement, ou des facteurs environnementaux autour des composants (température, humidité relative, polluants chimiques,…) ou d’une maintenance de la CTA insuffisante (Bluyssen et al., 2003). De plus, les politiques actuelles incitent aux économies d’énergie, ce qui entraîne des évolutions des bâtiments alors mieux isolés mais ce qui réduit également les échanges entre l’air intérieur et extérieur. Une ventilation insuffisante ainsi que la présence de meubles et d’objets ou produits de décoration contenant des produits chimiques et synthétiques augmentent les concentrations des particules et des COV (benzène, toluène, formaldéhyde,…) à l’intérieur des bâtiments (Yu et al., 2009). Ainsi, des plaintes émanant d’occupants de bâtiments, dont des bureaux ventilés par des CTA, ont attiré l’attention. Des bâtiments associés à une CTA présentant une maintenance insuffisance ou une ventilation inadaptée entraîneraient une occurrence plus importante du Sick Building Syndrome (SBS). Il est donc essentiel de cibler les paramètres et organes des CTA à surveiller en priorité.

Table des matières

Introduction générale
CHAPITRE 1
Etude bibliographique
I. Introduction
II. Les aérosols microbiens
II.1. Présence des aérosols microbiens dans l’air intérieur
II.1.1. Une catégorie d’aérosols : les bioaérosols
II.1.1.1. Les bactéries
II.1.1.2. Les champignons
II.1.1.3. Composants biologiques issus des microorganismes
II.1.2. Composition microbienne de l’air intérieur
II.2. Dangerosité d’une exposition aux bioaérosols sur la santé humaine
II.2.1. Généralités
II.2.2. Danger d’une exposition aux fragments microbiens
II.2.3. Qualité de l’air et bénéfices économiques
III. La ventilation
III.1. Généralités sur la ventilation en France
III.2. Les systèmes de ventilation
III.3. Centrale de Traitement de l’Air
III.3.1. Description
III.3.2. Les inconvénients des CTA
IV. Filtration particulaire sur média fibreux
IV.1. Filtration des aérosols
IV.1.1. Caractérisation des performances d’un média fibreux lors de la phase stationnaire
IV.1.1.1. Ecoulement dans un média fibreux
IV.1.1.2. Perte de charge d’un filtre vierge
IV.1.1.3. Efficacité de filtration d’un filtre vierge selon les différents mécanismes de capture
particules
IV.1.2. Evolution des performances de filtration d’un média lors de la phase dynamique
IV.2. Médias fibreux filtrants
IV.3. Filtration des microorganismes
IV.4. Facteurs influant sur le comportement des microorganismes lors de la filtration
V. Génération et échantillonnage des aérosols microbiens
V.1. Génération d’aérosols microbiens
V.1.1. La génération par voie sèche
V.1.2. La génération par voie liquide
V.2. Les différentes techniques d’échantillonnage des particules microbiennes en suspension
V.3. Choix d’un échantillonneur.
VI. Méthode d’analyses quantitatives et qualitatives
VI.1. Analyses Quantitatives
VI.1.1. Méthode de quantification sur milieu de culture
VI.1.2. Suivi du développement fongique par l’évaluation du taux d’ergostérol
VI.1.3. Analyse par PCR quantitative.
VI.1.4. Analyse du matériel biologique total par une méthode protéique
VI.1.5. Analyse du matériel biologique viable total par la détermination de l’ATP
VI.1.6. Granulométrie et concentration d’un aérosol microbien
VI.1.6.1. Mesure de la concentration massique
VI.1.6.2. Mesure de la concentration en nombre
VI.2. Analyse Qualitative – Identification des espèces
VII. Conclusion
CHAPITRE 2 Développement d’une méthodologie pour l’étude du comportement microbien sur des filtres
I. Introduction
II. Aérosol microbiens
II.1. Sélection des espèces microbiennes modèles
II.2. Méthodes de quantification des microorganismes
II.2.1. Méthode par culture
II.2.2. Evaluation du taux d’ergostérol
II.2.3. Suivi qualitatif du développement microbien par observations MEB
II.3. Génération et échantillonnage de l’aérosol microbien
II.3.1. Préparation de la suspension microbienne
II.3.1.1. Préparation des bactéries S.epidermidis
II.3.1.2. Préparation des spores de P.oxalicum
II.3.2. Génération de l’aérosol microbien
II.3.3. Echantillonnage des aérosols microbiens
II.3.4. Effet de la génération et de l’échantillonnage sur la cultivabilité des microorganismes
III. Dispositif expérimental de filtration
III.1. Principe du dispositif expérimental de filtration.
III.2. Validation du dispositif de filtration : de la génération à l’échantillonnage
III.2.1. Homogénéité du flux lors de la filtration
III.2.2. Caractérisation de la génération du bioaérosol à l’aide de compteurs à particules
III.2.2.1. Caractérisation de la granulométrie de l’aérosol microbien
III.2.2.2. Stabilité de la génération au cours du temps
IV. Suivi du comportement microbien sur les filtres
IV.1. Préparation et contamination des filtres
IV.2. Analyse des filtres
IV.2.1. Développement des microorganismes sur les filtres contaminés
IV.2.2. Relargage microbien en aval des filtres
IV.2.3. Méthodes d’extraction des microorganismes des filtres
V. Synthèse de la méthode
VI. Conclusion
CHAPITRE 3
Influence de plusieurs paramètres de CTA sur le développement des microorganismes collectés sur des filtres – Etude du relargage
I. Introduction
II. Matériel, méthode et protocoles
II.1. Plan expérimental
II.1.1. Description générale.
II.1.2. Spécifications pour chaque étude
II.1.2.1. Humidité relative de l’air
II.1.2.2. Nature des médias fibreux
II.1.2.3. Présence/absence d’un flux d’air
II.2. Médias fibreux testés
II.2.1. Caractéristiques des médias fibreux testés
II.2.1.1. Caractéristiques générales
II.2.1.2. Rétention d’eau des médias
II.2.1.3. Porosité des médias par porosimétrie mercure
II.2.1.4. Diamètre des fibres
II.2.1.5. Perméabilité des filtres
II.2.2. Efficacité fractionnelle initiale de filtration
II.2.2.1. Filtre en fibres de verre
II.2.2.2. Filtre en fibres synthétiques
II.2.3. Efficacité fractionnelle initiale théorique de filtration
II.2.3.1. Filtre en fibres de verre
II.2.3.2. Filtre en fibres synthétiques
II.2.4. Efficacité initiale de filtration des microorganismes cultivables
II.2.4.1. Détermination de l’efficacité initiale de filtration de S. epidermidis et P. oxalicum
II.2.4.2. Efficacité de filtration vis-à-vis de S. epidermidis cultivables
II.2.4.3. Efficacité de filtration vis-à-vis des spores de P. oxalicum cultivables.
II.2.5. Récapitulatif des résultats d’efficacité initiale de filtration
II.2.5.1. Filtre en fibres de verre
II.2.5.2. Filtre en fibres synthétiques
III. Etude du comportement microbien en l’absence de flux d’air
III.1. Représentation des résultats
III.2. Influence de l’humidité de l’air
III.2.1. Ajout d’une source de nutriments sur le filtre
III.2.2. Croissance microbienne en absence de flux d’air
III.2.2.1. Etude du comportement de S. epidermidis
III.2.2.2. Etude du comportement de P. oxalicum
III.2.2.3. Conservation de la cultivabilité
III.2.2.4. Observations par microscopie électronique à balayage
III.2.2.5. Evolution du taux d’ergostérol
III.2.3. Relargage de microorganismes en aval des filtres
III.2.3.1. Etude du relargage de P. oxalicum
III.2.3.2. Etude du relargage de S. epidermidis
III.3. Influence de la nature du média
III.3.1. Ajout d’une source de nutriments sur les filtres
III.3.2. Croissance microbienne en absence de flux d’air
III.3.2.1. Etude du comportement de P. oxalicum
III.3.2.2. Evolution du taux d’ergostérol
III.3.2.3. Observations par microscopie électronique à balayage
III.3.3. Relargage de microorganismes en aval des filtres
III.4. Influence d’un flux d’air
IV. Conclusions
CHAPITRE 4
Evaluation du comportement d’un filtre plan vis-à-vis des aérosols microbiens issus
air semi-urbain
I. Introduction
II. Matériel et méthode
II.1. Principe expérimental
II.2. Méthodologie
II.2.1. Suivi des paramètres en continu
II.2.1.1. Température et humidité relative
II.2.1.2. Concentration des particules dans l’air
II.2.1.3. Pertes de charge des filtres
II.2.2. Mesures ponctuelles de la qualité microbiologique de l’air
III. Caractérisation de l’air à filtrer
III.1. Caractérisation particulaire de l’air et évolution de la concentration des particules
III.1.1. Caractérisation particulaire de l’air
III.1.2. Evolution de la concentration massique des particules
III.1.3. Evolution journalière de la concentration massique des particules
III.2. Composition microbienne de l’air
III.2.1. Influence de la température sur l’évolution de la composition microbienne de l’air
III.2.2. Influence du taux d’humidité relative sur l’évolution de la composition microbienne de
212
III.2.3. Evolution des microorganismes, bactéries et champignons cultivables totaux.
IV. Performance de filtration des filtres vis-à-vis des particules d’alumine et de fluorescéine ainsi que des particules atmosphériques
IV.1. Performance du filtre vis-à-vis de particules d’alumine
IV.2. Evolution des pertes de charge au cours du colmatage avec des particules atmosphériques
IV.3. Efficacité fractionnelle initiale de filtration vis-à-vis de particules de fluorescéine
V. Filtration des particules biologiques et comportement microbien en aval des filtres
V.1. Présentation des résultats
V.2. Comparaison des résultats d’efficacité de l’UFA1 et de l’UFA2
V.3. Comparaison entre le comportement des particules bactériennes atmosphériques collectées
le filtre en fibres de verre et celui de S. epidermidis collectés dans des conditions contrôlées en laboratoire
V.4. Influence de la température et du taux d’humidité sur le comportement des microorganismes collectés sur les filtres des deux UFA
V.5. Influence du diamètre des particules microbiennes sur l’efficacité de filtration
V.6. Influence du transport des particules microbiennes sur l’efficacité de filtration
V.7. Espèces bactériennes et fongiques analysées
VI. Conclusion
Conclusions générales et perspectives
Bibliographie
Annexes