Les eaux pluviales sont une source importante de pollution de l'eau dans les bassins hydrographiques urbanisés, qui transporte un mélange complexe de sédiments, de métaux lourds, d'hydrocarbures pétroliers, de pesticides, d'agents pathogènes et d'autres contaminants provenant de surfaces imperméables dans les rivières, les lacs et les eaux côtières. Les approches traditionnelles de traitement des eaux pluviales – comme les bassins de sédimentation, les milieux humides construits et les filtres à milieux – sont efficaces pour le dépôt de solides et l'élimination de certains polluants, mais elles luttent souvent contre les composés organiques dissous, les contaminants émergents comme les produits pharmaceutiques et les produits de soins personnels et les agents pathogènes microbiens.

Comprendre l'ozonation dans le traitement de l'eau

L'ozone est produit sur place par le passage de l'air sec ou de l'oxygène pur par une décharge électrique à haute tension (décharge de corona) ou par une lumière ultraviolette. Une fois introduit dans l'eau, l'ozone réagit rapidement avec une large gamme de contaminants par deux voies primaires : l'oxydation moléculaire directe et les réactions indirectes médiées par les radicaux hydroxyles (•OH). Ces radicaux hydroxyles sont parmi les oxydants les plus puissants connus, après seulement le fluor, permettant l'ozonation pour attaquer les polluants résistants au traitement conventionnel.

L'ozone est un désinfectant reconnu au début du XXe siècle et il est utilisé depuis des décennies dans le traitement de l'eau potable, le traitement des eaux usées et l'eau industrielle. Son application aux eaux pluviales n'a toutefois gagné en traction que depuis deux décennies, car les préoccupations de qualité des eaux de ruissellement urbaines se sont élevées et la réglementation s'est resserrée.

Comment fonctionne l'ozonation dans le traitement des eaux pluviales

Dans un système typique d'ozonation des eaux pluviales, le ruissellement est d'abord prétraité pour éliminer les solides bruts, le grain et les débris plus grands, souvent par l'intermédiaire d'un séparateur hydrodynamique ou d'un bassin de sédimentation. L'eau prétraitée entre ensuite dans une chambre de contact où le gaz d'ozone est injecté par des diffuseurs de bulles fines, des mélangeurs statiques ou des injecteurs de venturi. Le gaz d'ozone se dissout dans l'eau et commence à réagir avec les polluants ciblés.

L'ozone attaque sélectivement les fractions riches en électrons, comme les doubles liaisons carbone-carbone, les cycles aromatiques et les groupes fonctionnels contenant de l'azote ou du soufre. Cela décompose les molécules organiques complexes en intermédiaires plus simples et biodégradables. Simultanément, l'ozone inactive les bactéries, les virus et les protozoaires en perturbant les parois cellulaires et en endommageant les acides nucléiques. Pour les eaux pluviales contenant des niveaux élevés de turbidité et de matière organique naturelle, la demande en ozone peut être importante; ainsi, les systèmes avancés intègrent souvent une deuxième étape qui utilise l'ozone pour générer des radicaux hydroxyles via la peroxone (O3/H2O2]) ou des procédés UV/O], ce qui améliore encore la capacité d'oxydation.

Chimie de l'ozone et voies de réaction

Lorsque l'ozone se dissout dans l'eau, il peut réagir directement sous forme d'O3 ou se décomposer pour former des oxydants secondaires. Le pH influence de façon significative la voie qui domine. À un pH faible (< 4), les réactions directes à l'ozone prévalent et sont relativement sélectives pour des groupes fonctionnels spécifiques. À pH neutre à alcalin (7-10), l'ozone se décompose plus rapidement en radicaux hydroxyles, qui réagissent sans discrimination avec presque toute molécule organique à des vitesses presque limitées par diffusion. Le pH de l'eau de tempête varie généralement de 6 à 8, de sorte que les deux voies contribuent. La présence de charognards radicaux – tels que l'alcalinité du bicarbonate – peut éteindre les radicaux hydroxyles, ce qui réduit l'efficacité.

Systèmes de contact et transfert de masse

Un transfert de masse efficace de l'ozone de la phase gazeuse à la phase liquide est essentiel pour un traitement économique et efficace.

  • Diffuseurs à bulles fines – Le gaz d'ozone est dispersé par des diffuseurs poreux en céramique ou en acier inoxydable au fond d'un réservoir de contact profond. Ils produisent de petites bulles qui fournissent une grande surface pour le transfert. Ils sont simples et fiables, mais nécessitent des réservoirs plus profonds (4-6 m) pour obtenir un temps de contact adéquat.
  • Injecteurs de Venturi[ – L'ozone est injecté dans un cours d'eau latéral sous pression et mélangé avec le flux principal. Ils sont compacts et permettent des taux de transfert de masse élevés, ce qui les rend aptes à moderniser l'infrastructure existante des eaux pluviales avec une empreinte limitée.
  • Mineures statiques – Les mélangeurs statiques installés en ligne créent des turbulences qui améliorent la dissolution. Ils sont souvent utilisés en combinaison avec des injecteurs de venturi.
  • Colonnes emballées – Le débit de gaz et de liquides est actuellement contre-courant à travers une colonne remplie de matériaux d'emballage aléatoires, maximisant la zone de contact.

Quel que soit le système, l'ozone hors gaz (ozone non résolu qui quitte le contacteur) doit être capté et détruit, habituellement par la destruction catalytique ou thermique, pour prévenir l'exposition des travailleurs et les rejets dans l'environnement.

Avantages de l'ozonation pour le traitement des eaux pluviales

L'ozonation offre plusieurs avantages distincts par rapport aux techniques classiques de traitement des eaux pluviales, ce qui en fait une option attrayante pour les rejets hautement prioritaires ou les projets de réutilisation de l'eau :

  • Élimination des contaminants à large spectre[ – L'ozone oxyde une large gamme de polluants organiques, dont les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), les phtalates, les alkylphénols, les pesticides et les produits pharmaceutiques.
  • Désinfection sans résidus chimiques – L'ozone est un désinfectant puissant, qui permet de réduire plusieurs logarithmes des bactéries, des virus et des kystes protozoaires (p. ex. ]Giardia, Cryptosporidium) en quelques minutes. Contrairement au chlore, il ne laisse pas de résidus persistants qui peuvent former des sous-produits toxiques de désinfection dans les eaux réceptrices.
  • Cinéma cinétique de la réaction rapide – Les temps de contact typiques de l'ozone sont de 5 à 20 minutes, comparativement aux heures de traitement biologique ou aux jours pour les systèmes de zones humides.
  • Aucune production de boues – Contrairement à la coagulation chimique ou au traitement biologique, l'ozonation ne produit pas de boues résiduelles qui nécessitent une manipulation et un élimination.
  • L'élimination des odeurs et des couleurs[ – L'ozone oxyde efficacement les composés colorés (tels que les substances humiques) et les agents odorants (p. ex., sulfure d'hydrogène, mercaptans), améliorant la qualité esthétique de l'eau traitée – important pour la réutilisation dans l'irrigation ou l'amélioration de l'environnement.
  • La biodégradabilité améliorée – L'oxydation partielle des composés organiques récalcitrants par l'ozonation peut créer des molécules plus petites et plus biodégradables. Lorsque l'ozonation est suivie d'une étape de traitement biologique (p. ex. biofiltration), l'efficacité globale de l'élimination augmente tout en réduisant la demande en ozone.

Ces avantages ont conduit à un intérêt croissant pour l'ozonisation en tant qu'étape de polissage dans les trains de traitement intégrés des eaux pluviales, en particulier dans les endroits où le ruissellement traité est destiné à la recharge des eaux souterraines ou à l'augmentation de la réutilisation.

Défis et considérations

Malgré ses avantages, l'ozonation n'est pas une panacée. Plusieurs défis doivent être relevés pour assurer une mise en oeuvre efficace et économique des applications des eaux pluviales :

Coûts d'immobilisations et coûts opérationnels

Les coûts d'exploitation sont dominés par l'électricité (pour la production et la compression d'ozone) et la consommation d'oxygène. La consommation d'énergie typique est de 8 à 15 kWh par kg d'ozone produit. Selon les taux locaux d'électricité, cela peut se traduire par 0,10 à 0,30 $ par m3 d'eau pluviale traitée, plus élevée que le traitement classique, mais souvent concurrentielle par rapport à d'autres procédés d'oxydation avancés lorsqu'on prend en compte les coûts d'élimination.

Formation de sous-produits

L'ozone peut réagir avec des ions bromure (Br-) naturellement présents dans certains eaux pluviales pour former du bromate (BrO3-), un cancérogène potentiel humain régulé à de faibles niveaux (10 μg/L comme ligne directrice provisoire dans l'eau potable). Bien que les eaux pluviales présentent généralement des niveaux de bromure inférieurs à ceux de l'eau de mer ou de certaines eaux usées, certains ruissellements urbains côtiers provenant des zones d'application de sels de dégivrage peuvent avoir un taux élevé de bromure.

Variabilité de la qualité et du débit des eaux pluviales

Les systèmes d'ozone conçus pour des conditions moyennes peuvent être sous-alimentés lors d'événements de première coulée lorsque les concentrations de contaminants sont les plus élevées. Inversement, les systèmes surdimensionnés gaspillent l'énergie pendant les périodes de faible débit. Pour faire face, les concepteurs intègrent souvent des bassins d'égalisation des débits en amont de l'unité d'ozonisation, permettant un flux plus constant.

Entretien et compétences de l'opérateur

L'équipement d'ozonisation nécessite du personnel qualifié pour le fonctionnement, l'étalonnage et le dépannage. La sécurité est primordiale parce que l'ozone est un gaz toxique (valeur limite de seuil de 0,1 ppm pour une exposition continue).Les détecteurs de fuites, la ventilation et l'équipement de protection individuelle sont obligatoires. La nature corrosive de l'ozone exige des matériaux résistant à l'oxydation (p. ex., acier inoxydable, PTFE, PVDF) pour toutes les pièces mouillées.

Études de cas et applications

Malgré les défis, plusieurs projets d'ozonisation des eaux pluviales ont démontré leur viabilité technique et économique.

Ville de Los Angeles, Californie – Détournement de l'eau de la centrale de récupération d'hyperion

Dans le cadre d'un effort plus important visant à améliorer la qualité de l'eau côtière, la Ville de Los Angeles a construit un système de dérivation des eaux pluviales qui envoie le ruissellement sec et le premier ruissellement à l'usine de récupération d'eau d'Hyperion pour le traitement. L'ozonation est utilisée comme étape primaire de désinfection et d'oxydation avant que l'eau ne subit la filtration de membrane et le traitement ultraviolet pour une réutilisation non potable.

Orange County Water District, Californie – Recharge des eaux souterraines

Le système de renouvellement des eaux souterraines (SRG) traite les eaux usées et les eaux pluviales pour leur injection dans les aquifères côtiers.Le système de traitement avancé comprend la microfiltration, l'osmose inverse et un processus d'oxydation avancé qui combine l'ozone et le peroxyde d'hydrogène (peroxone). Stormwater a constitué une petite partie de l'influent, mais les expansions récentes ont augmenté la capture des eaux pluviales. L'ozonisation réduit de plus de 90 % les composés organiques traces, y compris les produits pharmaceutiques et les produits de soins personnels, et garantit que l'eau traitée respecte les normes strictes de réutilisation des eaux usées du titre 22 de la Californie.

Manifestations européennes en matière de recherche

En Europe, plusieurs projets de recherche menés dans le cadre de la directive-cadre de l'UE sur l'eau ont examiné l'ozonation pour le traitement des eaux pluviales à l'échelle pilote, par exemple un système installé dans un bassin de rétention des eaux de ruissellement sur route au Danemark, qui a été testé par ozonation combinée à un filtre à sable pour polir. Les résultats ont montré que 80 à 95 % du carbone organique dissous a été éliminé et que l'activité estrogène a été éliminée presque complètement.

Traitement industriel des eaux pluviales – Produits forestiers de la rivière Copper (Canada)

Une installation de traitement du bois en Colombie-Britannique a utilisé l'ozonation dans le cadre d'un système de traitement des eaux pluviales pour gérer les eaux de ruissellement contaminées par le pentachlorophénol, le cuivre et l'arsenic. L'ozone a été précédé par un ajustement du pH et une filtration pour éliminer les solides et les métaux en vrac. L'ozonation a permis d'éliminer >99 % du pentachlorophénol et de réduire la toxicité aiguë en deçà des seuils réglementaires.

Intégration de l'ozonation dans les trains de traitement des eaux pluviales

L'ozonisation est plus efficace lorsqu'elle est intégrée dans un train de traitement à barrières multiples plutôt qu'elle n'est utilisée comme un processus autonome.

  1. Désorption des solides de gross[ – Ecrans, séparateurs hydrodynamiques ou bassins de sédimentation pour enlever les déchets, le grain et les grands solides colonisables.
  2. Traitement primaire[ – Filtration de sable ou milieux humides construits pour éliminer les solides en suspension et les polluants associés.Dans certains plans, la biofiltration (par exemple, le carbone biologiquement actif) est placée avant l'ozonation pour réduire la charge de matières organiques naturelles.
  3. Ozonation – Comme décrit ci-dessus, avec une gestion contrôlée de la dose, du contact et du gaz d'échappement.
  4. Traitement post-ozonation[ – Aération ou biofiltration pour éliminer tout sous-produit résiduel, extinction de l'ozone résiduel et polir les composés biodégradables formés pendant l'oxydation. Une deuxième étape de désinfection (p. ex. UV) peut être ajoutée si la réutilisation nécessite une réduction plus élevée des agents pathogènes.

Cette approche intégrée permet de s'assurer que chaque étape cible des contaminants particuliers et que le système global est robuste pour les variations de débit et de qualité. L'étape d'ozonation peut être conçue pour un fonctionnement constant ou intermittent; de nombreuses installations utilisent un algorithme de dosage en débit qui précalcule la demande d'ozone en fonction des mesures du débit en temps réel et de la turbidité.

Orientations futures et innovations

L'ozonation des eaux pluviales évolue rapidement. Les principales tendances et innovations sont les suivantes :

  • Technologie améliorée de production d'ozone[ – Les générateurs d'ozone électrolytiques, qui produisent de l'ozone directement de l'eau, apparaissent comme une solution de rechange compacte aux unités de rejet de corona, surtout pour les petites installations d'eaux pluviales.
  • Contrôle avancé des processus[ – Des algorithmes d'apprentissage automatique sont formés sur des données historiques sur la qualité de l'eau pour prédire la dose optimale d'ozone en temps réel, réduire les déchets énergétiques et minimiser la formation de sous-produits.
  • Les procédés hybrides[ – La combinaison de l'ozonation avec la catalyse (p. ex., ozone/carbone activé, ozone/oxydes de métaux) ou avec la filtration membranaire (la nanofiltration améliorée par l'ozone) sont étudiés pour réduire la consommation d'énergie et prolonger la durée de vie de la membrane.
  • Les facteurs réglementaires – À mesure que les normes de qualité de l'eau se resserrent pour les polluants qui se font jour (p. ex., le SPAF, les perturbateurs endocriniens), l'ozonation peut devenir un traitement nécessaire pour certains rejets d'eaux pluviales, en particulier ceux qui affectent les réserves d'eau potable ou les écosystèmes sensibles.
  • Systèmes décentralisés et passifs[ – On s'intéresse de plus en plus à la mise au point de systèmes d'ozonation passive à faible énergie utilisant des sources naturelles d'ozone (p. ex., lumière ultraviolette et oxygène de l'atmosphère) pour les applications hors réseau ou dans les eaux pluviales à petite échelle.

Conclusion

L'ozonation s'est imposée comme un outil de haute performance pour le traitement des eaux pluviales contaminées, capable de détruire une large gamme de polluants organiques, d'agents pathogènes et de substances esthétiques qui nuisent à l'environnement. Ses taux de réaction rapide, son manque de production de boues et sa compatibilité avec le traitement biologique en aval le rendent particulièrement adapté aux systèmes urbains d'eaux pluviales visant à satisfaire des critères de rejet rigoureux ou à permettre la réutilisation de l'eau.

L'ozone, surtout lorsqu'il est intégré à des processus complémentaires, offre une réponse solide à ce besoin, de plus en plus viable sur le plan économique et fiable sur le plan opérationnel. Les gestionnaires des ressources en eau et les planificateurs municipaux devraient continuer à évaluer l'ozonisation en fonction des conditions locales, des exigences réglementaires et des objectifs de traitement.