Nouveaux sous-produits de la désinfection polaire et réduction des risques sanitaires découlant de la désinfection de l’eau potable

Steve E. Hrudey, Université de l’Alberta, 2001 - 2004
Enjeu

Pendant plus d’un siècle, la désinfection chimique de l’eau potable a permis de prévenir efficacement les maladies d’origine hydrique. Cependant, depuis les années 1970, on a prouvé que les formes courantes de traitement de l’eau créent des sous-produits susceptibles d’avoir des effets négatifs sur la santé humaine. Des études épidémiologiques ont permis d’établir une corrélation entre la consommation à vie d’eau potable chlorée et une plus grande incidence du cancer de la vessie, ainsi que des associations avec des effets néfastes sur le système reproducteur. Cependant, l’évaluation des risques toxicologiques des sous-produits de désinfection (SPD) connus n’a pas permis de lier les niveaux de risque potentiel observés dans les études épidémiologiques à ceux de l'exposition à l’eau potable pour ces SPD, en particulier pour les SPD chlorés comme les trihalométhanes. 

Étant donné que l’on ne connaît pas la totalité des SPD des procédés à base de chloration et des autres méthodes de désinfection de l’eau potable, il convient d’étudier les formes actuelles et substitutives comme celles utilisant les UV, afin de déterminer les SPD et leurs effets potentiels sur la santé. Ce projet de recherche visait à appliquer une technologie analytique avancée en vue de caractériser et de cerner les SPD dans des modèles hydriques ainsi que dans de l’eau potable provenant de différents services publics. 

Ce travail peut aider à évaluer les risques des SPD pour la santé et à guider les responsables de la qualité de l’eau potable dans leurs choix de procédés de désinfection, en leur donnant les moyens de réduire la formation de sous-produits nocifs et de mieux utiliser leurs ressources pour contrôler la formation de SPD.

Projet

Les chercheurs ont comparé des profils de SPD issus de procédés chimiques (chloration ou chloramination) à ceux issus de procédés de désinfection physiques (UV) et de méthodes utilisant diverses associations, pour tenter de voir si d’autres traitements de l’eau produisent des SPD plus ou moins nocifs que ceux provenant des méthodes chlorées. Les premières études s’intéressaient au rôle des procédés d’oxydation par UV et à leurs effets sur les précurseurs des SPD, la matière organique naturelle (MON), et sur la formation de SPD lorsqu’il y a eu utilisation de chlore ou de chloramines après le traitement aux UV. Dans le cadre d’un plan factoriel, ils ont effectué des expériences sur les sous-produits résultant de l’irradiation aux UV, de l’oxydation avancée (UV/H2O2), et de la postchloration d’eaux traitées aux UV (eau naturelle et modèle hydrique).

 La recherche s’est ensuite concentrée sur les nitrosamines comme lien plausible avec le cancer de la vessie. Les chercheurs ont identifié diverses nitrosamines, dont certaines n’avaient pas encore été détectées dans de l’eau potable, ainsi qu’un SPD non halogéné mieux documenté, la N-nitrosodimethylamine (NDMA). Dans les études plus poussées, on a appliqué la nouvelle méthode appelée FAIMS (spectrométrie de mobilité ionique par oscillographie asymétrique à champ variable), ainsi que d’autres technologies d’analyse perfectionnées pour caractériser et identifier des SPD dans des échantillons provenant de systèmes de distribution d’eau potable de l’Alberta – l’un qui utilisait la chloramination associée aux UV, et l’autre uniquement la chloration. Lorsqu’ils relevaient des taux inhabituellement élevés de NDMA dans les échantillons d’une installation d’eau, les chercheurs étaient en mesure de préciser certains facteurs clés de sa formation. L’équipe a ensuite effectué des tests sur la présence de nitrosamine dans les usines de traitement d’eau de l’Alberta. Ils ont détecté la NDMA dans 30 % des systèmes de distribution, principalement dans des installations ayant recours à la chloramination. Dans l’ensemble, les concentrations de NDMA dans les réseaux de distribution de l’Alberta dépassaient rarement les Normes de qualité de l’eau potable de l’Ontario. 

Les chercheurs ont soumis leur méthode à un programme américain de tests comparatifs inter-laboratoires, à l’aveugle, et elle a obtenu de très bons résultats. Le travail sur les nouveaux SPD a démontré la capacité de la technologie FAIMS, et des techniques d’analyse perfectionnées afférentes, à identifier un certain nombre de nitrosamines jamais encore détectées dans l’eau potable, notamment MENA et NPyr, caractérisées dans des concentrations inférieures à une partie par billion. Ce projet a prouvé que l’analyse ESI-FAIMS-MS/MS permettait d’identifier les composés selon les informations fournies sur plusieurs paramètres indépendants, ce qui indique qu’il sera possible, dans les études à venir, de détecter dans l’eau potable la présence de composés azotés actuellement inconnus. 

Produits
  • Le développement de plusieurs procédés d’analyse considérablement améliorés pour détecter la présence de SPD à l’état de trace, notamment huit nitrosamines à des concentrations pertinentes dans l’eau potable. 

Sélection de présentations :

Adedapo, R. et S.A. Andrews, 2004. Effect of Chlorination Following UV and UV/H2O2 on the Formation of Disinfection By-Products. Délibérations, Ontario Water Works Association-Ontario Municipal Water Association Conference annuelle conjointe, Niagara Falls, Ont., mai 2004. 

Arend, M.A. Charrois, J.W.A., Gabryelski, W. et Froese, K.L. 2004. Identification of N-Nitrosamines with ESI-FAIMS-MS/MS in drinking water at ng/L levels. Deuxième rencontre annuelle du Réseau canadien de l’eau. Ottawa, Ont. (20-22 juin). 

Boyd, J.M. et Charrois, J.W.A. 2004. Occurrence of trihalomethanes, haloacetic acids and nitrosamines in Alberta community drinking water. 37e Journée de recherche annuelle pour les étudiants d’été de la Faculté de médecine et de dentisterie, Université de l’Alberta. Edmonton, Alb. (23 octobre). 

Charrois, J.W.A. et Hrudey, S.E. 2005. Detection, occurrence and risk assessment of N-nitrosamines in drinking water. Optimizing the Design and Interpretation of Epidemiologic Studies to Consider Alternative Disinfectants of Drinking Water, U.S. Environmental Protection Agency, Research Triangle Park, N.C. 2-3 juin 2005. 

Charrois, J.W.A. et Hrudey, S.E. 2004. Emergence of N-nitrosamines as disinfection by-products: a Canadian perspective. 11e Conférence nationale canadienne de l’Association canadienne des eaux potables et usées et 2e Forum sur les politiques relatives à l’eau potable. Calgary, Alb. (3-6 avril).

 

Sélection de publications :

Charrois, J.W.A., Arend, M.A., Froese, K.L. et Hrudey, S.E. (2004) “Detecting N-nitrosamines in drinking water at nanogram per liter levels using ammonia positive chemical ionization.” Environ. Sci. Technol. 38:4835-4841. 

Charrois, J.W.A., Graham, D., Froese, K.L. et Hrudey, S.E. (2004) “Disinfection By-Products in Small Alberta Community Drinking Water Supplies.” J.Toxicol. Environ. Health, Part A: 67: 1797-1803. 

Gabryelski, W., Wu, F. et K.L. Froese. 2003. “Comparison of high-field asymmetric waveform ion mobility mass spectrometry (FAIMS) with GC methods in analysis of haloacetic acids in drinking water.” Anal. Chem. 75: 2478-2486. 

Hofbauer, D.E.W. et S.A. Andrews, 2004. “Influence of UV Irradiation and UV-Based AOPs on NOM Fluorescence Characteristics.” Wat. Sci. and Technol.: Wat. Supply, acceptée en mai 2004. 

Liu, W. et S.A. Andrews, 2003. « Optimal Methods for Quenching H2O2 Residuals Prior to UFC Testing.” Wat. Res., 37(15), 3697-3703. 

Liu W., S.A. Andrews, C. Sharpless, M. Stefan, K.G. Linden et J.R. Bolton, 2002. “Comparison of Disinfection Byproduct (DBP) Formation from Different UV Technologies at Bench Scale.” Wat. Sci. and Technol.: Wat. Supply, 2(5-6), 515-521. 

Wu, F., Gabrielski, W. et K. Froese. 2002. “Improved gas chromatography methods for micro-volume analysis of haloacetic acids in water and biological matrices.” Analyst, 127: 1318-1323. 

Résultats
  • L’équipe du projet a établi un partenariat avec les services publics d’eau et a facilité la collaboration avec les autorités locales de santé publique pour traiter de questions entourant la gestion des risques sanitaires, cerner les principales sources du problème de NDMA, et trouver des solutions appropriées.
  • Cette recherche contribuera à l’élaboration de cadres de gestion des risques intégrant l’identification des SPD et les informations pertinentes en matière de toxicité.
  • Ce projet a permis aux divers chercheurs s’intéressant aux SPD de développer une meilleure interaction entre eux, et a amélioré les efforts visant à traduire les résultats des recherches en politiques de réglementation de l’eau potable. Plus précisément, les résultats de la recherche peuvent servir à améliorer les procédés de traitement de l’eau potable pour réduire les concentrations de SPD posant problème sur le plan toxicologique, et à assurer la salubrité microbienne et la stabilité de l’eau potable.
  • Les avantages sociaux à long terme comprennent notamment la capacité accrue des municipalités à fournir une eau potable de meilleure qualité. Les résultats de cette recherche sont également susceptibles de favoriser l’acceptation des technologies de désinfection à base d’UV ou d’autres réactions oxydatives, afin qu’elles soient davantage utilisées dans le traitement de l’eau.
  • Les résultats de la recherche offrent la possibilité de réaliser d’importants gains économiques, en fournissant des preuves solides des effets néfastes pour la santé des SPD sur lesquelles baser les exigences relatives aux systèmes de traitement.
  • Le National Research Council des États-Unis a fourni un prototype FAIMS pour démontrer ses applications potentielles dans les analyses de la qualité de l’eau et de l’environnement. La recherche menée dans le cadre de ce projet aidera l’entreprise dérivée Ionalytics à commercialiser la technologie FAIMS et à atteindre ses objectifs commerciaux. 
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Équipe de Recherche et Partenaires:

Équipe de Recherche

Steve E. Hrudey, Université de l’Alberta
Susan A. Andrews, Université de Waterloo
Martha Sinclair, Université Monash, Melbourne, Australie
Wenjun Liu, Université Tsinghua, Beijing, Chine
Sylvia Barrett, Metropolitan Water District of Southern California, Los Angeles, California
Glen Shaw, National Research Centre for Environmental Toxicology, Université de Queensland, Australie

Partenaires

Ministère de la Santé et du Bien-être de l’Alberta
Ionalytics (auparavant CNRC)
Calgon Carbon Corporation
Municipalité régionale de Waterloo