Opération adaptative des systèmes d'eau potable par le suivi de l'absorbance UV afin de minimiser l'exposition aux sous-produits de la désinfection

Le suivi règlementaire des sous-produits de la désinfection (SPD) dans l’eau potable fournit généralement aux opérateurs des usines de production d’eau potable un portrait partiel de la performance du traitement en termes de SPD, étant donné la basse fréquence d’échantillonnage exigée. Une rétroaction plus fréquente sur les concentrations de SPD permettrait une optimisation des paramètres d’opération susceptible d’influencer l’enlèvement des précurseurs de SPD et la désinfection. Il importe alors d’avoir une méthode de suivi simple, rapide, et à fréquence élevée, voire en continu, des concentrations de SPD dans l’eau potable. L’absorbance UV différentielle (ΔA) est une méthode d’estimation des concentrations de SPD à coût faible, pouvant être effectuée rapidement et fréquemment, qui consiste à utiliser la différence entre une mesure de l’absorbance UV avant la chloration et une mesure de l’absorbance UV après la chloration pour prédire les concentrations de SPD. L’objectif de cette thèse est de développer une stratégie de suivi en continu de la formation des SPD par l’absorbance UV différentielle en usine afin de permettre une opération préventive et adaptative lors du traitement de l’eau. Cet objectif est divisé en deux sous-objectifs: comprendre pourquoi les relations SPD-ΔA ne sont pas universelles et identifier les stratégies favorisant leur généralisation et leur application à l’échelle réelle, et développer une stratégie d’opération adaptative et préventive du procédé de coagulation-floculation, utilisant comme rétroaction l’absorbance UV-visible, afin de réduire les concentrations de SPD à l’usine et en réseau. À cette fin, un premier essai a été fait afin de vérifier la possibilité d’établir des relations SPD-ΔA valide à l’échelle réelle. Ensuite, une stratégie de coagulation à l’échelle réelle utilisant l’absorbance UV à 254 nm des eaux brutes et décantées a été testée. En parallèle, une série de jar-tests et d’essais de chloration faits sur 8 eaux brutes différentes a permis de construire une base de données sur la coagulation de la matière organique et des précurseurs des SPD, permettant de comparer les résultats obtenus en laboratoire à ceux obtenus à l’échelle réelle. Cette même base de données a aussi servi à établir des relations SPD-ΔA plus largement applicables et à formuler des recommandations sur l’approche à adopter pour généraliser et utiliser ces relations. Les résultats des essais à l’échelle réelle montrent qu’il est possible d’établir des relations SPD-ΔA autant pour des sous-produits règlementés (trihalométhanes (THM) et acides haloacétiques (AHA)) que pour des sous-produits émergents (haloacétonitriles (HAN), halocétone (HK), et chloropicrine (CPK)) en utilisant l’absorbance UV différentielle à une seule longueur d’onde (272 nm), mais que ces relations varient dans le temps en fonction des paramètres physico-chimiques de l’eau brute et des paramètres d’opération des procédés. L’absorbance UV avant chloration demeure malgré tout un bon indicateur de la concentration de précurseurs de SPD. Ainsi, une stratégie de coagulation basée sur une dose stœchiométrique d’alun par rapport à l’absorbance UV à 254nm de l’eau brute (dose d’alun/UV254 de l’eau brute) a été développée à l’échelle réelle. Les résultats de l’essai de la stratégie à l’échelle réelle et des jar-tests concordent et confirment que l’utilisation d’une dose stœchiométrique d’alun définie permet de maximiser l’enlèvement de l’absorbance UV et des précurseurs dans une situation de qualité de l’eau variable quotidiennement et saisonnièrement. L’utilisation de l’absorbance UV différentielle à plusieurs longueurs d’onde, en plus de l’utilisation de l’absorbance avant chloration, permet d’améliorer les prédictions des relations empiriques SPD-ΔA et de généraliser leur application. En effet, les résultats des jar-tests et des essais de chloration ont montré que ces relations sont applicables à des eaux chlorées ayant des caractéristiques physico-chimiques variées. Spécifiquement, les concentrations de THM semblent mieux prédites en utilisant l’absorbance avant chloration à 270 nm, ΔA à 270 nm et ΔA à 425 nm, l’acide dichloroacétique en utilisant l’absorbance avant chloration à 250nm, ΔA à 250 nm et ΔA à 425 nm, et l’acide trichloroacétique en utilisant l’absorbance avant chloration à 255 nm, ΔA à 255nm et ΔA à 425 nm. L’utilisation de l’absorbance différentielle à plusieurs longueurs d’onde devra être expérimentée à l’échelle réelle dans des recherches futures, entre autres en utilisant des sondes de mesure de l’absorbance en continu.Regulatory sampling of drinking water for the control of disinfection by-products (DBPs) gives a partial depiction of the performance of a drinking water system in terms of DBPs, given the usually low sampling frequency required. A more frequent feedback on DBP concentrations would allow optimisation of the operation of the treatment processes responsible for the removal of DBP precursors. It is therefore important to develop a simple, rapid and high frequency or even continuous monitoring method for DBPs. Differential UV absorbance (ΔA) is a method, consisting of the use of the difference between the absorbance of a sample before chlorination and after chlorination to predict DBP concentrations that can provide such a feedback rapidly and frequently. The main goal of this thesis is to develop a continuous DBP monitoring strategy using differential UV absorbance in order to achieve a preventive and adaptive operation of water treatment processes. This goal is divided into two sub-objectives : to understand why DBP-ΔA relationships are not universal and to identify ways to generalize their application in full-scale water treatment facilities, and to develop a preventive and adaptive operation strategy of the coagulation-flocculation process, using UV absorbance as a feedback, in order to reduce DBP concentrations at the plant and in the distribution network. To reach these goals, atrial was made to assess the possibility of establishing DBP-ΔA relationships at a full-scale treatment plant. Then, a coagulation strategy using UV absorbance at 254 nm of the raw and settled waters was tested to assess its capacity to reduce DBP concentrations. At the same time, jar-tests and chlorination experiments were conducted on 8 different water sources to build a database on the coagulation of DBP precursors. These results were compared with the full-scale coagulation strategy. The database was also used to establish DBP-ΔA relationships applicable to waters with a wide range of physicochemical characteristics and to formulate recommendations on the approach to take to generalize and use these relationships. The results of the full-scale trials show that it is possible to establish DBP-ΔA relationships for both regulated (trihalomethanes (THM) and haloacetic acids (HAAs)) and unregulated (haloacetonitriles (HANs), haloketones (HKs) and chloropicrin (CPK)) DBPs using differential UV absorbance at one wavelength (272 nm), but that these relationships vary with the raw water physicochemical characteristics and with the operation parameters of the treatment process. Nonetheless, UV absorbance before chlorination remains a good surrogate of the concentration of DBP precursors. A coagulation strategy based on a stoichiometric alum dose related to UV absorbance at 254 nm (alum/UV254) was therefore developed at full-scale. Results from the full-scale trials and the jar-tests are coherent and confirm that using a stable stoichiometric dose maximises the removal of UV absorbance and DBP precursors despite daily and seasonal variations of raw water quality and natural organic matter content. The use of differential UV absorbance at multiple wavelength made it possible to improve the predictive capacity of empirical DBP-ΔA relationships and to generalize their application. Indeed, results from the jar-tests and chlorination experiments showed that these relationships are applicable to chlorinated waters with very different physicochemical characteristics. Specifically, THM concentrations seem to be better predicted using pre-chlorination absorbance at 270nm, ΔA at 270nm and ΔA at 425nm, dichloroacetic acid using pre-chlorination absorbance at 250nm, ΔA at 250nm and ΔA at 425nm, and trichloroacetic acid using pre-chlorination absorbance at 255nm, ΔA at 255nm and ΔA at 425nm. The use of differential absorbance at multiple wavelengths, especially using online absorbance probes, should be tried in a full-scale water treatment facility in future research