Aspects liés à l’exploitation

Taux d’épuration

Des expériences d’exploitation actuelles montrent que la consommation spécifique d’ozone pour répondre aux exigences légales est comprise entre 0,4 et 0,7 mg O3 /mg COD, dès lors que des stratégies de régulation appropriées sont appliquées et que la nitrification fonctionne bien. La mesure de l’absorbance UV à 254 nm en entrée et sortie de l’ozonation constitue un paramètre important pour réguler la dose d’ozone de manière efficace et adaptée aux besoins. De plus, il est apparu que la dose d’ozone spécifique pouvait à nouveau être baissée à l’aide du dosage de l’ozone en 2 points (c’est-à-dire aussi bien dans la première que la troisième chambre du réacteur d’ozone). Il s’agit d’un apport d’ozone en plusieurs étapes.

Le taux d’épuration est influencé par les facteurs suivants:

La quantité d’ozone ajoutée est le paramètre déterminant pour l’exploitation. Plus la quantité ajoutée est élevée, plus la quantité d’ozone disponible pour les réactions sera élevée.

L’ozone et les radicaux OH formés ne réagissent pas seulement avec les micropolluants, mais aussi avec la matrice de fond. De ce fait, une quantité aussi réduite que possible de substances organiques doit être contenue dans les eaux usées épurées. Des variations de la teneur en matières solides dans la fourchette habituelle (5-10 mg TSS/l) n’ont pas une grande influence sur la consommation d’ozone.

Le nitrite réagit très rapidement avec l’ozone et est oxydé en nitrate. Une teneur élevée en nitrite augmente les besoins en ozone, et donc la consommation d’énergie ainsi que les coûts.

La valeur pH influence essentiellement la stabilité de l’ozone. Elle doit donc être prise en compte lors du dimensionnement du réacteur.

Exploitation et surveillance

L’efficacité d’épuration est contrôlée périodiquement à l’aide de 12 substances de référence (taux d’épuration). Pour l’exploitation quotidienne, des échantillonnages et des analyses fréquentes sont onéreux et fastidieux. C’est pourquoi des paramètres auxiliaires sont disponibles pour la surveillance (cf. Concept de surveillance de l’efficacité d’épuration). Parallèlement à l’enregistrement de la consommation d’agents d’épuration (O2, O3) et du COD, la mesure (en ligne) du CAS (coefficient d’absorption spectral) à 254 nm est également adaptée. Des appareils de mesure sont disponibles dans le commerce. Ils sont adaptés à une utilisation dans les eaux usées pour surveiller l’élimination des composés traces. La diminution du CAS corrèle aussi bien dans le cas de l’ozonation que pour les procédés de traitement au charbon actif avec l’élimination de différents composés traces. Pour la surveillance du taux d’épuration, il est donc recommandé de mesurer le CAS à 254 nm en entrée et en sortie de l’étape d’élimination des composés traces, en plus de la mesure périodique des composés traces. Des mesures périodiques d’échantillons composites fournissent également des informations sur l’élimination des composés traces, de manière alternative à une mesure en ligne de la valeur CAS (expériences faites avec la mesure de CAS). Globalement, une combinaison de l’analyse des éléments traces et des signaux en ligne permet de s’assurer que les installations répondent aux exigences fixées en matière de taux d’épuration.

Grâce à une mesure de la concentration d’ozone dans l’air sortant, une augmentation soudaine de la concentration d’air sortant peut fournir des indications sur l’état de fonctionnement (causes possibles: temps de pluie, modification de la raréfaction de l’ozone dans les eaux usées, etc.). Ce paramètre concerne principalement des modifications relatives et non des valeurs absolues. L’information est beaucoup moins sensible que la mesure de l’absorbance UV, par exemple. L’enregistrement d’indicateurs d’exploitation conventionnels permet de tirer des conclusions approximatives sur l’exploitation de l’étape d’élimination des micropolluants. Les indicateurs d’exploitation suivants peuvent être utilisés: (i) quantité d’eaux usées traitées (total journalier), (ii) consommation d’oxygène (quantités mensuelles et remplissage du réservoir), (iii) consommation d’énergie électrique (total mensuel), (iv) dosage quotidien moyen (en mg d’ozone / litre), (v) heures d’exploitation du générateur d’ozone (total mensuel), (vi) perturbations et mises hors service (description). Les paramètres d’exploitation conventionnels sont saisis de manière régulière. Une évaluation basée sur ces seuls paramètres d’exploitation est toutefois trop peu précise. Une combinaison avec une autre méthode est donc nécessaire.

Consommation de ressources et impacts sur l’environnement

L’ozonation nécessite de l’oxygène (sous forme d’oxygène liquide livré ou produit à partir de l’air environnant) et de l’électricité (surtout pour la production d’ozone et la destruction de l’ozone résiduel).

L’ozone est produit dans le générateur d’ozone par une décharge électrique silencieuse à partir d’oxygène (O2). L’oxygène provient soit de l’air ambiant (qui contient environ 21% d’O2) ou d’oxygène pur (degré de pureté de 98% à >99.5%). Deux variantes sont disponibles lors de la mise en œuvre technique:

L’ozone peut être produit à partir d’oxygène liquide de manière centralisée et livré sur le site d’intervention par le biais de citernes. Plus aucune énergie n’est ensuite nécessaire sur site au niveau du gaz. Mais lors d’une évaluation globale, la production d’oxygène (0.8 kWh/kg O2) et le transport (0.05 kWh/kg O2) sont pris en compte.

L’oxygène peut également être produit sur site, par exemple avec une adsorption à modulation de pression (PSA = Pressure Swing Adsorption) ou une adsorption à pression alternée sous vide (VPSA). Ce faisant, l’air ambiant est comprimé par des tamis moléculaires qui éliminent l’azote (N2) de l’air (et augmentent de ce fait la concentration en oxygène). Lors de ce procédé, l’air ambiant doit être comprimé. Le besoin en énergie dépend de la taille de l’installation et de la pression requise.

Lors d’une ozonation, le plus grand consommateur d’énergie est le générateur d’ozone. L’énergie électrique amenée étant transformée à près de 90% en chaleur, le générateur doit être refroidi en permanence. Les rejets thermiques peuvent être récupérés et exploités pour chauffer les bâtiments de production, par exemple. La consommation d’électricité des générateurs d’ozone est d’environ 10 kWh/kg O3 (la consommation d’électricité est probablement plus basse sur les grandes installations optimisées). Après le destructeur d’ozone résiduel, la majeure partie de l’air sortant est composé d’oxygène et peut en principe être utilisé dans la biologie (respecter les consignes de sécurité, la pression et veiller au système d’alimentation).

Dans le projet «Stratégie Micropoll», la consommation d’énergie supplémentaire d’une ozonation a été calculée pour quelque 40 stations d’épuration en supposant que l’oxygène liquide était livré et que l’ozonation était réalisée avec une dose d’ozone spécifique de 0.75 g O3/g COD. Il en résulte, en moyenne, une consommation d’électricité supplémentaire de 0.06 kWh/m3 (sans filtration sur sable).

Protéger les eaux en respectant le climat

Lors de l’ozonation, la consommation d’électricité sur place pour produire l’ozone et la fabrication d’oxygène liquide sont les deux facteurs ayant le plus grand impact environnemental. Une stratégie de régulation/commande peut toutefois réduire la consommation d’ozone et donc d’électricité. Il est par ailleurs important que le traitement biologique soit le plus efficace possible et que pratiquement aucun nitrite ne parvienne dans l’ozonation. La diminution des frais de matériau pour l’infrastructure a une moindre importance.

Empreinte CO2 du modèle de niveau de substance à l’état de trace pour les installations d’ozone en utilisant les hypothèses du rapport « Protéger les cours d’eau en respectant le climat », ainsi que diverses mesures modélisées visant à réduire l’impact environnemental; HW = station de pompage.

Vous trouverez ici des conseils supplémentaires sur le renforcement de l’efficience énergétique dans les installations visant à éliminer les micropolluants.

Coûts

Les coûts d’exploitation d’une ozonation reposent principalement sur la consommation d’ozone. Cela implique donc des coûts pour le gaz porteur (p. ex. électricité pour le séchage de l’air ou la production d’oxygène ou pour l’achat de l’oxygène), ainsi que pour la production d’ozone (électricité, voir également le paragraphe «Consommation de ressources»). Les coûts d’exploitation dépendent aussi fortement de la situation locale. Il n’est donc pas possible, ici non plus, de fournir des indications de coûts précises.

Les coûts d’investissement d’une ozonation reposent principalement sur la construction du réacteur ainsi que sur l’équipement électromécanique (p. ex. générateur d’ozone, chauffage, ventilation, climatisation). Les coûts d’investissement ont été évalués pour différentes tailles de stations d’épuration dans une étude datant de 2008 (Hunziker-Betatch) et ont été contrôlés et adaptés en 2012 (BG). Les coûts d’investissement spécifiques dépendent plus particulièrement de la taille de l’installation et de la redondance des éléments. Mais dans certains cas, d’autres facteurs tels que les réserves foncières, les fondations, l’infrastructure existante, la composition des eaux usées, etc., jouent aussi un rôle important. Il est donc encore impossible de fournir des indications de coûts précises dans ce domaine.