Eaux usées chlorées - LSIP1

2.4 Informations sur les effets

Plusieurs études portant sur des poissons ont montré que le chlore libre ou combiné peut avoir des effets nocifs sur la structure des branchies (Servizi et Martens, 1974; Bass et Heath, 1975a,b; Wiley, 1983) et sur la capacité de l'hémoglobine de transporter l'oxygène dans le sang (Buckley, 1976; Grothe et Eaton, 1975). Les dommages subis par les membranes branchiales et l'oxydation de l'hémoglobine en méthémoglobine portent à croire que la cause finale de la mortalité découlant de l'exposition au chlore libre ou combiné est l'asphyxie (Rosenberger, 1971; Dandy, 1972; Bass et Heath, 1975a,b; Cairns et al., 1975). En outre, selon plusieurs études, le chlore libre et le chlore combiné pourraient exercer leur toxicité à d'autres sites, dont le système nerveux (Fobes, 1971; Wolf et al., 1975).

Katz (1979) a montré que l'exposition au chlore résiduel augmentait la perméabilité des branchies, ce qui pouvait mener à une augmentation de l'accumulation (et, par là même, de la toxicité) d'autres substances chimiques présentes dans les eaux usées chlorées.

Les études des effets des eaux usées chlorées sur l'environnement se divisent en trois catégories:

1. les études in situ de la structure des communautés, de la survie des populations et d'autres effets biologiques;
2. les essais effectués sur les effluents complets;
3. les essais chimiques visant à doser des substances chlorées que l'on sait présentes dans les eaux usées chlorées (p. ex., le chlore résiduel total ou la monochloramine).

Dans la présente partie, nous insisterons principalement sur les deux premières catégories, qui donnent les preuves les plus directes des effets subis par l'environnement canadien.

La plupart des renseignements disponibles sur les études in situ et sur les essais d'effluents remontent aux années 1970 et antérieures. Nous ne nous attacherons qu'aux études applicables aux pratiques actuellement en usage au Canada.

2.4.1 Êtudes in situ et essais sur le terrain

En 1972 et 1973, on a effectué dans trois tributaires du fleuve Fraser (Colombie-Britannique), en aval d'usines municipales d'épuration, des études in situ pour lesquelles on a employé des saumons sockeye (Oncorhynchus nerka) et des saumons roses (O. gorbuscha) encagés (Servizi et Martens, 1974). Dans un des tributaires, on a observé, en février et mars 1972, une mortalité de 100% chez les saumoneaux sockeye de moins d'un an à chacune des cinq stations situées entre 9 et 92 m en aval de l'exutoire (mortalité du groupe témoin : 0%). À la station de 92 m, la concentration de chlore résiduel total (CRT) était de 0,07 mg/L. À la sixième station, à 185 m en aval, la concentration était de 0,02 mg/L et la mortalité de 20%. En octobre et novembre 1972, on a observé une augmentation des concentrations de CRT (0,24 mg/L) ainsi qu'une mortalité de 100% chez les saumoneaux sockeye à la station la plus éloignée, à 277 m en aval de l'exutoire. Lorsque les chlorateurs des usines d'épuration situées sur les tributaires I et III ne fonctionnaient pas, la mortalité des saumoneaux sockeye et des alevins de saumons roses diminuait considérablement, quand elle n'était pas nulle. L'effluent non dilué de l'usine d'épuration située sur le tributaire II, qui avait été déchloré par lagunage et qui avait une concentration de CRT inférieure à la limite de détection (0,02 mg/L), ne provoquait aucune mortalité chez les saumons juvéniles.

Le ministère de l'Environnement de l'Ontario a mené des essais de toxicité in situ en aval de plusieurs usines municipales d'épuration où l'on chlorait les effluents afin de les désinfecter. Après des expositions aiguës aux effluents, on a observé la mortalité de truites arc-en-ciel (Oncorhynchus mykiss) juvéniles encagées à trois endroits: dans la rivière Grand, en aval de l'usine d'épuration de Waterloo (mortalité de 100% à 100 m) (MEO, 1992b); dans la rivière Avon, en aval de l'usine d'épuration de Stratford (mortalité de 66% à 475 m) (Flood et al., 1984a); et dans le ruisseau Otter, en aval de l'usine d'épuration de Tillsonburg (mortalité de 100% à 53 m) (Flood et al., 1984b). On n'a observé aucune mortalité dans les stations témoins situées en amont de l'exutoire de chacune des usines d'épuration. La caractérisation chimique du milieu récepteur à chaque endroit a montré que les concentrations de CRT qui dépassaient environ 0,04 mg/L étaient associées à une mortalité de 100% durant les expositions aiguës (figure 1). Les données que l'on possède sur les concentrations d'ammoniac, de métaux et d'autres substances rejetées par les usines montrent qu'elles étaient inférieures aux concentrations normalement associées à des effets toxiques chez la truite arc-en-ciel. La désinfection des effluents de l'usine d'épuration de Tillsonburg aux rayons ultraviolets, plutôt que par chloration, a entraîné une diminution de la mortalité observée chez la truite arc-en-ciel (de 100% à moins de 6% à la station de 53 m).

Figure 1 Concentrations de chlore résiduel total (zone ombrée) et mortalité chez la truite arc-en-ciel en aval de trois usines municipales d'épuration en Ontario (La durée des essais a varié de 48 à 120 heures.)

Récemment, Szal et al. (1991) ont examiné les effets des eaux usées chlorées à trois endroits proches d'usines d'épuration du Massachusetts qui rejetaient leurs effluents dans des cours d'eau. À chaque endroit, on a observé chez des têtes-de-boule (Pimephales promelas) encagées une mortalité de 100% après une exposition de 24 heures à des distances de 21 à 91 m en aval de l'exutoire, et des taux de mortalité de 25 à 85% à des distances de 183 à 427 m. La chloration des eaux usées a été reconnue comme une cause majeure de mortalité parce que le taux de survie dans les stations témoins était d'au moins 85% et parce que, dans les effluents complets qui n'avaient pas été chlorés, le taux de survie déterminé en laboratoire était d'au moins 90%. La corrélation entre la concentration de CRT et la mortalité des têtes-de-boule variait selon les endroits. À un endroit, on n'a observé aucune mortalité chez des têtes-de-boule exposées à des concentrations de 0,05 à 0,35 mg/L de CRT, tandis qu'à un autre endroit, où les concentrations de CRT variaient de moins de 0,03 à 0,14 mg/L, la mortalité a été de 100%. Les variations de la toxicité apparente du CRT peuvent avoir été causées par des interactions entre le CRT, l'ammoniac et la saturation en oxygène (Szal et al., 1991).

Osborne et al. (1981) ont observé une mortalité de 40% chez des truites arc-en-ciel (Oncorhynchus mykiss) encagées à 100 m en aval d'une usine municipale d'épuration située sur la rivière Sheep, en Alberta (concentration moyenne de CRT : 0,35 mg/L). Aucune mortalité n'a été observée lorsque les poissons encagés ont été exposés à l'effluent complet non chloré pendant 24 heures. Un relevé biologique effectué en aval de l'usine a mis en évidence une modification de la structure de la communauté biologique: dominée à l'origine par les éphémères, les chironomidés, les trichoptères et les plécoptères, elle a évolué vers une communauté dominée par les vers oligochètes après que l'on eut commencé à pratiquer la désinfection au chlore en 1977 (Osborne, 1985). Ce changement était évident jusqu'à 500 m en aval en 1979. Osborne (1985) a formulé l'hypothèse qu'il s'expliquait par la tolérance des taxons d'oligochètes à l'exposition au CRT, plus grande que la tolérance des autres taxons d'insectes aquatiques (Arthur et al., 1975; Brooks et Seegert, 1977).

En Nouvelle-Écosse, des relevés biologiques effectués près de trois usines municipales d'épuration qui rejetaient des eaux usées chlorées ont montré que la structure de la communauté benthique était considérablement modifiée à la station la plus éloignée où l'on avait prélevé des échantillons de chaque usine (figure 2) (Rutherford, 1992). Par exemple, la régularité était considérablement réduite chez les taxons du ruisseau Fales à 180 m en aval de l'exutoire de l'usine d'épuration de Greenwood; en effet, l'augmentation du nombre de chironomidés était accompagnée d'une baisse correspondante du nombre d'invertébrés des autres taxons. Dans le port de Halifax, le nombre total d'invertébrés était réduit de façon significative à 100 m de l'exutoire, comparativement à la station témoin située à 2,5 km, du fait de réductions de l'abondance de plusieurs annélides, crustacés et mollusques. Il n'est pas possible de déterminer si c'est le chlore résiduel ou d'autres substances produites par la chloration des effluents qui ont contribué aux effets observés sur la structure de la Communauté benthique des trois endroits. Ainsi, l'usine de traitement primaire d'Eastern Passage rejette un effluent renfermant de 19 à 20 mg/L d'ammoniac, et il se peut que cette substance contribue davantage que le CRT à la modification de la structure de la Communauté à cet endroit (MEO, 1990b).

Figure 2 Effets sur les communautés benthiques des eaux usées chlorées rejetées par trois usines municipales d'épuration en Nouvelle-Écosse

Richesse, régularité et effectifs des taxons présents sur des substrats artificiels après quatre semaines de colonisation près de trois usines municipales d'épuration de la Nouvelle-Écosse qui rejettent des eaux usées chlorées (Rutherford, 1992). Les échantillons ont été prélevés dans une station témoin en amont (C) et dans trois stations en aval des deux usines rejetant leurs effluents dans des cours d'eau douce (Greenwood et Lakeside). Dans le cas de l'usine qui rejette ses effluents dans la mer (Eastern Passage), la station témoin se trouvait à une distance de 2,5 km. La régularité a été calculée à l'aide de la formule suivante:

où pi est la fréquence relative du taxon i et n est le nombre de taxons dans l'échantillon. Les astérisques indiquent les effets d'un traitment qui diffèrent de façon significative des effets subis par le témoin (p <0,05), selon les analyses de la variance simple et les tests de comparaisons multiples de Duncan effectués pour chaque effet à chaque usine d'épuration.

Tsai (1970, 1971) a examiné la modification de la diversité et de l'abondance des espèces de poissons en aval de plus de 150 usines municipales d'épuration de l' est des États-Unis. Les poissons, en particulier les salmonidés, subissaient des effets nocifs (p. ex., réduction de la diversité, changement de la structure des communautés) en aval des usines d'épuration où la chloration était le dernier procédé appliqué avant le rejet. L'omble de fontaine (Salvelinus fontinalis) ainsi que la truite brune (Salmo trutta) étaient absents des milieux récepteurs où la concentration moyenne de CRT dépassait 0,02 mg/L. Aucun effet sur la diversité des espèces ni sur la structure des communautés n'a été observé en aval des usines municipales d'épuration où l'on déchlorait les effluents dans des bassins à surface libre.

2.4.2 Effluents complets

Au cours de l'été et de l'hiver 1989-1990, la société Beak Consultants Limited a étudié dix usines municipales d'épuration de l'Ontario (MEO, 1991b), dont huit où l'on désinfectait les effluents au chlore de façon saisonnière ou continue. Sur 123 échantillons instantanés et composés d'effluents (chlorés et non chlorés), 43 renfermaient au moins 0,1 mg/L de chlore résiduel total (CRT). De ceux-ci, 33 (77%) ont exercé une létalité aiguë chez la truite arc-en-ciel (Oncorhynchus mykiss) avant déchloration, tandis que 18 (42%) étaient toujours létaux après déchloration par addition de sulfite de sodium (les concentrations de CRT étaient alors inférieures à la limite de détection de 0,01 mg/L). Quand Daphnia magna a été utilisée pour des essais, 28 (65%) des 43 échantillons dont la teneur en CRT était d'au moins 0,1 mg/L ont exercé une létalité aiguë, tandis que huit (19%) se sont révélés létaux après déchloration. En outre, les concentrations létales médianes (CL₅₀) des échantillons soumis à l'essai dans l'état où ils avaient été reçus tendaient vers des valeurs plus faibles (c.-à-d. une toxicité plus grande) que les CL₅₀ des échantillons déchlorés, tant chez la truite arc-en-ciel que chez Daphnia magna. Ces résultats ont été observés en dépit de baisses de la concentration de CRT entre le moment du prélèvement et celui des essais, et en dépit de la disparition rapide de ce chlore durant les essais.

Selon une étude effectuée en 1991 dans quatre usines municipales d'épuration de la Nouvelle-Écosse (Base des Forces canadiennes de Cornwallis, Eastern Passage, Greenwood et Lakeside), les eaux usées chlorées des quatre usines n'étaient pas toxiques pour l'algue Selenastrum capricornutum (Rutherford, 1992). Chez les autres espèces soumises à des essais biologiques en laboratoire (truite arc-en-ciel, épinoche à trois épines et huître), la létalité aiguë était plus prononcée en présence des effluents des usines de Cornwallis et d'Eastern Passage, dont la concentration moyenne de CRT était légèrement supérieure à 0,2 mg/L; les concentrations moyennes dans les effluents des usines de Greenwood et de Lakeside étaient de moins de 0,005 et de 0,12 mg/L, respectivement. Par exemple, la CL₅₀ chez la truite arc-en-ciel après 96 heures (en pourcentage de l'effluent complet) était de 32,9% pour l'usine d'épuration d'Eastern Passage, de 35,4% pour l'usine de Cornwallis, de plus de 100% pour celle de Lakeside et de 70,7% pour celle de Greenwood. L'épinoche à trois épines (Gasterosteus aculeatus) et une bactérie luminescente (Photobacterium phosphoreum) se sont révélées moins tolérantes à l'exposition aux effluents de l'usine d'Eastern Passage: les CL₅₀ moyennes observées après 96 heures étaient de 8,8 et 11,4%, et les concentrations inhibitrices médianes (CI₅₀) après 15 minutes étaient de 8,0 et 9,7%, respectivement. On a observé des anomalies de l'écaille chez des larves d'huître (Crassostrea gigas) à des concentrations d'à peine 0,2% après 48 heures d'exposition aux effluents de l'usine de Cornwallis. Grâce à la déchloration au thiosulfate de sodium, on a détoxiqué un échantillon prélevé à cette usine, mais on ne l'a fait qu'en partie pour les autres échantillons prélevés pendant l'étude, ce qui montre que le CRT était la cause d'une partie, mais non de la totalité, de la toxicité observée des effluents.

2.4.3 Effets des substances trouvées dans les eaux usées chlorées

Les faits présentés jusqu'ici montrent que le chlore résiduel total et les autres composés chlorés issus de la chloration contribuent considérablement à la toxicité observée des eaux usées traitées par certaines des usines municipales d'épuration qui ont été étudiées. La toxicité peut aussi être causée ou augmentée par un certain nombre d'autres facteurs, dont de fortes concentrations d'ammoniac, de métaux, de surfactifs et d'autres composés, une forte demande biologique en oxygène ou des extrêmes de pH et de température (pour une étude plus détaillée, cf. MEO, 1990b).

On dispose d'études de la toxicité de substances produites par la chloration des eaux usées, qui sont brièvement passées en revue dans le document à l'appui du présent rapport. Pour une étude approfondie, le lecteur est invité à consulter des documents tels que les « Recommandations pour la qualité des eaux au Canada » (CCMRE, 1987 et mises à jour ultérieures). Pour les besoins de la présente évaluation, les données toxicologiques se rapportant aux divers constituants des eaux usées chlorées n'ont pas été jugées essentielles, parce que l'on disposait des résultats d'études in situ et d'essais sur les effluents complets.