L'ozone (O3[) est l'un des oxydants et désinfectants les plus puissants disponibles pour le traitement de l'eau, détruisant efficacement les bactéries, les virus, les protozoaires et les contaminants organiques sans laisser de résidus chimiques à longue durée de vie. Toutefois, la performance d'un système d'ozonation dépend fortement du choix de la technologie de production et de livraison appropriée pour la qualité, le volume et l'application de l'eau.

Comprendre les technologies de production d'ozone

L'ozone doit être généré sur place parce qu'il est instable et se décompose rapidement.Les trois principales méthodes pour produire de l'ozone sont les rejets de corona, les rayonnements ultraviolets et les cellules électrolytiques (électrochimiques)[. Chaque méthode produit de l'ozone à des concentrations, des rendements énergétiques et des exigences opérationnelles différentes.

Générateurs de gaz à décharge de Corona (CD)

Les générateurs de décharge Corona sont de loin la technologie la plus courante pour le traitement industriel et municipal de l'eau.Ils produisent de l'ozone en passant par un courant alternatif à haute tension à travers un espace diélectrique par lequel l'oxygène (soit de l'air soit d'une source d'oxygène concentrée) coule. La décharge électrique brise les molécules d'oxygène (O2 dans des atomes individuels, qui se combinent alors avec d'autres molécules d'O[2 pour former O[3. Les générateurs de CD peuvent atteindre des concentrations d'ozone entre 2 % et 14 % en poids lorsqu'ils utilisent du gaz d'alimentation en oxygène, ou entre 1 % et 3 % lorsqu'ils utilisent de l'air comprimé.

Les systèmes CD produisent également moins de sous-produits indésirables que les générateurs UV lorsqu'ils utilisent de l'oxygène pur. Ils exigent toutefois un système de préparation des gaz d'alimentation (sécheur d'air ou concentrateur d'oxygène) et un nettoyage périodique des surfaces diélectriques. Pour les centrales à eau potable municipale et à eaux usées industrielles à grand volume, les ozonateurs CD demeurent la norme d'or en raison de leur rentabilité à l'échelle et de leur fiabilité au cours des décennies d'exploitation.

Générateurs d'ozone ultraviolet (UV)

Les générateurs d'ozone UV utilisent des lampes à mercure à basse pression ou à moyenne pression émettant de la lumière ultraviolette à des longueurs d'onde d'environ 185 nm pour dissocier l'oxygène moléculaire.Cette méthode produit une faible concentration d'ozone, généralement 0.1 %–0,5 % en poids, et convient aux applications à petite échelle ou spécialisées.

Les générateurs UV ne peuvent pas fournir la force motrice nécessaire pour les applications à forte demande comme la désinfection de l'eau turbide ou la destruction des lourdes charges organiques. Ils produisent également intrinsèquement de l'ozone comme sous-produit aux côtés des rayons UV, ce qui peut causer la dégradation photolytique de l'ozone déjà dans l'eau si le système est mal conçu. Néanmoins, pour les aquariums résidentiels à faible débit, les systèmes d'eau potable au point d'utilisation et la désinfection cosmétique de piscine, les ozonateurs UV offrent une solution de rechange simple et facile à entretenir.

Générateurs électrolytiques (électrochimiques) d'ozone

La production d'ozone électrolytique utilise un courant direct passant par une cellule électrolytique spécialement conçue contenant de l'eau et un électrolyte conducteur (souvent dopé avec une faible concentration de sel non toxique). L'ozone est produit directement à l'anode. Cette méthode donne des concentrations d'ozone dans la phase gazeuse de 10 à 20 % ou plus, mais le débit total est relativement faible.

Ces systèmes sont particulièrement attrayants pour les applications industrielles qui nécessitent une concentration élevée d'ozone à faibles volumes, comme le rinçage stérile dans la fabrication pharmaceutique, le nettoyage des plaquettes de semi-conducteurs ou l'assainissement des boissons à haute pureté. Ils produisent également moins de sous-produits d'azote (par exemple, l'acide nitrique) parce qu'ils n'utilisent pas l'air comme gaz d'alimentation.

Méthodes de livraison et de dissolution de l'ozone

Pour être efficace, le gaz d'ozone doit être transféré efficacement dans le flux d'eau. Les deux principales méthodes de distribution sont les diffuseurs de bulles fines et de venturi. Chacun est adapté à différents modèles de contacteur et pressions d'application.

Diffuseurs à bulles fines

Le gaz d'ozone est distribué par des diffuseurs poreux en céramique ou en membrane placés au fond d'un réservoir de contact profond. À mesure que les bulles s'élèvent, l'ozone se dissout dans l'eau. Cette méthode est bien établie pour les débits importants dans les usines municipales d'eau potable où les réservoirs de contacteur profond (5-7 mètres) permettent de longues périodes de séjour. L'efficacité du transfert de masse dépend fortement de la taille des bulles (les petites bulles augmentent la surface) et de la profondeur de l'eau.

Injecteurs de Venturi

Les injecteurs de Venturi créent une chute de pression qui entraîne le gaz d'ozone dans un flux latéral d'eau, qui est ensuite réintroduit dans le flux d'eau principal. Cette méthode fournit un très haut rendement de transfert de masse (90% ou plus) dans une empreinte compacte. Les Venturi sont idéales pour les applications où un réservoir de contact profond n'est pas possible ou où une rénovation est nécessaire, comme dans les piscines, les tours de refroidissement et les boucles industrielles de processus.

Choix entre les diffuseurs et les Venturis

  • Taux d'écoulement:[ Les diffuseurs fonctionnent bien à des débits très élevés avec une faible perte de tête; les venturis sont meilleurs pour les débits moyens où l'espace est limité.
  • Profondeur d'eau: Les diffuseurs ont besoin d'une profondeur de réservoir suffisante (≥5 m) pour être dissous efficacement; les venturis peuvent fonctionner dans des installations peu profondes ou aménagées.
  • Concentration d'ozone:[ Les Venturis traitent généralement des concentrations d'ozone plus élevées en phase gazeuse sans gradient de concentration.
  • Entretien:[ Les diffuseurs ont besoin d'un nettoyage ou d'un remplacement périodiques des membranes; les venturis sont peu entretenus mais dépendent de la fiabilité de la pompe.

Facteurs clés dans la sélection de la technologie d'ozonation

Au-delà de la méthode de génération et du système de livraison, plusieurs paramètres techniques et économiques doivent être évalués pour choisir la solution d'ozonation la plus appropriée.

Taux de débit d'eau et demande d'ozone

La dose d'ozone requise est habituellement exprimée en milligrammes d'ozone par litre d'eau (mg/L) ou en grammes d'ozone par mètre cube (g/m3. La masse totale d'ozone requise par heure (kg/h) est le produit du débit (m3/h) et de la dose de demande. Pour les petits débits (moins de 20 m3/h), les générateurs UV ou les petits générateurs CD peuvent suffire. Pour les débits de plus de 100 m3/h, les générateurs CD avec alimentation en oxygène sont presque obligatoires.

Exigences en matière de concentration d'ozone

Certaines applications nécessitent un gaz d'ozone à concentration élevée pour obtenir une désinfection ou une oxydation rapides des contaminants récalcitrants. Par exemple, le traitement de l'eau potable à des niveaux élevés de matière organique naturelle (comme lors de la floraison d'algues) profite d'une concentration élevée d'ozone pour minimiser le volume de bulles et améliorer la cinétique du transfert de masse.

Paramètres de qualité de l'eau

  • pH et alcalinité:[ Le taux de décomposition de l'ozone est accéléré à un pH élevé (au-dessus de 8). Les systèmes de traitement de l'eau alcaline peuvent nécessiter un dosage plus élevé de l'ozone ou un ajustement secondaire du pH.
  • Turbidité et solides en suspension:[ Les particules protègent les microorganismes et créent une demande d'ozone qui réduit l'efficacité de désinfection.Pour les eaux très turbides, il faut préfiltration ou des doses d'ozone plus élevées, favorisant les générateurs de CD avec des réservoirs de contact profond.
  • Carbone organique dissous (COD) :[ La réaction ozone-DOC consomme de l'ozone et produit des sous-produits biodégradables (aldéhydes, cétones).Dans l'eau potable, la biofiltration post-ozone est souvent nécessaire. Le rapport ozone-DOC est un facteur de conception critique.
  • Température:[ La demi-vie de l'ozone diminue à mesure que la température augmente.

Considérations opérationnelles

La consommation d'énergie[ est un facteur important. Les générateurs de CD consommant de l'oxygène produit par un système d'adsorption à bascule sous pression (PSA) peuvent atteindre des intensités d'énergie de 8 à 12 kWh par kg d'ozone produit. Les générateurs de UV consomment environ 15 à 25 kWh/kg, tandis que les générateurs d'électrolyse vont de 15 à 30 kWh/kg mais évitent les coûts des gaz d'alimentation. Footprint[ et infrastructures d'installation sont également essentiels: les systèmes de CD nécessitent des compresseurs, des sécheurs et du refroidissement; les systèmes UV sont petits mais limités en production; les unités d'électrolyse sont compactes mais sensibles à la pureté de l'eau. La sécurité doit être une priorité: tous les systèmes exigent une surveillance de l'ozone ambiant pour les unités de sécurité des travailleurs et de destruction des gaz d'échappement

Budget et coût total de la propriété

Les systèmes UV ont un faible CAPEX, mais les dépenses opérationnelles élevées (OPEX) par gramme d'ozone dues au remplacement de lampes et à un faible rendement. Les unités électrolytiques ont un CAPEX moyen, mais peuvent être rentables lorsque la pureté de concentration élevée est nécessaire et la logistique des gaz d'alimentation est difficile. Une analyse du cycle de vie complet devrait inclure l'électricité, l'entretien, les consommables (suppléments de lampes, produits chimiques de nettoyage diélectrique, remplacement de membranes) et l'élimination des déchets.

Recommandations spécifiques

Voici des recommandations adaptées pour les applications de traitement de l'eau les plus courantes, en fonction des facteurs décrits ci-dessus.

Eau potable municipale

Les services municipaux traitent les volumes élevés (souvent des milliers de mètres cubes par heure) et exigent une désinfection fiable et rentable et un contrôle des odeurs et des goûts. Les générateurs de rejets de corona avec alimentation en oxygène ou en air, combinés à des diffuseurs de bulles fines dans des réservoirs de contact profond, sont la norme. Les doses d'ozone varient de 1 à 5 mg/L. Le système devrait comprendre la destruction des gaz hors gaz (souvent thermique ou catalytique) et la biofiltration postozone pour éliminer le carbone organique assimilable.

Piscines et eau de plaisance

Les réservoirs ont généralement des débits de recirculation de 50 à 500 m3/h et nécessitent une désinfection constante pour maintenir de faibles concentrations de chlore combiné et prévenir les chloramines. Les générateurs d'ozone UV combinés à l'injection de venturi sont populaires en raison de leur faible empreinte et de leur capacité à s'intégrer dans les lignes de recirculation existantes. Un injecteur de venturi latéral attire l'ozone dans une petite partie du flux, qui est ensuite retourné à la ligne principale. Les doses d'ozone de 0,5 à 2 mg/L sont typiques.

Traitement des eaux usées industrielles

L'ozone est utilisé pour l'élimination des couleurs, la réduction de la demande chimique en oxygène (COD) et la désinfection. Le principal défi est la forte et variable demande d'ozone. Les générateurs de rejets de corona avec alimentation en oxygène sont presque toujours nécessaires en raison de la nécessité d'une forte production d'ozone (10–100 kg/h). L'injection de Venturi est généralement utilisée pour correspondre au débit variable et pour obtenir un transfert de masse élevé dans des volumes de réacteurs compacts. Il est recommandé de prétraitement des eaux usées pour éliminer les solides en suspension afin de réduire la récupération de l'ozone. Plusieurs études de cas démontrent l'efficacité de l'ozone pour l'élimination des colorants textiles et l'oxydation des résidus pharmaceutiques.

Traitement de l'eau embouteillée et des boissons

Dans l'industrie des aliments et des boissons, l'ozone est utilisé comme désinfectant pour l'eau de rinçage et comme désinfectant pour les réservoirs et les pipelines. La qualité de l'eau doit être élevée, avec une faible turbidité et des matières organiques de fond. Les générateurs électrolytiques et coronas (avec alimentation en oxygène) sont utilisés, selon le débit. Les générateurs électrolytiques sont bien adaptés aux petites lignes d'embouteillage où l'ozone à faible débit est nécessaire (p. ex. 0,5 à 2 g/h). Pour les grandes installations qui mettent en bouteille 50 000 litres par heure, les générateurs de CD avec injecteurs de venturi sont plus fréquents.

Tours d'aquaculture et de refroidissement

Les systèmes de recyclage de l'ozone (RSA) utilisent l'ozone pour contrôler les agents pathogènes, réduire la turbidité et améliorer la santé des poissons.Les doses d'ozone sont faibles (0,1 à 0,3 mg/L) et doivent être soigneusement contrôlées pour éviter de nuire à la vie aquatique.De même, les tours de refroidissement utilisent l'ozone pour prévenir la formation de biofilms et réduire l'utilisation de biocides. Pour les deux, les générateurs de corona ou les générateurs UV avec injecteurs de venturi sont typiques.

Conclusion

Pour les applications municipales et industrielles à grande échelle, les générateurs de rejets de corona avec alimentation en oxygène et injection de venturi ou contacteurs diffuseurs fournissent la solution la plus robuste et économique. Pour les applications à petite échelle, à faible débit ou spécialisées où la concentration d'ozone est critique, les générateurs électrolytiques offrent des avantages en pureté et simplicité. Les générateurs UV remplissent une niche pour les applications à faible rendement telles que les petits bassins et les systèmes de point d'utilisation. En évaluant systématiquement la méthode de production aux côtés du système de livraison et les exigences spécifiques en matière de qualité de l'eau, les ingénieurs et les gestionnaires d'usine peuvent choisir une technologie d'ozonation qui offre un traitement cohérent, sûr et rentable pour les années à venir.