Introduction : La préoccupation croissante à l'égard des sous-produits de désinfection

La désinfection a été l'une des plus importantes réalisations en santé publique du XXe siècle, réduisant considérablement les maladies d'origine hydrique telles que le choléra, la typhoïde et la dysenterie. Cependant, les procédés chimiques utilisés pour tuer les agents pathogènes peuvent produire par inadvertance des composés nocifs appelés sous-produits de désinfection (PDB). Les PDB se forment lorsque les désinfectants, le plus souvent le chlore, réagissent avec des matières organiques naturelles (NOM) et des ions bromure présents dans les eaux de source. Plus de 600 PDB ont été identifiés, les trihalométhanes (THM) et les acides haloacétiques (AHA) étant les plus réglementés et étudiés. L'exposition à long terme à des niveaux élevés de PDB a été liée à un risque accru de cancer de la vessie, à des résultats nocifs pour la reproduction et à d'autres effets sur la santé.

Qu'est-ce que l'ozonation ?

L'ozone est produit sur place par le passage d'air sec ou d'oxygène par un champ de décharge électrique à haute tension, semblable à un boulon de foudre. Le gaz est ensuite injecté dans le flux d'eau par des diffuseurs ou des injecteurs de venturi, où il commence immédiatement à réagir avec une large gamme de contaminants. L'ozone est considérablement plus élevé que celui du chlore, de l'hypochlorite ou du dioxyde de chlore, ce qui lui permet de décomposer des molécules organiques complexes, d'inactiver des microorganismes et d'éliminer les composés de goût et d'odeur en quelques secondes. Contrairement au chlore, qui peut persister dans le système de distribution et assurer la désinfection résiduelle, l'ozone se décompose rapidement en oxygène, ce qui signifie qu'il est généralement utilisé comme désinfectant primaire au début du train de traitement, suivi d'un désinfectant secondaire comme le chlore ou la chloramine pour maintenir la qualité de l'eau dans les tuyaux.

Production d'ozone et chimie

L'ozone est généré par un rejet de corona ou par irradiation ultraviolette (UV). La méthode la plus courante, la décharge de corona, consiste à passer de l'oxygène (O[2) à travers un espace diélectrique soumis à un champ électrique fort. Certaines molécules d'oxygène (O[2[) sont divisées en oxygène atomique, qui se combinent alors avec des molécules intactes d'O[2 pour former de l'ozone (O[3[. Le rendement dépend du gaz d'alimentation—l'air produit environ 1 à 2 % d'ozone en poids, tandis que l'oxygène pur peut atteindre 4 à 6 % ou plus.

Comment l'ozonation réduit la formation de sous-produits de désinfection

L'ozonation réduit la formation de DBP par plusieurs mécanismes distincts qui ciblent à la fois les précurseurs et le processus de traitement global.

Oxydation des matières organiques naturelles (NOM)

Les principaux précurseurs des PSD comme les THM et les AHA sont des composés organiques naturels, particulièrement les acides humiques et fulvic, qui contiennent des groupes fonctionnels réactifs tels que les cycles aromatiques et les doubles liaisons conjuguées. Lorsque le chlore est ajouté à l'eau non traitée, ces structures aromatiques réagissent facilement à la formation de sous-produits halogénés. L'ozonisation, surtout à doses modérées, attaque sélectivement ces fractions aromatiques, les décompose en acides carboxyliques aliphatiques plus petits, moins réactifs, aldéhydes et cétones. Ces produits de transformation ont une tendance beaucoup plus faible à réagir avec le chlore, réduisant ainsi le potentiel global de formation de PSD. Des études ont montré que la préozonation peut réduire la formation de THM de 30 à 50 % et la formation de HAA de 60 % selon les caractéristiques de l'eau et la dose d'ozone.

Modification de la chimie du bromide

Bien que l'ozone puisse oxyder le bromure en acide hypobromoique (HOBr), qui réagit à son tour avec la matière organique pour former des DBP bromés (souvent plus toxiques que leurs homologues chlorés), un contrôle minutieux des conditions d'ozonisation peut en fait minimiser la formation d'espèces bromés au cours de l'étape de chloration subséquente. L'ozone décompose sélectivement les précurseurs organiques les plus réactifs avec HOBR, transformant la spéciation DBP en composés moins nocifs. De plus, si la dose d'ozone est optimisée pour éviter la formation excessive de bromate (BrO3-) – un DBP réglementé lui-même – la préozonation peut réduire considérablement les niveaux totaux de THM et d'HAA bromés.

Élimination accrue des particules et des matières colloïdales

L'ozonisation peut améliorer l'efficacité globale des processus de coagulation et de filtration en aval.Les réactions d'oxydation décomposent les molécules organiques de poids moléculaire élevé et déstabilisent les particules colloïdales.Cela peut conduire à une amélioration de 10 à 20 % de l'élimination du carbone organique total (COD) et de la turbidité dans le traitement conventionnel.

Demande et dose de chlore inférieures

La demande de chlore est la quantité de chlore consommée par les réactions avec des composés organiques et inorganiques avant qu'elle ne puisse fournir une désinfection résiduelle gratuite. En réduisant cette demande, l'ozonation permet aux exploitants d'appliquer une dose de chlore plus faible tout en atteignant le résidu requis dans le système de distribution. Moins de chlore signifie moins de possibilités de réaction pour la formation de DBP. De nombreuses installations de traitement ciblent un résidu de chlore libre spécifique (souvent 0,2 à 2,0 mg/L au point d'entrée) et la préozonation les aide à atteindre ce résidu avec une réduction de 40 à 60 % de l'addition de chlore, ce qui correspond directement à des concentrations de DBP plus faibles.

Avantages de l'ozonation dans le traitement de l'eau

Au-delà de la réduction du DBP, l'ozonation offre un large éventail d'avantages qui en font un processus d'unité attrayant pour les stations modernes de traitement de l'eau.

Performance de désinfection supérieure

L'ozone est l'un des désinfectants les plus puissants connus, avec la capacité d'inactiver les bactéries, les virus et les parasites protozoaires tels que Giardia[ et Cryptosporidium beaucoup plus efficacement que le chlore. Par exemple, une valeur CT (concentration × temps) de 0,5 mg·min/L pour l'ozone permet d'inactiver Giardia[, tandis que le chlore nécessite une CT d'environ 50 mg·min/L. Cette efficacité élevée signifie des temps de contact plus courts et des réservoirs plus petits, réduisant les coûts en capital.

Réduction des classes spécifiques de PSD

Bien que les THM et les AHA soient les PDN les plus réglementés, l'ozonation réduit également la formation d'autres sous-produits problématiques tels que les haloacétonitriles (HAN), les halocétones et la chloropicrine. L'ozone s'attaquant aux précurseurs azotés et carbonés de ces composés, leur concentration dans l'eau finie diminue souvent. Ceci est particulièrement important car les services d'eau font face à des règlements futurs ciblant d'autres espèces de PDN. L'ozonation peut également aider à contrôler la formation de N-nitrosodiméthylamine (NDMA), un puissant cancérogène formé pendant la chloramination, en éliminant les précurseurs de la diméthylamine.

Réduction des composés du goût et de l'odeur

Les composés tels que la géosmin et le 2-méthylisobornéol (MIB) provoquent des goûts et des odeurs de la terre dans l'eau potable, ce qui entraîne souvent des plaintes de la part des clients. Le chlore est largement inefficace pour oxyder ces composés, mais l'ozone agit rapidement et complètement pour les détruire à des doses typiques de 1 à 3 mg/L. De nombreux services d'eau utilisent l'ozonation spécifiquement pour le contrôle du goût et des odeurs, avec l'avantage accessoire de la réduction du DBP.

Amélioration de la flottaison et de la filtration

L'effet de microfloculation de l'ozone, causé par la déstabilisation chimique des particules colloïdales et des polymères organiques, améliore l'efficacité du traitement physique en aval. L'élimination de la turbidité peut augmenter de 10 à 15 % et la qualité de l'eau sédimentée s'améliore. Cela réduit la charge organique à l'étape de désinfection finale, limitant encore la formation du DBP. Les plantes avec filtres au carbone actif après ozonation (carbone actif biologique, ou BAC) bénéficient également d'une biodégradation accrue du carbone organique assimilable, ce qui empêche la croissance dans le système de distribution et réduit la demande de chlore.

Défis et considérations dans l'application intégrale

Malgré ses nombreux avantages, l'ozonation n'est pas une panacée. Il y a d'importants défis opérationnels, économiques et chimiques qui doivent être gérés pour réaliser les avantages de réduction du PSD.

Formation de Bromate (BrO3-)

Lorsque les eaux sources contiennent des niveaux élevés de bromure (au-dessus de 50 μg/L), l'ozone peut oxyder le bromure en bromate, un PSD cancérogène qui est réglementé dans de nombreux pays. La voie de formation implique une série de réactions, y compris l'oxydation du bromure en hypobromite (OBr-) suivie d'une oxydation supplémentaire en bromate. Les stratégies d'atténuation comprennent l'abaissement du pH (les bromates se forment plus lentement au pH < 6.5), adding ammonia (which reacts with HOBr to form bromamines), or using advanced oxidation processes that favor hydroxyl radical pathways over direct ozone reactions. Some utilities also use post-ozonation chloramination to keep bromate levels low. ]Il est essentiel de surveiller et de contrôler avec soin la dose d'ozone et la chimie de l'eau pour éviter d'échanger un ensemble de PDD contre un autre.

Pas de désinfection résiduelle

L'ozone se décompose trop rapidement pour assurer la désinfection résiduelle dans tout le réseau de distribution. L'ozonation doit donc toujours être suivie d'un désinfectant secondaire, généralement le chlore ou la monochloramine. Cela signifie qu'une formation de DBP est inévitable pendant la dernière étape de désinfection. L'objectif est de réduire les précurseurs de façon à ce que le niveau de DBP final soit inférieur aux limites réglementaires.

Exigences de production et de sécurité sur place

L'ozone est un gaz instable qui ne peut être stocké; il doit être produit sur demande, ce qui exige des équipements à forte intensité de capital tels que les générateurs d'ozone, les concentrateurs d'oxygène ou les systèmes d'alimentation en oxygène liquide, les compresseurs et les bassins de contact.Les protocoles de sécurité sont stricts parce que l'ozone est un gaz toxique dont l'exposition professionnelle est limitée à 0,1 ppm.

Sous-produits spécifiques à l'ozonation

L'ozonation elle-même produit des sous-produits, notamment des aldéhydes (formaldéhyde, acétaldéhyde) et du carbone organique assimilable (COA), qui ne sont pas actuellement réglementés, mais peuvent favoriser la repousse bactérienne dans le système de distribution si ce n'est stabilisé biologiquement. C'est pourquoi l'ozonation est souvent associée à la biofiltration (par exemple, le carbone actif granulaire ou les filtres à sable lent) pour éliminer la matière organique biodégradable.

Considérations économiques

Le coût en capital d'un système d'ozonation peut varier de 0,5 à 2,0 millions de dollars par million de gallons par jour de capacité, selon les conditions du site et le niveau d'automatisation.Les coûts d'exploitation sont principalement déterminés par l'électricité pour la production d'ozone et l'approvisionnement en oxygène. La consommation électrique typique est de 12 à 20 kWh par livre d'ozone produite.

Mise en œuvre pratique et pratiques exemplaires

Pour les professionnels du traitement de l'eau qui envisagent l'ozonation pour la réduction du DBP, plusieurs lignes directrices opérationnelles devraient être envisagées en fonction de l'expérience et de la recherche de l'industrie.

Essais sur banc et essais pilotes

Avant de s'engager dans un système à grande échelle, les services publics devraient effectuer des essais spécifiques au site. La dose idéale d'ozone dépend de la concentration en TOC, en bromure, en pH et en alcalinité de l'eau brute. Les expériences en lots utilisant un essai en pot avec de l'ozone peuvent établir la relation dose-réponse pour l'élimination des précurseurs du PSD. De nombreuses sociétés de consultation offrent des contacts à l'échelle pilote pour l'ozone qui peuvent simuler l'exploitation à grande échelle et fournir des données pour la conception. Une règle courante est qu'un rapport ozone:TOC de 0,5 à 1,0 (mg O3 par mg C) est efficace pour le contrôle du PSD sans formation excessive de bromate.

Intégration aux processus de traitement existants

L'ozone est généralement placé tôt dans le train de traitement, après l'apport d'eau brute et avant la coagulation, la floculation et la filtration, ce qui permet à l'ozone d'agir sur les particules et les MNO avant qu'elles ne soient éliminées par des procédés physiques. Pour les usines ayant déjà été chlorées, la modification d'une étape de préozonation peut considérablement réduire la dose de chlore nécessaire.

Surveillance et contrôle

Les paramètres clés à surveiller comprennent l'ozone résiduel dans la chambre de contact (généralement 0,2–0,5 mg/L après 3–5 minutes de contact pour la désinfection), les niveaux d'oxygène dissous, le pH, la température et la concentration de bromure. Les analyseurs de COT en temps réel peuvent être utilisés pour ajuster la dose d'ozone de façon dynamique.

Procédés d'oxydation avancés combinés (PAO)

Lorsque l'ozone est combiné avec le peroxyde d'hydrogène (H2O2) ou la lumière UV, la génération de radicaux hydroxyles est améliorée, ce qui entraîne une oxydation encore plus agressive des précurseurs du DBP. Cette O3/H2O2 AOP peut réduire le potentiel de formation du DBP de 80 à 90 % dans certaines eaux, bien que le risque de formation de bromate augmente si elle n'est pas gérée avec soin.

Conclusion

L'ozonisation, qui oxyde la matière organique naturelle, modifie la chimie du bromure, améliore l'élimination des particules et réduit la demande de chlore, et la préozonation s'attaque directement aux causes profondes de la formation de DBP. Lorsqu'elle est mise en oeuvre avec une attention particulière aux conditions propres au site, y compris les niveaux de bromure, le pH et les objectifs de traitement, l'ozonation peut réduire considérablement les THM, les AHA et les autres DBP réglementés tout en assurant une désinfection supérieure et une qualité esthétique de l'eau.

Pour plus de détails, consulter la page EPA=s Désinfection Sous-produits, les Lignes directrices de l'OMS pour la qualité de l'eau potable[ et le Manuel de l'AWWA sur l'ozone dans le traitement de l'eau.