Développement d'un modèle d'analyse des risques microbiologiques (QMRA) permettant le choix de combinaisons de procédés les plus sécuritaires

L'Analyse Quantitative du Risque Microbiologique (QMRA) est la méthode la plus largement utilisée pour la prédiction et l'évaluation des risques d'infection associés aux pathogènes microbiens présents dans l'eau. Son application systématique fournit une base scientifique d'aide à la décision en gestion des risques, permet de hiérarchiser les priorités d'intervention et de s'assurer que le système en question produit une eau saine qui répond aux exigences fixées en santé publique. Les dernières directives internationales sur la qualité d'eau potable favorisent l'intégration d'un cadre préventif (de la source au robinet) pour évaluer et contrôler la sûreté de l'eau potable. Présentement, les traitements aux deux usines de production d'eau potable de la Ville de Montréal : Charles DesBaillets et Atwater, ne permettent pas toujours de respecter le Règlement sur la Qualité de l'Eau Potable du Québec (2005). En effet, la chloration seule à l'usine Atwater ne constitue pas une barrière pour Cryptosporidium et l'efficacité de l'ozonation à l'usine Charles DesBaillets varie avec la variation de la température de l'eau. Pour renforcer les barrières de traitement, de nouveaux procédés devront être implantés aux deux stations de traitement. L'objectif principal de cette étude est le développement d'un modèle Monte Carlo, basé sur l'approche QMRA, dans le but d'évaluer les risques relatifs d'infection associés à la présence de Cryptosporidium et de Giardia dans l'eau potable. La spécificité de ce modèle est l'intégration et l'analyse de l'utilisation des données SCADA afin de tenir compte du fonctionnement réel de différents procédés de traitement. Le modèle développé permet : a) l'évaluation de l'impact de différentes approches de modélisation des paramètres d'entrée du modèle sur le risque estimé (occurrence des parasites, performance du traitement), b) la comparaison de différents scénarios de traitement sur la base de la réduction du risque d'infection, et c) l'évaluation de l'impact des périodes d'arrêt de l'ozonation et de la désinfection UV sur le risque estimé. D'après les simulations Monte Carlo réalisées, l'occurrence des parasites à l'eau brute semble être mieux décrite par une distribution mixte, soit log — Normale pour les concentrations supérieures à la limite de détection (> DL) et uniforme pour les concentrations sous la limite de détection (< DL). Le choix de l'approche de modélisation du traitement physique (filtration directe et traitement conventionnel) et de la méthode de calcul de l'inactivation des parasites par ozonation influencent significativement les risques estimés. Pour les procédés de filtration, le risque d'infection par Cryptosporidium montre des différences assez importantes selon l'approche de modélisation considérée. Les trois approches évaluées étaient : 1 'ère approche : log parasites = log spores; Teng approche : log parasites = 1,7 x log spores et la 3ème approche : log parasites est fonction de la turbidité. Les résultats obtenus indiquent une sous estimation majeure du risque par la deuxième approche (1,58E-05 en risque moyen) comparée aux deux autres (1,97E-03 et 9,33E-03 en moyenne pour la première et la troisième approche respectivement). Basé sur les données SCADA, le calcul de CT effectué en usine sous estime le risque comparé au calcul détaillé, qui prend en considération les périodes d'arrêt (10,4%) et de disfonctionnement identifiées en usine (1,46E-03 vs 3,93E-02 en risque moyen). L'application du modèle aux deux usines de la Ville de Montréal a permis d'évaluer différents scénarios de filières de traitements sur la base de la réduction du risque d'infection. Les traitements considérés sont : la filtration directe sans coagulation, la filtration directe avec coagulation optimale et sub-optimale, le traitement conventionnel (coagulation- décantation- filtration), l'ozonation, la chloration et la désinfection aux rayons UV. Selon le modèle, les traitements actuels des usines Charles DesBaillets (filtration directe, chloration et ozonation) et Atwater (filtration directe et chloration) présentent un risque relatif d'infection par Cryptosporidium et par Giardia plus élevé que le risque acceptable proposé par l'USEPA (1/10 000). À l'usine Charles DesBaillets, l'impact de l'ozonation sur l'inactivation de Cryptosporidium est minimal, particulièrement en eaux froides. L'implantation des UVs, comme nouvelle technologie, avec la filtration directe assistée chimiquement réduirait le risque d'infection par Cryptosporidum et par Giardia à de très faibles niveaux. L'impact des périodes d'arrêt de traitement (0,1% ; 1,0% et 5%) sur le risque d'infection a également été évalué. Des temps d'arrêt supérieurs à 0,1% de la désinfection UV ont un effet significatif sur le risque comparé à l'ozonation où un arrêt de 1% peut être jugé acceptable. Les résultats obtenus montrent l'utilité de l'approche QMRA pour évaluer les avantages relatifs de divers procédés de traitement. Les données présentées fournissent un bon exemple d'un modèle simplifié de QMRA qui peut être employé pour comparer les réductions relatives de risque de divers scénarios de traitement. Les résultats soutiennent également le concept des barrières multiples pour réduire au minimum les risques globaux pendant le fonctionnement normal et les périodes d'arrêt provisoires de différentes filières de traitement. Finalement, les valeurs de risques relatifs produites par le modèle apparaissent très élevées en considération de l'évidence épidémiologique (même si partielle et incomplète) dont on dispose. Même en considérant que les valeurs de risques d'infections ne se traduisent pas directement en nombres de cas rapportés, les écarts entre les résultats de simulation et le nombre de cas de Cryptosporidiose déclarés suggèrent une surestimation du risque.

Abstract

Quantitative Microbiological Risk Analysis (QMRA) is the most widely used method for predicting and assessing the risk of infection associated with microbial pathogens present in water. Its systematic application provides a scientific basis to assist risk management decision-making, allows ranking of intervention priorities and making sure that the system produces and delivers drinking water that meets health targets. The latest international guidelines on drinking water quality promote a preventive, integrated (from source to tap) framework for assessing and managing the safety of drinking water. At present, the current treatments at the two drinking water production plants of Montreal City: Atwater and Charles DesBaillets do not always meet the microbial goals of the Quebec's Drinking Water Quality Regulation (2005). Indeed, chlorination alone at Atwater plant does not constitute a barrier for Cryptosporidium, while the effectiveness of ozonation at Charles DesBaillets plant varies with temperature. To strengthen the treatment barriers, new processes will be implemented at both treatment stations. The principal objective of this study is to develop a Monte Carlo model, based on the QMRA approach, in order to assess the relative risk of infection associated with the presence of Cryptosporidium and Giardia in drinking water. The specificity of this model is the including and analysing the use of SCADA data to integrate the reality of full scale operations. The model developed allows: a) the assessment of the impact of the input models on the estimates of risk (parasite occurrence, treatment performance), b) the comparison of different treatment scenarios based on microbial risk reduction, and c) the assessment the impact of the ozonation and UV disinfection shutdown periods on the estimated risk. According to the Monte Carlo simulations performed, the occurrence of parasites in raw water seems to be described better by a mixed distribution, i.e. log — Normal distribution for concentrations above the detection limit (> DL) and an uniform distribution for concentrations below the detection limit (< DL). The choice of the physical treatment modelling approach (direct filtration and conventional treatment) and the ozonation-based parasite inactivation calculation method significantly influences the estimated risks. For the filtration processes, the risk of infection by Cryptosporidium varies substantially depending on the modelling approach considered. The three approaches evaluated were: 1" approach: log parasites = log spores; 2nd approach: log parasites = 1.7 x log spores and 3rd approach: log parasites depend on the turbidity. The results obtained indicate a major underestimation of the risk by the second approach (1.58E-05 average risk) compared with the other two (1.97E-03 and 9.33E-03 average risk respectively for the first and third approaches). Based on the validated SCADA data, the CT calculation performed in the plant underestimates the risk compared to the detailed calculation, which considers the shutdown (10.4%) and dysfunction periods identified in the plant (1.46E-03 vs. 3.93E-02 average risk). The application of the model to the Montreal's plans allowed evaluation of different treatment scenarios based on risk reduction. The treatments considered are: direct filtration without coagulation, direct filtration with optimal and suboptimal coagulation, conventional treatment (coagulation- decantation- filtration), ozonation, chlorination and disinfection with UV. According to the model, the current treatments at Atwater and Charles DesBaillets plants present higher risks of infection by Cryptosporidium and by Giardia than the acceptable risk proposed by the USEPA (1/10,000). At Charles DesBaillets plant, the impact of ozonation on Cryptosporidium seems to be minimal, particularly in cold water. The implementation of UV as a new technology with chemically assisted direct filtration reduces the risk of infection by Cryptosporidium and by Giardia to very low levels (< 1/10,000). The impact of the treatment shutdown periods (0.1%; 1.0% and 5%) on the risk of infection was also assessed. UV disinfection downtimes exceeding 0,1% seem to have a significant effect on the risk compared with ozonation, for which a 1% downtime can be considered acceptable.The results obtained show the usefulness of a QMRA approach in evaluating the advantages of various treatment processes. The data presented provide a good example of a simplified QMRA model that can be used to compare the relative risk reductions of various upgrade scenarios. Results also support the concept of multiple barriers to minimize overall risks during normal variations of treatment performance and temporary shutdown of process units. Finally, values of relative risks produced by our model appear elevated in regard of the available epidemiological evidence available, although incomplete, and even if one acknowledges that all infections do not lead to reported cases.--------CONTENU Les sources de contamination microbiologique en eau potable -- L'analyse du risque -- Approches de l'analyse du risque -- Analyse quantitative du risque microbiologique (QMRA) -- Intégration de l'analyse du risque dans les réglementations d'eau potable -- Limites de l'analyse du risque -- Modélisation -- L'occurrence des parasites à l'eau brute -- Taux de récupération -- Infectiosité -- Paramètre dose-réponse -- Traitement physique -- Inactivation chimique -- Inactivation aux rayonnements UV -- Consommation journalière d'eau potable -- Intégration des variables dans le modèle global -- Including operational data in QMRA model : development and impact of model inputs -- Application du modèle QMRA et comparaison de différents scénarios de traitements : étude de cas.

Mots clés

Eau potable -- Microbiologie; Eau -- Qualité; Eau -- Stations de traitement -- Gestion du risque; Eau potable -- Épuration