Dans de nombreuses régions, les réserves traditionnelles d'eau deviennent insuffisantes et les communautés sont contraintes de recourir à des techniques de traitement de pointe pour s'étirer à chaque goutte. Parmi ces technologies, l'ozonisation est devenue un outil puissant et polyvalent.En exploitant la puissance comburante du gaz d'ozone, l'ozonation peut désinfecter, décontaminer et améliorer la qualité de l'eau provenant de sources conventionnelles et de sources de remplacement.

Comprendre l'ozonation : comment elle fonctionne et pourquoi elle compte

L'ozone est une molécule hautement réactive composée de trois atomes d'oxygène; c'est un puissant oxydant qui réagit rapidement avec une large gamme de contaminants. Lorsque l'ozone se dissout dans l'eau, il se décompose en radicaux hydroxyles (·OH) et autres espèces réactives qui attaquent et détruisent les polluants par oxydation. Cette voie d'oxydation directe et indirecte rend l'ozonation efficace contre les bactéries, les virus, les protozoaires, les composés organiques, et même certaines substances inorganiques comme le fer et le manganèse.

L'ozone peut être généré sur place par décharge de corona, par lumière ultraviolette (UV) ou par électrolyse. La décharge de Corona est l'approche la plus courante, où un champ électrique à haute tension est traversé par un flux d'oxygène ou d'air, en fractionnant les molécules d'O[2 en atomes qui se recombinent en O[3. L'ozone est ensuite injecté dans une chambre de contact où il se mélange soigneusement à l'eau. Le temps de contact et la dose d'ozone sont soigneusement contrôlés pour atteindre le niveau de traitement désiré sans perdre de l'énergie ou de l'ozone.

Cette chimie unique confère plusieurs avantages à l'ozonation par rapport aux méthodes traditionnelles.Par exemple, le chlore peut réagir avec la matière organique naturelle pour former des sous-produits de désinfection (PDB) tels que les trihalométhanes et les acides haloacétiques, qui sont des agents cancérogènes réglementés. L'ozone, par contre, produit moins de PDB – principalement bromate dans les eaux à forte teneur en bromure – et aide en fait à éliminer les précurseurs qui formeraient des PDB lors de la chloration subséquente.

Principaux avantages de l'ozonation dans la gestion de l'eau

Les avantages de l'ozonation dépassent largement la désinfection.Lorsqu'elle est appliquée dans le cadre d'un train de traitement complet de l'eau, l'ozone contribue à de multiples objectifs de qualité de l'eau.

Désinfection supérieure et contrôle des agents pathogènes

L'ozone tue les microorganismes plus rapidement et à des concentrations plus faibles que le chlore, le dioxyde de chlore ou les chloramines. Il est efficace contre un large spectre de bactéries (p. ex. E. coli[, Legionella[), les virus (p. ex. norovirus, adénovirus) et les kystes protozoaires ([Cryptosporidium. Par exemple, une dose d'ozone typique de 1 à 2 mg/L avec un temps de contact de 5 à 10 minutes peut atteindre une réduction de 3 à 4 logs de Cryptosporidium[, alors que le chlore nécessite des doses beaucoup plus élevées et des temps de contact plus longs.

Réduction de la dépendance à l'égard des désinfectants chimiques

En utilisant l'ozone comme désinfectant primaire ou comme oxydant avant la filtration par membrane, les services publics peuvent considérablement réduire la quantité de chlore et d'autres additifs chimiques nécessaires, ce qui réduit la formation de résidus chimiques dans l'eau finie, diminue les plaintes relatives au goût et aux odeurs ainsi que le risque de produire des PDN nuisibles.

Amélioration de la qualité de l'eau esthétique

L'ozone est particulièrement efficace pour éliminer les substances qui causent des goûts, des odeurs et des couleurs désagréables. Les composés comme la géosmin et le 2-méthylisobornéol (MIB) – responsables des odeurs de moutarde ou de terre dans l'eau potable – sont rapidement oxydés par l'ozone. De même, la matière organique naturelle qui donne une couleur jaune ou brune est décomposée, produisant de l'eau plus claire et plus attrayante pour les consommateurs.

Élimination des micropolluants et des contaminants émergents

En plus des agents pathogènes et des matières organiques en vrac, l'ozone peut oxyder les composés organiques traces, y compris les produits pharmaceutiques, les produits de soins personnels, les pesticides et les produits chimiques perturbateurs du système endocrinien.Bien que la minéralisation complète soit rare, l'ozonisation transforme souvent ces contaminants en formes moins nocives ou plus biodégradables.

Durabilité environnementale

L'ozone se décompose en oxygène, ce qui ne laisse aucun résidu chimique persistant dans l'eau traitée, ce qui constitue un avantage critique pour les applications où l'eau rejetée peut revenir aux écosystèmes aquatiques naturels, comme dans la recharge des eaux souterraines ou l'augmentation des cours d'eau. L'ozonisation réduit également la nécessité de transporter et de stocker des produits chimiques dangereux comme le chlore gazeux ou l'hypochlorite de sodium, ce qui réduit le risque de rejets accidentels.

Le rôle de l'ozonation dans la gestion de la sécheresse et la pénurie d'eau

Les conditions de sécheresse obligent les gestionnaires d'eau à exploiter toutes les sources disponibles, souvent en se tournant vers des eaux de qualité inférieure qui seraient normalement évitées. Les eaux de surface deviennent stagnantes, peu profondes et sujettes à la contamination; les niveaux d'eau souterraine diminuent, provoquant parfois une intrusion saline ou mobilisant des contaminants naturels.

Recyclage et réutilisation de l'eau

L'ozonisation est une pierre angulaire de nombreux trains de traitement avancés, en particulier dans le cadre de la réutilisation indirecte et de la réutilisation directe. Habituellement, la séquence de traitement après traitement secondaire des eaux usées comprend la microfiltration (MF) ou l'ultrafiltration (UF), l'osmose inverse (RO) et un processus d'oxydation avancé (AOP) qui utilise souvent l'ozone combiné au peroxyde d'hydrogène (O[3/H2O2. Cette combinaison génère des radicaux hydroxyles qui oxydent les polluants résiduels non enlevés par RO.

Pour une réutilisation non potable, comme l'irrigation paysagère, le refroidissement industriel ou l'arrosage agricole, l'ozonation seule ou avec biofiltration peut fournir une qualité suffisante tout en étant plus rentable que RO. Le système de reconstitution des eaux souterraines du district d'Orange en Californie, l'une des plus grandes installations de réutilisation des eaux au monde, utilise l'ozone dans le cadre de son processus de traitement avancé, démontrant que l'ozonation peut produire de façon fiable de l'eau qui répond ou dépasse les normes de l'eau potable.

Maintien de la qualité des réservoirs et des eaux de surface

La sécheresse entraîne souvent des temps de séjour plus longs dans les réservoirs, ce qui favorise la prolifération des algues et l'accumulation de matières organiques. L'ozonisation peut être appliquée à l'admission dans les réservoirs ou dans l'usine de traitement pour décomposer ces composés. Par exemple, la ville de Wichita, au Kansas, utilise l'ozone pour traiter l'eau du réservoir de Cheney, en particulier pendant les mois chauds où les problèmes de goût et d'odeur sont récurrents. L'ozone non seulement détruit les composés de goût et d'odeurs mais aide également à contrôler la croissance des moules zébrées et d'autres espèces envahissantes en endommageant leurs larves.

Améliorer la qualité des eaux souterraines

Pendant la sécheresse, les aquifères peuvent être ramenés à des niveaux sans précédent, et les changements dans les conditions de redox peuvent mobiliser l'arsenic, le manganèse ou le fer. L'ozone peut oxyder le fer dissous et le manganèse, les convertir en formes insolubles facilement éliminées par filtration. Il peut également aider à éliminer l'arsenic par l'arsénite oxydante (As3+) en arséniate (As[5+), qui est plus facilement adsorbé sur des milieux à base de fer.

Intégration avec d'autres technologies de traitement

L'ozone fonctionne rarement seul. Il est le plus efficace lorsqu'il est intégré à d'autres procédés de traitement dans une approche à barrières multiples.

Ozonation suivie d'un carbone biologique activé (BAC)

L'ozone oxyde partiellement les grandes molécules organiques, les rendant plus petites et biodégradables.Cette étape de «préoxydation» établit le stade pour le BAC, où les microorganismes attachés à la surface du carbone consomment la matière organique biodégradable. La combinaison – souvent appelée O3/BAC – permet d'éliminer très fortement la matière organique naturelle, les micropolluants organiques et les précurseurs des sous-produits de désinfection.De nombreux systèmes de réutilisation de l'eau reposent sur O[3/BAC comme solution de rechange rentable à l'ER pour certains objectifs de qualité.

Ozone avec filtration à membrane

L'ozone peut être appliqué avant les membranes de microfiltration, d'ultrafiltration ou de nanofiltration pour réduire la biosoudure et l'encrassement organique. En oxydant les salissures, l'ozone contribue à maintenir la perméabilité des membranes, ce qui se traduit par une consommation énergétique plus faible et une durée de vie plus longue des membranes.

Ozone dans les procédés d'oxydation avancés (PAO)

Lorsque l'ozone est combiné au peroxyde d'hydrogène ou à la lumière UV, la vitesse de formation des radicaux hydroxyles augmente de façon spectaculaire.Ces AOP sont capables de détruire même les contaminants les plus récalcitrants, tels que le 1,4-dioxane et la NDMA. Dans les applications de réutilisation potable, O[3/H[2O2[ L'AOP est souvent la dernière étape de polissage avant que l'eau ne soit envoyée au système de distribution.

Défis et perspectives d'avenir

Malgré ses nombreux avantages, l'ozonation n'est pas une balle d'argent. L'adoption généralisée fait face à plusieurs obstacles qu'il faut surmonter pour exploiter pleinement son potentiel dans la gestion de la rareté de l'eau.

Consommation d'énergie élevée et coûts opérationnels

La production d'ozone nécessite une énergie électrique importante, en particulier pour les systèmes de décharge de corona. Le coût de l'énergie peut varier de 10 à 30 kWh par kilogramme d'ozone produit, selon la source d'oxygène et l'efficacité du générateur. Pour les grandes usines, cela peut ajouter de façon substantielle aux dépenses de fonctionnement.

Formation de bromates dans les eaux contenant du bromide

Lors du traitement des eaux à des niveaux élevés de bromure (communes dans les sources côtières ou saumâtres), l'ozone peut oxyder le bromure en bromate, un cancérogène potentiel pour l'homme régulé à de très faibles niveaux (généralement 10 μg/L). Les stratégies d'atténuation comprennent un contrôle soigneux du pH (un pH plus bas réduit la formation de bromate), l'ajout d'ammoniac ou de dioxyde de chlore, ou l'utilisation d'une combinaison d'ozone et de peroxyde d'hydrogène qui favorise les voies de radical hydroxyle qui produisent moins de bromate.

Manque de capacité résiduelle de désinfection

Contrairement au chlore, l'ozone ne fournit pas de résidu durable pour protéger la qualité de l'eau dans les réseaux de distribution. Par conséquent, l'ozonation est presque toujours suivie par l'ajout d'un désinfectant secondaire, généralement la chloramine ou le chlore, pour maintenir un résidu dans l'ensemble des tuyaux.

Orientations futures en matière de recherche et de déploiement

Plusieurs développements prometteurs sont à l'horizon. La production d'ozone électrochimique devient plus compacte et plus énergétique, adaptée aux systèmes communautaires de point d'utilisation ou de petite taille. Les capteurs et algorithmes d'apprentissage automatique de l'IoT peuvent maintenant optimiser le dosage de l'ozone en temps réel en fonction des fluctuations de la qualité de l'eau, en réduisant les déchets énergétiques et en améliorant la fiabilité.

De plus, le coût de la production d'ozone a diminué de près de 40 % au cours de la dernière décennie en raison de l'amélioration de l'électronique électrique et des concentrateurs d'oxygène.À mesure que les pressions sur la rareté de l'eau s'intensifient, la proposition de valeur pour l'ozonisation, en particulier dans les plans de réutilisation et de secours en cas de sécheresse, devient plus forte.

Conclusion

L'ozone n'est pas seulement une méthode de désinfection; il s'agit d'un outil polyvalent et écologiquement rationnel pour relever les défis multiples que posent la pénurie d'eau et la sécheresse. En permettant le recyclage de l'eau potable, en améliorant la qualité des sources altérées et en réduisant la dépendance à l'égard des additifs chimiques, l'ozone contribue à allonger encore les réserves d'eau.