Élimination des phénols dans les effluents industriels par ozone

Les phénols et leurs dérivés constituent une famille de polluants organiques présents dans de nombreux effluents industriels. Leur présence peut entraîner des problèmes de toxicité, de qualité des rejets et de fonctionnement des installations de traitement des eaux.

L’ozonation représente une solution particulièrement intéressante pour l’oxydation des phénols dissous dans l’eau. Grâce à sa réactivité avec les structures aromatiques activées, l’ozone peut transformer rapidement le phénol et plusieurs composés phénoliques.

La performance dépend cependant de la composition de l’eau, du pH, de la concentration initiale et de la demande globale en oxydant.

OXYTRADING accompagne les industriels et bureaux d’études dans l’évaluation, le dimensionnement et l’intégration de systèmes d’ozonation pour le traitement des effluents.

1. Que sont les phénols présents dans les eaux industrielles ?

Le phénol, de formule chimique C6H6O, est un composé organique aromatique constitué d’un groupement hydroxyle directement lié à un cycle benzénique.

Le terme « composés phénoliques » désigne également de nombreuses molécules dérivées du phénol, dont les propriétés et les comportements environnementaux peuvent différer.

Parmi les composés susceptibles d’être rencontrés dans certains effluents figurent :

• le phénol ;
• les crésols ;
• les chlorophénols ;
• les nitrophénols ;
• les alkylphénols ;
• certains polyphénols et dérivés aromatiques hydroxylés.

Ces molécules ne présentent pas toutes la même réactivité avec l’ozone. Leur comportement dépend notamment des substituants présents sur le cycle aromatique et du pH.

2. Quelles industries produisent des effluents contenant des phénols ?

Les eaux contenant des composés phénoliques peuvent provenir de différentes activités industrielles.

Industrie pétrochimique et raffinage

Certains procédés pétrochimiques et de raffinage peuvent générer des eaux contenant du phénol, des crésols ou d’autres composés aromatiques.

Les concentrations et les substances associées dépendent fortement des opérations industrielles.

Industrie chimique

Les installations de fabrication ou de transformation de résines, d’intermédiaires chimiques et de composés aromatiques peuvent produire des effluents chargés en substances phénoliques.

Industrie pharmaceutique

Certains procédés de synthèse chimique peuvent générer des composés phénoliques ou des intermédiaires aromatiques nécessitant un traitement spécifique.

Cokeries et traitement du charbon

Les eaux issues des procédés de cokéfaction peuvent contenir des composés phénoliques associés à d’autres polluants, notamment l’ammonium, les cyanures ou les thiocyanates.

Industries du bois, des résines et du papier

Selon les produits utilisés et les procédés mis en œuvre, certains effluents peuvent présenter une pollution organique comportant des structures phénoliques.

Pour ces applications, l’enjeu est de caractériser précisément les molécules présentes avant de retenir une technologie.

3. Pourquoi les phénols sont-ils problématiques dans l’eau ?

Les composés phénoliques peuvent présenter plusieurs difficultés environnementales et opérationnelles.

• Une toxicité variable selon la molécule et sa concentration.
• Une contribution à la charge organique de l’effluent.
• Des risques pour certains organismes aquatiques.
• Une possible inhibition de traitements biologiques à forte concentration.
• Des exigences de rejet spécifiques selon l’activité et la réglementation applicable.

La concentration en phénol ne constitue pas à elle seule un indicateur de la pollution globale.

Il est généralement nécessaire de la compléter par d’autres paramètres, notamment la DCO, le COT, la DBO5 et les concentrations d’autres polluants présents.

4. Pourquoi l’ozone est-il performant pour oxyder les phénols ?

L’ozone moléculaire est un oxydant électrophile. Il réagit préférentiellement avec certaines fonctions chimiques riches en électrons.

Les composés phénoliques présentent des structures favorables à ce type de réaction, en particulier lorsque le groupement phénol se trouve sous sa forme ionisée, appelée phénolate.

Les données scientifiques rapportent les constantes cinétiques suivantes :

• Phénol non ionisé : environ 1,3 × 10³ L·mol^-1·s^-1.
• Ion phénolate : environ 1,4 × 10⁹ L·mol^-1·s^-1.

Cette différence très importante explique l’influence du pH sur la réaction.

En milieu aqueux, une augmentation du pH favorise progressivement la formation de phénolate, dont la réaction avec l’ozone est extrêmement rapide.

Il faut toutefois distinguer cette réactivité intrinsèque de la performance réelle d’une installation industrielle, où interviennent aussi le transfert gaz-liquide et les autres constituants de l’eau.

5. Influence du pH sur l’oxydation des phénols

Le phénol possède un pKa voisin de 10 à température ambiante.

À pH inférieur au pKa, la forme non ionisée prédomine. À mesure que le pH augmente, la proportion d’ions phénolate progresse.

L’ion phénolate étant beaucoup plus réactif avec l’ozone, une augmentation du pH peut accélérer la transformation du polluant.

Cependant, l’augmentation du pH peut également accélérer la décomposition de l’ozone et modifier les mécanismes d’oxydation. Le choix du pH doit donc être étudié globalement.

Un fonctionnement fortement alcalin peut notamment nécessiter une neutralisation de l’eau après traitement, augmenter les consommations de réactifs et modifier le comportement des autres contaminants.

6. Que devient le phénol pendant l’ozonation ?

La réaction de l’ozone avec le phénol peut suivre plusieurs mécanismes, notamment l’hydroxylation du cycle aromatique, des réactions de transfert d’électrons et l’ouverture progressive du cycle.

Parmi les produits de transformation identifiés dans la littérature scientifique figurent :

• le catéchol ;
• l’hydroquinone ;
• la benzoquinone ;
• des dérivés de l’acide muconique ;
• des acides organiques de plus faible masse moléculaire.

Selon l’intensité et les conditions du traitement, ces intermédiaires peuvent subir des réactions supplémentaires.

Une minéralisation plus poussée peut être recherchée, mais elle exige généralement une consommation d’oxydant et des conditions de traitement différentes de celles nécessaires à la simple disparition du phénol initial. Il est important d’analyser les produits de réaction lorsque l’objectif porte sur la toxicité globale ou sur une exigence de rejet particulièrement stricte.

7. L’ozone permet-il de réduire la DCO des eaux contenant des phénols ?

L’ozonation peut contribuer à la réduction de la DCO dans certains effluents contenant des phénols. Il ne faut cependant pas confondre transformation du polluant et réduction globale de la demande chimique en oxygène.

Lorsqu’une molécule de phénol est transformée en composés organiques plus petits, une partie de la matière organique peut rester présente dans l’eau. La concentration en phénol peut donc diminuer fortement alors que la DCO diminue plus modestement.

Dans certaines situations, l’intérêt principal de l’ozone est plutôt de transformer des molécules difficilement biodégradables en composés plus accessibles à un traitement biologique complémentaire.

Pour une approche globale, consultez notre article sur la réduction de la DCO des effluents industriels par ozonation.

8. Ozone seul ou procédé d’oxydation avancée ?

Le traitement du phénol peut être étudié avec plusieurs configurations.

Ozonation conventionnelle

L’ozone est produit sur site et injecté dans l’eau afin de provoquer une oxydation directe du phénol et d’autres composés réactifs.

Cette solution peut être pertinente lorsque l’objectif principal est la transformation des composés phénoliques.

Ozone et peroxyde d’hydrogène : O3/H2O2

L’association ozone-peroxyde d’hydrogène, également appelée procédé peroxone, favorise la formation de radicaux hydroxyles.

Ces radicaux peuvent contribuer à l’oxydation de composés moins réactifs avec l’ozone moléculaire.

Le procédé peut être étudié lorsque le traitement porte sur plusieurs polluants ou lorsque l’objectif de dégradation est plus poussé.

Ozone et ultraviolets : O3/UV

Le couplage de l’ozone avec une irradiation UV adaptée peut favoriser des réactions d’oxydation avancée.

Cette configuration nécessite une étude particulière de la transmittance UV, de la composition de l’eau et de la consommation énergétique.

Consultez notre article sur le fonctionnement du procédé O3/UV pour l’oxydation avancée de l’eau.

Le recours à un procédé d’oxydation avancée ne garantit pas automatiquement une meilleure performance économique que l’ozonation seule.

9. Quelle quantité d’ozone faut-il pour traiter les phénols ?

La quantité d’ozone nécessaire dépend notamment :

• du débit de l’effluent ;
• de la concentration en phénol ;
• des autres composés phénoliques présents ;
• de la DCO et du COT ;
• du pH ;
• des espèces minérales consommant l’ozone ;
• de la concentration finale recherchée ;
• du niveau de minéralisation souhaité ;
• du rendement de transfert gaz-liquide.

Exemple de calcul d’une charge en phénol

Considérons un effluent présentant les caractéristiques suivantes :

• Débit : 10 m3/h ;
• Concentration initiale en phénol : 20 mg/L ;
• Concentration finale ciblée : 1 mg/L.

La charge initiale en phénol est : 10 × 20 = 200 g/h.

La charge finale ciblée est : 10 × 1 = 10 g/h.

Le traitement doit donc transformer ou retirer l’équivalent de 190 g/h de phénol initial, soit un abattement de 95 %.

Cette valeur représente une charge polluante à traiter et non une consommation d’ozone.

La quantité réelle d’ozone à produire ne peut pas être calculée de manière fiable à partir de cette seule charge. Elle dépend des réactions concurrentes, des intermédiaires formés, du rendement de transfert et de l’objectif de traitement.

Un essai de traitabilité est recommandé pour déterminer la demande réelle en ozone et les performances obtenues.

10. Comment intégrer l’ozonation dans une filière industrielle ?

Une installation industrielle de traitement des phénols par ozone peut comprendre :

1. Une caractérisation et un éventuel prétraitement de l’effluent.
2. Un générateur d’ozone dimensionné sur la demande de traitement.
3. Un système d’injection de l’ozone dans l’eau.
4. Un réacteur de contact adapté au débit et au temps de réaction.
5. Un contrôle du pH et des paramètres de fonctionnement.
6. Un système de séparation et de destruction de l’ozone résiduel gazeux.
7. Un traitement complémentaire lorsque nécessaire.
8. Un contrôle analytique des performances.

Le transfert gaz-liquide représente un paramètre essentiel. Une production élevée d’ozone ne garantit pas son utilisation efficace si l’injection et l’hydraulique sont insuffisamment maîtrisées.

OXYTRADING étudie les différentes configurations possibles en fonction des contraintes industrielles et de la filière existante.

11. Faut-il placer l’ozone avant ou après le traitement biologique ?

Le positionnement de l’ozone dépend de l’objectif principal.

Ozone avant traitement biologique

Une pré-ozonation peut être étudiée afin de transformer des composés organiques difficiles à biodégrader.

Lorsque les produits formés sont plus biodégradables et que leur toxicité le permet, cette étape peut faciliter un traitement biologique ultérieur.

Ozone après traitement biologique

Une post-ozonation peut être pertinente pour traiter les composés phénoliques résiduels après élimination d’une grande partie de la pollution biodégradable.

Cette configuration peut réduire la demande concurrente en ozone et permettre de cibler plus efficacement certains polluants.

Pour approfondir ce choix, consultez notre article sur l’ozonation en traitement de préoxydation.

12. Quelles analyses faut-il réaliser avant un essai pilote ?

Une étude de faisabilité doit être fondée sur les caractéristiques réelles de l’effluent.

Les données particulièrement utiles comprennent :

• le débit moyen, minimal et maximal ;
• la concentration initiale en phénol ;
• la nature et la concentration des autres composés phénoliques ;
• la DCO et le COT ;
• la DBO5 ;
• le pH et la température ;
• les matières en suspension ;
• les concentrations en nitrites et autres composés réducteurs ;
• les bromures lorsque le contexte le justifie ;
• les exigences de rejet ;
• les conditions de fonctionnement de l’installation existante.

Lors d’un essai pilote, plusieurs doses d’ozone peuvent être comparées afin de déterminer :

• l’abattement du phénol ;
• l’évolution des autres composés phénoliques ;
• la réduction de la DCO et du COT ;
• l’évolution de la biodégradabilité ;
• la formation des principaux produits de transformation ;
• la consommation spécifique d’ozone ;
• l’intérêt éventuel d’un traitement complémentaire.

Ces résultats sont nécessaires pour estimer correctement le dimensionnement et les coûts d’exploitation.

13. Quelles sont les limites de l’ozonation des phénols ?

Malgré sa forte réactivité avec les composés phénoliques, l’ozone ne constitue pas une réponse universelle à tous les effluents.

Plusieurs limites doivent être considérées :

• Une forte DCO peut provoquer une consommation importante d’ozone.
• Certains composés associés peuvent être beaucoup moins réactifs.
• Des intermédiaires de transformation peuvent subsister.
• La minéralisation complète peut exiger un traitement plus intensif.
• Une forte alcalinité peut modifier les réactions radicalaires.
• Le risque de formation de sous-produits indésirables doit être évalué.
• Le coût énergétique doit être comparé aux solutions alternatives.

Selon les caractéristiques de l’eau, des alternatives ou des combinaisons avec un traitement biologique, du charbon actif ou un procédé d’oxydation avancée peuvent être plus pertinentes.

14. OXYTRADING : étude du traitement des phénols par ozone

OXYTRADING est spécialisé dans l’étude, le dimensionnement et l’intégration de systèmes d’ozonation pour les applications industrielles.

Pour les effluents contenant des phénols, notre approche peut comprendre :

• l’analyse des concentrations et des objectifs de rejet ;
• l’évaluation de la pertinence de l’ozonation ;
• la définition d’un programme d’essais ;
• le dimensionnement de la production d’ozone ;
• l’étude du système d’injection et de contact ;
• l’intégration dans la filière de traitement existante ;
• l’analyse des contraintes de sécurité et d’exploitation.

Vous pouvez également consulter nos applications et projets d’ozonation industrielle.

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