Exploitation et entretien d'une installation d'ozonation

De même, son entretien est très simplifié si, dès la phase de conception, les équipements ont été choisis pour leur robustesse et particulièrement si les matériaux retenus résistent à l’action corrosive de l’ozone.

Une unité de traitement à l’ozone constitue à elle seule une petite usine chimique, et c’est une particularité dans une filière classique de traitement de l'eau. Exploiter et entretenir un système aussi complexe peut, a priori, effrayer les exploitants. Mais, si l’unité d’ozonation est bien conçue, elle doit apparaître comme un système presse-bouton où toutes les manœuvres courantes sont automatiques : piloter une unité d’ozonation ne doit pas être plus compliqué que de mettre une pompe en service. Il faut que cette conception automatique soit envisagée dès le commencement d’un projet. C’est le rôle de l’exploitant d’imposer cet automatisme et de convaincre le chargé d’études d’en tenir compte dès l’élaboration du cahier des charges.

Le même principe doit être appliqué à l’entretien. En effet, si certains critères, en particulier le choix de matériaux métalliques et plastiques résistants à la corrosion par l’ozone, ne sont pas appliqués dès la conception de l’unité d’ozonation, l’entretien va vite devenir un véritable cauchemar. Les conséquences en seront un allongement des durées d'indisponibilité des appareils, une augmentation considérable du coût de l’entretien et finalement l'abandon de l’unité d’ozonation. Cette description pessimiste n’est pas le fruit de l’imagination de l’auteur ; le cas s'est déjà produit aux États-Unis et en Europe. Le choix des matériaux n’est pas le seul garant d’un bon entretien ; on peut également prendre comme exemple les performances des unités de dessiccation. Si la valeur-guide du point de rosée n’est pas respectée, les effets négatifs ne se traduiront pas seulement par une baisse du rendement des ozonateurs, mais aussi par une diminution de la fiabilité des tubes diélectriques, qui se traduira par une augmentation de leur fréquence d’entretien et des claquages accidentels. Ici encore c'est à l'exploitant de vérifier que la conception du système de dessiccation a été correctement effectuée de manière à réduire l’entretien.

Ce qui ressort de ces quelques exemples, c'est que, pour assurer une bonne exploitation et un bon entretien, l’exploitant doit intervenir dès la conception du système d’ozonation à l’étape des spécifications. Il est évident que les améliorations qu'il va demander devront être justifiées car elles vont augmenter légèrement le coût du projet. Mais ce supplément de coût d’investissement est faible au regard des économies qu'il garantit sur le coût d’exploitation.

L’exploitation

Conduite de l’exploitation

Un système d’ozonation comprend toujours trois unités principales : la préparation du gaz porteur (air ou oxygène), la génération d’ozone et la mise en contact du gaz ozoné avec l’eau à traiter.

La conduite d’un tel système comporte deux manœuvres essentielles, constituées par le démarrage de l'installation, ainsi que par l’ajustement du fonctionnement aux variations des débits d’eau et d’ozone.

Le traitement à l’ozone étant fondamental pour la qualité de l'eau, tout particulièrement quand il est employé pour la désinfection, l’arrêt de la totalité de

l'installation d'ozonation est extrêmement rare; le démarrage aussi. Par contre, l'arrêt et le redémarrage d'une partie de l'installation sont beaucoup plus fréquents car ils sont fonction du nombre d'équipements à mettre en service pour obtenir une production donnée, ainsi que des immobilisations nécessaires pour assurer leur entretien.

Que ce soit pour des démarrages ou pour l'ajustement de la production, les manœuvres d'une installation aussi complexe que celle de production et de diffusion de l'ozone ne sont pas envisageables sans l'aide d'un nombre important d'automatismes.

Le démarrage automatique s'effectue de la manière suivante dès la fermeture du contact de démarrage :

• - l'électrovanne d'eau s'ouvre et le réfrigérant est alimenté,
• - le compresseur démarre,
• - le système de purge est alimenté et entraîne l'ouverture des électrovannes de purge durant 0,5 seconde toutes les trois minutes,
• - après une temporisation, l'électrovanne d'air s'ouvre.

Les électrovannes étant ouvertes, les appareils de contrôle sur les circuits air et eau actionnent chacun un contact, ce qui a pour effet d'alimenter l'ozoneur à la puissance préaffichée.

En ce qui concerne la diffusion, quand elle est assurée par des diffuseurs, il faut procéder à un essai préalable qui consiste à remplir d'eau la cuve de contact, jusqu'à 20 cm au-dessus des diffuseurs poreux, et à les alimenter en air non ozoné. Tous les poreux doivent alors diffuser.

Le réglage de la conduite peut être fonction d'un taux de traitement à maintenir ou, dans le cas de la désinfection, d'un résiduel d'ozone à garder constant dans l'eau traitée.

Dans les deux cas, il faut agir sur la puissance appliquée à l'ozoneur et sur le débit d'air à ozoner. On raisonne à partir de deux abaques :

• - la production d'ozone, en fonction de la puissance à la concentration optimale,
• - la courbe de concentration constante,

égale à sa valeur optimale en fonction du débit d'eau.

Ces deux courbes permettent de déterminer, pour chaque production d'ozone, la puissance électrique à appliquer à l'ozoneur et la quantité d'air nécessaire pour maintenir la concentration optimale.

Dans le cas d'un traitement à taux constant, la production d'ozone nécessaire est calculée à partir du débit d'eau à ozoner. Lors d'un traitement à résiduel de consigne, ce sont les variations de ce résiduel qui indiquent si la production doit être augmentée ou diminuée; dans le premier cas une régulation proportionnelle suffit tandis que, pour le second, il faut réaliser une régulation proportionnelle-intégrale-dérivée.

Fiabilité du système

Quand une usine d'eau potable est conçue dès l'origine pour fonctionner avec de l'ozone, il n'est plus possible ensuite en cas d'incident de suppléer à l'ozonation par un autre traitement. En effet, si l'ozone est utilisé pour désinfecter l'eau, on ne peut plus le remplacer par du chlore : cela résulte du fait que la valeur C × T (concentration × temps de contact) est beaucoup plus élevée pour le chlore que pour l'ozone. Il faudrait en effet disposer de bassins de contact beaucoup plus grands et de taux de traitement beaucoup plus élevés, ce qui entraînerait la formation de saveurs désagréables et de sous-produits halogénés. Ce second inconvénient est encore plus important si le chlore doit remplacer en secours une préozonation. En effet, au début de la filière, la concentration en matières organiques précurseurs d'haloformes est toujours nettement plus élevée qu'en fin de traitement.

L'ozonation ne pouvant pas être remplacée en secours par un autre traitement, il faut que les installations de production et de diffusion de l'ozone soient le plus fiables possible et qu'elles soient pourvues d'équipements de secours. La capacité de ceux-ci est fixée en fonction de l'histogramme de production d'ozone et du nombre d'équipements installés en parallèle. Il est en général préférable de diviser la capacité totale de production en plusieurs unités de manière à pouvoir les exploiter à leur régime optimum. On rajoute alors une unité supplémentaire pour obtenir la capacité de secours. Même si l'on dispose d'une capacité de secours bien dimensionnée, il faut aussi sélectionner les équipements les plus fiables et contrôler en permanence leur bon fonctionnement.

Pour la préparation du gaz porteur, le paramètre le plus fondamental en ozonation est le point de rosée, qui doit toujours être au moins égal à –60 °C, ce qui suppose plusieurs conditions :

• • les étapes de réfrigération placées en amont doivent fournir un point de rosée constant à l’entrée du dessiccateur ;
• • la capacité en matériau adsorbant doit être suffisante ;
• • la régénération doit être constamment effectuée de façon correcte.

Pour que les générateurs d’ozone soient fiables, il faut qu’ils soient protégés à la fois contre une augmentation accidentelle du point de rosée, un manque d’air et un défaut d’eau de refroidissement.

Les risques de présence d’air humide dans les ozoneurs peuvent provenir de deux sources, soit une défaillance du système de dessiccation de l’air, soit un retour d’air en provenance des cuves de diffusion, ce qui, dans la généralité des cas, survient lorsque l’ozoneur est à l’arrêt pendant que d’autres unités fonctionnent en parallèle.

Une défaillance de l’étape de dessiccation doit être détectée le plus rapidement possible par un hygromètre capacitif. Cet hygromètre doit non seulement fournir une alarme mais aussi déclencher automatiquement l’arrêt de l’ozoneur. Pour protéger l’ozoneur à l’arrêt contre d’éventuels retours d’air humide en provenance des systèmes de diffusion, un clapet ne suffit pas car il peut fuir à la longue : il faut prévoir en outre une vanne d’isolement.

La séquence automatique d’arrêt d’un ozoneur doit comporter un balayage temporaire à fort débit d’air sec (pour évacuer toute trace d’ozone résiduel dans l’ozoneur) et, à la suite, un balayage permanent à faible débit d’air sec pendant toute la durée de l’arrêt, pour éviter toute condensation à l’intérieur.

Par mesure de sécurité, il est également prudent d’arrêter le refroidissement en eau à chaque mise hors tension du générateur d’ozone pour éviter la condensation à l’intérieur de l’appareil.

De même, lorsqu’un ozoneur a été, soit arrêté, ou, pire, ouvert pour entretien, il faut prévoir, avant sa remise en service, un balayage de longue durée et à fort débit à l’air sec pour le débarrasser de toute trace d’humidité.

Enfin, il faut absolument éviter tout manque d’air d’alimentation ou d’eau de refroidissement sur les générateurs d’ozone car, dans ce cas, l’appareil se met à chauffer, ce qui peut conduire à la mise hors d’usage des tubes. Il faut donc munir les circuits d’alimentation en eau et en air de dispositifs détecteurs de débit qui déclenchent automatiquement la mise hors tension de l’appareil. Le dispositif le plus fiable consiste à mesurer ces débits avec des diaphragmes équipés de pressostats qui assureront la sécurité.

En ce qui concerne les équipements de diffusion, chaque incident au niveau du contact se traduit par un défaut de la qualité du traitement, lequel doit donc être suspendu immédiatement. L’incident doit être réparé le plus rapidement possible car il entraîne une diminution de la capacité de l’unité. En conséquence, les systèmes de diffusion doivent posséder, outre de bonnes caractéristiques de transfert, les caractéristiques suivantes :

• * conception robuste et simple,
• * entretien facile (pour limiter les durées d’indisponibilité),
• * détection immédiate et rapide des défauts de fonctionnement.

Un point fondamental est le choix de matériaux résistant à l’action corrosive de l’air ozoné humide. Seuls l’acier inoxydable 316 L, les céramiques et les élastomères de type hypalon remplissent cette condition. Il en est de même pour les destructeurs d’ozone résiduel dans l’air, dont les modèles les mieux adaptés à l’exploitation sont les appareils thermiques avec échangeur ou ceux qui utilisent des catalyseurs.

La maintenance

D’une façon générale, les équipements d’ozonation doivent être étudiés afin de réduire au minimum les opérations de maintenance et, quand elles sont nécessaires, afin qu’elles soient les plus rapides possible, le but recherché étant de minimiser le coefficient d’indisponibilité des équipements et de réduire les dépenses de personnel et de matériel.

Les consignes d’entretien des compresseurs et des groupes frigorifiques employés en ozonation n’ont rien de spécifique : il faut juste mentionner que l’entretien des séparateurs et des filtres est fondamental, de même que le bon fonctionnement des purges périodiques. Par contre, l’entretien des générateurs d’ozone ne peut être réalisé que par du personnel spécialement formé ; si la qualité de l’air à l’entrée de l’ozoneur est excellente, c’est-à-dire si le point de rosée est inférieur à − 60 °C et si l’air est parfaitement filtré, les opérations d’entretien sont réduites au minimum. Elles se résument aux points suivants :

• * contrôle quotidien des températures, des débits et des pressions de l’air et de l’eau de refroidissement. Il faut également disposer à la sortie de l’ozoneur d’un analyseur de la concentration d’ozone dans le gaz porteur, pour contrôler la quantité d’ozone produite ;

• contrôle du fonctionnement des dispositifs de sécurité des débits et des pressions de l’air et de l’eau de refroidissement, avec réétalonnage des capteurs ;
• contrôle trimestriel de la température du transformateur haute tension ;
• contrôle des performances de l’ozoneur : il s'agit de mesurer la production d’ozone pour différentes puissances. Cette opération permet de vérifier le rendement de l’ozoneur et de déterminer la fréquence de nettoyage des tubes diélectriques.

Ce nettoyage est une opération complexe nécessitant du personnel spécialisé. D’autre part, l’arrêt de l’ozoneur exige l’intervention de personnel habilité à travailler sous tension. Les consignes d’entretien d'un ozoneur sont strictes :

• il convient de le balayer à l’air sec pendant au moins trente minutes avant son ouverture ;
• les tubes démontés doivent être entreposés à l’abri des chocs, sur un support spécialement aménagé à cet effet ;
• au cours des manipulations, il faut impérativement veiller à ne pas heurter les tubes diélectriques ; un tube qui présente une simple félure ou le moindre défaut ne doit pas être réutilisé, en raison des risques de claquage ou de perforation par arc électrique, provoquant un court-circuit dans le transformateur.

Par ailleurs, les tubes équipant les ozoneurs sont constitués d’un verre spécialement adapté pour résister à une haute tension importante et permettre le meilleur rendement de production d’ozone. Ce verre peut être l'objet d’une « corrosion sous contrainte » en cas de mauvaise utilisation et particulièrement en présence d’humidité ou de vapeur d'eau, ce qui peut provoquer, après un temps variable, des fissures et un claquage des tubes. Pour éviter ces incidents, il faut respecter les précautions suivantes :

• les tubes doivent être stockés dans une ambiance sèche ;
• l'air d’alimentation de l’ozoneur doit toujours présenter un point de rosée inférieur à – 60 °C ;
• aucune trace d’eau ne doit subsister après un arrêt de l’ozoneur (condensation avec couvercle ouvert, lavage, etc.), avant qu'il ne soit remis en service ;
• après ouverture de l’ozoneur, il faut effectuer le balayage avec de l’air sec durant 12 heures avant remise sous tension ;
• l'intérieur des tubes ne doit pas être lavé ni humidifié. Pour nettoyer la partie non métallique on peut employer un chiffon sec ou, à la rigueur, en cas d’encrassement important, un chiffon très légèrement humecté d’alcool à brûler ; il faut alors assécher en passant plusieurs fois des chiffons secs ;
• au cours du nettoyage d’un ozoneur, il est impératif d’arrêter la circulation d'eau de refroidissement afin d’y éviter toute condensation ;
• en cas d’arrêt prolongé d’un ozoneur, on peut, soit vidanger l’ozoneur, soit y laisser circuler un débit d’eau en continu correspondant à 10 % du débit normal ;
• le démarrage d’un ozoneur, après ouverture, doit s’effectuer progressivement.

Après la période de 12 heures de balayage à l’air sec et de remise en service du circuit de refroidissement à l'eau, l'appareil doit être mis sous tension à sa puissance minimale, puis porté progressivement à sa puissance, en trois ou quatre paliers d’une heure chacun.

Si ces opérations ne sont pas effectuées par le fournisseur, il faut utiliser un personnel spécialisé, dont la formation pourra être confiée au constructeur de l’ozoneur. Ce personnel doit également être habilité pour effectuer les interventions électriques.

Quel que soit le procédé retenu, l’entretien des équipements de contact nécessite le contrôle manuel du rendement de la diffusion ; il est également nécessaire de pouvoir visualiser le mieux possible la formation des bulles et d’avoir le meilleur accès au réacteur.

Les capteurs de concentration de l’ozone situés à l’entrée et à la sortie du réacteur doivent être des analyseurs en continu qu'il faut réétalonner toutes les semaines. Le rendement de la diffusion ainsi mesuré devra être comparé aux valeurs de référence établies à la mise en service et qui auront été calculées en fonction de la gamme des débits d'eau pouvant être traités ainsi que des valeurs du débit du gaz porteur et de ses concentrations en ozone. Si pour des conditions de traitement identiques, on observe une diminution de plus de 5 % du rendement, on procédera à la vérification du système de diffusion.

Il faut que l’eau du réacteur puisse être vidangée rapidement : il serait peu prudent d’entrer dans une cuve dont la concentration d’ozone soit supérieure à la norme de sécurité de 0,1 ppm, même pourvu d’un appareil respiratoire autonome. Il faut donc équiper la cuve d’une ventilation suffisamment forte pour obtenir rapidement (et la maintenir) une concentration d’ozone inférieure à cette norme. On pourra ainsi y pénétrer et y travailler sans masque de manière beaucoup plus sûre et plus confortable et donc effectuer plus rapidement les travaux d’entretien.

L'entretien des destructeurs porte d’abord sur la surveillance de leur rendement, ce qui nécessite la pose à leur sortie d’un catalyseur en continu d’ozone contenu dans l’air, dont la gamme corresponde à la norme de 0,1 ppm en volume, tout dépassement de cette norme devant déclencher une alarme générale. Le respect de la norme est fondamental, sans quoi l’air ambiant serait contaminé. Si les installations de génération d’ozone et les contacteurs sont parfaitement étanches, la sortie du destructeur, qui est le seul emplacement de fuites d’ozone résiduel vers l'atmosphère, doit donc être surveillée de près.

• • les mousses très acides qui se forment à la surface du contacteur doivent être arrêtées par un dispositif de pulvérisation d'eau,
• • les normes concernant les matériaux mis au contact de l’ozone humide doivent être scrupuleusement observées.

Si ces prescriptions sont respectées, l'entretien des destructeurs est minimal. Dans le cas de destructeurs thermiques, l'entretien se résume à celui du ventilateur d’extraction et aux nettoyages quinquennaux du four de chauffe et de l'échangeur air/air de récupération qui le précède.

En ce qui concerne la destruction catalytique, le problème qui se pose est celui de la durée d’efficacité du catalyseur. De gros progrès ont été apportés sur ce point depuis les années 1980, et l'on trouve maintenant des catalyseurs qui peuvent durer cinq ans et qui ne présentent plus de risques d’empoisonnement par les oxydes et le chlore. L'installation d’un analyseur d’ozone de contrôle à la sortie du destructeur permet d’ailleurs de signaler toute perte d’efficacité du catalyseur.

L'entretien courant du matériel électrique et électronique ne pose aucun problème particulier si ces équipements ne sont pas en contact avec des traces d’ozone. C’est un argument de plus pour que l'installation soit conçue de manière à éviter toute fuite et que, en cas d’incident de cette nature, les bâtiments abritant l’installation de production d’ozone soient équipés d’un nombre suffisant de détecteurs d’ozone, dans la gamme de 0,1 ppm, déclenchant immédiatement une alarme. La seule précaution à prendre concerne les câbles qui se trouvent forcément en ambiance d’ozone, surtout ceux qui se trouvent dans les contacteurs, pour l’éclairage ou l’alimentation d'une turbine immergée. Dans ce cas l'isolant du câble doit être réalisé dans une matière résistant à l’ozone.

Si ces conditions sont respectées ainsi que les normes classiques de ventilation des équipements électriques et électroniques, il n'y a aucune raison pour que ces équipements soient installés dans un local isolé. En particulier les armoires de commande et de régulation des ozoneurs peuvent être implantées à proximité de ces générateurs ce qui rend plus aisées les opérations de contrôle périodique.

La sécurité

L’ozone est toxique au-dessus d'un certain seuil de concentration, et des normes sur l’exposition maximale ont été édictées par les organismes nationaux chargés de la sécurité du travail. Ces normes, qui sont homogènes, spécifient qu’un individu ne doit pas être exposé à une concentration d’ozone dans l'air supérieure à 0,1 ppm volume (0,2 mg/m³), pendant une durée maximum de 8 heures. De plus, le personnel travaillant dans une usine d’ozonation doit être soumis à des visites médicales systématiques.

Un panneau d'information doit être placé à toutes les entrées de l’usine d’ozonation, rappelant le caractère dangereux de l’ozone, indiquant les précautions à respecter et mentionnant les instructions à respecter en cas de fuite accidentelle. Des masques protecteurs doivent être installés aux emplacements fréquentés.

Deux sortes de mesures doivent être prises pour protéger le personnel pouvant être en contact avec l’ozone : des mesures préventives et curatives.

Les mesures préventives concernent de manière directe le personnel et indirectement les équipements d’ozonation. Comme dans le cas des autres réactifs chimiques, le personnel doit être informé des dangers de l'ozone, de toutes les mesures de sécurité spécifiques, de l’emplacement des appareils respiratoires et de la façon de s’en servir.

Des dispositions doivent également être prévues pour avertir le personnel de la présence d’ozone dans l’air ambiant, au moyen d’analyseurs en continu délivrant une alarme dès que la norme est dépassée. Les capteurs les plus précis et les plus fiables sont ceux qui utilisent la méthode de mesure par ultra-violet avec une cellule de mesure de grande dimension adaptée à une gamme 0,01 à 100 ppm volume.

Les mesures préventives concernent également de manière indirecte les équipements, dont les matériaux constitutifs doivent être adaptés à l’action cor-

rosive de l'ozone, de manière à réduire les risques de fuites accidentelles. Un autre équipement dont le bon fonctionnement est essentiel pour éviter toute trace d'ozone dans l'air ambiant est le destructeur d’ozone résiduel.

Les mesures curatives sont celles qui sont à prendre en cas d’accident. Dans ce cadre, et en cas de fuite, les analyseurs en continu de l’air ambiant émettent une alarme sonore et lumineuse ; l’alimentation énergétique des ozoneurs est coupée et la production d’ozone est immédiatement arrêtée. Simultanément, tous les dispositifs de ventilation sont mis en marche de manière à faire redescendre la concentration d’ozone au-dessous de la norme de sécurité.

Conclusion

Malgré sa complexité apparente, une unité de production d’ozone peut demeurer simple à exploiter et peu exigeante en entretien.

Pour cela, il faut intervenir dès le stade de la conception et établir un cahier des charges explicite et détaillé. Pour simplifier l’exploitation, l’installation doit être équipée de capteurs et d’équipements contrôlables à distance en nombre suffisant pour permettre d’automatiser le plus possible les opérations de surveillance et de contrôle.

Pour minimiser la maintenance, il faut veiller à n’installer que du matériel de bonne qualité, avec le souci de n’employer que des matériaux résistant à la corrosion par l'ozone.

Si ces conditions sont remplies, les problèmes de sécurité seront résolus...

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