Nouvelles pratiques de gestion de l'étape d'ozonation

Le Syndicat des Eaux d'Ile-de-France (SEDIF), établissement de coopération intercommunal, administré par des élus locaux, en charge du service public de l’eau potable, au service de 144 communes d'Ile-de-France, est propriétaire de ses installations qui produisent et distribuent de l'eau à 4 millions d’habitants, répartis sur sept départements de la région parisienne. Le Syndicat, maître d’ouvrage, en a confié l’exploitation à la Compagnie Générale des Eaux (CGE), au travers d'un contrat de régie intéressée. Les trois usines principales, implantées à Neuilly-sur-Marne, Choisy-le-Roi et Méry-sur-Oise, à partir respectivement de l'eau de la Marne, de la Seine et de l’Oise, traitent près d'un million de m³ d'eau chaque jour. La désinfection est l'objectif primordial, la qualité physico-chimique venant en second lieu, comme le

Tableau 1 : Dose d’oxydant exprimée en mg·L⁻¹·min nécessaire pour éliminer 2 Log de micro-organismes (d’après l’OMS, 2004) [5]

rappelle l’Organisation Mondiale de la Santé dans la dernière édition de ses recommandations parues en septembre 2004 [5]. Pour le SEDIF, cette priorité est d’autant plus à privilégier compte tenu de la taille de la population desservie et du type de ressources disponibles. En effet, l’eau utilisée pour la production d’eau potable provient à plus de 95 % d’eaux de surface, qui sont vulnérables et susceptibles d’être contaminées par des micro-organismes. Or, ces derniers présentent une grande diversité de par leurs caractéristiques physiques telles que leur type ou leur taille, leur résistance variable vis-à-vis des désinfectants. Il n’existe donc pas de barrière absolue de désinfection. La sécurité sanitaire est alors garantie par l’association de plusieurs procédés avec des cibles différentes et des efficacités variables vis-à-vis des micro-organismes. Ce concept multi-barrière permet de maîtriser le risque en multipliant les barrières pour chaque micro-organisme.

L’application de ce concept sur les usines du SEDIF se traduit par des étapes de traitement dédiées à la désinfection (ozone, chlore) associées à une clarification efficace, qui contribue à l’efficacité de la désinfection, notamment par son action sur la matrice de l’eau.

L’évolution des connaissances scientifiques, notamment sur les sous-produits d’oxydation, a conduit l’Union Européenne puis l’État Français, à travers le Code de la Santé Publique (Décret n° 2003-462 du 21 mai 2003), à légiférer sur la limite de qualité des ions bromates, susceptibles d’être cancérigènes pour l’homme. Ainsi, l’eau distribuée ne doit pas contenir plus de 25 µg/L de bromate depuis le 25 décembre 2003, ce seuil étant abaissé à 10 µg/L à partir du 25 décembre 2008.

Les bromates sont majoritairement issus de l’oxydation, par l’ozone, des ions bromures, naturellement présents dans les cours d’eau d’Île-de-France. Aussi, le SEDIF avec son régisseur, la CGE, a entrepris d’étudier depuis 1995 les facteurs influençant la formation de bromates. Les résultats de ces travaux ont conduit à modifier les conditions d’exploitation et les installations d’ozone. Avec un retour d’expérience supérieur à une année, il est maintenant possible de préconiser des solutions visant à aider les exploitants à garantir une eau conforme à la législation pour le paramètre bromate.

Une étape d’ozonation : pourquoi ?

L’ozone est un oxydant très puissant dont le pouvoir désinfectant est supérieur à celui du chlore, avec un spectre d’action plus large, comprenant également les virus (voir Tableau 1). Aussi, l’étape d’ozonation occupe une place primordiale pour assurer la désinfection de l’eau, en particulier pour l’inactivation des virus, des bactéries et de certains parasites (Giardia, et dans une moindre mesure Cryptosporidium). Dans le cadre du concept de traitement multi-barrière, l’association de l’ozone et du chlore permet d’assurer une barrière désinfectante efficace pour les eaux de qualité microbiologique dégradée, telles que les eaux de surface.

Outre ses propriétés désinfectantes, l’ozone peut être utilisé pour ses propriétés oxydantes : sa grande réactivité avec les matières organiques et minérales en fait un traitement de choix pour éliminer la couleur, le fer ou le manganèse et améliorer les goûts et odeurs. Couplé au Charbon Actif en Grain (CAG), il permet l’élimination de la matière organique biodégradable, produisant ainsi une eau biologiquement stable dans le réseau, avec une demande en chlore moindre, limitant ainsi la formation de sous-produits de chloration.

Les solutions mises en œuvre par le SEDIF et la CGE pour l’optimisation de l’ozonation

L’usine de Méry-sur-Oise dispose d’une filière de traitement très moderne : la nanofiltration. Sur les deux autres usines, Neuilly-sur-Marne et Choisy-le-Roi, les traitements, plus classiques, sont très similaires, avec une étape de clarification, composée d’une coagulation/floculation/décantation et filtration sur sable, une étape d’inter-ozonation, une étape d’affinage sur charbon actif en grains et une étape de chloration/déchloration avant distribution dans le réseau. L’usine de Choisy dispose en outre d’une étape de préozonation en amont de la coagulation. Dans les deux cas, l’étape d’inter-ozonation assure avant tout la désinfection de l’eau, et permet une stabilisation de l’eau dans le réseau de distribution en favorisant l’élimination de la matière organique biodégradable de l’eau sur les filtres CAG situés juste en aval.

La présence de bromures dans la Seine et la Marne pouvant induire des concentrations supérieures à 30 µg/L en bromate dans l’eau distribuée a conduit à mettre en place des solutions pour respecter le seuil de 25 µg/L. Pour limiter la quantité de bromates dans l’eau produite, deux voies ont été explorées : la première vise à limiter l’apport de bromate lors de l’ajout des produits chimiques non purs pendant le traitement, la seconde est de réduire la formation des bromates lors du contact entre l’eau et l’ozone, en agissant sur le dosage de l’ozone, l’hydraulique dans les installations d’ozone et le pH.

Les solutions mises en œuvre conjointementpar le régisseur et le maître d’ouvrage sontprésentées chronologiquement ci-après.

Un meilleur contrôle des impuretésliées à l’eau de javel

Depuis le 01/01/2002, la teneur maximale enimpureté de l’eau de javel est définiecontractuellement et elle est vérifiée régu­lièrement. Les fournisseurs d'eau de javel sedoivent de fournir un produit contenantmoins de 5 mg/L de NaBrO₃, ce qui par effetde dilution, équivaut à rajouter moins de0,3 µg/L de bromates.

Acidification

L’eau brute sur le territoire du SEDIF pré­sente un pH de 8 en moyenne. Au niveau duprétraitement, cette valeur est corrigée à 7,5pour le bon fonctionnement de la filière,notamment pour assurer une coagulationefficace et le respect des normes sur l’alumi­nium, utilisé en sels comme coagulant. Maisun pH de 7 en tête de filière, voire inférieur,permet de réduire la formation des bro­mates lors de l’étape d’ozonation. Aussi, lescapacités d’acide et de soude ont été aug­mentées sur les deux usines, avec, pour lecas particulier de l’usine de Choisy-le-Roi,un passage à l’acide sulfurique, en complé­ment du CO₂. Ces aménagements ont permisde garantir une autonomie de 20 jours àchaque usine.

La déozonation

En absence de déozonation, l’ozone résiduelpeut continuer à réagir avant que l'eau nerentre en contact avec le charbon actif engrains, qui réduit très rapidement l’ozone. Cetemps de contact, entre la sortie des cuvesd’ozone et les CAG, peut être suffisammentimportant pour que la formation de bro­mates se poursuive, contribuant à formerjusqu’à 10 µg/L de bromates [1]. Pour limiterce phénomène, il suffit de neutraliser le rési­duel d’ozone par un réducteur comme lebisulfite de sodium ou bien le peroxyded’hydrogène. Néanmoins l’injection de bisul­fite permet de stopper la réaction de forma­tion de bromates alors que l’injection de per­oxyde favorise le mécanisme d’oxydationradicalaire, formant alors des sous-produitsd’oxydation. Il est alors possible d’observerune augmentation de 5 µg/L de bromate,dans certaines conditions.

Bien que la neutralisation du résidueld’ozone soit en place depuis de nombreusesannées sur les usines du SEDIF, avec dubisulfite de sodium pour l’usine de Choisy-le-Roi et du peroxyde d’hydrogène pourl’usine de Neuilly-sur-Marne, il a été décidé,suite à ces résultats, d’utiliser le bisulfite, enlieu et place du peroxyde d’hydrogène àNeuilly-sur-Marne.

L’ensemble de ces conventions conduit àêtre sécuritaire vis-à-vis de la désinfection.Par ailleurs, le CT cible est calculé à partirdu tableau de l’USEPA, qui donne le CT₁₀ àatteindre en fonction du nombre de Giardiaà inactiver et de la température [4].L’ensemble de ces conventions permet d’éta­blir la formule suivante pour le calcul duRP :

          Nombre de compartiment  
CT₁₀ref = Σ α ×  
          Volume du compartiment i  
          ——————————————— × [O₃] sortie  
               Débit  

RP = CT₁₀ref / CT₁₀cible  

CT₁₀cible (3 log Giardia)  

Une conduite d’exploitation plusfine : le concept du ratio deperformance (RP)

Historiquement, les installations d’ozoneétaient pilotées par une consigne de résidueld’ozone, généralement supérieure ou égale à0,4 mg/L, ce dernier étant mesuré en continuen sortie de chaque cuve d’ozonation.Depuis 2001, les cuves d’ozone sont pilotéesau Ratio de Performance (RP). Ce ratio estle rapport entre le niveau de désinfectiond’une cuve d’ozone dans ses conditions defonctionnement (CT₁₀ref) et le niveau dedésinfection nécessaire pour éliminer 3 Logsde Giardia (CT₁₀cible). Le CT₁₀ est définicomme le produit de la concentration enozone par le temps de contact et est calculéselon les préconisations de l’USEPA [4].Pour le calcul du CT₁₀ref, plusieurs hypo­thèses sont faites :

• * Le temps est pris égal au T₁₀, temps pour lequel 10 % du fluide est sorti du contacteur ; ce temps est le produit de l’efficacité hydraulique – par le temps de contact hydraulique, rapport du volume sur le débit ;
• * La concentration en ozone correspond au résiduel en sortie de la cuve d’ozonation ;
• * Le premier compartiment est dédié au transfert de l’ozone et son action est négli­ gée pour la désinfection : dans le calcul du RP, le premier compartiment n’est pas pris en compte.

Ainsi, le ratio de performance prend encompte, par le calcul du CT₁₀ref, l’efficacitéhydraulique de la cuve, le résiduel d’ozoneen sortie de la cuve d’ozone, le temps decontact dans cette cuve et, par le calcul duCT₁₀cible, la température de l’eau.

Dans les conditions courantes d’exploita­tion, la gamme de RP est comprise entre 2,0et 5,0. Pour garantir le seuil inférieur de 2,0,la consigne de RP est au minimum de 2,5.

La conduite des installations d’ozone au RPpermet ainsi de garantir un niveau de désin­fection, grâce à une meilleure maîtrise desconditions opératoires (doses d’ozone,temps de contact) et la prise en compte dela qualité de l’eau (température, demande enozone, qualité microbiologique de la res­source, …). Les changements de marche despompes nourricières des usines sont ainsianticipés et le nombre de contacteurs d’ozo­nation fonctionnant simultanément est opti­misé. Notons enfin qu’un pilotage plus fin del’ozonation conduit à optimiser la dosed’ozone, et ainsi de réduire la productiond’ozone. Comme l’illustre la figure 1, la pro­duction d’ozone annuelle diminue depuis2001, date de la mise en place de la conduiteau RP.

Cela se traduit en termes de qualité de l’eaupar une limitation de la concentration enbromate : alors qu’il était courant d’avoir des

concentrations en bromate au-dessus de 20 µg/L pour des températures supérieures à 20 °C, depuis 2001, la concentration en bromate est restée inférieure à 20 µg/L, comme le montre la Figure 2.

Ainsi, la conduite au ratio de performance permet de piloter les installations d’ozone dans un objectif quantifiable de désinfection, en optimisant la dose d’ozone injectée, en fonction de la qualité de l'eau et du débit. Cette optimisation se traduit par une amélioration de la qualité de l'eau produite, dont la teneur en bromates est systématiquement inférieure à 25 µg/L et inférieure à 20 µg/L plus de 80 % du temps, qui est une limite contractuelle entre le SEDIF et la CGE.

L’optimisation de l’hydraulique

Dans la conduite au RP, l'efficacité hydraulique des cuves d’ozonation intervient lors du calcul du CT. Pour un niveau de désinfection donné, il est préférable d’avoir une efficacité hydraulique proche de 1, c’est-à-dire proche d'un flux piston, ce qui permet de réduire les doses d’ozone ou le temps de contact. La réduction d’un de ces paramètres conduit à la diminution de la quantité de bromate formé. Donc, l’optimisation hydraulique peut être un moyen de diminuer les bromates, tout en maintenant un niveau de désinfection.

L’hydraulique des cuves d’ozonation de Neuilly-sur-Marne et de Choisy-le-Roi a été étudiée à l'aide du logiciel de simulation numérique Fluent. Toutes les cuves dont l’efficacité hydraulique était inférieure à 0,7 ont été optimisées hydrauliquement en ajoutant des chicanes dans les compartiments de contact [3].

Par la suite, des travaux de chicanage ont été entrepris sur les deux usines, de manière à avoir une efficacité hydraulique au moins égale à 0,7, soit une augmentation de l’ordre de 90 % par rapport aux configurations existantes. Ces travaux ont été étalés sur les années 2003 et 2004. En effet, les cuves ne peuvent être arrêtées que l'une après l'autre afin de garder une capacité de production suffisante. Les cuves étaient composées de compartiments en voiles de béton. Les chicanes ajoutées sont des parois en PEHD sur structure inox, matériau léger permettant de ne pas alourdir les ouvrages qui reposent sur des pieux.

Des essais en température chaude ont été menés en 2003 et en 2004 pour quantifier l'impact du chicanage sur la concentration en bromate dans les mêmes conditions de fonctionnement, c’est-à-dire pour le même niveau de désinfection. Quels que soient les essais et les cuves chicanées étudiées, la concentration en bromate formé est peu élevée : elle reste inférieure à 20 µg/L avec un RP de l'ordre de 15. Cela est dû à la concentration en bromure qui était peu élevée dans la ressource (de l’ordre de 40 µg/L).

Les comparaisons entre les essais sur les cuves chicanées et les cuves non chicanées ont été exprimées sous forme de rapport entre la quantité de bromates réellement formés et la quantité de bromates potentiellement formés si tous les bromures avaient été transformés en bromates [2]. Ce rapport, [BrO₃]/[BrO₃]ₘₐₓ, permet de s’affranchir de la concentration initiale en bromures.

Il apparaît très clairement sur la Figure 4 que le rapport [BrO₃]/[BrO₃]ₘₐₓ est moindre après chicanage : en règle générale, le chicanage permet de réduire d'un facteur d’ordre 2 la formation de bromate, à concentration en bromure équivalente, pour une température de 20 °C.

Cette diminution du ratio [BrO₃]/[BrO₃]ₘₐₓ est à relier directement avec le chicanage, qui permet d’obtenir un même RP avec un résiduel d’ozone plus faible, tout en maintenant le même temps de contact. L’augmentation de l’efficacité hydraulique de 90 % pour l'ensemble des cuves d’ozone permet, à RP et température constants, de diminuer d’un facteur 2 le CT appliqué, en jouant soit sur le temps de contact dans la cuve, soit sur le résiduel d’ozone, soit une combinaison des deux.

Conclusion

Le faible impact de l’ozone sur les Cryptosporidium a conduit à ne plus considérer l’ozone comme une étape de traitement efficace vis-à-vis de ces micro-organismes et à préférer l'implémentation d’une étape UV pour palier aux risques associés à ce germe pathogène. La priorité de l’ozonation demeure la désinfection, et plus particulière-

ment les virus, les bactéries et les Giardia. La réduction des sous-produits d'ozonation a donc été étudiée.

Pour diminuer la conversion des bromures en bromates, l'étape d'ozonation peut être améliorée, à la fois d'un point de vue exploitation et ingénierie. En exploitation, la conduite au ratio de performance optimise le taux de traitement et le temps de contact dans chaque cuve, tout en garantissant un niveau de désinfection. L'augmentation de l'efficacité hydraulique de 90 % par le chicanage réduit la concentration en bromate d'un facteur 2, grâce à une diminution de moitié du CT appliqué, en jouant sur le temps de contact et/ou sur le résiduel ozone en sortie des cuves.

Ces solutions associées à des bonnes pratiques, telles qu'une déozonation au bisulfite de sodium et un apport contrôlé et minimisé de bromate par l'eau de javel, permettent d’ozoner tout en respectant les contraintes réglementaires actuelles liées aux bromates, sans compromettre la désinfection.

L'ozonation reste donc d'actualité pour la désinfection, notamment grâce à son effet virulicide. Le maintien indispensable de cette étape de désinfection est possible moyennant des modifications visant à respecter la réglementation sur les sous-produits.

Références bibliographiques

[1] Duguet, J.-P., Bouland, S., Montiel, A. (2004) Mise en conformité des installations de post-ozonation des usines de production d'eau de consommation de la SAGEP vis-à-vis du paramètre bromate. In Proceedings Journées Information Eaux, Poitiers, 29 September - 21 October 2004

[2] Laplanche, A., Lemasle, M., Wolbert, D., Galey, C., Cavard, J. (1998) Contribution of molecular and radical mechanisms in bromate formation during ozonation processes. Proceedings IOA Conference, Poitiers, 23-25 septembre 1998 6 (29) 1-10

[3] Peltier, S., Galey, C., Lemoine, C., Gatel, D., Cavard, J. (2001) Optimisation hydraulique numérique de contacteurs d’ozonation. L'Eau, L'Industrie, Les Nuisances (246) 95-98

[4] USEPA (1991) Guidance manual for compliance with filtration and disinfection requirements for public water systems using surface water sources. Ed. AWWA, Washington, D.C. 573 p.

[5] World Health Organization (2004) Guidelines for drinking-water quality. Vol. 1 (Recommendations) - 3rd ed., 515 p.