Introduction au transport de métaux lourds dans les systèmes de distribution d'eau

Les métaux lourds, y compris le plomb, le mercure, le cadmium, le chrome, l'arsenic et le cuivre, sont des éléments naturels qui deviennent toxiques à des concentrations élevées. Lorsqu'ils sont présents dans l'eau potable, ils peuvent causer des effets aigus et chroniques sur la santé, de la détresse gastro-intestinale aux dommages neurologiques et au cancer.

Les réseaux de distribution d'eau sont des environnements complexes et dynamiques où les processus physiques, chimiques et biologiques interagissent continuellement. Les métaux lourds libérés par les tuyaux, les appareils fixes ou les sources externes ne se déversent pas simplement directement vers les consommateurs; ils subissent la dissolution, les précipitations, l'adsorption, la désorption et le transport sur les particules ou dans les biofilms.

Sources des métaux lourds dans les systèmes d'eau

Sources géologiques naturelles

Les aquifères qui traversent des formations minérales riches en arsenic, en sélénium ou en cadmium peuvent produire des niveaux élevés même sans activité humaine. Dans de nombreuses régions, la contamination naturelle par l'arsenic oblige les services publics à mettre en œuvre un traitement avancé bien avant que l'eau ne pénètre dans les conduites de distribution.

Décharges industrielles et agricoles

Les effluents industriels provenant des mines, du placage métallique, de la fabrication de batteries et du traitement chimique peuvent introduire des métaux lourds dans les eaux de source.Les eaux de ruissellement agricoles contenant des pesticides, des engrais et des déchets animaux peuvent également transporter du cuivre, du zinc et du cadmium.

Infrastructures vieillissantes et corrosion

Les tuyaux en cuivre peuvent le lécher le cuivre, particulièrement dans l'eau douce et acide. Les tuyaux en fer libèrent le fer et le manganèse. Les efforts réglementaires comme la U.S. Environmental Protection Agency , la règle du plomb et du cuivre [La règle du plomb et du cuivre] exigent que les services publics surveillent ces métaux et prennent des mesures correctives lorsque les niveaux d'intervention sont dépassés.

Mécanismes physicochimiques du transport des métaux lourds

1. Dissolution et solubilité

Lorsque l'eau touche des surfaces de tuyaux ou des dépôts minéraux, les métaux peuvent se dissoudre sous forme ionique. La solubilité d'un métal donné dépend fortement du pH, de la température et de la présence de ligands complexes. Par exemple, le carbonate de plomb(II) et l'hydroxyde de plomb précipitent se forment à pH neutre, limitant la solubilité, mais l'eau acide ou des niveaux élevés de carbone organique dissous peuvent augmenter considérablement les concentrations de plomb dissous.

2. Adsorption et désorption

Les métaux lourds se fixent facilement (adsorber) aux surfaces des écailles de tuyaux, des sédiments, des biofilms et des particules en suspension. L'adsorption est régie par la charge de surface, la spéciation des métaux et les ions compétitifs. Les tuyaux de fer rusty, par exemple, ont des oxydes de fer à haute surface qui lient fortement le plomb, l'arsenic et le cadmium.

3. Précipitations et coprécipitations

Dans des conditions chimiques favorables, les métaux dissous forment des solides insolubles qui se déposent ou deviennent entraînés comme particules. La coprécipitation avec des oxydes de fer ou de manganèse est particulièrement importante : le fer oxyde et forme des particules de rouille, il peut récupérer des traces de métaux de la colonne d'eau. Ces particules chargées de métaux se déplacent ensuite comme solides suspendus jusqu'à ce qu'elles se déposent dans des zones à faible débit ou soient captées par filtration.

4. Complexation et spéciation

Les métaux peuvent se lier avec des ligands inorganiques (chlorure, sulfate, carbonate) ou des matières organiques (acides humiques, organiques dérivés des eaux usées) pour former des complexes.Ces complexes peuvent être plus solubles, plus mobiles et moins biodisponibles, ou plus toxiques selon le métal et le ligand. La compréhension de la spéciation chimique est essentielle pour prédire le comportement de transport parce que différentes espèces ont des propensions différentes à s'enflammer aux solides, précipiter ou passer par les barrières de traitement.

5. Transport des particules et des colloïdales

Les métaux lourds qui ne sont pas en vraie solution peuvent se déplacer sur des particules allant des colloïdes à l'échelle micron aux grains de sédiments plus grands. Les particules colloïdales (p. ex., argile, silice, oxydes de fer) ont des rapports surface-volume élevés et peuvent transporter des charges métalliques importantes.

6. Transport avec médiation biofilm

Les biofilms, qui sont des communautés complexes de microorganismes attachés aux parois des tuyaux, jouent un double rôle dans le devenir des métaux lourds. Les substances polymériques extracellulaires (SEP) dans les biofilms peuvent adsorber les métaux, créant des puits locaux qui accumulent lentement les métaux au fil du temps. Cependant, lorsque les biofilms s'enfuient ou sont perturbés, ces métaux accumulés peuvent être libérés comme événements de concentration élevée.

Facteurs influant sur le transport des métaux dans les systèmes de distribution

pH de l'eau

L'eau acide (faible pH) augmente les taux de corrosion et la solubilité des métaux; l'eau alcaline (haut pH) peut réduire la corrosion, mais peut exacerber l'échelle et les précipitations. Les services publics règlent souvent le pH vers le haut pour contrôler la corrosion, mais la gamme optimale dépend des matériaux des tuyaux et de la chimie de l'eau.

Affections du redox

Les conditions d'oxydation favorisent la formation d'oxydes et d'hydroxydes métalliques, qui peuvent être des solides stables ou des particules fines. Les conditions de réduction (p. ex., l'eau stagnante avec déplétion d'oxygène) peuvent dissoudre les balances de fer et de manganèse, libérant des métaux piégés. Le potentiel de Redox affecte également la spéciation des métaux – par exemple, l'arsenic est plus mobile sous forme réduite As(III) que dans l'As(V) oxydé.

Débit et hydraulique

Les débits plus élevés augmentent la contrainte de cisaillement, accroissant la corrosion en éliminant les couches d'échelle protectrice et en réutilisant les particules stabilisées. Inversement, un débit faible ou une stagnation entraîne un temps de contact plus important entre les surfaces de l'eau et du tuyau, une dissolution et un équilibre d'adsorption accrus.

Matériel de tuyauterie et âge

Les tuyaux de plomb et les soudures au plomb demeurent les matériaux les plus à risque. Les tuyaux de fer galvanisé peuvent capturer et ensuite libérer le plomb des sources amont, phénomène connu sous le nom de contamination en aval. . Les tuyaux en plastique (PVC, HDPE) ne lixivient généralement pas les métaux lourds, mais ils peuvent permettre la croissance du biofilm et peuvent permettre la migration des métaux par perméation à partir du sol environnant.

Température

Les changements saisonniers de température peuvent donc moduler le transport des métaux, les mois d'été voyant souvent des concentrations de métaux plus élevées. Les services publics qui effectuent le contrôle de la corrosion par les inhibiteurs de phosphate doivent tenir compte de l'efficacité dépendante de la température.

Dureté de l'eau et force ionique

Les ions calcium et magnésium sont en concurrence avec les métaux lourds pour les sites d'adsorption et peuvent stabiliser les balances carbonatées qui limitent la libération des métaux. Les eaux plus résistantes ont généralement des taux de corrosion du plomb et du cuivre plus faibles.

Matières organiques dissoutes

La matière organique naturelle (NOM) peut soit augmenter ou diminuer le transport des métaux. En complexant les métaux, la NOM peut les maintenir en solution et réduire la sorption dans les solides. Cependant, la NOM peut également nuire aux processus de traitement et réduire l'efficacité des inhibiteurs de corrosion.

Incidences sur la santé et la réglementation

Le plomb est une neurotoxine qui nuit au développement cognitif des enfants et peut causer des effets cardiovasculaires, rénaux et reproductifs chez les adultes. L'EPA a fixé un objectif de concentration maximale de contaminants (GLMC) de zéro pour le plomb parce qu'il n'existe pas de seuil d'exposition sûr. Le niveau d'action est de 0,015 mg/L (15 ppb), mesuré au 90e centile. Le cuivre, bien qu'un nutriment essentiel, peut causer une détresse gastro-intestinale à des niveaux élevés; le niveau d'action est de 1,3 mg/L. L'arsenic est un cancérogène humain connu, avec une LMC de 0,010 mg/L (10 ppb). Le cadmium, le chrome (hexavalent) et le mercure ont chacun leurs propres LCM et leurs propres avis de santé (Règlement national sur l'eau potable primaire de l'EPA).

L'Organisation mondiale de la santé fournit des valeurs directrices que de nombreux pays adoptent (Lignes directrices de l'OMS pour la qualité de l'eau potable). Ces lignes directrices sont régulièrement mises à jour en fonction de nouvelles données toxicologiques et d'évaluations des risques.

Stratégies d'atténuation et de contrôle

Traitement anticorrosion

L'ajustement du pH et de l'alcalinité est l'approche la plus courante. De nombreux utilitaires visent un pH de 7,0 à 8,5 et une alcalinité de 30 à 100 mg/L comme CaCO3 pour former des écailles de carbonate protectrices. L'ajout d'orthophosphate comme inhibiteur de corrosion est largement utilisé pour le contrôle du plomb et du cuivre. Le phosphate réagit avec le plomb pour former une échelle de phosphate à faible solubilité qui minimise la dissolution.

Remplacement et déshabillage des conduites

Le remplacement partiel (replaçant la partie de service de service mais non la ligne côté privé) peut en fait augmenter le rejet de plomb à court terme en raison de perturbations de l'échelle et de la corrosion galvanique à la connexion. Les programmes qui priorisent le remplacement complet sont encouragés en vertu des révisions des règles sur le plomb et le cuivre (Révisions des règles sur le plomb et le cuivre). Dans les systèmes existants, la doublure de tuyauterie, le rinçage et le nettoyage peuvent réduire les dépôts de métaux accumulés.

Traitement de l'eau avant distribution

L'élimination des métaux à l'usine de traitement est simple pour les espèces dissoutes : les précipitations (coagulation/floculation/filtration), l'échange d'ions, l'osmose inverse et l'adsorption (alumine activée, oxyde de fer granulaire) sont toutes efficaces. Toutefois, pour les particules qui se forment après traitement, ou pour les métaux rejetés dans le système de distribution, les filtres au point d'utilisation certifiés pour le plomb et d'autres métaux constituent une barrière supplémentaire pour les consommateurs.

Technologies de surveillance et de détection

Les capteurs en ligne pour le pH, la turbidité, le chlore résiduel et le potentiel de corrosion (p. ex., l'indice de saturation Langelier, les coupons de corrosion) fournissent des données en temps réel qui peuvent alerter les opérateurs aux conditions de perturbation. Des capteurs avancés qui mesurent directement les métaux dissous aux niveaux de parties par milliard sont en train de se former, mais demeurent coûteux.

Études de cas et recherches récentes

La crise de l'eau des Flints

La crise de l'eau de Flint (Michigan) (2014–2015) illustre de façon frappante les conséquences de l'incapacité de gérer le transport des métaux lourds. Lorsque Flint a changé sa source d'eau du lac Huron pour la rivière Flint, sans ajouter d'inhibiteurs de corrosion, le plomb a été lixivié des lignes de service et de plomberie domestique.

Arsenic dans les systèmes d'eau souterraine

Au Bangladesh et dans certaines parties de l'Asie du Sud, l'arsenic présent naturellement dans les eaux souterraines a affecté des millions de personnes. Dans les systèmes de distribution, l'arsenic peut être copécipité avec du fer et s'installer dans des réservoirs de stockage ou des tuyaux de faible teneur.

Recherche sur la modélisation des transports

Les modèles informatiques sophistiqués simulent maintenant le transport de métaux à travers les réseaux de canalisations réels, intégrant des transitoires hydrauliques, la chimie multispécifique et des modèles de demande variables. Ces modèles aident les services publics à concevoir des séquences de chasse à l'eau, à identifier les points chauds et à évaluer l'impact des changements proposés au traitement.

Tendances et orientations futures

Nanotechnologies pour la détection et l'assainissement

Les nanomatériaux tels que les nanotubes de carbone, les nanoparticules de fer zéro-valentes et les cadres métal-organiques sont prometteurs pour la détection et l'élimination des métaux lourds de l'eau. Les nanocapteurs en ligne pourraient fournir une mesure continue en temps réel des ions métalliques dissous au robinet.

L'apprentissage automatique pour la gestion prédictive

Les services publics commencent à adopter des algorithmes d'apprentissage automatique pour prédire où il existe des lignes de services de plomb (selon l'âge des biens, les dossiers matériels et les données sur la qualité de l'eau) et prévoir les événements de corrosion.

Intégration des infrastructures vertes

Les approches écologiques (jardins de drainage, chaussées perméables, bioswales) peuvent réduire l'infiltration des eaux pluviales dans les égouts combinés, en réduisant la quantité de métaux lourds (à partir du ruissellement routier) qui atteignent les stations de traitement.

Engagement communautaire et transparence

La confiance du public est fondamentale. Les services publics qui publient des données en temps réel sur la qualité de l'eau, investissent dans les cartes des lignes de services principales et communiquent clairement sur le bouffage, la filtration et les effets sur la santé permettent aux consommateurs de prendre des mesures de protection.

Conclusion

Le transport de métaux lourds dans les systèmes de distribution d'eau est un problème multiforme qui ne peut être entièrement résolu par le seul traitement. Il exige une gestion intégrée de l'eau de source, de la chimie des procédés de traitement, de l'infrastructure des tuyaux, des opérations hydrauliques et de la communication publique. En comprenant les mécanismes de dissolution, d'adsorption, de précipitation et de transport des particules qui régissent le devenir des métaux, les services publics peuvent concevoir des plans efficaces de lutte contre la corrosion, cibler les remplacements dans les zones critiques et mettre en oeuvre une surveillance qui permet de détecter les problèmes de capture avant qu'ils ne s'aggravent.