Gestion et état de la contamination des solutions
d’hypochlorite de sodium dans les petites installations
d’eau potable du Québec
Mémoire
Louis Coulombe
Maîtrise en aménagement du territoire et développement régional
Maître ès sciences (M. Sc.)
Québec, Canada
Gestion et état de la contamination des solutions
d’hypochlorite de sodium dans les petites installations
d’eau potable du Québec
Mémoire
Louis Coulombe
Sous la direction de :
Manuel J. Rodriguez-Pinzon, directeur de recherche
Jean-Baptiste Sérodes, codirecteur de recherche
iii
Résumé
D’une part, ce mémoire de maîtrise présente les résultats d’une étude visant à documenter saisonnièrement l’état de la contamination intrinsèque par le bromate, le chlorite, le chlorate et le perchlorate de solutions d’hypochlorite de sodium (SHS) utilisées pour la production d’eau potable et la présence de ces mêmes substances dans l’eau traitée et distribuée de neuf installations d’eau potable (IEP) municipales de petite taille du Québec. D’autre part, ce mémoire dresse le portrait des pratiques de gestion et d’opération avec les SHS implantées dans les IEP à l’étude. Cette étude présente un grand intérêt puisqu’il s’agit de la première fois au Québec où ces thèmes sont étudiés d’autant plus que les SHS sont des produits dont l’utilisation est très répandue. Cette étude, à caractère exploratoire, se distingue de celles s’étant déjà intéressées à ces thèmes par le fait qu’elle vise les IEP de petite taille où l’application des bonnes pratiques relatives à la gestion et aux opérations avec les SHS est susceptible d’être limitée par le manque de ressources. Les résultats montrent, entre autres : qu’au cours d’une même année, il y a d’importantes différences dans l’état de la contamination des SHS utilisées entre les IEP à l’étude; que des concentrations non négligeables de bromate et de chlorate peuvent être retrouvées dans l’eau distribuée par les IEP utilisant les SHS pour le traitement de l’eau; que les pratiques de gestion et d’opérations avec les SHS diffèrent entre les IEP; et qu’il existe des lacunes dans l’application des bonnes pratiques relatives à la gestion et aux opérations avec les SHS dans les IEP à l’étude.
iv
Abstract
This master’s thesis presents the results of a study that aims to document the state of the intrinsic contamination by inorganic contaminants (bromate, chlorite, chlorate and perchlorate) of sodium hypochlorite solutions (SHS) used for drinking water disinfection and to evaluate the presence of such contaminants in the water of nine small municipal drinking water systems (DWS) of Quebec. The thesis also paints a picture of the management and operational practices with the SHS implemented in the DWS under study. The study is of great interest because this is the first time this topic has been studied in Quebec, given that SHS are products which are widely used in water treatment. The study is distinct from previous studies which have addressed this topic, because it focuses on small DWS where the application of guidelines for management and operation with SHS is likely to be limited by a lack of human and technical resources. The main results were the following: There are significant differences in the state of SHS contamination between the DWS under study; non-negligible concentrations of bromate and chlorate can be found in water distributed by DWS which use SHS for water disinfection; management and operations practices with SHS are different from one DWS to another; and, there are gaps in the application of the guidelines for management and operations with SHS in small DWS.
v
Table des matières
Résumé ... iii
Abstract ... iv
Table des matières ... v
Liste des figures ... vii
Liste des tableaux ... viii
Liste des abréviations ... ix
Remerciements ... xi
1 Introduction ... 1
1.1 Mise en contexte... 1
1.2 État des connaissances ... 1
1.2.1 La désinfection ... 1
1.2.2 Les solutions d’hypochlorite de sodium ... 2
1.2.3 Qualification des opérateurs des installations d’eau potable ... 8
1.2.4 Les petites installations d’eau potable ... 12
1.2.5 Gestion et opérations avec les solutions d’hypochlorite de sodium ... 14
1.2.6 Contamination des solutions d’hypochlorite de sodium ... 14
1.2.7 Présence des substances associés aux solutions d’hypochlorite de sodium dans l’eau potable .. 15
1.3 Problématique de l’étude ... 16
1.4 Contexte de l’étude... 16
1.5 Objectifs de l’étude ... 17
2 Méthodologie ... 18
2.1 Critères de sélection des installations d’eau potable à l’étude ... 18
2.2 Études de cas ... 18
2.3 Acquisition des données ... 20
2.3.1 Campagnes de prélèvement ... 21
2.3.1.1 Paramètres analysés ... 22
2.3.1.2 Méthodes analytiques ... 23
2.3.1.3 Méthode d’échantillonnage ... 23
2.3.1.4 Transport des échantillons ... 24
2.3.2 Investigation sur la gestion et les opérations avec les solutions d’hypochlorite de sodium ... 24
2.3.2.1 Questionnaire 1 ... 25
2.3.2.2 Entrevue ... 25
2.3.2.3 Questionnaire 2 ... 26
3 Résultats et discussion ... 27
3.1 Caractéristiques des solutions d’hypochlorite de sodium achetées ... 27
3.2 État de la contamination des solutions d’hypochlorite de sodium ... 32
3.2.1 pH des solutions d’hypochlorites de sodium ... 32
3.2.2 Ions métalliques de transition dans les solutions d’hypochlorite de sodium ... 33
vi 3.2.3.1 Portait général ... 33 3.2.3.2 Bromate... 34 3.2.3.3 Chlorate... 35 3.2.3.4 Chlorite ... 37 3.2.3.5 Perchlorate ... 38
3.2.4 Présence des substances d’intérêts dans l’eau traitée et distribuée ... 38
3.2.4.1 Bromate... 38
3.2.4.2 Chlorite ... 38
3.2.4.3 Chlorate... 39
3.2.4.4 Perchlorate ... 39
3.2.4.5 Portrait spatial ... 39
3.3 Pratiques de gestion et d’opération avec les solutions d’hypochlorite de sodium ... 42
4 Conclusions et recommandations ... 69
5 Références ... 73
6 Annexes ... 78
A-1 Questionnaire 1 ... 78
A-2 Grille d’entrevue ... 85
A-3 Questionnaire 2 ... 99
A-4 pH et présence des ions métalliques de transition dans les solutions d’hypochlorite de sodium .... 102
A-5 Substances d’intérêts dans les solutions d’hypochlorite de sodium ... 103
A-6 Substances d’intérêts dans l’eau traitée et distribuée ... 104
A-7 Liste de paramètres mesurés dans l’eau des installations d’eau potable à l’étude au cours de campagnes de prélèvement ... 107
A-8 Liste des paramètres faisant partie du groupe des trihalométhanes, des acides haloacétiques et des autres sous-produits de la chloration ... 108
vii
Liste des figures
Figure 3.1 Concentrations de bromate dans les SHS pour les neuf IEP à l’étude au cours des quatre campagnes de prélèvement... 34 Figure 3.2 Concentrations de chlorate dans les SHS pour les neuf IEP à l’étude au cours des quatre campagnes de prélèvement... 36 Figure 3.3 Concentrations de chlorate dans les SHS pour les neuf IEP à l’étude au cours des quatre campagnes de prélèvement... 37 Figure 3.4 Concentrations de chlorate dans les eaux traitées et distribuées des IEP au cours de la campagne d’été 2014 ... 40 Figure 3.5 Concentrations de chlorate dans les eaux traitées et distribuées des IEP au cours de la campagne d’automne 2014... 40 Figure 3.6 Concentrations de chlorate dans les eaux traitées et distribuées des IEP au cours de la campagne d’hiver 2015 ... 41 Figure 3.7 Concentrations de chlorate dans les eaux traitées et distribuées des IEP au cours de la campagne de printemps 2015 ... 41
viii
Liste des tableaux
Tableau 1.1 Notions relatives à la gestion et aux opérations des SHS repérées dans l’édition
septembre 2013 du cartable de formation OTUND/OTUFD du Cégep de Saint-Laurent ... 11
Tableau 1.2 Durée de la demi-vie des solutions d’hypochlorite de sodium selon la température d’entreposage et leur concentration (adapté de Cégep de Saint-Laurent, 2013). ... 12
Tableau 2.1 Description des IEP à l’étude ... 19
Tableau 2.2 Dates de réalisation des campagnes de prélèvements ... 22
Tableau 3.1 Provenance et parcours des SHS ... 28
Tableau 3.2 Spécification sur la qualité des SHS achetées ... 31
Tableau 3.3 Caractéristiques de l’achat des solutions d’hypochlorite de sodium ... 43
Tableau 3.4 Justification des caractéristiques de l’achat des solutions d’hypochlorite de sodium ... 44
Tableau 3.5 Conditions de stockage des SHS ... 47
Tableau 3.6 Mélange de SHS ... 49
Tableau 3.7 Protocole de préparation des SHS diluées et détails sur les opérations associées ... 51
Tableau 3.8 Lavage des réservoirs ... 54
Tableau 3.9 Vérification de la teneur en chlore actif ... 55
Tableau 3.10 Application des bonnes pratiques de gestion et d’opération avec les solutions d’hypochlorite de sodium. ... 59
Tableau 3.11 Profils des personnes interrogées ... 64
Tableau 3.12 Appréciation des personnes interrogées par rapport à la façon dont ont été abordées différentes notions relatives aux SHS dans le cadre de la formation ... 66
ix
Liste des abréviations
AHA Acides haloacétiques
ANSI American National Standards Institute AWWA American Water Works Association
CCPI Concentration permissible par produit individuel
CEAEQ Centre d’expertise en Analyse environnementale du Québec
CREPUL Chaire de recherche industrielle CRSNG en gestion et surveillance de la qualité de l’eau de l’Université Laval
DEPES Direction de l’eau potable et des eaux souterraines EDA Éthylène diamine
IARC Agency for the Research on Cancer IEP Installation d’eau potable
MDDELCC Ministère du Développement durable, de l’Environnement et de la Lutte contre les changements climatiques
MON Matière organique naturellement présente dans l’eau NMU Niveau maximal d’utilisation
RQEP Règlement sur la qualité de l’eau potable SHS Solutions d’hypochlorite de sodium SPC Sous-produits de la chloration SPD Sous-produits de la désinfection THM Trihalométhanes
UPE Unité de production d’eau potable
x
«Plusieurs ne réalisent la valeur de l’eau que lorsque le puits est sec»
xi
Remerciements
Mes premiers remerciements vont à mon directeur de recherche Manuel J. Rodriguez et à mon codirecteur de recherche Jean Sérodes qui ont accepté de superviser ma maîtrise et m’ont donné la possibilité de me lancer dans cette belle aventure durant laquelle j’ai énormément appris. Je leur suis très reconnaissant pour leur confiance, leur soutien et leur mentorat tout au long de mon cheminement. Je tiens aussi à remercier tous les membres et partenaires de la Chaire de recherche industrielle CRSNG en gestion et surveillance de la qualité de l’eau potable, les membres de la Direction de l’eau potable et des eaux souterraines du Ministère du Développement durable, de l’Environnement et de la Lutte contre les changements climatiques ainsi que ceux du Centre d’expertise en Analyse environnementale du Québec qui, de près ou de loin, ont contribué à la réalisation de mes travaux. Je souhaite également remercier le personnel des installations d’eau potable qui ont accepté de participer au projet.
Il est particulièrement important pour moi de souligner l’énorme contribution de Christelle Legay sans qui mon apprentissage n’aurait pas été le même. De plus, je souhaite remercier Sabrina Simard et toute l’équipe du laboratoire d’environnement de l’université Laval pour leur aide au bon déroulement des campagnes de prélèvement ainsi que Francine Baril pour sa bonne humeur et son aide sur le plan administratif.
Finalement, je remercie mes parents pour leur inconditionnel et indispensable soutien moral et financier ainsi que ma conjointe Christine pour ses encouragements, son écoute et son amour.
1
1
Introduction
1.1
Mise en contexte
La définition d’une eau potable de bonne qualité est basée sur le suivi et le contrôle de paramètres microbiologiques, physico-chimiques et esthétiques. La distribution d’une eau potable de bonne qualité est non seulement nécessaire pour minimiser les risques pour la santé des personnes qui la consomment, mais aussi pour générer et entretenir la confiance des utilisateurs envers cette ressource. Dépendamment du cadre réglementaire en vigueur, les nombreux critères de qualité de l’eau potable sont appelés à varier. Au Québec, lorsqu’elle est destinée à la consommation humaine (c.-à-d. destinée à être ingérée ou à l’hygiène personnelle), l’eau doit respecter les normes édictées dans le Règlement sur la qualité de l’eau potable (RQEP) de la Loi sur la qualité de l’environnement du Québec (MDDELCC, 2015). Ce règlement, publié en juin 2001 et ayant comme objectif d’améliorer la protection de la santé publique, s’est avéré être un pas important dans la mise à jour des exigences relatives à la production et à la distribution de l’eau potable qui figuraient dans le premier règlement adopté en 1984 (MDDEP, 2006). Depuis, le RQEP fait constamment l’objet de modifications et de mises à jour. Le resserrement des normes existantes et l’ajout de nouvelles exigences contribuent à la production d’une eau dont la qualité est sans cesse améliorée. De ce fait, l’eau potable devient de plus en plus complexe à produire. Pour satisfaire les différentes normes de qualité, l’eau potable se doit d’être convenablement gérée. Une saine gestion de l’eau potable requiert de bonnes pratiques à plusieurs échelles, notamment à l’échelle de la protection des sources, à celle du traitement et à celle du suivi de la qualité de l’eau en réseau de distribution (Santé Canada, 2001).
1.2
État des connaissances
1.2.1 La désinfectionDans la grande majorité des cas, l’eau brute (de surface ou souterraine) doit subir un traitement plus ou moins complexe incluant souvent des traitements physico-chimiques et une désinfection avant d’être distribuée. La désinfection, primaire et secondaire, est un traitement essentiel à la salubrité de l’eau potable. En effet, depuis son instauration, les conditions de santé publique se sont vues grandement améliorées de par son importante contribution à l’abaissement de l’incidence de nombreuses maladies d’origines hydriques (Gouvernement du Canada, 2016; Snyder et al, 2009; Richardson et al, 2007). La désinfection a pour objectif de réduire les risques associés à la présence
2
de microorganismes pathogènes présents dans l’eau brute ainsi qu’à prévenir la présence de microorganismes dans l’eau des réseaux de distribution (CDC, 2004; Santé Canada, 2016).
Cela dit, malgré les bienfaits évidents, l’utilisation d’un agent désinfectant entraine la formation de sous-produits de la désinfection (SPD). Lorsqu’un désinfectant à base de chlore est utilisé, des sous-produits de la chloration (SPC) sont générés. Ces derniers se forment à la suite de la réaction entre le chlore et la matière organique naturellement présente dans l’eau (MON). Les SPC ont grandement suscité l’intérêt de la communauté scientifique en raison de leurs potentiels effets nocifs sur la santé humaine (Hrudey, 2008). Les trihalométhanes (THM) et les acides haloacétiques (AHA) sont à ce jour les seules familles réglementées de sous-produits de la chloration. Bien qu’il ait été démontré dans des études toxicologiques que certains SPC puissent être plus toxiques que les THM et les AHA normés (Guilherme, 2014; Richardson, 2007), la grande majorité des SPC ne font présentement pas l’objet d’une norme.
Le chlore est l’agent désinfectant le plus utilisé à travers le monde pour le traitement de l’eau destinée à la consommation humaine (Cedergren et al, 2002; Villanueva et al, 2007). En plus de leur puissant pouvoir oxydant, les désinfectants à base de chlore sont rémanents. En effet, une fois ajoutés à l’eau, ils continuent d’exercer leur action de par leur capacité à maintenir une certaine concentration résiduelle dans l’eau circulant au travers du réseau de distribution (Gordon et al, 1993; Santé Canada, 2009). Les désinfectants à base de chlore s’avèrent aussi être des produits polyvalents pouvant également être utilisés pour l’oxydation du fer et du manganèse et pour l’enlèvement de la couleur ainsi que des goûts et odeurs (Cégep de Saint-Laurent, 2013).
1.2.2 Les solutions d’hypochlorite de sodium
Les solutions d’hypochlorite de sodium (SHS) sont des produits liquides à base de chlore très utilisés dans les installations d’eau potable (IEP). Les SHS sont fabriquées par absorption de chlore gazeux (Cl2) dans une solution aqueuse d’hydroxyde de sodium, plus communément appelée soude caustique (NaOH). Le chlore et la soude sont obtenus par l’électrolyse d’une solution aqueuse d’un sel (saumure), généralement du chlorure de sodium (CSNEJ, 2010). Différents types de cellules électrolytiques, telles les cellules à diaphragme, à mercure et à membrane, peuvent être utilisées pour la fabrication des SHS. Sous leurs formes commerciales courantes, les SHS sont disponibles sur le marché à différentes teneurs en chlore actif (concentration) et dans plusieurs types de formats. Les SHS sont également disponibles en vrac et, le cas échéant, normalement livrées par des
3
camions-citernes aux IEP où elles sont entreposées dans des réservoirs. Comme c’est souvent le cas dans les IEP et lorsque son usage est à vocation industrielle, on utilise habituellement des SHS dont la teneur en chlore actif avoisine 12% (Cégep de Saint-Laurent, 2013; MENV, 2003). Dans les IEP, il est pratique courante de diluer préalablement les SHS avec de l’eau avant leur utilisation. Les SHS peuvent aussi être fabriquées sur place à même les unités de production d’eau potable (UPE) (Asami et al, 2009; Garcia-Villanova et al, 2010).
Il est estimé que 78 % des IEP canadiennes utilisent les SHS comme désinfectant (Aranda-Rodriguez et al, 2014) et c’est également le cas pour environ un tiers de celles aux États-Unis (Shah et Qureshi, 2012). Ces proportions sont cependant appelées à augmenter en raison du resserrement des standards de sécurité et de manipulation qui s’appliquent à une de ses principales alternatives : le chlore gazeux (Stanford et al, 2011). Plusieurs raisons expliquent la popularité des SHS pour la production d’eau potable. Elles sont abordables, facilement transportables et stockables, simples à doser et relativement sécuritaires comparativement aux autres alternatives de traitement (Snyder et al, 2009; Gordon et al, 1993).
Toutefois, malgré ces nombreux avantages, l’utilisation de SHS a un inconvénient majeur. Ce sont des produits instables qui se dégradent naturellement en fonction du temps (Pisarenko et Gordon, 2013; Snyder et al, 2009). Leur dégradation mène, d’une part, à la perte d’efficacité du produit (c.-à-d. à la diminution de la teneur en chlore résiduel libre) et, d’autre part, à la formation de substances potentiellement préjudiciables à la santé tels que le perchlorate (ClO4-), le bromate (BrO3-), le chlorite (ClO2-) et le chlorate (ClO3-) (Snyder et al, 2009 ; Stanford et al, 2011; Asami et al, 2009; Pisarenko et Gordon, 2013). La formation des substances peut survenir durant la fabrication des SHS ainsi que durant leur transport et leur entreposage. Ces substances inorganiques se distinguent des SPC organiques (THM et AHA) en raison du fait que leur formation est propre à la contamination intrinsèque des SHS et qu’elle n’implique pas des réactions entre le chlore et la MON.
Accompagnée de l’augmentation de l’état de la contamination, la diminution du pouvoir désinfectant (c.-à-d. la diminution de la teneur en chlore actif) entraîne la nécessité d’ajouter à l’eau un volume plus important de SHS pour atteindre la dose de chlore requise pour assurer le traitement. Conséquemment, cela peut se traduire par l’introduction d’une quantité de substances inorganiques plus ou moins appréciable dans l’eau (Garcia-Villanova et al, 2010 ; Snyder et al, 2009).
4
Dépendamment de l’importance de la dégradation des SHS utilisées, les substances qui leurs sont associés sont susceptibles de se retrouver de façon plus ou moins importante dans l’eau destinée à la consommation humaine (Stanford et al, 2011; Gordon et al, 1997). Au Québec, toute eau potable distribuée à plus de 20 personnes à des fins de consommation se doit de rencontrer les normes de qualité établies dans le RQEP, qui s’appliquent notamment aux concentrations maximales acceptables de bromate, de chlorite et de chlorate (MDDELCC, 2015). Cela dit, la grande majorité des IEP sont affranchies de l’obligation de procéder au suivi de ces substances. Selon la réglementation, l’obligation de la surveillance des concentrations de chlorite et de chlorate dans l’eau distribuée s’applique uniquement aux IEP qui utilisent, à un endroit ou un autre dans leur filière de traitement, le dioxyde de chlore. Dans ces cas, les concentrations de chlorite et de chlorate ne doivent pas dépasser 800 µg/L dans l’eau potable. Les concentrations de bromate dans l’eau potable ne doivent pas dépasser 10 µg/L mais sa surveillance n’est imposée qu’aux IEP qui pratiquent l’ozonation. Pour sa part, le perchlorate ne fait présentement l’objet d’aucune réglementation mais une valeur guide de 6 µg/L dans l’eau potable était toutefois, jusqu’en 2016, établie par Santé Canada.
Les SHS sont soumises à deux voies indépendantes de décomposition. La principale voie de décomposition, la plus rapide, mène à la formation de chlorite et subséquemment de chlorate et de perchlorate (Pisarenko and Gordon, 2013). Tandis que la formation de chlorate résulte de la réaction lente entre deux ions hypochlorite (OCl-) suivie d’une réaction relativement rapide entre un ion hypochlorite et un ion chlorite, celle de perchlorate se produit à la suite de la réaction entre un ion hypochlorite et un ion chlorate, comme suit :
OCl- + OCl- ----> ClO2- + Cl- (1) OCl- + ClO2- ----> ClO3- + Cl- (2) OCl- + ClO3- ----> ClO4- + Cl- (3)
Les concentrations de chlorate et de perchlorate dans les SHS peuvent augmenter au fil du temps et au fur et à mesure que les solutions se dégradent. Pour leur part, les concentrations de chlorite tendent à rester relativement stables (Stanford et al, 2011). L’augmentation observée des concentrations de chlorate est donc fonction de la formation de chlorate et de son oxydation en perchlorate (Stanford et al, 2011).
5
La seconde voie de décomposition, menant à la formation d’oxygène et de chlorure, est une réaction lente. Celle-ci est considérée comme une voie mineure de décomposition pouvant toutefois devenir significative lorsque certaines conditions sont remplies (Pisarenko et Gordon, 2013) :
OCl- + OCl- ---> O2 + 2Cl- (4)
La formation du bromate résulte, lors du processus de fabrication, de l’oxydation très rapide du bromure naturellement présent dans les matières premières (sels) utilisées pour fabriquer les SHS (Snyder et al, 2009; Weinberg et al, 2003; Asami et al, 2009) :
Br- + 3OCl- ----> BrO3- + 3Cl- (5)
Les concentrations de bromate dans les SHS sont connues pour rester relativement stables une fois que le bromure disponible dans les matières premières a été transformé en bromate (Snyder et al, 2009; Bouland et al, 2005). Les quantités de bromate formées dans les SHS dépendent ainsi de la source des sels (c.-à-d. des concentrations de bromure présent dans les sels) utilisés pour produire les saumures (Santé Canada 2015). On note également que le type de cellule électrolytique utilisé peut avoir un impact sur les concentrations de bromate dans les SHS (Santé Canada, 2016).
Tel que discuté précédemment, les substances inorganiques mentionnées peuvent porter atteinte à la santé humaine lorsque qu’elles sont présentes en trop grande concentration. Le perchlorate a été identifié comme étant une substance préoccupante associée aux SHS en raison de son statut de perturbateur endocrinien car il a le potentiel de réduire la production d’hormones thyroïdiennes en inhibant la prise d’iode de la glande thyroïde humaine (Shah and Qureshi, 2012; Greiner et al, 2008; Stanford et al, 2011). Pour sa part, le bromate est classé comme substance potentiellement cancérigène (groupe 2B) chez l’humain par l’Internaltional Agency for the Research on Cancer (IARC) et la United States Environmental Protection Agency (USEPA) (Genuino et al, 2011). Quant au chlorate, il a le potentiel de compromettre la capacité du sang à transporter l’oxygène de par ses effets indésirables aux membranes cellulaires des globules rouges. Il peut également diminuer la fonction thyroïdienne (AWWA, 2014). À l’instar du chlorate, le chlorite est également connu pour porter atteinte aux globules rouges dans le sang (WHO, 2005).
Différents facteurs sont connus pour accélérer la dégradation des SHS et favoriser la formation subséquente des substances inorganiques en question. Certains de ces facteurs tels la force ionique, le pH, la présence d’ions métalliques et la concentration d’hypochlorite sont, pour leur part, associés aux caractéristiques des SHS. D’autres facteurs comme le temps de stockage, la
6
température et l’exposition à la lumière sont plutôt spécifiques aux conditions dans lesquelles les SHS sont entreposées (Snyder et al, 2011; Lantagne et al, 2011; Adam and Gordon, 1999). Des travaux expérimentaux ont été menés afin de développer des modèles cinétiques propres à chacun de ces facteurs afin d’élaborer un modèle servant à prédire la dégradation de SHS selon différents scénarios hypothétiques d’entreposage (Snyder et al, 2009).
Bien que la dégradation des SHS ne puisse être totalement évitée, elle peut cependant être limitée. Dès lors, la façon dont sont gérées les SHS peut avoir un impact important sur l’état de leur contamination au moment de leur utilisation pour le traitement de l’eau. De ce constat découle toute une gamme de recommandations visant à outiller les personnes qui interviennent au quotidien au sein des IEP dans la gestion et les opérations avec les SHS, et ce dans le but de limiter autant que possible la perte d’efficacité des produits, la formation des substances et l’impact sur la qualité de l’eau distribuée.
Les recommandations présentées ci-dessous sont celles émises par l’American Water Works Association (AWWA), la plus importante association scientifique et éducationnelle à but non lucratif dédiée à la gestion et au traitement de l’eau. Ces recommandations ont été repérées dans le document intitulé : Recommendation for the Handling and Storage of Hypochlorites Solutions (AWWA, 2011). Gratuit et accessible par internet, ce document constitue, sans toutefois en faire partie, une note additionnelle à la norme B300-10 de l’AWWA sur les hypochlorites (AWWA, 2010). Ces mêmes recommandations sont également reprises mot pour mot et traduites par Santé Canada dans un document de consultation publique sur le bromate dans l’eau potable (Santé Canada, 2015). Les recommandations de l’AWWA sont présentées de façon sommaire ci-dessous. Celles destinées aux IEP fabricants elles-mêmes sur place les SHS ne sont pas présentées. Selon l’AWWA, il est recommandé de :
- diluer les stocks de SHS à la réception. La dilution aura pour effet d’abaisser les effets combinés de la concentration et de la force ionique et se traduira par une diminution du taux de dégradation de la SHS et de la formation subséquente de substances;
- entreposer les SHS à de faibles températures. Les températures élevées augmentent la dégradation des SHS et la formation de substances. Afin d’abaisser les températures élevées, les SHS devraient être entreposées à l’abri de la lumière directe du soleil;
7
- maintenir les SHS à un pH de 11 à 13 durant leur entreposage, même après dilution des stocks. Le pH est le principal facteur qui détermine la spéciation du chlore en solution. Selon le pH, certaines espèces de chlore (l’ion chlorure, l’acide hypochloreux et l’ion hypochlorite) prédominent par rapport aux autres. Grossièrement, à des pH acides, neutres et alcalins, les espèces qui prédominent sont respectivement l’ion chlorure, l’acide hypochloreux et l’ion hypochlorite. À des valeurs de pH inférieures à 11, et plus le pH diminue, l’acide hypochloreux devient de plus en plus présent. Puisque l’ion hypochlorite est plus stable que l’acide hypochloreux, les fabricants maintiennent un excès d’hydroxyde de sodium dans les SHS dans le but de favoriser un pH alcalin (Pisarenko et Gordon, 2013). À des valeurs de pH supérieures à 13, la force ionique des SHS est plus importante. Pour ces raisons, les SHS devraient être entreposées dans une gamme de pH compris entre 11 et 13 dans laquelle les SHS sont connues pour être plus stables. Les IEP devraient également faire l’acquisition de SHS dont les spécifications du fabricant indiquent le contrôle du pH à des valeurs comprises entre 11 et 13; - contrôler l’enlèvement des ions métalliques de transition par l’achat de SHS filtrées. La présence d’ions métalliques de transition tels que le manganèse, le fer, le cobalt, le nickel et le cuivre est connue pour accélérer le taux de décomposition des SHS. Les concentrations maximales connues pour ne pas avoir d’effet significatif sur la décomposition des SHS sont de 0,1 mg/L pour le Nickel et de 1 mg/L pour le Cuivre, le Fer et le Manganèse (Gordon et Bubnis, 2000);
- utiliser des SHS fraîches autant que possible, éviter les temps de stockages prolongés, assurer un bon roulement des stocks et minimiser les mélanges entres de vieilles et de nouvelles SHS. Des temps de stockage réduits minimiseront la dégradation de SHS. Le mélange d’une SHS vieille avec une nouvelle SHS peut avoir un impact sur la teneur en chlore actif de cette dernière.
On identifie d’autres recommandations bonnes pratiques relatives à la gestion et aux opérations avec les SHS ailleurs dans la littérature. Les IEP devraient entreposer les SHS dans des endroits où la température n’excède pas les 30 °C et procéder à la vérification, dès la réception des stocks, de la teneur en chlore actif des SHS (AWWA, 2010). Les IEP devraient aussi procéder à des contrôles routiniers de la qualité des SHS achetées, sélectionner le produit le plus ‘’propre’’ d’un fournisseur de confiance (Pisarenko et Gordon, 2013) et s’adonner à la vidange et au rinçage des réservoirs utilisés pour le stockage des SHS (Gordon et al, 1997; Olin Corporation, 2016; Purkiss, 2011). En effet, lorsqu’une IEP utilise un seul réservoir pour stocker les SHS, il est probable qu’un résiduel de substances se forme dans le réservoir (Gordon et al, 1997). Il est également recommandé
8
d’utiliser des SHS certifiées selon la norme 60 de la NSF International (NSF)/American National Standards Institute (ANSI) (Santé Canada, 2016; AWWA, 2010).
La norme NSF/ANSI Standard 60 intitulée «Drinking Water Treatment Chemicals Health Effects» publiée par l'organisme américain NSF International et par l'American National Standards Institute a été développée pour établir des exigences minimales dans le but de contrôler les effets potentiellement nuisibles à la santé humaine engendrés par les impuretés pouvant être contenues dans les produits chimiques qui, dans le cadre du procédé de traitement, sont directement ajoutés à l’eau. Tout en tenant compte de l’ensemble des différents points d’injection du produit à travers la filière de traitement, cette norme définit les quantités acceptables en substances, appelées concentrations permissibles par produit individuel (CPPI), qui peuvent être ajoutées à l’eau par un produit unitaire lorsque celui-ci est dosé à son niveau maximal d’utilisation (NMU). Bien qu’il en revienne habituellement aux fabricants de spécifier le NMU de leur produit, le NMU avoisine habituellement 10 mg Cl2/L lorsque les SHS sont utilisées. Selon cette même norme, les CPPI pour le bromate, le chlorite, le chlorate et le perchlorate sont respectivement de 3,3; 100; 300 et de 5 µg/L (NSF/ANSI 60, 2015). Ces spécifications constituent en quelque sorte un facteur de sécurité supplémentaire étant donné que d’autres produits utilisés dans la filière de traitement pourraient également contribuer à ajouter une même substance dans l’eau potable. De manière générale, l’utilisation d’un produit ne devrait pas contribuer à ajouter à l’eau plus d’un dixième de la concentration maximale acceptable dans l’eau potable pour une substance donnée (CMA). Cela dit, lorsque le nombre de sources potentielles de contamination est limité et connu, le NMU peut être encore plus permissif que le dixième de la CMA (Purkiss, 2011). Au Québec, à partir du 8 mars 2017, les responsables des IEP seront tenus d’utiliser uniquement des produits chimiques qui se conforment aux exigences de la norme NSF/ANSI standard 60 (MDDELCC, 2016).
1.2.3 Qualification des opérateurs des installations d’eau potable
Une des nouvelles exigences découlant du RQEP concerne la qualification des personnes qui interviennent sur les équipements de production et de distribution d’eau potable. Entrée en vigueur en juin 2001, cette nouvelle exigence vise notamment à assurer que les opérations et le suivi du fonctionnement des installations municipales de captage, de traitement et de distribution d’eau potable soient réalisés par des opérateurs possédant les compétences requises et à assurer le renouvellement périodique des qualifications des opérateurs (MDDELCC, 2016). Cette nouvelle exigence touche autant les futurs opérateurs d’IEP que ceux qui étaient déjà en fonction avant
9
l’entrée en vigueur de l’exigence. Le profil de qualification à obtenir et les compétences à acquérir dépendent de la catégorie de l’IEP dans laquelle un opérateur est appelé à travailler. Les différentes catégories d’IEP varient selon le type de source d’eau brute utilisée et les caractéristiques des filières de traitement.
Emploi-Québec œuvre à titre de centre administratif de la qualification professionnelle dans le domaine de l’eau potable. Cet organisme offre plusieurs programmes de qualification adaptés aux différentes catégories d’installations. Les notions enseignées, la durée de la formation, la période d’apprentissage sous la supervision d’une compagne ou d’un compagnon reconnu par Emploi-Québec (compagnonnage) et la durée de la validité du certificat varient selon le type de programme de qualification. Les programmes de formation offerts par Emploi-Québec mènent à l’obtention d’un certificat de qualification. Ces programmes sont de courte durée et sont destinées aux personnes qui sont déjà sur le marché du travail. Voici quelques exemples de programmes de qualification offerts par Emploi-Québec dans le domaine du captage, du traitement et de la distribution de l’eau potable (MTESS, 2016) :
- traitement d’eau souterraine sans filtration et réseau de distribution (OTUND); - traitement d’eau souterraine avec filtration et réseau de distribution (OTUFD); - traitement complet d’eau de surface (OST);
- traitement complet d’eau de surface avec désinfection au Chlore et par rayonnement UV (OSChV).
Différents établissements d’enseignement offrent également plusieurs autres types de formations reconnues aux fins de l’application de l’article 44 du RQEP. Ces formations, de plus longues durées que celles offertes par Emploi-Québec, permettent de satisfaire l’exigence réglementaire de qualification et peuvent mener à l’obtention d’un diplôme, d’un certificat d’études ou d’une attestation. Cependant, le ministère du Développement durable, de l’Environnement et de la Lutte contre les changements climatiques (MDDELCC) exige que toutes les personnes possédant un diplôme, un certificat d’études ou une attestation reconnu mais non délivré par Emploi-Québec doivent également avoir un certificat de qualification délivré par Emploi-Québec (MDDELCC, 2016). Voici quelques exemples d’autres formations non offertes par Emploi-Québec mais reconnues dans le domaine de l’eau potable (MDDELCC, 2016) :
- diplôme d’études collégiales (DEC) Assainissement de l’eau;
10
- attestation d’études collégiales (AEC) Traitement des eaux de consommation; - attestation de cours Agent technique en traitement des eaux;
- certificat d’études collégiales Assainissement de l’eau.
Suite à l’obtention de leur certificat de qualification délivré par Emploi-Québec, les opérateurs doivent le renouveler avant son échéance s’ils veulent continuer d’exercer légalement leur profession. À cette fin, les opérateurs doivent remplir et joindre à leur demande de renouvellement un document d’attestation d’emploi faisant foi qu’ils ont occupé un emploi pertinent pendant au moins 6 mois au cours des trois dernières années. Si, toutefois, le titulaire d’un certificat ne répond pas à cette exigence, il est contraint de s’inscrire, de se présenter et de réussir à nouveau l’examen relatif à la formation préalablement suivie (Emploi-Québec, 2016). Cependant, pour les personnes possédant, en plus d’une certification dans le domaine de l’eau potable, une certification dans le domaine des eaux usées, le fait de ne pas répondre à cette exigence peut être compensé par des heures de formation (MESS, 2017).
Selon la catégorie d’installation d’eau potable pertinente, plusieurs notions par rapport à la chloration de l’eau doivent être acquises par les personnes qui suivent les programmes de qualification offerts par Emploi-Québec. Dans l’édition de septembre 2013 du cartable de formation OTUND/OTUFD du Cégep de Saint-Laurent, certains objectifs d’apprentissages relatifs à la chloration de l’eau traitent spécifiquement des SHS. Puisque la gestion des stocks de réactifs chimiques tel que les SHS est primordiale afin d’assurer un fonctionnement fiable et sans discontinuité des IEP, elle fait partie intégrante des tâches de travail des opérateurs et on en fait conséquemment mention dans le cadre de la formation. Le tableau 1.1 fait la revue des différentes notions relatives aux bonnes pratiques de gestion et d’opération avec les SHS repérées dans l’édition septembre 2013 du cartable de formation OTUND/OTUFD du Cégep de Saint-Laurent (Cégep de Saint-Laurent, 2013).
11
Tableau 1.1 Notions relatives à la gestion et aux opérations des SHS repérées dans l’édition septembre 2013 du cartable de formation OTUND/OTUFD du Cégep de Saint-Laurent
Informations générales sur l’hypochlorite de
sodium
-Les solutions d’hypochlorites sont relativement instables. Elles se dégradent et perdent de la puissance avec le temps.
-La décomposition se traduit principalement par une diminution de la teneur en chlore actif du produit.
-Produits de décomposition ou de combustion des solutions : chlorure d’hydrogène, gaz et vapeur irritants et toxiques, chlorate de sodium, oxygène et hydrogène.
Facteurs affectant la
stabilité -Température, concentration de la solution, durée d’entreposage et exposition à la lumière. Bonnes pratiques
relatives aux conditions et à la durée d’entreposage
-L’inventaire devrait être géré de manière à ne pas dépasser une durée d’entreposage de 2 mois. -Dans la mesure du possible, on tentera d’entreposer les SHS à des températures comprises entre 10 °C et 15 °C. On doit toutefois éviter le gel (le point de congélation est de -25°C pour une solution à 12%). Ne pas entreposer à plus de 30°C.
-Conserver à l’abri de la lumière et dans un endroit sec. Bonnes pratiques de
gestion des stocks
-Toujours utiliser les produits les plus anciens avant les produits nouvellement reçus. -Procéder à l’analyse de la concentration des SHS.
-Vérifier périodiquement la concentration réelle de la solution diluée si utilisée.
Mises en garde
-L’utilisation d’hypochlorite de sodium entreposé depuis une longue période se traduira par une consommation plus élevée afin d’obtenir la même concentration de chlore résiduel désirée à la sortie de l’unité de production d’eau potable.
-Si vous entreposez l’hypochlorite de sodium à la chaleur, vous risquez d’utiliser une solution beaucoup moins concentrée que ce que vous pensez.
-Si la concentration de l’hypochlorite a été altérée par un mauvais entreposage ou un entreposage prolongé, l’efficacité de la désinfection pourrait en être affectée.Il faut vérifier régulièrement le résiduel de chlore et la concentration de la solution désinfectante préparée sur place. On ne doit jamais se fier uniquement au volume de solution injectée quotidiennement pour vérifier le bon fonctionnement du système de chloration.
La décomposition augmente avec la température. Plus la solution entreposée est concentrée, plus la décomposition est rapide. Une augmentation de 5,5 °C double le taux de décomposition. À 21 °C, on considère que la concentration passe de 12 % à 10 % en un mois. La durée de vie des SHS est d’au plus 6 mois si elles sont entreposées à une température inférieure ou égale à 15 °C.
12
Tel que mentionné dans le tableau 1.1, les opérateurs sont sensibilisés à l’importance de procéder à l’analyse de la concentration des SHS qu’ils utilisent pour le traitement de l’eau. Cette analyse permet de contrôler la qualité du produit (teneur en chlore actif) à la réception des stocks, de mieux intervenir sur les conditions d’entreposage si ces dernières sont inadéquates et accélèrent la décomposition du produit, de contrôler la concentration des SHS diluées préparées et de mieux contrôler leurs dosages. La procédure (c.-à-d. les manipulations et l’appareillage nécessaires) pour effectuer l’analyse est décrite, bien détaillée et expliquée dans le cartable de formation. Dans ce dernier, on trouve un tableau spécifiant les ordres de grandeur de la durée de demi-vie d’une SHS en fonction de sa température d’entreposage et de sa concentration (Cégep de Saint-Laurent, 2013).
Tableau 1.2 Durée de la demi-vie des solutions d’hypochlorite de sodium selon la température d’entreposage et leur concentration (adapté de Cégep de Saint-Laurent, 2013).
Demi-vie (jours) Température (°C) Concentration (%) 12 9 5 2,5 20 100 500 900 - 30 25 200 500 - 40 5 50 150 300 50 1 10 40 100 60 0,3 0,3 4 30
Il va sans dire que de nombreuses autres notions relatives aux SHS sont également présentées dans le cartable de formation mais celles-ci ne seront pas discutées en raison de leur rapport éloigné avec la problématique abordée dans le cadre de ce mémoire.
1.2.4 Les petites installations d’eau potable
Au Canada, la gestion de l’eau potable relève généralement de la responsabilité des provinces et des territoires. Il en revient habituellement aux municipalités de superviser les activités quotidiennes des IEP (Santé Canada, 2015). Puisqu’environ 86% de la population québécoise est raccordée à un réseau de distribution d’eau potable municipal (MDDELCC, 2016), la distribution d’une eau de bonne qualité, esthétiquement acceptable et qui ne représente pas de risque pour la santé des consommateurs s’inscrit donc comme l’un des principaux objectifs des municipalités (Scheili, 2015). Dans le bilan de la qualité de l’eau potable du Québec 2010-2014 (MDDELCC, 2016), les IEP québécoises sont catégorisées en fonction de leur taille. La taille des IEP est définie selon le nombre de personnes desservies par leur réseau de distribution d’eau potable. Dans le cadre de ce mémoire, les petites IEP seront définies comme étant celles dont les réseaux de distribution d’eau potable desservent moins de 2 000 personnes. Les petites municipalités sont connues pour
13
avoir moins de ressources que celles de plus grande taille. Elles souffrent souvent de manques d’expertise et de ressources techniques, financières et opérationnelles quant à la gestion de l’eau potable (Coulibaly et Rodriguez, 2003). Les petites IEP doivent bien souvent composer avec des infrastructures vieillissantes ou inadéquates et des équipements moins robustes en plus d’avoir de la difficulté à recruter et à retenir du personnel qualifié (USEPA, 2013). Les choix stratégiques des petites municipalités concernant la gestion de l’eau s’avèrent donc limités par ce manque de ressources (Scheili, 2015). Les caractéristiques de l’eau brute conditionnent le type du traitement visant à la rendre propre à la consommation. Grâce à la capacité filtrante du sol, les eaux souterraines sont généralement de meilleure qualité que les eaux de surface. Elles nécessitent donc un traitement moins complexe et conséquemment moins couteux (MDDEP, 2008). Les sources d’eau souterraine sont aussi habituellement situées à proximité des lieux de consommation. En ce sens, elles s’avèrent dans bien des cas l’unique source économiquement exploitable pour la production d’eau potable, et ce, particulièrement pour les petites municipalités (MDDEP, 2008). La production d’eau potable exige beaucoup de connaissances et de coordination de la part des divers intervenants pour assurer une gestion intégrée et appropriée de toutes les composantes des IEP (c.-à-d. de la source jusqu’au robinet des consommateurs). De par la surveillance et les opérations ponctuelles qu’ils effectuent, les opérateurs des IEP se retrouvent au cœur de la gestion de l’eau. Dans les petites municipalités, les tâches associées à la gestion de l’eau ne nécessitent souvent pas un travail à temps plein. Comme les ressources humaines y sont généralement limitées, les opérateurs des IEP ont souvent sous leur responsabilité plusieurs autres tâches qui ne sont pas en lien avec la gestion de l’eau. De ce fait, il n’est pas rare que les municipalités recourent aux services d’opérateurs moins expérimentés et dont la formation est souvent plus sommaire (EOCP, 2010).
Tel que mentionné précédemment, l’utilisation des SHS est très répandue dans les IEP. La désinfection de l’eau à l’aide de SHS est la méthode la plus couramment utilisée dans les petites IEP au Québec (MDDEP, 2012). En raison de leur manque de ressources, les petites IEP seraient donc plus sujettes à rencontrer des difficultés, notamment lorsque vient le temps de mettre en application les meilleures pratiques de gestion et d’opération avec les SHS. De plus, de façon à couvrir leur frais de déplacement, les fournisseurs de SHS peuvent être réticents à livrer des SHS en dessous d’une certaine quantité. Il n’est donc pas rare que les petites IEP soient contraintes de faire la commande de volumes de SHS relativement importants eu égard à leur besoin journalier. En raison du nombre moins élevé de personnes à desservir, les petites IEP ne produisent pas de gros débit d’eau potable et les volumes de SHS nécessaires pour en assurer quotidiennement le
14
traitement sont dès lors moins importants. Conséquemment, les temps durant lesquels les SHS sont entreposées avant leur utilisation sont d’avantages enclins à être prolongés, et souvent de plusieurs mois.
1.2.5 Gestion et opérations avec les solutions d’hypochlorite de sodium
Un nombre très restreint d’études s’est intéressé à documenter les pratiques en lien avec la gestion et les opérations avec les SHS dans des IEP. Parmi ces études, on note celle de Boylard et al, (1993) qui contient plusieurs informations intéressantes. Selon ces auteurs, dans les IEP étasuniennes étudiées utilisant des SHS pour le traitement de l’eau, les SHS étaient achetées à des fréquences régulières comprises entre des fréquences bimensuelles et annuelles et, dans la grande majorité des cas, sans information relative à la date de fabrication des SHS. Les auteurs discutent également du fait que la plupart des IEP étudiées ne procédaient pas à la vérification de la concentration en chlore des SHS achetées. En ce qui a trait aux conditions de stockage mentionnées dans cette étude, on note que les SHS sont entreposées à différents endroits tels que des UPE, des garages, des sous-sols à air climatisé ou non et avec des températures pouvant atteindre les 30 °C en été. Finalement, on fait également mention de différents formats d’utilisation tel que le vrac et des bidons de volumes variables. Pour leur part, Garcia-Villanova et al, (2010) évoquent dans leur étude réalisée sur des IEP en Espagne que les SHS étaient conservées à de faibles températures et hors de la portée de la lumière du soleil mais que les informations fournies par les opérateurs par rapport au temps de stockage avant utilisation étaient incomplètes et inexactes. Pour finir, Asami et al, (2009) rapportent que, dans les IEP japonaises qu’ils ont étudiées, les temps de stockage de SHS pouvaient dépasser 2 ans et que 14 des 37 IEP étudiées entreposaient les SHS dans un endroit climatisé.
1.2.6 Contamination des solutions d’hypochlorite de sodium
Peu d’études ont à ce jour documenté l’état de la contamination des SHS utilisées dans les IEP. Parmi ces études, celle de Zewdie et al, (2010) concernant des IEP étasuniennes rapporte avoir observé des concentrations de perchlorate variant de moins de 1 µg/L dans des SHS nouvellement livrées à 6 750 µg/L dans des SHS stockées pendant 26 jours suite à la livraison. Dans des échantillons de SHS provenant d’IEP étasuniennes, Stanford et al, (2011) rapportent des concentrations de perchlorate variant de 220 à 14 000 µg/L, des concentrations de chlorate variant de 1 800 à 19 000 µg/L et des concentrations de bromate variant de 7 700 à 30 000 µg/L. Pour leur part, Aranda-Rodriguez et al, (2014) ont mesuré, dans leurs échantillons en provenance d’IEP canadiennes, des concentrations de chlorate variant de 0 à 8 500 mg/L en été et variant de 500 à
15
4 000 mg/L en hiver et des concentrations de bromate variant de 6 000 à 32 000 µg/L en hiver et variant de 6 000 à 48 000 µg/L en été. Cette étude semble être la seule qui ne s’est pas limitée à faire une investigation ponctuelle de l’état de la contamination des SHS. De leur côté, Asami et al, (2009) ont prélevé 37 échantillons de SHS en provenance de 37 IEP au Japon. Dans ces échantillons, la concentration moyenne de bromate était de 96 mg/L avec une valeur maximale de 414 mg/L. La concentration moyenne de chlorite était de 145 mg/L avec une valeur maximale de 397 mg/L. La concentration moyenne de chlorate était de 15 300 mg/L avec une valeur maximale de 260 000 mg/L et les concentrations de perchlorate variaient de 170 à 33 000 µg/L. Selon Garcia-Villanova et al, (2010), sur 40 échantillons de SHS provenant de 19 IEP en Espagne, 33 échantillons ont été testés positivement pour le bromate, avec des concentrations variant de 219 à 7684 mg/L. 31 échantillons ont été positifs pour le chlorite à des concentrations variant de 476 à 36 200 mg/L et 39 échantillons l’étaient pour le chlorate à des concentrations variant de 1558 à 140 731 mg/L. Boylard et al, (1992) ont prélevé des échantillons de SHS en provenance de 14 IEP. Le pH de tous les échantillons était supérieur à 9. Les concentrations de chlorate des échantillons variaient de 0,2 à 42 g/L. Les concentrations de bromate variaient de 4 à 51 mg/L tandis que celles du chlorite variaient de 11 à 130 mg/L. Finalement, sur un total de 8 échantillons de SHS, Snyder et al, (2009) rapportent que le fer a été détecté dans 3 échantillons (1 100, 2 300 et 9 200 µg/L), que le nickel a été détecté dans 2 échantillons (110 et 200 µg/L) et le cuivre dans un seul échantillon (110 µg/L). Le cobalt et le manganèse n’ont été détectés dans aucun des échantillons.
1.2.7 Présence des substances associés aux solutions d’hypochlorite de sodium dans l’eau potable
Il existe relativement peu d’information sur la présence de bromate, de chlorite, de chlorate et de perchlorate dans l’eau potable ayant été traitée avec des SHS. Différentes études permettent néanmoins d’avoir une idée de l’ordre de grandeur des concentrations de ces substances retrouvées dans l’eau potable et dont la présence peut être expliquée par la contamination des SHS. Parmi ces études, Boylard et al, (1993) rapportent des concentrations de chlorate variant de 11 à 660 µg/L dans l’eau traitée de 14 IEP. Les concentrations moyenne et médiane mesurées sont respectivement de 88 et 178 µg/L (la présence de chlorate a été détectée dans les sources d’approvisionnement souterraines de deux des IEP investiguées dans le cadre de cette étude). Stanford et al, (2011) ont rapporté des concentrations de perchlorate variant de 1,2 à 3,6 µg/L, des concentrations de chlorate variant de 0,019 à 1,2 mg/L et des concentrations de bromate variant de 0,5 à 2,9 µg/L dans l’eau traitée et distribuée de 5 IEP. Garcia et Villanova et al, (2010) rapportent pour leur part des concentrations de 1 à 49 µg/L pour le bromate, de 1 à 339 µg/L pour le chlorite et de 2 à 4 430
16
µg/L pour le chlorate. Les concentrations mesurées dans le cadre de cette étude proviennent de 509 échantillons d’eau traitée issus de 261 IEP dont plus de 98% d’entre elles utilisent les SHS pour le traitement de l’eau (les autres IEP utilisent l’hypochlorite de calcium); les taux de détection du bromate, du chlorite et du chlorate dans les échantillons d’eau sont respectivement de 33,6%, 60,5% et 34,8%. Dans l’étude d’Aranda-Rodriguez et al, (2014) où 16 IEP ont été étudiées, le bromate a été détecté dans 100% des échantillons d’eau traitée et distribuée avec des concentrations variant de 2,2 à 11,2 µg/L ainsi que dans un échantillon d’eau brute servant de source d’approvisionnement pour les IEP; le chlorate a été détecté dans 100% des échantillons avec des concentrations variant de 0,002 à 1,6 mg/L (1 seul échantillon avec une concentration supérieure à 1 mg/L). Le chlorite n’a pas été détecté et le perchlorate l’a été dans 80% des échantillons d’eau traitée et distribuée et dans 50% des échantillons d’eau brute servant de source d’approvisionnement pour les IEP. Cette étude semble être la seule qui s’est intéressée à investiguer les variations saisonnières de l’occurrence de ces substances dans l’eau potable.
1.3
Problématique de l’étude
À l’heure actuelle, il y a un manque d’information sur la contamination des SHS utilisées pour le traitement de l’eau dans les IEP québécoises et sur les pratiques de gestion et d’opération qui leur sont associées. Il s’avère donc pertinent de documenter ces aspects, particulièrement dans les petites IEP dont la vulnérabilité à cette problématique est potentiellement intensifiée par le manque de ressources, d’autant plus que les petites IEP sont celles qui, en nombre, sont le plus fortement représentées au Québec.
1.4
Contexte de l’étude
Dans le cadre de son Programme de surveillance de la qualité de l’eau potable, la Direction de l’eau potable et des eaux souterraines (DEPES) du MDDELCC est partenaire du projet de recherche intitulé Optimizing residual disinfectant management in drinking water of small systems réalisé par la Chaire de recherche industrielle CRSNG en gestion et surveillance de la qualité de l’eau potable de l’Université Laval (CREPUL) dont le mandat a été délivré par le consortium canadien RES’EAU-WaterNET. Cette collaboration a mené à la mise en place d’un projet de suivi de la qualité de l’eau potable dans les petites IEP du Québec. Ce projet vise à documenter :
17
- 2) La présence des substances associées aux SHS dans l’eau traitée et distribuée par ces IEP ainsi que dans les SHS elles-mêmes;
- 3) La gestion des SHS dans ces IEP.
Le présent projet de maîtrise concerne les aspects 2 et 3.
1.5
Objectifs de l’étude
L’objectif principal de l’étude est d’améliorer les connaissances sur les SHS utilisées pour la production d’eau potable, en particulier dans les petites IEP (c.-à-d. desservant moins de 2 000 personnes). Il s’agit d’une étude à caractère exploratoire qui a deux objectifs spécifiques. Le premier objectif spécifique est de documenter saisonnièrement l’état de la contamination intrinsèque des SHS et la présence des substances qui leur sont associées dans l’eau traitée et distribuée de neuf petites IEP municipales du Québec approvisionnées en eau souterraine. Le deuxième objectif spécifique est de dresser le portrait des pratiques de gestion et d’opération avec les SHS implantées dans les IEP à l’étude.
18
2
Méthodologie
2.1
Critères de sélection des installations d’eau potable à l’étude
Les IEP à l’étude ont été sélectionnées en fonction de plusieurs critères. La sélection des IEP s’est faite dans le but d’atteindre les objectifs du projet issu de la collaboration entre la CREPUL et la DEPES. Les IEP à l’étude devaient répondre aux exigences suivantes :
- IEP municipales alimentées en eau souterraine;
- IEP utilisant l’hypochlorite de sodium pour la désinfection de l’eau;
- l’ensemble des IEP sélectionnées devait offrir une bonne variation historique des concentrations des SPC normés c’est-à-dire, des valeurs en dessous des normes, proches des normes et qui dépassent les normes;
- eau potable caractérisée par une proportion élevée de THM bromés (les sous-produits émergents sont fortement représentés par des composés bromés et iodés);
- IEP situées à une distance raisonnable de l’Université Laval et les uns des autres, pour optimiser la logistique des campagnes d’échantillonnage;
- IEP dont les responsables voulaient participer au projet.
2.2
Études de cas
Les études de cas sont neuf petites IEP municipales localisées sur la rive sud de la région de Québec. Les populations desservies par ces IEP comprennent de 40 et 1 840 personnes. Toutes les IEP à l’étude utilisent les SHS pour le traitement de l’eau. Chacune d’entre elles se distingue par sa filière de traitement et le nombre de puits exploités pour la production d’eau potable. Les IEP sont situées à une distance raisonnable de l’Université Laval (au maximum 165 kilomètres). Le tableau 2.3 présente chacune des IEP à l’étude.
19
Tableau 2.1 Description des IEP à l’étude
IEP Source Nombre de puits Filières de traitement Population desservie – 20122
Population desservie –
20163
A Eau souterraine 1 puits Chloration; Stockage dans le réservoir (précipitation du Mn par décantation); Distribution 40 40 B Eau souterraine
2 puits (mais 1 seul est en opération à la fois) + mélange des
puits de l’IEP E
Permanganate de potassium; Aérateur (soufre); Polymère; Filtration Sable/Anthracite; Adoucisseur; Chloration (à l'UPE); Transport jusqu'au réservoir (10 km); Chloration à
l'entrée du réservoir; Stockage; Distribution
1800 1840 C Eau souterraine 10 ou 11 puits Chloration; Filtration (type inconnu); Stockage; Distribution 1220 1800 D Eau souterraine (70%) + drainage horizontal (30%)3 1 puits + drainage
horizontal Chloration; Stockage; Distribution 541 405
E Eau souterraine 3 puits Préchloration; Filtration Sable Vert; Adoucisseur; Post-chloration; Stockage; Distribution 920 920 F Eau souterraine 2 puits sauf en hiver où il n'y a qu'un
puits en fonction
Préchloration; Permaganate de potassium; Polymère;
Filtration Sable Vert; Post-chloration; Stockage; Distribution 400 400 G Eau souterraine seulement 3-4 puits) 5 puits (en hiver, Chloration; Permanganate de potassium; Filtration Sable Vert; Stockage; Distribution 1720 1720
H
Eau souterraine
2 puits
À la station de pompage = Permanganate de potassium; Préchloration (les 2 étapes sont réalisées en même temps);
transport jusqu’à l'UPE 1080 930 Eau souterraine À l'UPE = Filtration Sable Vert; Post-chloration; Stockage; Distribution
I Eau souterraine 1 puits Permanganate de potassium; Filtration Sable Vert; Chloration; Stockage; Distribution 250 250
1La source d’approvisionnement de cette IEP est classée comme étant de l’eau souterraine (MDDELCC, 2016). D’après la filière de traitement en place, il semble
que l’eau de source ne soit pas sous l’influence directe d’eaux de surface. Des travaux sont actuellement en cours pour analyser l’eau captée par le drain horizontal. Des modifications à la filière de traitement sont anticipées.
2MDDELCC, 2012. 3MDDELCC, 2016.
20
2.3
Acquisition des données
L’acquisition des données qui permettent d’atteindre les objectifs de la recherche a été assurée par quatre activités complémentaires. Celles-ci sont discutées dans leur ordre chronologique de réalisation. D’une part, des campagnes de prélèvement ont été effectuées pour échantillonner les SHS ainsi que l’eau traitée et distribuée des IEP à l’étude. De plus, un premier questionnaire a été distribué aux opérateurs et/ou autres personnes impliquées dans la gestion des SHS dans les IEP. Ensuite, des entrevues ont été réalisées avec ces mêmes personnes. Les entrevues ont été réalisées en personne avec les répondants suite à la prise d’un rendez-vous et ont été conçues pour durer approximativement quarante-cinq minutes. Finalement, un deuxième questionnaire a été distribué à la fin de l’entrevue.
Les questionnaires et la grille d’entrevue ont été construits de façon à répondre aux objectifs spécifiques, lesquels seront discutés ultérieurement. Leur contenu a fait l’objet de vérifications et a été validé par les partenaires du projet de la DEPES de façon à assurer l’exhaustivité des documents. L’élaboration des documents et la construction des questionnaires ont été inspirées principalement des travaux d’Anna Scheili au sein de la Chaire (Scheili, 2015).
Il a été jugé pertinent de fragmenter en trois activités distinctes l’acquisition des données sur la gestion et les opérations avec les SHS (questionnaire 1, entrevues et questionnaire 2). Il en a été convenu ainsi parce qu’il nous semblait laborieux de distribuer un questionnaire trop imposant et comprenant des questions dont la compréhension pouvait s’avérer plus problématique à l’écrit qu’à l’oral. Certaines questions étaient plus propices à être posées au moyen d’un questionnaire puisque les réponses étaient plus susceptibles d’exiger un recours à des documents. Également, certains sujets dont l’investigation nécessitait différentes sous-questions dépendamment de la réponse obtenue étaient plus facilement abordables au moyen d’une entrevue. Par ailleurs, l’enquête sur les sujets les plus complexes a été préférée durant l’entrevue puisqu’il était possible d’apporter, durant l’entrevue, des précisions pour faciliter la compréhension des répondants. Certaines questions dont les réponses pouvaient être potentiellement plus élaborées ont été posées durant l’entrevue pour ne pas contraindre les répondants à devoir écrire abondamment. Les questions qui portaient sur les mêmes thématiques ont également été regroupées dans les mêmes activités d’acquisition des données. Le fait de procéder par trois activités distinctes a également permis d’être plus accommodant envers les répondants en allégeant chacune des activités ainsi que de nous permettre de confirmer, infirmer ou clarifier durant l’entrevue, certaines informations obtenues dans le
21
questionnaire 1. Pour nous permettre d’obtenir les réponses les plus représentatives, il a été convenu que le questionnaire 2 allait être distribué après la réalisation de l’entrevue parce que certains des thèmes abordés au cours de cette dernière conditionnaient les répondants aux questions posées dans le questionnaire 2.
2.3.1 Campagnes de prélèvement
Afin d’obtenir un portrait de la variation temporelle de l’état de la contamination des SHS et de la présence des substances qui leur sont associées dans l’eau traitée et distribuée des IEP à l’étude, des campagnes de prélèvement trimestrielles ont été réalisées pendant un an. Quatre campagnes de prélèvement ont été réalisées dans chacune des neuf IEP à l’étude (tableau 2.2). Les SHS qui ont été prélevées sont celles qui allaient être utilisées pour le traitement au moment même de chaque visite (c.-à-d. les prochaines SHS qui allaient être utilisées dans l’inventaire sur place). L’eau des IEP a été échantillonnée à trois points de prélèvement. Ces points de prélèvements correspondent à différents temps de séjour de l’eau dans les réseaux de distribution des IEP, soit à l’eau traitée (c.-à-d. l’eau ayant subi l’intégralité du traitement préalable à sa distribution sortant des réservoirs d’eau potable servant à alimenter les réseaux de distribution) ainsi qu’au centre et à l’extrémité des réseaux de distribution. Les campagnes de prélèvements ont également servi à mesurer plusieurs autres paramètres à l’eau brute, traitée et distribuée (au centre et à l’extrémité) des réseaux à l’étude. Une liste exhaustive de tous les paramètres est présentée en annexe (Annexe A-7, A-8). Ces autres données ne feront pas partie de la présente recherche.
22
Tableau 2.2 Dates de réalisation des campagnes de prélèvements
Campagnes de prélèvement Installations d’eau potable Dates
Été 2014 A 19/08/2014 B 13/08/2014 C 18/08/2014 D 20/08/2014 E 13/08/2014 F 20/08/2014 G 12/08/2014 H 12/08/2014 I 19/08/2014 Automne 2014 A 04/11/2014 B 19/11/2014 C 10/11/2014 D 12/11/2014 E 29/10/2014 F 05/11/2014 G 18/11/2014 H 17/11/2014 I 10/11/2014 Hiver 2015 A 04/02/2015 B 09/02/2015 C 23/02/2015 D 02/02/2015 E 11/02/2015 F 17/02/2015 G 16/02/2015 H 19/02/2015 I 23/02/2015 Printemps 2015 A 13/05/2015 B 06/05/2015 C 04/05/2015 D 11/05/2015 E 06/05/2015 F 05/05/2015 G 12/05/2015 H 07/05/2015 I 04/05/2015 2.3.1.1 Paramètres analysés
Selon l’entente de collaboration établie entre la Chaire et la DEPES, les analyses des substances associées aux SHS ont été réalisées par le Centre d’expertise en Analyse environnementale du Québec (CEAEQ). Dans les SHS, les paramètres analysés sont : perchlorate, bromate, chlorate, chlorite, les métaux (nickel, manganèse, fer, cobalt et cuivre) ainsi que le pH. Dans l’eau traitée et distribuée, les paramètres analysés sont : perchlorate, bromate, chlorate et chlorite.
23 2.3.1.2 Méthodes analytiques
Les analyses du perchlorate dans les échantillons de SHS et d’eau ont été effectuées par la méthode d’analyse MA. 303 – ClO4 1.1 du CEAEQ (Détermination du perchlorate dans l’eau : dosage par chromatographie ionique avec détecteur conductivimétrique). La limite de détection de cette méthode pour le perchlorate est de 100 µg/L pour les échantillons de SHS et de 0,1 µg/L pour les échantillons d’eau.
Pour leur part, les analyses du bromate, chlorite et du chlorate dans les échantillons de SHS et d’eau ont été effectuées par la méthode d’analyse MA. 303 – Ions 3.2 du CEAEQ (Détermination des anions en faible concentration dans l’eau de consommation : méthode par chromatographie ionique). Les limites de détection pour le bromate, le chlorite et le chlorate que confère cette méthode sont respectivement de 0,1; 0,2 et 0,2 µg/L autant pour les échantillons de SHS que pour les échantillons d’eau.
Les analyses des métaux (nickel, manganèse, fer, cobalt et cuivre) contenus dans les échantillons de SHS ont été effectuées par la méthode MA. 203 – Mét. ICP-MS du CEAEQ (Détermination des métaux dans l’eau : méthode par spectrométrie d’émission au plasma d’argon et détection par spectrométrie de masse). Les limites de détection conférées par cette méthode sont de 0,1; 0,02; 0,1; 0,1 et 0,1 mg/L pour le nickel, le manganèse, le fer, le cobalt et le cuivre, respectivement.
La mesure du pH des échantillons de SHS a été effectuée avec la méthode MA. 303 – Titr. Auto 2.1 du CEAEQ (Détermination du pH et de la conductivité dans l’eau : méthode avec un titrateur automatique).
2.3.1.3 Méthode d’échantillonnage
Pour chacun des points de prélèvements (c.-à-d. à l’eau traitée, au centre et à l’extrémité des réseaux de distribution), les bouteilles suivantes ont été remplies :
- 1 bouteille de 125 ml en plastique avec EDA (éthylène diamine) pour l’analyse du bromate, chlorite et chlorate;
- 1 bouteille de 100 ml en plastique pour l’analyse du perchlorate.
Afin d’obtenir des échantillons représentatifs lors des prélèvements à l’eau traitée, au centre et à l’extrémité des réseaux de distribution, les mesures suivantes ont dû être prises :
