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Plateforme «Techniques de traitement des micropolluants»

19.07.2016 1

VERIFICATIONS RELATIVES A

L’ADEQUATION DU PROCESSUS

D’OZONATION

Rédaction P. Wunderlin (VSA)

Suivi technique Ch. Abegglen (VSA), E. Durisch (AWEL), Ch. Götz (Envilab), A. Joss

(EAWAG), C. Kienle (Centre Ecotox), M. Langer (Centre Ecotox), A.

Peter (WVZ), S. Santiago (Soluval), F. Soltermann (EAWAG), U.

von Gunten (EAWAG), M. Weil (ECT), S. Zimmermann-Steffens

(OFEV)

Avec une étape de traitement supplémentaire visant à éliminer les micropolluants, un

large spectre de substances est éliminé des eaux usées et la qualité de l’eau est ainsi

améliorée de manière significative. Parmi les procédés qu’il est possible d’appliquer,

l’adsorption sur charbon actif ou l’ozonation figurent au premier plan. Nous savons que

certaines eaux usées ne conviennent pas à un traitement par ozonation, notamment en

cas de rejets importants d’eaux usées industrielles ou commerciales. Dans de tels cas,

des sous-produits d’oxydation indésirables1 peuvent être formés à des concentrations

élevées, ce qui doit être évité. Différentes études permettent d’ores et déjà de

déterminer le plus tôt possible si des eaux usées spécifiques pourraient être

problématiques - la procédure à suivre lors de ces vérifications est décrite dans le détail

ci-après. Il s’agit pour l’essentiel de contrôler si les eaux usées concernées diffèrent des

eaux usées «non problématiques». Il est donc très important de bien analyser la situation

lors de ces vérifications.

Le procédé décrit ci-après ainsi que les vérifications proposées bénéficient d’un large

consensus et se basent sur les connaissances résultant de différentes études (p. ex.

Soltermann et al., projet soumis; Wunderlin et al., 2015; Schindler Wildhaber et al.,

2015).

Lorsqu’une ozonation est envisagée, il est impératif de mener ces vérifications au

préalable, afin de contrôler si le traitement par ozonation convient à la situation

donnée (cf. Dominguez et al., 2016).

1 Sous-produits d’oxydation: formés par des réactions avec la matrice des eaux usées (p. ex. bromate, NDMA);

produits de transformation: formés par l’oxydation des composés-traces organiques; produits de réaction: sous-

produits d’oxydation et produits de transformation - pour les eaux usées communales, il est supposé que les sous-

produits d’oxydation sont plus pertinents que les produits de transformation du point de vue toxicologique.


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Sommaire

1. Contexte ……………………………………………………………….………………………………………. 3

2. Conditions-cadres légales ……………………………….…………………………………………….. 3

3. Sous-produits d’oxydation problématiques en point de mire…….………………………. 3

4. Brève description et aperçu de la procédure et des différents aspects à

contrôler ……………………………………………………………………………………………..…………

5

5. Description détaillée de la procédure et des aspects à contrôler ..……………….....

5.1. Etude du bassin versant………………………………………………………..…………………..

5.2. Mesures à l’entrée de l’ozonation planifiée………………….…………………………….

5.3. Analyses chimiques ………………………………………………………………………..………...

5.4. Bioessais………………………………………………………………………………………..…..………

5.5. Bilan et conséquences ……………………………………………………………………………….

5.6. Fréquence de l’exécution des analyses………………………………………………………..

7

7

9

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16

16

6. Acteurs impliqués: qui fait quoi, qui paie? …………………………………………………….. 17

7. Coûts et temps d’exécution…………………………………………………………………………….. 18

8. Analyses complémentaires ……………………………………………..…………………………….. 18

9. Collecte centralisée et stockage des données ………………………………………………… 19

10. Bibliographie ………………………………………………………………….…………………………….. 19


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1. Contexte

L’introduction d’une étape de traitement supplémentaire sous forme d’ozonation dans

une station d’épuration communale (STEP) engendre normalement une réduction

sensible des micropolluants et donc une amélioration significative de la qualité de l’eau

(p. ex. Kienle et al., 2015). D’autres effets positifs sont observés, notamment la

décoloration des eaux usées et l’inactivation des germes. Mais en cas de charge

spéciale, par exemple en raison de rejets importants d’eaux usées industrielles ou

artisanales, des substances problématiques, appelées sous-produits d’oxydation,

peuvent être formées par ozonation. Par conséquent, il convient d’examiner

suffisamment tôt, au cas par cas, si des eaux usées spécifiques conviennent à un

traitement par ozonation.

L’élimination des composés-traces dans les eaux usées par ozonation a de nombreux

effets positifs. Mais il convient toutefois d’examiner au préalable si l’ozonation se prête

aux eaux usées concernées.

2. Conditions-cadres légales

Il convient de respecter les bases légales suivantes: l’art. 3 LEaux (devoir de diligence) et

l’art. 6 LEaux (interdiction de polluer) indiquent qu’il est interdit d’introduire dans une eau

des substances susceptibles de causer des atteintes nuisibles ou de nature à polluer

l’eau. Ainsi, le traitement par ozonation d’eaux usées spécifiques ne doit pas former

de nouvelles substances problématiques (sous-produits d’oxydation). Par conséquent,

les vérifications décrites dans ce document doivent être considérées comme faisant

partie intégrante du procédé technique prévu (dans le sens d’une planification adéquate

imposée par l’art. 63 LEaux). Le procédé à mettre en place doit assurer une protection

efficace des eaux et être conforme à l’état de la technique. Voir également Dominguez et

al. (2016).

Lors des vérifications préalables visant à contrôler si des eaux usées spécifiques se

prêtent à l’ozonation, il convient plus particulièrement de prendre en considération les

exigences légales (articles 3, 6 et 63 de la loi sur la protection des eaux).

3. Sous-produits d’oxydation problématiques en ligne de mire

Lors d’une ozonation, les composés-traces sont transformés sous l’effet de l’ozone et des

radicaux libres OH. Généralement, les produits de conversion non problématiques des

composés-traces, également appelés produits de transformation2, restent sans effet ou

présentent des effets beaucoup plus faibles que la substance initiale. Parallèlement à

l’élimination des composés-traces, d’autres substances solides organiques et

inorganiques contenues dans les eaux usées sont également oxydées. Des sous-produits

d’oxydation3 présentant une toxicité élevée peuvent apparaître. La plupart d’entre eux

sont de nouveau éliminés lors de l’étape de post-traitement biologiquement active. Il est

2 Sous-produits d’oxydation: formés par des réactions avec la matrice des eaux usées (p. ex. bromate, NDMA);

produits de transformation: formés par l’oxydation des composés-traces organiques; produits de réaction: produits

d’oxydation et de transformation - pour les eaux usées communales, il est supposé que les sous-produits d’oxydation

sont plus pertinents que les produits de transformation du point de vue (éco)-toxicologique.


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supposé que les sous-produits d’oxydation contenus dans les eaux usées communales

sont plus pertinents du point de vue (éco)-toxicologique que les produits de

transformation.

Figure 1 Répartition des sous-produits d’oxydation problématiques contenus dans des

substances connues et mesurables (en haut) ainsi que dans des substances inconnues

uniquement détectables par le biais des effets (éco)-toxicologiques combinés (en bas).

Ce faisant, deux aspects sont distingués: (i) sous-produits d’oxydation connus, qui

peuvent être décelés et quantifiés chimiquement (bromate, nitrosamine ou chromate) et

(ii) sous-produits d’oxydation inconnus, dont les effets (éco)-toxicologiques négatifs

(effets combinés) peuvent être décelés par des bioessais (fig. 1).

o Bromate: le bromate est formé au cours de l’ozonation à partir du bromure (une dose

plus élevée d’ozone entraîne généralement une augmentation de la formation de

bromate) et a un effet potentiellement cancérigène. Pour l’eau potable, la valeur

limite s’élève à 10 µg/l (DFI (1995)). La norme de qualité environnementale proposée

est de 50 µg/l (Centre Ecotox, 2015). Dans l’environnement (c’est-à-dire dans des

conditions aérobies), le bromate n’est plus éliminé et devient donc une substance

durable et persistante. La formation de bromate doit donc être la plus faible possible

(interdiction de polluer en vertu de l’article 6 LEaux).

o Nitrosamine: les nitrosamines N comprennent un groupe de substances ayant

comme principal représentant le nitrosométhanamine (NDMA). Ils sont également

considérés comme potentiellement cancérigènes. Des nitrosamines peuvent se

former pendant l’ozonation. La valeur de référence recommandée par l’OMS pour


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l’eau potable s’élève à 100 ng/L (OMS, 2008), tandis que l’obligation d’annonce en

Californie est de 10 ng/l (CDPH, 2009). Contrairement au bromate, le NDMA peut être

partiellement éliminé dans des conditions aérobies (p. ex. lors du post-traitement). La

formation de nitrosamines doit également être réduite au minimum.

o Chromate: la formation de chromate est considérée comme non problématique, car

les concentrations de chrome dans les eaux usées sont très faibles dans la plupart

des cas et la formation de chromate est très lente. Des mesures de chrome doivent

être intégrées, afin d’exclure la formation de chromate pour chaque cas spécifique.

o Analyse générale (évaluation des effets combinés par le biais de bioessais): les

sous-produits d’oxydation problématiques (ainsi que leurs précurseurs) n’étant pas

tous connus, il n’est pas toujours possible de les identifier par le biais d’analyses

chimiques. C’est pour cette raison que l’effet de sous-produits d’oxydation inconnus

est évalué à l’aide de bioessais.

Différents sous-produits d’oxydation problématiques (potentiellement toxiques) peuvent

se former en cas de traitement à l’ozone d’eaux usées inappropriées. Certains sous-

produits d’oxydation ainsi que leurs précurseurs peuvent être mesurés directement.

D’autres sont inconnus. Leurs effets sont donc analysés à l’aide de bioessais choisis

(analyse des effets combinés).

4. Brève description et aperçu de la procédure et des aspects à contrôler

Ce chapitre présente de manière brève et concise la procédure ainsi que les aspects à

contrôler. Cela doit permettre d’obtenir un premier aperçu du processus. Dans le chapitre

suivant, les différents modules seront abordés de manière détaillée.

Le déroulement des vérifications est conçu de manière progressive. Des analyses de plus

en plus spécifiques sont effectuées à partir de l’étude qualitative du bassin versant.

Ainsi, les vérifications peuvent être interrompues à tout moment en cas d’eaux usées

inadéquates, ce qui permet d’économiser des coûts. Les analyses sont réparties en

quatre étapes (figure 2):

(1) Etude du bassin versant: il s’agit ici de procéder à une première répartition grossière

des eaux usées à l’aide des déversements problématiques connus. Dans la plupart

des cas, l’exploitant ou les autorités cantonales compétentes disposent déjà de

certaines informations à ce sujet.

(2) Mesures à l’entrée de l’ozonation planifiée: lors d’une première étape, les

paramètres standard classiques, tels que la DCO (demande chimique en oxygène), le

COD (carbone organique dissous), le NO2- (nitrite), les colorants, etc. doivent être

examinés. Ces valeurs sont également utiles au dimensionnement d’une ozonation.

Si des anomalies apparaissent ici, leur effet sur l’ozonation doit également être

contrôlé. La prochaine étape consiste à effectuer des mesures à l’entrée de

l’ozonation planifiée (c’est-à-dire à la sortie de la décantation secondaire). Ce faisant,

l’accent est principalement mis sur le bromure et le bromate. La concentration du

sous-produit nitrosamine (notamment le NDMA: N-nitrosodiméthylamine) devrait

également être mesurée. Nous supposons que des concentrations de nitrosamines


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élevées peuvent être accompagnées de concentrations importantes de précurseurs

et/ou d’une part probablement élevée d’eaux usées industrielles.

(3) Analyses chimiques: dans cette partie, différents tests (exposition O3 et OH, efficacité

de l’élimination de composés-traces choisis, formation de bromate et de NDMA) sont

effectués en laboratoire avec des eaux usées traitées (échantillon composite pendant

5 jours à la sortie du décanteur secondaire). Pour ce faire, l’ozonation ainsi que le

post-traitement biologique sont simulés. Lors de l’échantillonnage, il convient

impérativement de veiller à la représentativité.

(4) Bioessais: en complément aux «analyses chimiques», l’impact de l’ozonation sur la

qualité écotoxicologique des eaux usées est évalué dans ce module à l’aide de

bioessais choisis.

Figure 2 Représentation schématique du déroulement progressif des vérifications. Les

traits pointillés indiquent que certaines vérifications peuvent être réitérées en cas de

résultats indéterminés/suspects, par exemple après la mise en œuvre de mesures

ciblées à la source.


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Lors du traitement des différentes étapes, une évaluation de plus en plus fine de la

traitabilité des eaux usées à l’ozone peut être entreprise à l’aide de la procédure

présentée dans la figure 2. En cas d’eaux usées clairement suspectes, il n’est pas

nécessaire de mener toutes les vérifications, car l’ozonation n’est manifestement pas

une méthode appropriée. Si la composition des eaux usées n’est «clairement pas

appropriée», il convient de se demander si des procédés alternatifs (p. ex. charbon actif)

seraient plus appropriés ou si des mesures contre le déversement de substances

problématiques dans les eaux usées peuvent être mises en œuvre.

5. Description détaillée de la procédure et des aspects à contrôler

La structure progressive des vérifications est représentée dans la figure 2 et a déjà été

brièvement explicitée dans le chapitre 4 «Brève description et aperçu de la procédure et

des aspects à contrôler». Les différentes étapes sont abordées dans le détail ci-après.

5.1. Etude du bassin versant

Figure 3 Aspects importants pour l’étude du bassin versant, et première répartition

grossière des eaux usées.


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Cette étape doit permettre de vérifier s’il y a des déversements problématiques dans le

bassin versant, notamment en ce qui concerne le bromate et les précurseurs de

nitrosamines (cf. figure 3).

Les secteurs d’activités suivants sont considérés comme de potentiels producteurs de

bromure : (i) industrie chimique, (ii) usines d’incinération des déchets ménagers avec

lavage des fumées par voie humide (le bromure provient principalement des agents

ignifuges), (iii) décharges, (iv) incinérateurs de déchets spéciaux, (v) autres sources

mineures (Soltermann et al., soumis). Le sel de déneigement ne pose généralement pas

de problème, dans la mesure où il contient une très faible quantité de bromure.

Les précurseurs de nitrosamines sont très probablement d’origine industrielle. Il existe

une multitude de précurseurs inconnus et nous supposons qu’ils sont souvent déjà

transformés en nitrosamines au cours des processus industriels. Les nitrosamines font

donc office de substances de référence lors de l’évaluation préalable des eaux usées.

Mais la présence ou non de précurseurs de nitrosamines ne pourra toutefois être

déterminée de manière définitive qu’en cas d’éventuelle augmentation de leur

concentration après une ozonation.

Des séries de mesure déjà disponibles peuvent également être utilisées pour une

première évaluation. Dans la mesure où les concentrations des substances

susmentionnées peuvent présenter une grande dynamique à l’entrée de la STEP, il est

décisif de procéder à un échantillonnage représentatif. Ce point devra être pris en

compte de manière appropriée. D’autres aspects importants, tels qu’une évolution

économique (déjà) planifiée dans le bassin versant, doivent être intégrés à l’évaluation.

Si l’on veut procéder à une évaluation globale, il est important de tenir compte des

paramètres standard classiques, tels que la DCO (demande chimique en oxygène), le

COD (carbone organique dissous), le NO2- (nitrite), les colorants, etc., en plus des

substances problématiques connues. Si des anomalies apparaissent, leurs effets sur

l’ozonation doivent être contrôlés.

L’objectif de l’étude du bassin versant est d’obtenir un premier aperçu de la situation et

d’identifier une éventuelle pollution spécifique. Il convient de procéder à une première

classification des eaux usées en «normales», «indéterminées» ou «suspectes». Cette

répartition est très utile à l’identification de la stratégie d’échantillonnage pour les

analyses suivantes: en cas d’eaux usées «indéterminées» et «suspectes», il convient par

exemple de réfléchir au moment où l’échantillon doit être prélevé afin qu’il soit

représentatif du bassin versant. Par ailleurs, une première évaluation grossière permet

également de déterminer la fréquence à laquelle les analyses doivent être effectuées.


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Une première évaluation grossière des déversements potentiellement problématiques

est disponible. En cas de déversements potentiellement problématiques, il est utile de

réfléchir, dès cette phase, comment et où prendre des mesures à la source ainsi que de

s’interroger sur leur efficacité. Il convient de se demander si une ozonation est vraiment

réaliste en cas de déversement important avec un potentiel de réduction partiel. Si ce

n’est pas le cas et qu’un procédé à base de charbon actif est par conséquent utilisé, les

analyses peuvent être abandonnées dès cette étape.

5.2. Mesures à l’entrée de l’ozonation planifiée

Figure 4 Procédure d’évaluation de la composition des eaux usées et critères de

répartition des eaux usées analysées.

Cette étape consiste à effectuer des mesures à l’entrée de l’ozonation planifiée, d’une

part, avec des paramètres standard classiques (DCO, COD, nitrite, colorants, etc.). Si des


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anomalies apparaissent, leur effet sur l’ozonation doit être contrôlé de manière

adéquate. D’autre part, l’accent est mis sur les substances problématiques connues,

telles que le bromure/bromate et les nitrosamines (NDMA) (fig. 4). L’expérience a montré

que les concentrations de ces substances présentent une variabilité temporelle à

l’entrée. Il est donc recommandé d’analyser la composition des eaux usées à l’aide

d’échantillons composites hebdomadaires prélevés sur une longue période de temps (3-

6 mois) (fig. 4). Le classement des eaux usées réalisé à l’étape « 1. Etude du bassin

versant » doit être corroboré sur la base ces mesures. Les résultats peuvent être

contradictoires, ce qui indique que des aspects importants ne sont pas encore

suffisamment connus. Il peut être pertinent, dès cette phase, d’effectuer des premières

analyses chimiques en laboratoire sur des échantillons sélectionnés (voir «3. Analyses

chimiques» et fig. 5).

L’objectif de cette phase est d’identifier les déversements problématiques en se basant

sur l’étude du bassin versant. Cela permet de répartir les eaux usées en «normales»,

«indéterminées» ou «suspectes». Cette répartition s’appuie en majorité sur les

concentrations à l’entrée de bromure et de nitrosamines (notamment NDMA), ainsi que

d’éventuels précurseurs.

o Bromure: dans l’étude de Soltermann et al. (déposée), les concentrations de bromure

ont été analysées en entrée des STEP ainsi que dans leurs bassins versants. Il est

apparu que les concentrations de bromure étaient inférieures à 100 µg/l dans les

bassins versants «purement» communaux (c’est-à-dire sans producteurs

problématiques, voir également «1. Etude du bassin versant»). Pour ce type d’eaux

usées, la formation de bromate attendue à des doses d’ozone spécifiques

traditionnelles de 0.5-0.7 mg O3/mg COD se situe dans une plage de µg/L basse à

un chiffre. Dans les bassins versants communaux comportant peu de producteurs,

des concentrations de bromure allant de 100 à 400 µg/l ont été constatées, tandis

qu’elles peuvent largement dépasser 400 µg/l en cas de déversements importants.

Dans ces situations, il faut s’attendre à une formation de bromate fortement accrue

en fonction de la dose d’ozone utilisée.

Une minimisation ciblée des sources de bromure dans le bassin versant peut réduire

efficacement le risque de formation indésirable de bromate.

o Nitrosamine: la formation de nitrosamines pendant l’ozonation n’est pas encore

suffisamment comprise. Par ailleurs, les substances qui peuvent apparaitre comme

précurseurs demeurent encore mal connues. Les concentrations de nitrosamines à

l’entrée de STEP suisses ont été analysées dans l’étude de Krauss et al. (2009). Les

auteurs ont conclu que la concentration de NDMA (N-nitrosodiméthylamine) est

inférieure à 5 ng/l dans les eaux usées «purement» communales. Pour ce qui est du

NMOR (N-nitrosomorpholine), identifié dans l’étude comme étant la deuxième

nitrosamine la plus importante après le NDMA en Suisse, les concentrations étaient

inférieures à 1 ng/l dans les eaux usées communales. Des concentrations plus

élevées indiquent la présence de rejets industriels. Dans ces cas-là, les

concentrations à l’entrée étaient fortement variables. Mais les précurseurs de


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nitrosamines peuvent également provenir de sources internes aux STEP: ainsi, Sgroi

et al. (2014) ont indiqué que des polymères de polyacrylamide basés sur le DMA sont

parfois utilisés pour l’assèchement et l’épaississement de boues et peuvent

constituer une source importante de NDMA (apports via les boues recirculées). Il est

donc important de tester les eaux usées à l’entrée de l’ozonation planifiée et non à

l’entrée de la STEP.

La formation de nitrosamines (notamment la NDMA) par l’ozonation doit être évitée.

Des concentrations élevées de NDMA à l’entrée de l’ozonation planifiée indiquent la

présence de rejets problématiques, mais il n’y a toutefois pas de lien direct entre les

concentrations de NDMA et le potentiel de formation de NDMA lors de l’ozonation.

Dans ce contexte, il convient d’étudier des mesures ciblées à la source.

o Chrome: les concentrations de chrome mesurées à l’entrée des STEP sont dans la

plupart des cas largement inférieures à 1 µg/l. Ces faibles concentrations ne

représentent aucun danger concernant une formation indésirable de chromate, car la

formation de chromate lors de l’ozonation est beaucoup plus lente que la formation

de bromate. Mais dans les bassins versants contenant une charge spécifique de

chrome, une concentration élevée de chrome à l’entrée de la STEP n’est pas exclue.

La formation de chromate est considérée comme non problématique à l’échelle de la

Suisse, car les concentrations de chrome à l’entrée des STEP sont très faibles dans la

plupart des cas. Mais pour pouvoir exclure une formation de chromate de manière

spécifique à chaque cas, des mesures de chrome doivent être impérativement

intégrées dans cette phase (des mesures de chrome effectuées dans la boue

d’épuration peuvent éventuellement déjà donner une première indication de

concentrations élevées de chrome à l’entrée de la STEP).

o Autres précurseurs problématiques: une liste d’autres précurseurs problématiques

ainsi que des processus problématiques est actuellement en cours d’élaboration et

sera publiée sur www.micropoll.ch dès qu’elle sera disponible.

5.3. Analyses chimiques

Lors de cette étape, des analyses chimiques ciblées sont effectuées. Ces analyses sont

également connues sont le nom de «traitement test à l’ozone» (voir également Wunderlin

et al., 2015, Schindler Wildhaber et al., 2015). Pour ce faire, un échantillon composite de

5 jours est prélevé à l’entrée de l’ozonation planifiée (c’est-à-dire à la sortie du décanteur

secondaire) et analysé en laboratoire. Il convient de veiller à ce que l’échantillon soit

prélevé, si possible, pendant une phase de service représentative. Si des déversements

problématiques sont présents, l’échantillonage doit être prévu de telle sorte que ces

derniers soient pris en compte. La représentativité des échantillons analysés doit

également être garantie dans le cas d’un regroupement de deux STEP. A cet effet, un

mélange d’eaux usées proportionnel au débit doit être analysé. Mais si les eaux usées ne

sont prétraitées avec un autre procédé biologique qu’après le regroupement (p. ex.

introduction d’une nitrification), il convient de réfléchir à la manière dont le futur procédé

biologique peut déjà être inclus dans les analyses préalables afin de pouvoir garantir la

http://www.micropoll.ch/


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représentativité. Dans un tel cas de figure, il est très important d’entamer suffisamment

tôt le dialogue avec les autorités compétentes.

Les instructions de travail pour réaliser ces analyses chimiques sont disponibles dans un

document séparé: voir «Instructions pour l’exécution d’essais en laboratoire»

www.micropoll.ch.

Figure 5 Aspects à étudier dans le cadre des «analyses chimiques» et critères à prendre

en compte pour l’évaluation des eaux usées étudiées.



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Nous abordons brièvement ci-après les différentes analyses chimiques (voir également

fig. 5; pour une description plus détaillée, voir Wunderlin et al., 2015; Schindler

Wildhaber et al. 2015):

(A) Effets de la matrice sur la stabilité O3

Dans ces analyses, l’exposition d’ozone est déterminée avec des doses d’ozone

spécifiques de 0,5, 1,0 et 1,5 mgO3/mg COD. Une comparaison avec des eaux usées de

référence non problématiques permet d’évaluer s’il y a des différences entre les eaux

usées étudiées (rejet de la décantation secondaire) et les eaux usées de référence non

problématiques. Les données de référence sont disponibles sous www.micropoll.ch.

(B) Effets de la matrice sur l’exposition ●OH

Au cours de ces examens, l’exposition ˙OH est déterminée à des doses d’ozone

spécifiques de 0.5, 1.0 et 1.5 mg O3/mg COD, comme pour l’exposition d’ozone. Une

comparaison avec des eaux usées de référence non problématiques permet d’évaluer s’il

y a des différences entre les eaux usées étudiées (rejet de la décantation secondaire) et

les eaux usées de référence non problématiques. Les données de référence sont

disponibles sous www.micropoll.ch.

Lorsque les eaux usées ne sont pas problématiques, les durées d’exposition à l’ozone et

aux radicaux ˙OH se situent dans la plage des données de référence. Les écarts (vers le

haut et le bas) révèlent la probabilité d’eaux usées suspectes.

(C) Efficacité de l’élimination des composés-traces (atrazine, phénytoïne)

L’efficacité de l’élimination des deux composés-traces atrazine et phénytoïne est

déterminée avec une dose d’ozone spécifique de 0,5, 1,0 et 1,5 mg O3/mg COD. Les

deux substances ne réagissent que très lentement avec l’ozone. Elles sont

principalement éliminées par l’effet du˙OH. L’efficacité de l’élimination est donc

directement liée à l’exposition˙OH (voir ci-dessus). Il est donc possible de déterminer

l’efficacité de l’élimination à l’aide des données d’exposition issues des «effets de la

matrice sur l’exposition˙OH» et de la comparer avec la performance d’élimination

mesurée ici. Ces analyses permettent d’évaluer précisément l’élimination des

micropolluants et servent au contrôle des valeurs d’exposition˙OH déterminées au point

B.

En cas d’eaux usées non problématiques comportant des durées d’expositions aux

radicaux ˙OH situées dans la plage des données de référence, les deux substances

analysées sont éliminées de manière efficace, en fonction de la dose d’ozone spécifique.

Si les deux substances ne sont pas éliminées ou sont moins bien éliminées, cela indique

que les eaux usées sont probablement problématiques (durée d’exposition˙OH peu

élevée).

(D) Sous-produits d’oxydation: bromate

La formation de bromate est déterminée avec des doses d’ozone spécifiques de 0,5, 1,0

et 1,5 mg O3/mg COD. Les concentrations de bromure à l’entrée (voir « 2. Mesures à

l’entrée de l’ozonation») devraient déjà fournir une première évaluation de l’éventuelle




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formation de bromate. Il est essentiel de savoir que la formation de bromate doit être la

plus basse possible en cas d’ozonation à l’échelle industrielle (art. 6 LEaux).

La formation de bromate doit être la plus faible possible, ce qui est le cas dans les eaux

usées communales sans déverseur de bromure. En cas de formation de bromate élevée,

une ozonation est inappropriée. Il est également possible d’intervenir dans le bassin

versant en identifiant et en éliminant de manière ciblée les sources de bromure.

(E) Sous-produits d’oxydation: NDMA

Comme pour la formation de bromate, la formation de nitrosamines par ozonation est

déterminée avec des doses d’ozone spécifiques de 0,5, 1,0 et 1,5 mg O3/mg COD. Dans

la mesure où les nitrosamines peuvent être de nouveau éliminées en conditions

aérobies, la concentration de nitrosamines est mesurée après le post-traitement

biologique. Comme pour la formation de bromate, la formation de nitrosamines doit être

minimisée en cas d’ozonation à l’échelle industrielle (art. 6 LEaux).

La formation de nitrosamines doit être la plus faible possible. En cas de formation élevée

de nitrosamines, il convient d’analyser l’efficacité de l’élimination des nitrosamines

formées dans l’étape de post-traitement biologique. Sans élimination significative à

l’étape de post-traitement biologiquement active, une ozonation est inappropriée.

5.4. Bioessais

Dans cette étape, des analyses sont effectuées à l’aide de tests écotoxicologiques, afin

d’identifier d’éventuels effets négatifs de sous-produits d’oxydation inconnus (fig. 1 et 6).

Pour ce faire, il convient d’utiliser les échantillons d’eaux usées provenant des Analyses

chimiques (voir chapitre 5.3) (déroulement de la décantation secondaire, traitement à

l’ozone, traitement à l’ozone avec post-traitement biologique). La fréquence de

l’exécution des analyses est abordée dans le chapitre 5.6.

Ces analyses ne consistent pas à évaluer l’élimination des effets des micropolluants

dans les eaux usées traitées. Ceux-ci sont connus et ont déjà été documentés dans

d’autres études (p. ex. Kienle et al., 2015). Il s’agit ici de vérifier si une ozonation forme

des sous-produits d’oxydation indésirables, augmentant ainsi la toxicité des eaux usées

traitées («Anomalie»!). Il convient d’identifier ces eaux usées problématiques dans le

cadre des présentes vérifications.

Pour mener à bien ces analyses, les tests suivants sont recommandés (ensemble de

tests minimum): (i) Test AMES (avec les lignes de cellule TA98 et TA100 avec et sans

activation S9), (ii) reproduction de daphnies (Ceriodaphnia dubia) et (iii) test aux algues

vertes combiné. Les tests recommandés représentent différentes étapes trophiques et

points limites toxicologiques, tels que la mutagénicité, la croissance de la population et

l’inhibition de la photosynthèse. Les tests utilisés ne doivent pas se limiter à cette

sélection, d’autres tests appropriés peuvent également être effectués. D’autres options

sont envisageables, telles que le test des œufs de poissons et le test Umuc. La sélection

n’est pas et ne doit pas être exhaustive.


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Lors de l’évaluation des résultats des bioessais effectués, il convient de vérifier comment

le traitement à l’ozone et le post-traitement biologique consécutif ont influé sur la toxicité.

En principe, une augmentation de la toxicité est indésirable et indique la présence d’une

anomalie. En revanche, une baisse de la toxicité constitue une amélioration. Pour

compléter cette «étude relative», la toxicité déterminée peut être comparée avec des eaux

usées de référence non problématiques. Lors de l’interprétation des résultats obtenus à

partir des analyses (éco)-toxicologiques, les expériences des laboratoires en charge des

bioessais doivent être incluses.

A l’aide de tests (éco)-toxicologiques appropriés, il convient d’étudier comment le

traitement à l’ozone influe sur la toxicité. Ce faisant, une augmentation de la toxicité doit

être considérée comme problématique. Une baisse de la toxicité est souhaitée. Un

aspect supplémentaire peut être inclus dans l’évaluation à l’aide des données de

référence. Mais les expériences des laboratoires en charge des bioessais doivent être

également intégrées dans l’interprétation.

Figure 6 Bioessais adaptés et optionnels. Pour l’interprétation des résultats, il s’agit en

premier lieu d’étudier dans quelle mesure le traitement influe sur la toxicité.


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5.5. Bilan et conséquences

Les eaux usées étudiées doivent désormais être évaluées à l’aide des vérifications

effectuées. D’une part, il peut arriver que ces analyses n’aient pas été menées à bien en

cas d’eaux usées suspectes, car il est apparu dès les premières analyses que les eaux

usées concernées ne convenaient pas à un traitement à l’ozone. D’autre part, en cas

d’eaux usées «indéterminées», il convient toujours de réfléchir aux mesures

complémentaires appropriées. En règle générale, la répartition suivante peut être

réalisée:

o Une ozonation des eaux usées s’est révélée comme clairement NON

PROBLEMATIQUE au cours de toutes les analyses: une ozonation convient à ces

eaux usées, si l’échantillon était représentatif. L’analyse du bassin versant peut

fournir de précieuses informations. D’autres analyses sont envisageables (voir «8.

Analyses complémentaires»). Il est recommandé de ne pas s’appuyer sur une seule

campagne de mesure.

o Une ozonation des eaux usées s’est révélée comme clairement PROBLEMATIQUE

au cours de toutes les analyses: une ozonation ne convient pas à ces eaux usées. Si

aucune mesure ciblée n’est possible à la source ou que les déversements

problématiques ne peuvent pas être aisément identifiés, il convient d’opter pour un

procédé à base de charbon actif.

o Les vérifications n’ayant pas fourni de résultats clairs, l’ozonation des eaux usées

ne peut être clairement classée comme appropriée/inappropriée: la question qui se

pose est de savoir si les déversements problématiques sont connus et si des mesures

correspondantes à la source sont réalistes. Si cela est possible, il est utile d’effectuer

de nouvelles analyses après la mise en œuvre des mesures à la source. Idéalement,

les eaux usées pourront alors être considérées comme «non problématiques». Mais si

les mesures prises sont trop peu efficaces, l’énoncé reste indéterminé. Une décision

définitive en faveur de l’ozonation ne repose pas sur une base assez large. Il convient

donc d’opter pour un procédé basé sur le charbon actif. Il convient de noter qu’en

cas de combinaison de procédés (ozone avec charbon actif), les aspects critiques

d’un traitement à l’ozone individuel ne sont pas automatiquement éliminés (c’est-

à-dire que les sous-produits d’oxydation formés par l’ozonation ne sont pas

éliminés lors de la phase du charbon actif). Mieux vaut chercher à analyser les

conditions limites pertinentes en cas de procédés combinés et les intégrer dans la

planification ainsi que dans l’exploitation.

5.6. Fréquence de l’exécution des analyses

La fréquence de l’exécution des analyses est déterminée par la variabilité du bassin

versant. Il est donc essentiel que l’échantillon analysé soit représentatif du bassin

versant. Si les eaux usées communales sont normales, une à deux analyses peuvent déjà

se révéler suffisantes. Cette règle ne doit toutefois pas s’appliquer aux eaux usées

«indéterminées» et «suspectes», dont la composition est souvent très variable (car elle est

liée aux activités prévalant dans le bassin versant). Pour pouvoir remettre une évaluation

pertinente et savoir si les eaux usées se prêtent ou non à une ozonation, il convient de


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réfléchir ici au moment où l’échantillon doit être prélevé, s’il est représentatif du bassin

versant et à quelle fréquence les analyses doivent être réalisées.

6. Acteurs impliqués: qui fait quoi et qui paie?

Dans le cadre du processus d’attribution des indemnités, une «preuve de l’adéquation du

procédé de traitements prévu» est exigée par l’OFEV (Dominguez et al., 2016). Par

conséquent, les analyses recommandées ici sur l’adéquation du procédé de traitement

par ozonation sont indemnisées jusqu’à 75% dans le cadre de l’avant-projet, car elles

sont considérées comme faisant partie des coûts d’investissement.

Figure 7 Aperçu des acteurs impliqués et de leurs tâches (source: Dominguez et al.,

2016, adapté).

La figure 7 représente sous forme schématique les acteurs à impliquer dans les

vérifications et à quel moment. Les études relatives au bassin versant sont menées au

mieux par la STEP, en étroite collaboration avec les autorités cantonales responsables et

éventuellement avec le planificateur. Ces acteurs savent généralement déjà beaucoup de

choses sur le bassin versant. Il n’est donc pas nécessaire d’effectuer une étude

complète. Pour les autres analyses (étapes 2 à 4 selon fig. 2), un laboratoire


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environnemental accrédité (ISO 17025) ou certifié ISO doit être intégré. Le laboratoire

coordonne généralement le prélèvement de l’échantillon, effectue les analyses

chimiques et transfère les échantillons correspondants aux laboratoires pour les

bioessais. Les résultats (mesures à l’entrée de l’ozonation planifiée, analyses chimiques,

bioessais) doivent être regroupés par le laboratoire environnemental mandaté et

documentés dans un rapport. Le planificateur et l’exploitant décident de la marche à

suivre.

Dans la mesure où plusieurs acteurs sont impliqués dans ces clarifications, il est

important de bien coordonner les processus. Il est par ailleurs recommandé d’intégrer

suffisamment tôt les autorités cantonales. L’exploitation de la STEP et le planificateur

échangent étroitement avec le laboratoire environnemental mandaté, qui regroupe les

résultats à partir des différents modules et les communique au donneur d’ordre.

7. Coûts et temps d’exécution

Il est important que les analyses soient bien coordonnées entre elles, notamment lors

des analyses chimiques et des bioessais impliquant différents laboratoires. Pour les

vérifications réalisées sur des eaux usées non problématiques, le temps d’exécution

nécessaire est estimé à environ 4-5 mois. Si des examens supplémentaires ou des

mesures (à la source) sont requises, le temps d’exécution est prolongé en conséquence.

Les coûts estimés de manière très sommaire doivent se situer sur une plage de plusieurs

dizaines de milliers de francs suisses. Mais cela dépend des résultats et des vérifications

supplémentaires en cas d’eaux usées indéterminées (Wunderlin et al., 2015). Les

bioessais représentent une grande partie des coûts. Les études préliminaires peuvent

donc être interrompues au préalable en cas d’eaux usées clairement inappropriées, pour

lesquelles il est impossible de recourir à l’ozonation. Considérés comme faisant partie

des coûts d’investissement, les coûts sont indemnisés à 75%, tant que le principe de la

proportionnalité est garanti.

8. Analyses complémentaires

Pour les eaux appropriées, des vérifications supplémentaires fournissant notamment des

informations importantes pour le dimensionnement peuvent être effectuées (en option).

La liste suivante ne doit pas être considérée comme exhaustive:

o Effets du pH: le pH a une influence essentielle sur la stabilité de l’ozone, car l’ozone

se décompose plus rapidement avec un pH élevé. Le pH doit donc être pris en

considération pour le dimensionnement. Des informations pour le dimensionnement

peuvent être obtenues à l’aide d’expériences d’exposition à l’ozone avec différents pH

(p. ex. pH 7,5 et 8). Par ailleurs, la valeur pH doit être déterminée lors de

l’échantillonnage effectué dans la STEP, afin de pouvoir réajuster le pH au niveau

initial, car il fluctue lors du transport des échantillons et la préparation des

échantillons.

o Efficacité de l’élimination des substances pour le contrôle du taux d’épuration: A

l’aide des substances utilisées pour contrôler le taux d’épuration, l’exploitation de

l’ozonation (et des autres procédés visant à éliminer les micropolluants) est contrôlée


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à intervalles réguliers par les autorités. Un taux d’épuration d’au moins 80% doit être

obtenu par rapport aux eaux polluées brutes (OEaux RS 814.20 Annexe 3.1 chiffre 2

numéro 8; Ordonnance du DETEC concernant la vérification du taux d’épuration

atteint avec les mesures prises pour éliminer les composés traces organiques dans

les installations d’épuration des eaux). Des expériences menées en laboratoire

permettent de déterminer la plage de la dose d’ozone spécifique optimale permettant

d’atteindre le taux d’épuration requis.

o Formation de bromate avec différentes doses d’ozone spécifiques: il est connu que

la formation de bromate augmente de manière significative à partir d’une dose

d’ozone spécifique d’env. 0,4 mg O3/mg COD. La dose d’ozone nécessaire pour traiter

des eaux usées purifiées est généralement de l’ordre de 0,4-0,7 mgO3/mg COD. Il est

donc pertinent d’étudier en détail la formation de bromate dans la fourchette

optimale de la dose d’ozone préalablement définie (p. ex. avec 6 doses d’ozone

spécifiques différentes). Pour rappel: les extrêmes ont déjà été étudiés avec trois

doses d’ozone spécifiques de 0,5, 1,0 et 1,5 mgO3/mg COD dans le cadre des

vérifications préliminaires.

o Projet pilote sur site: un projet pilote sur site est relativement fastidieux et onéreux,

notamment lorsque les analyses sont accompagnées de bioessais (voir Fux et al.,

2015). Si les résultats susmentionnés présentent une image indéterminée, il convient

de se demander si ces imprécisions pourront être levées dans le cadre d’un projet

pilote complet. Pour les eaux convenant à une ozonation, le projet pilote peut être un

complément pertinent permettant de déterminer des paramètres de configuration

importants, tels que le temps de contact optimal ou la dose d’ozone requise (voir

Huber et Leikam, 2015).

Des vérifications complémentaires (optionnelles), telles que la détermination de la dose

d’ozone optimale, l’élimination des marqueurs ou les études détaillées sur la formation

de bromate avec une dose d’ozone optimale peuvent être un complément pertinent aux

études préalables et fournirent des informations importantes pour le dimensionnement.

Il convient de sérieusement réfléchir à l’intérêt d’un projet pilote pour les eaux usées

«indéterminées». En effet, il est peu probable que les doutes soient levés, si cela n’a pas

déjà été fait lors des études préalables.

9. Collecte centralisée et stockage des données

Les données sont disponibles sous forme anonyme sur la plateforme «Techniques de

traitement des micropolluants». L’enregistrement des données permettant de déterminer

les domaines de référence peut ainsi être étendu en continu.

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