L'action biocide de l’ozone sur les cellules vivantes est à la base de ses propriétés désinfectantes remarquables, lesquelles sont utilisées dans le traitement de l’eau, de l’air et des produits alimentaires.
Alors que la couche d'ozone stratosphérique, qui protège toute vie sur le globe par son effet dosé et biocide, existe depuis des milliards d'années, la production d’ozone par les activités humaines est un phénomène récent. C'est ainsi que les oxydes d’azote, formés par la combustion des matières fossiles, se transforment en ozone sous l'influence des rayons solaires, atteignant par endroits une concentration nuisible à la santé se situant largement au-dessus de la valeur MAK. En comparaison, les techniques industrielles de production d'ozone utilisent ce gaz en quantités limitées dans des installations modernes, correctement exploitées et bien entretenues, qui ne présentent pas de danger pour l'environnement, bien au contraire, puisque son action contrôlée permet notamment d’accélérer les processus naturels de décomposition.
Les générateurs actuels diffèrent entre eux par leurs caractéristiques, en raison de leur utilisation, de leur production de gaz et de l'emploi qui en est fait. On peut distinguer parmi ces caractéristiques :
— sécurité de l'emploi,
— qualité et contrôle de qualité (directives, standards, codes),
— rendement énergétique, pertes de chaleur,
— concentration de l’ozone,
— pureté de l’ozone (par exemple, pollution avec NOx),
— facteur de production (cos phi), puissance réactive,
— coût des investissements,
— charge du réseau, pollution par des courants à haute fréquence,
— facilités de service et d'entretien.
La capacité de production est le facteur qui influe le plus sur la technologie du générateur : une installation produisant 10 g/h ne peut déjà plus être comparée avec celle qui atteint 1 000 g/h ; dans le premier cas, on utilise une technique conventionnelle à 50 Hz avec commandes mécaniques et circuits à relais ; dans l’autre cas, on a recours à la moyenne fréquence et à des circuits programmables. De même, les productions inférieures de 1 à 2 g/h n‘ont pratiquement rien de commun avec la première.
La capacité de l'unité de production ne permet pas à elle seule de choisir la technique optimale à adopter ; il faut également tenir compte de l’utilisation prévue pour l’ozone, qui constitue un facteur décisif. Si un générateur destiné à une piscine privée peut être arrêté pendant quelques jours sans grandes conséquences, un arrêt du générateur peut entraîner des répercussions graves, notamment dans les applications suivantes :
— eau d’appoint des circuits de refroidissement ouverts,
— piscines publiques,
— traitement d'eaux usées,
— production d'eau ultrapure,
— traitement d'eau potable.
Tous ces générateurs doivent respecter les normes de sécurité ; toutefois, un grand choix existe dans la qualité de leurs composants, à moins qu'il ne s’agisse d’exécution industrielle ou « do-it-yourself ».
Compte tenu des diverses conditions à respecter pour réaliser une exécution optimale, il existe un nombre important de générateurs d’ozone différents, et seuls quelques-uns se prêtent à une application donnée.
dans la technique que dans l’exécution, voire dans le prix, est l’une des raisons pour lesquelles beaucoup de fabricants se trouvent en compétition.
Les générateurs d’ozone en progrès continu
Le progrès intervenant dans un domaine donné peut se répercuter dans d’autres secteurs ; une des particularités du progrès est d’avancer par étapes. Les améliorations isolées sont rarement spectaculaires et le monde extérieur s’en aperçoit peu, sauf lorsqu’une « découverte » intervient alors que les conditions initiales se sont imperceptiblement modifiées avec le temps.
D’autre part, la grande capacité de réaction de l’ozone et la haute tension nécessaire pour sa production sollicitent tous les matériaux entrant dans la construction des générateurs. Les installations compactes d’une grande productivité, sans effet de réaction sur le réseau électrique, exigent des circuits électroniques et productifs qui utilisent les dernières nouveautés techniques.
Que doit-on attendre d’un générateur d’ozone moderne ?
Pour répondre au service qu’on en attend, un générateur d’ozone doit répondre à certaines caractéristiques de fiabilité et de productivité (figure 1).
[Photo : Fig. 1 : Générateur d’ozone moderne (capacité 300 g O3/h à la concentration de 30 g O3/m³ d’air).]
Sécurité d’exploitation
L’utilisation de matériaux de haute qualité et de composants éprouvés conçus pour une production permanente sont des critères importants pour obtenir une sécurité maximale dans l’exploitation d’un générateur d’ozone.
Rendement
Le rendement peut être augmenté en réalisant une pression optimale d’air dans une lame très mince, avec un diélectrique à parois fines, l’utilisation d’air très sec ayant un bas point de condensation, une alimentation en courant à très haute fréquence produite par une électronique répartissant également la charge entre les trois phases du réseau. Un dosage élevé de l’ozone présente un grand intérêt pour le rendement de l’installation : il accélère les réactions de telle façon que les volumes nécessaires au traitement sont considérablement diminués et peuvent conduire à un doublement de la production d’eau ozonée.
Frais d’exploitation
La réduction des frais d’exploitation dépend de plusieurs facteurs : sécurité de l’installation, rendement élevé, faible consommation d’eau de refroidissement, la construction modulaire des circuits électroniques de commande des unités de production, de leur compacité ainsi que de la réduction des opérations de maintenance.
Flexibilité
La production d’ozone en général doit s’adapter à des besoins variant très rapidement dans le temps ; cette flexibilité peut être obtenue économiquement par l’emploi de générateurs d’ozone utilisés indifféremment à haute ou basse pression, de manière à alimenter directement les conduites sous pression ou les colonnes de contact. La construction modulaire de l’électronique et des unités de production permet de s’adapter facilement à cette nécessité.
Un générateur d’ozone n’est pas une installation d’ozone
Avant le traitement à l’ozone des substances dissoutes dans l’eau, celle-ci doit subir une préozonation, opération qui consiste à mettre en contact l’ozone et l’eau. Plus ce contact est complet, meilleur est le rendement et plus faible est la perte d’ozone. Le succès de l’ozonation est lié à la température et à la pression : à la température de 35 °C, par exemple, on ne dissout que la moitié du gaz par rapport à 15 °C, mais on rétablit le même rendement en doublant la pression.
En pratique, la mise en contact de l’ozone avec les matières oxydables peut être accélérée en produisant de grandes turbulences à l’aide d’injecteurs, de pompes ou de turbines, notamment par l’Hélimix, mélangeur qui a pour effet d’augmenter le parcours des particules d’eau dans la conduite où il est placé (figure 2). Cet appareil diffère essentiellement des mélangeurs statiques dont l’effet principal est l’obtention d’un mélange homogène par remaniement des volumes d’eau, son but étant d’augmenter la turbulence de l’eau. Il assure simultanément la séparation des microorganismes agglomérés en les rendant plus vulnérables aux agents de désinfection.
[Photo : Fig. 2 : Mélangeur Hélimix.]
L’ozone, un produit naturel aux effets multiples
Grâce à sa grande capacité de réaction, l’ozone entre en combinaison avec presque toutes les substances organiques, vivantes ou inertes ; par contre, il ne réagit pas à la plupart des substances inorganiques ; le béton, le verre, l’acier inoxydable et l’aluminium se prêtent donc à l’emploi comme matériaux pour les générateurs et les installations d’ozone ; le choix de matériaux d’étanchéité appropriés est plus restreint.
Dans la pratique, deux effets essentiels de l’ozone sont utilisés dans le traitement des eaux : d’une part, ses propriétés désinfectantes, et d’autre part, son action sur les matières organiques.
Désinfection
L’action des agents désinfectants oxydants est généralement proportionnelle au produit de leur concentration par le temps de contact. Pour une même valeur de ce produit, on constate que l’ozone montre une plus grande efficacité dans l’inactivation des bactéries, des virus, des spores, des amibes et des kystes que le chlore ou le bioxyde de chlore (2).
Action sur les matières organiques
L’accroissement de la pollution justifie le rôle toujours plus grand pris par l’ozone dans le traitement des eaux, lesquelles contiennent de plus en plus de substances organiques synthétiques et de résidus de combustibles. Leur analyse révèle chaque jour de nouvelles substances polluantes, situation devant laquelle l’humanité réagit avec une sensibilité grandissante. Une grande partie des substances organiques contenues dans l’eau réagit aux désinfectants oxydants. On constate ainsi que, contrairement au chlore, l’ozone présente l’avantage de ne pas former d’haloformes avec les substances humiques et de ne pas transformer les phénols en chlorophénols (à forte odeur désagréable).
[Photo : Installation de désodorisation de l'air dans une station d’épuration.]
Les réactions de l’ozone en matière de désinfection sont bien connues maintenant, en particulier grâce aux travaux du professeur Hoigné et de ses collaborateurs de l’EAWAG (3, 4) qui ont conduit à l’établissement de catalogues de données indiquant les temps de réaction de l’ozone dans l’eau face à des pollutions spécifiques, et les paramètres pouvant accélérer son action. Le sujet n’est toutefois pas épuisé. Le concepteur d’une unité de traitement doit prendre en considération les résultats de ces travaux, compte tenu des caractéristiques de l’eau à traiter et des buts à atteindre, en s’entourant des conseils de spécialistes capables, d’une part, de construire des générateurs d’ozone efficaces et, d’autre part, de maîtriser les secteurs de l’ozone, de la chimie de l’eau et des procédés de traitement physico-chimiques et biologiques.
BIBLIOGRAPHIE
(1) Tiziano Pelli, Schweizer Ingenieur und Architekt 42/86, 1046.
(2) « Aspects of the quantitative assessment of germicidal efficiency » dans : « Disinfection water and waste water », J. D. Johnson, éditeur, Ann Arbour S.C. (1977).
(3) Hoigné, J. « Organic micropollutants and treatment processes: Kinetics and final effects of ozone and chlorine dioxide ». The Science of Total Environment 47 (1985), 169-185.
(4) Hoigné, J. and Bader, H. « Rate constants of reactions of ozone with organic and inorganic compounds ». Water Research 17 (1983), 173-183 ; 185-194 ; 19 (1985) 993-1004.
[Publicité : L’EAU, L’INDUSTRIE, LES NUISANCES]
