Eau | Advanced oxidation processes

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Techniques d'oxydation: AOP

But

  • Dégradation des composants récalcitrants dans les eaux usées de plusieurs industries
  • Désintégration physique de boues de retour pour une meilleure décantation et une diminution de l'évacuation des boues
  • Utilisation de l'ozone pour la désinfection de l'eau dans les piscines au lieu de produits chlorés (irritant)

Principe

AOP signifie ‘advanced oxidation processes’ et regroupe un nombre de technologies environnementales qui peuvent s'ajouter aux technologies de traitement des eaux conventionnelles ou même les remplacer complètement. Il s'agit surtout de situations où l'eau contaminée est chargée en composants difficilement dégradables tels que les pesticides, les colorants, les composants aromatiques spécifiques, les composés organochlorés, ...

La propriété commune des techniques AOP est que leur fonction active est, dans la plupart des cas, la production de radicals hydroxyles (OH·). Ces radicals hydroxyles ont un pouvoir oxydant très puissant.

Au total, on peut distinguer une dizaine de techniques AOP différentes. Souvent une distinction est faite entre les techniques AOP photochimiques et non-photochimiques et ce selon l'usage d'une énergie lumineuse (généralement UV) pour la production des radicaux hydroxyles. Quelques une de ces techniques sont mentionnées:

  • Ozonation (O3)
  • Ozone/eau oxygénée (O3/H2O2)
  • Réactif Fenton (Fe2+/H2O2)

Applications

Le domaine d'application le plus important pour les AOP est la desctruction de polluants spécifiques et difficilement biodégradable (persistants) d'eaux souterraine, eaux de surface et les eaux usées industrielles. La combinaison d'AOP et de techniques biologiques est appliquée dans un nombre de cas croissant. Quand les eaux usées contiennent principalement des composés bien biodégradables en plus de la substance persistante, la technique AOP sera prévue après la biologie afin de conserver l'énergie et les produits chimiques. Quand l'eau usée est contaminée principalement par des composés difficilement dégradables, la technique AOP sera implantée avant la biologie quand elle peut convertir les polluants dans des composés biodégradables. Pour l'élimination de la saveur et des odeur de l'eau potable ou pour le contrôle d'odeur l'utilisation de techniques AOP peut être considéré (post-traitement).

Ozonation

Il existe plusieurs techniques pour générer l'ozone artificiellement. Chacune de ces techniques prévoit une alimentation d'énergie à molécules di-oxygène (O2) pour obtenir la formation d'ozone (O3):

3O2 => 2O3

L'ozone est un gaz instable qui est utilisé pour le traitement de l'eau grâce à ses propriétés d'oxydation. Dans l'eau, l'ozone peut réagir directement par oxydation avec les composants cibles, ou décomposer en radicaux hydroxyles qui oxydent entre autres les composants cibles en formant des sous-produits.

Le dosage de l'ozone pour le traitement de l'eau est typiquement appliqué sur les eaux brutes (pré-ozonation) ou après la sédimentation. Le pré-traitement est appliqué pour augmenter la biodégradabilité des eaux usées, tandis que le post-traitement à l'ozone est  axé sur l'élimination de la DCO récalcitrante après le traitement biologique. L'usage d'ozone dépand surtout des propriétés de l'eau à traiter.

L'ozone peut également être ajouter dans (une fraction de) la boue de retour, dans le but d'empêcher la formation de boues flottantes. En effet les molécules d'ozone réagissent plus rapidement avec les filamenteuses qu'avec les flocs de boues, ces derniers ayant un rapport surface/volume relativement moins élevé.

Schéma

Reactifs Fenton

Dans cette technique, le OH· radical est obtenu du H2O2 par réaction avec un catalyseur chimique, Fe2+ dans les eaux usées.  La réaction nette est la formation de radicaux 2-OH et de l'eau à partir de 2 molécules de peroxyde d'hydrogène avec Fe2+ comme catalyseur. Les radicals OH peuvent oxyder des molécules différentes, dont de nouveaux radicaux se forment.

OH· + RH => H2O + R·

La concentration du catalyseur (Fe) est déterminante pour pouvoir mener à bien les réactions. Une gamme utile pour Fe:H2O2 est 1:5-25. L'application des réactifs Fenton est fortement sensible au pH: la formation de radicaux ne peut avoir lieu dans une gamme de pH de 3,5 à 5,0. Les vitesses de réaction nécessaires varient de 30 minutes à plusieurs heures, en fonction de la composition du substrat et la concentration.

UV

Diverses applications dans les techniques AOP utilisent également la lumière ultraviolette (UV). Par exemple, les radicaux hydroxyles nécessaires à l'oxydation avancée peuvent être produits par un clivage homolytique du peroxyde d'hydrogène. Par la présente, la liaison de H2O2 à l'oxygène est scindée en deux radicaux ·OH par irradiation aux UV:

H2O2 + UV =>  2·OH

L'ozonation (O3) peut également être combinée avec le rayonnement UV dans le but d'accroître l'efficacité de l'oxydation prévue. L'ozone et le peroxyde d'hydrogène sont également souvent combinés. En pratique, après le dosage de H2O2 ou l'injection d'ozone, une unité de flux UV avec les spécifications appropriées est utilisée.

Une autre application des UV implique la production de radicaux hydroxyles par oxydation photocatalytique avec du TiO2 comme catalyseur. Le rayonnement UV forme un électron excité et une cavité électronique à la surface du TiO2 qui réagit avec l’eau adsorbée à la surface du lit de TiO2 et produit des radicaux hydroxyles. Cette technique est principalement adaptée à l'élimination des micro-contaminants ou à la production d'eau ultrapure.

Frais d'exploitation

La production d'ozone est un procédé énergivore, notamment suite au coût du produit alimentaire dioxygène. L'installation même doit être réalisé en matériaux résistant à l'ozone en solution ou en phase gazeuse. Pour évaluer les frais d'explotation effectifs et le dosage d'ozone nécessaire, un test de laboratoire répresentatif sur l'eau usée est utile.

Approche de Trevi

Avant de prendre en considération des techniques AOP, Trevi examine d'abord si des épargnes peuvent être réalisés par séparation des différentes flux d'eaux usées ou (pré)traitement biologique. 

A base d'une échantillon réprésentatif d'eau usée, différents traitements (ozonation, Fenton, et/ou la peroxydation) sont examinés en laboratoire, et eventuellement comparés aux tests de charbon actif. Pour pouvoir évaluer les techniques AOP, deux aspects sont importants : l'efficacité d'élimination des composants spécifiques récalcitrants, et le rapport BOD/COD final de l'effluent traité.