Comment traiter les composés organiques réfractaires après une STEP biologique ?
Une station d’épuration biologique peut fonctionner correctement tout en laissant subsister une pollution organique dans l’eau traitée. Malgré une bonne élimination de la matière biodégradable, certains effluents industriels présentent encore une DCO résiduelle, des micropolluants ou des molécules organiques difficilement dégradables.
Ces substances, souvent désignées comme des composés organiques réfractaires, constituent un enjeu pour les exploitants de STEP industrielles : respect des valeurs limites de rejet, maîtrise de l’écotoxicité, amélioration de la qualité des eaux traitées ou préparation à leur réutilisation.
Lorsque les procédés biologiques conventionnels atteignent leurs limites, l’intégration d’un traitement tertiaire peut être envisagée. Parmi les technologies disponibles, l’ozonation présente un intérêt particulier pour transformer certaines molécules organiques résistantes à la biodégradation.
Encore faut-il déterminer si l’ozone permet d’atteindre l’objectif recherché, à quelle dose, avec quel rendement et en association avec quels traitements complémentaires.
Pourquoi des composés organiques subsistent-ils après une STEP biologique ?
Le fonctionnement d’une station biologique repose sur l’activité de micro-organismes capables de consommer ou de transformer une partie de la pollution présente dans les eaux usées.
Les procédés à boues activées, biofiltres ou réacteurs biologiques peuvent être particulièrement efficaces sur les matières organiques facilement biodégradables.
Cependant, toutes les molécules ne présentent pas la même sensibilité à la dégradation biologique.
Certaines substances peuvent :
- posséder une structure chimique résistante aux mécanismes enzymatiques ;
- être présentes à des concentrations trop faibles pour permettre leur élimination biologique efficace ;
- présenter des effets inhibiteurs sur les micro-organismes ;
- nécessiter un temps de séjour supérieur à celui de la STEP ;
- former des métabolites persistants ;
- être peu accessibles aux micro-organismes en raison de leur structure ou de leurs propriétés physicochimiques.
Une station peut donc présenter une élimination satisfaisante de la DBO5 tout en conservant une fraction organique résiduelle.
DCO résiduelle et DCO réfractaire : quelle différence ?
La demande chimique en oxygène (DCO) représente une mesure globale des substances oxydables contenues dans l’eau. Elle ne permet pas, à elle seule, d’identifier la nature des molécules responsables de la pollution.
La DCO résiduelle correspond à la DCO mesurée après traitement. La DCO réfractaire désigne, dans un contexte donné, la fraction qui résiste aux traitements biologiques considérés.
Il faut toutefois distinguer la matière réellement réfractaire d’une matière simplement mal éliminée en raison d’un dysfonctionnement de la STEP, d’un temps de séjour insuffisant ou de conditions biologiques défavorables.
Avant d’envisager un traitement tertiaire, il est donc important de caractériser la pollution résiduelle et de vérifier les performances de l’installation existante.
Pour approfondir le sujet, consultez notre article consacré aux solutions permettant de réduire la DCO des effluents industriels.
Quels composés organiques peuvent résister au traitement biologique ?
La nature des molécules persistantes dépend fortement de l’activité industrielle, des matières premières utilisées et des procédés de fabrication.
Composés aromatiques et phénoliques
Certains composés aromatiques substitués, phénols et dérivés phénoliques peuvent présenter une biodégradabilité limitée dans certaines conditions d’exploitation.
Leur comportement dépend notamment de leur structure, de leur concentration, de leur toxicité et de l’adaptation de la biomasse.
Colorants et molécules complexes
Les industries textiles et chimiques peuvent rejeter des molécules comportant des structures conjuguées, des cycles aromatiques ou des groupements chimiques qui rendent leur biodégradation difficile.
L’ozonation peut être particulièrement intéressante pour certains colorants, notamment lorsqu’elle provoque la rupture des structures responsables de la coloration.
Pour cette application, découvrez les procédés d’oxydation avancée appliqués aux eaux usées textiles.
Résidus pharmaceutiques et micropolluants organiques
Certains résidus médicamenteux, substances chimiques industrielles et micropolluants peuvent persister après une épuration biologique conventionnelle.
Leur élimination dépend à la fois de la réactivité des molécules avec l’ozone et des caractéristiques de l’eau à traiter.
Une diminution importante de la concentration du composé initial ne signifie pas nécessairement une minéralisation complète : des produits de transformation peuvent subsister.
Tensioactifs et additifs de fabrication
Les effluents industriels peuvent également contenir des tensioactifs, agents complexants, stabilisants, résidus de détergents et autres additifs de procédé.
Certains sont biodégradables dans des conditions adaptées ; d’autres nécessitent des traitements complémentaires. L’intérêt de l’ozonation doit être évalué individuellement selon les substances concernées.
Pourquoi l’ozonation peut-elle être intéressante après un traitement biologique ?
Le positionnement d’un réacteur d’ozonation en aval d’une STEP biologique présente un avantage potentiel : une part importante de la matière organique facilement biodégradable a déjà été éliminée.
L’ozone peut alors être utilisé pour cibler certaines substances résiduelles sans chercher à oxyder l’ensemble de la charge organique brute.
Cette approche est particulièrement intéressante lorsque le traitement biologique fonctionne correctement mais ne suffit pas à atteindre un objectif précis sur certains contaminants.
Une réaction directe avec l’ozone moléculaire
L’ozone (O3) est un oxydant capable de réagir avec plusieurs familles de composés organiques. Sa réactivité est notamment importante vis-à-vis de certaines doubles liaisons, de structures aromatiques activées et de certains groupements soufrés ou azotés.
Il peut modifier la structure des polluants et provoquer leur transformation en molécules différentes.
Une oxydation indirecte par les radicaux hydroxyles
Dans certaines conditions, la décomposition de l’ozone dans l’eau génère des espèces radicalaires, notamment les radicaux hydroxyles (•OH).
Ces espèces très réactives interviennent dans l’oxydation d’une gamme plus large de composés organiques.
L’équilibre entre les réactions directes de l’ozone et les réactions radicalaires dépend notamment du pH, de la composition de l’eau et des substances qui consomment les oxydants.
Des procédés d’oxydation avancée tels que l’association ozone/peroxyde d’hydrogène ou ozone/UV peuvent être étudiés lorsque l’ozonation seule ne présente pas une réactivité suffisante.
Transformer des molécules plutôt que rechercher systématiquement leur minéralisation
La valeur ajoutée de l’ozone réside souvent dans sa capacité à modifier une molécule pour faciliter une étape complémentaire.
Par exemple, la rupture de certaines structures aromatiques peut conduire à la formation de composés oxygénés de plus faible masse moléculaire.
Certains de ces produits peuvent être plus facilement biodégradables que les substances initiales.
Il est donc possible d’obtenir une transformation importante des polluants sans observer immédiatement une forte diminution de la DCO ou du carbone organique total (COT).
La disparition d’un polluant initial, l’amélioration de la biodégradabilité et la minéralisation complète sont trois résultats différents qu’il convient de mesurer séparément.
Quelle filière de traitement tertiaire choisir après une STEP biologique ?
L’ozonation n’est pas nécessairement une solution autonome. Plusieurs architectures de traitement peuvent être envisagées selon les objectifs et la qualité de l’effluent.
Solution 1 : STEP biologique → ozonation → rejet
Cette configuration peut être étudiée lorsque l’objectif concerne principalement la transformation de certains polluants identifiés.
Elle nécessite toutefois de vérifier la qualité finale de l’eau, les sous-produits d’oxydation, l’écotoxicité éventuelle et les exigences applicables au rejet.
Une ozonation seule en sortie de STEP ne doit pas être retenue automatiquement si la formation de produits de transformation exige un traitement supplémentaire.
Solution 2 : STEP biologique → ozonation → biofiltration
Cette configuration permet d’associer l’oxydation chimique à une étape biologique de finition.
L’ozonation peut transformer certaines molécules organiques en produits plus accessibles à la biodégradation. Le biofiltre placé en aval contribue alors à éliminer une partie des composés biodégradables formés.
Ce couplage présente un intérêt particulier lorsque l’oxydation partielle génère du carbone organique assimilable.
Il nécessite de vérifier les performances réelles du traitement biologique aval et les risques de formation de composés persistants.
Solution 3 : STEP biologique → ozonation → charbon actif
Le charbon actif peut compléter l’ozonation grâce à ses propriétés d’adsorption. Lorsqu’il fonctionne sous forme de charbon actif biologique, il peut également contribuer à la biodégradation de certains composés.
Cette configuration peut être étudiée pour assurer une finition avancée, sous réserve d’évaluer la capacité d’adsorption, la compétition entre molécules et les besoins de renouvellement ou de régénération du matériau.
Solution 4 : STEP biologique → oxydation avancée → traitement de finition
Dans certaines situations, un procédé d’oxydation avancée utilisant l’ozone peut être envisagé pour traiter des substances peu réactives vis-à-vis de l’ozone moléculaire.
Le choix entre O3 seul, O3/H2O2 ou d’autres procédés dépend de la composition de l’eau, des rendements recherchés et de la consommation énergétique et chimique.
L’intérêt d’une oxydation avancée doit être démontré par essais comparatifs plutôt que déduit uniquement de la présence de composés réfractaires.
Quels paramètres analyser avant de dimensionner une ozonation tertiaire ?
Le dimensionnement d’un traitement à l’ozone ne peut pas reposer sur la seule valeur de DCO en sortie de station biologique.
Une étude technique doit permettre d’identifier la charge réellement oxydable, les réactions concurrentes et les objectifs de qualité à atteindre.
Les analyses indispensables
- Débit moyen et débit de pointe : en m3/h ou m3/j.
- DCO : évaluation de la charge oxydable résiduelle.
- DBO5 : caractérisation de la pollution biodégradable.
- COT et COD : évaluation de la charge en carbone organique.
- pH et température : paramètres influençant les réactions.
- MES et turbidité : caractérisation des matières en suspension.
- Nitrites : substances susceptibles de consommer de l’ozone.
- Bromures : évaluation du risque de formation de bromates.
- Conductivité et alcalinité : caractérisation de la matrice.
- Micropolluants ciblés : identification et quantification des substances prioritaires.
Selon le contexte, l’absorbance UV à 254 nm, les analyses de biodégradabilité et les essais écotoxicologiques peuvent également apporter des informations déterminantes.
Le rapport DBO5/DCO est-il suffisant ?
Le rapport DBO5/DCO constitue un indicateur global de la biodégradabilité apparente d’un effluent.
Un rapport faible peut suggérer une fraction organique difficilement biodégradable, mais son interprétation doit tenir compte des conditions analytiques, des éventuelles substances inhibitrices et des caractéristiques de l’eau. Après ozonation, une augmentation du rapport DBO5/DCO peut indiquer une amélioration de la biodégradabilité. Elle ne garantit cependant pas à elle seule que le traitement complet permettra d’atteindre les objectifs de rejet.
Des essais de biodégradation complémentaires peuvent être nécessaires pour confirmer le gain réel.
Comment dimensionner un générateur d’ozone après une STEP biologique ?
Le dimensionnement doit être fondé sur des objectifs mesurables et sur la demande réelle en ozone de l’effluent.
Le principe de calcul de la masse d’ozone appliquée par heure peut s’écrire :
Masse d’ozone appliquée (g/h) = Débit d’eau (m3/h) × Dose appliquée (mg/L)
Cette égalité résulte de l’équivalence entre 1 mg/L et 1 g/m3.
Exemple indicatif pour une STEP industrielle
Considérons une station biologique rejetant 20 m3/h d’eau traitée.
- Débit d’eau : 20 m3/h.
- DCO résiduelle : 120 mg/L.
- Objectif : améliorer l’élimination d’un ensemble de polluants organiques ciblés.
- Hypothèse de travail pour un essai : dose appliquée de 10 mg/L d’ozone.
Le calcul donne : 20 × 10 = 200 g d’ozone appliqués par heure.
Cette valeur représente uniquement un bilan massique théorique correspondant à l’hypothèse de dose appliquée.
Elle ne constitue pas une dose recommandée ni un dimensionnement validé.
En pratique, il faut distinguer la quantité d’ozone produite, la quantité injectée, la fraction transférée à l’eau, l’ozone consommé et les éventuels résiduels.
La capacité réelle du générateur dépend du rendement de transfert, des pertes gazeuses, de la régulation et des conditions de fonctionnement.
Le dimensionnement final doit également prendre en compte le système de contact gaz-liquide, les équipements auxiliaires, la destruction de l’ozone non dissous et la sécurité.
Pourquoi deux effluents ayant la même DCO peuvent-ils demander des doses différentes ?
Deux eaux présentant une DCO de 120 mg/L peuvent avoir des compositions chimiques très différentes.
Dans un premier cas, la pollution peut contenir des molécules très réactives avec l’ozone. Dans un second, une grande partie des composés peut présenter une faible réactivité ou consommer indirectement les oxydants sans permettre d’atteindre les objectifs recherchés.
La concentration en matières organiques dissoutes, les nitrites, le pH et les autres constituants de la matrice influencent également la demande en ozone.
C’est pourquoi le dimensionnement industriel doit être précédé d’essais sur une eau représentative des conditions réelles d’exploitation.
Quels résultats attendre d’une ozonation sur des composés organiques réfractaires ?
Les performances varient considérablement selon la nature des polluants, leur concentration et les conditions opératoires.
Plusieurs résultats doivent être distingués :
- Abattement d’un polluant ciblé : diminution de la concentration de la molécule initiale.
- Réduction de la DCO : diminution de la charge globale chimiquement oxydable.
- Réduction du COT : indication d’une minéralisation effective d’une partie du carbone organique.
- Amélioration de la biodégradabilité : capacité accrue des micro-organismes à traiter certains composés.
- Réduction de l’écotoxicité : résultat nécessitant une évaluation spécifique.
Un traitement peut présenter un excellent abattement de certaines molécules tout en conservant une DCO importante.
À l’inverse, une réduction de couleur ou d’absorbance UV ne démontre pas, à elle seule, l’absence de pollution organique résiduelle.
La pertinence d’un projet doit donc être évaluée au regard des objectifs propres à l’installation et non à partir d’un rendement universel annoncé pour l’ozone.
Quels risques et limites faut-il prendre en compte ?
Formation de sous-produits d’oxydation
L’ozonation transforme des substances chimiques et peut générer des produits de transformation.
Certains composés formés sont biodégradables, tandis que d’autres peuvent être plus persistants.
Selon la composition de l’eau, la formation de certains composés indésirables doit être évaluée, notamment les bromates en présence de bromures et certains sous-produits organiques.
Évolution éventuelle de l’écotoxicité
La disparition d’un polluant ne démontre pas automatiquement une réduction de la toxicité globale de l’effluent.
Pour certains projets, des essais écotoxicologiques avant et après ozonation, puis après traitement complémentaire, sont nécessaires.
Réactivité limitée de certaines substances
Toutes les substances organiques ne présentent pas une réactivité élevée avec l’ozone.
Certains polluants peuvent nécessiter d’autres procédés ou des combinaisons spécifiques. Les PFAS, par exemple, ne doivent pas être considérés comme des substances efficacement éliminées par une ozonation conventionnelle.
Consommation énergétique et coût de traitement
La performance technique doit être mise en relation avec la quantité d’ozone effectivement consommée et avec les dépenses d’exploitation.
L’objectif est de déterminer la dose minimale permettant d’atteindre les résultats recherchés dans une configuration industrielle maîtrisée.
Dans quelles industries l’ozonation tertiaire peut-elle être pertinente ?
Plusieurs secteurs peuvent être confrontés à des molécules organiques résiduelles après traitement biologique :
- Industrie chimique : composés aromatiques, intermédiaires de synthèse, résidus de fabrication.
- Industrie pharmaceutique : molécules actives et composés organiques complexes.
- Industrie textile : colorants et molécules responsables d’une coloration persistante.
- Cosmétique : certains additifs, résidus de formulation et tensioactifs.
- Pétrochimie : certains composés organiques dissous et substances difficiles à biodégrader.
- Industries agroalimentaires : certains effluents spécifiques présentant une fraction organique résiduelle peu biodégradable.
- Traitement collectif des effluents : finition ciblée sur certains micropolluants présents en sortie d’épuration.
La présence d’une DCO résiduelle ne constitue pas à elle seule une justification pour installer un système d’ozonation. Une étude préalable permet de sélectionner les applications réellement pertinentes.
Comment conduire une étude d’ozonation sur une eau sortie de STEP ?
Pour réduire les incertitudes techniques et économiques, une démarche progressive peut être mise en place.
Étape 1 : caractériser l’effluent
Cette première phase consiste à réunir les analyses existantes, les débits, les variations de qualité et les objectifs réglementaires ou industriels.
Étape 2 : identifier la fraction problématique
Il convient de distinguer une pollution difficilement biodégradable d’une pollution non traitée en raison de conditions d’exploitation insuffisantes.
Étape 3 : réaliser des essais d’ozonation
Des essais à différentes doses peuvent être réalisés pour mesurer l’évolution des polluants ciblés, de la DCO, du COT et de la biodégradabilité.
Le suivi des sous-produits et de l’écotoxicité doit être adapté aux risques identifiés.
Étape 4 : comparer les filières
Les résultats peuvent être comparés entre une ozonation seule, une ozonation suivie de biofiltration, une association avec du charbon actif ou d’autres traitements adaptés.
Étape 5 : valider le dimensionnement industriel
Une fois les performances confirmées, l’étude peut porter sur la capacité de production d’ozone, l’injection, le transfert, le temps de contact, les auxiliaires et le coût d’exploitation.
Pour une première orientation, OXYTRADING propose un formulaire de pré-étude pour les applications de traitement par ozone.
Pourquoi intégrer l’ozone dans une filière de traitement existante plutôt que remplacer la STEP ?
Le traitement biologique reste généralement une solution pertinente pour éliminer une charge importante de matières organiques biodégradables.
L’ozonation, lorsqu’elle est justifiée, peut intervenir de manière complémentaire sur certaines fractions résiduelles.
Cette complémentarité permet d’envisager une répartition plus rationnelle des fonctions de traitement :
- le procédé biologique assure l’essentiel de l’élimination de la pollution biodégradable ;
- l’ozonation transforme les molécules organiques ciblées ;
- un traitement aval élimine, si nécessaire, une partie des produits formés et assure la finition.
Cette stratégie doit être comparée aux autres solutions disponibles, notamment l’optimisation de la biologie existante, l’adsorption et les autres procédés de traitement tertiaire.
Pour une vision plus générale des applications industrielles, consultez notre article sur le traitement des effluents industriels par ozonation.
OXYTRADING : étudier la pertinence de l’ozone sur vos effluents réfractaires
Vous exploitez une STEP industrielle dont la DCO résiduelle reste élevée malgré un traitement biologique correctement dimensionné ? Vous devez réduire certains micropolluants, améliorer la qualité d’un rejet ou étudier un traitement tertiaire ?
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L’objectif est de déterminer si l’ozone présente un intérêt technique mesurable, puis d’identifier les conditions de traitement adaptées à votre effluent.
Pour engager une première étude, les informations les plus utiles sont :
- le débit d’eau à traiter ;
- les analyses récentes en sortie de STEP ;
- les valeurs de DCO, DBO5, COT et pH disponibles ;
- les polluants spécifiques identifiés ;
- les contraintes de rejet ou de réutilisation ;
- les installations déjà présentes sur le site.
Vous pouvez nous transmettre ces informations pour une première orientation technique, sans engagement sur un choix de procédé avant validation de sa pertinence.
