La biodosimétrie est une nouvelle méthode d'essai pour les installations de stérilisation UV de l'eau. C'est une méthode d'essai normalisée et homogène qui a fait ses preuves en termes d'applicabilité et de reproductibilité sur un "banc d'essai circulaire". L'application de la biodosimétrie permet de comparer pour la première fois de façon objective les influences de la géométrie du réacteur et de la technologie d'irradiation sur la capacité de stérilisation.
La stérilisation de l’eau par rayonnements ultraviolets (UV) s’impose de plus en plus par rapport à des procédés courants comme le chlore ou le dioxyde de chlore. Pour continuer facilement sa percée, la stérilisation UV avait besoin d’une méthode d’essai homogène qui permettrait d'évaluer de façon objective l’efficacité d'une installation de stérilisation UV quelconque, ceci dans l’intérêt de l’exploitant. En effet, dans différentes études on a constaté une disparité entre la dose de rayonnements UV obtenue par le calcul, et la réduction des germes déterminée expérimentalement [1, 2, 3, 4]. Cela tient, d’une part, aux différentes méthodes de calcul, et d'autre part, à la difficulté de prendre correctement en compte les aspects hydrauliques dans ces calculs [5, 6]. La mise en évidence de la capacité de stérilisation des installations UV était alors difficile parce qu’on ne disposait d’aucune méthode microbiologique homogène et d’aucun appareil de mesure capable de déterminer la dose UV en continu dans une installation. Cette situation était insatisfaisante, tant pour les autorités de surveillance que pour les exploitants, car il n’existait aucun étalon homogène pour l’évaluation de la capacité de stérilisation de différentes formes de construction des chambres d’irradiation.
C'est pour ces raisons que la biodosimétrie a été mise au point et intégrée comme élément principal dans les directives allemandes et autrichiennes relatives aux essais à mener sur installations de stérilisation UV.
Mots clés : biodosimétrie, stérilisation UV
La relation des trois paramètres entre eux est expliquée à l'aide d'une courbe de dimensionnement. Sur la figure 1, on a exprimé le débit en fonction de la perméabilité de l'eau aux UV (transmission à 254 nm) pour une dose donnée, rapportée à la durée maximale d'utilisation de la lampe pour le respect des exigences microbiologiques. Au-dessous de la courbe se trouve la zone dans laquelle doit se situer chaque point de fonctionnement (1) lors de la sélection d’une installation de stérilisation UV. L’augmentation du débit (réduction du temps de contact dans la chambre) et/ou la baisse de la valeur de transmission entraînent une diminution de la dose UV.
Dans des installations de captage superficiel, des intempéries, par exemple, peuvent conduire à des fluctuations de la transparence de l'eau aux UV. Ce phénomène peut provoquer le déplacement du point de fonctionnement de 1 en 2. Le système de surveillance de l’installation UV reconnaît ce changement de fonctionnement et émet un signal d’alarme. Pour maintenir l’alimentation en eau désinfectée, le système de surveillance et de commande d'une installation UV peut ramener le point de fonctionnement de la zone “rouge” dans la zone “verte” par une réduction du débit (point 3). Cette réduction peut être opérée par arrêt d’une deuxième pompe ou par un réglage convenable des clapets.
Dans la pratique, les fluctuations de transmission constituent la cause la plus fréquente de perturbation dans une installation UV. Ce phénomène est souvent perçu comme une limite des installations UV, car la diminution de la transparence aux UV à 254 nm n’est pas toujours détectable optiquement par l’exploitant, en particulier lorsque l'eau paraît quand même claire. Dans la conception des installations, il faut partir de la valeur de transmission la plus faible à laquelle on puisse s'attendre, tout en considérant que les valeurs extrêmes interviennent rarement et ne doivent donc pas conduire à un surdimensionnement inutile. Ainsi, la conception d’une installation UV nécessite un grand savoir-faire et beaucoup d'expérience.
Dimensionnement des installations de stérilisation UV dans la pratique
Le dimensionnement des installations repose essentiellement sur trois paramètres :
- – le débit (m³/h),
- – la transparence de l'eau aux rayons UV, pour une longueur d’onde de 254 nm, appelée aussi transmission ou perméabilité,
- – les exigences microbiologiques (par exemple : normes pour l'eau potable, le domaine des boissons et des produits alimentaires ou les exigences pour une eau ultra pure), ou la dose UV nécessaire pour satisfaire ces exigences.
En outre, on prend en compte les domaines spécifiques de l’application et de l’exploitation.
Détermination de la capacité de stérilisation par biodosimétrie
Installation d’irradiation de laboratoire
À l’aide de l’installation d’irradiation de laboratoire (figure 2), on détermine la sensibilité aux UV du germe-test. Comme germe-test, on a choisi la forme sporulée de Bacillus subtilis ATCC 6633 qui offre des avantages clairs par rapport à une forme végétative. En effet, la caractéristique la plus importante d’un germe-test pour la détermination de la capacité de stérilisation d'une installation UV est la stabilité de sa sensibilité aux UV, de la culture jusqu’au test. En outre, la possibilité de cultiver de grandes quantités de germes pour tester des installations à des débits élevés ainsi que la possibilité de stocker le germe pour plusieurs séries d’essais successives sont des atouts majeurs.
Pour la détermination de la courbe d’inactivation, on répartit une solution de spores de Bacillus subtilis dans plusieurs boîtes de Pétri.
Les boîtes de Pétri sont soumises l’une après l’autre à différentes irradiations (J/m²). À chaque irradiation, on dénombre les germes après avoir effectué des dilutions en série des échantillons et après les avoir laissés incuber pendant 48 heures. Parmi les séries de dilution, on prend en compte les boîtes de Pétri qui présentent entre 30 et 300 colonies.
En parallèle, on mesure l’énergie d’irradiation (en J/m² ou en W·s/m²), produit de l’intensité d’irradiation (W/m²) et de la durée d’irradiation (s). Celles-ci sont mesurées et enregistrées par un capteur de référence. On fait varier l’énergie d’irradiation en changeant la durée d’exposition alors que l’intensité reste pratiquement constante.
Comme la suspension de germes dans la boîte de Pétri n’est soumise à aucun mélange actif pendant l’exposition, on peut décrire l’installation d’irradiation de laboratoire comme un système statique. On détermine ainsi la courbe d’inactivation (figure 5) du germe-test en fonction de l’énergie d’irradiation sur un domaine étendu : d’environ 200 à 800 J/m².
De cette manière, la courbe d’inactivation obtient un statut de base de référence et est utilisée comme étalon. Avant qu’une charge de spores ne soit utilisée pour les tests sur les installations de stérilisation UV, il faut vérifier si la courbe d’inactivation de la charge de spores se trouve à l’intérieur des limites de tolérance de la courbe étalon. Si c’est le cas, cette charge de spores est utilisée pour l’essai d’installations de stérilisation UV sur le banc d’essai.
Banc d’essai d’installations de stérilisation UV
Sur les figures 3 et 4, on peut voir le banc d’essai de l’Österreichisches Forschungs- und Prüfzentrum Arsenal (Centre de recherche et d’essai autrichien Arsenal) à Vienne et le banc d’essai de la société Katadyn Produkte AG, à Wallisellen. La construction des deux bancs d’essai correspond aux indications de la directive allemande DVGW W294. Jusqu’à présent toutes les études biodosimétriques ont été réalisées sur ces bancs d’essai. En ce qui concerne la mise en pratique de la directive allemande DVGW W294, on ne dispose encore ni d’expérience pratique, ni de résultats. La présente description des essais se rapporte donc à la norme autrichienne ÖNORM M 5873.
L’installation de stérilisation UV à tester peut être considérée comme un système dynamique. En effet, l’eau de test contenant des spores circule de façon difficilement calculable à travers la zone d’irradiation. Par conséquent, le calcul de l’irradiation (intensité de la lampe par temps de passage de l’eau dans la chambre en J/m²) ne représente pas l’unique forme d’expression de la capacité de stérilisation réelle de l’installation. Cette capacité doit être vérifiée par biodosimétrie.
Pour les études biodosimétriques, le stérilisateur UV est installé conformément aux indications de la directive. On règle les paramètres de fonctionnement pratiques (débit, simulation des variations de la transmission par addition de thiosulfate de sodium, réduction de la puissance de la lampe jusqu’à la valeur de fin d’utilisation). On ajoute la suspension de spores dans l’eau qui passe dans l’installation UV après être passée dans le mélangeur statique intégré, puis dans une zone de stabilisation. L’échantillonnage « avant installation de stérilisation UV » s’effectue avant le coude à 90° obligatoire, installé directement à l’entrée du stérilisateur. Afin d’obtenir des échantillons « après installation de stérilisation UV » représentatifs, ils sont prélevés après le mélangeur statique, qui se trouve à la sortie du stérilisateur UV. Les échantillons ne sont donc pas prélevés aux points d’échantillonnage montés directement sur l’installation de stérilisation UV, afin d’exclure toute source d’erreur possible.
Conformément à la norme ÖNORM M 5873, on prélève à chaque fois 5 échantillons avant et 5 échantillons après l’installation UV et on les traite sous forme de lot double. Pour être encore plus sûr des résultats, on réitère l’ensemble de l’essai une deuxième fois, après interruption préliminaire du débit et isolation de la chambre de traitement.
Un échantillon supplémentaire « avant installation de stérilisation UV » sert à l’enregistre-
ment d'une courbe d’inactivation avec l’installation d’irradiation de laboratoire. On vérifie ainsi si la sensibilité aux UV du germe d'essai s'est modifiée au cours de l’essai et dans quelle mesure.
Caractéristique de la biodosimétrie : détermination de l’irradiation UV (J/m²)
Dans les études réalisées jusqu’à présent sur les installations de stérilisation UV, on utilisait des germes d’essai de différentes sensibilités aux UV. Il n’était pas possible de comparer les résultats puisqu’il n’existait ni grandeur de référence homogène, ni conditions d'essai homogènes. Ce qui est nouveau et caractéristique de la biodosimétrie, c'est l’utilisation d'une courbe d’étalonnage : la courbe d'inactivation d'un germe test. À partir de la réduction des germes, calculée grâce aux échantillons prélevés avant et après l’installation, on peut lire sur la courbe d'étalonnage l’énergie d’irradiation correspondante. En construisant de façon homogène le banc d’essai, on a créé des conditions d’essai normalisées pour les installations de stérilisation UV.
En faisant varier le débit, la transmission de l'eau et la puissance d’irradiation de la lampe, on contrôle trois autres facteurs de fonctionnement, tout en procédant de la même façon. À partir de quatre points de mesure, on obtient une caractéristique de capacité sur l'ensemble du domaine d’utilisation du stérilisateur. La caractéristique de capacité obtenue par biodosimétrie et donnée pour une dose constante constitue dans la pratique la courbe de dimensionnement de l'installation.
Contrôle de la capacité de stérilisation : nouveau système de détection UV
Dans la technologie UV, les autorités sanitaires ont toujours critiqué l’écart entre la détermination théorique des performances et la réelle capacité de stérilisation d’une installation UV. D'une part, le dimensionnement des installations de stérilisation UV s'appuie sur différents modèles de calcul théoriques ; d’autre part, chaque fabricant utilise ses propres systèmes de détection UV pour la surveillance en continu.
Les directives (fiche technique DVGW W 294 et ÖNORM M 5873) incluent un nouveau système de détection UV qui se distingue du système utilisé jusqu’à présent, car la valeur affichée n'est plus ajustable et elle est en W/m². En fait, l’unité d’affichage n'est que d’importance secondaire, car c’est seulement en empêchant la modification de la valeur affichée qu’on peut faire une relation directe entre les valeurs biodosimétriques et le point d’alarme du capteur. Maintenant, pour chaque point de fonctionnement testé (pour un débit et une transmission donnés), l’intensité d’irradiation correspondante (W/m²) peut être obtenue. Ainsi, on peut faire correspondre de façon univoque l’irradiation préconisée d'un point de vue sanitaire (400 J/m² en Allemagne, 250 J/m² en France) et la valeur affichée en W/m².
Dans les procédés chimiques, la colorimétrie est utilisée comme méthode indirecte de détermination immédiate de la capacité de stérilisation (du chlore, par exemple). La capacité de stérilisation d'une installation UV est contrôlée de manière indirecte par le système de détection UV et cela en continu. Mais en réalité, tous les procédés de stérilisation ont en commun le fait que la réelle capacité de stérilisation ne peut être déterminée que par des examens microbiologiques nécessitant beaucoup de temps.
La donnée d'une valeur limite ou d'un point d'alarme unique pour toutes les installations de stérilisation UV n’est pas possible, car les distances entre gaine de quartz et capteur UV sont différentes, les conditions de fonctionnement (transmission/débit) peuvent varier selon les cas pour une même installation, et l'irradiation est variable en fonction du nombre de lampes et de leur emplacement.
en J/m² ou en Ws/m²) est certes en relation directe avec la variation de la valeur affichée (W/m²) mais pas de façon absolue. Ainsi, malgré des valeurs en W/m² distinctes, des installations UV différentes ont une capacité de stérilisation identique, lorsqu'elles reposent sur une même conception.
L'affichage direct de l'irradiation en (J/m²) est théoriquement possible. Cependant, on rencontre des difficultés pour déterminer dans quelle mesure les facteurs correcteurs nécessaires peuvent être adaptés aux conditions réelles et à nouveau contrôlés par les autorités sanitaires.
Banc d'essai - Essai circulaire
Au début de 1996, la société Katadyn Produits AG a mis en fonctionnement son banc d'essai (260 m³/h max.), dans la maison mère de Wallisellen/Zurich, pour étudier des installations de stérilisation UV Katadyn selon l'ÖNORM M. 5873. On a auparavant réalisé des tests comparatifs sur le banc d'essai de l'Österreichisches Forschungs- und Prüfinstitut Arsenal (Centre de recherches et d'essais autrichien Arsenal), Vienne (A, figure 3, 450 m³/h max.) et sur le banc d'essai Katadyn (K, figure 4) avec le laboratoire associé sur le site. Une installation UV Katadyn de type VR-8-350 a été testée sur les deux bancs d'essai dans une zone de débit de 30 à 100 m³/h et pour différentes valeurs de transmission. Sur le banc d'essai (K), l'eau de test est introduite dans le circuit avant le début de l'essai puis rejetée dans le bassin des eaux usées sans avoir été traitée. Ceci permet de régler les paramètres de fonctionnement avant l'essai. On procède sans cette circulation préalable sur le banc d'essai (A), ce qui impose de régler la transmission en ligne.
Les résultats des deux tests concordaient bien. Ainsi, en construisant un banc d'essai propre à son usine, Katadyn a sensiblement contribué à la confirmation de l'applicabilité et de la reproductibilité de la méthode d'essai [11, 12].
Les tests sur le banc d'essai (A) ont été réalisés en collaboration avec l'Institut d'hygiène de l'université de Vienne et l'Institut de médecine physique de l'université de médecine vétérinaire de Vienne. Les tests sur le banc d'essai (K) ont été effectués sous la surveillance de l'EAWAG (Eidg. Anstalt für Wasserversorgung, Abwasserreinigung und Gewässerschutz – Office national de l'alimentation en eau, de l'épuration des eaux usées et de la protection des eaux).
Les mêmes bons résultats ont été obtenus dans les essais comparatifs lors de la détermination de la courbe d'inactivation avec les installations d'irradiation de laboratoire du Docteur Sommer et de la société Katadyn Produits AG [11, 12].
En outre, Katadyn Produits AG a obtenu de l'OVGW (Österreichische Vereinigung des Gas- und Wasserfaches, Fédération autrichienne du gaz et de l'eau) l'autorisation officielle d'accréditer, selon la norme EN 45001 de l'OVGW, les essais sur les stérilisateurs UV Katadyn. Ces essais doivent être réalisés selon l'ÖNORM M. 5873 sur le banc d'essai Katadyn et sous la surveillance du centre d'essai technique du SVGW.
Application des résultats de la biodosimétrie
Sur la figure 7 on compare deux caractéristiques de conception. L'une repose sur un modèle de calcul (400 J/m²) et l'autre a été déterminée par biodosimétrie (400 J/m²). Le graphique reflète bien la disparité entre les doses UV déterminées par le calcul et celles déterminées de manière expérimentale. L'ampleur de la différence varie d'un type d'installation à l'autre. Sur la base de ces résultats, il est possible de corriger les différents modèles de calcul.
Sur la figure 8 sont représentés les résultats d'une étude de grande envergure, dans laquelle on a comparé, pour la première fois, différentes géométries de réacteur et
Tableau 1 : Données techniques concernant les installations de stérilisation UV de la figure 8
*(BP = lampe à basse pression ; *MP = lampe à moyenne pression)
Différentes technologies d’irradiation. Cette comparaison a été rendue possible seulement grâce à la biodosimétrie. Pour l'étude, on a comparé les transmissions de 50 mm d'eau à 254 nm ainsi que les débits maximums passant par les trois types d’unités UV pour une dose constante de 400 J/m².
Pour les tests réalisés avec des lampes à moyenne pression, on a utilisé de la fluorescéine pour réduire la transmission de l'eau au lieu du thiosulfate de sodium [14]. En effet, le spectre d’une lampe à moyenne pression varie de 250 à 270 nm (celui d’une lampe à basse pression sort essentiellement à 254 nm) ; il faut donc atténuer la transparence de l'eau dans la plage de 250 à 270 nm pour refléter le spectre réel d'une eau d'origine naturelle. L'unité UV de type X est un stérilisateur UV Katadyn et les unités Y et Z sont des stérilisateurs du marché. Les principales données techniques des installations de stérilisation UV sont résumées dans le tableau 1.
La capacité de stérilisation de l'installation UV de type X est supérieure d’environ 80 à 100 % à celle de l’installation de stérilisation UV de type Z, bien que les deux présentent la même puissance UV-C. En revanche les durées d’irradiation et les distances d’irradiation sont différentes. Ce résultat est d’autant plus étonnant que, sur le marché, les capacités de stérilisation des deux installations UV étaient considérées comme pratiquement équivalentes jusqu’à présent. Cela signifie qu’une installation de stérilisation UV, avec des lampes UV disposées perpendiculairement à la direction de l’écoulement, nécessite une puissance UV-C presque double pour atteindre la même capacité de stérilisation, pour un même débit et une même transmission de l'eau. La capacité de stérilisation de l’installation de stérilisation Y est pratiquement comparable à celle de l’installation de type X, pour une très bonne transmission, bien que l’installation Y présente une puissance UV-C presque double de celle de l’installation X, mais aussi le temps de contact et la distance d’irradiation les plus courts. Lorsque la transmission diminue, à capacité de stérilisation constante (400 J/m²), la capacité de traitement de débit de l'installation Y diminue considérablement comparé à celle des deux autres installations. Ici, l'influence de la longueur de la zone d'irradiation sur la capacité de stérilisation est très importante.
Dans le cas de l'installation de type X, la capacité de traitement diminue de 250 m³/h (90 % T50) à 160 m³/h (70 % T50, facteur 1,6). En revanche, la capacité de traitement à 400 J/m² baisse encore plus fortement lorsque la distance d'irradiation diminue ; pour l’installation Z, de 150 m³/h (90 % T50) à 75 m³/h (70 % T50, facteur 2), et pour l’installation Y, de 220 m³/h (90 % T50) à 50 m³/h (70 % T50, facteur 4,4).
Conclusion
Les incertitudes auxquelles se heurtent les autorités sanitaires et les exploitants dans l'évaluation de la capacité de stérilisation de différentes installations UV peuvent donc être maintenant éliminées par l'application de la biodosimétrie. Il est possible de déterminer la capacité de stérilisation effective d'une installation UV en utilisant cette méthode d’essai normalisée. En outre, la bonne applicabilité et la bonne reproductibilité de la biodosimétrie ont été prouvées sur banc d’essai. Pour l’exploitant, c’est un critère homogène de comparaison objective des installations de stérilisation UV. Pour les autorités de surveillance, la capacité de stérilisation peut être maintenant contrôlée de façon objective.
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[12] Rapport d'essai n° 9612-3662 de la Schweizer Verein des Gas- und Wasserfaches (SVGW), en collaboration avec le Eidg. Anstalt für Wasserversorgung, Abwasserreinigung und Gewässerschutz (EAWAG), avril 1997
[13] Lettre de l’Österreichische Vereinigung für das Gas- und Wasserfach (ÖVWG), septembre 1996
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