Les pluies abondantes sont de plus en plus intenses et fréquentes dans le monde entier, sous l'effet d'un climat changeant. Lorsque ces tempêtes frappent, les conséquences immédiates pour la qualité de l'eau peuvent être graves. Le ruissellement balaye les engrais, les pesticides, les déchets animaux et les produits chimiques des routes dans les rivières, les lacs et les réservoirs. Les systèmes d'égouts combinés débordent, déchargent les eaux usées non traitées directement dans les cours d'eau. Les sédiments se chargent de sauter en flèche, transforment les cours d'eau en eaux turbides et étouffent les habitats aquatiques.

L'impact des fortes chutes de pluie sur la qualité de l'eau : un regard plus étroit

Pour comprendre pourquoi l'ozone est si efficace, nous devons d'abord examiner la façon dont les fortes pluies dégradent l'eau. Les effets sont multicouches et peuvent persister pendant des jours, voire des semaines, après la chute de la tempête.

Pollution et ruissellement des sources non ponctuelles

La plupart des problèmes de qualité de l'eau après de fortes pluies proviennent de la pollution par les sources diffuses.

  • Nutrifiants: L'azote et le phosphore des engrais stimulent les proliférations d'algues, qui peuvent produire des toxines et épuiser l'oxygène lorsqu'elles meurent et se décomposent. Les proliférations d'algues nuisibles (BAH) constituent une menace croissante pour les réserves d'eau potable.
  • Pathogènes: Bactéries, virus et protozoaires provenant du fumier d'animaux, des déchets d'animaux domestiques et des fosses septiques défaillantes pénètrent dans les plans d'eau, provoquant des éclosions de maladies comme la cryptosporidiose et la gastroentérite.
  • Métaux lourds et hydrocarbures:[ Le ruissellement urbain transporte du zinc, du cuivre, de l'huile et de la graisse des routes et des stationnements. Ces toxines s'accumulent dans les sédiments et la vie aquatique.
  • Pesticides et herbicides: Le ruissellement agricole contient souvent des produits chimiques qui peuvent perturber les systèmes endocriniens chez la faune et l'homme.

Dépassements d'égouts combinés (OSC)

Dans de nombreuses villes plus anciennes, les eaux pluviales et les eaux usées traversent les mêmes conduites. Pendant les fortes pluies, le volume dépasse la capacité de traitement, et le système est conçu pour rejeter l'excès — un mélange d'eaux pluviales et d'eaux usées non traitées — directement dans les voies navigables avoisinantes.

Augmentation de la turbidité et des sédiments

Les particules en suspension (turbidité) bloquent la lumière du soleil, endommageant les plantes aquatiques et les organismes qui en dépendent. L'eau en turbidité interfère également avec les processus de désinfection dans les usines de traitement, car les particules abritent les microbes du chlore ou de la lumière UV.

Chocs de température et oxygène dissous

De fortes pluies peuvent rapidement refroidir un plan d'eau, stressant les poissons et les invertébrés. Plus critique, l'afflux de matière organique (feuilles, sol, eaux usées) alimente la décomposition bactérienne, qui consomme l'oxygène dissous.

Ces problèmes interdépendants exigent une technologie de traitement qui peut fonctionner rapidement dans plusieurs classes de polluants tout en étant suffisamment évolutive pour gérer les débits de surtension. L'ozone correspond à ce profil exceptionnellement bien.

Chimie de l'ozone et ses mécanismes de purification de l'eau

L'ozone (O3) est une molécule triatomique, trois atomes d'oxygène liés en configuration pliée. Cette structure en fait un oxydant extrêmement fort, après seulement le fluor parmi les éléments couramment utilisés dans le traitement de l'eau. Lorsque l'ozone se dissout dans l'eau, il se décompose rapidement en oxygène moléculaire et en radicaux réactifs, principalement le radical hydroxyle (•OH).

Désinfection

Contrairement au chlore, qui nécessite des temps de contact plus longs et laisse des sous-produits de désinfection (PDB), l'ozone agit en quelques secondes. Les recherches montrent qu'une dose d'ozone correctement appliquée peut atteindre 99,99 % d'inactivation des bactéries et des virus dans les 5 à 10 minutes, et qu'elle est très efficace contre les agents pathogènes résistants au chlore tels que Giardia et Cryptosporidium. L'Organisation mondiale de la santé reconnaît l'ozone comme une méthode fiable pour produire de l'eau potable microbiologiquement sûre.

Combustibles organiques organiques

De nombreux produits chimiques organiques, pesticides, produits pharmaceutiques, composés de goût et d'odeur, et matières organiques naturelles, résistent aux coagulants et filtres traditionnels. L'ozone brise les doubles liaisons carbone-carbone et les anneaux aromatiques, transformant de grandes molécules en fragments plus petits et biodégradables. Ce processus non seulement élimine le polluant cible mais améliore également l'efficacité des filtres biologiques en aval.

Réduction de la turbidité et de la couleur

La turbidité des eaux pluviales est causée par les fines particules d'argile, le limon et les débris organiques. Bien que l'ozone ne dépose pas directement les solides, il oxyde les revêtements organiques sur les particules en suspension, en réduisant leur charge et en leur permettant de s'agréger.

Déménagement du fer et du manganèse

Ces contaminants métalliques sont communs dans les eaux souterraines et peuvent être libérés par érosion pendant les fortes pluies. L'ozone oxyde le fer ferreux dissous (Fe2+) et le manganèse (Mn2+) à leurs formes insolubles, qui sont ensuite éliminées par filtration.

Systèmes de traitement de l ' ozone: mise en œuvre et intégration

La mise en place d'ozone pour les événements liés à la qualité de l'eau par tempête nécessite une conception prudente du système. L'ozone est produit sur place en passant par un rejet électrique à haute tension par l'air sec ou l'oxygène pur.

Composantes clés d'un système d'ozone

  • Préparation des gaz d'alimentation:[ L'air ou l'oxygène doivent être séchés et nettoyés. Les systèmes alimentés à l'oxygène produisent des concentrations d'ozone plus élevées, mais nécessitent un équipement d'adsorption cryogénique ou à l'aide d'un système d'oscillation.
  • Les unités de décharge de la barrière diélectrique ou de la corona sont les plus courantes.
  • Les diffuseurs de bulles fins dans des réservoirs profonds ou des injecteurs de venturis latéraux maximisent le transfert de masse. L'efficacité de transfert de 90 à 95 % est réalisable.
  • Déstruction hors gaz:[ L'ozone non réagi est passé par un destructeur thermique ou catalytique avant de se vider, car l'ozone est toxique pour respirer.
  • Les capteurs en temps réel mesurent la concentration en ozone dissous, le potentiel de réduction de l'oxydation (ORP) et l'ozone résiduel.

Intégration aux processus de traitement existants

L'ozone est rarement une solution autonome. Il est plus efficace lorsqu'il est intégré dans un train de traitement à barrières multiples. Une configuration typique pour une usine qui traite des ondes d'eaux pluviales peut être:

  1. Pré-sélection et enlèvement des particules pour éliminer les grands débris et les sédiments.
  2. Injection d'ozone pour la désinfection primaire et l'oxydation des composés organiques et des métaux.
  3. Coagulation/floculation et filtration rapide du sable pour éliminer les particules floculées.
  4. C02, C02, C02, C02, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C01, C
  5. Désinfection secondaire (chlore ou chloramine) pour maintenir un résidu dans le réseau de distribution.

Cette disposition permet à la plante de gérer efficacement les charges de pic en utilisant l'ozone comme traitement de première ligne rapide, puis en s'appuyant sur des processus physiques et biologiques pour le polissage final.

Avantages comparatifs par rapport aux méthodes classiques

Les services publics d'eau qui subissent de fortes précipitations dépendent souvent de doses accrues de chlore, de lumière UV ou de coagulation accrue.

Ozone contre chlore

  • Speed: La désinfection à l'ozone est 3 000 fois plus rapide que le chlore, ce qui est essentiel lorsque les débits élevés exigent de courtes périodes de contact.
  • Aucune DBP nocive: Le chlore réagit avec la matière organique pour former des trihalométhanes (THM) et des acides haloacétiques (AHA), qui sont des agents cancérogènes réglementés. L'ozone réduit la formation de DBP; si le chlore résiduel est ajouté plus tard, le prétraitement de l'ozone élimine les précurseurs de DBP.
  • Spectre large: L'ozone est efficace contre un plus grand nombre d'agents pathogènes, y compris les virus et les protozoaires qui résistent au chlore.

Ozone contre UV

  • Capacité d'oxydation:[ La lumière UV désinfecte mais n'oxyde pas les polluants chimiques. L'ozone désinfecte et dégrade simultanément les composés gustatifs/odorants, les pesticides et les micropolluants.
  • Tolérance à la turbidité: Les systèmes UV perdent de leur efficacité à mesure que l'eau devient turbidité. L'ozone fonctionne bien dans une turbidité modérée à élevée, car son pouvoir d'oxydation est moins affecté par les particules.
  • Aucune encrassement: Les lampes UV nécessitent un nettoyage régulier pour empêcher la biosalissure; les systèmes d'ozone ont moins de pièces mécaniques en contact avec l'eau.

Ozone c. Coagulation améliorée

La coagulation améliorée élimine le carbone organique dissous en le convertissant en particules. Cependant, elle nécessite un ajustement précis du pH et produit de grands volumes de boues chimiques. L'ozone peut obtenir un retrait organique similaire ou supérieur avec moins de boues, et il ne consomme pas d'alcalinité.

Études de cas et applications du monde réel

Le traitement de l'ozone a été déployé dans le monde entier pour contrer la détérioration de la qualité de l'eau liée aux tempêtes.

Tampa Bay Regional Water Approvisionnement, Floride

Les orages d'été en Floride surchargent régulièrement la rivière Hillsborough de tanins, de limon et d'algues.L'usine de traitement de Tampa Bay, l'une des plus grandes usines d'ozone aux États-Unis, utilise des doses allant jusqu'à 5 mg/L d'ozone, puis de filtration biologique.Ce système produit de façon fiable de l'eau potable répondant à toutes les normes même après les ouragans.

Réapprovisionnement en eau souterraine de Los Angeles, Californie

Pendant les précipitations records de 2023, le Département de l'eau et de l'énergie de Los Angeles a utilisé une unité mobile d'injection d'ozone pour traiter les eaux pluviales capturées dans les bassins de propagation. Le prétraitement de l'ozone oxydé les hydrocarbures pétroliers et les pesticides provenant du ruissellement urbain, permettant à l'eau de se percoler en toute sécurité dans l'aquifère.

Traitement combiné des débordements d'égouts, Canada

À Hamilton, en Ontario, un projet pilote a testé le traitement de l'ozone pour les rejets d'OCS en période de forte pluie. Le système a traité l'eau des OSC à des taux de 10 000 gallons par minute, ce qui a permis de les désinfecter (< 200 CFU/100mL fecal coliform) and a 70% reduction in biochemical oxygen demand (BOD) within minutes. The treated effluent was then discharged into Lake Ontario. The results, documented in a ] Le rapport du gouvernement du Canada indique que l'ozone peut transformer les OSC en rejets gérables à partir d'un danger pour la santé publique.

Difficultés et considérations liées à la mise en œuvre de la Convention sur l ' ozone

Malgré ses nombreux avantages, l'ozone n'est pas une balle d'argent. Les services publics qui envisagent l'ozone doivent peser plusieurs facteurs techniques et économiques.

Consommation et coût de l'énergie

La production d'ozone est à forte intensité énergétique. La production sur place consomme 10 à 20 kWh par livre d'ozone produite, selon la préparation des gaz d'alimentation. Pour une grande usine traitant une vague de tempête, cela peut ajouter des dépenses opérationnelles importantes. Cependant, les analyses du coût du cycle de vie montrent souvent que les économies réalisées grâce à la réduction des achats de produits chimiques, à l'élimination des boues et à une meilleure conformité réglementaire compensent le coût de l'électricité.

Protocoles de sécurité

L'ozone est un puissant oxydant et peut être nocif s'il est inhalé. Les usines de traitement doivent installer des moniteurs d'ozone, des systèmes de ventilation et des procédures d'arrêt d'urgence.

Formation de Bromate

Dans les eaux contenant des ions bromure (communes près des zones côtières), l'ozone peut oxyder le bromure en bromate, un cancérogène humain présumé. Les concentrations supérieures à 10 μg/L sont réglementées par l'EPA et l'OMS. Les services publics doivent contrôler soigneusement la dose et le pH, ou ajouter de l'ammoniac ou du peroxyde d'hydrogène pour supprimer la formation de bromate.

Résidus de courte durée

L'ozone se décompose en quelques minutes, ne laissant aucun résidu de désinfectant dans le système de distribution. Par conséquent, un désinfectant secondaire (chlorine ou chloramine) doit être ajouté avant que l'eau ne quitte la plante.

Orientations futures : Ozone et adaptation au climat

Le changement climatique intensifie le cycle hydrologique, et la fréquence des précipitations extrêmes devrait augmenter dans de nombreuses régions. L'infrastructure de l'eau conçue pour les modèles météorologiques historiques n'est plus adéquate. Le traitement de l'ozone est en passe de jouer un rôle central dans les stratégies d'adaptation au climat pour les services d'eau.

Unités mobiles et modulaires d'ozone

Des générateurs portatifs d'ozone sont en cours de mise au point pour les interventions d'urgence, qui peuvent être rapidement déployés dans des usines de traitement, des installations de stockage d'eau ou même directement dans les voies navigables touchées pour fournir un traitement à la demande lors d'inondations.

Intégration avec la surveillance en temps réel de la qualité de l'eau

L'Internet des objets (IoT) et les données satellitaires permettent maintenant aux services publics de prévoir les changements de qualité de l'eau provoqués par les tempêtes des heures à l'avance.

Procédés d'oxydation avancés (PAO)

La combinaison de l'ozone avec le peroxyde d'hydrogène (perozone) ou la lumière UV crée des processus d'oxydation avancés qui génèrent encore plus de radicaux hydroxyles. Ces AOP peuvent détruire des micropolluants persistants comme le PFAS (par- et polyfluoroalkyles) et des produits pharmaceutiques souvent mobilisés par de fortes précipitations.

Conclusion

Les polluants qu'elle transporte, des agents pathogènes aux éléments nutritifs aux produits chimiques et aux sédiments industriels, exigent une technologie de traitement rapide, efficace et écologiquement rationnelle. L'ozone répond à ces critères. Sa chimie oxydante puissante désinfecte rapidement, décompose un large éventail de contaminants et améliore la qualité physique de l'eau sans laisser de sous-produits nocifs. Lorsqu'ils sont intégrés dans un train de traitement bien conçu, les systèmes d'ozone peuvent gérer les charges de surtension et la détérioration de la qualité qui accompagnent les conditions météorologiques extrêmes.Les défis de l'utilisation de l'énergie, de la sécurité et de la maîtrise du bromate sont réels mais solubles, avec des solutions matures déjà déployées dans des centaines d'installations à l'échelle mondiale.