Le traitement de l'eau est un élément fondamental de la santé publique, qui garantit aux collectivités l'accès à une eau potable sans agents pathogènes et contaminants nocifs.Depuis plus d'un siècle, les désinfectants chimiques, notamment le chlore, sont l'épine dorsale des protocoles de désinfection dans le monde entier.Ces produits chimiques se sont révélés très efficaces pour inactiver les bactéries, les virus et les protozoaires, réduisant de façon spectaculaire les maladies d'origine hydrique. Toutefois, l'utilisation de désinfectants chimiques n'est pas sans inconvénients. Ils réagissent avec la matière organique naturelle et d'autres constituants présents dans l'eau de source pour former des sous-produits de désinfection (PDB), dont beaucoup sont réglementés comme cancérogènes potentiels.

Comprendre les désinfectants chimiques et leurs inconvénients

Désinfectants chimiques courants

Le chlore libre (HOCl/OCl-) est peu coûteux, a un effet résiduel important qui protège les systèmes de distribution d'eau et est efficace contre un large éventail d'agents pathogènes. Les chloramines (monochloramine, dichloramine) sont souvent utilisées comme désinfectants secondaires parce qu'elles persistent plus longtemps dans les tuyaux, offrant une protection étendue. Le dioxyde de chlore est un oxydant puissant qui fonctionne bien à des pH plus élevés et est moins susceptible de former certains PSD, mais il peut produire du chlorite et du chlorate comme sous-produits.

Formation de sous-produits de désinfection (PDB)

Les groupes les plus courants et réglementés sont les trihalométhanes (THM) et les acides haloacétiques (AHA). L'exposition à long terme à des niveaux élevés de THM et d'AHA a été associée à un risque accru de cancer de la vessie et à des effets nocifs sur la reproduction. D'autres PAD émergents, comme les halocétonones, les haloacétonitriles et les nitrosamines (p. ex., la NDMA), posent des problèmes de santé encore plus importants à des niveaux de traces.

Préoccupations en matière de santé et d'environnement

Au-delà des DBP, la production et le transport de désinfectants chimiques entraînent des coûts environnementaux.La production de chlore est à forte intensité énergétique et génère des déchets dangereux.Le chlore présente des risques de toxicité aiguë en cas de rejets accidentels.La production de dioxyde de chlore nécessite une gestion soigneuse des précurseurs chimiques.Les désinfectants résiduels rejetés dans les plans d'eau réceptifs peuvent être toxiques pour la vie aquatique.

Qu'est-ce que l'ozonation ?

Chimie de l'ozone et mécanisme de désinfection

L'ozone (O3) est un gaz hautement réactif composé de trois atomes d'oxygène. Il est l'un des oxydants les plus puissants disponibles pour le traitement de l'eau, avec un potentiel d'oxydation secondaire seulement au fluor. Lorsqu'il est appliqué à l'eau, l'ozone réagit directement par l'ozone moléculaire ou indirectement par la génération de radicaux hydroxyles (•OH), en particulier à pH élevé. Ces radicaux sont encore plus puissants et non sélectifs oxydants que l'ozone lui-même, capables de décomposer une large gamme de composés organiques, y compris des agents pathogènes, des composés responsables du goût et des odeurs, et des micropolluants tels que les produits pharmaceutiques et les pesticides.

Méthodes de production d'ozone

La méthode industrielle la plus courante est la décharge de corona, qui passe par un rejet de barrière diélectrique par un flux d'oxygène (ou d'air sec) pour diviser les molécules d'O[2 en oxygène atomique qui se recombinent ensuite en O3. La lumière ultraviolette (UV) à une longueur d'onde de 185 nm peut également produire de l'ozone à partir de l'oxygène, mais cette méthode donne des concentrations plus faibles. La production électrolytique, utilisant l'eau comme matière première, est une approche plus récente qui peut produire de l'ozone de haute pureté sans gaz porteur.

Avantages de l'ozonation sur les désinfectants chimiques

Désinfection efficace contre un spectre large

L'ozone est un biocide puissant qui inactive une large gamme d'agents pathogènes, y compris les bactéries, les virus et les kystes (p. ex. Cryptosporidium parvum[ et Giardia lamblia) qui résistent au chlore. Cryptosporidium, en particulier, est notoirement difficile à tuer avec du chlore libre, nécessitant des doses élevées et des temps de contact prolongés.

Pas de résidus chimiques nocifs

L'un des avantages les plus importants de l'ozonation est que l'ozone se décompose en oxygène (O2) dans les minutes suivant l'application. Contrairement au chlore, qui laisse un résidu qui peut être toxique et qui forme des DBP dans le système de distribution, l'ozone ne persiste pas. Cela élimine la nécessité d'une étape d'extinction et réduit la charge chimique sur l'environnement. Cependant, comme l'ozone n'a pas de résidu, une petite quantité de désinfectant secondaire (souvent du chlore ou de la chloramine) est généralement ajoutée avant que l'eau entre dans le réseau de distribution pour maintenir la sécurité microbienne.

Amélioration de la qualité de l'eau

L'ozone est un puissant oxydant qui élimine efficacement les composés odorants et gustatifs tels que la géosmin et le 2-méthylisobornéol (MIB), qui sont courants dans les eaux de surface touchées par les algues. Il blanchit également les matières organiques colorantes et oxyde le fer et le manganèse, permettant leur élimination par filtration ultérieure. De plus, l'ozone peut décomposer les polluants organiques récalcitrants, y compris certains pesticides, les composés perturbateurs endocriniens et les résidus pharmaceutiques, améliorant ainsi la qualité globale de l'eau bien au-delà de ce que la chloration seule peut atteindre.

Réduction de l'utilisation de produits chimiques et de la formation de DBP

En remplaçant ou en réduisant la dose de désinfectants chimiques, l'ozonation réduit directement le potentiel de formation de DBP. L'eau traitée avec l'ozone comme désinfectant primaire contient généralement des concentrations beaucoup plus faibles de THM et d'AHA même après une étape de chloration en aval. Certains services publics ont réussi à réduire la dose de chlore libre jusqu'à 50 % après avoir mis en oeuvre le prétraitement de l'ozone.

Défis et considérations

Coûts des équipements et de l'énergie

Les systèmes d'ozonisation nécessitent un équipement spécialisé : générateurs d'ozone, chambres de contact et systèmes de destruction de gaz. Le coût en capital de la rénovation d'une usine existante peut être considérable. L'exploitation exige également une énergie électrique importante – généralement de 6 à 12 kWh par kilogramme d'ozone produit à partir de l'air ou de l'oxygène.

Demi-vie courte et temps de contact requis

L'ozone a une demi-vie dans l'eau allant de secondes à minutes, selon la qualité de l'eau, la température et le pH. Cette nature transitoire signifie que la désinfection doit se produire rapidement dans le bassin de contact. Il est essentiel de disposer d'un temps de mélange et de rétention suffisant pour s'assurer que les exigences de CT (concentration × temps) pour l'inactivation des agents pathogènes sont respectées.

Préoccupations en matière de sécurité

Les générateurs d'ozone doivent être logés dans des espaces bien ventilés et des systèmes de détection des fuites sont nécessaires. Toutefois, contrairement au chlore gazeux, l'ozone se décompose rapidement dans l'air, réduisant ainsi le risque d'exposition prolongée.

Formation potentielle de Bromate

Lorsque l'eau source contient des ions de bromure, l'ozonation peut oxyder le bromure en bromate (BrO3−), un cancérogène humain présumé. L'EPA des États-Unis a une concentration maximale de contaminant de 10 μg/L pour le bromate dans l'eau potable. Les services publics qui traitent les eaux à haut bromure doivent contrôler soigneusement la dose d'ozone, le pH et le temps de contact pour minimiser la formation de bromate.

Intégration de l'ozonation dans les systèmes de traitement multi-barres

Ozone avec filtration biologique au carbone actif (BAC)

L'ozone oxyde partiellement la matière organique, la rendant plus biodégradable.L'ozonisation avec un filtre biologique au charbon actif permet aux microorganismes de consommer ces petites molécules organiques, de réduire encore davantage les précurseurs du DBP et d'améliorer le goût et l'odeur.Cette combinaison, suivie de l'ozone BAC, a été adoptée par de nombreux services publics comme méthode rentable pour obtenir une élimination accrue de la matière organique et des micropolluants.

Ozone avec désinfection UV

La lumière UV, en particulier à 254 nm, peut décomposer l'ozone et générer des radicaux hydroxyles supplémentaires, créant ainsi un processus d'oxydation avancé (PAO).Cette approche hybride est très efficace pour éliminer les contaminants traces qui sont résistants à l'un ou l'autre processus seul. De plus, UV peut agir comme une étape de désinfection de secours, assurant l'inactivation si l'ozone CT est insuffisant.

L'ozone dans le cadre d'un procédé d'oxydation avancé (PAO)

Lorsque l'ozone est combiné avec du peroxyde d'hydrogène (H2O[2[) ou des UV, il en résulte une AOP qui génère une concentration plus élevée de radicaux hydroxyles, particulièrement utile pour les contaminants dégradants comme le 1,4-dioxane, la NDMA et certains pesticides.

Études de cas et adoption par l'industrie

Plusieurs entreprises de distribution d'eau potable de taille moyenne à grande dans le monde ont réussi à intégrer l'ozonation pour réduire l'utilisation de produits chimiques.Par exemple, la centrale de filtration d'aqueduc de Los Angeles utilise l'ozone comme désinfectant principal, réduisant ainsi de façon significative la demande de chlore et la formation de DBP. La ville de Zürich, en Suisse, emploie l'ozone pour contrôler le goût et les odeurs et a obtenu une diminution importante des THM. Au Canada, la rivière des Outaouais est traitée avec de l'ozone pour contrôler les événements saisonniers de goût et d'odeur, ce qui permet à l'utilité de maintenir un résidu de chlore faible.

Perspectives et orientations de la recherche

Réduction des coûts et efficacité énergétique

Les progrès de la technologie de production d'ozone, comme les rejets de corona à basse énergie à l'aide d'alimentations à haute fréquence, l'amélioration des matériaux diélectriques et l'utilisation de concentrateurs d'oxygène, réduisent constamment les coûts d'exploitation.

Systèmes hybrides et intégration des processus

Les recherches se poursuivent en vue de l'établissement de liens entre l'ozonation et la filtration membranaire (ozone suivi d'osmose inverse ou nanofiltration) pour atteindre des normes de qualité de l'eau très élevées, y compris la réutilisation de l'eau potable.

Tendances réglementaires

À mesure que les règlements sur les DBP se resserrent à l'échelle mondiale, les services publics chercheront des moyens novateurs de réduire l'utilisation des désinfectants chimiques. La Directive sur l'eau potable de l'Union européenne (2020) et les Règles sur les DBP de l'EPA des États-Unis de l'étape 1 et de l'étape 2 fixent des limites de plus en plus faibles pour les THM et les AHA.

Conclusion

L'ozonisation représente une voie intéressante pour les installations de traitement de l'eau qui cherchent à réduire leur dépendance à l'égard des désinfectants chimiques. Sa capacité à inactiver les agents pathogènes résistants au chlore, à améliorer la qualité de l'eau organoleptique et à réduire considérablement la formation de DBP sont des avantages importants.Bien qu'il existe des défis en matière de coût des immobilisations, d'utilisation de l'énergie et de contrôle du bromate, la recherche et l'innovation technologique en cours rendent l'ozonation plus efficace et abordable.

Pour plus de renseignements, veuillez consulter le EPA]S'applique aux sous-produits de désinfection, les Recommandations de l'OMS pour la qualité de l'eau potable[, ainsi qu'un aperçu technique de technologie d'ozonation pour le traitement de l'eau.