Ozonation pour le traitement des eaux industrielles

Curdy Romuald

Professeur:César Pulgarin

Introduction

Oxydation par l’ozone ou ses produits de décomposition.

Oxydation complète ou non de la Matière Organique, de métaux, de micropolluants.

1906: premier usage, STEP de Nice. 2008: STEP de Montréal.

Plan

Théorie:Réaction directs et indirectsProcédés d’oxydation Avancés (AOP)

Technologie, Mise en œuvre: Applications:

Théorie

Réaction directe de l’ozone O3: Si pH < 4 : principale réaction. Vitesse de réaction plutôt lente:

kd = 1,0 – 10e3 M^(-1)S^(-1)

Mécanisme de Criegee:Attaque des doubles liaisons:

=>bonne réactivité avec les composés aromatiques.

Meilleurs affinité avec les formes dissociées et ionisées d’une molécule

L’oxydation à l’ozone est sélective (ne réagit pas avec certain micropolluants: ex: carbamazépine).

Théorie

Réaction indirectes: pH basique: radical hydroxyle. Initiation:

création du radical anion superoxide:

kd = 70 M^(-1)S^(-1)

Théorie

Réaction indirectes: Chaîne de formation des radicaux:

Les Promoteurs encouragent la création de plus de OH°:

exemple: acide humique ou alcools primaires ou secondaires.

Étape de terminaison: (inhibiteurs, scavengers)

Réagissent avec OH°Exemple: carbonates, phosphates,

acides humiques Oxydation par le radical hydroxyle:

kd = 10e8 -10e10 M^(-1)S^(-1)

Théorie

Procédés d’oxydation avancés (AOP): Ozone/peroxyde d’hydrogèneOzone/UVH2O2/UVSystèmes à trois Phases:

Gaz/ Liquide/ Liquide. Gaz/ Liquide/ Solide.

Théorie

Ozone/péroxyde d’hydrogène (O3/H2O2)

H2O2 initiateur des OH°:

efficace pour les molécules mal dégradées par la réaction directe.

H2O2 peut aussi être un inhibiteur(scavenger), donc nécessité de trouvé le rapport optimum O3/H2O2.

Théorie

Ozone/UV: Surtout si la molécule

visée absorbe les UV (250-400 nm) est photolysable.

Sinon réaction avec O3:

Théorie

H2O2/UV: Le Peroxyde

d’hydrogène est meilleur marché que l’ozone.

Théorie Systèmes à trois Phases

Gaz(O3)/Liquide(soluté)+liquide(solvant): Principe:

L’ozone et la molécule cible se dissolvent dans le solvant l’oxydation de la molécule cible par l’ozone se passe dans le

solvant. Avantages:

Les concentrations sont plus grandes. Spécificité de la réaction(O3+M). Plus grand kLa.

Propriétés du solvant: Pression de vapeur basse. Non toxique et immiscible dans l’eau. Haute solubilisation de l’ozone. Inerte avec l’ozone.

Théorie

Systèmes à trois Phases: Gaz(O3)/Liquide(soluté)+solide:

Oxydation de la phase solide: Minéralisation: Réduction du volume de boue. Amélioration de leur structure: meilleurs sédimentation. Peut aussi avoir l’effet inverse: destruction de la

structure des boues: ne pas généralisé.

Théorie

Systèmes à trois Phases: Gaz(O3)/Liquide(soluté)+solide:

Oxydation de substances adsorbé sur le solide: Réactivation d’absorbant: octadecyl silica gel particles (ODS).

mais peut oxydé certain adsorbants. À l’étude: remédiation des sols (in situ ou en réacteur)

In situ: toxicité des produits de réaction. Contrôle du pH car création d’acide organique donc

diminution du PH. La phase solide catalyse la réaction d’oxydation:

TechnaVox Ecoclear.

Technologie

Paramètres influençant l’ozonation: Dimension du système:

Volume et flux Paramètres de l’eau:

Initiateur, inhibiteur(scavenger), promoteur, force ionique (mu=f(E:conductivité électrique)).

Variables d’état: Température et pression.

Paramètres du système: Coefficient de transfert d’ozone de la phase gazeuse à liquide: Kla, Coefficients de réaction de l’ozone (air et liquide), et des polluants.

Technologie

Schéma d’un ozonateur:

Technologie

Générateur d’ozone:Méthode industrielle:

Petite échelle: par électrolyse. Grande échelle: par décharge électrique calme (le

plus courant) par rayonnement UV ( longueur d’onde < 185nm).

Technologie

Générateur électrolytique (ELOG): l’électrolyse de l’eau superpure donne H2 et O2 et

relâche des électrons. Un catalyseur (l’électrolyte) permet la formation

d’atomes libres d’oxygène puis de O3, pour 3 < U < 6 Volts et i > 50 Ampères.

Technologie

Générateur à décharge électrique calme (EDOG):

A partir d’oxygène pure ou avec de l’air à pression élevée (100-600 kPa).

l’oxygène est ionisé entre deux électrodes puis recombiné pour former l’ozone.

La système chauffe (4-12% de l’énergie sert à la réaction) => on refroidit le système (5-10°) pour stabiliser l’ozone.

TechnologieGénérateur à décharge électrique calme

(EDOG): Pour une installation industrielle:

haut voltage (8500-10000V) Fréquence moyenne (200-650 Hz) 100 kgO3/hr 12-18 kWh/kgO3

Technologie

Diffuseur de gaz: taille des bulles. Par diffuseur venturi …

Réacteur: Batch (STR): kla = 0.02 - 2. Colonne (pas plug flow): kla = 0.005-0.01.

Contrôle des concentrations d’O3.

Destruction de l’ozone sortant: Température > 300°C Température = 40-80°C avec

catalyseur (manganèse ou palladium)

Recyclage

Technologie

Investissement et coûts de fonctionnement élevés:Ozonation simple (0.05 – 0.22 €/m3):

Montréal: 200 millions CHF:

dosage: 0.5 - 1.3 g(ozone)/m3 250 mètres cubes par jour: 2 millions CHF

Applications

But de l’ozonation: Désinfection: en général post-traitement: Oxydation de composés inorganiques:

Ex: précipitation de métaux. Il existe d’autres méthodes plus efficaces.

Détoxification:cyanure (CN-), nitrite(NO2-), sulfure(H2S/S2-)): (industries) Produits de réaction toxiques: ex: Bromate

Oxydation de composés organiques: COD > 1mg/L Odeur, couleur: surtout par réaction direct Amélioration de la biodégradabilité: oxydation de la MO récalcitrante en

métabolites facilement traitable. Améliore la chlorination: sinon la MO entraîne la création de by-products

toxiques. Minéralisation complète de la MO: mais pas intéressant économiquement. Oxydation de micropolluants.

Toxicité des produits de réaction (by-product). sorption des by-products: charbon actifs, filtration sur sable.

Amélioration de la coagulation-floculation (pré-ozonation).

Applications

Exemple d’effluents:Lixiviats de décharge: composés humiques,

composés organiques halogénés. Industrie du textile ou du papier: composés

poly-aromatiques colorés, ions métalliques(Cu, Ni, Zn, Cr), COD.

Industrie chimiques ou pharmaceutique: Substances biocides ou toxiques récalcitrantes, solvants.

Applications

Ozone et biodégradation:Ozonation simple:

Processus séquentiel:

Processus intégré:

Sources

Source principale:Ozonation of Water and Waste Water,

Gottschlak,C. ;libra,J.A