Le traitement de l'eau est une pierre angulaire de la santé publique, garantissant que l'eau qui coule de nos robinets est exempte d'agents pathogènes et sans danger pour la consommation. L'étape de désinfection, qui utilise souvent du chlore, de la chloramine ou de l'ozone, est essentielle pour inactiver les microorganismes nuisibles. Cependant, ce processus essentiel a un effet secondaire complexe : la formation de sous-produits de désinfection (PDB). Ces composés chimiques involontaires se produisent lorsque les désinfectants réagissent avec des matières organiques et inorganiques naturellement présentes dans l'eau de source.

Quels sont les sous-produits de la désinfection?

Les PAD les plus couramment réglementés sont les trihalométhans (THM) et les acides haloacétiques (AHA). Les PAD comprennent le chloroforme, le bromodichlorométhane, le dibromochlorométhane et le bromoforme. Les PAD comprennent l'acide monochloroacétique, l'acide dichloroacétique, l'acide trichloroacétique, l'acide monobromoacétique et l'acide dibromoacétique. D'autres PAD émergents comme les haloacétonitriles, les halocétonitriles et les nitrosamines reçoivent une attention croissante en raison de leur toxicité plus élevée, même à des concentrations plus faibles.

La chloramination peut produire de la N-nitrosodiméthylamine (NDMA), un puissant cancérogène. L'ozonation peut former du bromate lorsque du bromure est présent, et le dioxyde de chlore peut produire du chlorite et du chlorate. Chaque désinfectant crée un profil unique de DBP, influencé par les paramètres de qualité de l'eau et la composition en matière organique.

Incidences des pratiques de gestion du risque sur la santé

Les études épidémiologiques ont associé une exposition à long terme aux PSD, en particulier aux THM et aux AHA, avec un risque accru de cancer de la vessie, de cancer colorectal et de résultats indésirables à la naissance, tels que des anomalies congénitales et de faible poids à la naissance. L'Agence internationale de recherche sur le cancer (CIRC) classe le chloroforme comme pouvant être cancérogène pour l'homme (groupe 2B) et l'eau potable chlorée comme pouvant être cancérogène.

Le rôle des contaminants organiques dans la formation du DBP

La majorité des matières organiques présentes dans les eaux de source sont la matière organique naturelle (NOM), un mélange complexe de composés organiques provenant de la décomposition des résidus végétaux et animaux, de l'activité microbienne et du lessivage du sol. Les NO comprennent des substances humiques (acides fulvic et humiques), des glucides, des protéines, des lipides et des acides organiques de faible poids moléculaire. La structure et la réactivité des NOM varient selon les caractéristiques du bassin hydrographique, la saison et l'hydrologie.

Lorsque le chlore est ajouté à l'eau, il réagit facilement avec des fractions riches en électrons dans les NOM, comme les cycles aromatiques activés présents dans les acides humiques. Cette réaction implique la substitution (incorporation de chlore dans la molécule organique) et les réactions de clivage, qui produisent des espèces halogénées de faible poids moléculaire comme les THM et les AHA. La concentration et la nature des précurseurs organiques influencent directement le rendement et la spéciation des PAD. Par exemple, les eaux riches en acides humiques hydrophobes ont tendance à former plus de THM et d'AHA, tandis que les eaux riches en matières organiques azotées hydrophiles peuvent conduire à des niveaux plus élevés de PAD azotés comme les haloacétonitriles et la NDMA lorsque la chloramination est utilisée.

Types de précurseurs organiques

  • Acides humiques: fractions hydrophobes de poids moléculaire élevé de NOM qui sont particulièrement réactives avec le chlore et produisent de grandes quantités de THM et d'AHA.
  • Acides sulfuriques: Poids moléculaire inférieur mais encore très réactif; contribuent à la formation de DBP, bien que souvent à des rapports légèrement différents de ceux des acides humiques.
  • Produits microbiens solubles (SMP) :[ Libérés par des bactéries et des algues; contiennent de l'azote et peuvent être des précurseurs de DBP azotés comme les nitrosamines.
  • Matière organique efficace (EfOM):[ Origine des rejets d'eaux usées; comprend les produits pharmaceutiques, les produits de soins personnels et d'autres composés anthropiques qui peuvent réagir avec les désinfectants pour former des DBP uniques.
  • Contaminants organiques anthropogéniques: Pesticides, produits chimiques industriels et solvants qui peuvent agir comme précurseurs du DBP, surtout lorsqu'ils sont présents dans les eaux sources touchées par l'agriculture ou l'industrie.

Facteurs influant sur la formation de DBP à partir des contaminants organiques

La portée et la spéciation de la formation du DBP sont régies par de multiples facteurs interdépendants. La compréhension de ces paramètres permet aux services publics d'eau d'optimiser le traitement et de minimiser les risques pour la santé.

Type et concentration de matière organique

Les concentrations plus élevées de précurseurs organiques conduisent généralement à une formation plus importante de DBP. La nature organique spécifique, mesurée sous forme de carbone organique dissous (COD) ou d'absorbance ultraviolette à 254 nm (UV254), est un prédicteur clé. L'eau à absorption ultraviolette spécifique élevée (SUVA) indique une forte proportion de NOM aromatique hydrophobe, qui est très réactif avec le chlore.

pH et température

À un pH plus élevé (au-dessus de 8), le chlore est plus répandu que l'ion hypochlorite (OCl-), moins réactif que l'acide hypochloroique (HOCl) à un pH plus faible. Cependant, la formation de THM est favorisée à un pH plus élevé, car la réaction des haloformes catalysées par la base se produit plus rapidement. Inversement, la formation d'AHA tend à être plus élevée à un pH plus faible. La température accélère toutes les réactions chimiques; l'eau de source plus chaude (p. ex. pendant les mois d'été) entraîne une augmentation des taux de formation de DBP et des concentrations éventuelles plus élevées.

Type et dose de désinfectant

La chloramine (monochloramine) produit des concentrations plus faibles de THM et d'AHA, mais peut former des PAD azotés comme la NDMA. L'ozone, bien qu'efficace pour l'inactivation microbienne et le contrôle du goût et des odeurs, peut produire du bromate (si le bromure est présent) et des matières organiques biodégradables qui peuvent réagir avec le chlore résiduel en aval. Le dioxyde de chlore forme du chlorite et du chlorate, qui sont réglementés mais moins cancérogènes que les THM et les AHA. La dose de désinfectant et la matière résiduelle – des doses plus élevées augmentent le bassin d'oxydant réactif et peuvent déplacer la spéciation du PAD.

Temps de contact et conditions du système de distribution

Dans le système de distribution, le désinfectant résiduel continue de réagir avec la matière organique dans les biofilms d'eau et de tuyaux en vrac, ce qui entraîne une augmentation des concentrations de DBP à mesure que l'eau circule de la station de traitement au robinet. Les schémas de débit, les gradients de température et la présence de corrosion ou de biofilm peuvent modifier davantage les niveaux de DBP. Les services publics gèrent souvent cette situation en optimisant le point de chloration et en maintenant des résidus plus faibles dans le système, lorsque c'est possible.

Présence d'ions inorganiques

Les ions bromo et iodide sont des précurseurs inorganiques critiques. Lorsqu'ils sont présents dans l'eau de source, ils sont en concurrence avec la matière organique pour la réaction au chlore, formant des DBP bromés et iodés. Les DBP bromés (p. ex. bromoforme, bromodichlorométhane) sont généralement plus toxiques que leurs analogues chlorés. Les DBP iodés sont encore plus toxiques mais se produisent à des concentrations plus faibles.

Incidences sur le traitement de l'eau

Pour contrôler efficacement la formation de DBP, il faut adopter une stratégie intégrée qui vise l'élimination des précurseurs, l'optimisation des désinfectants et la gestion des systèmes de distribution.

Coagulation et sédimentation améliorées

En ciblant la fraction organique hydrophobe, à poids moléculaire élevé, ce processus peut réduire le DOC de 40 à 70 %, réduisant ainsi le réservoir de précurseurs disponible pour la formation de DBP. L'alun et le chlorure ferrique sont des coagulants courants. Le document d'orientation de l'EPA sur la coagulation améliorée exige que les usines de traitement des eaux de surface atteignent des pourcentages spécifiques d'élimination du carbone organique total (CTO) en fonction de l'alcalinité de l'eau de source.

Filtration au carbone actif granulaire (GAC)

L'adsorption par GAC est très efficace pour éliminer les précurseurs organiques, en particulier les MNO hydrophobes et de nombreux composés anthropiques. L'adsorption par GAC peut être utilisée comme étape post-filtration ou comme remplacement de milieux dans les filtres conventionnels. La capacité adsorptive finit par s'épuiser, nécessitant une régénération périodique ou un remplacement.

Désinfectants alternatifs et désinfection séquentielle

Le passage du chlore libre à la monochloramine peut être efficace pour réduire les concentrations de THM et d'AHA, bien qu'il puisse produire de la NDMA et d'autres PDN azotés. Certains services publics adoptent une approche séquentielle : utiliser l'ozone comme désinfectant primaire (qui décompose les PDN en composés plus biodégradables), puis la filtration biologique pour éliminer ces composés, puis un chlore à faible dose ou un résidu de chloramine.

Procédés d'oxydation avancés (PAO)

Les AOP combinent des oxydants (ozone, peroxyde d'hydrogène, lumière UV) pour générer des radicaux hydroxyles qui dégradent les composés organiques non sélectifs. Ces procédés peuvent minéraliser les composés précurseurs organiques, y compris les NOM réfractaires et les micropolluants. Cependant, les AOP sont à forte intensité énergétique et peuvent produire des sous-produits indésirables s'ils ne sont pas contrôlés.

Filtration de membrane (Nanofiltration et osmose inverse)

Les technologies de membranes aux pores serrés peuvent physiquement rejeter une grande partie de la matière organique. La nanofiltration (NF) peut éliminer jusqu'à 90 % des COT, tandis que l'osmose inverse (RO) permet un rejet encore plus élevé. Ces systèmes sont coûteux mais deviennent plus courants pour traiter les eaux de source difficiles, en particulier celles qui sont touchées par les eaux usées ou les ruissellements agricoles.

Paysage réglementaire et surveillance

Aux États-Unis, la règle de l'étape 2 sur les désinfectants et les sous-produits de désinfection (étape 2 D/DBPR) fixe les niveaux maximaux de contaminants (LCM) pour les TTHM à 80 μg/L et à 60 μg/L. La règle exige également que la conformité soit fondée sur les moyennes annuelles de fonctionnement en position (LRAA) plutôt que sur les moyennes à l'échelle du système, en veillant à ce que les zones à haut risque dans un système de distribution soient identifiées et traitées. La Directive européenne sur l'eau potable [ (2020) a introduit une valeur paramétrique de 100 μg/L pour les THM totaux et recommande une surveillance des AHA, du bromate et du chlorate.

La pression réglementaire est également à l'origine de l'inclusion de nouveaux PAD comme la NDMA, qui a un niveau de conseils sanitaires provisoire de 0,0001 μg/L de l'EPA en raison de son extrême cancérogénicité.

Orientations futures de la recherche

La recherche en cours porte sur plusieurs fronts :

  • Identification de PD non connus formés de nouveaux désinfectants et de chimies précurseurs, y compris ceux provenant de substances per- et polyfluoroalkyles (SPAP).
  • Élaborer des modèles prédictifs qui intègrent des données en temps réel sur la qualité de l'eau pour anticiper la formation de PSD et permettre des ajustements proactifs du traitement.
  • Promouvoir des technologies d'enlèvement des précurseurs qui soient rentables pour les petits et moyens systèmes.
  • Comprendre la toxicité synergique des mélanges de DBP pour mieux éclairer les limites réglementaires.
  • Explorer le rôle du microbiome dans les systèmes de distribution pour modifier les concentrations de DBP et créer de nouveaux sous-produits.

Conclusion

Les contaminants organiques dans l'eau de source sont les principaux facteurs qui expliquent la formation de sous-produits nocifs de désinfection pendant le traitement de l'eau. Des substances humiques dans les rivières vierges aux composés anthropiques dans les bassins hydrographiques fortement touchés, la diversité et la réactivité des matières organiques dictent la quantité et le type de DBP qui apparaissent dans notre eau du robinet. En comprenant l'influence de ces précurseurs organiques — et les facteurs qui modulent leur réactivité — les professionnels du traitement de l'eau peuvent concevoir des stratégies à barrières multiples qui permettent d'assurer la sécurité microbienne sans sacrifier la qualité chimique.

Pour plus de détails, la page de l'EPA sur la D/DBPR de l'étape 2 fournit des détails réglementaires. Les Lignes directrices de l'OMS pour la qualité de l'eau potable offrent des recommandations exhaustives fondées sur la santé.