applications

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Le domaine d’application de l’ozone est vaste du fait de sa forte réactivité (voir les oxydants et désinfectants). Dans le domaine du traitement de l’eau, il s’étend de la production d’eau de consommation à l’épuration d’eaux rési­duaires industrielles.

en traitement des eaux de consommation

L’action de l’ozone est mise à profit à divers stades de production selon la qualité de l’eau à traiter. On trouvera au niveau des filières de traitement des eaux de surface, plusieurs tableaux et exemples d’application de l’ozone.

en préoxydation

En préoxydation, l’ozone est utilisé pour déstructurer les particules colloïdales et les macromolécules et améliorer ainsi les performances de la coagulation-floculation voire le fonctionnement de la décantation. L’eau clarifiée est de meilleure qualité en terme de turbidité et de matière organique (COT, composés pré­curseurs d’haloformes, composés responsables de goût et d’odeur). Il permet simultanément d’éliminer les algues présentes dans les eaux de surface. Il oxyde également le fer et le manganèse dans les eaux souter­raines peu chargées en matière organique. La dose d’ozone appliquée à ce stade est voisine de 1 mg · L–1.

en oxydation intermédiaire ou principale

En oxydation intermédiaire ou principale, l’ozone a pour rôle d’oxyder les matières organiques dites natu­relles. Il décolore les eaux chargées en substances humiques. Il transforme les composés organiques ren­contrés tels que ceux responsables des goûts et des odeurs (par exemple, géosmine et 2-méthylisobornéol), les pesticides (glyphosate, aldicarb, pentachlorophénol…), les phénols, les détergents, les toxines algales et d’autres composés chimiques d’origine pharmaceutique et/ou à activité œstrogénique (par exemple, 17a- ethinylestradiol). Le degré de conversion de ces derniers varie selon leur structure chimique et les condi­tions du milieu. La voie de réactivité radicalaire notamment promue par l’addition de peroxyde d’hydrogène peut s’avérer nécessaire pour produire les taux d’élimination escomptés.

Ce type de procédé d’oxydation avancée est soumis à autorisation car les sous-produits formés peuvent entrer dans le périmètre de la régle­mentation (cas des pesticides et bromates en Europe). L’ozonation parvient en règle générale à diminuer la toxicité des composés dans l’eau et à augmenter leur biodégradabilité (CODB). En conséquence, l’ozonation principale est quasi-systématiquement couplée à une filtration biologique sur charbon actif en grains afin d’achever l’élimination des micropolluants tout en limitant la dose d’ozone appliquée. Celle-ci est en général de l’ordre de 0,5 à 1 g par g de carbone organique.

en désinfection

En désinfection, l’ozone réagit rapidement avec les micro-organismes de sorte que les valeurs de CT sont en général faibles (voir les oxydants et désinfectants). Les gammes de valeurs compilées à la figure 22 montrent que l’ozone est capable de détruire les principaux organismes pathogènes rencontrés. Malgré la dispersion des valeurs due à la variation des conditions expérimentales et des méthodes de dénombrement (excystation, infectivité) utilisées, il apparaît que :

  • les micro-organismes les plus résistants sont les protozoaires tels que les kystes Naegleria et Cryptos­poridium qui impliquent des CT plus de 100 fois supérieures à ceux nécessaires pour la bactérie E. coli ;
  • un CT égal à 2 mg · min · L–1 est suffisant pour détruire à 99 % les bactéries, les virus et l’ensemble des kystes de Giardia.
Désinfection ozone valeurs CT inactivation 2 log micro-organismesImage sécurisée
Figure 22. Valeurs de CT pour l’inactivation de 2 log des micro-organismes par l’ozone à pH entre 6 et 7,5 et à température comprise entre 5 et 25 °C

Comme pour toute réaction chimique, l’action de l’ozone sur les micro-organismes dépend des conditions du milieu que sont le pH, la température, la présence d’autres composés oxydables et la concentration en MES. En effet :

  • le pH conditionne la décomposition de l’ozone ; une augmentation de ce dernier vers des pH basiques a pour effet de réduire la concentration en ozone dissous et donc l’efficacité de désinfection ;
  • bien que la température joue en sens inverse sur la solubilité de l’ozone et sur la vitesse d’inactivation, l’efficacité de désinfection augmente à température croissante (figure 23);
  • les matières organiques contribuent à la demande en ozone de l’eau et entrent en compétition avec les micro-organismes (demande en ozone : voir analyses spécifiques). L’apparition d’ozone résiduel dissous dans l’eau ne se réalise que lorsque le taux d’oxydant introduit dépasse une valeur critique correspondant à la demande immédiate en ozone ;
  • les matières en suspension peuvent protéger les micro-organismes et de ce fait rendre la désinfection plus difficile (vrai quel que soit l’agent désinfectant utilisé).
Désinfection ozone valeurs CT inactivation 2 log kystes Giardia - spores Bacilius subtilisImage sécurisée
Figure 23. Valeurs de CT pour l’inactivation de 2 log de kystes de Giardia et de spores de Bacillus subtilis à pH 7-7,2 (eaux réelles) en fonction de la température

La valeur du CT à maintenir dépend des objectifs de désinfection. Il est admis que les conditions de trai­tement d’une eau potable fixées dès 1964 au taux de 0,4 mg · L–1 d’ozone résiduel pendant 4 minutes de temps de séjour (CT = 1,6 mg · min · L–1) satisfont à l’élimination de 2,5 log de kystes de Giardia lamblia à 5 °C. Les études les plus avancées concourent à montrer que l’inactivation d’un log de kystes de Cryptospo­ridium nécessiterait un CT égal à 4 mg · min · L–1 à 20 °C et égal à 10 mg · min · L–1 à 10 °C (compilation menée par USEPA). Dans ce contexte, l’application de l’ozone peut s’avérer non conforme vis-à-vis des normes en ion bromate (voir ci-après).

augmentation concentration ions bromate ozonation rivièreImage sécurisée
Figure 24. Exemple d’augmentation de la concentration en ions bromate au cours de l’ozonation d’une eau de rivière en vue de l’inactivation de 2 log de Cryptosporidium (concentration initiale en bromure égale à 60 m·L–1)

La formation de bromates au cours de l’ozonation résulte de l’oxydation des ions bromures selon un mécanisme complexe dans lequel l’ozone et le radical hydroxyle sont impliqués (figure 25). Dans les eaux naturelles de pH compris entre 6 et 8, l’ozone joue un rôle clé dans la formation de l’acide hypobromeux (HOBr) que le radical hydroxyle (HO) oxyde ensuite en ion bromite (BrO2) alors facilement converti en ion bromate (BrO3) par l’ozone.

La formation de composés organobromés reste un phénomène minoritaire. Il s’ensuit que la conversion des bromures en bromates peut être minimisée moyennant :

  • le contrôle du pH pour limiter la décomposition de l’ozone en radical hydroxyle (voir les oxydants et désinfectants) et orienter l’équilibre HOBr/BrO (figure 24, influence du pH pour CT = 15) ;
  • l’addition d’ammoniaque qui réagit très rapidement avec l’acide hypobromeux ;
  • la maîtrise de l’hydrodynamique du contacteur avec adaptation des conditions d’application de l’ozone.

L’évolution de la concentration en bromates peut être estimée connaissant la concentration initiale en bro­mures, la concentration en ozone dissous, le pH, la température et le temps de séjour.

réactions ions bromures ozonation eaux naturellesImage sécurisée
Figure 25. Réactions à partir des ions bromures au cours de l’ozonation des eaux naturelles

En production d’eau potable, les réacteurs d’ozonation principaux sont des chambres constituées de com­partiments. Un seul compartiment avec un temps de contact de quelques minutes est en général suffisant pour assurer la préoxydation alors que pour l’oxydation principale et pour la désinfection, il est préférable d’utiliser des chambres à deux ou trois compartiments avec des temps de contact compris entre 8 et 15 minutes. Ces réacteurs sont dimensionnés en considérant que :

  • le temps de séjour est correctement décrit par le modèle qui associe réacteurs agités pour chaque com­partiment de diffusion du gaz et réacteurs piston entre les chicanes. L’efficacité hydrodynamique est éva­luée en terme de T10 déterminé par traçage (voir applications) ;
  • les paramètres cinétiques (demande immédiate en ozone, la vitesse ultérieure de consommation d’ozone en vue de l’obtention éventuelle d’une concentration résiduelle) sont connus soit via des tests de laboratoire soit par analogie.

Les bilans de matière sur l’ozone permettent alors de déterminer les valeurs de paramètres de fonction­nement que sont les débits gazeux dans chaque compartiment en fonction des caractéristiques géométri­ques et des contraintes opératoires (concentrations résiduelles recherchées pour l’ozone en désinfection, objectif de traitement en oxydation, voir illustration à la figure 26).

chambre désinfection ozone dissousImage sécurisée
Figure 26. Représentation schématique d’une chambre de désinfection à l’ozone avec évolution de la concentration en ozone dissous

Le tube en U est également utilisé pour l’oxydation principale (photo 11). Le réacteur à diffuseur radial pré­senté à la figure 18 est également adapté en particulier à la préozonation.

Ozonation eau nitrifiée avant filtration CAGImage sécurisée
Photo 11. Installation du Pecq (Yvelines). Débit : 1 500 m3· h–1 Ozonation d’eau nitrifiée avant filtration sur CAG. Tube en U

eaux usées urbaines

L’application de l’ozone dans le domaine des eaux résiduaires répond à des objectifs variés.

Après traitement physico-chimique ou biologique, l’ozonation permet de :

  • désinfecter les eaux traitées tout en diminuant la DCO résiduelle de 20 % au minimum avant réutilisation ou rejet dans les zones protégées ;
  • décolorer et d’éliminer 4 à 8 mg · L–1 de détergents dans les eaux avec une dose d’ozone de l’ordre de 30 mg · L–1 (cas d’eaux ERU et ERI textile mélangées).

Les réacteurs sont principalement des chambres d’ozonation à compartiments conçues selon un principe analogue à celui adopté pour l’ozonation d’eau potable. En désinfection, les vitesses d’inactivation des bac­téries ou virus étant très rapides et le maintien d’une concentration en ozone résiduel n’étant pas nécessaire, un temps de contact inférieur ou égal à deux minutes est suffisant pour la désinfection en chambre. Cette application se prête également à l’emploi de systèmes à mélangeur statique.

L’efficacité de désinfection est souvent évaluée en terme de dose d’ozone transférée pour l’inactivation des coliformes fécaux ou de E. coli. Elle augmente à mesure que la qualité de l’eau s’améliore au fil de la filière de traitement sous l’effet de la réduction des concentrations en autres composés oxydables. La figure 27 montre la dispersion des doses d’ozone suivant divers cas d’effluents primaires, secondaires ou tertiaires. Il est, en général, déraisonnable de traiter un effluent primaire, il faut au moins une bonne qualité secondaire (DBO < 20 mg · L–1 et MES < 20 mg · L–1) ou alors ne rechercher qu’un abattement faible de bac­térie ou virus (inférieur à 2 log).

dose ozone inactivation 2 log coliformes fécaux E.coli production bullesImage sécurisée
Figure 27. Dose d’ozone transférée pour l’inactivation de 2 log de coliformes fécaux ou E. coli dans des effluents urbains à divers stades de traitement et production de bulles

Dans les procédés de traitement à boues activées, l’injection d’ozone en dérivation réduit la production de boues (voir Biolysis O) tout en améliorant la qualité des flocs biologiques (voir réduction de production de boues). La réaction est rapide et nécessite un réacteur à forte agitation non conventionnel qui crée une forte aire d’échange.

Dans le traitement des boues biologiques en excès issues de la digestion anaérobie ou de la stabilisation aérobie, l’ozone améliore la déshydratation et l’épaississement des boues avec un effet bénéfique sur la pro­duction d’odeurs.

désodorisation et épuration des gaz

(voir mesures des odeurs et désodorisation)

L’ozone est appliqué pour oxyder les composés soufrés (sulfures et mercaptans tels que sulfure d’hydro­gène et méthyl mercaptan), des amines (par exemple, éthylamine et triméthylamine), des cétones, alcools et aldéhydes. Quelques cas de réalisations industrielles existent. Elles sont fondées sur l’emploi de tours de lavage consistant en des colonnes à garnissage dans lesquelles l’oxydation opère par voie humide (figure 20). Le temps de contact est de l’ordre de 3 secondes. Le pH de l’eau de lavage est régulé à 9-9,5 pour l’élimination des composés soufrés, des aldéhydes, des cétones et des alcools, à moins de 6,5 pour la des­truction des amines. La dose d’ozone appliquée varie en moyenne de 6 à 12 mg · m–3 de gaz TPN.

piscines

L’ozone est utilisé à diverses étapes du traitement des eaux recyclées dans les centres nautiques :

  • introduit à raison de 0,5 à 1 mg · L–1 dans le bac tampon en sortie du bassin, il oxyde des contaminants anthropogéniques (substances aminées) ;
  • ultérieurement appliqué entre deux étapes de filtration, il assure l’oxydation des matières organiques résiduelles, il améliore ainsi les qualités visuelles et organoleptiques de l’eau et assure la désinfection ;
  • injecté en amont du bassin, il constitue une barrière bactéricide et virulicide.

Les réacteurs utilisés sont en général des colonnes à bulles. Des systèmes à mélangeur statique peuvent convenir pour le traitement en amont de la filtration.

eaux résiduaires industrielles

Les applications de l’ozone pour le traitement des eaux résiduaires industrielles sont très variées ainsi qu’en témoigne la liste des installations en fonctionnement recensées, dressée au tableau 11. Les doses d’ozone mentionnées sont éminemment variables selon la cible visée et la qualité de l’eau à traiter.

ozone traitement ERIImage sécurisée
Tableau 11. Application de l’ozone en traitement des ERI

Pour chaque application, le réacteur est choisi en fonction des vitesses de réactions et de la qualité d’eau. C’est par exemple une colonne à garnissage sur une fraction du débit d’alimentation ou de recyclage en pis­ciculture pour la désinfection, un système avec mélangeur statique pour la décoloration d’eaux peu char­gées ou un réacteur à diffuseur radial pour le traitement d’effluents avec temps de contact élevé (photo 12). Ils sont dimensionnés d’après étude cinétique menée en mode continu ou discontinu.

réalisation réacteur diffuseur radial série ERI ozoneImage sécurisée
Photo 12. Exemple de réalisation avec réacteurs à diffuseur radial en série

applications industrielles

La réactivité de l’ozone est mise à profit dans diverses étapes de production industrielle :

  • blanchiment de la pâte à papier (voir industries de la pâte à papier et papeteries) ;
  • purification (blanchiment) du kaolin et du carbonate de calcium ;
  • synthèses chimiques, arômes, acides organiques… ;
  • purification des acides sulfurique et phosphorique ;
  • blanchiment du sucre de cannes.
  • conditionnement de produits alimentaires