Bien que beaucoup de collectivités côtières du monde entier se soient toujours confrontées à des difficultés pour obtenir un accès fiable à l'eau potable propre, les méthodes traditionnelles de désinfection, comme la chloration, ont servi ces systèmes pendant des décennies, mais leurs limites, le goût chimique résiduel, la formation de sous-produits de désinfection et les dangers de manipulation, deviennent plus prononcées à mesure que les attentes réglementaires se renforcent et que la sensibilisation de la collectivité s'accroît. L'ozonation, un puissant processus d'oxydation qui utilise le gaz d'ozone (O3) comme désinfectant et oxydant, offre une solution de rechange convaincante pour améliorer la qualité de l'eau dans les petites unités de dessalement.

Le besoin croissant d'eau potable dans les collectivités côtières

Près de 40 % de la population mondiale vit dans les 100 kilomètres d'une côte, beaucoup dans des régions où les aquifères d'eau douce sont épuisés ou salinisés par l'intrusion d'eau de mer. La dessalement, principalement l'osmose inverse (RO), est apparue comme une bouée de sauvetage, avec des unités de petite taille (de 1 à 50 m3/jour) de plus en plus déployées pour desservir les villages, les îles et les colonies éloignées. Toutefois, la dessalement ne garantit pas à elle seule l'absence d'eau pathogène. La désinfection post-traitement est essentielle pour prévenir la recontamination pendant l'entreposage et la distribution.

Comprendre l'ozonation dans le traitement de l'eau

Comment fonctionne la désinfection de l'ozone

L'ozone est une molécule composée de trois atomes d'oxygène. Il est produit sur place en passant de l'air sec ou de l'oxygène purifié par un champ électrique à haute tension (décharge de corona) ou par une lumière ultraviolette. Une fois produit, le gaz d'ozone est injecté dans le courant d'eau, où il oxyde rapidement les composés organiques et inorganiques et perturbe les parois cellulaires des microorganismes.

  • Exoxyde directe: L'ozone moléculaire réagit sélectivement avec des liaisons insaturées, des composés phénoliques et certains groupes fonctionnels, détruisant en quelques secondes les bactéries, les virus et les protozoaires.
  • L'oxydation indirecte par les radicaux hydroxyles: L'ozone se décompose dans l'eau pour produire des radicaux hydroxyles (·OH), encore plus puissants et non sélectifs qui attaquent une large gamme de contaminants.
  • Inactivation microbienne: L'ozone endommage les membranes cellulaires et les acides nucléiques, ce qui le rend beaucoup plus puissant que le chlore contre les agents pathogènes résistants au chlore tels que Cryptosporidium parvum et Giardia lamblia.

L'ozone ayant une demi-vie courte (habituellement 20 à 30 minutes dans de l'eau propre à pH neutre), il ne laisse aucun résidu durable de désinfectant. Il s'agit là d'un avantage — aucun goût chimique ni aucun DBP persistant — et d'une considération qui peut nécessiter un résidu de désinfectant secondaire (p. ex. une très faible dose de chlore) pour le stockage et la distribution dans des systèmes plus grands.

Comparaison avec la chloration et la désinfection UV

Pour apprécier le rôle de l'ozonation dans le dessalement à petite échelle, il est utile de le comparer aux deux alternatives les plus courantes :

  • Chlorination: Inexpensable et fournit un résidu, mais produit des DBP tels que les trihalométhanes (THM) et les acides haloacétiques (AHA). Il est moins efficace contre Cryptosporidium et donne un goût distinct que de nombreux utilisateurs n'aiment pas.
  • Ultraviolet (UV) lumière:[ Efficace contre un large éventail d'agents pathogènes et ne produit pas de DBP, mais il n'oxyde pas les contaminants chimiques, améliore le goût, ou fournit un résidu.
  • Ozonation:[ Combine une désinfection puissante avec une oxydation simultanée des composés organiques, de la couleur, du goût et des odeurs. Elle peut réduire l'encrassement des membranes dans les systèmes RO lorsqu'elle est utilisée comme prétraitement (p. ex. pour le fer, le manganèse ou les toxines alcalines).

Pour le dessalement côtier à petite échelle, où la qualité de l'eau peut varier en fonction des saisons et des marées rouges, et où les opérateurs peuvent avoir une formation technique limitée, l'ozonation offre une solution tout-en-un robuste lorsqu'elle est bien conçue. Les directives de l'Agence de protection de l'environnement des États-Unis sur la désinfection de l'ozone[ soulignent son efficacité à travers une large gamme de pH et sa capacité à inactiver des organismes -hards comme Cryptosporidium.

Avantages de l'ozonation pour le dessalement à petite échelle

Inactivation microbienne améliorée

L'ozone permet de réduire de 3 à 6 log la plupart des bactéries à des valeurs de CT (concentration résiduelle × temps de contact) de 1 à 3 mg·min/L, alors que le chlore peut nécessiter 10 à 50 fois plus de CT. Dans les systèmes à petite échelle, où les réservoirs de contact sont compacts, la vitesse de l'ozone est critique. Cette fiabilité est particulièrement importante lorsque l'eau de source est contaminée périodiquement par les débordements d'eaux usées, les proliférations d'algues nuisibles ou le ruissellement.

Amélioration du goût, de l'odeur et de la couleur

L'eau de mer et l'eau saumâtre contiennent souvent des matières organiques naturelles (NOM), des sulfures dissous et des métabolites d'algues qui produisent des odeurs terreuses, moisies ou sulfureuses. L'ozone oxyde efficacement ces composés. Par exemple, la géosmin et le 2-méthylisobornéol (MIB), deux composés courants de goût et d'odeur, sont rapidement décomposés par l'ozone, ce que le chlore ne peut pas faire efficacement.

Réduction des sous-produits de désinfection

L'ozone produit moins de DBP réglementés; les principaux sous-produits sont le bromate (lorsque le bromure est présent) et la matière organique biodégradable (qui peut être contrôlée par filtration biologique). La formation de bromate est une préoccupation particulière dans le dessalement de l'eau de mer parce que l'eau de mer contient des niveaux élevés de bromure (environ 65 à 70 mg/L). Un contrôle attentif de la dose et du pH de l'ozone (idéalement inférieurs à 8) peut maintenir le bromate en deçà de la recommandation de l'OMS de 0,01 mg/L.

Amabilité environnementale

L'ozone se décompose en oxygène, ne laissant aucun résidu chimique persistant, ce qui réduit la logistique de manutention, de stockage et d'élimination des produits chimiques, avantage considérable pour les communautés côtières éloignées où le transport et le stockage des composés chlorés sont dangereux et coûteux.

Synergy avec osmose inverse

Lorsqu'elle est utilisée comme prétraitement avant le RO, l'ozone peut oxyder le fer dissous et le manganèse en particules insolubles qui sont ensuite filtrées, empêchant l'échelle et la salissure des membranes. Il décompose également les grosses molécules organiques qui, autrement, encrassent les membranes, prolongent la durée de vie des membranes et réduisent la consommation d'énergie.

Principaux éléments à prendre en considération pour la mise en œuvre

L'intégration de l'ozonation dans une unité de dessalement existante ou nouvelle à petite échelle nécessite une ingénierie minutieuse.Les étapes suivantes décrivent une approche systématique adaptée de IWA Publishing .Ozone in Water Treatment . et pratique sur le terrain.

Évaluation de la qualité de l'eau de source

Avant toute sélection d'équipement, recueillir des données complètes sur l'eau d'alimentation : salinité, température, pH, turbidité, carbone organique (COT ou DOC), concentration de bromure et présence d'agents pathogènes spécifiques ou de toxines algales. Ces données déterminent la dose d'ozone requise (habituellement 0,5 à 2,0 mg O3 par mg de COT pour l'oxydation, plus 1 à 3 mg/L pour la désinfection) et le temps de contact.

Sélection du générateur d'ozone

Pour les petites unités (taux de débit de 0,5 à 5 m3/h), les générateurs d'ozone compacts à décharge de corona sont les plus pratiques. Les unités produisant 5 à 20 g d'O3/h sont disponibles auprès de fabricants réputés.

  • Gaz à l'alimentation:[ Les générateurs alimentés par l'oxygène produisent des concentrations d'ozone plus élevées (6–12% en poids) que celles alimentées par l'air (1–3%), ce qui réduit le débit de gaz nécessaire et améliore le transfert de masse.
  • Cooling:[ La production d'ozone génère de la chaleur; s'assurer que l'unité est ventilée ou qu'elle a un ventilateur/refroidissement de l'eau intégré pour un fonctionnement continu.
  • Matériaux:[ L'ozone attaque de nombreux élastomères; utiliser l'acier inoxydable, le Teflon (PTFE) ou le PVDF pour les pièces et tubes mouillés.

Intégration de la conception dans la configuration existante de dessalement

Le point d'injection d'ozone dépend du train de traitement:

  • Préozonation avant les filtres médias:[ Oxyde le fer/manganèse, réduit la biosoudure dans les filtres et améliore le goût. L'ozone résiduel doit être trempé avant les membranes RO pour éviter les dommages. L'injection de carbone ou de bisulfite de sodium activée après le réservoir de contact peut éliminer l'ozone résiduel.
  • Post-ozonation après RO: Fournit la désinfection finale et enlève tout organique restant. Comme le perméat de RO est très propre, la demande d'ozone est faible et la formation de bromate est négligeable parce que la plupart du bromure est éliminé par la membrane. Cette configuration est plus simple mais ne protège pas la membrane de RO contre les encrassements.
  • Injection à venturi ou diffuseur à bulles: Un éjecteur de venturi attire le gaz d'ozone dans l'eau à grande vitesse, obtenant un haut rendement de transfert de masse (90%+).

Surveillance et contrôle

L'ozonisation efficace nécessite un contrôle en temps réel de la dose d'ozone.

  • analyseur d'ozone dissous:[ Généralement un capteur ampèrerométrique ou optique placé à la sortie de la chambre de contact. Le résidu doit être maintenu à 0,1–0,4 mg/L après un temps de contact de 4–10 minutes, en fonction de la température et du pH.
  • Pour régler le débit massique d'ozone en fonction du débit d'eau et des valeurs résiduelles. Un régulateur PID peut automatiser ceci.
  • Pour la sécurité des travailleurs en raison de la toxicité de l'ozone (la limite d'exposition admissible de l'OSHA est de 0,1 ppm sur 8 heures).

Paramètres opérationnels pour les systèmes à petite échelle

  • Temps de contact: Un minimum de 4 minutes au débit de pointe est recommandé. Un simple réservoir de contact (avec des chicanes ou un chemin de circulation serpentine) peut être fabriqué à partir d'acier inoxydable 316L ou HDPE. Pour les très petites unités, un contacteur à mélange statique sous pression peut obtenir le même effet dans une empreinte plus petite.
  • Dose de l'ozone: Commencez par 1,0 mg O3 par mg de TOC + 1,5 mg/L pour la désinfection.
  • pH et gestion du bromate:[ Si le bromure > 0,5 mg/L, maintenir l'ozone résiduel en dessous de 0,2 mg/L et le pH en dessous de 7,5, ou utiliser l'AOP O3/H2O2 (0,3–0,5 mg H2O2 par mg O3) pour déplacer la voie de réaction.

Défis et stratégies d ' atténuation

Coûts d'immobilisation et d'exploitation

L'investissement initial pour un petit système d'ozone peut varier de 5 000 $ à 25 000 $ selon la capacité et le niveau d'automatisation, ce qui est supérieur à un système de chloration de base (500 $ à 2 000 $). Toutefois, lorsque l'on tient compte de la réduction des besoins en matière d'achat, de manutention et de nettoyage des membranes chimiques, le coût total de la propriété sur 5 à 10 ans peut être concurrentiel.

Expertise technique

La formation n'est pas négociable. Les opérateurs doivent comprendre comment ajuster la dose d'ozone, interpréter les lectures résiduelles, maintenir le générateur (nettoyage des électrodes, vérification des sécheurs d'air) et réagir aux alarmes. Une bonne pratique consiste à jumeler le système à une plate-forme de surveillance à distance (p. ex. capteurs IdO) afin qu'une équipe de soutien technique centralisée puisse assurer la surveillance.

Précautions de sécurité

L'ozone est toxique et corrosif. L'installation doit être dans une zone bien ventilée ou une salle avec une ventilation dédiée à la sécurité de l'ozone. Une vanne d'arrêt automatique qui s'active si le moniteur ambiant détecte une fuite est recommandée. Tout le personnel manipulant l'ozone doit être formé aux premiers soins pour l'exposition à l'inhalation et avoir accès à un appareil respiratoire à air comprimé pendant l'entretien.

Fiabilité de l'alimentation électrique

Dans les communautés côtières où le réseau est intermittent, un onduleur à piles ou un système à énergie solaire peuvent être jumelés à l'unité d'ozone. De nouveaux générateurs d'ozone à faible puissance (consommant 50 à 150 W pour 10 g d'O3/h) peuvent fonctionner sur une alimentation en courant continu 12 à V ou 24 à V, ce qui rend possible l'intégration de la batterie ou du solaire.

Études de cas et applications du monde réel

Dans le cadre d'un projet aux Maldives, une communauté insulaire corallienne a installé une unité de traitement de l'ozone de 10 m3/jour avec préozonation pour contrôler la biosouillation dans l'environnement à haute température de l'eau de mer. Le système a utilisé un générateur d'ozone de 15 g/h avec concentrateur d'oxygène, réduisant ainsi de 40 % la fréquence de nettoyage des membranes et fournissant de l'eau sans coliformes détectables. En Afrique de l'Est côtière, un partenariat entre une ONG locale et une firme d'ingénierie a intégré la postozonation dans un système de traitement de l'ozone à eau saumâtre desservant un village de 500 personnes. Le coût en capital s'élevait à environ 12 000 $, et après deux ans d'exploitation avec des exploitants communautaires formés, le système a produit de l'eau avec <1 CFU/100 mL E. coli[, comparativement à une contamination sporadique par chloration antérieure.

Ces exemples soulignent que le succès dépend de l'engagement communautaire, d'une formation solide et d'un système de soutien à l'entretien. La documentation scientifique sur la désinfection du dessalement à petite échelle continue de documenter les pratiques exemplaires en matière de dosage de l'ozone et de contrôle du bromate, fournissant une base de connaissances croissante aux implémentateurs.

Perspectives et innovations futures

Des générateurs photocatalytiques d'ozone (à l'aide de LED UV) sont en train de se développer et peuvent produire de l'ozone à partir de l'air sans électronique à haute tension, réduire les coûts et améliorer la sécurité. Des capteurs intelligents associés à l'apprentissage par machine sont en cours de développement pour ajuster automatiquement la dose d'ozone en fonction des changements en temps réel de la qualité de l'eau, réduisant ainsi le fardeau pour les opérateurs.

Pour les collectivités côtières, la vision à long terme est une unité de dessalement décentralisée à énergie solaire, dotée d'une ozonation intégrée et d'une surveillance à distance, solution clé en main qui offre une eau de haute qualité et une manipulation chimique minimale.

Conclusion

L'ozonation offre une méthode puissante et respectueuse de l'environnement pour améliorer la qualité de l'eau dans les petites unités de dessalement desservant les collectivités côtières. En évaluant soigneusement l'eau de source, en choisissant l'équipement approprié, en intégrant le système avec soin et en fournissant une formation adéquate et des mesures de sécurité, les collectivités peuvent surmonter les défis liés aux coûts, à l'expertise et à la fiabilité de l'énergie.