La menace croissante de la prolifération cyanobactérienne

L'eutrophisation des eaux de surface, des eaux usées et du réchauffement crée des conditions idéales pour la croissance des cyanobactéries explosives, qui non seulement appauvrissent l'oxygène dissous et bloquent la lumière du soleil, mais aussi une série de toxines puissantes : microcystines, nodularines, anatoxines, saxitoxines et cylindrospermopsines. Les microcystines, en particulier, sont des hépatotoxines qui peuvent causer des dommages hépatiques aigus et sont soupçonnées de cancérogènes. Dans l'eau potable, même des concentrations de traces de ces toxines entraînent des arrêts coûteux et posent des risques directs pour la santé publique.

Qu'est-ce que l'ozone? Un aperçu moléculaire

L'ozone (O3) est un allotrope d'oxygène caractérisé par une odeur nette caractéristique. Il se forme lorsque l'oxygène diatomique (O2) est divisé par une source d'énergie, typiquement ultraviolette ou par une décharge électrique de corona à haute tension, et que les atomes d'oxygène libres se combinent avec des molécules intactes d'O[2.

Dans la nature, l'ozone se forme en permanence dans la stratosphère par rayonnement solaire UV. Au niveau du sol, il est généré intentionnellement pour la purification de l'eau à l'aide de générateurs de fuite de corona alimentés en air sec ou en oxygène pur, ou de générateurs d'ozone à base d'UV. La concentration d'ozone fournie à l'eau est habituellement mesurée en milligrammes par litre (mg/L) d'ozone dissous, et la dose appliquée est soigneusement contrôlée en fonction de paramètres de qualité de l'eau tels que le pH, la température, la turbidité et la teneur en carbone organique.

Mécanismes d'action contre l'ozone contre les cyanobactéries et les toxines alcalines

Lysie cellulaire et disruption de la membrane

L'ozone, qui se forme en ozonides qui se décomposent en aldéhydes et en acides carboxyliques, compromet l'intégrité de la membrane. Ce processus, appelé lyse cellulaire, provoque la libération immédiate de contenu intracellulaire, y compris la charge utile de toxines, dans l'eau environnante. Cependant, comme l'ozone reste présent dans l'eau, il peut immédiatement oxyder les toxines libérées avant qu'elles ne s'accumulent.

Oxydation directe des toxines alcalines

Les toxines alcalines sont structurales diversifiées. Les microcystines, les plus fréquemment détectées, sont des heptapeptides cycliques contenant l'acide aminé rare Adda, qui est essentiel à la toxicité. L'ozone attaque la chaîne latérale d'Adda à ses doubles liaisons dionées, brisant la structure du cycle et rendant la toxine non toxique. De même, l'anatoxine neurotoxique (une amine secondaire) et la saxitoxine alcaloïde sont rapidement oxydées par l'ozone sur leurs sites actifs. Des études ont montré que l'ozone peut atteindre >99% de réduction des microcystines en quelques secondes aux doses appliquées typiques (0,5–2.0 mg O3/mg carbone organique dissous). Les taux de réaction dépendent du pH; l'ozone reste plus stable et réactif à pH légèrement acide, tandis qu'à pH alcalin il se décompose en radicaux hydroxyles encore plus réactifs mais moins sélectifs.

Oxydation de la matière organique extracellulaire

Les cyanobactéries libèrent également des quantités importantes de matière organique extracellulaire (EOM) – polysaccharides, protéines et substances semblables à l'humique – qui contribuent à la formation de sous-produits du goût, de l'odeur et de la désinfection. L'ozone décompose efficacement ces macromolécules, réduisant ainsi la charge organique qui autrement consommerait des coagulants ou du carbone actif.

Avantages du traitement de l'ozone pour la gestion des cyanobactéries

Efficacité des grands spectres

Contrairement à certains algocides chimiques qui ciblent uniquement des genres spécifiques, l'ozone est efficace contre toutes les espèces de cyanobactéries testées à ce jour, y compris Microcystis, Anabaena, Cylindrospermopsis, Aphanizomenon et Planktothrix. Il oxyde également toutes les classes principales de cyanotoxine, y compris celles qui résistent au chlore (p. ex., la saxitoxine).

Réaction rapide Kinétique

La demi-vie de l'ozone dans l'eau propre est généralement de 10 à 30 minutes, mais sa réaction avec les cyanobactéries et les toxines dissoutes se produit en quelques secondes à quelques minutes. Cette vitesse permet d'appliquer le traitement à la volée dans les systèmes à débit, comme à l'arrivée d'une usine d'eau potable, sans nécessiter de grands bassins de contact.

Pas de résidus chimiques persistants

L'ozone se décompose en oxygène (et, en présence de matière organique naturelle, en produits finis inoffensifs comme le dioxyde de carbone et l'eau). Contrairement au chlore, il ne laisse aucun résidu de goût ou d'odeur et ne forme pas de trihalométhanes ou d'acides haloacétiques dans des conditions typiques.

Réduction de la boue et de l'utilisation de produits chimiques

Comme l'ozone lyse les cellules et oxyde la MOE, on peut souvent réduire le dosage en aval des coagulants et des floculants. Les volumes de boues provenant de la sédimentation et de la filtration sont diminués et les temps de filtration sont prolongés.

Possibilité d'application in situ

L'ozone peut être généré sur place et injecté directement dans des réservoirs, des lacs ou des réservoirs de stockage à l'aide de diffuseurs submergés ou d'injecteurs de venturis latéraux, ce qui permet un traitement par corps entier sans avoir à pomper toute l'eau à travers une usine, particulièrement attrayante pour les lacs récréatifs ou les réservoirs servant de sources d'eau brute.

Méthodes d'application et conception du système

Générateurs d'ozone à libération de Corona

La méthode industrielle la plus courante. L'oxygène ou l'air sec est transmis par un champ électrique (habituellement de 6 à 12 kV) dans une zone diélectrique. Les générateurs alimentés à l'oxygène produisent des concentrations d'ozone plus élevées (jusqu'à 12 % en poids) et sont plus économes en énergie que les unités alimentées à l'air.

Contact avec le gaz-liquide

Le transfert de masse efficace de l'ozone de la phase gazeuse vers l'eau est essentiel. Les méthodes les plus efficaces pour les eaux chargées de cyanobactéries sont les suivantes :

  • Injecteurs de Venturi[ – créer une pression négative pour attirer le gaz d'ozone dans un cours d'eau latéral sous pression, permettant d'obtenir des gains d'efficacité de transfert >90%.
  • Diffuseurs à bulles fines – immergés en profondeur dans un réservoir de contact ou un réservoir, produisant de petites bulles à haute surface.
  • Mitigeurs à turbine ou à statique – utilisés dans les systèmes à boucle fermée pour injecter de l'ozone pendant le cisaillement du gaz dans des bulles fines.

Contrôle et surveillance des processus

Une dose d'ozone trop faible pour les toxines résiduelles; trop d'énergie de gaspillage et peut produire du bromate si le bromure de fond est de >0,1 mg/L. Dans la pratique, la dose d'ozone nécessaire pour traiter les proliférations de cyanobactéries est régie par la concentration de cellules, de toxines dissoutes et de matières organiques naturelles. Les opérateurs ciblent généralement un résidu d'ozone de 0,1 à 0,4 mg/L après un temps de contact de 2 à 5 minutes, mesuré par un moniteur en ligne d'ozone dissous. Le concept CT (concentration × temps) de désinfection est adapté à l'oxydation de la toxine, avec un CT cible de 1 à 2 mg·min/L pour les microcystines.

Défis et considérations pratiques

Sécurité et manutention

La limite d'exposition admissible de l'Administration de la sécurité et de la santé au travail (OSHA) est de 0,1 ppm (0,2 mg/m3) en moyenne pondérée en 8 heures. Les installations doivent installer des unités de destruction de l'ozone sur le contacteur hors gaz, utiliser des tuyauteries étanches au gaz et fournir une surveillance continue de l'ozone avec des alarmes.

Contraintes de qualité de l'eau

Des niveaux élevés de matière organique naturelle (NOM), de solides en suspension, de nitrite ou de fer/manganèse peuvent consommer rapidement de l'ozone, augmentant la dose requise. Pour les eaux fortement polluées, le prétraitement (par exemple, microscreening ou filtration rapide du sable) est souvent nécessaire pour éliminer les particules importantes et réduire la demande d'ozone avant le contacteur principal.

Formation de Bromate

Dans le traitement de l'eau de source contenant du bromure (>0,05–0,1 mg/L), l'ozonation peut oxyder le bromure en bromate, un cancérogène potentiel pour l'homme. Ce risque peut être atténué par un contrôle rigoureux du pH (fonctionnant près de pH 6–7), par une réduction de la dose d'ozone appliquée, ou par l'ajout de peroxyde d'hydrogène ou d'ammoniac pour déplacer la voie de réaction.

Coûts d'immobilisation et d'exploitation

Les coûts d'exploitation comprennent l'électricité (=10–15 kWh/kg O3 produite pour les systèmes corona alimentés à l'oxygène) et l'alimentation en oxygène si l'on utilise de l'oxygène liquide ou une unité d'adsorption par aspiration à la pression.

Oxydation résiduelle de la toxine

Comme l'ozone réagit rapidement, il ne fournit pas de désinfectant résiduel pour les réseaux de distribution. Par conséquent, après l'ozonation, une faible dose de chlore ou de chloramine est généralement ajoutée pour maintenir la qualité de l'eau dans les tuyaux.

Études de cas et données probantes de recherche

Un exemple notable est le traitement du lac Lindø au Danemark, où un système mobile de diffuseur d'ozone a été déployé pendant une floraison Microcystis. Les concentrations de microcystine dissolvée ont été réduites de 5,2 μg/L à moins de 0,1 μg/L dans les 15 minutes suivant l'ozonation, sans aucun impact écologique négatif observé (Hansen et al., 2016. De même, dans une usine de traitement de l'eau de l'Ohio, l'ozonation a permis d'éliminer 99,8% des microcystines intracellulaires dans un train de traitement à grande échelle, en combinaison avec la floculation et la filtration du sable (Westrick et al., 2019.

Des recherches publiées dans Water Research ont démontré que des doses d'ozone de 1 à 2 mg O3 par mg de carbone organique dissous ont réduit les concentrations de microcystine‐LR par >95% en moins de 30 secondes, avec une destruction complète de la toxine confirmée par ELISA et LC‐MS/MS (von Gunten, 2018.L'Organisation mondiale de la santé (OMS) inclut maintenant l'ozonation comme traitement recommandé pour les cyanotoxines dans son Directives pour la qualité de l'eau potable ([OMS, 2017.

Orientations futures et technologies émergentes

Procédés d'oxydation avancés (PAO) basés sur l'ozone

La combinaison de l'ozone avec le peroxyde d'hydrogène (O3/H2O2) ou la lumière UV (O3/UV) génère des radicaux hydroxyles qui oxydent les toxines encore plus rapidement et sont moins sensibles aux interférences de la chimie de l'eau. Ces AOP sont de plus en plus appliquées dans les usines d'eau potable où des niveaux élevés de résilience à la toxine sont requis, comme après des percées ou lors de périodes de floraisons sévères.

Contrôle en temps réel et apprentissage automatique

Les chercheurs mettent au point des capteurs de toxines en ligne et des modèles prédictifs qui ajusteront automatiquement la dose d'ozone en fonction de la chlorophylle-fluorescence (un substitut de la densité cellulaire) et des valeurs de carbone organique dissous.

Intégration avec d'autres étapes du traitement

La préozonation avant la coagulation peut améliorer la formation de flocs et réduire la demande de coagulants. La filtration après l'ozonation, suivie de la filtration biologique du charbon actif (BAC), permet aux microorganismes du BAC de dégrader tout autre sous-produit biodégradable et les toxines résiduelles, ce qui permet une protection multibarrier.

Conclusion

L'ozone se distingue par son efficacité exceptionnelle et son homogénéité environnementale pour gérer les proliférations de cyanobactéries et leurs toxines associées. Sa capacité à lyser simultanément les cellules et à oxyder une large gamme de toxines – avec une cinétique rapide et sans résidus chimiques persistants – en fait une option attrayante pour les services publics d'eau, les gestionnaires de lacs et les installations industrielles qui dépendent des eaux de surface. Bien que les défis comme la sécurité, la formation de bromates et les coûts d'investissement doivent être relevés grâce à une conception et à un fonctionnement rigoureux des systèmes, ces obstacles sont bien compris et peuvent être gérés par des pratiques techniques d'ingénierie normalisées.