Résumé
L’utilisation de l’ozone pour le traitement des eaux usées est de plus en plus répandue, en particulier pour les traitements d’affinage en réutilisation des eaux usées. Habituellement, l’ozone est injecté sous forme de bulles, avec comme inconvénients des coûts opératoires importants, la possibilité de stripage de composés organiques volatiles, la difficulté de maîtriser l’hydrodynamique des colonnes à bulle et la formation de mousse. Les contacteurs membranaires permettent de pallier ces faiblesses en permettant la diffusion d’un composé en phase gaz vers une phase liquide sans formation de bulles, avec une aire interfaciale élevée et par conséquent une économie des coûts énergétiques et de production. En outre, les contacteurs membranaires présentent une géométrie modulable qui peut être facilement transposée à l’échelle de production requise. Ainsi, l’objectif global de cette thèse était d’évaluer la faisabilité de l’utilisation de contacteurs membranaires en lieu et place des réacteurs d’ozonation traditionnels, en traitement tertiaire d’affinage, pour la dégradation de molécules réfractaires lors du traitement des eaux usées. Après une analyse bibliographique des travaux publiés sur le sujet, il s’agissait d’effectuer une caractérisation complète du procédé et des phénomènes de transfert mis en jeu. Une maîtrise fine des pressions de part et d’autre de la membrane est nécessaire pour assurer un bon transfert du gaz vers le liquide. La résistance majoritaire au transfert ainsi que les principaux paramètres impactant le transfert ont été identifiés. L’application de ce procédé pour l’élimination de molécules organiques et la minimisation de bromates a été évaluée expérimentalement dans la configuration in/out. Le procédé s’est révélé efficace pour un temps de séjour très court sur les composés organiques d’origine pharmaceutique sélectionnés comme modèles, atteignant jusqu’à 59% et 50% d’abattement respectivement pour la carbamazépine et le sulfaméthoxazole. Ce procédé semble également être une solution intéressante pour limiter la formation de bromates grâce à un temps de séjour très court, le tout en produisant une quantité de radicaux hydroxyles importante, utile pour une élimination efficace des micropolluants organiques. Afin de permettre une meilleure compréhension des phénomènes limitants et à des fins d’optimisation du procédé, une démarche de modélisation du réacteur en trois dimensions a été associée à ce travail, via l’utilisation du logiciel Comsol Multiphysics. Les profils de concentration obtenus ont mis en évidence l’importance de l’hydrodynamique dans le carter lorsque le liquide circule dans celui-ci afin d’assurer une bonne distribution de l’ozone et ainsi un bon abattement des polluants ciblés. L’étude du vieillissement des contacteurs membranaires après ozonation a montré l’importance des matériaux utilisés, qui doivent être résistants à l’ozonation à long terme afin qu’une application à l’échelle de la station d’épuration puisse être envisagée.