Le rôle de l'ozone dans la réutilisation des eaux usées pour l'irrigation urbaine

Les centres urbains du monde entier sont confrontés à une pression croissante pour gérer les ressources en eau de manière durable.À mesure que les populations s'élargissent et que les modèles climatiques s'aggravent, les municipalités se tournent de plus en plus vers les eaux usées traitées pour irriguer les parcs, les terrains de sport, les terrains de golf et la verdure routière.

Comment l'ozone traite les eaux usées : chimie et mécanismes

L'ozone (O3[) est une molécule triatomique formée lorsque les molécules d'oxygène sont fractionnées par une décharge électrique ou une lumière ultraviolette, puis recombinées avec d'autres atomes d'oxygène. Dans le traitement des eaux usées, l'ozone agit comme un puissant oxydant ayant un potentiel de réduction de 2,07 V, après seulement le fluor parmi les désinfectants courants.

L'oxydation directe, conduite par des radicaux hydroxyles, est non sélective et peut décomposer même les molécules organiques récalcitrantes, y compris les pesticides, les perturbateurs endocriniens et les contaminants traces. Cette double action distingue l'ozone du chlore, qui oxyde principalement par un mécanisme unique et plus lent et produit des sous-produits de désinfection (PDB) comme les trihalométhanes et les chloramines. L'ozone ne laisse aucun produit chimique résiduel dans l'eau traitée; tout excès d'ozone se décompose en quelques minutes pour revenir à l'oxygène, ce qui le rend intrinsèquement sûr pour des utilisations en aval comme l'irrigation.

Les recherches de l'Agence de protection de l'environnement des États-Unis confirment que l'ozone réduit de 99,99 % les bactéries, les virus et les protozoaires aux heures de contact typiques, rivalisant ou dépassant la chloration sans la toxicité associée. Ce profil chimique fait de l'ozone un produit idéal pour les plans de réutilisation où l'eau traitée touchera le sol, les plantes et les humains par arrosage par pulvérisation ou égouttage.

Principaux avantages de l'ozone pour l'irrigation urbaine

L'adoption de l'ozone comme désinfectant primaire dans les systèmes de réutilisation des eaux usées offre plusieurs avantages concrets aux villes et aux exploitants de projets.

Amélioration de la qualité de l'eau et élimination des agents pathogènes

L'ozone peut atteindre une inactivation presque complète des organismes indicateurs tels que E. coli, Enterococcus[ et Clostridium perfringens spores, souvent à des temps de contact plus bas que la chloration. De plus, l'ozone oxyde les composés du fer, du manganèse et du sulfure qui causent une décoloration et des odeurs, produisant un effluent qui est esthétiquement acceptable pour les espaces verts publics.

Amabilité et sécurité environnementales

L'ozone se décompose en oxygène, ce qui n'entraîne pas de résidus chimiques persistants dans l'effluent, ce qui élimine les étapes de déchloration et évite l'accumulation de PD dans les sols et les tissus végétaux. Pour les parcs urbains où les enfants et les animaux domestiques jouent, l'absence de résidus de chlore réduit le risque d'irritation oculaire et cutanée.

Efficacité des coûts à long terme

Bien que les dépenses initiales en immobilisations pour les équipements de production d'ozone et les bassins de contact soient plus élevées que pour les systèmes de chloration, les économies d'exploitation s'accumulent au fil du temps. Les systèmes d'ozone ne nécessitent pas de stockage sur place de produits chimiques dangereux, ce qui réduit les coûts de conformité réglementaire, le matériel de sécurité et les primes d'assurance.

Croissance végétale et santé des sols

Les études de l'Université de l'Arizona montrent que l'utilisation de l'eau recyclée traitée à l'ozone pour la bermudagrass augmente la biomasse des pousses de 18 % par rapport à l'eau recyclée chlorée, probablement en raison de l'élimination des résidus de chlore phytotoxiques et de la réduction du rapport d'adsorption du sodium. De plus, l'ozone décompose de nombreux polluants organiques traces qui peuvent s'accumuler dans le sol au fil du temps, empêchant la dégradation à long terme des communautés microbiologiques du sol.

Conception d'un système de traitement à base d'ozone pour la réutilisation

L'intégration de l'ozone dans une installation existante ou nouvelle de réutilisation de l'eau urbaine comporte plusieurs éléments clés et des décisions de processus.

Étapes préalables au traitement

L'ozone est le plus efficace après un traitement primaire ou secondaire qui élimine les grands solides et la majeure partie de la charge organique biodégradable. Le prétraitement typique comprend le dépistage, l'élimination du grain, la sédimentation primaire et le traitement biologique secondaire (boues activées ou bioréacteur membranaire). À ce stade, l'effluent est dosé avec de l'ozone dans une chambre de contact conçue pour maximiser l'efficacité du transfert.

Méthodes de production d'ozone

La plupart des stations urbaines de traitement utilisent des générateurs d'ozone à décharge de corona, qui traversent un courant alternatif à haute tension à travers une orifice diélectrique en présence d'oxygène ou d'air pour créer de l'ozone. Les systèmes de décharge de Corona sont économes en énergie et peuvent être adaptés aux débits typiques des installations municipales.

Configuration de la chambre de contact

Les configurations communes comprennent les diffuseurs de bulles fines au fond d'un réservoir profond, les injecteurs de venturi qui tirent l'ozone dans un cours d'eau latéral et les mélangeurs statiques pour injection en ligne. Le temps de contact est généralement de 10 à 20 minutes, la concentration résiduelle d'ozone à la sortie étant inférieure à 0,5 mg/L pour minimiser la toxicité des gaz hors gaz. Les déstructeurs hors gaz (catalysiques ou thermiques) sont toujours installés pour détruire toute ozone libérée de l'eau avant qu'elle ne pénètre dans l'atmosphère.

Après le traitement et la surveillance

Après l'ozonation, l'eau peut nécessiter une post-aération pour rétablir les niveaux d'oxygène dissous et l'ajustement du pH si nécessaire. Pour les applications d'irrigation, une étape finale de filtration (sable ou membrane) peut polir tout précipité formé par l'oxydation de l'ozone.

Considérations relatives à la mise en œuvre et à la sécurité

Le déploiement de l'ozone dans une installation de traitement urbain nécessite une planification minutieuse pour tenir compte des risques opérationnels et de la perception du public.

Exploitation et formation qualifiées

La plupart des municipalités investissent dans des programmes de formation pour les exploitants, portant sur des sujets tels que la toxicité de l'ozone (le gaz est nocif pour les systèmes respiratoires humains à des concentrations supérieures à 0,1 ppm), la détection des fuites et les procédures d'arrêt d'urgence. Les systèmes de sécurité automatisés pour les pannes – y compris les capteurs de gaz, les dispositifs de ventilation et les systèmes de dégazage d'urgence – sont de série.

Une demi-vie courte et une redondance du système

L'ozone se décompose rapidement dans l'eau (demi-vie de 20 à 30 minutes à pH 7), ce qui signifie que l'efficacité de la désinfection dépend fortement de la conception de contacteurs appropriés. Pour assurer une réduction constante des agents pathogènes, les concepteurs de plantes fournissent souvent de multiples chambres de contact en série ou en parallèle avec des générateurs d'ozone redondants.

Acceptation publique et approbation réglementaire

Dans de nombreuses régions, l'utilisation de l'eau récupérée pour l'irrigation urbaine est soumise à des règlements stricts (par exemple, California Title 22, Australian Guidelines for Water Recycling). Le traitement de l'ozone répond généralement aux normes les plus élevées de désinfection requises pour un accès public sans restriction.

Applications et études de cas dans le monde réel

Plusieurs villes du monde entier ont intégré avec succès l'ozone dans leurs programmes de réutilisation de l'eau pour l'irrigation paysagère.

Las Vegas, Nevada

Le district d'eau de Las Vegas Valley exploite une installation d'oxydation avancée de 10 millions de gallons par jour qui traite les effluents secondaires pour l'irrigation des terrains de golf, des parcs et des médianes sur la bande de Las Vegas. Le système, commandé en 2020, combine l'ozone et le peroxyde d'hydrogène pour créer un processus d'oxydation avancé qui détruit les contaminants traces et qui permet l'inactivation du virus de 6 log. Selon le district, le traitement à base d'ozone a éliminé les problèmes d'odeurs saisonnières et réduit la concentration de sous-produits de désinfection de 90 % par rapport au système antérieur basé sur la chloration.

Programme NEWater de Singapour

Singapour Les installations d'Eau-NE utilisent une approche à barrières multiples qui comprend la microfiltration, l'osmose inverse et la désinfection par ultraviolets, complétée par l'ozone pour des applications industrielles et d'irrigation spécifiques. Bien que le principal produit d'Eau-NE soit hautement purifié par osmose inverse, l'Office des services publics de Singapour a mis à l'essai l'ozone pour l'irrigation secondaire des effluents dans les parcs publics.

Ville de Tucson, Arizona

Le département de l'eau de Tucson utilise l'ozone dans le cadre de son processus de traitement de l'eau récupérée pour approvisionner plus de 1 000 clients en eau pour l'irrigation du paysage. En passant du chlore à l'ozone, l'utilité a résolu les problèmes de biosoudure des pipelines qui avaient entaché le réseau de distribution et réduit les plaintes des clients au sujet de l'odeur de chlore.

Défis et limites

Malgré ses avantages, l'application de l'ozone dans la réutilisation des eaux usées pour les projets d'irrigation urbaine pose plusieurs défis que les ingénieurs et les exploitants doivent relever.

Consommation d'énergie élevée

La production d'ozone nécessite une énergie électrique importante, généralement de 10 à 20 kWh par kilogramme d'ozone produit pour les systèmes de décharge de corona. Dans les régions où les coûts d'électricité sont élevés ou où les réseaux à forte intensité de carbone sont très élevés, cela peut représenter un fardeau opérationnel important.

Contrôle de la formation de Bromate

Lorsque l'ozone réagit avec du bromure naturel dans les eaux usées, le bromate (BrO3−) peut se former – un cancérogène humain probable réglementé par de nombreuses normes d'eau potable. Dans les applications de réutilisation où l'effluent peut être utilisé pour l'irrigation de cultures alimentaires ou de zones publiques, les niveaux de bromate doivent être maintenus en deçà des limites typiques (p. ex., 10 μg/L). Les stratégies visant à minimiser le bromate comprennent l'optimisation du pH, l'ajout d'ammoniac et l'utilisation du peroxyde d'hydrogène pour convertir l'ozone en radicaux hydroxyles avant l'oxydation du bromure.

La demi-vie courte et la gestion résiduelle

Comme l'ozone se dégrade si rapidement, il est impossible de maintenir un désinfectant résiduel persistant dans le système de distribution sans ajouter un désinfectant secondaire tel que le chlore ou la chloramine. Pour les systèmes d'irrigation qui stockent de l'eau récupérée dans des bassins ouverts ou de grands réservoirs, la repousse des microorganismes peut se produire après la dissipation de l'ozone.

Coût en capital et empreinte de l'empreinte

L'équipement d'ozone – générateurs, concentrateurs d'oxygène, réservoirs de contact et de déstructeurs hors gaz – nécessite une surface de plancher importante et un investissement initial. La remise en état des installations de traitement existantes peut être compliquée par les contraintes du site.

Orientations futures et recherche

La recherche en cours vise à rendre la réutilisation basée sur l'ozone encore plus attrayante et évolutive pour l'irrigation urbaine.

Intégration avec les bioréacteurs Membrane (MBR)

Combiner l'ozone et le traitement préalable au MBR produit des effluents d'une clarté exceptionnelle et d'une teneur organique très faible. Le MBR élimine les solides en suspension et constitue une barrière biologique, tandis que l'ozone polit les traces organiques restantes et assure la désinfection.

Procédés d'oxydation avancés (PAO) utilisant l'ozone

L'ajout de peroxyde d'hydrogène ou de lumière UV à l'ozone génère une concentration plus élevée de radicaux hydroxyles, accélérant la dégradation des composés récalcitrants tels que le 1,4-dioxane, les substances perfluoroalkyles (SPA) et les produits pharmaceutiques.Ces OPA sont de plus en plus pris en compte pour des projets de réutilisation qui doivent traiter des contaminants industriels ou émergents.

Contrôle numérique et surveillance en temps réel

Des algorithmes d'intelligence artificielle qui prédisent la dose d'ozone requise en fonction de la qualité de l'eau et des débits entrants sont actuellement testés en Europe et au Japon, ce qui promet des économies d'énergie de 20 à 30 % tout en dépassant les calendriers de doses fixes. Ces systèmes intelligents sont particulièrement utiles dans les milieux d'irrigation urbaine où la qualité des effluents varie de façon saisonnière avec l'infiltration des eaux pluviales ou les rejets industriels.

Élaboration de politiques et de normes

À mesure que l'ozone s'accepte, les gouvernements mettent à jour les lignes directrices sur la réutilisation pour inclure explicitement la désinfection à base d'ozone.L'Organisation mondiale de la santé Les lignes directrices pour l'utilisation sécuritaire des eaux usées, des excréta et des eaux grises reconnaissent maintenant l'ozone comme une technologie de traitement validée.

Conclusion

L'application de l'ozone dans les projets d'irrigation urbaine offre un mélange convaincant de sécurité, d'intendance environnementale et d'efficacité opérationnelle. Sa capacité à détruire un large éventail d'agents pathogènes et de polluants organiques sans produire de sous-produits de désinfection persistants en fait un outil naturel pour les espaces publics où le contact avec l'eau est probable. Bien que des défis liés au coût en capital, à la consommation d'énergie et au contrôle des bromates demeurent, les progrès constants de la technologie des générateurs, de l'intégration des processus et des contrôles intelligents réduisent constamment ces obstacles.