La surveillance de la qualité de leau potable Conférences du CRAD, février 2007 La surveillance de la qualité de leau potable Manuel J. Rodriguez Professeur,

La surveillance de la qualité de l’eau potable

Conférences du CRAD, février 2007


Manuel J. RodriguezProfesseur, ESADChercheur, CRAD



CONTEXTE

• Sources d’eau de plus en plus menacées

• Réglementation de plus en plus sévère

• Population davantage préoccupée par les risques à la santé et la qualité esthétique de l’eau de robinet

• Distribution d’une eau potable minimisant les risques à la santé publique et de qualité irréprochable: un enjeu majeur pour les gestionnaires



Source Traitement

réservoir

Réseau de distribution

SURVEILLANCE DE LA SOURCE AU ROBINET

réservoir



• Conformité réglementaire

• Protection de la source

• Contrôle des procédés de traitement

• Gestion de la qualité en réseau

• Anticipation de problèmes

• Stratégies de planification

• Surveillance épidémiologique

Objectifs d’un programme de surveillance de la qualité de l’eau



Comment?

Quand?À quel endroit ?

À quelle fréquence?

Source Traitement



Quoi?

réservoirréservoir



Composantes d’un programme de surveillance de la qualité de l’eau

• Les descripteurs à considérer

• La localisation des prélèvements

• La fréquence des prélèvements

• Le type d’échantillon à prélever

• Les méthodes analytiques

• La durée du programme



Points de surveillance

Source Traitement


SURVEILLANCE ET GESTION DE LA SOURCE AU ROBINET


Comment?


À quelle fréquence?Quoi?



Source Traitement




Comment?






Source Traitement




Comment?






CRITÈRES POUR DÉCIDER

Vulnérabilité à la contamination

(configuration du RD, conduites, localisation, hydraulique, etc.)

Population vulnérable(hôpitaux, personnes agées, écoles, etc.)

Historique de la qualité de l’eau(microbiologique, physico-chimie)

Plaintes des citoyens(Portrait historique, temps et espace)

Satisfaction de la population (Enquêtes de perception, temps et espace)

Coût de la surveillance(Personnel, équipement, laboratoire, etc.)Exigences réglementaires

(prélèvements, fréquences, etc.)

À quel endroit ?

À quel endroit ?



Des difficultés importantes

• Les variations de la qualité de l’eau dans le temps et dans l’espace peuvent être considérables



0

1

2

3

4

5

6

23-ju

il-01

14-a

oût-0

1

4-se

pt-0

1

25-s

ept-0

1

15-o

ct-0

1

12-n

ov-0

1

4-ja

nv-0

2

24-ja

nv-02

14-fe

v-02

8-m

ars-

02

28-m

ars-

02

18-a

vr-0

2

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ai-0

2

3-ju

in-0

2

26-ju

in-0

2

16-ju

il-02

TO

C (

mg

/L)

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

UV

-25

4 A

bs

orb

an

ce

(1

/cm

)

TOC UV254

Variations hebdomadaires des indicateurs de SPC dans la source d’eau (Ville de Québec)

Hiver

Automne (pluvieux)

Print

emps

(ruis

selle

ment)

La source…

0

1

2

3

4

5

6

23-ju

il-01

14-a

oût-0

1

4-se

pt-0

1

25-s

ept-0

1

15-o

ct-0

1

12-n

ov-0

1

4-ja

nv-0

2

24-ja

nv-02

14-fe

v-02

8-m

ars-

02

28-m

ars-

02

18-a

vr-0

2

13-m

ai-0

2

3-ju

in-0

2

26-ju

in-0

2

16-ju

il-02

TO

C (

mg

/L)

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

UV

-25

4 A

bs

orb

an

ce

(1

/cm

)

TOC UV254


Hiver

Automne (pluvieux)

Print

emps

(ruis

selle

ment)

La source…



Des difficultés importantes

• Les variations de la qualité de l’eau dans le temps et dans l’espace peuvent être considérables

• L’information sur la qualité de l’eau n’est pas toujours disponible et traitée “dans les plus brefs délais”




Source Traitement




Délai: temps de parcours: heures, jours, etc.




Source Traitement




Délai: temps de parcours: heures, jours, etc.

Délai:-échantillonnage,

-transport, -analyse,

-interprétation



Quelques exemples de R & D

PROGRAMME DE SURVEILLANCE DES SOUS-PRODUITS DE LA DÉSINFECTION (SPD)

ANTICIPATION DE LA VARIABILITÉ DE LA QUALITÉ DE LA SOURCE ET EN RÉSEAU

AMÉLIORATION DE LA POST-DÉSINFECTION EN RÉSEAU DE DISTRIBUTION



PROGRAMME DE SURVEILLANCE DES SOUS-PRODUITS DE LA DÉSINFECTION (SPD)

EXEMPLE 1



Chlore+

Matière organique naturelle (MON)+

Bromures

Trihalométhanes (THM)Chlorof ormeBromodichlorométhaneDibromochlorométhaneBromof orme

Acides haloacétiques (HAA)DichloroacétiqueTrichloroacétiqueBromochloroacétiqueDibromoacétiqueBromodichloroacétique

HaloacétonitrilesHalopicrineHydrate Chloral

Autres

Sous- produits de la chloration (SPC)

Chlore+

Matière organique naturelle (MON)+

Bromures

Trihalométhanes (THM)Chlorof ormeBromodichlorométhaneDibromochlorométhaneBromof orme

Acides haloacétiques (HAA)DichloroacétiqueTrichloroacétiqueBromochloroacétiqueDibromoacétiqueBromodichloroacétique

HaloacétonitrilesHalopicrineHydrate Chloral

Autres

Sous- produits de la chloration (SPC)

EXEMPLE 1



Source Traitement physico-chimique

Cl2 Cl2

Réservoir

Cl2 Cl2Cl2

Cl2

Points d’application de chlore dans un système

EXEMPLE 1



Différents types de désinfectants et de sous-produits (SPD)

- Chlore: Trihalométhanes (THM), HAA, HAN

- Chloramines: NDMA, autres nitrosamines

- Dioxyde de chlore: chlorite, chlorate

- Ozone: bromates

EXEMPLE 1



Effets potentiels des SPC sur la

santé humaine

Normes dans la réglementation sur

l’eau potable

THM (80 g/L): Québec, EPA

THM (100 g/L): Santé Canada

AHA (60 g/L): EPA

EXEMPLE 1



Programme de recherche sur les sous-produits de la désinfection (SPD)

Maîtriser et modéliser la présence et les variations spatio-temporelles des SPD et de leurs précurseurs de la source au robinet

Développer des bases de connaissances et des outils décisionnels destinés aux:

1) gestionnaires et aux opérateurs des systèmes d’eau potable (municipalités),

2) responsables de la réglementation (provincial, fédéral)

3) gestionnaires et responsables de la santé publique (études épidémiologiques).

EXEMPLE 1



• Qualité de la source

• Conditions environnementales

• Traitement de l’eau (usine)

• Stratégie de désinfection

• Distribution en réseau

• Manipulation avant utilisation de l’eau

Facteurs responsables de la présence de SPC

EXEMPLE 1



La source

Caractérisation saisonnière de la matière organique et suivi des indicateurs de précurseurs de SPC

Le traitement

Efficacité de l’enlèvement des précurseurs et devenir des SPC

La distribution

Évolution spatio-temporelle des SPC: (saisons, mois, semaines, jours, heures)

Le robinet

Impact de la manipulation de l’eau sur le devenir des SPC

EXEMPLE 1



0

1

2

3

4

5

6

23-ju

il-01

14-a

oût-0

1

4-se

pt-0

1

25-s

ept-0

1

15-o

ct-0

1

12-n

ov-0

1

4-ja

nv-0

2

24-ja

nv-02

14-fe

v-02

8-m

ars-

02

28-m

ars-

02

18-a

vr-0

2

13-m

ai-0

2

3-ju

in-0

2

26-ju

in-0

2

16-ju

il-02

TO

C (

mg

/L)

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

UV

-25

4 A

bs

orb

an

ce

(1

/cm

)

TOC UV254


Hiver

Automne (pluvieux)

Print

emps

(ruis

selle

ment)

La source…

0

1

2

3

4

5

6

23-ju

il-01

14-a

oût-0

1

4-se

pt-0

1

25-s

ept-0

1

15-o

ct-0

1

12-n

ov-0

1

4-ja

nv-0

2

24-ja

nv-02

14-fe

v-02

8-m

ars-

02

28-m

ars-

02

18-a

vr-0

2

13-m

ai-0

2

3-ju

in-0

2

26-ju

in-0

2

16-ju

il-02

TO

C (

mg

/L)

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

UV

-25

4 A

bs

orb

an

ce

(1

/cm

)

TOC UV254


Hiver

Automne (pluvieux)

Print

emps

(ruis

selle

ment)

La source…

EXEMPLE 1



Variations spatio-temporelle des THM (Ville de Québec, 2005)

Automne 2005

Printemps 2005 Été 2005

EXEMPLE 1

Source: Chistelle Legay (2006)



Préchloration

Rivière Saint-Charles

Ozonation

Réservoir

Post-chlorationRechloration

Réservoir

Actiflo Filtres

Alun

9,0 12,9 15,8 29,4 38,7 40,6 41,4 60,1THM (g/L) 17,3

EXEMPLE 1



Préchloration


Ozonation

RéservoirRéservoir

Actiflo Filtres

Alun

9,0 12,9 15,8 29,4 38,7 40,6 41,4 60,1

19,3 27,1 22,1

17,3

25,4 28,4 39,9 35,4 20,4 58,2

THM (g/L)

AHA (g/L)


EXEMPLE 1



0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Sainte-Foy Quebec Charlesbourg

HA

As

(µ

g/L

)

winter spring summer fall

Variations saisonnières

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90


TH

Ms

(µ

g/L

)

winter spring summer fall

TH

M (

g/L

)

AH

A

(g

/L)

EXEMPLE 1



0

10

20

30

40

50

60

70

80

90


TH

Ms

(µg

/L)

treated water time < 6h 6h < t < 1d time > 1d

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90


HA

As

(µg

/L)

treated water time < 6h 6h < t < 1d time > 1d

Impact du temps de séjour

TH

M (

g/L

)

AH

A (

g/L

)

EXEMPLE 1



T > 15°C

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

P0 P1 P2 P3 P4 P5

TH

M3

and

HA

A2

(g

/L)

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

Res

idu

al c

hlo

rin

e (m

g/L

)

THM3

HAA2

Residualchlorine

Eau froide vs Eau chaude

T 15°C

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

P0 P1 P2 P3 P4 P5

TH

M3

and

HA

A2

(g

/L)

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

Res

idu

al c

hlo

rin

e (m

g/L

)

THM3

HAA2

Residualchlorine

(

g/L

)

(

g/L

)

EXEMPLE 1



0h 4h 8h 12h 16h 20h 0h

50

45

40

30

25

20

15

TH

M (g

/L)

6800

7600

8400

18,0

18,4

18,8

Tem

pér

aure

(C)

Déb

it (

m3 /

h)

P2

P3

P4

P5

P2

P3

P4

P5

P1

Débit

Température

Variations horaires des THM (été 2002)

La distribution…

0h 4h 8h 12h 16h 20h 0h

50

45

40

30

25

20

15

TH

M (g

/L)

6800

7600

8400

18,0

18,4

18,8

Tem

pér

aure

(C)

Déb

it (

m3 /

h)

P2

P3

P4

P5

P2

P3

P4

P5

P1

Débit

Température

Variations horaires des THM (été 2002)

La distribution…

EXEMPLE 1



0h 4h 8h 12h 16h 20h 0h

50

45

40

30

25

20

15

TH

M (g

/L)

6800

7600

8400

18,0

18,4

18,8

Tem

pér

aure

(C)

Déb

it (

m3 /

h)

P2

P3

P4

P5

P2

P3

P4

P5

P1

Débit

Température

Variations horaires des THM (été 2002)La distribution…

0h 4h 8h 12h 16h 20h 0h

50

45

40

30

25

20

15

TH

M (g

/L)

6800

7600

8400

18,0

18,4

18,8

Tem

pér

aure

(C)

Déb

it (

m3 /

h)

P2

P3

P4

P5

P2

P3

P4

P5

P1

Débit

Température

Variations horaires des THM (été 2002)La distribution…

EXEMPLE 1



CDBP Point First quarter (Fall)

Second quarter (Winter)

Third quarter (Spring)

Fourth quarter (Summer)

Annual average

Sample Conc*. (g/L)

Sample Conc. (g/L)

Sample Conc. (g/L)

Sample Conc. (g/L)

Conc. (g/L)

THM3 P4 L 35.2 L 5.1 L 29.0 L 37.6 26.7 H 48.7 H 20.3 H 46.8 H 57.6 43.3

P5 L 56.4 L 7.1 L 39.7 L 53.5 39.1 H 64.3 H 24.4 H 42.1 H 101.1 58.0

HAA2 P2 L 37.1 L 9.0 L 56.3 L 34.5 34.2 H 55.3 H 15.9 H 77.9 H 65.8 53.7

P4 L 14.7 L 6.3 L 46.1 L 32.3 24.9 H 19.2 H 11.8 H 51.8 H 37.0 29.9

P5 L 53.6 L 19.1 L 45.3 L 28.3 36.6 H 66.3 H 25.5 H 106.8 H 96.4 73.8

1st 2nd 3rd 4rd

RQEP: norme sur les THM« Moyenne annuelle de 4 échantillons trimestriels (extrémité); échantillons séparés par au moins 2 mois »

IMPACT DES VARIATIONS DE SPC SUR LA CONFORMITÉ AUX NORMES

EXEMPLE 1







Annual average

Sample Conc*. (g/L)

Sample Conc. (g/L)

Sample Conc. (g/L)

Sample Conc. (g/L)

Conc. (g/L)

THM3 P4 L 35.2 L 5.1 L 29.0 L 37.6 26.7 H 48.7 H 20.3 H 46.8 H 57.6 43.3

P5 L 56.4 L 7.1 L 39.7 L 53.5 39.1 H 64.3 H 24.4 H 42.1 H 101.1 58.0

HAA2 P2 L 37.1 L 9.0 L 56.3 L 34.5 34.2 H 55.3 H 15.9 H 77.9 H 65.8 53.7

P4 L 14.7 L 6.3 L 46.1 L 32.3 24.9 H 19.2 H 11.8 H 51.8 H 37.0 29.9

P5 L 53.6 L 19.1 L 45.3 L 28.3 36.6 H 66.3 H 25.5 H 106.8 H 96.4 73.8


1st 2nd 3rd 4rd


EXEMPLE 1







Annual average

Sample Conc*. (g/L)

Sample Conc. (g/L)

Sample Conc. (g/L)

Sample Conc. (g/L)

Conc. (g/L)

THM3 P4 L 35.2 L 5.1 L 29.0 L 37.6 26.7 H 48.7 H 20.3 H 46.8 H 57.6 43.3

P5 L 56.4 L 7.1 L 39.7 L 53.5 39.1 H 64.3 H 24.4 H 42.1 H 101.1 58.0

HAA2 P2 L 37.1 L 9.0 L 56.3 L 34.5 34.2 H 55.3 H 15.9 H 77.9 H 65.8 53.7

P4 L 14.7 L 6.3 L 46.1 L 32.3 24.9 H 19.2 H 11.8 H 51.8 H 37.0 29.9

P5 L 53.6 L 19.1 L 45.3 L 28.3 36.6 H 66.3 H 25.5 H 106.8 H 96.4 73.8

1st 2nd 3rd 4rd



EXEMPLE 1



ET L’EXPOSITION RÉELLE DE LA POPULATION?

- À la résidenceImpact du « réseau » de la maison Bain et douche (chauffe-eau)

manipulation de l’eau: traitement, filtres, bouilloires, stockage, etc.

- PiscinesDésinfectéesApport supplémentaire de M.O., azote, etc.



ANTICIPATION DE LA VARIABILITÉ DE LA QUALITÉ DE LA SOURCE ET EN RÉSEAU

EXEMPLE 2



Surveillance de la qualité de l’eau pour anticiper des problèmes de qualité de l’eau

• Systèmes de surveillance précoce de la qualité de l’eau (« Early Warning Systems »)

• Techniques d’analyse rapide de la qualité de l’eau

• Systèmes prévisionnels de la qualité de l’eau (modèles temporels)

EXEMPLE 2



Surveillance de la qualité de l’eau pour anticiper des problèmes de qualité de l’eau

• Systèmes de surveillance précoce de la qualité de l’eau (« Early Warning Systems »)

• Techniques d’analyse rapide de la qualité de l’eau

• Systèmes prévisionnels de la qualité de l’eau (modèles temporels)

EXEMPLE 2



Systèmes prévisionnels pour la surveillance de la qualité de l’eau

Voir venir pour réagir à temps…

Exemples:Eau brute: qualité microbiologique (turbidité,

couleur, coliformes, azote ammoniacal)

Eau distribuée: qualité physico-chimique (chlore résiduel, trihalométhanes, bactéries)

Techniques de modélisation multivariées puissantes: - Analyse de séries temporelles (linéaires, non linéaires)- Réseaux de neurones

EXEMPLE 2



0

500

1000

1500

2000

2500

3000

2003

-03-

01

2003

-03-

04

2003

-03-

07

2003

-03-

11

2003

-03-

14

2003

-03-

17

2003

-03-

21

2003

-03-

24

2003

-03-

27

2003

-03-

31

2003

-04-

03

2003

-04-

06

2003

-04-

10

2003

-04-

13

2003

-04-

16

2003

-04-

20

2003

-04-

23

2003

-04-

26

2003

-04-

30

To

tal

coli

form

s (c

ells

/100

ml)

0

50

100

150

200

250

E.

coli

(ce

llu

les/

100

ml)

Coliformes totaux Escherichia coliTotal coliforms E. coli

Système prévisionnel pour le E. coli dans l’eau brute (Rivière Saint-Charles)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

2003

-06-

21

2003

-06-

28

2003

-07-

05

2003

-07-

12

2003

-07-

19

2003

-07-

26

2003

-08-

02

2003

-08-

09

2003

-08-

16

2003

-08-

23

2003

-08-

30

2003

-09-

06

2003

-09-

13

2003

-09-

20

E.

coli

(ce

lls/

100

mL

), i

n L

og E. coli (en log) prédictionsObserved Predicted

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

2003

-09-

21

2003

-09-

28

2003

-10-

05

2003

-10-

12

2003

-10-

19

2003

-10-

26

2003

-11-

02

2003

-11-

09

2003

-11-

16

2003

-11-

23

2003

-11-

30

2003

-12-

07

2003

-12-

14

E.

coli

(ce

lls/

100

mL

), i

n L

og E. coli (en log) prédictionsPredictedObserved

Été Automne

Séries Box-JenkinsRéseaux de neurones

EXEMPLE 2



Système prévisionnel pour le chlore résiduel dans le réseau de la Ville de Québec

Entrée du réseau de distribution

Milieu du réseau de distribution

Réseaux de neurones

EXEMPLE 2

Chlore résiduel libre

Chlore résiduel libre



Système prévisionnel pour les trihalométhanes et les acides haloacétiques dans le réseau de la Ville de Québec

Séries temporelles,Réseaux de neurones

EXEMPLE 2

Chloroform

DCAA

HAA



AMÉLIORATION DE LA POST-DÉSINFECTION EN RÉSEAU DE DISTRIBUTION

EXEMPLE 3



Source Traitement

réservoir


réservoir

EXEMPLE 3



Préchloration


Ozonation

Réservoir


Réservoir

Actiflo Filtres

Alun

EXEMPLE 3

Point d’échantillonnage



Réservoir en

réseau

Cl2

EXEMPLE 3


Rechloration

Point en extrémité

CONSTAT DU CONTRÔLE DE QUALITÉ:

Bactéries hétérotrophes (BHAA): élevées

Cl2 : non-détecté

Trihalométhanes (THM) et autres: élevés



Préchloration


Ozonation

RéservoirRéservoir

Actiflo Filtres

Alun

9,0 12,9 15,8 29,4 38,7 40,6 41,4 60,1

19,3 27,1 22,1

17,3

25,4 28,4 39,9 35,4 20,4 58,2

THM (g/L)

AHA (g/L)


EXEMPLE 3



Réservoir en

réseau

Cl2


Rechloration

Point en extrémité

CONSTAT DU CONTRÔLE DE QUALITÉ:

Bactéries hétérotrophes (BHAA): élevées

Cl2 : non-détecté

Trihalométhanes (THM) et autres: élevés

EXEMPLE 3



QUELQUES SOLUTIONS

• Améliorer les stratégies de dosage du chlore

• Modifier les endroits de la rechloration

• Utiliser un désinfectant alternatif

• Modifier les caractéristiques hydrauliques de la distribution (réservoir, réseau)

EXEMPLE 3



OUTILS MÉTHODOLOGIQUES

• Caractériser les réseaux de distribution

• Modéliser le comportement hydraulique (réservoir, réseau)

• Modéliser la qualité de l’eau (chlore résiduel, THM, etc.)

• Investiguer des scénarios opérationnels divers

• Optimiser selon des objectifs et contraintes (modèles)

EXEMPLE 3



Post-désinfection En réseau

Minimiser la présence de miccrorganismes (BHAA)

Minimiser les concentrations de

THM et autres

Maximiser les teneurs en chlore

résiduel libre

Minimiser les goûts et odeurs associés à la postdésinfection

PROBLÈME D’OPTIMISATION

EXEMPLE 3



• Resserrement des normes sur certaines substances

• Nouvelles substances normées

• Adaptation des infrastructures à l’évolution réglementaire (affinage)

• Réseaux de distribution en évolution

• Des systèmes d’approvisionnement à risque

• Impacts des changements climatiques (quantité et qualité)…

AUTRES DÉFIS À RELEVER

EXEMPLE 3



MERCI

Infos: www.crad.ulaval.ca/grepul

Documents

La surveillance de la qualité de leau potable Conférences du CRAD, février 2007 La surveillance de la qualité de leau potable Manuel J. Rodriguez Professeur,