Comprendre les contaminants émergents

Les contaminants émergents (C) représentent un groupe diversifié de polluants chimiques et biologiques qui ont été détectés récemment dans les sources d'eau, en grande partie en raison des progrès de la chimie analytique. Contrairement aux polluants existants tels que les métaux lourds ou les pesticides chlorés, les C sont généralement présents à des concentrations en traces (nanogrammes à microgrammes par litre) mais peuvent avoir des effets toxicologiques sur l'exposition à long terme.

  • Produits pharmaceutiques et produits de soins personnels (PPCP)[ – antibiotiques, anti-inflammatoires, antidépresseurs, hormones, agents solaires et parfums qui pénètrent dans les cours d'eau par excrétion, élimination inappropriée ou lavage.
  • Chimiques perturbatrices endocriniennes (EDC) – hormones naturelles et synthétiques (p. ex., estradiol, éthinylestradiol), bisphénol A, phtalates et certains pesticides qui interfèrent avec les systèmes hormonaux chez la faune et l'homme.
  • Substances per- et polyfluoroalkyles (PFAS) – composés hautement persistants utilisés dans les revêtements antiadhésifs, les mousses de lutte contre l'incendie et les tissus hydrofuges, leur donnant le surnom de -pour toujours des produits chimiques.
  • Pesticides et sous-produits industriels – atrazine, glyphosate, dioxane et autres composés qui résistent à la dégradation.
  • Les microplastiques et les gènes de résistance aux antibiotiques (ARG) – les contaminants biologiques émergents qui compliquent la salubrité de l'eau et la santé publique.

Les eaux de ruissellement agricoles, les rejets hospitaliers, les lixiviats d'enfouissement et les effluents d'eaux usées traitées sont des conduites importantes pour les CE qui peuvent atteindre les réservoirs d'eau potable.

Pourquoi le traitement conventionnel est-il court

Les trains de traitement de l'eau traditionnels, soit la coagulation, la floculation, la sédimentation, la filtration du sable et la chloration, étaient conçus pour éliminer la turbidité, les agents pathogènes et les matières organiques facilement oxydables. Ils sont en grande partie inefficaces contre les CE polaires, de faible poids moléculaire. L'osmose inverse (RO) et la nanofiltration peuvent physiquement rejeter de nombreuses CE, mais ces membranes sont coûteuses, à forte intensité énergétique et produisent des déchets concentrés. L'adsorption au carbone activée fonctionne pour certains composés, mais nécessite une régénération fréquente et peut ne pas éliminer davantage de polluants hydrophiles.

Ces limitations ont suscité l'intérêt pour les processus d'oxydation avancés (PAO), parmi lesquels ozonation[ est apparue comme une technologie polyvalente, évolutive et rentable pour décomposer les contaminants récalcitrants sans le fardeau du chlore du PSD.

L'ozonation comme procédé d'oxydation avancé

L'ozonisation exploite la puissance oxydante exceptionnellement élevée (O3), un gaz bleu pâle ayant un potentiel d'oxydation (2,07 V) après seulement le fluor parmi les oxydants courants. L'ozone est généré sur place par le passage d'air sec ou d'oxygène pur par une décharge corona haute tension ou par l'utilisation de lampes ultraviolettes (UV) à des longueurs d'onde spécifiques.

Voies de réaction directe et indirecte

L'ozone réagit avec les contaminants par deux mécanismes primaires :

  • Réaction moléculaire directe[ – O3 attaque sélectivement les fractions riches en électrons (par exemple, doubles liaisons, amines, cycles aromatiques).Cette voie est favorisée au pH acide et domine pour les composés comme les phénols, les sulfonamides et les microcystines.
  • Réaction des radicaux indirects – À un pH plus élevé (au-dessus de 7), l'ozone se décompose en radicaux hydroxyles (•OH), qui sont encore plus puissants (potentiel d'oxydation 2,80 V) et réagissent de façon non sélective avec presque n'importe quelle molécule organique.Les radicaux hydroxyliques peuvent minéraliser complètement les contaminants en CO2, H2O, et les ions inorganiques.

Dans la pratique, les deux voies fonctionnent simultanément, avec la contribution relative selon la chimie de l'eau (pH, alcalinité, matière organique naturelle). La voie radicale est particulièrement utile pour détruire les groupes fonctionnels oxydés qui résistent à l'attaque directe de l'ozone, comme les chaînes perfluorées et certains solvants industriels.

Efficacité contre certains contaminants

Des recherches approfondies ont démontré la capacité de l'ozonation à dégrader un large éventail de CE:

  • Pharmaceutiques:[ L'ozone permet d'éliminer >90% de la plupart des antibiotiques (ciprofloxacine, sulfaméthoxazole), anti-inflammatoires (diclofénac, ibuprofène), carbamazépine et gemmefibrozil à des doses modérées d'ozone (0,5–1,5 mg O3/mg DOC).
  • Les hormones: Les œstrogènes naturels et synthétiques (estrone, 17β-estradiol, 17α-éthinylestradiol) sont rapidement oxydés, souvent en dessous des limites de détection.
  • Pesticides: L'atrazine, un herbicide largement utilisé, est faiblement éliminé par l'ozone seul (il faut des doses très élevées ou une combinaison avec H2O2), mais de nombreux organophosphates et pyréthroïdes sont dégradés efficacement.
  • PFAS: L'ozonation seule est inefficace pour l'acide perfluorooctanoïque (PFOA) et le sulfonate de perfluorooctane (PFOS) en raison de leurs solides liaisons carbone-fluorine. Cependant, l'ozonation avancée (O3/H2O2[ ou O3 avec UV) peut partiellement défluorer le SPAF à chaîne courte, et les processus intégrés (ozone + carbone actif granulaire) sont prometteurs.
  • Microplastiques:[ L'ozone peut oxyder les groupes fonctionnels de surface et fragmenter les microplastiques, mais la minéralisation complète n'est pas encore démontrée à des doses pratiques.

L'Organisation mondiale de la santé a noté que l'ozonation est l'une des rares technologies de traitement qui peuvent traiter simultanément plusieurs classes de CE.

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

  • L'élimination du spectre large:[ L'ozone (surtout combiné avec les radicaux hydroxyles) oxyde un plus grand nombre de micropolluants organiques que tout procédé conventionnel.
  • Désinfection simultanée : L'ozone est l'un des désinfectants les plus puissants connus, inactivant les bactéries, les virus (y compris les virus entériques) et les kystes protozoaires (Giardia, Cryptosporidium) à de faibles valeurs CT, ce qui réduit la nécessité de chlore et limite la formation de DBP.
  • Sous-produits nocifs pour les animaux:[ Bien que l'ozonation puisse former du bromate (BrO3–) dans les eaux contenant du bromure, un agent cancérogène présumé pour l'homme, ce sous-produit est gérable par suppression du pH, ajout d'ammoniac ou filtration biologique en aval.
  • Une qualité esthétique améliorée: L'ozone oxyde le fer, le manganèse et le sulfure, en éliminant les goûts et les odeurs métalliques. Il détruit également la géosmin et le 2-méthylisobornéol (MIB), les composés écaillesux qui ravagent les sources d'eau de surface.
  • Processus améliorés en aval:[ L'ozonation de la matière organique naturelle (NOM) réduit la salissure de membrane dans les systèmes RO et augmente le carbone organique dissous biodégradable (COD), qui soutient les filtres au carbone actif biologique (BAC) qui peuvent éliminer davantage les contaminants résiduels et les sous-produits.
  • Production sur place:[ L'ozone est produit là où il est utilisé, éliminant les risques de stockage et de transport associés au chlore gazeux.

Mise en œuvre et considérations opérationnelles

Technologies de production d'ozone

Les ozoniseurs commerciaux utilisent généralement les rejets de corona[ (décharge de barrière diélectrique) pour dissocier les molécules d'oxygène. L'alimentation en oxygène pur augmente la concentration et l'efficacité de l'ozone par rapport à l'air, mais ajoute des coûts de compresseur et de concentrateur d'oxygène. La génération d'ozone électrochimique[ (avec des membranes échangeuses de protons) gagne en traction pour les installations plus petites, offrant des concentrations d'ozone plus élevées et des avantages de sécurité. La génération d'ozone à l'UV [185 nm de lampes à mercure) est moins fréquente à l'échelle mais utile pour les études à l'échelle des bancs.

Facteurs influant sur le rendement

L'ozonisation réussie dépend d'une poignée de paramètres de qualité de l'eau :

  • pH: Un pH plus élevé (>8) favorise la formation de radicaux hydroxyles, augmentant l'oxydation des composés récalcitrants de l'ozone, mais accélérant aussi la décomposition de l'ozone, ce qui peut réduire le CT global pour la désinfection.
  • Carbone organique dissous (COD):[ NOM exerce une demande d'ozone, , , consommant de l'ozone et blindage contaminants cibles. La dose d'ozone par DOC (3/rapport DOC) est un paramètre clé de la conception; les valeurs typiques pour l'élimination de la CE sont de 0,5 à 2,0 mg/mg, mais l'optimisation nécessite des essais sur banc ou des essais pilotes spécifiques au site.
  • L'alcalinité et le carbonate:[Les ions carbonate et bicarbonate scavenge les radicaux hydroxyles, réduisant l'efficacité d'oxydation indirecte.L'eau à haute alcalinité (>200 mg/L sous forme de CaCO3 peut nécessiter une augmentation de la dose d'ozone ou une combinaison avec H2O[2 pour compenser.
  • Température: La solubilité dans l'ozone diminue à mesure que la température augmente, mais la cinétique de la réaction s'accélère. Le compromis est généralement heurté à 10-20 °C pour la plupart des plantes.
  • Temps de contact et mélange :[ Un transfert de masse adéquat de gaz d'ozone dans l'eau est essentiel. Des diffuseurs à bulles fines, des mélangeurs statiques et des injecteurs de venturi sont utilisés; le contacteur doit être conçu pour empêcher les courts-circuits et obtenir un temps de séjour hydraulique d'au moins 10 à 20 minutes.

Formation et gestion des sous-produits

Le bromate (BrO3–) est le problème réglementaire le plus important pour l'ozonation des eaux contenant du bromure. La concentration maximale de de contaminants de l'EPA pour le bromate est de 10 μg/L. Les stratégies d'atténuation comprennent :

  • Baisse du pH pendant l'ozonation (inférieure à 7) pour passer à des réactions directes d'ozone.
  • Addition d'ammoniac (pour former des bromamines qui limitent la formation de bromate).
  • Injecter du peroxyde d'hydrogène pour produire des radicaux hydroxyles et réduire le rendement en bromate (procédé O[3/H2O2.
  • Enlever le bromure en amont par osmose inverse ou échange d'anion (expensatif).

Les autres sous-produits, les aldéhydes (formaldéhyde, glyoxal), les cétoacides et le carbone organique assimilable (COA), sont généralement moins toxiques et sont facilement éliminés par filtration biologique (BAC ou filtres à sable) placés en aval de l'ozonation.

Incidences sur l'énergie et les coûts

La production d'ozone est à forte intensité énergétique et consomme de 8 à 15 kWh par kg d'ozone produit (selon l'efficacité du gaz d'alimentation et du générateur).Pour une usine de traitement municipale qui traite 50 millions de litres par jour (13 MGD) à une dose d'ozone de 2 mg/L, les coûts énergétiques peuvent s'élever à 50 000 $ à 100 000 $ par année.Les dépenses en capital pour les systèmes d'ozonation sont supérieures à la chloration, mais inférieures à l'UV/H[2O[2 ou à l'OR pour l'élimination de la CE.

Études de cas et applications du monde réel

Eau potable: Le lac de Zurich (Suisse) Expérience

L'approvisionnement en eau de Zurich a utilisé un contacteur à grande échelle pour l'ozone, suivi par la filtration biologique au charbon actif depuis les années 1970. Des études de l'Institut fédéral suisse des sciences et technologies aquatiques (EAWAG) montrent que l'ozonation réduit la charge globale de micropolluants de plus de 80 %, les produits pharmaceutiques tombant sous les limites de détection après le stade BAC. Le bromate est contrôlé par un pH inférieur à 7,2 et par une dose modérée d'ozone (0,8 mg/mg DOC).

Réutilisation des eaux usées : District d'eau du comté d'Orange (Californie)

Le système de reconstitution des eaux souterraines d'Orange County, l'un des plus grands projets de réutilisation de l'eau au monde, utilise un traitement avancé, y compris la microfiltration, l'osmose inverse et l'oxydation avancée par les UV. L'ozonation est évaluée comme un prétraitement pour réduire les encrassements sur les membranes RO et comme une barrière pour les traces organiques.

Industriel: Prétraitement des eaux usées pharmaceutiques

Un grand fabricant européen d'API a installé un système d'ozone à grande échelle pour traiter l'eau de procédé contenant des intermédiaires antibiotiques complexes. L'étape d'ozonation a permis d'éliminer 95 % de la demande chimique en oxygène (COD) et de réduire de trois ordres de grandeur la toxicité aiguë pour les bactéries marines, ce qui a permis de rejeter sans danger les eaux usées municipales.

Perspectives et orientations de la recherche

Le rôle de l'ozonation dans la lutte contre les contaminants émergents se développe rapidement.

  • Ozone/H2[O[2 et combinaisons ozone/UV:[ Ces AOP hybrides amplifient les rendements radicaux hydroxyles, permettant le traitement des contaminants résistants à l'ozone (p. ex., le SPAF, le 1,4-dioxane) à une consommation énergétique globale inférieure à celle des UV/H2O2 seul.
  • Ozonation catalytique:[ Oxydes métalliques (p. ex., Al2[O3, TiO[2) et le carbone actif catalysent la décomposition de l'ozone en radicaux réactifs, améliorant l'élimination des contaminants et réduisant la formation de bromate.
  • Surveillance et contrôle en temps réel:[ Des capteurs avancés pour les paramètres résiduels de l'ozone, la matière organique dissoute et les paramètres de substitution (absorption UV à 254 nm) permettent un ajustement dynamique du dosage de l'ozone, une amélioration de l'efficacité et une réduction des déchets énergétiques.
  • Conception spécifique aux micro-organismes:[ Comme plus de PC sont réglementées (p. ex., les PCL des SPAF aux États-Unis et dans l'UE), les services publics auront besoin de modèles qui prédisent l'élimination de composés spécifiques en fonction de la qualité de l'eau, permettant la conception de systèmes d'ozone adaptés à leur profil de contaminants unique.
  • Intégration biologique après traitement:[ La synergie entre l'ozonation et les filtres biologiques est de plus en plus reconnue comme un processus -bio-ozone--- qui peut atteindre une minéralisation presque complète de nombreux polluants tout en gérant les précurseurs du DBP.
  • L'ozone endommage efficacement les gènes de résistance aux antibiotiques (ARG) dans les eaux usées, réduisant ainsi les risques de transfert de gènes horizontaux – une considération relativement nouvelle mais cruciale pour la sécurité de la réutilisation de l'eau.

Conclusion

L'ozonisation est passée d'une technologie de désinfection de niche à une pierre angulaire du traitement avancé de l'eau pour les contaminants émergents. Sa capacité à oxyder directement et à générer des radicaux hydroxyles lui permet de traiter les produits pharmaceutiques, les produits de soins personnels, les hormones, les pesticides et une liste croissante d'autres micropolluants qui passent par les systèmes conventionnels.Les défis opérationnels – formation de briquets, consommation d'énergie et dosage optimal – sont bien compris et gérables grâce à une ingénierie et à une intégration minutieuse des procédés.