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L'ozone peut réduire la consommation d'eau et d'énergie des tours de refroidissement
Les tours de refroidissement sont un secteur relativement nouveau pour le traitement à l'ozone. En tant que tels, les avantages de la technologie sont encore en train d'être découverts par les utilisateurs de ce secteur. Les principaux avantages du traitement de l'eau à l'ozone par rapport au traitement chimique traditionnel résident dans les économies d'eau et d'énergie qui peuvent être réalisées. La réduction, voire l'élimination, de l'utilisation de produits chimiques se traduit également par des avantages en termes de coûts pour l'utilisateur.
Le premier problème auquel sont confrontées les tours de refroidissement de l'eau est l'accumulation d'organismes biologiques et de minéraux, également connue sous le nom de tartre. Ces problèmes entravent l'efficacité du transfert de chaleur des tours de refroidissement. Dans le passé, ce problème a été résolu par l'utilisation d'agents chimiques tels que le chlore et les agents chélateurs. Bien qu'il s'agisse d'une solution adéquate au problème initial, les produits chimiques entraînent d'autres problèmes. En raison de l'évaporation de l'eau dans la tour, l'eau restante atteint un niveau élevé de concentration en produits chimiques et en contaminants. Pour réguler ce phénomène, l'eau est purgée du système et remplacée par de l'eau fraîche "d'appoint". C'est l'eau de purge qui peut poser des problèmes d'élimination, avec des coûts d'assainissement supplémentaires.
Le traitement à l'ozone résout le problème initial en réduisant considérablement le nombre de coûts et de considérations secondaires. En plus d'être un puissant biocide, qui tue les virus et les bactéries infectieuses, l'ozone a prouvé qu'il avait un effet positif sur le détartrage. Il réduit également considérablement le niveau d'eau de purge, ainsi que le coût unitaire de son élimination, en raison de la nature écologique de l'ozone. À cela s'ajoutent les économies réalisées grâce à la réduction des coûts de stockage et de manipulation des produits chimiques, l'ozone étant produit sur place. Ce fait simplifie considérablement la mise en conformité avec la réglementation.
Pourquoi utiliser le traitement à l'ozone ?
Quelques avantages de l'utilisation de l'ozone dans les tours de refroidissement:
- Amélioration de l'efficacité du refroidissement (ce qui réduit la consommation d'énergie).
- Réduction de la quantité de purge (réduction des coûts liés à l'eau d'appoint et aux rejets de déchets chimiques).
- Coûts d'entretien réduits. Les coûts de maintenance des systèmes de traitement par ozonation sont minimes.
- Accumulation insignifiante de désinfectant ou de sous-produits de désinfection
- Désinfectant très efficace
- Pas de manipulation de produits chimiques dangereux grâce à la production in situ
- Faible corrosion
- Traitement respectueux de l'environnement, facilitant le respect de la réglementation
Les sites qui exploitent leurs propres installations de traitement de l'eau ou des eaux usées bénéficient d'avantages encore plus importants or sewage treatment facilities:
- Réduction de la puissance de pompage pour extraire et transporter l'eau du réservoir vers l'installation de traitement de l'eau en raison de la diminution de la consommation d'eau d'appoint
- Réduction des coûts des produits chimiques, de la filtration et de l'entretien
- Réduction de la puissance de pompage pour le transport de la purge vers le traitement des eaux usées
- Réduction de la puissance de pompage pour le transport de l'eau depuis le traitement de l'eau jusqu'à l'utilisateur final
- Réduction des coûts d'autorisation pour le rejet des eaux traitées dans l'environnement
Potentiel de traitement à l'ozone
Citation de l'alerte technologique fédérale du ministère américain de l'énergie sur le traitement à l'ozone:
Dans un système correctement installé et exploité, le nombre de bactéries est réduit, ce qui permet de minimiser l'accumulation de biofilms sur les surfaces des échangeurs de chaleur. La réduction de la demande d'énergie, l'augmentation de l'efficacité opérationnelle et la réduction de l'effort de maintenance permettent de réaliser des économies ainsi que des avantages environnementaux et une amélioration de la conformité réglementaire en ce qui concerne le rejet des eaux usées provenant de la purge.
Le mécanisme de l'ozone
L'ozone inactive et tue efficacement les micro-organismes en oxydant leurs constituants organiques et en brisant leurs parois cellulaires. Il s'agit d'un processus biocide contre lequel les microbes ne peuvent pas développer d'immunité. Par exemple, une concentration de 0,4 mg/l entraîne une destruction à 100 % en 2 à 3 minutes du producteur de biofilms Pseudomonas fluorescens. Une concentration de 0,1 mg/l élimine environ 80 % du biofilm en 3 heures.
La technologie de l'ozonation a également des effets bénéfiques sur le traitement de l'entartrage. En éliminant le biofilm auquel le tartre adhère, les effets de l'entartrage peuvent être considérablement réduits lorsque le biofilm est présent.
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Faibles effets corrosifs
Les effets de la corrosion sont une préoccupation courante lors de l'utilisation de l'ozone. Toutefois, en raison de la très faible concentration requise et de la courte demi-vie, les effets corrosifs de l'ozone sont faibles (voire inférieurs de moitié à ceux résultant d'un traitement par chloration). De plus, son efficacité en tant que biocide minimise les effets de corrosion significatifs induits par l'activité microbiologique. Il a également été démontré que le traitement à l'ozone augmente la protection contre la corrosion en formant un film passif qui recouvre et protège la surface exposée.
Données de l'étude de cas
Des études de cas montrent que les coûts clés en main des systèmes d'ozonation nécessaires au traitement de 1 000 tonnes (3,5 MW) varient entre 40 000 et 50 000 dollars. Dans une étude de cas (réalisée par le ministère américain de l'énergie) en 1994 dans une installation de Lockheed Martin en Floride, le système d'ozonation a pu être installé en une journée, ce qui a permis de réduire de 90 % les déchets de purge et d'obtenir un rapport économies/investissements (SIR) de 31,2. En outre, il a été démontré que l'effet de corrosion redouté de l'utilisation de l'ozone n'était que la moitié de celui résultant du traitement au chlore. La comparaison des coûts d'exploitation annuels pour l'usine Lockheed Martin est présentée dans le tableau ci-dessous.
Paramètres importants à prendre en compte lors de l'utilisation du traitement à l'ozone
- Pour maximiser la durée de vie et la capacité du générateur d'ozone, une alimentation en en oxygène sec et concentré doit être fournie
- Dosage et capacité adéquats du générateur d'ozone
- Refroidissement efficace du générateur d'ozone. Ce point est également essentiel pour prolonger la durée de vie et la capacité du générateur.
- Plus difficile à utiliser lorsque des niveaux élevés de DCO sont introduits dans l'eau à partir de l'appoint ou des conditions atmosphériques locales. Cela consomme la majeure partie de l'ozone. Par exemple, c'est la raison pour laquelle le traitement à l'ozone est plus difficile dans certaines usines chimiques et pétrochimiques où des matières organiques sont introduites dans le système à partir de l'air.
- Une qualité d'eau d'appoint supérieure à 150 ppm de dureté calcique peut nécessiter un filtre à courant latéral. Une dureté calcique (CaCO3) supérieure à 500 ppm ou des sulfates supérieurs à 100 ppm ne doivent pas être envisagés pour le traitement à l'ozone.
- Température de l'eau. La température de l'eau de refroidissement ne doit pas dépasser 45 ⁰C pour que le traitement à l'ozone soit efficace. Ceci est principalement dû à la faible solubilité de l'ozone à des températures plus élevées.
- Longs systèmes de tuyauterie. En raison de la courte durée de demi-vie d'environ 10 à 15 ans, plusieurs points d'injection peuvent être nécessaires dans les tours de refroidissement de plus de 400 m3.
- Utiliser des matériaux compatibles avec l'ozone et surveiller la corrosion (par exemple à l'aide de coupons de corrosion).
Principaux effets des contaminants
Comme nous l'avons déjà mentionné, quatre problèmes principaux apparaissent lors de la circulation de l'eau des tours de refroidissement, à savoir la corrosion, la formation de tartre, l'encrassement biologique et la croissance pathogène.
Les quatre principaux effets des contaminants ainsi que leurs traitements respectifs sont brièvement décrits dans le tableau ci-dessous
Traitement biologique - biocides
La fonction biocide est très importante dans le système des tours de refroidissement, qui est continuellement exposé à des matières organiques et à des organismes en suspension dans l'air. Les biocides destinés à contrôler la croissance microbiologique (pour prévenir à la fois l'encrassement biologique et les agents pathogènes) peuvent être divisés en deux types, à savoir les biocides oxydants et les biocides non oxydants.
Biocides oxydants
En général, les biocides oxydants s'avèrent être des désinfectants efficaces qui oxydent et donc tuent rapidement les micro-organismes à faible dose. Les inconvénients généraux de certains de ces composés sont les suivants : réduction du niveau de pH, augmentation de la corrosion et sensibilité aux variations de pH. L'ozone est un biocide oxydant dont les effets négatifs sont insignifiants lorsqu'il est utilisé de manière professionnelle.
Biocides non oxydants
Les biocides non oxydants agissent en stressant les microbes et en interférant avec leurs mécanismes métaboliques, ce qui finit par les désactiver. Pour cette raison, certains micro-organismes peuvent développer une résistance aux agents non oxydants, ce qui entraîne le remplacement d'un type de microbe par un autre. C'est pourquoi les agents non oxydants doivent être utilisés en combinaison avec d'autres agents oxydants ou non oxydants. En outre, les biocides non oxydants nécessitent généralement un dosage élevé, un temps de contact long et sont relativement coûteux. Leur avantage réside dans leur capacité à cibler des types spécifiques de microbes et dans leurs propriétés non corrosives.
Exemples de biocides
L'indice de saturation de Langelier (ISL)
Le LSI utilise la concentration en calcium, l'alcalinité, la conductivité (en TDS) et la température de l'eau pour déterminer le pH maximal de stabilisation du calcium. Un traitement chimique est alors utilisé pour augmenter la solubilité du carbonate de calcium afin de pouvoir atteindre des cycles plus élevés. De cette manière, en utilisant un programme de traitement chimique, un LSI d'environ +3 peut être atteint sans entartrage significatif et le LSI est alors contrôlé par la quantité de purge/ventilation du système.
Indice pratique d'entartrage à l'ozone (POSI)
L'indice POSI a été développé par Pryor et Fischer en 1993 pour surveiller et contrôler l'entartrage lors de l'utilisation d'un traitement à l'ozone. Il donne la conductivité maximale de fonctionnement de la tour de refroidissement pour éviter l'entartrage et prend en compte la quantité réduite de calcium dissous (grâce à l'ozonation).
Exemple de POSI
Ce qui donne:
En d'autres termes, lors du traitement à l'ozone de cette eau d'appoint, la conductivité maximale peut atteindre une valeur légèrement inférieure à 3 000 µS afin d'éviter la formation de tartre. Cela permet au procédé de fonctionner à près de 23 cycles. Un programme chimique pour la même qualité d'eau d'appoint permettrait au procédé de fonctionner à environ 10 cycles.
Dosage de l'ozone et conception du procédé
Dans la section suivante, quelques relations mathématiques simplifiées sont présentées pour l'estimation de la conception de l'équipement d'ozonation. La quantité d'ozone nécessaire est basée sur le taux de recirculation de l'eau de la tour de refroidissement. Le taux de recirculation peut être obtenu à partir du volume du système et de la période de renouvellement.
Concentrations d'ozone
Ozonation
Une ozonation d'environ 0,2 ppm est généralement fournie à un flux latéral du flux principal. L'équipement de mise en contact permet une efficacité de dissolution d'environ 90 % de l'ozone généré. Toutefois, une efficacité de dissolution de 80 % peut être utilisée pour une marge supplémentaire. En outre, la capacité du générateur d'ozone diminue avec le temps.
Par conséquent, une diminution de la capacité de 10 % sur une période de deux ans peut être utilisée (toujours pour une marge supplémentaire). Pour estimer la capacité de production d'ozone requise, "ṁO3", du générateur, la formule suivante peut être utilisée.
Ainsi, par exemple, un volume de système de 500 m3 et une période de renouvellement de 30 minutes nécessitent un système d'ozonation d'une capacité d'environ 280 g/h. Il convient de noter que les exigences en matière de dosage doivent être ajustées en fonction de facteurs importants tels que la température et la qualité de l'eau pour une efficacité optimale. En outre, le dosage de l'ozone ne doit pas dépasser 10 g/m3 d'eau d'appoint.
Mesure et régulation de la demande d'ozone
Les mesures du potentiel Redox doivent être effectuées en continu pour assurer un dosage adéquat de l'ozone dans le système. Il convient de noter que les sondes ORP sont susceptibles d'être encrassées par les niveaux de carbonate de calcium, par exemple. Le nettoyage est simple, mais essentiel. De cette manière, la production excessive d'ozone est assurée, ce qui permet de réaliser des économies d'énergie et d'éliminer les effets corrosifs d'un excès d'ozone.
Matériaux compatibles avec l'ozone
Produits chimiques compatibles avec l'ozone
En fonction de la qualité de l'eau et du type de processus, il peut être bénéfique, dans certains cas, d'utiliser des produits chimiques en même temps que l'ozone. Il est toutefois important de ne pas interférer avec l'intégrité du programme de traitement et de n'utiliser que des produits chimiques qui conservent leur fonction et leur stabilité en combinaison avec l'ozone. Vous trouverez ci-dessous des exemples de produits chimiques dont la compatibilité avec l'ozone a été démontrée:
- PBTC, inhibiteur de tartre et de corrosion.
- Molybdate, inhibiteur de corrosion pour les eaux douces.
- Silicate, inhibiteur de corrosion à des concentrations de calcium <200 ppm.
- TTA/BTA, protection des alliages de cuivre et de laiton.
- Produits chimiques à base de zinc, inhibiteurs de corrosion.
