L?ozone, oxydant puissant, est depuis longtemps utilisé en production d'eau potable, pour le traitement des eaux souterraines et des eaux de surface. Il est appliqué, en pré-traitement pour améliorer les performances de la clarification, et/ou en affinage pour agir sur l'inactivation de micro-organismes, l'oxydation des matières organiques d'origine naturelle ou humaine et ainsi contribuer à produire une eau traitée de haute qualité et de grande stabilité au sein du réseau. Une des limites d'application de l'ozonation est la formation associée de sous produits. L?oxydation des bromures contenus dans les eaux brutes conduit notamment à la formation de bromates, reconnus comme cancérogènes pour l'homme. La limite de qualité de ce paramètre pour l'eau potable est passée de 25 à 10 μg/l depuis décembre 2008. Cette évolution réglementaire a conduit les traiteurs d'eau à revisiter les consignes d'exploitation de l'ozonation en place sur de nombreuses filières. Par ailleurs les avancées technologiques et innovations récentes concernant l'ozonation (générateur, modes d'injection, contacteur, destructeur) ont permis de mettre à disposition des systèmes performants moins consommateurs d'énergie adaptés à la réhabilitation des ouvrages ou la conception de nouvelles stations. Le développement d'un outil de simulation de l'ozonation (Ozonor-bromates) et formation de bromates associés a permis d'optimiser la mise en oeuvre de l'ozone, en renforçant la fiabilité de ce procédé tout en maîtrisant les risques associés. L?ozonation, ainsi optimisée selon une méthodologie proposée, reste un outil majeur pour le producteur d'eau potable. Il peut être appliqué seul ou combiné à une désinfection par rayonnements UV, selon la qualité de la ressource, la filière en place et les objectifs de traitement.
Une des limites d’application de l’ozonation est la formation associée de sous-produits. L’oxydation des bromures contenus dans les eaux brutes conduit notamment à la formation de bromates, reconnus comme cancérogènes pour l'homme. La limite de qualité de ce paramètre pour l’eau potable est passée de 25 à 10 µg/l depuis décembre 2008.
Cette évolution réglementaire a conduit les traiteurs d’eau à revisiter les consignes d’exploitation de l’ozonation en place sur de nombreuses filières.
Par ailleurs, les avancées technologiques et innovations récentes concernant l'ozonation (générateur, modes d’injection, contacteur, destructeur) ont permis de mettre à disposition des systèmes performants moins consommateurs d’énergie, adaptés à la réhabilitation des ouvrages ou la conception de nouvelles stations. Le développement d’un outil de simulation de l’ozonation (Ozonor-bromates) et formation de bromates associés a permis d’optimiser la mise en œuvre de l’ozone, en renforçant la fiabilité de ce procédé tout en maîtrisant les risques associés.
L’ozonation, ainsi optimisée selon une méthodologie proposée, reste un outil majeur pour le producteur d’eau potable. Il peut être appliqué seul ou combiné à une désinfection par rayonnements UV, selon la qualité de la ressource, la filière en place et les objectifs de traitement.
L'ozonation est un procédé de traitement efficace, mis en œuvre pour atteindre les objectifs de qualité d’eau traitée sur de nombreux sites de production. Elle est appliquée en France, par le groupe Suez Environnement, sur plus de cinquante usines, soit une capacité de production de plus de 70 000 m³/h. La quantité d’ozone utilisée dans le monde pour la production d’eau potable est estimée à 30 000 tonnes par an (Roustan 2003).
Introduction/contexte : Quels enjeux pour l’ozone aujourd’hui ?
Cet oxydant puissant est depuis longtemps utilisé pour le traitement des eaux souterraines et eaux de surface. Il est appliqué, en pré-traitement pour améliorer les performances de la clarification, et/ou en affinage pour agir sur l'inactivation de micro-organismes, l’oxydation des matières organiques d'origine naturelle ou humaine et ainsi contribuer à produire une eau traitée de haute qualité et de grande stabilité au sein du réseau.
L’évolution réglementaire récente en eau potable concernant les bromates, sous-produits de l’ozonation (10 µg/l depuis fin 2008), a poussé les traiteurs d’eau à revisiter les conditions d’ozonation appliquées. Une optimisation fine de la mise en œuvre de l’ozone s’est ainsi avérée nécessaire.
Mot clé : Ozone, bromates, désinfection, oxydation, optimisation.
pour à la fois garantir les objectifs d’oxydation et de désinfection et respecter la réglementation en bromates.
Les évolutions technologiques des procédés d’ozonation au cours de ces dernières années ont permis d’apporter des solutions plus performantes et moins consommatrices d’énergie, adaptées à la réhabilitation de filières existantes et/ou à la conception de nouvelles stations de production d’eau potable.
L’émergence du procédé de désinfection par rayonnement UV a poussé le traiteur d’eau à positionner l’ozonation par rapport à ce traitement ; ces deux procédés sont complémentaires avec leurs avantages et limites respectifs ; ils peuvent être mis en place seuls, ou en série, selon la qualité de la ressource, la filière en place et les objectifs de traitement.
Ces évolutions réglementaires et technologiques ont ainsi motivé un regain d’intérêt pour ce procédé d’ozonation, dont l’efficacité pour la production d’eau potable est reconnue depuis longtemps, mais dont la mise en œuvre doit être optimisée pour apporter une solution fiable et économiquement maîtrisée.
Cet article rappelle ainsi les avantages, les limites de l’ozone et ses applications en eau potable ; il expose ensuite les solutions proposées pour une mise en œuvre optimisée de ce procédé sur filières existantes ou en projet.
Intérêts de l’ozone et ses applications
Actions de l’ozone
L’ozone est un oxydant puissant (potentiel redox de 2,07 V) très sélectif quand il agit par voie moléculaire, et peu par voie radicalaire. La prédominance d’un mode sur l’autre dépend fortement des caractéristiques physico-chimiques des eaux traitées et de la qualité des matières à oxyder (Masschelein 1992, Mémento Technique 2002).
Les cinétiques de réaction moléculaire des espèces O₃ et M (matières à oxyder) sont en général du premier ordre par rapport à chacun des composés et prennent la forme suivante :
v₍O₃₎ = kO₃[O₃][M] v = k′[O₃][O₃M]
Des exemples de constantes de vitesse de réactions avec l’ozone moléculaire sont donnés dans le tableau 1 pour différents composés potentiellement présents dans une ressource à potabiliser. Ces constantes de vitesse sont très variables selon la réactivité du composé à l’ozone. La désinfection s’effectue principalement par l’action de l’ozone moléculaire.
L’ozone est instable dans l’eau et se décompose en composés oxydants secondaires (OH°).
La vitesse de réaction s’écrit alors :
vₜₒₜ = kO₃[O₃][M] + kOH[OH°][M]
Tableau 1 : Valeurs de constante de vitesse de réaction avec l’ozone moléculaire (d’après Roustan 2003)
Composés réagissant avec l’ozone moléculaire | Constante de vitesse kO₃ (kmol⁻¹·m³·s⁻¹) | Type de réaction |
---|---|---|
Atrazine | 7 | très lente |
Géosmine | 10 | très lente |
Bromures | 160 | lente |
Phénol (pH = 7) | 1,3 × 10² | modérée |
Cryptosporidium C. parvum | 1,6 × 10⁴ | modérée |
Giardia Cyst | 7,7 × 10⁴ | rapide |
Nitrites | 3,5 × 10⁵ | très rapide |
Fe²⁺ | 5,0 × 10⁵ | très rapide |
Mn²⁺ | 8,5 × 10⁵ | rapide |
E. coli | 8,0 × 10⁵ | très rapide |
Ce sont ces oxydants secondaires qui réagissent de façon non sélective et rapide avec presque tous les composés dissous dans la solution aqueuse et conduisent donc à une oxydation plus poussée des molécules organiques, plus couramment appelée Oxydation Avancée.
Pour des constantes k inférieures à 50, ce sont les mécanismes radicalaires (pH élevé ou oxydation avancée) qui seront prépondérants. Pour des constantes k supérieures à 1000, c’est le mécanisme moléculaire qui assurera le meilleur rendement d’oxydation. Ce dernier cas est le plus courant pour la post-ozonation d’eau de surface de composition minérale et organique moyenne (type eau de Seine).
Applications sur filière de production d’eau potable
Un grand nombre de pollutions présentes dans les eaux souterraines ou de surface sont susceptibles de réagir avec l’ozone, telles que : les micro-organismes (bactéries, virus, kystes de protozoaires), les matières organiques d’origine naturelle ou humaine (composés humiques, micro-polluants issus de l’agriculture, de l’industrie, de type pesticides, solvants, hydrocarbures), les nitrites, des métaux (fer, manganèse...).
L’ozonation peut être ainsi appliquée sur une filière de production en un ou plusieurs points (pré et/ou post ozonation) à différents taux et temps de contact pour divers objectifs, selon la qualité de la ressource, la configuration de la chaîne de traitement et les objectifs visés en eau traitée.
L’ozone en pré-traitement renforce les performances de la clarification (coagulation, décantation, flottation) vis-à-vis de l’élimination des matières organiques, des particules et des algues en particulier, en diminuant notamment les consommations en coagulants.
Une pré-ozonation permet également d’oxyder des métaux, tels que fer et manganèse avant séparation par précipitation. Ce pré-traitement d’une eau brute, appliqué sans résiduel, a peu ou pas d’action sur les micro et macro-organismes. Il n’est pas
Tableau 2 : CT nécessaire pour 2 log d’abattement à pH 7, en mg / l·min
Chlore | Dioxyde de chlore | Ozone | UV* | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
5 °C | 15 °C | 5 °C | 15 °C | 5 °C | 15 °C | ||
Cryptosporidium | 16000 | 8000 | 400 | 200 | 20 | 10 | 58 |
Giardia | 100 | 50 | 13 | 6,5 | 2 | 1 | 52 |
Entérovirus | 4 | 2 | 1 | 0,5 | 1 | 0,5 | 145 |
Coliformes | 0,04 | 0,02 | 0,6 | 0,3 | 0,02 | 0,01 | 43 |
* Pour l’UV, le pouvoir de désinfection est exprimé en dose UV = intensité UV × temps d’exposition, en mJ/cm².
Associé au risque de formation de bromates, l’ozone est ainsi une alternative efficace et recommandée à un traitement de pré-chloration menant à la formation de THM. Appliqué en affinage ou en post-traitement, il oxyde les matières organiques d’origine naturelle, humaine, agricole ou industrielle.
La combinaison ozone-filtration sur charbon actif, souvent appliquée en affinage d’eau de surface, est reconnue comme favorable pour éliminer la part biodégradable des composés organiques.
L’ozonation permet d’obtenir une eau traitée de haute qualité, à faible demande en chlore, donc de grande stabilité dans le réseau. Des objectifs stricts de matières organiques résiduelles en sortie d’usine (COT < 1,5 mg/l, absorbance UV < 2 en DO/m) peuvent être atteints grâce à ce procédé.
L’ozone traite efficacement, par voie moléculaire, certains micropolluants (solvants, hydrocarbures et pesticides, toxines d’algues, résidus pharmaceutiques, molécules responsables de goûts et d’odeurs, de coloration…).
Il oxyde aussi les nitrites, potentiellement présents en sortie de nitrificateurs biologiques ou de filtres à activité biologique occasionnelle.
L’ozone agit sur de nombreux micro-organismes avant la désinfection finale avec un oxydant à pouvoir rémanent (chlore, dioxyde de chlore). Chaque désinfectant a un pouvoir d’inactivation propre qui varie avec la température (loi d’Arrhénius) et le pH. Quelques valeurs de CT pour les principaux désinfectants chimiques sont présentées dans le tableau 2 pour un abattement de 2 log à deux températures, mettant en avant le pouvoir désinfectant relatif de l’ozone (Roustan 1991, 1996).
L’efficacité de désinfection attendue pour la post-ozonation doit être appréciée au regard de la qualité de la ressource et de l’ensemble des étapes de la filière concernée.
La meilleure approche pour évaluer l’adéquation d’une filière de traitement vis-à-vis de la qualité microbiologique de la ressource consiste à appliquer la méthode d’évaluation quantitative du risque, décrite par l’AFSSA (2002) et conforme aux recommandations de l’OMS (WHO 2004 ; Medema et al., 2007). Cette méthode s’applique à de nombreux pathogènes potentiellement transmis par l’eau de boisson – Cryptosporidium, Giardia, Escherichia coli O157, Adénovirus… – qui présentent des comportements différents vis-à-vis du traitement de potabilisation. Cryptosporidium, Giardia et E. coli O157 figurent d’ailleurs parmi les plus impliqués dans les épidémies liées à l’eau potable dans les pays développés (ASTEE 2008).
Cette approche, formalisée dans le cadre du projet européen MicroRisk (2007), est aujourd’hui couramment utilisée par Suez Environnement pour optimiser les filières de traitement. Elle a notamment servi à établir les limites de fonctionnement d’usines du groupe en région parisienne, certifiées selon la norme ISO 22000 (systèmes de management de la sécurité des denrées alimentaires) depuis mars 2007 (Loret 2007, 2008).
Les limites de risques acceptables retenues sont de 10⁻⁴ infection/personne/an (Macler & Regli 1992), valeur également fixée par l’USEPA.
L’ozonation doit donc être optimisée vis-à-vis de l’abattement des pathogènes, en complément des performances des autres étapes de traitement de la filière (Jaeger et al. 2008, 2009), performances reconnues et partagées par la profession (MicroRisk 2007).
Limites de l’ozone : quelles sont ses réserves d’application ?
Les réserves d’application concernent la réactivité limitée de certains pathogènes tels que Cryptosporidium – d’où la complémentarité avec l’UV – ainsi que la formation potentielle de sous-produits toxiques comme les bromates.
En présence de bromures dans une eau soumise à l’ozonation, il existe un risque de formation de bromates. Responsables de tumeurs rénales chez l’animal, les bromates sont classés comme pouvant être cancérogènes pour l’homme (AWWARF 97, Croué 96, Haag 83, Krasner 93). Le Code de la Santé Publique reprend la valeur limite fixée par la directive européenne de 1998 : la concentration maximale est passée de 25 µg/l à 10 µg/l depuis décembre 2008.
Les principaux paramètres qui influent sur la formation des bromates lors de l’ozonation peuvent être regroupés en deux catégories :
- les paramètres liés à la qualité de l’eau : bromure, matière organique dissoute…
- soute, ammonium, pH, température et alcalinité ;
- Les paramètres de mise en œuvre de l’ozonation tels que doses d’oxydants appliquées, teneurs résiduelles et le temps de séjour de l'eau dans le contacteur.
La formation de bromates est régie par des réactions moléculaires ou radicalaires selon le processus de la figure 2. Les travaux de Von Gunten 1994 et 2008 ont montré que les deux mécanismes sont suffisamment importants pour être pris en considération afin de prédire la formation de bromates. Les mêmes auteurs ont mis en évidence que la contribution du mécanisme moléculaire dans le processus de formation des bromates était de 30 à 80 % selon les types d’eau et les conditions respectives d’ozonation. Les deux mécanismes contribuent de façon égale dans les eaux à très faible teneur en matières organiques (par exemple, les eaux souterraines). Pour les eaux de surface ayant des demandes chimiques en oxygène (DCO) plus élevées (> 2,5 mg · L⁻¹), la contribution de chacun des deux mécanismes peut être très variable.
Le mécanisme moléculaire est le plus sélectif des deux. Ce mécanisme contribue surtout à l’oxydation initiale des bromures et à l'oxydation finale des ions bromites BrO₂⁻. Le mécanisme radicalaire est moins sélectif que le mécanisme moléculaire. Il contribue à l’oxydation des espèces intermédiaires telles que les ions hypobromite BrO⁻ qui sont oxydés en bromates. Les composés finaux des réactions avec la matière organique sont les composés bromés tels que le bromoforme, l’acide dibromo-acétique ou des tri-halométhanes (THM) bromés.
Mise en œuvre de l’ozone : comment optimiser le procédé d’ozonation ?
L’ozone est ainsi un procédé d’oxydation et de désinfection performant qui doit cependant être maîtrisé pour garantir les objectifs visés de qualité d’eau traitée, respecter la réglementation sur les bromates et limiter au mieux les consommations énergétiques associées à sa mise en œuvre.
Les évolutions technologiques innovantes concernant les équipements d’ozonation, un outil de simulation de mise en œuvre, sont présentées comme des voies d’optimisation de ce procédé.
Une méthodologie est proposée pour aider l’exploitant à revisiter et optimiser les conditions d’ozonation sur filières existantes.
Choisir des équipements adaptés : apports des évolutions technologiques
Les équipements associés à la production et la mise en œuvre de l’ozone ont beaucoup évolué depuis dix ans, proposant aux traiteurs d’eau des solutions plus performantes et moins consommatrices d’énergie.
Un système d’ozonation se compose des éléments suivants : une unité d’alimentation en gaz (air ou oxygène), un générateur d’ozone (voir vues 1 et 2), un système de mélange/contact, une unité de destruction des effluents gazeux.
La mise en contact de l’ozone avec l'eau est couramment réalisée par injection en ligne avec mélangeur statique ou venturi, par diffusion via des poreux (voir vue 7), par tube en U ou turbine (pour le recyclage des évents).
L’optimisation énergétique requiert généralement un rendement de transfert supérieur à 80 %. L’efficacité du transfert est fonction de différents facteurs : mode d'injection, de mélange, taille des bulles, pression appliquée, température, concentration en ozone de l’air ozoné.
Les principales évolutions et innovations offertes par les fournisseurs ces dernières années concernent :
- la génération d’ozone, plus performante et moins consommatrice d’énergie (voir encadré 1 et figure 3 associée) (Stanley 1993, Vezzu 2007) ;
- les systèmes d’injection et transfert de l’ozone dans l'eau (injection en ligne optimisée), qui permet—
Génération d’ozone : Innovations promues par Ozonia
Un générateur d'ozone est un appareil qui transforme de l'énergie électrique en énergie chimique. L’élément clé de ce processus de transformation est l'ensemble des diélectriques qui composent le générateur. Au moyen d'une décharge électrique, résultat d'un courant alternatif haute tension créé entre deux électrodes séparées par un matériau diélectrique à permittivité élevée et un espace annulaire étroit, les molécules d'oxygène contenues dans le gaz d'alimentation (air sec ou oxygène pur) sont transformées en molécules d’ozone (voir vues 3, 4).
Leader sur les marchés de la désinfection et de l'oxydation, Ozonia (Suez Environnement) conçoit et commercialise une large gamme de produits pour mettre en œuvre l’ozone. Toutes les solutions répondent à un large éventail d'applications, aussi bien dans le secteur industriel que municipal, et ont toutes pour caractéristiques communes la volonté de simplifier les installations, de réduire les interventions humaines aux niveaux opérationnels et maintenance, de réduire la consommation énergétique et de préserver l'environnement.
Entre autres solutions, Ozonia propose aujourd'hui des systèmes de génération d’ozone adaptés aux grandes installations industrielles et municipales qui intègrent les composants électroniques les plus performants et les plus novateurs du marché. Ozonia associe ainsi les propriétés uniques de ses diélectriques (IGS™ : Intelligent Gap System) à son système d’alimentation électrique modulaire (MODIPAC™) pour promouvoir des générateurs d’ozone à forte production tout en réduisant la consommation énergétique (procédés brevetés).
Des modules standardisés de 250 kW peuvent être connectés ensemble afin de délivrer la puissance électrique nécessaire, quelle que soit la taille du générateur d’ozone ou les taux de production d’ozone nécessaires. Une fois transformé, le courant électrique est dirigé vers les diélectriques (sécurisés par un fusible voir vue 4) afin de former la décharge électrique nécessaire à la création de l'ozone dans l'espace séparant le matériau diélectrique et l'électrode de masse en acier inoxydable. La concentration et le taux de production d’ozone peuvent être modifiés en ajustant l'intensité électrique et/ou le flux d’air ou d'oxygène comprimé.
Les avantages de ces systèmes innovants de génération d'ozone :
- Production élevée d’ozone, hautement sécurisée, pouvant aller à plus de 250 kg O₃/h par générateur ;
- Hautes performances avec réduction d’électricité consommée (voir figure 3) : augmentation de la concentration d'ozone avec réduction considérable de la consommation d’énergie. Le remplacement de l'air par l'oxygène comme gaz vecteur permet de produire des concentrations d'ozone allant jusqu’à 14 % en masse (de 6 à 14 % en masse) tout en réduisant d’au moins 10 % la consommation en électricité et gaz.
- Système modulable : l'installation d’une ou plusieurs unités modulables (MODIPAC™) offre un niveau de disponibilité supérieur à 98 %.
- Robustesse : intégration des diélectriques en céramique, beaucoup mieux adaptés aux grandes productions d'ozone que ceux en verre borosilicate généralement utilisés.
- Fiabilité : système de fusibles individuels, exclusif à Ozonia, garantissant une fiabilité d'utilisation sans précédent en assurant que la fuite d’un seul diélectrique ne puisse être à l’origine de l'arrêt complet du générateur.
- Système automatisé et contrôlable à distance à l’aide d’un système de BUS de communication.
tent de fiabiliser le rendement de transfert et augmenter, pour les mêmes conditions d’ozonation, le CT, au minimum de 30 à 50 % (voir vues 3 et 4),
- les ouvrages de destruction catalytique de l’ozone dans l’air pour respecter les valeurs maximales admissibles pour l’homme et l’environnement. L’effluent gazeux est récupéré, puis recyclé (système de re-compression nécessaire) ou dirigé vers une unité de destruction d’ozone par un traitement catalytique, thermique.
L’oxydation par l’ozone se fait tant que du résiduel est présent dans l'eau. L’élimination de l’ozone résiduel en excès dans l'eau peut être nécessaire si besoin de stopper la réaction, et éviter notamment d’augmenter la concentration en bromates en sortie de contacteur. La neutralisation de l’ozone résiduel peut se faire par injection de bisulfite de sodium (2,2 g de bisulfite pour neutraliser 1 g d’ozone) :
NaHSO₃ + O₃ → NaHSO₄ + O₂
ou par injection d’anhydride sulfureux à l’aide de sulfonateurs spécifiques (gaz liquéfié sous pression, 1,3 g de SO₂ pour neutraliser 1 g d’ozone) :
SO₂ + H₂O + O₃ → H₂SO₄ + O₂
Maîtriser la formation de bromates associée à l’ozonation : outils de simulation (Ozonor-Bromates)
Issu de travaux de R&D menés au CIRSEE, cet outil permet d’offrir un service d’assistance aux exploitants d’usine équipée d’ozone : il permet d’estimer les risques de non-conformité en bromates associés à l’ozonation et de proposer une stratégie personnalisée d’optimisation des conditions d’exploitation afin de respecter les normes et les objectifs de traitement d’oxydation et désinfection (Do-Quang 1999, 2002).
Dans une démarche globale d’évaluation du risque pour le consommateur, un modèle cinétique de formation des bromates a été développé à partir d'un outil de modélisation de l’efficacité de désinfection et oxydation de l’ozonation mise en œuvre industriellement sur une usine (outil Ozonor).
Cet outil a été validé expérimentalement sur une vingtaine d'eaux souterraines et de surface, de minéralisation moyenne (TAC en °F entre 20 et 25), de valeur de COT entre 1 et 3 mg/l.
Les valeurs de bromates simulées sont égales à celles mesurées sur site à ± 20 % ; cette incertitude reste acceptable.
Possible dans une approche prédictive du risque de formation de bromates sur une filière.
Tenant compte de cette incertitude, les conditions d’ozonation optimales sont ainsi définies à partir de valeurs de bromates simulées inférieures à 8 µg/l, pour garantir des valeurs mesurées en dessous de la concentration réglementaire de 10 µg/l. Des recommandations d’exploitation peuvent être éditées sous forme de tables ou d’abaques de fonctionnement de l’ozonation à appliquer (objectif de résiduel à maintenir) en fonction du débit, de la température, du pH et du taux de bromures.
L’outil de formation des bromates, calé sur le site concerné (prise en compte des données qualité d’eau, géométrie du réacteur de contact eau/ozone, conditions de production) peut être remis à l’exploitant, dans une configuration simplifiée d’utilisation (feuilles format Excel) ou sous forme plus complexe pour un usage prédictif de simulation en ligne et aide à la décision pour optimiser l’ozonation (voir figure 4 une vue de cette feuille de calcul).
Proposer une méthodologie pour réhabiliter/optimiser un système d’ozonation existant
Une méthodologie est proposée pour optimiser la mise en œuvre de l’ozonation sur une station de traitement existante. Cette approche est présentée dans l’encadré 2. L’outil Ozonor-Bromates de simulation des performances de l’ozonation et formation de bromates associées, présenté précédemment, est utilisé pour : l’évaluation des CT nécessaires en oxydation et désinfection de cibles identifiées, l’évaluation des risques de formation des bromates et l’édition des consignes de traitement (étapes 4, 5 et 6 de la méthodologie).
Cette méthodologie de gestion de l’ozonation a été appliquée sur une quinzaine de sites de production exploités par le Groupe Suez Environnement.
Des consignes simples d’exploitation (régulation de consigne d’ozone résiduel à appliquer en sortie de contacteur, ou régulation au CT) ont été fixées, pour, à la fois respecter les objectifs d’oxydation, de désinfection et garantir le respect de la norme en eau traitée de 10 µg/l de bromates.
Conclusions et perspectives
L’ozone est un oxydant puissant et efficace en pré-traitement pour améliorer les performances de la clarification, et/ou en affinage pour agir sur l’oxydation de pollutions organiques et l’inactivation de micro-organismes.
L’évolution réglementaire sur le paramètre Bromates, auparavant limité à 25 µg/l a mené les traiteurs d’eau à revoir avec précisions les objectifs de l’ozonation, et optimiser la mise en œuvre de ce pro-
Méthodologie proposée pour réhabiliter l’ozonation sur une filière existante
La méthodologie suivante est proposée pour optimiser la mise en œuvre de l’ozonation sur une station de traitement existante de façon à revisiter les objectifs visés pour l’ozonation et garantir une eau traitée conforme à la réglementation concernant les bromates.
Elle est entre autres basée sur l’utilisation de l’outil Ozonor-Bromates de simulation des performances de l’ozonation (en désinfection et oxydation de cibles déterminées) et de la formation de bromates associée.
- 1. Identification des enjeux liés à la qualité de l’eau brute.
- 2. Caractérisation de la filière de traitement – évaluation du degré d’élimination des matières organiques, micropolluants et micro-organismes (cibles) lors des étapes antérieures.
- 3. Détermination des objectifs de traitement d’ozonation pour les cibles visées.
- 4. Évaluation du CT d’ozonation nécessaire en oxydation et désinfection selon les variations de température de traitement – évaluation du degré d’élimination des micro-organismes (cibles).
- 5. Évaluation du risque de formation de bromates selon plages de qualité d’eau et de production ; actions possibles sur pH et/ou neutralisation du résiduel d’ozone en sortie contacteur.
- 6. Définition des aménagements structurels (points d’injection, mode de transfert, cloisonnement du contacteur…) et des consignes d’ozonation et ajustements (pH, neutralisation des résiduels) pour atteindre les objectifs d’oxydation et de désinfection et maîtriser la formation des bromates.
- 7. Mise en œuvre des consignes d’ozonation (détermination de la demande en ozone, dose à appliquer, mesure et contrôle du résiduel).
- 8. Mise en place de régulation et d’automatisation.
Le procédé est déjà en place ou en projet sur les stations de production d’eau potable. Les évolutions technologiques apportent des solutions de mise en œuvre de l’ozone performantes et de consommation d’énergie maîtrisée.
Un outil de simulation de l’ozonation et du risque de formation de bromates, issu de projets R&D, permet d’édicter des consignes et recommandations pour maîtriser les bromates (contrôle du CT en fonction de la température, du taux de bromures, acidification, neutralisation du résiduel d’ozone en sortie contacteur…).
Basée sur l’utilisation de cet outil prédictif et d’aide à la décision, une méthodologie simple de gestion de l’ozonation est proposée aux exploitants des stations d’ozonation existantes, pour garantir en permanence la fiabilité de la filière de traitement vis-à-vis des objectifs visés par l’ozonation (désinfection, oxydation) et assurer la conformité de l’eau traitée vis-à-vis de la réglementation en vigueur.
Cette méthodologie est en cohérence avec l’approche d’évaluation quantitative du risque sanitaire recommandée par l’AFSSA et l’OMS.
En cas d’objectif élevé de désinfection d’organismes pathogènes résistants tels que Cryptosporidium et d’un risque fort de formation de bromates, une combinaison des procédés d’ozonation et de rayonnement UV peut être pertinente. Des exemples d’application à échelle industrielle sur des usines en région parisienne traitant des eaux souterraines et de surface seront ainsi présentés dans une prochaine publication.
Références bibliographiques
- * AFSSA (2002), Rapport sur les infections à protozoaires liées aux aliments et à l’eau : évaluation scientifique des risques associés à Cryptosporidium sp. In : Agence Française de Sécurité Sanitaire des Aliments.
- * ASTEE (2008), Maîtrise de la qualité de l’eau dans les réseaux de distribution. Nature et origine des problèmes de qualité. Aspects microbiologiques : Association Scientifique et Technique pour l’Eau et l’Environnement.
- * AWWARF Report (1997), Formation and Control of Brominated Ozone By-Products.
- * Croué J.-P. et al. (1996), Parameters Affecting the Formation of Bromate During Ozonation, Ozone Science and Engineering, 18, 1.
- * Do-Quang et al. (2002), Bromate Formation Control During Ozonation : Results From Full Scale Water Treatment Plants. Proceeding International Conference on Ozone, Ultraviolet Light, Catalytic, Synergic and Advanced Oxidation Processes in Water Sanitation. IOA – EA3G Aquatech. 1-4 October, Amsterdam, The Netherlands.
- * Do-Quang Z. et al. (1999), Use of CFD Modeling & Simulation Tools for the Design of Different Ozone Contacting Systems, 14th Ozone World Congress IOA, Dearborn, MI, USA.
- * Do-Quang Z. et al. (1999), Innovative Design for Enhanced Cryptosporidium Removal in a 60 MGD WTP : Use of CFD Modelling and Full-Scale Data, WOTC Tampa.
- * Haag W. R. and J. Hoigné (1983), Ozonation of Bromide-Containing Waters : Kinetics of Formation of Hypobromous Acid and Bromate, Environ. Sci. Technol., 17, No. 5.
- * Jaeger Y. et al. (2008), Optimisation de la désinfection par un meilleur pilotage de l’ozonation ; Acte Congrès JIE, Poitiers, p. 16, sep.
- * Jaeger Y. et al. (2009), Disinfection optimization by a better control of ozonation process. Water Sc & Technology, 9.6, p. 699.
- * Krasner S., W. Glaze, H. Weinberg, and P. Daniel (1993), Bromate Occurrence and Control: Pilot- and Full-Scale Studies, Proceedings of the AWWA Annual Conference, San Antonio, Texas, June 6-10.
- * Loret J.-F., Bahria N., and Bosset C. (2008), Application of the ISO 22000 standard : lessons from the field. Drinking Water Safety International 1-9-11.
- * Loret J.-F., Robert S., Bosset C., and Conan M. (2007), Application of quantitative microbial risk assessment to establish critical limits in a water safety plan. In The European symposium on waterborne pathogens in surface and drinking waters. Luxembourg : Centre de Recherche Gabriel Lippmann.
- * Macler B. A., and Regli S. (1992), Use of microbial risk assessment in setting U.S. drinking water standards. In : USEPA, Office of Water.
- * Masschelein W. J. (1992), Processus unitaire du traitement de l’eau potable. Éditions CEBEDOC.
- * Medema G., Teunis P. F. M., Blokker E. J. M., Deere D., Davison A., Charles P., and Loret J.-F. (2007), WHO Guidelines for drinking water quality, Risk assessment of Cryptosporidium in drinking water. Geneva : WHO.
- * Mémento Technique de l’Eau (2005), Dixième édition. Degrémont Suez, Lavoisier.
- * MicroRisk (2007), Quantitative Microbial Risk Assessment in the Water Safety Plan. In Report for the European Commission under the Fifth Framework Programme, Theme 4 « Energy, environment and sustainable development » (contract EVK1CT200200123).
- * Roustan M., Z. Stambolieva, J.-P. Duguet, O. Wable, and J. Mallevialle (1991), Influence of Hydrodynamics on Giardia Cyst Inactivation by Ozone, Ozone Science and Engineering, Journal of the International Ozone Association, 3, No. 4.
- * Roustan M. et al. (1996), Bromate Ion Formation : Impact of Ozone Contactor Hydraulics and Operating Conditions, Ozone Science and Engineering, 18, 87.
- * Roustan M. (2003), Transferts gaz-liquide dans les procédés de traitement des eaux et des effluents gazeux. Éditions TEC&DOC.
- * Stanley B. T. (1993), Electrolytic Ozone Generation and its application in pure water systems. Proceedings of the Eleventh Ozone World Congress, San Francisco.
- * Vezzil G. et al. (2007), Evolution of Industrial Ozone Generation : Proceedings of the International Congress of Ozone and Ultraviolet Technologies, Los Angeles, pp. 1417-1432.
- * Von Gunten U. and J. Hoigné (1994), Bromate Formation during Ozonation of Bromide-Containing Waters : Interaction. Ozone and Hydroxyl Radical Reactions, Environ. Sci. Technol., 94, No. 7.
- * Von Gunten U. (2000) and A. Laplanche, Oxidation and Disinfection with Ozone, an overview, Fundamental and Engineering Concepts for Ozone Reactor Design, Specialized IOA Symposium, Toulouse, France, March 1-3.
- * WHO (2004), Guidelines for drinking water quality, Third edition, Vol. 1, Recommendations. Geneva : World Health Organization.