Surveillance THM dans l'eau potable

THM: Une introduction

L'ensemble des composés qui se forment lors du processus de désinfection de l'eau sont collectivement appelés sous-produits de désinfection (DBP). 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 que l'on trouve couramment 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 principal composant.

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

Chlore et THM

Le chlore est l'un des désinfectants les plus couramment utilisés dans le monde : historiquement, il est utilisé depuis plus de 100 ans. Il est facile à produire, à stocker ainsi l'eau désinfectée se retrouve avec un niveau de chlore qui la maintient désinfectée dans le réseau de distribution jusqu'à ce qu'elle atteigne le 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 exécuter, elles sont donc moins couramment utilisées sur les opérations de vaste envergure.

THM dans l’eau : une vue d'ensemble

Les THM sont générés lors de la désinfection de l'eau, par réaction du chlore (ou du dioxyde de chlore / hypochlorite) avec la matière organique naturelle (NOM) présente dans l'eau, comme l'acide humique et l'acide fulvique. La concentration de THM dans l'eau dépendra de la quantité de chlore présent, 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.

Les « précurseurs de THM » sont des matières organiques dissoutes, naturellement présentes dans l'eau, constituées d'un mélange hétérogène issu de la décomposition de matières organiques (plantes, bactéries…). En général, il a été constaté que les précurseurs de THM sont des substances contenant des structures aromatiques. La prédiction des THM est rendue compliquée par des facteurs supplémentaires tels que :

1. Les caractéristiques chimiques distinctives associées aux origines
   Le chloroforme est le THM le plus abondant il est généralement le principal sous-produit de la désinfection trouvé dans l'eau chlorée. Ceci est principalement dû au fait que la majorité des sources d'eau ne contiennent pas une abondance d'espèces bromées.
2. Dépendances saisonnières liées aux cycles de vie de la flore
3. Dépendance au temps de résidence.
   Par exemple, lors de la « première pluie », beaucoup de matières organiques s'accumulent dans le sol et sont rejetées dans la rivière. Cela conduit à des niveaux plus élevés de THM. De plus, plus le chlore doit interagir avec les matières organiques, ce qui entraîne une variation des niveaux de THM.
4. Processus hydrologiques et biogéochimiques

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Etudes sur les THM et les risques pour la santé publique

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

Des études sur le cancer de la vessie ont révélé un risque accru avec de longues expositions au THM (plus de 30 ans). L'US EPA classe le chloroforme et le bromoforme comme cancérogènes probables et le dibromochlorométhane comme cancérogène possible pour l'homme dans certaines conditions d'exposition. Cela signifie que, bien qu'il y ait 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 causés par les THM sont largement surpondérés par les dangers de la non-chloration des approvisionnements en eau. Le risque causé par les THM est considéré sur le long terme , car il nécessiterait la consommation d'eau pendant toute une vie, comme c'est le cas de 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 , soit un cas de cancer pour 100 000 personnes qui consomment de l'eau sur une période minimale de 70 ans. Dans le cas de l'Union européenne, le risque est considéré comme 10^-6 .

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

Voie d'exposition aux THM

Les THM peuvent être ingérés par l’humain via plusieurs voies: l' ingestion d'eau du robinet, l'inhalation de THM évaporés et l'absorption cutanée . De nombreuses activités quotidiennes telles que la consommation d'eau, la baignade ou la douche et la baignade dans la piscine peuvent également provoquer une exposition au 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 pas de risque significatif pour la santé par une consommation à vie. Ceux-ci 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 en utilisant l'équation suivante:

THM : état actuel de la technologie de surveillance

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

De nombreuses autres usines de traitement de l'eau reposent sur une analyse bi-annuelle ou mensuelle en laboratoire des niveaux de THM. Cela consiste généralement à prélever l'eau, à la transporter vers un laboratoire, à l'analyser à l'aide des techniques de chromatographie en phase gazeuse / spectroscopie de masse (GCMS). Le temps écoulé pour cette approche peut aller jusqu'à deux semaines.

Lorsque les niveaux de THM sont constamment et historiquement faibles (c'est-à-dire <10 ppb de THM totaux), cette approche est généralement considérée comme suffisante pour se conformer à la réglementation 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 tous les mois ou six mois n'est probablement pas représentatif.

Enfin, il existe des usines / régions où, en raison des caractéristiques de l'eau de source, les THM sont un problème important et doivent être étroitement surveillés. Dans ce type d’utilisation, 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 que les TMH dépassent la limite de 80 à 100 ppb et il est dans l'intérêt du WTP 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 alors que 100 ppb est à la limite d'acceptabilité aujourd'hui (2019), dans de nombreuses régions du monde (au moins d'un point de vue réglementaire), il est très probable que cela ne soit pas le cas avant 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 différentes technologies sont disponibles sur le marché pour l’analyse THM. Chaque système présente des forces et des faiblesses et un intérêt particulier doit être porté aux critères suivants avant d'acheter un instrument :

• Opération
• Coût de propriété
• Facilité d'utilisation
• Précision et fiabilité de la mesure
• Temps de mesure
• Ecc.

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Purge Trap avec la technique colorimétrique

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

Avec cette méthode, l'instrument extrait les THM de l'échantillon d'eau par P / T sur un matériel adsorbant et les THM concentrés sont ensuite désorbés en un mélange de réactifs exclusif qui génère un produit coloré.

En raison du coût des réactifs, le système est très coûteux (des dizaines de milliers de dollars par an pour les réactifs) et il n'est généralement pas possible d'effectuer une mesure toutes les heures.
Cette technique implique également que l'instrument a une complexité inhérente ainsi que de nombreux composants différents, cela peut entraîner des réparations coûteuses et des problèmes permanents.

Purge / Trap - Chromatographie gazeuse - Détecteur d'ondes acoustiques de surface

Il s'agit d'un instrument de laboratoire adapté pour une utilisation sur site.

L'analyseur est un système de purge avec un piège intégré connecté à une colonne de chromatographe en phase gazeuse compacte et d’un détecteur d'ondes acoustiques de surface (SAW). Le système nécessite du gaz hélium, un étalonnage manuel externe et doit être appliqué par des techniciens qualifiés.

De plus, en raison de la nature de la technologie, il est impossible de l'utiliser à distance : 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

Avec cette technique, les THM sont extraits d'un échantillon d'eau dans un gaz vecteur. Ceci est réalisé en forçant l'eau à travers une membrane perméable, puis en adsorbant les THM sur un piège, suivi par des séparations sur une colonne GC. Enfin, les trihalométhanes sont détectés par un détecteur de capture d'électrons. L'utilisation d'un chromatographe en phase gazeuse pour la surveillance en ligne génère des problèmes de stabilité tels que 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, y compris la force ionique, le pH et la température. L'encrassement est un problème qui pourrait survenir dans ce type de systèmes. L'utilisation de l'élément radioactif 63 dans le détecteur n'est pas souhaitable et un tel système nécessiterait un gaz vecteur et serait assez coûteux.

Détecteur de fluorescence avec perméation membranaire et réaction chimique :

Il s'agit d'une méthode expérimentale qui n'est pas largement acceptée dans l'industrie.

Avec cette méthode, les trihalométhanes passent de l'eau au mélange réactionnel chimique à travers une membrane semi-perméable dans un flux continu de réactifs, suivi par 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, y compris la force ionique, le pH et la température. L'encrassement est également un problème qui pourrait survenir dans ce type de systèmes.

Chromatographe en phase gazeuse (GC) avec TID (Détecteur à Ionisation Thermique) et PID (Détecteur à Photo Ionisation)

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

Nez électronique

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

L'avantage de la technologie du nez électronique est qu'elle se prête à un fonctionnement à distance, le système est robuste dans une variété d'environnements et n'utilise aucun réactif. La présentation de l'échantillon est également simple réduisant ainsi la possibilité d'encrassement.

Étant une utilisation dite à distance, le nettoyage des capteurs n'est pas nécessaire.

Principe d'opération

La mission principale du MS2000 THM est la mesure des gaz de l'espace de tête à partir d'un réservoir d'échantillons contenant l'eau à mesurer.

La loi de Henry dicte que le débit continu de la concentration de gaz dans l'espace libre doit être proportionnel à la concentration de l'eau.

L'étalonnage de l'instrument se fait par la présentation d’une concentration connue aux capteurs générant alors 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'échantillon, comme illustré à la Figure 2. Les composants volatils dans l'eau passeront dans l'espace libre 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 à travers les capteurs de la tête de capteur de l'analyseur MS2000 THM, qui répondent aux THM dans l'espace de tête. Cette réponse est ensuite analysée par l'appareil, une valeur de concentration est générée en fonction 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 à l'échelle mondiale à mesure que les normes d'eau potable se durcissent. La surveillance des THM ne peut être laissée comme une « corvée » réglementaire, elle est vitale pour maintenir la confiance de la population dans les entreprises de distribution d'eau.

Il y a de nombreux facteurs à prendre en considération afin de décider de la technique d'analyse 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 imposée comme une méthode rentable de surveillance des THM lorsqu'elle est mesurée par rapport à des techniques alternatives et est de plus en plus acceptée sur le marché.

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