Ces communautés structurées de micro-organismes adhèrent aux surfaces des tuyaux, forment une matrice protectrice qui résiste à la désinfection classique et facilite la corrosion, le goût et les odeurs, ainsi que la prolifération des pathogènes opportunistes.Une gestion efficace des biofilms est essentielle pour les services publics d'eau qui cherchent à respecter les normes réglementaires et à assurer la santé publique.

Comprendre les biofilms dans les systèmes de distribution d'eau

Les biofilms se développent lorsque les bactéries planctoniques s'attachent à des surfaces submergées et commencent à excréter des substances polymériques extracellulaires (SEP) – une matrice visqueuse, semblable à un gel, composée de polysaccharides, de protéines, d'acides nucléiques et de lipides. Cette SEP ancre les cellules à la paroi du tuyau et fournit une intégrité structurale, tout en créant des microenvironnements qui protègent la communauté des désinfectants, du stress de cisaillement et des fluctuations de la chimie de l'eau.

L'épaisseur du biofilm peut varier de quelques micromètres à plusieurs millimètres, et même de minces biofilms peuvent augmenter considérablement la rugosité du tuyau, réduire la capacité hydraulique et accélérer la corrosion par corrosion induite par les microbes (CMI). Dans les systèmes d'eau potable, les biofilms servent également de réservoir pour la repousse, en semant continuellement l'eau en aval même lorsque l'eau en vrac atteint les objectifs réglementaires de désinfection.

Impacts sur la santé et les opérations

Les biofilms constituent un point critique de la salubrité de l'eau, qui protège les agents pathogènes des résidus de désinfectant, favorise la survie des bactéries résistantes aux antibiotiques et contribue à la formation de sous-produits de désinfection lorsque le chlore réagit avec la matière organique dans la matrice.

Le rôle de l'ozonation dans le contrôle du biofilm

L'ozone est l'un des oxydants les plus puissants utilisés dans le traitement de l'eau, avec un potentiel de redox de 2,07 V, significativement supérieur à celui du chlore (1,36 V) et de la chloramine (1,18 V). Cette puissance d'oxydation élevée permet à l'ozone de réagir rapidement avec une large gamme de composés organiques et inorganiques, ce qui en fait un agent hautement efficace pour inactiver les microorganismes et décomposer la matière organique.

Pour le contrôle du biofilm, l'ozonation offre un double avantage : elle tue directement les microorganismes du biofilm et, peut-être plus important encore, dégrade la matrice EPS qui les protège. Cette dégradation affaiblit l'intégrité structurelle du biofilm, permettant aux forces de cisaillement de l'écoulement de l'eau de l'éliminer physiquement.

Mécanismes d'action

D'abord, les molécules d'ozone pénètrent dans l'EPS et réagissent avec des liaisons doubles et des groupes fonctionnels dans les polysaccharides et les protéines, causant une dépolymérisation et une fragmentation de la matrice. Ce processus est appelé «perturbation du biofilm». Deuxièmement, l'ozone réagit avec les parois et les membranes des cellules bactériennes, provoquant une lyse par oxydation directe des lipides non saturés et des dommages aux composants intracellulaires.

Aux doses d'application d'eau potable (0,5 à 2,0 mg/L), l'ozone réagit en quelques secondes à quelques minutes, oxydant rapidement les couches extérieures du biofilm. Cependant, les biofilms plus épais peuvent nécessiter des applications répétées ou à doses plus élevées pour atteindre la base de la matrice. L'oxydation de l'EPS produit également des sous-produits biodégradables qui doivent être gérés pour éviter de favoriser la repousse en aval — souvent par la suite de l'ozonisation avec filtration biologique.

Avantages de l'ozonation

  • Haute efficacité contre les EPS de biofilm: L'ozone dégrade la matrice structurale, rendant les biofilms plus sensibles à l'élimination physique et à la désinfection.
  • Désinfection par le spectre large[: L'ozone inactive les bactéries, les virus, les protozoaires et les spores fongiques dans les biofilms, y compris les organismes résistants au chlore comme Cryptosporidium et Giadia.
  • Réduction de la demande de désinfectant chimique[ : En contrôlant la croissance du biofilm, l'ozonation permet aux services publics de maintenir des résidus de chlore ou de chloramine plus faibles, réduisant ainsi le risque de formation de sous-produits et de corrosion.
  • Cinéma de réaction rapide[: La désinfection par l'ozone se produit en quelques secondes à quelques minutes, nécessitant des temps de contact relativement courts par rapport aux chloramines.
  • Amélioration des paramètres de qualité de l'eau[: L'ozone oxyde le fer, le manganèse et les composés qui causent le goût et les odeurs, ce qui améliore la qualité esthétique.
  • Résidus persistants mineurs[: L'ozone se décompose en oxygène, ne laissant aucune empreinte chimique à long terme, ce qui peut être un avantage dans les environnements sensibles.

Mise en œuvre de l ' ozonation dans les systèmes de distribution d ' eau

L'ozone est habituellement produit sur place par des cellules corona ou électrolytiques utilisant de l'oxygène ou des matières premières pour l'air. Le gaz est ensuite injecté dans un cours d'eau latéral et dissous par des chambres de contact, comme des injecteurs de venturi ou des diffuseurs de bulles fines. Le temps de contact est critique : les temps de contact typiques varient de 5 à 20 minutes pour la désinfection, mais la pénétration du biofilm peut nécessiter une exposition plus longue ou des concentrations résiduelles plus élevées.

Pour les systèmes de distribution existants, l'ozonation est souvent appliquée à la station de traitement juste avant ou après la filtration. Cependant, l'application de l'ozone directement dans le réseau de distribution est moins fréquente en raison de la sécurité des gaz toxiques et de la cinétique de désintégration.

Systèmes de production et de distribution d'ozone

Les générateurs électrolytiques, bien que moins courants, peuvent produire de l'ozone à haute concentration de l'eau. Les principaux paramètres de conception sont le débit de gaz, l'apport d'énergie, le refroidissement et la préparation du gaz. La qualité des gaz d'alimentation est essentielle : l'humidité, les particules et les oxydes d'azote peuvent réduire le rendement et augmenter l'entretien.

Le transfert d'ozone dans l'eau est généralement effectué par des systèmes de flux latéral injectés, des mélangeurs statiques ou des contacteurs de colonne. L'efficacité du transfert dépend de la taille des bulles de gaz, du temps de contact et de la chimie de l'eau.

Intégration au traitement de l'eau existant

L'ozonisation est souvent utilisée comme étape de traitement intermédiaire. Elle peut être placée avant la filtration de sable ou de membrane (préozonation) pour améliorer la floculation et réduire l'encrassement des membranes, ou après la filtration (postozonation) comme étape de désinfection finale. Pour le contrôle des biofilms, l'endroit le plus efficace est après la filtration, mais avant le stockage de puits transparents, assurant que l'eau entrant dans le système de distribution a une faible charge organique et une quantité minimale de semences de biofilm viables.

Comparaison avec d'autres méthodes de contrôle du biofilm

Le chlore est le désinfectant le plus courant, mais il a une capacité limitée de pénétrer dans les résidus typiques (0,2 à 1,0 mg/L). Il réagit avec la matière organique pour former des trihalométhanes (THM) et des acides haloacétiques (AHA), réglementés par l'EPA des États-Unis. La chloramine, bien qu'elle soit plus persistante et moins réactive avec la matière organique, agit plus lentement contre les biofilms et peut favoriser la nitrification dans certains systèmes.

Par contre, la puissance d'oxydation élevée de l'ozone lui permet de dégrader l'EPS et de tuer les micro-organismes en une seule étape. Des études ont montré que le traitement de l'ozone réduit la masse de biofilms de 80 à 95 % sur les surfaces des tuyaux, tandis que le chlore ne la réduit que de 30 à 50 % dans des conditions comparables.

Efficacité contre les biofilms

Une étude publiée en 2019 dans Water Research[ a comparé l'ozonation à la chloration pour le contrôle du biofilm sur les tuyaux en PVC et en fer. L'ozone à 1,0 mg/L pendant 10 minutes a permis une réduction de 3 logs dans les cellules viables du biofilm et réduit de 70 % la teneur en polysaccharides EPS, tandis que le chlore à 2,0 mg/L pendant 30 minutes n'a permis qu'une réduction de 1,5 logs et de 30 % de l'EPS. Ces résultats soulignent la capacité supérieure de perturber la structure du biofilm.

Formation de sous-produits

Le principal sous-produit de l'ozonation est le bromate, un cancérogène humain probable réglementé à 10 μg/L aux États-Unis et à 10 μg/L dans l'UE. Le bromate se forme lorsque l'ozone oxyde les ions de bromure naturels. Le risque est le plus élevé dans les eaux à fortes concentrations de bromure (>0,1 mg/L). Les services publics peuvent réduire la formation de bromate en abaissant le pH, en ajoutant de l'ammoniac ou en utilisant moins d'ozone dans les eaux riches en bromure.

Défis et considérations

La mise en oeuvre de l'ozonation pour la lutte contre les biofilms n'est pas sans obstacles. Les coûts élevés d'investissement et d'exploitation[ constituent des obstacles importants. La production d'ozone nécessite de l'électricité pour fonctionner et de l'oxygène pour le gaz d'alimentation.La consommation d'énergie peut varier de 10 à 25 kWh par kg d'ozone produit.

La demande en ozone varie selon la qualité de l'eau, la température et la charge organique, exigeant des opérateurs qualifiés qu'ils ajustent le dosage en temps réel. La surdosage peut conduire à des sous-produits excessifs, tandis que la sous-dosage laisse le contrôle du biofilm inefficace. De plus, la décomposition rapide de l'ozone signifie que son effet est principalement à l'usine de traitement; le maintien du contrôle du biofilm dans des parties éloignées du réseau dépend de la réduction de la teneur en CTA et de l'application d'un résidu secondaire approprié.

La compatibilité avec les matériaux[ doit également être prise en considération. L'ozone peut accélérer la corrosion de certains métaux (p. ex. cuivre, acier) et dégrader les élastomères et les plastiques utilisés dans les joints et les joints d'étanchéité.

Recherche et études de cas

De nombreuses études ont démontré l'efficacité de l'ozonation pour le contrôle des biofilms. À l'Université de l'Illinois, le système pilote de distribution d'eau a appliqué l'ozone (1,5 mg/L) en continu pendant six mois à une boucle simulant un réseau de distribution. La couverture des biofilms sur les coupons de tuyaux a diminué de 88 % par rapport à une boucle de contrôle dosée à 1,0 mg/L de chlore.

Dans une application réelle, la ville de Zurich, en Suisse, utilise l'ozone depuis les années 1960 dans le cadre d'une approche de traitement à barrières multiples. Des études de leur système de distribution ont révélé que l'ozone-biofiltration produit de l'eau contenant moins de 10 μg/L de carbone organique assimilable, limitant ainsi la croissance du biofilm même dans les conduites de gros diamètres.

Un projet pilote plus récent aux États-Unis (Tampa Bay Water, Floride) a évalué l'ozone et le dioxyde de chlore pour la lutte contre le biofilm dans les tuyaux en PVC et en fer. L'ozone a fourni la réduction la plus élevée du nombre de plaques hétérotrophes (HPC) et éliminé Pseudomonas aeruginosa dans le biofilm en deux semaines.

Orientations futures

Le rôle de l'ozonation dans la gestion des biofilms va probablement croître à mesure que les services publics d'eau font face à des règlements plus stricts sur les sous-produits de désinfection et les pathogènes émergents.Les procédés d'oxydation avancés (PAO) qui combinent l'ozone avec le peroxyde d'hydrogène (O[3/H[2[O[2[) ou les UV (O[3/UV) améliorent la génération de radicaux hydroxyles, qui peuvent attaquer les biofilms de façon encore plus agressive que l'ozone seul.

Un autre développement prometteur est l'utilisation de l'ozone dans les systèmes intelligents et pilotés par des capteurs. La surveillance en temps réel de la croissance du biofilm à l'aide de capteurs optiques ou électrochimiques peut déclencher de courtes impulsions d'ozonation à forte dose, stratégie qui minimise l'utilisation de produits chimiques et la formation de sous-produits tout en maintenant un contrôle efficace.

Enfin, l'intégration à la filtration biologique devient une pratique courante.][[Recommandations de l'OMS][évolue, l'ozonation combinée à la biofiltration est reconnue comme une pratique exemplaire pour produire de l'eau biologiquement stable.

Conclusion

L'ozonisation offre un outil puissant et polyvalent pour contrôler les biofilms dans les systèmes de distribution d'eau. En oxydant la matrice extracellulaire et en inactivant directement les microorganismes embarqués, l'ozone réduit l'accumulation de biofilms plus efficacement que les désinfectants traditionnels. Bien que des défis subsistent – y compris le coût, la gestion des sous-produits et la complexité opérationnelle – les avantages d'une meilleure qualité de l'eau, d'un potentiel de corrosion réduit et d'une moindre dépendance aux désinfectants chimiques font de l'ozonation une option attrayante, surtout lorsqu'elle est combinée à une filtration biologique ou à une oxydation avancée.