Élimination efficace des micropolluants avec un système d'ozone modulaire

Résultats positifs de l'utilisation pratique dans une station d'épuration

Élimination efficace des micropolluants avec un système d'ozone modulaire

En raison de la nouvelle directive européenne sur les eaux usées urbaines, de nombreuses stations d'épuration devront intégrer une étape de traitement supplémentaire pour éliminer les micropolluants. Selon l'état de la technique et les expériences pratiques, l'ozonation suivie d'une étape de filtration offre l'un des traitements quaternaires les plus efficaces pour répondre aux nouvelles exigences. La solution système modulaire présentée ici permet de réagir de manière flexible aux fortes variations des volumes et des compositions des eaux usées. Les stations d'épuration peuvent ainsi atteindre les mêmes résultats de traitement, voire meilleurs, avec moins d'efforts et des coûts d'exploitation réduits par rapport aux installations d'ozone traditionnelles.

Nouvelle directive sur les eaux usées urbaines

Il est prévu que la révision de la directive entre en vigueur pour tous les États membres de l'UE à l'automne 2024. Cet article examine les besoins en matière d'action pour les exploitants de stations d'épuration en Allemagne concernant le traitement quaternaire des eaux usées. L'article 8 de la nouvelle directive définit les exigences pour l'élimination des micropolluants d'ici 2045 pour les stations d'épuration de classe 5 (plus de 150 000 habitants ; environ 240 stations d'épuration à l'échelle nationale) ainsi que pour les stations d'épuration de petites communes rejetant dans des eaux sensibles.

Micropolluants dans les eaux usées

Les micropolluants anthropogènes, également appelés microcontaminants ou micro-polluants, comprennent les médicaments, les produits de protection des plantes, les produits de nettoyage, les cosmétiques et les produits chimiques industriels. Dans la plupart des stations d'épuration, ces micropolluants ne sont actuellement pas ou pas complètement dégradés et retenus. Bien que les effets toxiques pour l'homme et l'environnement de certains de ces substances aient été étudiés, on sait encore très peu de choses sur les effets du "cocktail" de diverses substances présentes dans l'eau. La nouvelle directive a maintenant défini 12 substances de référence comme valeurs indicatives. En conséquence, au moins six des substances répertoriées doivent être réduites d'au moins 80 % lors du traitement des eaux usées. Parmi ces substances figurent par exemple l'analgésique diclofénac et l'agent de protection contre la corrosion benzotriazole.

Procédés d'élimination des micropolluants

L'adsorption sur charbon actif et l'ozonation combinée à une étape de filtration ultérieure sont utilisées depuis plusieurs années en Allemagne. D'autres procédés, principalement oxydatifs, font l'objet de projets de recherche mais ne sont pas encore économiquement viables pour une application dans les stations d'épuration.

L'ozonation combinée au charbon actif granulé (GAC) offre plusieurs avantages : même en cas de composition variable des contaminants, un taux d'élimination stable et élevé de plus de 80 % est atteint. Avant le traitement au charbon actif, les substances oxydables et partiellement adsorbables sont éliminées. Cela conduit à une meilleure dégradation des micropolluants et à une durée de vie nettement plus longue du charbon actif.

Défis lors du choix des installations

La solution la plus économique dépend principalement de la composition des eaux usées et de la concentration des micropolluants qu'elles contiennent. De fortes variations dans la composition de l'eau et le débit entraînent de grandes variations de la capacité d'ozonation requise.

Chaque générateur d'ozone a un point de fonctionnement optimal où les coûts d'exploitation sont minimaux. Ce point de fonctionnement optimal dépend de la performance et de la concentration en ozone ainsi que des coûts locaux d'électricité, d'oxygène et d'eau de refroidissement. Le rendement optimal en fonctionnement nominal devrait être inférieur à 8 kWh/kg d'ozone. Une modulation dynamique de la consommation d'oxygène et d'électricité en fonction des coûts locaux contribue ainsi considérablement à minimiser les coûts d'exploitation globaux.

Comparaison entre un système modulaire et une installation d'ozone traditionnelle

Les paramètres déterminants pour la conception de la quantité d'ozone requise sont les valeurs de DOC après sédimentation de 5-15 mg/l avec un taux de dosage d'ozone de 0,3-0,8 g d'ozone/g de DOC. Les temps de contact typiques se situent entre 20-30 minutes. Une attention particulière est accordée à la formation de bromate, qui sera abordée plus loin dans cet article.

La conception des installations d'ozone est généralement basée sur le débit maximal des eaux usées et la teneur maximale en DOC attendue, afin de pouvoir répondre aux exigences de réduction même en période de pointe. Cependant, cette charge de pointe est rarement nécessaire. Des études menées dans plusieurs projets pilotes par ProMinent GmbH de Heidelberg montrent que dans plus de 75 % du temps de fonctionnement des installations traditionnelles, la capacité d'ozone requise est inférieure à 50 % de la performance maximale de l'ozone. Seulement 12 % du temps de fonctionnement total nécessite la performance maximale. Les discussions avec les exploitants de stations d'épuration confirment ces résultats. Étant donné que l'efficacité d'un générateur d'ozone dépend de la performance d'ozone requise, une telle installation est quasiment surdimensionnée pour le reste de l'année de fonctionnement.

Un système modulaire fonctionne de manière nettement plus efficace en comparaison : dans le projet pilote étudié, jusqu'à 16 modules de production d'ozone autonomes peuvent être activés individuellement en fonction des besoins en ozone. En particulier en fonctionnement moyen et bas, l'installation modulaire réduit considérablement la consommation d'énergie.

Réduction significative des temps de contact

Jusqu'à présent, pour une élimination efficace des micropolluants à débit maximal, des temps de contact de 20 à 30 minutes sont courants. Cela nécessite de grands réservoirs de contact en béton et en acier, entraînant des coûts de construction élevés et nécessitant beaucoup d'espace. Le projet pilote dans une station d'épuration luxembourgeoise avec le système modulaire, en revanche, montre des résultats positifs malgré des temps de contact considérablement réduits. La composition des eaux usées, en raison des différentes sources (domestiques et industrielles), constitue un défi énorme, car elles sont organiquement et chimiquement chargées avec de fortes concentrations de bromure.

La combinaison d'un mélange efficace et d'une production d'ozone modulée en fonction des besoins est déterminante pour la performance d'élimination. Cela permet une réduction significative du temps de contact à seulement cinq minutes sans aucune perte de performance de réduction.

Résultats positifs avec le système modulaire

Les évaluations des projets pilotes en cours démontrent l'efficacité des installations d'ozone modulaires en tant que traitement quaternaire. Les systèmes combinant ozonation et charbon actif atteignent un taux de dégradation des micropolluants supérieur à 80 %. L'installation d'ozone de ProMinent GmbH utilisée dans l'exemple pratique, en combinaison avec un mélange efficace, permet une réduction significative du temps de contact. Cela entraîne des économies substantielles sur les coûts de construction et finalement aussi sur les émissions de CO2.

En fonction de la matrice des eaux usées et des exigences en matière de performance de nettoyage, le système étudié peut être ajusté de manière flexible aux fluctuations grâce aux modules activables et désactivables. La conception modulaire permet d'étendre, de remplacer ou de moderniser facilement les installations existantes. La construction extrêmement compacte permet une réduction de l'espace nécessaire jusqu'à 70 %. Les avantages mentionnés conduisent ainsi à une minimisation significative des coûts d'investissement et d'exploitation.

L'installation pilote au Luxembourg montre également un effet secondaire particulièrement positif : les eaux usées provenant de la zone industrielle contiennent du bromure. Lors du traitement par l'ozone, un bromate potentiellement nocif peut se former. Cependant, les résultats obtenus jusqu'à présent montrent que, grâce à la bonne régulation de l'installation d'ozone combinée au mélangeur à vortex pour l'injection d'ozone et à la matrice de l'eau présente, la formation de bromate peut être négligée malgré les concentrations élevées de bromure.

Bibliographie / Références

Les publications des institutions et associations suivantes ont été utilisées comme sources d'information pour cet article : UBA, BMU, KomS BW, VKU, DWA, Office fédéral des statistiques. Les enquêtes propres de ProMinent GmbH issues des projets pilotes mentionnés sont également à la base de cet article.

Auteurs: Egbert Hocke, Développeur de procédés de traitement de l'eau, et Wolfgang Matheis, Chef de produit Ozone, tous deux de ProMinent GmbH, Heidelberg.