Dans un bassin d’ornement en circuit fermé, nous sommes à la recherche de l’équilibre biologique entre un renouvellement réduit de l’eau, une minimisation des déchets et un niveau sanitaire élevé pour les koï. A mesure que l’empoissonnement augmente le contrôle de l’équilibre devient de plus en plus délicat. Il est alors nécessaire de faire appel à des systèmes de filtration capables de diminuer la quantité de MES et les déchets organiques. Une filtration permet par son côté mécanique de retenir les particules solides (grosses ou fines selon le matériau utilisé : pouzzolane, matelas, grille inox…) et l’activité bactérienne permet de contrôler les taux d’ammoniac et de nitrite. Au fur et à mesure de l’augmentation des matières organiques et des colloïdes, les bactéries qui transforment le nitrite en nitrate sont de moins en moins efficaces et il en résulte une possible augmentation des nitrites.
L’accumulation des colloïdes fins, des produits organiques dissous et du nitrite dans le bassin peut altérer de manière significative le fonctionnement de la filtration et coïncider avec une augmentation de la demande biochimique de l’oxygène. (DBO)
Un changement d’eau quotidien permet d’enlever les colloïdes, les produits organiques et le nitrite au détriment du budget de l’eau (gaspillage) et du risque thermique (différence de température). Face à la possible saturation de la filtration biologique, il est possible d’utiliser un oxydant tel que l’ozone. L’ozone est également employé couramment pour stériliser l’eau d’approvisionnement domestique pour détruire des microbes pathogènes.
L’ozone en chimie
L’ozone est un gaz de coloration bleu clair qui produit une odeur piquante facilement détectable à de basses concentrations : 5 parts par million (ppm) en air atmosphérique. À des concentrations plus élevées, l’air devient âcre et extrêmement dangereux à la santé.
L’ozone (O³) est formé lorsqu’une molécule d’oxygène (O²) est forcée pour coller avec un troisième atome d’oxygène (O). Le troisième atome est faiblement lié à la molécule, ce qui rend l’ozone fortement instable. Ces propriétés font de l’ozone un excellent agent d’oxydation et idéal pour l’usage dans le traitement à l’eau. Cependant, son stockage est difficile et dangereux. Pour ces raisons l’ozone doit être produit sur place et employé immédiatement.
Utilisations de l’ozone : L’ozone peut être employé dans le traitement de l’eau avec comme objectif :
- Floculation des colloïdes fins : Les colloïdes fins sont composés par des particules entre 1 à 30 microns (µ) et 0.001 à 1 µ. La petite taille de ces particules leur permet de rester en suspension et d’échapper à la plupart des méthodes mécaniques de filtration. L’accumulation de ces colloïdes peut altérer de manière significative le fonctionnement de la filtration et occasionner des problèmes aux poissons. L’ozone permet de supprimer ces colloïdes en les regroupant (micro-flocculation), ce qui permet leur évacuation par la filtration et la sédimentation.
- Suppression des composés organiques dissous : Les composés organiques dissous (Cod) ou les produits organiques donnent à l’eau une nuance couleur thé caractéristique. Les Cod sont non-biodégradables et s’accumulent en fonction du renouvellement de l’eau. Ces Cod réduisent l’efficacité de nitrification du filtre biologique. L’ozone élimine les produits organiques dissous par oxydation ce qui facilite la nitrification dans le filtre biologique précipitation au niveau de la filtration et de la sédimentation.
- Élimination des nitrites : Les nitrites peuvent s’accumuler lors de l’introduction de nouveaux poissons, en période de frai à chaque entretien du filtre biologique… Les bactéries qui transforment l’ammoniac en nitrite (espèces : Nitrosomonas) peuvent travailler sous des charges organiques plus importantes que les bactéries qui transforment le nitrite en nitrate (Nitrobacter) avec pour conséquence dans ce cas, une augmentation des taux de nitrite. L’ozone élimine le nitrite par oxydation directe en nitrate réduisant la masse organique ce qui améliore l’efficacité et la nitrification dans le filtre biologique.
- Désinfection : Les densités élevées de poissons et l’augmentation des charges nutritives créent un environnement propice à l’apparition de microbes pathogènes. En dehors de la quarantaine toujours recommandée lors de l’acquisition de nouveaux koï, l’ozone permet de traiter les oeufs, les alevins ainsi que les rejets d’eau avant leur retour dans la nature. L’ozone peut efficacement inactiver les microbes pathogènes bactériens, viraux, fongiques et les protozoaires parasites des poissons.
L’efficacité du traitement de l’ozone dépend de la concentration en ozone, de la durée de l’exposition de l’ozone (temps de contact), des charges de microbes pathogènes et des niveaux de matière organique. Si les niveaux de matière organique sont élevés, la demande créée en oxydant (DCO) la matière organique peut rendre difficile le maintien d’une quantité d’ozone résiduel pour obtenir une désinfection efficace.
Production de l’ozone
La plupart des générateurs d’ozone disponibles dans le commerce emploient une décharge corona ou une source lumineuse UV (ultra-violet) pour produire l’ozone. Lors de la génération de la décharge corona, un champ électrique de grande énergie est établi entre deux plats métalliques en présence d’un air sec ou d’oxygène (bouteille). L’énergie électrique excite une partie des molécules d’oxygène créant ainsi des atomes d’oxygène (O). Les atomes d’oxygène se collent alors sur des molécules d’oxygène issues du gaz d’alimentation pour créer l’ozone.
Exemples d’appareils producteurs d’ozone :
La lumière UV d’une certaine longueur d’onde (140 à 190nm) peut être employée pour exciter et casser les molécules de l’oxygène afin de produire de l’ozone d’une manière semblable. Les générateurs UV sont moins chers à acheter que les générateurs de décharges corona mais offrent, actuellement, des rendements moindres. L’utilisation de l’oxygène sous forme de gaz (bouteille) augmente le rendement de génération de l’ozone comparativement à l’utilisation d’air sec mais cela a un coût associé.
Application de l’ozone
Caractéristiques du système : La conception du réacteur d’ozone est très importante pour la réussite et la sécurité de l’ozonation. Il y a une gamme disponible de réacteurs qui utilisent différentes conceptions (diffuseurs fins de bulles, turbine, injecteurs, colonnes, mélangeurs statiques, chambre de contact…) pour transférer l’ozone à l’eau. Pour choisir un réacteur il faut tenir compte de :
- L’efficacité de transfert de l’ozone ;
- L’étanchéité de la conception et construction ;
- La construction avec les matériaux résistants à l’ozone.
Ces matières doivent être de haute résistance ou inertes à l’ozone. L’utilisation de matériaux inadéquats peut conduire à l’érosion de l’unité de production et causer des fuites dangereuses et coûteuses. De tels systèmes ne sont pas appropriés pour une production d’ozone régulière ou à long terme. La génération de l’ozone dans des systèmes équipés avec des matériaux de qualité inférieure est également moins efficace car l’ozone est perdu pendant que les matériaux du réacteur sont oxydés.
L’utilisation de plastiques, tels que le chlorure polyvinylique (PVC) et le polycarbonate n’est pas recommandée pour cette raison. L’acier galvanisé n’est pas également recommandé. Les chambres et la tuyauterie en acier inoxydable sont recommandées pour l’usage avec de l’ozone. Les valves devraient être faites d’acier inoxydable, avec des garnitures et des membranes de téflon ou semblable.
Régimes de traitement
L’ozone peut être appliqué sans interruption, comme traitement permanent ou simplement quelques heures par jour. Dans la plupart des cas il est recommandé de faire un traitement 3 ou 4 heures après l’alimentation des poissons, car c’est à cet instant que les concentrations en ammoniaque, déchets organiques dissous atteignent un maximum. L’ozonation continue est préférable aux traitements périodiques car, dans le premier cas, la qualité de l’eau demeure stable. La quantité exigée d’ozone pour le traitement périodique est de l’ordre de 10 à 15 g d’ozone par kilogramme d’alimentation afin de réduire les produits organiques accumulés.
Si la désinfection est le but primaire de l’ozonation, la quantité d’ozone nécessaire dépend en grande partie du chargement organique de l’eau à traiter. Dans l’eau pure, une concentration résiduelle de 0.01 à 0.1 ppm pendant des périodes aussi courtes que 15 secondes peuvent être efficaces. Cependant, dans l’eau en présence de charges organiques plus élevées, la période résiduelle de concentration et/ou de contact en ozone doit être augmentée pour produire une désinfection significative. Les eaux normales exigent généralement des concentrations résiduelles entre 0.1 à 0.2 ozone ppm et des périodes de contact entre 1 à 5 minutes pour la désinfection.
Le taux optimum de l’ozone pour la désinfection est fortement variable et représente la somme en demande d’ozone de la part des produits organiques dissous, des colloïdes, du nitrate et de la désinfection. Dans beaucoup de situations, le coût de production suffisant pour une désinfection complète, après que toutes les autres demandes en ozone ont été satisfaites, est prohibitif. Cependant, une certaine action sur les microbes pathogènes peut être réalisée en utilisant des niveaux modérés d’ozone et avec dans le même temps des améliorations considérables sur la qualité de l’eau.
Emplacement de l’appareil
L’ozone est toxique pour nombre d’espèces vivantes en eau douce et eau de mer à des concentrations résiduelles entre 0.01 et 0.1 ppm. Le choix de l’emplacement de l’appareil et l’endroit d’introduction de l’ozone dans le bassin peut avoir des conséquences sur la filtration biologique. Il y a plusieurs endroits dans un bassin où l’ozone peut être ajouté (réacteur) en fonction des résultats attendus :
- Alimentation en parallèle avec celle de l’oxygène : On peut ajouter l’ozone à l’alimentation en oxygène (si le bassin en est pourvu – gaz bouteille ou concentrateur en O²). Ceci se produit généralement entre la sortie de filtration et l’arrivée dans le bassin. En raison de la proximité du bassin, cette méthode comporte un risque modéré d’exposer des poissons aux concentrations résiduelles de l’ozone. Après le passage dans le réacteur et en maintenant l’eau dans une chambre de contact (unité de dé-ozonation) pendant plusieurs minutes avant qu’elle ne passe au bassin, ce risque peut être réduit. Les avantages de cette option comportent la réduction de charges en microbes pathogènes et des niveaux de nitrite immédiatement avant le contact avec les poissons.
- L’addition d’ozone avant la filtration biologique est également courante. Cette méthode porte un risque inférieur d’exposer la faune du bassin à l’ozone résiduel. L’ozone en traversant d’abord la filtration biologique est employé par le processus d’oxydation au sein des biofilms. De cette façon la filtration biologique protège efficacement les poissons des effets toxiques de l’ozone. Cependant, si les niveaux d’ozone résiduel sont trop élevés le rendement du filtre peut être affecté, menant à une diminution de la nitrification. Un avantage d’appliquer l’ozone en entrée de filtration réside dans le fait que la réaction de l’ozone augmente l’oxygène dissous nécessaire a là filtration biologique. De plus si l’eau en sortie de filtration est en contact avec l’atmosphère, il n’y a plus de risque de présence d’ozone résiduel à des taux dangereux pour la faune aquatique.
- Le traitement des apports d’eau est utilisé notamment pour réaliser la désinfection. Ceci empêche l’entrée des charges de microbes pathogènes au système. Pour le bassin, la désinfection des eaux d’approvisionnement naturel (puits, source,…) est en ce moment très important. Il convient de noter que la seule ozonation de l’eau entrante n’a aucun effet sur les produits organiques déjà présents dans l’écosystème.
- Réciproquement, l’ozone peut être employé pour désinfecter les effluents du bassin (eau du trop plein) pour empêcher les charges de microbes pathogènes propres aux espèces de poissons maintenus dans le bassin de polluer et d’infecter l’environnement naturel.
- Le traitement direct dans le bassin n’est pas recommandé. Cette méthode comporte un risque élevé d’exposer la faune aquatique à des concentrations résiduelles en ozone trop fortes.
Pour information : L’ozonation de l’eau de mer ou de l’eau saumâtre a comme conséquence la production de différents sous-produit oxydants. L’ozone réagit en eau de mer en oxydant les ions de bromure et de chlorure formant ainsi des composés toxiques pour la faune aquatique. L’utilisation de l’ozone dans des systèmes d’eau de mer est habituellement limitée au traitement de l’eau, séparément du recyclage principal. La filtration au charbon actif peut alors être employée pour éliminer l’ozone résiduel et les autres oxydants produits par le traitement.
La mesure de l’ozone dans le bassin
La mesure directe de l’ozone dans un échantillon d’eau est généralement réalisée en utilisant les kits colorimétriques et la spectrophotométrie* d’essai. Cependant, ces méthodes peuvent manquer de souplesse pour détecter les faibles niveaux résiduels mortels pour certaines espèces de poissons et sont peu utilisables pour la surveillance d’un apport continu. Dans ce cas il est préférable d’utiliser des sondes mesurant le potentiel d’oxydo-reduction (ORP). Plutôt que de mesurer directement l’ozone, une sonde ORP mesure toute la capacité, en millivolts (système mv), d’oxydation* d’une électrode.. En gardant les mesures d’ORP dans une certaine marge, on peut contrôler les niveaux des oxydants. Le potentiel redox approprié pour les poissons d’eau douce devrait être le système mv 300.
Beaucoup de systèmes automatisent l’ozonation en liant la mesure d’ORP et le générateur de l’ozone, de telle sorte que le générateur coupe la production une fois que le niveau d’ORP exigé est atteint et relance la production d’ozone quand l’ORP chute. Les facteurs tels que le pH, la température détermineront le niveau visé exact d’ORP. Cependant, en raison du manque de mesure directe de l’ozone et parce que les sondes d’ORP peuvent prendre plusieurs minutes pour enregistrer une modification de l’ORP, on recommande que la commande de l’ozone automatisée par les mesures d’ORP tienne compte d’une certaine erreur et que les limites soient fixées avec prudence. D’autres paramètres de la qualité de l’eau, en particulier le nitrite, devraient également être surveillés en association étroite avec la mesure de l’ORP et être employés pour mesurer l’effet réel de l’ozonation.
Les risques :
L’ozone est un agent d’oxydation très efficace dans le cadre du traitement à l’eau et de la réduction des charges de microbes pathogènes du bassin. Cependant, l’utilisation de l’ozone comme n’importe quel autre produit chimique de cette nature est accompagnée de risques considérables. La viabilité du bassin peut être menacée de plusieurs manières :
- La réduction par l’ozone du niveau de nitrite comporte un risque. Le filtre biologique reçoit moins de nitrite et la population des bactéries responsables de traiter le nitrite en nitrate diminue (les bactéries nitrobacter ont besoin d’un taux de nitrites de 2,5 mg/l pour pouvoir se développer). Si n’importe quelle rupture de l’ozonation se produit, une variation dangereuse de la concentration en nitrite peut survenir plus tard.
- Les concentrations résiduelles élevées d’ozone sont un risque pour la faune du bassin pouvant causer une mortalité ou des dommages (lésions) sur les tissus. Elles sont aussi un risque pour le biofilm (films bactériens) des masses de filtration biologique. La rupture du fonctionnement de la filtration biologique peut engendrer de grandes fluctuations dans les niveaux d’ammoniac et de nitrite. Ceci peut avoir un effet mortel sur la faune aquatique ou pour le moins des effets sur la santé et la croissance des poissons.
Il est recommandé d’installer une unité de dé-ozonation directement après application de l’ozone dans un bassin pour empêcher la présence de niveaux résiduels toxiques. Ceci devrait être fait indépendamment de l’endroit de l’application de l’ozone dans le bassin. Une unité simple d’ozonation se composant d’une chambre de contact (chambre de décantation par exemple) pour augmenter la période de conservation de l’eau, permettrait de dégrader l’ozone avant son arrivée dans le bassin. De manière alternative un filtre intégrant du charbon actif peut également fonctionner comme unité de dé-ozonation. N’importe quel gaz résiduel issu du traitement par l’ozone devrait être extrait de l’abri technique et détruit avant son dégagement dans l’environnement.
L’ozone est extrêmement toxique et l’exposition de l’homme constitue un risque sanitaire sérieux. Diminution des capacités pulmonaires, inflammation des tissus, aggravation de l’asthme, irritation de la gorge, toux… sont des symptômes typiques d’exposition à l’ozone. Dans les cas d’exposition prolongée ou grave, les maladies respiratoires chroniques telles que l’emphysème, la bronchite chronique et le vieillissement prématuré des poumons peuvent se produire. Les normes d’exposition ( diverses administrations internationales de salubrité professionnelle et de sécurité) pour l’ozone résiduel s’étendent entre 0.05 et 0.1 ppm pendant une période de 8 heures et un contact maximum de 0.3 ppm pendant moins de 10 minutes.
Effets de l’ozone :
| 0.01-0.04 ppm : | Odeur |
| < 0.05 ppm : | Aucun danger (consensus) |
| 0.1 ppm : | Légères irritations |
| > 0.1 ppm, minutes : | Maux de tête, fonction pulmonaire affectée si activité physique (réversible) |
| 0.25 – 0.5 ppm, pendant 2 à 5 heures : | Fonction pulmonaire affectée |
| > 0.6 ppm, pendant 2 heures : | Toux sèche, douleurs dans la cage thoracique |
| 1.5 ppm, pendant 2 heures : | Faculté de discernement affectée |
| 9 ppm, exposition intermittente : | Pneumonie grave |
| > 10 ppm : | Danger de mort, perte de conscience dès que l’exposition atteint env. 15 min |
Il est donc important d’insister sur la qualité des composants, l’étanchéité du réacteur et l’installation de production d’ozone. La mise à l’air libre des abris techniques dans lesquels sont installés les unités de production est également fortement recommandée (ventilation haute et basse). Les humains peuvent détecter les niveaux bas de l’ozone résiduel grâce à ;son odeur pointue et piquante, mais une exposition continue à l’ozone devient indétectable à cause de la perturbation des sens. Pour cette raison, il ne faut jamais se reposer sur la simple perception de l’odeur comme moyen d’indication de la présence d’ozone.
Des systèmes portatifs de détection de l’ozone sont disponibles dans le commerce et sont un outil utile pour aider à assurer la sûreté des personnes intervenants dans le local technique ou près du bassin.
- La spectrophotométrie est une technique récente permettant d’identifier une substance chimique et de déterminer la concentration d’un soluté dans une solution, par l’interaction des électrons des molécules du soluté (appelé chromophore) avec la lumière.
- L’oxydation : L´oxydation est une réaction durant laquelle une molécule ou un ion perd des électrons. Cette réaction est particulièrement courante dans le traitement des eaux auxquelles on rajoute (pour des raisons d´hygiène) un oxydant. Plus la valeur ORP (ou REDOX) sera positive, plus l´action désinfectante de l’oxydant sera efficace. Le potentiel REDOX est plus élevé si le pH est bas. Un ORP faible indique un niveau élevé de déchets organiques indésirables dans l’eau.