Page 14 : Recommandations pour la qualité de l'eau potable au Canada : document technique – la turbidité

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Annexe B. Crédits d'enlèvement logarithmique

Le tableau B.1 indique les crédits d'enlèvement potentiels moyens estimés pour Giardia, Cryptosporidium et les virus quand les valeurs de turbidité de l'eau traitée sont conformes aux valeurs spécifiées dans le présent document. Ces crédits d'enlèvement logarithmique sont fondés sur les crédits d'enlèvement établis par l'U.S. EPA dans le LT2ESWTR (U.S. EPA, 2006b) et le Long Term 1 Enhanced Surface Water Treatment Rule (LT1ESWTR) Disinfection Profiling and Benchmarking Technical Guidance Manual

(U.S. EPA, 2003a). L'efficacité exacte en termes d'enlèvement des pathogènes sera fonction des particularités de l'eau à traiter et du procédé de traitement. Des crédits d'enlèvement logarithmique spécifiques peuvent être établis à partir d'une démonstration de rendement ou d'études pilotes. Les installations qui pensent pouvoir obtenir une réduction plus importante que celle attribuée automatiquement peuvent se voir attribuer par les autorités compétentes un taux de réduction logarithmique fondé sur une démonstration de rendement. Dans le cadre de l'approche à barrières multiples pour le traitement de l'eau potable, des crédits d'enlèvement physique logarithmique des pathogènes doivent être utilisés en combinaison avec des taux de désinfection afin d'atteindre ou de dépasser les objectifs de traitement globaux. De l'information précise sur les exigences en matière de désinfection est présentée dans les pièces à l'appui des recommandations concernant les protozoaires entériques (Santé Canada, 2012) et les virus entériques (Santé Canada, 2011).

Crédits d'enlèvement pour Cryptosporidium

Pour élaborer le LT2ESWTR, l'U.S. EPA a procédé à une évaluation de l'information existante concernant la présence de Cryptosporidium dans l'eau potable et le traitement de l'eau pour l'éliminer (U.S. EPA, 2005). Comme pour l'IESWTR et le LT1ESWTR adoptés antérieurement, l'U.S. EPA a indiqué qu'elle avait préférentiellement ciblé Cryptosporidium en raison de la difficulté de l'éliminer par traitement de l'eau, de sa forte infectiosité et de sa grande résistance au chlore. Pour la filtration conventionnelle, elle a conclu que les usines respectant les exigences de turbidité de l'IESWTR (valeur de 95^e centile pour l'eau combinée après la sortie des filtres de = 0,3 UTN; valeur maximale de 1,0 UTN) atteindront un crédit d'enlèvement minimal de 2 log pour Cryptosporidium, et que la plupart des usines de filtration atteindront des réductions médianes de près de 3 log (U.S. EPA, 2006b). En formulant ses recommandations, l'U.S. EPA a cité des études récentes sur le rendement de diverses techniques de traitement pour ce qui est de l'enlèvement de Cryptosporidium (McTigue et coll., 1998; Patania et coll., 1999; Emelko et coll., 2000; Huck et coll., 2000; Dugan et coll., 2001).

L'U.S. EPA (2005, 2006b) a aussi analysé des études sur le rendement des usines de traitement en matière de réduction des comptes de particules totales et d'enlèvement des spores aérobies comme indicateurs de l'enlèvement de Cryptosporidium, en citant les résultats de Dugan et coll. (2001), Nieminski et Bellamy (2000) et McTigue et coll. (1998). Dugan et coll. (2001) ont rapporté que les spores aérobies et les comptes de particules totales constituaient des indicateurs prudents de l'enlèvement de Cryptosporidium par sédimentation et filtration, des usines pleine grandeur ayant rapporté des réductions moyennes de près de 3 log pour les deux paramètres. Nieminski et Bellamy (2000) ont constaté que les spores aérobies constituaient de bons indicateurs de l'efficacité du traitement, mais que les crédits d'enlèvement des spores n'étaient pas entièrement corrélés avec ceux des protozoaires. Dans une évaluation de l'eau brute et de l'eau traitée de 24 installations, les auteurs ont observé des crédits d'enlèvement moyens de 2,8 log pour les spores aérobies, de 2,6 log pour Giardia et de 2,2 log pour Cryptosporidium. McTigue et coll. (1998) ont trouvé une forte relation entre les crédits d'enlèvement de Cryptosporidium et des particules de plus de 3 µm, les données indiquant un taux médian d'enlèvement des particules d'environ 3 log.

L'U.S. EPA a aussi communiqué les résultats de son évaluation d'études portant sur l'enlèvement de Cryptosporidium lorsque la turbidité de l'eau traitée se situait entre 0,1 et 0,2 UTN. Elle a procédé à cette évaluation en estimant que les usines de traitement, pour assurer leur conformité à l'objectif de turbidité recommandé de 0,3 UTN dans l'eau traitée, viseraient des valeurs de turbidité tombant dans cette plage. Dans leur analyse des données synthétiques de quatre études réalisées en usine pilote, Patania et coll. (1995) ont rapporté un crédit d'enlèvement médian de 3,3 log pour Giardia lorsque la turbidité de l'eau à la sortie des filtres était de plus de 0,1 UTN. Une relation similaire a été notée pour Cryptosporidium (Patania et coll., 1995). Lors d'une évaluation de la filtration conventionnelle en usine pilote, Dugan et coll. (2001) ont observé, dans des phases de filtration où la turbidité de l'eau traitée se situait entre 0,1 et 0,2 UTN, des crédits d'enlèvement des oocystes de Cryptosporidium correspondants de plus de 3,2 log et 3,7 log.

Une évaluation des données existantes sur la filtration conventionnelle a aussi été réalisée par le groupe de recherche néerlandais KIWA (KIWA, 2007), dans le cadre d'un projet visant à établir des estimations de la capacité des procédés utilisés dans le traitement de l'eau potable à éliminer les microorganismes. Dans cette évaluation, les études considérées étaient pondérées selon l'échelle du procédé utilisé (usine pleine grandeur, usine pilote, ou étude en laboratoire), la qualité des conditions expérimentales et la qualité générale des données. On a ensuite interprété les études pondérées pour obtenir des valeurs de crédits d'enlèvement des microorganismes (CEM) pour les diverses techniques de filtration. Les crédits d'enlèvement moyens des microorganismes pour la filtration conventionnelle ont été estimés à 3,4 log (plage de 2,1 à 5,1 log) pour Giardia, à 3,2 log (plage de 1,4 à 5,5 log) pour Cryptosporidium, et à 3,0 log (plage de 1,2 à 5,3 log) pour les virus.

Dans notre évaluation des données existantes visant à établir les crédits d'enlèvement logarithmique pour diverses techniques de traitement, nous avons pris en considération les évaluations de l'U.S. EPA et du groupe KIWA ainsi que les résultats des études en usine pilote de Patania et coll. (1995) et de Huck et coll. (2002). Les crédits d'enlèvement logarithmique établis sont présentés au tableau B.1. Dans une étude réalisée en 2002, Huck et coll. ont observé que les crédits moyens d'enlèvement de Cryptosporidium se trouvaient considérablement réduits quand la coagulation était sous-optimale. Les auteurs ont de plus observé que l'absence de coagulant sur une courte période avait pour effet de réduire les crédits d'enlèvement de Cryptosporidium de plusieurs unités logarithmiques, un crédit d'enlèvement des oocystes de 2 log étant cependant maintenu. Dans des expériences avec ensemencement en usine pilote, Patania et coll. (1995) ont observé que durant les percées de filtre, le crédit d'enlèvement de Giardia diminuait de 0,5 log, sans toutefois tomber au-dessous de 3 log. Aucun impact sur la capacité d'enlèvement des oocystes de Cryptosporidium n'a été observé. Nieminski et Ongerth (1995) ont observé des crédits d'enlèvement logarithmique moyens pour Cryptosporidium et Giardia de respectivement 3,0 et 3,4 log en usine pilote, et de respectivement 2,3 et 3,3 log en usine pleine grandeur, lorsque la turbidité de l'eau à la sortie des filtres se situait entre 0,1 et 0,2 UTN. Dans leur examen d'un ensemble de données sur l'enlèvement des pathogènes hydriques par filtration conventionnelle en usine pilote, Xagoraraki et coll. (2004) ont obtenu un crédit médian d'enlèvement de Cryptosporidium de 1,8 log (plage de 1,2 à 2,6 log) pour des échantillons d'eau à la sortie des filtres présentant une turbidité de 0,2 à 0,3 UTN (échantillons prélevés durant la période de maturation et durant des percées). Aux turbidités inférieures à 0,2 UTN, les crédits d'enlèvement logarithmique étaient meilleurs. Cependant, jusqu'à une turbidité de 0,5 UTN, il n'y avait pas de changement notable des crédits d'enlèvement médian, maximal ou minimal.

Aux fins de l'établissement des crédits d'enlèvement logarithmique pour diverses techniques présentés au tableau B.1, nous avons aussi évalué des études en usine pilote dans lesquelles les capacités d'enlèvement logarithmique des filtres ont été déterminées avec de faibles concentrations de pathogènes. Nous avons aussi pris en considération certaines préoccupations soulevées dans la littérature scientifique (Assavasilavasukul et coll., 2008), à savoir que l'estimation des capacités d'enlèvement logarithmique des filtres peut être limitée par la concentration de pathogènes dans l'eau brute dans le cas des études en usine pleine grandeur, et que les concentrations utilisées dans les études avec ensemencement en usine pilote pourraient ne pas refléter les conditions habituellement rencontrées en usine pleine grandeur. McTigue et coll. (1998) ont effectué en usine pilote une série d'expériences où ils ont ensemencé l'eau brute avec Cryptosporidium et Giardia à diverses concentrations. Cette étude a révélé des crédits d'enlèvement moyens de 4 log pour les filtres, taux qui ne changeaient pas de façon significative selon les concentrations de kystes et d'oocystes, lesquelles se situaient dans une plage de 101 à 103 pathogènes par litre tel qu'établi au moyen d'échantillons ponctuels et d'un échantillonnage en continu. Des études en usine pilote mesurant les crédits d'enlèvement de Cryptosporidium et de Giardia présents à faibles concentrations dans l'eau brute ont aussi été effectuées par Assavasilavasukul et coll. (2008). Les crédits d'enlèvement logarithmique moyens calculés à partir d'échantillons ponctuels renfermant de faibles concentrations de pathogènes (100à 103 pathogènes par litre) étaient de 1,2 à 2,0 log pour Cryptosporidium et de 1,5 à 2,6 log pour Giardia. Les crédits d'enlèvement logarithmique moyens calculés à partir d'échantillons prélevés en continu (échantillons de 288 litres) renfermant de faibles concentrations de pathogènes (100à 103 pathogènes par litre) étaient de 1,4 à 2,3 log pour Cryptosporidium et de 1,8 à 3,2 log pour Giardia. Les auteurs ont observé pour certains trains de traitement des crédits d'enlèvement logarithmique donnant des concentrations de pathogènes inférieures aux limites de détection (kystes/oocystes non détectés dans 10 litres pour l'échantillonnage ponctuel, et dans 288 litres pour l'échantillonnage en continu), ce qui laisse croire que des crédits d'enlèvement logarithmique plus élevés auraient pu être obtenus, mais seules les données avec kystes/oocystes détectés ont été retenues dans l'analyse.

Sur la base de son examen, Santé Canada est parvenu aux mêmes conclusions que l'U.S. EPA concernant les crédits d'enlèvement logarithmique de Cryptosporidium dans la filtration conventionnelle et a adopté une position similaire. Il a été conclu qu'il existe encore dans la littérature scientifique des incertitudes concernant l'augmentation possible des crédits d'enlèvement logarithmique pour les installations pleine grandeur atteignant des turbidités de moins de 0,1 UTN (Ongerth et Pecoraro, 1995; Assavasilavasukul et coll., 2008). Par conséquent, vu cette incertitude, aucune augmentation des crédits n'est spécifiée pour le moment.

Pour la filtration lente sur sable et la filtration à diatomées, l'U.S. EPA, dans son évaluation formulée dans le LT2ESWTR, a conclu que les installations utilisant ces deux techniques, quand elles sont bien conçues, bien exploitées et en conformité avec les normes de rendement en matière de turbidité établies dans le Surface Water Treatment Rule (SWTR) de 1989 (U.S. EPA, 1989) (= 1 UTN dans au moins 95 % des mesures, et maximum de 5 UTN), pouvaient atteindre des crédits d'enlèvement de Cryptosporidium semblables à ceux atteints par les usines utilisant la filtration conventionnelle. L'U.S. EPA estime que ces techniques peuvent atteindre des crédits médians d'enlèvement de Cryptosporidium de près de 3 log.

Dans son évaluation de la capacité d'enlèvement des microorganismes propre aux filtres à sable lents, le groupe de recherche KIWA (2007) est arrivé à des crédits d'enlèvement logarithmique considérablement plus élevés pour Cryptosporidium (moyenne de 4,8 log; plage de 2,7 à plus de 6,5 log).

Après examen du petit nombre d'études existantes concernant les filtres à sable lents (Schuler et Ghosh, 1991; Hall et coll., 1994; Timms et coll., 1995; Hijnen et coll., 2007) et les filtres à diatomées (Schuler et Ghosh, 1990; Ongerth et Hutton, 1997) ainsi que des évaluations de l'U.S. EPA (2006b) et du groupe KIWA (2007), il a été établi que l'approche de l'U.S. EPA était appropriée pour estimer les crédits d'enlèvement logarithmique pour Cryptosporidium pouvant être atteints avec ces techniques de filtration. On s'est basé sur une approche similaire pour établir les crédits d'enlèvement logarithmique atteignables avec ces techniques qui sont spécifiés au tableau B.1.

Pour la filtration à poche et la filtration à cartouche, on a déterminé que l'évaluation de l'U.S. EPA (2006b) était appropriée : le rendement de ces techniques de filtration varie selon les fabricants, et il n'est actuellement pas possible de proposer des crédits d'enlèvement généraux pour ces techniques.

Crédits d'enlèvement pour Giardia et les virus

Les crédits d'enlèvement logarithmique pour Giardia et les virus figurant dans le tableau B.1 sont basés sur ceux établis par l'U.S. EPA dans le LT1ESWTR Disinfection Profiling and Benchmarking Technical Guidance Manual (U.S. EPA, 2003a). Dans le LT2ESWTR, l'U.S. EPA a étendu les exigences formulées dans ce manuel. Dans le cadre de l'examen des données disponibles, il a été noté que les crédits d'enlèvement pour Giardia et les virus figurant dans le manuel ont été établis sur la base d'études qui étaient peu nombreuses à l'époque de l'évaluation de l'U.S. EPA (AWWA, 1991). Il a aussi été noté que ces crédits étaient associés à une norme de rendement pour la réduction de la turbidité de 0,5 UTN au 95^e centile, recommandée aux termes du SWTR de l'U.S. EPA. Enfin, dans la documentation, l'U.S. EPA utilise une approche prudente dans l'attribution de la part du crédit d'enlèvement total qui doit être atteinte par filtration et de la part restante devant être atteinte par désinfection, dans le cadre de l'approche à barrières multiples (AWWA, 1991).

Des études récentes sur l'enlèvement des pathogènes par la filtration conventionnelle, la filtration directe, la filtration lente sur sable et la filtration à diatomées ont montré que les capacités de réduction logarithmique de ces techniques pour Giardia étaient semblables ou, dans bien des cas, supérieures à celles constatées pour Cryptosporidium (Schuler et Ghosh, 1990,1991; Nieminski et Ongerth, 1995; Patania et coll., 1995; McTigue et coll., 1998; Nieminski et Bellamy, 2000; DeLoyde et coll., 2006; Assavasilavasukul et coll., 2008). Sur la base des données existantes, nous avons établi pour Giardia les mêmes crédits d'enlèvement logarithmique atteignables par filtration que pour Cryptosporidium.

Pour les virus, l'information sur les capacités d'enlèvement des différentes techniques de filtration est limitée. Les données récentes sur l'enlèvement des virus et de leurs substituts (phage MS2) tirées d'études en usine pilote utilisant la filtration conventionnelle (Rao et coll., 1988; Harrington et coll., 2001; Xagoraraki et coll., 2004) confirment les crédits d'enlèvement logarithmique pour les virus établis dans le LT1ESWTR Disinfection Profiling and Benchmarking Technical Guidance Manual (U.S. EPA, 2003a). Les crédits d'enlèvement des virus estimés par le groupe KIWA (2007) étaient de 3,0 log (plage de 1,2 à 5,3 log) pour la filtration conventionnelle, et de 2,2 log (plage de 0,6 à 4,0 log) pour la filtration lente sur sable. Sur la base de cette information, il a été déterminé qu'on ne disposait pas de données suffisantes pour justifier une révision des crédits d'enlèvement des virus par filtration fondés sur ceux établis dans le LT1ESWTR Disinfection Profiling and Benchmarking Technical Guidance Manual (U.S. EPA, 2003a).

Pour la filtration à poche, la filtration à cartouche et la filtration sur membrane, on a déterminé que l'évaluation de l'U.S. EPA (2006b) était appropriée : le rendement de ces techniques de filtration varie selon les fabricants, et il n'est actuellement pas possible de proposer des crédits d'enlèvement généraux pour ces techniques.

Essais d'efficacité d'enlèvement

Tel qu'indiqué au tableau B.1, la filtration à cartouche et la filtration à poche peuvent se voir attribuer des crédits d'enlèvement logarithmique pour Cryptosporidium et Giardia sur la base d'essais d'efficacité d'enlèvement appropriés. Selon le LT2ESWTR de l'U.S. EPA, en ce qui concerne Cryptosporidium, la filtration à poche peut obtenir un crédit d'enlèvement logarithmique de 1 log lorsqu'elle atteint un taux d'au moins 2 log dans des essais d'efficacité d'enlèvement, et la filtration à cartouche peut se voir attribuer un crédit d'enlèvement logarithmique de 2 log lorsqu'elle atteint un taux d'au moins 3 log dans des essais d'efficacité d'enlèvement (U.S EPA, 2006b). Les essais d'efficacité d'enlèvement sont spécifiques au produit; par conséquent, chaque fabricant ou une tierce partie peut soumettre l'unité de filtration concernée à des essais d'efficacité d'enlèvement pour obtenir un crédit d'enlèvement pour cette unité. Les installations qui le souhaitent trouveront de l'information supplémentaire sur les exigences en matière d'essais d'efficacité d'enlèvement pour les poches et les cartouches filtrantes dans le LT2ESWTR Toolbox Guidance Manual de l'U.S. EPA (2010) et le Protocol for Equipment Verification Testing for Physical Removal of Microbiological and Particulate Contaminants établi conjointement par l'U.S. EPA et NSF (NSF, 2005).

La microfiltration, l'ultrafiltration, la nanofiltration et l'osmose inverse peuvent se voir attribuer des crédits d'enlèvement logarithmique pour Cryptosporidium et Giardia; l'ultrafiltration, la nanofiltration et l'osmose inverse peuvent aussi se voir attribuer des crédits d'enlèvement logarithmique pour les virus. Pour que ces procédés obtiennent un crédit d'enlèvement, leur efficacité d'enlèvement doit être établie par des essais d'efficacité d'enlèvement et vérifiée par des tests d'intégrité directs. Les procédés de filtration et d'osmose inverse doivent être soumis à des tests d'intégrité directs périodiques et à une surveillance indirecte en continu de l'intégrité en cours d'utilisation. Le crédit d'enlèvement maximal qu'un procédé de filtration sur membrane peut se voir attribuer est égal à la plus faible valeur entre l'efficacité d'enlèvement démontrée par des essais d'efficacité d'enlèvement et le crédit d'enlèvement logarithmique maximal obtenu lors de la vérification au moyen du test direct de l'intégrité (sensibilité du test d'intégrité) utilisé pour contrôler le procédé de filtration sur membrane (U.S. EPA, 2005, 2006b). Les installations qui le souhaitent trouveront de l'information supplémentaire sur les exigences en matière d'essais d'efficacité d'enlèvement pour les membranes filtrantes dans le Membrane Filtration Guidance Manual de l'U.S. EPA (2005) et le Protocol for Equipment Verification Testing for Physical Removal of Microbiological and Particulate Contaminants établi conjointement par l'U.S. EPA et NSF (NSF, 2005).

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