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Surveillance des THM dans l'eau potable

Les THM : une introduction

L'ensemble des composés formés lors du processus de désinfection de l'eau est collectivement appelé sous-produits de désinfection (SPD). Les trihalométhanes (THM) sont des sous-produits de désinfection qui se forment lorsque le chlore (ou un produit à base de chlore) est utilisé comme désinfectant. Les THM couramment trouvés dans l'eau destinée à la consommation humaine sont : le chloroforme, le bromodichlorométhane (BDCM), le dibromochlorométhane (DBCM) et le bromoforme, le chloroforme étant généralement le composant principal.

De nombreux trihalométhanes sont considérés comme dangereux pour la santé et suspectés d'être cancérigènes. La directive européenne sur l'eau potable stipule que l'eau destinée à la consommation humaine ne doit pas dépasser 100 µg/l de THM totaux et la réglementation américaine fixe un niveau maximum de 80 µg/l de THM totaux.

Le chlore et les THM

Le chlore est l'un des désinfectants les plus couramment utilisés dans le monde et il est utilisé depuis plus de 100 ans. Il est facile à produire, à stocker et l'eau désinfectée conserve un niveau de chlore qui la maintient désinfectée dans le réseau de distribution jusqu'au robinet.

L'un des principaux avantages de la chloration de l'eau est la réduction drastique des infections par les maladies bactériennes, virales et parasitaires. Le principal inconvénient de la désinfection au chlore est le potentiel de formation de THM. D'autres méthodes de désinfection comme l'ozone ou les UV ne présentent pas ce problème mais sont cependant beaucoup plus coûteuses à mettre en œuvre et à exploiter, donc moins couramment utilisées dans les grandes installations.

Les THM dans l'eau : le tableau complet

Les THM sont générés lors de la désinfection de l'eau, par la réaction du chlore (ou du dioxyde de chlore/hypochlorite) avec la matière organique naturelle (MON) présente dans l'eau, telle que l'acide humique et l'acide fulvique. La concentration de THM dans l'eau dépendra : de la quantité de chlore présente, du temps de contact du chlore avec la matière organique, de la quantité de matière organique, de la concentration de bromures dans l'eau, du pH et de la température.

« Précurseurs de THM » désigne la matière organique dissoute, naturellement présente dans l'eau, comprenant un mélange hétérogène issu de la décomposition de matières organiques (plantes, bactéries, etc.). En général, il a été constaté que les précurseurs de THM sont les substances contenant des structures aromatiques, mais le tableau est compliqué en termes de prédiction des THM par des facteurs supplémentaires tels que :

  1. Les caractéristiques chimiques distinctives associées aux origines
    Le chloroforme est le THM le plus abondant et est généralement le principal sous-produit de la désinfection trouvé dans l'eau chlorée. Cela est principalement dû au fait que la majorité des sources d'eau ne contiennent pas une abondance d'espèces bromées.
  2. Les dépendances saisonnières liées aux cycles de vie de la flore
  3. La dépendance au temps de séjour.
    Par exemple, lors de la « première pluie », beaucoup de matières organiques accumulées dans le sol sont entraînées dans la rivière. Cela conduit à des niveaux plus élevés de THM. De plus, plus le chlore doit interagir longtemps avec les matières organiques, ce qui fait que les schémas de demande influencent les niveaux de THM.
  4. Les processus hydrologiques et biogéochimiques

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Études sur les THM et risques pour la santé publique

Les études concernant la formation des trihalométhanes suite à l'ajout de chlore dans l'eau ont été menées pour la première fois aux États-Unis dans les années 1970. À cette fin, des procédures basées sur la chromatographie en phase gazeuse et la spectrométrie de masse ont été utilisées. Les études épidémiologiques associent l'exposition aux sous-produits de désinfection, principalement les THM, à des effets sur la santé tels que le cancer de la vessie et certaines malformations congénitales chez les nouveau-nés de mères exposées.

Des études sur le cancer de la vessie ont montré un risque accru avec des expositions prolongées aux THM (plus de 30 ans). L'EPA américaine classe le chloroforme et le bromoforme comme cancérigènes probables et le dibromochlorométhane comme cancérigène possible pour l'homme dans certaines conditions d'exposition. Cela signifie que, bien qu'il existe des indications de cancérogénicité chez les animaux de laboratoire, les preuves sont limitées pour l'homme.

Selon l'Organisation mondiale de la santé (OMS), les risques potentiels posés par les THM sont largement contrebalancés par les dangers de ne pas chlorer les approvisionnements en eau. Le risque posé par les THM est considéré comme à long terme, car il nécessiterait la consommation d'eau pendant toute une vie, comme c'est le cas pour la plupart des produits cancérigènes, pour créer des problèmes. Selon l'OMS, l'exposition à ces substances présente un risque de cancer de 10-5, c'est-à-dire un cas de cancer pour 100 000 personnes qui consomment de l'eau pendant une période minimale de 70 ans. Dans le cas de l'Union européenne, le risque est considéré comme étant de 10-6.

Comme alternative, certains pays développés utilisent le chlorite de sodium comme remplacement de l'hypochlorite de sodium, évitant ainsi la production de THM lors de la purification de l'eau.

Voies d'exposition aux THM

Les THM peuvent être incorporés dans le corps humain par plusieurs voies : ingestion d'eau du robinet, inhalation de THM évaporés et absorption cutanée. De nombreuses activités quotidiennes telles que la consommation d'eau, le bain ou la douche et la natation en piscine peuvent également contribuer à l'exposition totale aux THM.

Réglementations et limites actuelles

L'OMS fournit des valeurs guides recommandées pour les concentrations maximales individuelles de chacun des THM dans l'eau destinée à la consommation humaine. Les valeurs guides représentent la concentration limite d'un composé qui n'entraîne aucun risque significatif pour la santé lors d'une consommation à vie. Ce sont :

  • Chloroforme : 300 μg/l
  • Bromodichlorométhane (BDCM) : 60 μg/l
  • Dibromochlorométhane (DBCM) : 100 μg/l
  • Bromoforme : 100 μg/l

Selon l'OMS, le calcul de la toxicité combinée de tous les THM peut être réalisé à l'aide de l'équation suivante :

Les différents types de THM

THM : État actuel de la technologie de surveillance

Le niveau de sensibilisation au contrôle et à la technologie de surveillance des THM dans l'eau potable varie considérablement dans le monde, malgré le renforcement des réglementations au niveau mondial. Dans certains endroits, les THM ne sont pas considérés comme un problème important (ni même connu).

De nombreuses autres stations de traitement d'eau dépendent d'une analyse en laboratoire bisannuelle ou mensuelle des niveaux de THM. Cela consiste généralement à prélever un échantillon d'eau, à le transporter vers un laboratoire et à l'analyser à l'aide de techniques de chromatographie en phase gazeuse / spectrométrie de masse (GCMS). Le délai pour cette approche peut aller jusqu'à deux semaines.

Lorsque les niveaux de THM sont constamment et historiquement bas (c'est-à-dire < 10 ppb de THM totaux), cette approche est généralement considérée comme suffisante pour se conformer aux réglementations en vigueur. Cela dit, cette approche signifie que les opérateurs s'appuient sur un échantillon très limité pour déterminer les niveaux globaux. Un échantillon ponctuel chaque mois ou tous les six mois n'est probablement pas représentatif.

Enfin, il existe des installations/régions où, en raison des caractéristiques de l'eau source, les THM constituent un problème important et doivent être étroitement surveillés. Dans ces applications, il est très important de trouver un équilibre entre la précision du système, le coût d'achat, les coûts de fonctionnement et la facilité d'utilisation. Cela se produit généralement lorsque les THM totaux sont en moyenne d'environ 30 ppb : il y a toujours un risque de dépassement des THM au-delà de la limite de 80 à 100 ppb et il est dans l'intérêt de la station de traitement de maintenir les niveaux aussi bas que possible.

Suivant les tendances internationales, la réglementation des concentrations de THM est susceptible de devenir plus stricte à l'avenir, donc bien que 100 ppb soit à la limite de l'acceptabilité aujourd'hui (2023), dans de nombreuses parties du monde (du moins d'un point de vue réglementaire), il est très probable que ce ne sera plus le cas dans quelques années lorsque les législateurs et les consommateurs s'attendront à des normes de qualité de l'eau beaucoup plus élevées.

Un certain nombre de technologies différentes sont disponibles sur le marché pour l'analyse des THM. Chaque système a des forces et des faiblesses et une attention particulière doit être portée aux critères suivants avant d'acheter un instrument :

  • Fonctionnement
  • Coût de possession
  • Facilité d'utilisation
  • Précision et fiabilité de la mesure
  • Temps de mesure

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Piégeage par purge avec technique colorimétrique

Il s'agit d'un système en ligne qui peut fournir une lecture toutes les 4 heures ou plus.

Dans cette méthode, l'instrument extrait les THM de l'échantillon d'eau par piégeage par purge sur un matériau adsorbant et les THM concentrés sont ensuite désorbés dans un mélange de réactifs propriétaire qui génère un produit coloré.

En raison du coût des réactifs, le système est très coûteux à exploiter (des dizaines de milliers d'euros par an pour les réactifs) et il n'est généralement pas possible d'avoir une mesure toutes les heures.
La méthode implique également que l'instrument a une complexité inhérente et de nombreux composants différents, ce qui peut entraîner des réparations coûteuses et des problèmes permanents.

Purge/Piégeage – Chromatographie en phase gazeuse – Détecteur à ondes acoustiques de surface

Il s'agit d'un instrument de laboratoire qui a été adapté pour une application sur site.

L'analyseur est un système intégré de purge-et-piégeage connecté à une colonne de chromatographie en phase gazeuse compacte et à un détecteur à ondes acoustiques de surface (SAW). Le système nécessite de l'hélium gazeux, un étalonnage manuel externe et doit être utilisé par des techniciens qualifiés.

De plus, en raison de la nature de la technologie, il est impossible de l'utiliser comme système en ligne : l'opérateur devra se rendre sur place, prélever un échantillon, attendre 30 minutes et obtenir le résultat.

Perméation membranaire – Chromatographie en phase gazeuse – Détecteur à capture d'électrons

Il s'agit d'une méthode expérimentale, pas encore largement acceptée dans l'industrie.

Dans ces types de systèmes, les THM sont extraits d'un échantillon d'eau dans un gaz vecteur. Cela est réalisé en forçant l'eau à travers une membrane perméable, puis en adsorbant les THM sur un piège, suivi de séparations sur une colonne GC. Enfin, les trihalométhanes sont détectés par un détecteur à capture d'électrons. L'utilisation d'un chromatographe en phase gazeuse pour la surveillance en ligne génère des problèmes de stabilité concernant les temps de rétention, l'étalonnage et la validation du système.

L'extraction à travers une membrane semi-perméable a un impact énorme sur la matrice de l'échantillon, notamment la force ionique, le pH et la température. L'encrassement est un problème qui pourrait survenir dans ces types de systèmes. L'utilisation de l'élément radioactif 63Ni dans le détecteur n'est pas souhaitable et un tel système nécessiterait un gaz vecteur et serait assez coûteux.

Détecteur à fluorescence avec perméation membranaire et réaction chimique :

Il s'agit d'une méthode expérimentale, pas largement acceptée dans l'industrie.

Dans cette méthode, les trihalométhanes passent de l'eau dans le mélange de réaction chimique à travers une membrane semi-perméable dans un flux continu de réactifs, suivi de la mesure de la fluorescence générée par la réaction des THM avec le nicotinamide alcalin. Cette méthode nécessite beaucoup de réactifs. L'extraction à travers une membrane semi-perméable a un impact énorme sur la matrice de l'échantillon, notamment la force ionique, le pH et la température. L'encrassement est également un problème qui pourrait survenir dans ces types de systèmes.

Chromatographe en phase gazeuse de process (GC) avec TID (Détecteur à ionisation thermique) et PID (Détecteur à photoionisation)

Ce système est un chromatographe en phase gazeuse de process traditionnel avec technologie TID et PID. Cette technologie est assez précise et permet la spéciation. Compte tenu de la complexité de l'instrument, il exige un coût d'achat élevé et un réétalonnage fréquent (une fois par mois). De plus, pour fonctionner, une source d'air comprimé est nécessaire, sans parler d'un technicien système qualifié.

Nez électronique

La technologie du nez électronique utilise l'échantillonnage des gaz de l'espace de tête dans un réservoir d'échantillonnage et le passage de ces gaz sur des capteurs sensibles pour mesurer le niveau de THM. Un exemple est le Multisensor Systems MS2000.

L'avantage de la technologie du nez électronique est qu'elle se prête à un fonctionnement en ligne, est robuste dans divers environnements et n'utilise aucun réactif. La présentation de l'échantillon est également simple, réduisant la possibilité d'encrassement et, étant une technique sans contact, le nettoyage des capteurs n'est pas nécessaire.

Principe de fonctionnement

Le principe de fonctionnement des analyseurs THM MS2000 est la mesure des gaz de l'espace de tête d'un réservoir d'échantillonnage contenant l'eau à mesurer.

La loi de Henry stipule que le flux continu de la concentration des gaz dans l'espace de tête est proportionnel à la concentration de l'analyte dans l'eau.

L'étalonnage de l'instrument est effectué en présentant une concentration connue aux capteurs et en générant des coefficients d'étalonnage à partir des réponses obtenues.

Le MS2000 fonctionne en faisant passer un flux continu d'eau à travers le réservoir d'échantillonnage comme indiqué à la Figure 2. Les composants volatils dans l'eau passeront dans l'espace de tête au-dessus de l'eau jusqu'à ce qu'un équilibre soit atteint.

Un échantillon des gaz de l'espace de tête est ensuite passé sur les capteurs dans la tête de capteur de l'analyseur THM MS2000, qui répondent aux THM dans l'espace de tête. Cette réponse est ensuite analysée par l'instrument et une valeur de concentration est générée sur la base de la relation entre la concentration présente dans l'espace de tête et celle dans l'eau.

Conclusion

La surveillance des THM dans l'eau potable devient de plus en plus importante au niveau mondial à mesure que les normes d'eau potable augmentent. La surveillance des THM ne peut pas être considérée comme une simple « corvée » réglementaire et est essentielle pour maintenir la confiance du public dans les compagnies d'approvisionnement en eau.

De nombreuses considérations entrent en jeu dans le choix de la technique d'analyse des THM à utiliser. Il existe différentes approches avec des résultats différents en termes de prix, de coûts de fonctionnement, de performances et de fiabilité.

La technologie du nez électronique s'est établie comme une méthode rentable de surveillance des THM par rapport aux techniques alternatives et gagne une acceptation croissante sur le marché.

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