Procédé O₃/UV : associer l’ozone et les UV pour l’oxydation avancée de l’eau
Le procédé O₃/UV associe simultanément l’ozone dissous et le rayonnement ultraviolet afin de renforcer l’oxydation de certains contaminants présents dans l’eau. Cette combinaison appartient à la famille des procédés d’oxydation avancée, également appelés AOP pour Advanced Oxidation Processes.
Dans cette configuration, l’ozone reste la technologie centrale du traitement. Il est produit sur site, injecté puis dissous dans l’eau. Le rayonnement UV intervient ensuite pour favoriser sa transformation et générer des espèces oxydantes particulièrement réactives.
Le procédé O₃/UV peut être étudié lorsque l’ozonation conventionnelle ne suffit pas à atteindre les objectifs recherchés sur certains micropolluants, colorants, molécules pharmaceutiques ou composés organiques difficilement oxydables.
Il ne s’agit toutefois pas d’une solution universelle. Sa pertinence doit être démontrée à partir des analyses d’eau, des molécules ciblées et, dans la majorité des projets industriels, par des essais en laboratoire ou sur une unité pilote.
Qu’est-ce que le procédé simultané O₃/UV ?
Dans un procédé O₃/UV, l’eau contient encore une concentration contrôlée d’ozone dissous lorsqu’elle est exposée au rayonnement ultraviolet.
Le traitement peut être représenté de manière simplifiée par la chaîne suivante : Prétraitement → production d’ozone → injection et dissolution → exposition simultanée O₃/UV → temps de réaction → traitement de finition.
Contrairement à une installation dans laquelle l’ozone et les UV assurent deux étapes complètement séparées, le procédé O₃/UV recherche une interaction directe entre l’ozone dissous et l’énergie lumineuse.
Le rayonnement UV favorise la photolyse de l’ozone et la formation d’intermédiaires réactionnels pouvant conduire à la production de radicaux hydroxyles. Le mécanisme global peut être résumé de manière volontairement simplifiée : O₃ dissous + UV → espèces réactives de l’oxygène → radicaux hydroxyles •OH.
La chimie réelle est plus complexe et dépend notamment du spectre de la lampe, du pH, de la composition de l’eau, de l’alcalinité et de la présence de composés susceptibles de consommer les radicaux formés.
Pourquoi associer l’ozone aux UV ?
L’ozone moléculaire est déjà un oxydant puissant. Il réagit rapidement avec certaines structures chimiques, notamment les doubles liaisons, certains groupements aromatiques, certains composés soufrés et différentes molécules riches en électrons.
D’autres contaminants présentent cependant une faible réactivité directe avec l’ozone. Une augmentation de la dose d’ozone n’est alors pas toujours suffisante ou économiquement pertinente.
L’exposition simultanée aux UV permet de modifier le mécanisme d’oxydation. Une partie de l’ozone est convertie en espèces oxydantes secondaires, dont les radicaux hydroxyles.
Ces radicaux sont généralement moins sélectifs que l’ozone moléculaire. Ils peuvent donc attaquer un éventail plus large de composés organiques. L’objectif du procédé O₃/UV n’est pas simplement d’additionner une désinfection par ozone et une désinfection par UV. Il consiste à transformer l’ozonation en un procédé d’oxydation plus intensif.
L’ozone reste le cœur du procédé
Dans une installation O₃/UV, les performances dépendent d’abord de la capacité du système à produire, injecter et transférer efficacement l’ozone dans l’eau.
Le générateur d’ozone doit être dimensionné en fonction :
- du débit d’eau à traiter ;
- de la demande instantanée en ozone ;
- de la concentration des contaminants ;
- de la qualité de l’eau ;
- du rendement de transfert gaz-eau ;
- de la concentration d’ozone dissous nécessaire à l’entrée du réacteur UV ;
- du temps de réaction disponible ;
- des performances finales recherchées.
Une production d’ozone insuffisante, une mauvaise dissolution ou un transfert gaz-eau instable limiteraient directement le procédé, même avec un réacteur UV performant.
L’intégration doit donc être conçue autour de l’ozonation : générateur, alimentation en air sec ou en oxygène, système d’injection, mélange, contact, instrumentation, destruction de l’ozone non dissous et sécurité des opérateurs.
Différence entre l’ozone moléculaire et les radicaux hydroxyles
Le procédé O₃/UV combine deux mécanismes d’oxydation complémentaires.
Oxydation directe par l’ozone
L’ozone moléculaire réagit de façon relativement sélective avec certaines fonctions chimiques. Cette sélectivité peut être avantageuse lorsque le contaminant ciblé présente une forte réactivité avec l’ozone.
L’ozone peut notamment contribuer à :
- réduire certaines couleurs ;
- oxyder certains composés responsables d’odeurs ;
- transformer certains micropolluants ;
- oxyder certains composés organiques et minéraux ;
- fragiliser les micro-organismes ;
- agir sur le biofilm dans les zones effectivement exposées.
Oxydation indirecte par les radicaux hydroxyles
Les radicaux hydroxyles sont très réactifs et moins sélectifs. Ils peuvent attaquer des composés qui réagissent lentement avec l’ozone moléculaire.
Cette réactivité élargie explique l’intérêt des procédés d’oxydation avancée pour certaines molécules organiques persistantes ou réfractaires.
La formation de radicaux ne garantit toutefois pas la minéralisation complète des contaminants en dioxyde de carbone, eau et sels minéraux. Le traitement peut produire des molécules intermédiaires ou des sous-produits de transformation qui doivent également être caractérisés.
O₃/UV simultané et ozone puis UV-C : deux configurations différentes
Les expressions « ozone et UV » peuvent désigner deux architectures qui ne doivent pas être confondues.
Ozonation suivie d’une désinfection UV-C
Dans une chaîne séquentielle, l’ozone assure principalement l’oxydation, puis les UV-C constituent une barrière finale de désinfection.
Les deux étapes peuvent être séparées par une cuve de contact, un dégazage, une filtration ou un traitement sur charbon actif.
Exemple : ozonation → temps de contact → filtration → UV-C final.
Procédé simultané O₃/UV
Dans un procédé simultané, l’eau doit encore contenir de l’ozone dissous lorsqu’elle est exposée au rayonnement UV. L’objectif est de provoquer une interaction photochimique et de renforcer l’oxydation.
Exemple : injection d’ozone → dissolution → réacteur irradié contenant de l’ozone dissous → finition.
| Configuration | Objectif principal | Interaction O₃/UV |
|---|---|---|
| Ozone seul | Oxydation et action microbiologique | Aucune irradiation volontaire |
| UV-C seul | Désinfection de l’eau | Absence d’ozone injecté |
| Ozone puis UV-C | Oxydation puis désinfection finale | Interaction limitée ou non recherchée |
| O₃/UV simultané | Oxydation avancée | Interaction photochimique volontaire |
Quels contaminants peuvent être étudiés avec le procédé O₃/UV ?
Le procédé O₃/UV peut être évalué pour le traitement de contaminants organiques présentant une réactivité insuffisante avec l’ozone seul ou nécessitant une oxydation renforcée.
Les applications potentielles concernent notamment :
- certains résidus pharmaceutiques ;
- certains pesticides et produits phytosanitaires ;
- certains perturbateurs endocriniens ;
- certains composés phénoliques ;
- des colorants et molécules issus de l’industrie textile ;
- certains solvants et composés organiques industriels ;
- certains produits de dégradation difficiles à oxyder ;
- une fraction de la DCO réfractaire ;
- certains composés responsables de goûts ou d’odeurs ;
- certains micropolluants présents dans des eaux traitées.
Les performances sont propres à chaque molécule et à chaque matrice aqueuse. Une efficacité observée sur un contaminant ne peut pas être automatiquement extrapolée à l’ensemble d’une famille chimique.
Dans quels secteurs utiliser l’oxydation avancée O₃/UV ?
Le procédé peut être étudié pour différentes applications professionnelles et industrielles :
- traitement tertiaire des eaux usées ;
- réutilisation des eaux traitées ;
- industries pharmaceutiques ;
- établissements hospitaliers et effluents de soins ;
- industries chimiques ;
- industries textiles et traitement de la couleur ;
- industries agroalimentaires ;
- traitement d’eaux de process ;
- traitement d’effluents spécifiques ;
- eaux contaminées par certains pesticides ;
- unités pilotes et centres de recherche ;
- traitement de nappes ou d’eaux souterraines contaminées ;
- prétraitement avant une étape biologique ou membranaire.
Le procédé est généralement plus pertinent sur une eau déjà clarifiée ou prétraitée que sur un effluent brut très chargé.
Pourquoi prétraiter l’eau avant un réacteur O₃/UV ?
Les matières en suspension, la couleur et certaines substances dissoutes peuvent réduire la pénétration du rayonnement UV. Une eau présentant une faible transmittance UV nécessitera davantage d’énergie et pourra limiter la performance photochimique du réacteur.
La matière organique non ciblée peut également consommer l’ozone et les radicaux hydroxyles avant qu’ils n’atteignent les contaminants recherchés. On parle alors de compétition ou de piégeage radicalaire.
Un prétraitement peut permettre de :
- réduire les matières en suspension ;
- réduire la turbidité ;
- améliorer la transmittance UV ;
- réduire la demande globale en ozone ;
- limiter l’encrassement des gaines en quartz ;
- concentrer le procédé sur les molécules ciblées ;
- stabiliser les performances malgré les variations de qualité d’eau.
Selon le projet, le prétraitement peut comprendre une filtration mécanique, une filtration sur média, une coagulation-floculation, une ultrafiltration ou un traitement biologique.
Les paramètres essentiels du dimensionnement O₃/UV
Le dimensionnement d’un procédé O₃/UV ne peut pas être réalisé uniquement à partir du débit. Il nécessite une caractérisation de l’eau et une compréhension précise des objectifs.
La dose d’ozone
La dose d’ozone doit être suffisante pour satisfaire une partie de la demande immédiate de l’eau et maintenir une quantité contrôlée d’ozone dissous dans la zone irradiée.
Une dose trop faible limitera la formation des espèces oxydantes recherchées. Une dose excessive augmentera les coûts énergétiques, les besoins de destruction de l’ozone résiduel et le risque de sous-produits.
Le rendement de transfert de l’ozone
L’ozone produit dans la phase gazeuse doit être correctement transféré dans l’eau. Le rendement dépend du système d’injection, de la taille des bulles, de la pression, de la température, du mélange et de la géométrie du contacteur.
Les dispositifs utilisés peuvent comprendre :
- un venturi ;
- un mélangeur statique ;
- une pompe multiphasique ;
- un diffuseur adapté ;
- une colonne ou une tour de contact ;
- une boucle secondaire pressurisée.
La transmittance UV
La transmittance UV, généralement mesurée autour de 254 nm pour les installations utilisant cette longueur d’onde, indique la capacité du rayonnement à traverser l’eau.
Une transmittance insuffisante peut nécessiter un prétraitement, une puissance UV plus importante ou une géométrie de réacteur différente.
Le spectre et la puissance UV
Le type de lampe influence la distribution spectrale, la puissance et les réactions photochimiques. Le choix entre lampes basse pression, lampes moyenne pression ou autres sources UV dépend du procédé et des contaminants ciblés.
La puissance nominale des lampes ne suffit pas à caractériser la performance. Il faut prendre en compte la dose réellement délivrée à l’eau, l’intensité mesurée, le vieillissement des lampes et l’encrassement des gaines.
Le pH et l’alcalinité
Le pH modifie la stabilité de l’ozone et l’équilibre entre oxydation directe et réactions radicalaires.
Une augmentation du pH peut accélérer certains mécanismes de décomposition de l’ozone, mais elle ne garantit pas systématiquement une meilleure performance. Les bicarbonates et carbonates peuvent notamment consommer une partie des radicaux hydroxyles.
La matière organique et la DCO
Une concentration élevée de matière organique peut augmenter fortement la consommation d’ozone et de radicaux. Le procédé risque alors de traiter en priorité la matrice globale plutôt que les micropolluants présents à faible concentration.
Le carbone organique total, la DCO, l’absorbance UV et la nature de la matière organique doivent être pris en compte.
Le temps de réaction
Le temps de séjour dans le réacteur et dans les volumes situés en aval doit être suffisant pour permettre les réactions recherchées.
Le dimensionnement doit également éviter les courts-circuits hydrauliques et garantir une exposition homogène de l’eau au rayonnement.
Quelles analyses réaliser avant les essais ?
La sélection des analyses dépend du projet, mais une caractérisation initiale peut comprendre :
- pH ;
- température ;
- conductivité ;
- turbidité ;
- matières en suspension ;
- DCO et DBO ;
- carbone organique total ;
- absorbance et transmittance UV ;
- alcalinité ;
- bromures ;
- nitrates et nitrites ;
- molécules ciblées et produits de transformation ;
- toxicité ou écotoxicité, lorsque cela est pertinent.
Une analyse ciblée des contaminants avant et après traitement est indispensable. Une simple diminution de la couleur, du Redox ou de l’absorbance ne permet pas toujours de démontrer la destruction des molécules recherchées.
O₃/UV et ajout de peroxyde d’hydrogène
Le procédé peut être renforcé par l’ajout de peroxyde d’hydrogène. La configuration devient alors un procédé O₃/UV/H₂O₂. Le choix entre ozone seul, O₃/UV, O₃/H₂O₂ ou O₃/UV/H₂O₂ doit être réalisé à partir d’essais comparatifs.
Avantages du procédé O₃/UV
Lorsqu’il est correctement dimensionné, le procédé peut apporter plusieurs avantages :
- renforcement de l’oxydation de certaines molécules peu réactives avec l’ozone seul ;
- combinaison de l’oxydation directe et de l’oxydation radicalaire ;
- réduction possible de certains micropolluants ;
- traitement sans stockage d’un oxydant gazeux, l’ozone étant produit sur place ;
- possibilité d’automatiser le procédé ;
- intégration dans une chaîne de traitement existante ;
- possibilité d’associer filtration, charbon actif ou membranes ;
- adaptation à des unités pilotes comme à des installations industrielles.
Instrumentation et contrôle du procédé
Une installation industrielle O₃/UV peut comprendre :
- un contrôle de la production d’ozone ;
- un débitmètre d’eau ;
- une mesure du débit de gaz ;
- un analyseur d’ozone gazeux ;
- une mesure de l’ozone dissous ;
- une sonde Redox utilisée comme indicateur complémentaire ;
- un capteur d’intensité UV ;
- une mesure de transmittance UV ;
- un suivi du pH et de la température ;
- des alarmes de défaut de lampe ou de faible intensité ;
- un détecteur d’ozone ambiant ;
- un destructeur d’ozone résiduel gazeux ;
- un automate assurant la régulation et la traçabilité.
La mesure Redox ne permet pas, à elle seule, de quantifier la dose d’ozone, la concentration en radicaux ou la destruction d’un micropolluant. Elle doit être utilisée dans une stratégie de contrôle plus complète.
Pourquoi réaliser des essais d’ozonation et d’oxydation avancée ?
Les interactions entre l’ozone, les UV et la matrice aqueuse sont difficiles à prévoir uniquement à partir de modèles théoriques.
Des essais comparatifs permettent de mesurer les performances de différentes configurations :
- UV seul ;
- ozone seul ;
- ozone puis UV ;
- O₃/UV simultané ;
- O₃/H₂O₂ ;
- O₃/UV/H₂O₂ ;
- procédé associé à une filtration ou à du charbon actif.
Les essais permettent également de déterminer :
- la dose d’ozone réellement nécessaire ;
- la consommation spécifique d’ozone ;
- l’influence du temps de contact ;
- l’apport réel des UV ;
- l’évolution de la DCO, du COT ou de l’absorbance ;
- la dégradation des contaminants ciblés ;
- la formation de sous-produits ;
- le coût énergétique prévisionnel ;
- la nécessité d’un traitement de finition.
Étude et intégration du procédé O₃/UV par OXYTRADING
OXYTRADING est spécialisé dans l’étude, le dimensionnement et l’intégration de systèmes d’ozonation pour le traitement professionnel et industriel de l’eau.
Dans une architecture O₃/UV, notre approche reste construite autour de l’ozone :
- qualification de la problématique ;
- analyse de la qualité d’eau ;
- étude de la réactivité des contaminants avec l’ozone ;
- réalisation d’essais en laboratoire ou sur pilote ;
- dimensionnement du générateur d’ozone ;
- sélection de l’alimentation en air ou en oxygène ;
- conception de l’injection et du transfert gaz-eau ;
- sélection du réacteur UV ;
- intégration des mesures et des automatismes ;
- gestion de l’ozone résiduel ;
- étude des traitements de finition ;
- mise en service, formation et maintenance.
Les UV sont intégrés lorsqu’ils apportent une valeur technique démontrée au procédé. Ils viennent renforcer l’ozonation, sans masquer le rôle central du générateur d’ozone, de son système d’injection et de la maîtrise du temps de réaction.
Découvrez également notre page consacrée à l’utilisation des UV-C comme traitement complémentaire à l’ozone, ainsi que nos informations sur l’ingénierie des installations d’ozonation.
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