Étude de la durabilité du gainage en polyéthylène téréphtalate (PET) envisagé pour la mise aux normes des entrées de service en plomb (ESP)

Les entrées de service en plomb (ESP), qui acheminent l’eau potable du réseau d’aqueduc municipal aux habitations, sont une source résiduelle d’exposition au plomb. Les ESP représentent donc un réel risque pour la santé, puisque la corrosion de ces ESP peut entraîner la libération de plomb, qui même en faible concentration et en deçà des normes de sécurité (< 5 μg/L au Québec) peut entraîner des effets néfastes sur la santé des adultes (cancers, maladies cardiovasculaires ou rénales) et surtout des jeunes enfants, augmentant leurs risques de développer des troubles neurologiques et comportementaux irréversibles. Les municipalités sont donc contraintes de mettre aux normes ces ESP, le plus souvent en procédant à leur remplacement complet, moyennant des coûts conséquents. Toutefois, des alternatives au remplacement complet des ESP sont envisagées. Ces dernières, comme le gainage en polyéthylène téréphtalate (PET), sont présentés par les fournisseurs comme moins onéreuses et invasives, plus abordables et tout aussi efficaces à réduire l’exposition au plomb. Le gainage en PET étudié dans ce mémoire, se présente sous la forme d’un tube thermoformé uniformément à l’intérieur de l’ESP existante pour faire barrière au passage du plomb vers l’eau potable. Bien que plusieurs études aient montré l’efficacité des gainages en PET à diminuer les concentrations en plomb au robinet des habitations sur le court-terme, des incertitudes subsistent concernant leur durabilité physico-chimique, la conservation de leurs performances sur le long-terme, la qualité de l'eau transportée et leurs impacts sur la santé humaine et sur l'environnement. Également, les additifs chimiques associés aux polymères peuvent être lessivés vers l’eau potable, posant ainsi un risque supplémentaire pour la santé humaine. La possible fragmentation des gainages en PET en micro- et nanoplastiques (MNP), ainsi que le manque d'information relative à leurs effets sur la santé humaine, constituent également une source de préoccupation. Cette étude vise à vérifier la durabilité physico-chimique d’un type de gainage en PET et à comparer son empreinte carbone et ses impacts sur la santé humaine et l'environnement par rapport aux méthodes traditionnelles de remplacement des conduites. L’objectif est ainsi d’aider les municipalités dans leurs stratégies de mise aux normes des ESP par l’étude de la pertinence des gainages en PET pour cette application. Dans un premier temps, des expériences de vieillissement accéléré aux échelles laboratoire et pilote ont été réalisées afin d’évaluer les impacts sur l’intégrité du PET de : la température (20°C, 40°C), des cycles de gel-dégel, des procédures de chloration v choc, du pH (6,5, 8, eau de la ville partenaire) et de la durée d’exposition (1, 2 et 3 mois). Les modifications de surface et de cristallinité, le lessivage d’additifs (métaux), et la fragmentation d’un type de gainage en PET ont ainsi été suivis. Dans un second temps, une analyse du cycle de vie (ACV) a permis de comparer les impacts environnementaux et sur la santé humaine de la mise aux normes d’une ESP (Longueur = 2,8 m Diamètre interne = ½-po) dans une municipalité partenaire au Québec (Canada) en 2024 par : 1) réhabilitation avec le gainage en PET, 2) remplacement complet avec une conduite en PEX, ou 3) en cuivre. L’ACV a également permis d’évaluer les effets sur la santé humaine du gainage en PET, des conduites en cuivre et des ESP non remplacées dus aux métaux lessivés puis ingérés par les consommateurs via le robinet des habitations. Le PEX n’a pas été considéré dans cette partie par manque de données relatives au lessivage d’additifs. Aussi, une étude complémentaire avec le modèle IEUBK s’est intéressée plus particulièrement à l’augmentation des niveaux de plomb dans le sang (BLL) pour de jeunes enfants de 0 à 84 mois, ces derniers étant les plus à risque en cas d’exposition au plomb. Les résultats des études expérimentales laboratoire et pilote ont mis en évidence une oxydation de la surface du gainage en PET qui atteste d’un vieillissement du matériau. Un lessivage de métaux d’intérêt sanitaire tels que le plomb, le zinc et le titane, dans les différentes conditions expérimentales a également été observé. En revanche, aucune augmentation de la cristallinité du PET, attestant d’un vieillissement avancé du matériau, ni aucune fragmentation en MNP des gainages en PET n’ont été observées lors de ces essais sur le court-terme. Toutefois, un vieillissement plus avancé n’est pas à exclure sur le long terme et en conditions de fonctionnement réelles (physico-chimie de l’eau, formation de biofilm et conditions d'écoulement), lequel pourrait affecter l'intégrité du gainage en PET et réduire son efficacité protectrice contre le plomb.

Abstract

Lead service lines (LSL), which carry drinking water from the municipal water supply network to homes, are a residual source of lead exposure. LSL therefore represent a real health risk, since LSL corrosion can induce lead release, which even in low concentrations and below safety standards (< 5 μg/L in Quebec) can have harmful effects on the health of adults (cancers, cardiovascular or kidney diseases) and especially young children, increasing their risk of developing irreversible neurological and behavioral disorders. Municipalities are therefore forced to bring LSL up to standard, most often by full replacement at considerable cost. However, alternatives to complete LSL replacement are being considered. These, such as polyethylene terephthalate (PET) liner, are presented by suppliers as less expensive and invasive, more affordable and effective at reducing lead exposure. The PET liner studied in this report takes the form of a tube thermoformed uniformly inside the existing LSL to act as a barrier to the passage of lead into the drinking water. Although a number of studies have demonstrated the effectiveness of PET liners in reducing lead concentrations at household taps over the short term, there are still uncertainties concerning their physico-chemical durability, the conservation of their performance over the long term, the quality of the water transported, and their impact on human health and the environment. Also, chemical additives associated with polymers can leach into drinking water, posing an additional risk to human health. The possible fragmentation of PET liners into micro- and nanoplastics (MNP), and the lack of information on their effects on human health, are also a source of concern. The aim of this study is to verify the physico-chemical durability of one type of PET liner, and to compare its carbon footprint and impacts on human health and the environment with traditional pipe replacement methods. The aim is to help municipalities in their strategies to bring a LSL up to standard, by studying the suitability of PET liners for this application. Initially, accelerated aging experiments on laboratory and pilot scales were carried out to assess the impact on PET integrity of: temperature (20°C, 40°C), freeze-thaw cycles, shock chlorination procedures, pH (6.5, 8, partner city water) and exposure duration (1, 2 and 3 months). Surface and crystallinity changes, leaching of additives (metals), and fragmentation of one type of PET liner were monitored. Secondly, a life cycle assessment (LCA) compared the environmental and human health impacts of upgrading a LSL (Length = 2.8 m Internal diameter = ½-inch) in a partner municipality in Quebec (Canada) in 2024 by: 1) rehabilitation with a PET liner, 2) complete replacement with PEX ix pipe, or 3) copper pipe. The LCA also made it possible to assess the effects on human health of PET liners, copper pipes and non-replaced LSL due to metals leached and then ingested by consumers via household taps. PEX was not considered in this part of the study due to the lack of data on additive leaching. A complementary study using the IEUBK model focused on the increase in blood lead levels (BLL) in young children aged 0 to 84 months, who are most at risk from lead exposure. The results of experimental laboratory and pilot studies revealed oxidation on the surface of the PET liner, attesting to the aging of the material. Leaching of metals of health interest, such as lead, zinc and titanium, was also observed under the various experimental conditions. On the other hand, no increase in PET crystallinity, indicative of advanced material aging, and no short-term MNP fragmentation of PET liners were observed in these short-term tests. However, more advanced aging cannot be excluded over the long term and under actual operating conditions (water physico-chemistry, biofilm formation and flow conditions), which could affect the integrity of the PET liner and reduce its protective efficacy against lead.