Les techniques de désinfection de l’eau sont de plus en plus variées, que l’on pense à l’ajout de produit chimique comme le métabisulfite de sodium ou le chlore et ses dérivés, ou que l'on pense à des techniques physiques comme  l'irradiation UV chacune d’entre elles présente des avantages et des faiblesses. Toutefois, il existe une technique de désinfection qui se démarque des autres par ses forces et sa polyvalence : l’ozonation.

Dans cet article, nous abordons le sujet de l’ozone de sa fabrication, son fonctionnement, ses utilisations et bien plus. Vous trouverez d’ailleurs à la fin de l’article des graphiques comparant les coûts (CAPEX & OPEX) associés à différente situation d’ozonation.

Qu'est-ce que l'ozonation

Dans le secteur du traitement d’eau, l’ozonation est une technique de désinfection chimique. Donc, l’ozonation vient s’attaquer aux organismes pathogènes afin de les désactiver ou les détruire, et ainsi empêcher la propagation de maladies d’origine hydriques. De façon très simple, il suffit d’ajouter de l’ozone à l’eau afin de permettre à celle-ci d’aller attaquer les contaminants et assainir l’eau.

Comment l'ozone fonctionne?

Pour commencer, l’ozone est un gaz instable se constituant de 3 atomes d’oxygène. Ayant un pouvoir oxydant très puissant et possédant la qualité de virucide, l’ozone assainit l’eau grâce à 4 mécanismes de désinfection :

1. Oxydation directe : L’ozone s’attaque directement aux murs de la cellule. En détruisant les parois cellulaires, des fuites de constituant cellulaire surviennent et « tue » l’organisme contaminant.
2. Réaction avec les radicaux des produits dérivés due à la décomposition de l’ozone. Lorsque la molécule d’ozone se décompose, des radicaux d’hydroxyle sont créés. Cette espèce d’oxygène est considéré comme l’une des plus réactives et s’attaque aux molécules organiques afin de les oxyder.
3. L’endommagement des acides nucléiques et de leurs composés tels les purines et pyrimidines. L’ozone va donc aller s’attaquer à l’ADN et l’ARN se trouvant dans l’eau à traiter.
4. Dernièrement, l’ozone peut venir rompre les liens carbone-azote entre la molécule de polymère afin de les rendre monomères. C’est ce qu’on appelle la dépolymérisation. D’ailleurs, la dépolymérisation est un procédé vaguement utilisé dans le recyclage.

Puisque le procédé d’ozonation opère sous ces quatre mécanismes, l’ozone présente des capacités de désinfection beaucoup plus variée que d’autres types de traitement. Fait saillant, l’ozone est considéré comme étant l’oxydant le plus puissant sur terre et est censé être jusqu’à 3000 fois plus puissant que le chlore.

Quelles sont les utilisations de l'ozone en traitement des eaux?

On retrouve le procédé d’ozonation dans bien des secteurs industriels lorsqu’on parle du traitement des eaux. Qu’il soit utilisé en tant que traitement secondaire ou qu’il soit un traitement additionnel pour assurer une désinfection optimale des eaux usées industrielles, l’ozonation assure un traitement optimal de l’eau.

Les secteurs où l’utilisation de produit chimique est interdite ou non conseillée sont ceux où l’on retrouve le plus souvent l’utilisation de l’ozone comme produit désinfectant. On peut penser à l’industrie alimentaire, certaine pharmaceutique ou les lignes de production de conducteurs/produit électronique. Cela s’explique par le fait que l’ozone se décompose rapidement et ne laisse pas de résidu.

Quelques avantages liés à l'utilisation de l'ozone

Comme nous l’avons précisé plus haut, l’ozone possède un pouvoir oxydant jusqu’à 3000 fois plus puissant que celui du chlore. Grâce à cette qualité, l’efficacité de traitement contre les virus et les bactéries est de loin supérieure à celle du chlore. En plus d’être très puissant, la rapidité à laquelle s’effectue le traitement à l’ozone est relativement courte. En fonction du type de contaminants à oxyder, le temps de contact nécessaire à l’ozone pour traiter l’eau est d’environ 10 à 30 minutes. Contrairement à bien des techniques de désinfection, aucun résidu dangereux ne provient du procédé d’ozonation puisque l’ozone se décompose rapidement..

En référence à sa décomposition rapide, l’ozone ne peut être transporté ou entreposé, c’est pourquoi il faut des générateurs à l’endroit d’utilisation. Bien que cela puisse paraitre comme étant une embuche, cela présente l’avantage de diminution des risques liés aux maniements et l’entreposage de produits chimiques.

Ensuite, au contraire d’autres types de désinfection, après l’ozonation, il n’y a pas de recontamination bactérienne due à la manière que l’ozone détruit les contaminants présents dans l’eau.

Finalement et non le moindre, l’ozonation vient augmenter la quantité d’oxygène dissout présent dans l’eau. En faisant ainsi, l’ozone peut vous permettre d’éviter l’ajout d’une étape d’aération avant le déversement des eaux.

Quelques désavantages de l'ozonation

Pour commencer, le pouvoir oxydant de l’ozone étant si puissant que des équipements spéciaux qui présentent une résistance accrut à l’oxydation est nécessaire afin de minimiser les risques de corrosion ou d’usure prématurée.

De plus, la complexité du processus d’ozonation nécessite des équipements à la fine pointe de la technologie afin d’assurer un bon dosage, un temps de contact optimal et un traitement efficace. Sans l’utilisation des bons équipements ou l’ajout d’une concentration trop faible d’ozone, le traitement peut se voir inefficace à l’égard de certains contaminants. D’ailleurs, l’ozone est un gaz très irritant et peut être toxique ce qui fait qu’en cas de fuites, mineures ou non, des complications peuvent survenir.

Enfin, l’ozonation n’est pas économiquement efficace pour le traitement des solides en suspension, BOD/COD Enfin, l’ozonation n’est pas économiquement efficace pour le traitement des solides en suspension, des BOD/COD et des carbones organiques totale. Bien que l’ozone aurait en théorie la capacité de traiter ces contaminants, l’option serait beaucoup trop coûteuse pour être financièrement viable. Ultimement, ces systèmes coûtent cher à l’achat, c’est pourquoi il est primordial d’opter pour une solution optimiser en fonction des besoins de l’entreprise, sans quoi, des dépenses inutiles peuvent survenir.

Comment l'ozone est créé

Comme nous l’avons précisé plus haut, l’ozone doit être fabriqué à l’endroit où son utilisation prendra place. De ce fait, plusieurs techniques ont vu le jour afin de permettre la production continue et constante de ce gaz.

Quels sont les types de générateurs d'ozone

Il existe trois types de générateur d’ozone fonctionnant sous trois principes différents : UV, décharge de corona et électrolytique. Chacune de ces technologies propose des avantages et des désavantages, et ce, en fonction de diverses situations.

Générateur d'ozone par rayonnement ultraviolet

La production d’ozone par UV se fait à partir de l’air ce qui fait que la capacité de production de ces générateurs est généralement très basse puisque les molécules d’air (O2) ne peuvent pas produire plus de 1% de leur poids en ozone. L’utilisation de l’ozone dans les systèmes de traitement d’eau étant généralement plus demandant que ce que les générateurs à UV peuvent fournir, ils sont rarement utilisés. On peut toutefois les voir installer sur des systèmes de traitement à haut débit ayant besoin d’une très faible concentration d’ozone. En revanche, ce type de générateur peut devenir un fardeau financier si la production dépasse les 10 grammes d’ozone à l’heure.

Peu importe le type de générateur d’ozone, le principe de création de ce gaz reste le même. Ce principe consiste en la séparation des molécules d’oxygènes (O2) en atomes d’oxygène individuels (O). Lorsqu’elles sont seules, les atomes d’oxygène sont très instables et s’agite brusquement jusqu’à rentrer en collision avec d’autres atomes d’oxygène et s’agglomérer ensemble pour former du O3.

Bien que les longues ondes UV (315-400 nm) aient la capacité de séparer les atomes d’oxygène pour créer de l’ozone, ce sont les ondes courtes (160 nm) qui sont les plus efficaces et qui permettent la production raisonnable d’ozone. Sous le même principe que l’irradiation UV, les ondes ultraviolettes viendront s’attaquer aux liaisons covalentes de l’oxygène afin de les briser. Une fois séparés, les ions se retrouvent seuls et veulent maintenant « s’attaquer » entre eux et se lieront à nouveau sous la forme d’ozone.

Générateur d'ozone par décharge de corona

Pour commencer, une décharge de corona  c’est une décharge gazeuse dont la géométrie restreint le processus d’ionisation des gaz autour des électrodes actives. Lorsque la décharge de corona est activée, l’oxygène se retrouvant entre les matériaux diélectriques est ionisé. Cette ionisation vient briser les liaisons covalentes des atomes d’oxygène et accélère leur mouvement. Des collisions surviennent donc entre ces atomes et l’ozone est produit à la suite de cette réaction.

Pour fonctionner, les générateurs d’ozone à décharge de corona doivent posséder des électrodes, un matériel diélectrique, un espace où les décharges sont produites et une alimentation en oxygène. Cette alimentation peut provenir d’un compresseur à proximité, d’un générateur d’oxygène ou de bouteille d’oxygène. Les générateurs d’ozone à décharge de corona sont les plus répandus dans le secteur du traitement d’eau puisqu’ils permettent la production d’ozone à des niveaux très élevés. Par exemple, la série Ozonia XF peut produire plus de 250kg/h d’ozone.

Bien que ces systèmes soient très efficaces, ils produisent énormément de chaleur. Il faut donc s’assurer que les températures environnantes ne viennent pas affecter l’efficacité de l’ozonation puisque l’ozone est grandement impacté par une température trop élevée.

Générateur d'ozone électrolytique

Lorsque le choix s’arrête sur un générateur d’ozone électrolytique, l’ozone est produit directement à partir de l’eau, ce qui signifie qu’aucun ajout d’O2 n’est nécessaire. Pour ce faire, une décharge électrique est utilisée dans l’eau afin de séparer les molécules d’H2O pour former des molécules d’H2 + O2. Ensuite, à l’aide de catalyseur, d’anodes et de cathodes, l’O2 est séparé à nouveau pour former des atomes d’oxygène seul. Une fois sous sa forme individuelle, les atomes d’oxygène s’activent et ensemble pour former de l’O3. Par contre, pour fonctionner efficacement, l’eau ne doit posséder aucune contamination. Autrement dit, il faut de l’eau ultra pure pour permettre la transition entre H2O -> H2 + O3.

Malgré que l’étape d’ajout d’oxygène soit soustraite, les générateurs d’ozone électrolytique sont très énergivores du fait qu’ils procèdent à plusieurs réactions pour parvenir à la production d’ozone. D’ailleurs, même si leur conception est compacte, la durée de vie des anodes / cathodes est relativement courte, ce qui augmente drastiquement les coûts d’entretien et d’opération.

Les coûts associés à l'ozone

Nous en avons parlé quelques fois durant cet article, l’ozonation est une technologie de traitement de l’eau très efficace, mais elle est loin d’être la plus abordable. Bref, afin de mieux vous éclairer sur les coûts associés à cette technologie, nous vous avons concocté quelques graphiques vous permettant d’estimer ces coûts.

À combien peut-on estimer les coûts d'achat et d'utilisation d'un générateur d'ozone?

Avant de commencer, il est important de préciser que le prix d’un système d’ozone et de son utilisation dépend fortement de la situation à laquelle il sera confronté. La qualité d’eau, le but de son utilisation, les quantités requises et le prix des dépenses sous-jacentes auront un impact important sur le prix final.

Comment calculer la quantité d'ozone nécessaire

Même si nous l’avons précisé plus haut, nous prenons le temps de revenir sur le sujet des concentrations d’ozone nécessaire pour le traitement d’eau. Il est important de préciser que l’ozone n’est pas préférentiel, ce qui fait que l’ajout de ce gaz ira oxyder tous les contaminants présents dans l’eau. De ce fait, plus l’eau est contaminée, plus la concentration d’ozone doit être importante.

À titre d’exemple, pour être oxydé, le fer nécessite environ 0,2 à 0.5mg/l d’ozone. Pour le manganèse, c’est 0,88mg/l. Et finalement, le sulfite d’hydrogène nécessite 3mg/l. Ce qu’il est important de comprendre aussi est que puisque l’ozone se décompose rapidement, il est idéal d’ajouter 25% à la production. De plus, les changements de température de l’eau viendront affecter grandement l’efficacité du traitement. Donc si votre ligne d’eau est sujette à des changements drastiques, il faut prendre cela en compte.

Autrement dit, pour savoir exactement la quantité d’ozone nécessaire à votre traitement, il faut faire l’analyse de l’eau.

À partir du moment où vous connaissez vos besoins en ozone, la formule suivante vous permet de calculer vos besoins relativement en génération d’ozone.

• (mg/L x L/h) + 25%

Exemple de situation : besoin de 8mg/L d’ozone avec un débit de 50gpm

• 50 gpm = (50 x 3.78) x 60 = 11 340 litres à l’heure
• 8 mg/L x 11 340 = 90 720mg/h + 25%
• 113 400 / 1000 = 11,34 g/h d'ozone

Bref, dans le graphique ci-dessous, vous trouverez les coûts relatifs à 3 générateurs d’ozone à décharge de corona. Chacun d’entre eux présente une capacité de production variable, mais fonctionne tout sous le même principe.

En ce qui a trait au coût d’opération, les générateurs d’ozone consomment relativement beaucoup d’énergie. Ce qui signifie que le prix de votre électricité aura un impact sur l’OPEX annuel de votre système. Outre cela, il faut parfois changer certaines pièces et cela nécessite généralement l’intervention de techniciens formés. Bref, voici une estimation des coûts opérationnels en fonction du type de générateur choisi. Dans cette estimation, les systèmes sont fonctionnels 24/7 :

Un petit rappel

Donc comme nous l’avons vue, l’ozonation est un procédé de désinfection particulièrement efficace : des concentrations de 2mg/L sont suffisantes pour désinfecter une eau prétraitée. Bien qu’ils soient relativement dispendieux, ces systèmes présentent des avantages variés et sont très utilisés dans maints secteurs industriels.

Nous jugeons important de rappeler que l’ozone est un gaz corrosif et que les systèmes de génération d’ozone, peu importe le modèle, sont des systèmes très spécialisés et présentent des caractéristiques pouvant être dangereuses pour la santé et la sécurité. C’est pourquoi nous conseillons de ne pas travailler sur ces équipements sans avoir eu des formations précises.

D’ici là, nous vous rappelons que si vous avez des questions quelconques relativement aux technologies de traitement d’eau ou tout autre sujet adjacent, nous nous ferons un plaisir d’y répondre. N’hésitez donc pas à nous écrire en privé ou en commentaire.