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Article technique
02. juin 2020

Etat microbiologique de l'eau potable

Etude par cytométrie en flux des eaux alimentant la région d'Yverdon - Grandson

La cytométrie en flux est une technique moderne et rapide permettant de définir l’état microbiologique d’un réseau d’alimentation en eau potable. L’étude détaillée des réseaux d’eau de la région d’Yverdon-les-Bains – Grandson a permis de déterminer les communautés microbiennes des principales ressources en eau et de suivre leur évolution spatio-temporelle dans le réseau d’adduction, de stockage et de distribution. Une telle caractérisation de l’état microbiologique à l’échelle du réseau d’eau constitue un outil de gestion supplémentaire pour les distributeurs d’eau.
Michiel Pronk, Daniel Urfer, Christophe Bonnet, 

La gestion de l’eau potable tout au long de sa chaîne de production, de transport, de stockage et de distribution nécessite non seulement un suivi de nombreux paramètres physico-chimiques [1], mais également des connaissances étendues de son état microbiologique; la stabilité biologique au sein d’un réseau constituant un élément important pour garantir la qualité hygiénique de l’eau distribuée [2, 3]. Aujourd’hui encore, cette qualité hygiénique de l’eau est fondée sur les analyses bactériologiques par mise en culture dans des milieux spécifiques [4], notamment sur l’analyse des germes aérobies mésophiles et des indicateurs de contamination fécale (i. e. E. coli et entérocoques). Bien que ces paramètres soient essentiels pour un contrôle de la qualité microbiologique de l’eau distribuée selon les exigences définies par la législation (OPBD, RS 817.022.11, annexe 1), ils ne permettent pas – ou difficilement – d’inférer l’état microbiologique d’un réseau d’eau [5, 6].

Durant les deux dernières décennies, l’application de la cytométrie en flux (FCM, flow cytometry) s’est considérablement développée et répandue dans le domaine de l’eau potable [7–9] et plus récemment dans le domaine de la surveillance en continu de la qualité microbiologique de l’eau potable [10–13]. En effet, cette technique permet une détermination rapide du nombre total de cellules dans un échantillon d’eau et la caractérisation de l’empreinte de la communauté microbienne selon par exemple la teneur en acides nucléiques des cellules ou l’intégrité membranaire des cellules [14, 15]. Elle constitue donc un outil quantitatif idéal pour décrire la communauté bactérienne dans un échantillon d’eau à travers quelques paramètres globaux et à un instant donné.

Le présent article synthétise les principaux résultats obtenus dans le cadre d’une étude menée sur les réseaux d’eau potable principaux de la région d’Yverdon-les-Bains – Grandson, plus précisément le réseau régional de SAGENORD et le réseau communal d’Yverdon-les-Bains. Cette étude avait pour but de définir la situation actuelle de l’état microbiologique des réseaux d’eau potable par FCM, aussi bien d’un point de vue spatial que temporel, et de disposer ainsi d’une base de comparaison pour évaluer les impacts des modifications structurelles futures de ces réseaux sur cet état.

Alimentation en eau 
Ressources en eau et traitement 

Actuellement, la région d’Yverdon-les-Bains – Grandson est principalement approvisionnée en eau depuis les puits d’Onnens et la source du Cossaux. La redondance est assurée par l’ancienne station de Bellerive.
D’une part, les puits d’Onnens I et II – situés à moins de 100 m du Lac de Neuchâtel à Onnens et appartenant à l’ACRG (Association des Communes de la Région de Grandson) – captent l’eau souterraine (jusqu’à 840 m3/h) dans une nappe phréatique peu profonde. Au niveau de la station de pompage, une zone d’aération a été installée afin d’éliminer entre autres les traces de sulfure d’hydrogène géogène. Puis, à l’introduction dans le réseau régional de SAGENORD (à hauteur de la station de Bellerive), l’eau en provenance des puits d’Onnens est désinfectée à l’eau de Javel. Annuellement, les puits d’Onnens fournissent ~ 2,0 ∙ 106 m3 d’eau aux réseaux d’Yverdon-les-Bains – Grandson, couvrant 57% des besoins en eau. Lorsque la source du Cossaux est hors service, l’alimentation en eau potable dépend temporairement à plus de 90% des puits d’Onnens. D’autre part, la source du Cossaux (débit: 42 à 90 l/s) émerge au pied nord-ouest du Mont de Chamblon des calcaires du Crétacé [16]. À la sortie du captage, l’eau brute est également désinfectée à l’eau de Javel. Sur un bilan annuel, la source du Cossaux contribue à 37% aux besoins actuels en eau, soit une production de ~ 1,3 ∙ 106 m3/an.
Toutefois, épisodiquement, sa contribution peut être nulle. En effet, son caractère typiquement karstique implique des détériorations importantes, notamment dues à la turbidité, la matière organique et les indicateurs de contamination fécale [17–19]. Ainsi, suite aux événements de précipitations intenses, l’eau de la source est mise en décharge.
Enfin, la ville d’Yverdon-les-Bains dispose encore d’une prise d’eau lacustre (Lac de Neuchâtel) en contrebas de Grandson (station de Bellerive). La filière de traitement comprend une chloration choc à la crépine, une filtration rapide sur lit de sable, puis une chloration finale à l’eau de Javel. Bien que la station soit obsolète, elle fonctionne actuellement à capacité réduite (250 m3/h) et durant
2 h/jour, principalement dans le but de maintenir le fonctionnement des installations. Ainsi, un volume d’eau de ~ 0.2 ∙ 106 m3 est annuellement produit et injecté dans le réseau, soit 6% de la consommation annuelle.

Adduction, stockage et distribution 

Le réseau de distribution d’Yverdon-les-Bains – réseau maillé d’env. 130 km – est alimenté par trois réservoirs d’altitudes différentes (fig. 1), soit les réservoirs de Chamblon (535,5 m), de Beauregard (525,5 m) et du Montélaz (629,5 m), et est composé de trois régimes hydrauliques différents (inférieur, intermédiaire – ou supérieur réduit – et supérieur). Le réservoir de Chamblon fixe le principal plan de charge du réseau (régime inférieur). Celui de Beauregard, équipé d’une station de pompage, sert essentiellement à remonter l’eau des plans de charge inférieur au supérieur et, en cas de besoin, remplace temporairement le réservoir de Chamblon. Enfin, celui du Montélaz fixe les plans de charge des hauts quartiers de la ville, ainsi que de plusieurs villages limitrophes au sud (régimes intermédiaire et supérieur).
L’adduction des réservoirs de Chamblon et de Beauregard se fait principalement par pompage des eaux des puits d’Onnens (et de Bellerive) à travers des conduites de transport (sur le territoire de Grandson), puis à travers le réseau de distribution communal yverdonnois. L’adduction du réservoir du Montélaz se fait par relevage principalement depuis le réservoir de Beauregard et secondairement par les stations de pompage successives de Pomou et Pomest.
L’alimentation du réservoir de Chamblon par la source du Cossaux se fait par pompage depuis la station du Châtelard, située au pied de la colline de Chamblon. La station de pompage étant actuellement raccordée directement sur le réseau de distribution yverdonnois, les eaux produites peuvent donc être consommées sans passer par le réservoir de Chamblon.

Méthodologie 
Réseau d'observation et stratédie d'échantillonage

Afin d’obtenir une image représentative de l’état microbiologique de l’eau dans les réseaux susmentionnés, une trentaine de points de prélèvement a été sélectionnée. Ces points comprennent les ressources en eau (eaux brutes, eaux traitées), les réservoirs, les points de livraisons et les réseaux de distribution principal et secondaire (fig. 1). Le suivi a été mené sur un cycle hydrologique annuel – de mars 2019 à mars 2020 – avec des campagnes mensuelles de prélèvements. De plus, quelques campagnes de prélèvements ponctuelles et thématiques ont été réalisées sur une trentaine de points supplémentaires. Au total, près de 400 échantillons d’eau ont été prélevés pour analyse par FCM.

TCC, LNA/HNA et ICC/DCC

La détermination par FCM du nombre total de cellules (TCC, total cell count), des nombres de cellules à faible (LNA, low nucleic acid content bacteria) et forte (HNA, high nucleic acid content bacteria) teneur en acides nucléiques, ainsi que des nombres de cellules intactes (ICC, intact cell count) et endommagées (DCC, damaged cell count), a été réalisée au laboratoire selon la méthode décrite dans l’ancien MSDA [20, 21]. Le protocole d’analyse – comprenant le marquage et l’incubation des échantillons, le paramétrage du cytomètre (CyFlow Space, Sysmex Partec), ainsi que le traitement des résultats – a été appliqué de manière strictement identique à l’ensemble des échantillons, permettant une comparaison directe entre tous les résultats [22]. Enfin, tous les échantillons ont été analysés dans un délai d’au maximum 10 h après prélèvement.

Résultats et discussion 
Composante Cossaux 

Les résultats pour l’eau brute de la source du Cossaux montrent une importante variabilité temporelle (fig. 2), typique des sources karstiques dynamiques [23]. En effet, le TCC évolue entre 23'000 et 470'000 cellules/ml. Les TCC supérieurs à ~ 50'000 cellules/ml sont directement en lien avec des événements de précipi-tations intenses, entrainant de nombreux microorganismes du sol, ainsi que des particules minérales et de la matière organique, dans le sous-sol vers les eaux souterraines [18]. Les valeurs plus élevées de la turbidité et de la teneur en carbone organique total confirment ce constat. Alors que les taux LNA/TCC et ICC/TCC moyens ne différent que de quelques pour-cent (jusqu’à 6%) entre les périodes sèches et celles des pluies intenses, un suivi à haute résolution temporelle de plusieurs crues indique toutefois des diminutions importantes et subites de ces taux en l’espace de quelques heures pour ensuite progressivement recouvrer les valeurs initiales, de manière tout à fait inverse à l’évolution de la turbidité (données non présentées).
Lors des campagnes de prélèvements où la source est exploitée pour l’alimentation en eau potable, le TCC de l’eau brute diminue graduellement de 45'000 cellules/ml au mois de mars 2019 à 23'000 cellules/ml
au mois d’octobre 2019 (fig. 2), reflétant l’évolution de la situation de hautes eaux aux conditions d’étiage, alors que les taux LNA/TCC et ICC/TCC demeurent stables à 75% (± 3%) et respectivement 88% (± 2%). La membrane des cellules étant endommagée de manière irréversible par la chloration [24], l’eau chlorée présente un abattement important de l’ICC et dans une moindre mesure des TCC et LNA (fig. 2). Un rééquilibre est ensuite rapidement atteint au niveau de la station de pompage du Châtelard, située à proximité de la source et introduisant l’eau de celle-ci dans le réseau. Ainsi, la signature microbiologique de la composante Cossaux alimentant le réseau est caractérisée par un TCC relativement faible (< 50'000 cellules/ml), un taux LNA/TCC supérieur à 75% et un taux ICC/TCC inférieur à 20%.
Comme mentionné auparavant, l’eau traitée de la source du Cossaux peut être introduite – via la station de pompage du Châtelard et selon la demande – soit directement dans le réseau de distribution, soit dans le réservoir de Chamblon. Dans le premier cas, les TCC, LNA et ICC de l’eau distribuée n’évoluent guère par rapport à la signature microbiologique de la composante Cossaux (fig. 3a). Le temps de séjour étant relativement court, une stabilité microbiologique est donc observée. Dans le deuxième cas, à l’inverse, une modification drastique de l’empreinte de la communauté microbienne survient dans le réservoir de Chamblon (fig. 3b). Alors que le TCC se maintient à ~ 50'000 cellules/ml, une brusque diminution du LNA (taux LNA/TCC: 23%) et une forte augmentation de l’ICC (taux ICC/TCC: 63%) sont observées. Le temps de résidence prolongé au sein du réservoir, dû au faible marnage et accentué par le volume important du réservoir (14'000 m3), la diminution du chlore résiduel libre et la présence de carbone organique assimilable (COA) – provenant de l’oxydation de la matière organique par le chlore – sont des facteurs propices au développement microbien [25, 26]. Enfin, à l’instar du premier cas, aucun changement notoire n’est ensuite perçu dans la distribution de cette eau ayant transité par le réservoir.

Composante Onnens 

Bien que les puits d’Onnens soient distants de ~ 4 km du point d’entrée du réseau régional SAGENORD (i. e. la chambre de livraison ACRG, avant chloration), les TCC, LNA et ICC sont strictement identiques à ces points (fig. 4). Temporellement, une très nette cyclicité annuelle est toutefois observée avec des valeurs minimales du TCC de ~ 150'000 cellules/ml lors du printemps et des valeurs maximales de ~ 220'000 cellules/ml au début de l’automne. Les LNA et ICC suivent proportionnellement la même cyclicité; les taux LNA/TCC et ICC/TCC, élevés et caractéristiques des eaux souterraines [23], sont dès lors constants à 74% (± 2%) et respectivement 90% (± 2%). Au vu des évolutions synchrones de la température et de la conductivité électrique aux puits d’Onnens et, plus particulièrement, des températures anormalement élevées des eaux souterraines lors de l’été/automne (> 16 °C), cette cyclicité est probablement en lien avec une contribution plus importante de l’eau du lac aux puits d’Onnens en période d’étiage (eau du lac: ~ 325 µS/cm). Ces conditions en situation de basses eaux favorisent donc l’activité
microbienne.
La chloration à la chambre de livraison ACRG diminue fortement les LNA et ICC, sans toutefois modifier de manière sensible le TCC et affecter la cyclicité (fig. 4). Ainsi, la signature microbiologique de la composante Onnens alimentant les réseaux régional et communal est caractérisée par un TCC évoluant entre 160 000 et 230'000 cellules/ml, un LNA moyen de 98'000 cellules/ml (± 11%) et un ICC moyen de 53'000 cellules/ml (± 9%). À l’instar de la composante Cossaux, la composante Onnens évolue différemment, du point de vue de ses caractéristiques microbiologiques, selon le cheminement dans le réseau. La campagne de prélèvements du 2 juillet 2019, lorsque la source du Cossaux était hors service, illustre parfaitement ce constat (fig. 5). Alors qu’une stabilité microbiologique est observée lorsque l’eau en provenance des puits d’Onnens est directement distribuée, une modification du TCC et de l’empreinte de la population bactérienne se manifeste au niveau des réservoirs. Cette modification est marquée par un accroissement notoire du TCC à ~ 270'00 cellules/ml et de plus faibles augmentations des LNA et ICC (à ~ 125'000 et respectivement ~ 60'000 cellules/ml), résultant en des taux LNA/TCC et ICC/TCC plus faibles que ceux de la composante Onnens. Cette évolution découle d’un temps de séjour prolongé dans les réservoirs, favorisant la recrudescence microbienne [25]. Enfin, contrairement à la source du Cossaux qui, quand elle est exploitée, alimente continuellement le réseau ou le réservoir de Chamblon, les puits d’Onnens livrent uniquement à la demande. Ce changement de la signature microbiologique de la composante Onnens au niveau des réservoirs ne survient donc pas en tout temps.

Extrémités du réseau

Les échantillons prélevés à Gressy (régime intermédiaire) et à la Graveline (régime inférieur), lieux-dits situés aux extrémités du réseau communal yverdonnois, présentent des signatures atypiques par rapport aux autres points de prélèvements (fig. 6). En effet, bien que les TCC et LNA à Gressy soient globalement du même ordre de grandeur que ceux de la composante Onnens, l’ICC moyen est env. deux fois plus élevé (94'000 contre 53'000 cellules/ml), résultant en un taux ICC/TCC moyen de 45% (± 7%). Ce contraste est par ailleurs accentué durant la période estivale, lorsque la température de l’eau distribuée excède 18 °C. En ce qui concerne la Graveline, le même constat peut être évoqué, aussi bien lorsque ce lieu est alimenté par les puits d’Onnens que lorsqu’il est approvisionné par la source du Cossaux, atteignant même des taux ICC/TCC de plus de 90%.
Ces résultats témoignent d’une importante recroissance bactérienne pour ces points d’observation, due au long temps de résidence dans ces secteurs du réseau et certainement amplifiée par les températures élevées durant la période estivale [25, 27]. D’ailleurs, en considérant les périodes de mise en/hors service de la source du Cossaux, les résultats obtenus ont permis d’indiquer que le temps de renouvellement de l’eau dans le secteur de la Graveline peut dépasser 7 jours.

Caractérisation microbiologique du réseau

Les signatures microbiologiques contrastées des principales ressources en eau alimentant la région d’Yverdon-les-Bains – Grandson, ainsi que leur évolution selon le cheminement dans les réseaux, permettent de classifier l’ensemble des résultats obtenus (fig. 7). Ainsi, ~ 20% des échantillons prélevés au sein des réseaux régional et communal présentent une signature microbiologique originaire de la source du Cossaux (TCC: < 50'000 cellules/ml), dont un peu plus de la moitié indique un transit via le réservoir de Chamblon où un temps de séjour prolongé affecte l’empreinte de la population bactérienne. En effet, la signature de l’eau du Cossaux ayant transité par ce réservoir se démarque par une nette réduction du taux LNA/TCC et une forte augmentation du taux ICC/TCC.
La signature microbiologique de la composante Onnens alimentant directement les réseaux a été mise en évidence dans ~ 50% des prélèvements. Ces échantillons sont caractérisés par un TCC de 150'000 à 240'000 cellules/ml, un LNA moyen de 103'000 cellules/ml (± 14%) et un ICC moyen de 52'000 cellules/ml (± 13%). Seuls ~ 10% des échantillons indiquent une origine d’une eau d’Onnens ayant stagné dans les réservoirs. Cette signature se distingue de celle d’Onnens par un TCC moyen de 270'000 cellules/ml (± 5%) et des LNA et ICC moyens supérieurs, soit 139'000 (± 11%) et respectivement 63'000 cellules/ml (± 10%).
Approximativement 10% des prélèvements démontrent un important mélange des composantes Cossaux et Onnens. Ces échantillons présentent des valeurs intermédiaires à ces composantes, aussi bien pour les TCC, LNA et ICC que pour les taux LNA/TCC et ICC/TCC.
Les échantillons indiquant une influence partielle de l’eau de la station de Bellerive sont au nombre de cinq (~ 2%). La signature microbiologique de la composante Bellerive se différencie de celles des eaux souterraines par des TCC et LNA supérieurs en tout temps à 800'000 et respectivement 500'000 cellules/ml. Ainsi, les échantillons affectés par cette composante se démarquent par un TCC relativement élevé et un LNA supérieur à 180'000 cellules/ml.
Globalement, ces résultats témoignent d’une importante stabilité biologique dans les réseaux régional de SAGENORD et communal d’Yverdon-les-Bains. En effet, ~ 70% des échantillons récoltés au sein de ces réseaux présentent des signatures microbiologiques identiques à celles des principales ressources en eau ou d’un mélange de celles-ci. La structure particulière et actuelle des réseaux implique des temps de résidence fréquemment prolongés dans les réservoirs. Ceci a pour effet de favoriser une recrudescence microbienne au niveau des réservoirs, se traduisant, dans le cas présent, essentiellement par une modification de l’empreinte des communautés bactériennes. Env. 20% des échantillons mettent en évidence une telle signature microbiologique. Enfin, comme évoqué dans la section précédente, ~ 10% des échantillons – tous prélevés aux extrémités du réseau communal yverdonnois – présentent une importante recroissance bactérienne.

Conclusion 

La FCM est une technique moderne, rapide et précise permettant de quantifier les cellules microbiennes dans une eau et de qualifier leur empreinte au travers de quelques paramètres globaux. Outre le fait que la FCM – notamment lorsqu’elle est appliquée en continu – est présentée comme un outil de surveillance de la qualité microbiologique de l’eau [10–13], elle constitue également un outil pour la gestion à large échelle des réseaux d’alimentation en eau potable à court et long terme.
Appliquée sur les réseaux d’eau principaux de la région d’Yverdon-les-Bains – Grandson, cette technique a permis d’approfondir les connaissances de leur état microbiologique global et actuel. D’une part, les communautés microbiennes des ressources en eau alimentant ces réseaux ont pu être caractérisées de manière détaillée. D’autre part, leur évolution spatio-temporelle (e. g. stabilité microbiologique, recroissance microbiologique, contamination microbiologique) dans le réseau d’adduction, de stockage et de distribution a pu être déterminée, soulignant quelques éléments «critiques» dans le fonctionnement de la structure actuelle du réseau.
Une telle caractérisation de l’état microbiologique du réseau d’alimentation en eau potable constitue une étape importante dans la perspective de la planification et de la réalisation des mesures de développement du réseau. Couplée à une mise en place d’un suivi spatio-temporel à long terme, elle permettra aussi d’évaluer l’impact de ces mesures sur l’état microbiologique du réseau d’eau, aussi bien pour les projets majeurs (e. g. rénovation d’une station de traitement de l’eau, raccordements, interconnexions régionales, etc.) que pour les interventions mineures (e.g. mise en service de nouvelles conduites).

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