Ozone : réalités et perspectives

Les perspectives de l'utilisation de l'ozone sont liées essentiellement à son usage dans les procédés d'oxydation avancée (AOP) et comme inhibiteur de la production des boues biologiques dans les installations de traitements des eaux usées avec système à boues activées.

Réalité : les applications consolidées

Aujourd’hui, l’ozone est principalement employé dans la préozonation des eaux potables, dans l’élimination de la couleur, des tensioactifs et du COD résiduel des eaux usées industrielles, dans la désinfection d’eaux à usage pharmaceutique, électronique et alimentaire et dans la réutilisation industrielle ou agricole des eaux épurées. Les avantages principaux dérivant de l’utilisation de ce gaz sont dus à son fort pouvoir oxydant, au manque de production de boues ou de concentrés, à la capacité de dégrader les polluants, à l’absence de pollutions secondaires, à la capacité d’améliorer les caractéristiques générales des eaux, augmentant la biodégradabilité, à l’élimination de la salinité de l’eau traitée, à la possibilité d’obtenir même une eau usée désinfectée (dans les traitements ayant comme but d’oxyder des substances organiques), à la capacité d’éviter des phénomènes de corrosion et de fermentation grâce à une forte action désinfectante et oxygénante, à la flexibilité de dosage et à la simplicité de l’installation, qui réduisent au minimum les coûts d’exploitation et le contrôle opérationnel.

Les perspectives de l'utilisation de l'ozone sont liées essentiellement à son utilisation dans les procédés d'oxydation avancée (POA) et comme inhibiteur de la croissance des boues biologiques dans les installations de traitements des eaux usées avec système à boues activées.

AOP, systèmes d’oxydation avancée

Par procédés d’oxydation avancée l’on entend des procédés qui, combinant la lumière ultraviolette et des oxydants particuliers comme le O3 et le H2O2 en présence ou non de catalyseurs, génèrent des radicaux hydroxyles. Le potentiel d’oxydation du radical hydroxyle, qui est  2,8 V, est plus élevé que les potentiels spécifiques des différents oxydants ayant participé à sa formation. Ce composé oxydant a une durée de vie extrêmement réduite et est en mesure d’oxyder des composés organiques par extraction des ions hydrogènes

HO.  +  RH    >>>    R.  +  H2O

générant ainsi des radicaux organiques qui, réagissant avec l’oxygène moléculaire présent, portent à la formation de radicaux peroxydes.

R.  +  O2    >>>  RO.2

Ces intermédiaires de réaction activent une propagation de radicaux d’oxydation ayant comme produits finaux de réaction l’anhydride carbonique et des sels inorganiques.

HO.  +  RX >>>  RX.+  OH-

Les AOP qui utilisent l’association O3/UV et O3/H2O2 sont des procédés d’oxydation avancée utilisés le plus fréquemment pour détruire effectivement les substances toxiques et réfractaires, les bactéries et les virus dans l’eau, pour obtenir le blanchiment et la décoloration dans l’industrie papetière. Leur efficacité de réaction est supérieure à celle de chaque procédé qui les constitue, à condition que dans la phase de projet des réacteurs l’on tienne compte du fait que l'ozone est un gaz faiblement soluble et que son contact avec les autres oxydants est de ce fait  extrêmement important. Ces procédés s’appliquent à l’élimination de: phénols, chlorophénols, acides humiques et fulviques, composés halogénés, aldéhydes et oxyacides, composés aromatiques et hétérocycliques complexes, BTX, VOC, etc. Ces derniers au moyen de systèmes d’oxydation en phase catalytique à sec.

Destruction des boues biologiques

Dans les 20 dernières années, de nombreux progrès ont été accomplis dans le domaine de l’épuration des eaux usées et, en particulier, dans la gestion des boues biologiques. Cependant, à l’heure actuelle, les coûts pour le traitement des boues représentent encore un poste économique particulièrement important dans le cadre de la gestion des eaux usées, atteignant dans certains cas  50%, et parfois même 60%, du total des coûts de traitement des eaux. En ce qui concerne l’élimination finale des boues, les solutions actuellement suivies (essentiellement le confinement dans une décharge contrôlée, mais aussi l’incinération dans des installations de thermodestruction pour déchets ou cimenteries, ou encore l’utilisation en agriculture) doivent respecter des limites de restriction imposées par la réglementation en vigueur en la matière, comportant des coûts élevés. Par conséquent, la gestion des boues d’épuration peut être considérée, à juste titre, comme un problème loin d’être résolu. Une contribution utile à la solution du problème est sans aucun doute fournie par l’étude des technologies alternatives de traitement résultant plus efficaces et moins coûteuses, mais en même temps par l’application de stratégies permettant la réduction de la production de boues et surtout de boues biologiques, dont certaines sont déjà utilisées avec succès dans des installations. Ces stratégies peuvent être regroupées en deux classes principales : celles qui agissent par désintégration et celles qui sont finalisées à la diminution du rendement de croissance bactérienne. Dans le cadre de la première classe, différentes expériences ont été effectuées, essentiellement à l’échelle pilote ou en laboratoire, sur l’utilisation de l’ozone pour l’oxydation partielle de la boue biologique prélevée du courant de recirculation à partir du décanteur secondaire ou directement du bassin d’oxydation de la ligne eaux ou même de la ligne boues. L’application de cette technologie a permis de réduire la production de boue biologique selon des pourcentages significatifs (de 30 à 70% en moyenne), variables selon les conditions d’exploitation de l’installation et le dosage d’ozone. En même temps, des améliorations appréciables ont été relevées dans les caractéristiques de la capacité de sédimentation des boues, surtout pour ce qui est de la réduction du problème du bulking filamenteux et des mousses biologiques. L’effet de l’ozone sur la biomasse est, en premier lieu, un stress chimique au niveau cellulaire qui conduit à la lyse des bactéries les plus faibles ou déjà en partie  dégradées dans la  formation du substrat organique pour les organismes les plus forts ou de classe supérieure. En outre, les bactéries dégradées ont besoin de regénérer  leur structures cellulaires fonctionnelles (par exemple ARN et ADN); l’énergie nécessaire pour cette reconstruction est tirée de l’oxydation des matières organiques, ce qui porte à une diminution de l’énergie disponible pour la duplication. Ce stress chimique est plus intense à l’égard de certaines populations bactériennes ayant une structure plus ramifiée (filamenteuses). Cela entraîne une réduction des phénomènes de bulking et une amélioration de la qualité des boues résiduaires. La sélection de colonies bactériennes à structure plus compacte (floc), améliore le SVI (Sludge Volume Index), et par conséquent le caractère de sédimentation et de déshydratation des boues résiduaires produites. Une partie des boues en excès ou de recyclage est soumise à un traitement à l’ozone, bref mais intense. Le haut potentiel d’oxydation de l’ozone conduit à la rupture du matériel cellulaire, qui est donc métabolisé par la biomasse plus forte. L’activité biologique d’épuration n’est pas compromise dans son ensemble par ce processus, car celui-ci vise exactement à éliminer la fraction la plus faible des boues biologiques et à rendre donc plus efficace la fraction réellement active dans l’élimination des polluants. Etant donné que le matériel cellulaire provenant de la lyse des bactéries oxydées est rendu disponible comme substrat organique, il faut en tout cas tenir compte d’une légère augmentation de la charge organique en entrée dans la phase biologique, normalement compensée par les meilleures performances de l’installation. L’utilisation de l’ozone permet donc de : dégrader les structures cellulaires des organismes les plus forts de façon à ce que  l’énergie dérivant de la consommation des substances nutritives soit utilisée pour la restructuration de la cellule et non pas pour la reproduction ; provoquer une lyse dans les organismes les plus faibles ; faciliter la survie des « prédateurs » (protozoaires - métazoaires) qui métabolisent les cellules lyses ou dégradées. Par conséquent, l’utilisation ciblée de la technologie à l’Ozone pour la dégradation chimico-biologique des boues secondaires apporte les bienfaits suivants : réduction des quantités de boue à éliminer ; amélioration des caractéristiques de drainage ; réduction des coûts des produits chimiques; élimination des bactéries filamenteuses ; meilleure capacité de sédimentation.