Dimensionnement d'un irradiateur à section elliptique fonctionnant dans l'ultraviolet. Application au traitement des eaux à potabiliser

Une enceinte de traitement à section annulaire est schématiquement constituée (dans la version la plus simple) d’une source d’émission UV placée au centre d’une enveloppe perméable aux rayons UV, elle-même placée dans une enceinte généralement en acier. Le volume compris entre l’enceinte et l’enveloppe constitue la zone de contact où l’eau à désinfecter est soumise aux rayons UV.

En 1980, Schenck a montré que les systèmes à géométrie positive présentaient des capacités épuratoires supérieures à celles des systèmes à géométrie négative ou neutre, le principal obstacle étant la mise en œuvre de systèmes à rayonnement positif.

En 1983, Villessot a breveté un système à géométrie positive, constitué d’une enveloppe en quartz au centre de laquelle circule l’eau à traiter, et d’un seul émetteur UV, qui utilise les propriétés géométriques de l’ellipse, laquelle est, par définition, le lieu géométrique des points dont la somme des distances à deux points fixes (les foyers) est constante (figure 1).

En plaçant, coaxialement aux axes des foyers, une source d’émission UV en F et une enveloppe en quartz en F’, le rayonnement ultraviolet réfléchi par le support elliptique est réparti uniformément à la surface de l’enveloppe en quartz.

En effet, si l’émission UV s’effectue en F, et en considérant que les trajectoires des photons sont réfléchies par l’enveloppe au point M, les rayons convergent vers l’enveloppe en quartz placée en F’.

*Société Pecquet, Tesson **Professeur Université de Limoges ***CISE

Notre étude a consisté dans un premier temps à réaliser plusieurs prototypes à section elliptique, puis à les soumettre à une série d’essais comparatifs afin de répondre aux objectifs suivants :

• — vérifier qu’une enceinte à section elliptique permet de traiter un débit au moins équivalent à celui des enceintes habituelles à rayonnement négatif ;
• — évaluer, en cas de résultats positifs, les performances d’une enceinte de traitement à section elliptique par rapport à celles des enceintes habituelles à rayonnement négatif.

ÉTUDES ET RÉALISATION DES PROTOTYPES

Détermination de la longueur utile des prototypes

La longueur utile des enceintes de traitement est, quelle que soit la section considérée, en relation avec l’émetteur UV choisi.

Dans le cadre de cette étude, nous nous sommes limités à l’utilisation de lampes à basse pression de mercure, de type G36T6L et G10T6L (tableau I). Le principal critère ayant orienté ce choix est que les enceintes de traitement à rayonnement négatif (section annulaire), testées dans le cadre de cette étude, sont équipées de lampes identiques.

Tableau I : caractéristiques des lampes UV utilisées

Enceintes de traitement à section annulaire

Caractéristiques techniques et dimensionnelles

L’enveloppe externe de chaque appareil est constituée d’un cylindre en acier inoxydable. Chaque cylindre est muni de deux orifices prévus pour la circulation du liquide à traiter et de pièces d’adaptation à chaque extrémité, permettant de positionner les éléments internes. L’épaisseur des lames d’eau est respectivement de 22,5 mm pour l’enceinte n° II et de 10 mm pour l’enceinte n° III. Chaque enceinte est équipée d’une enveloppe en quartz de silice et d’un émetteur UV type G10T6L (enceinte n° II) et G36T6L (enceinte n° III).

Les dimensions de chaque enceinte sont précisées dans les schémas ci-après (figures 2 et 3) et dans le tableau II.

Tableau II : Dimensions des enceintes testées

(1) Les enceintes testées sont numérotées arbitrairement.

— Enceinte n° 0 (figure 4). Le support est constitué de deux demi-coquilles moulées en résine époxy armée de fibres de verre. Le support réfléchissant interne est obtenu par collage de feuilles d’aluminium à haut pouvoir de réflexion dans l’ultraviolet (environ 80 %).

— Enceinte n° I (figure 5). Le support est en plexiglas formé et poli manuellement. Le polissage est de qualité optique. Le revêtement interne est obtenu par projection sous vide d’aluminium. Ce dépôt présente un coefficient de réflexion dans l’ultraviolet compris entre 0,8 et 0,9 à 254 nm (données du constructeur).

— Enceinte n° IV (figure 6). Le support est obtenu par roulage et mise en forme d’une tôle en acier inoxydable (qualité 316L). La paroi réfléchissante intérieure a été obtenue par polissage électrolytique de l’inox.

— Enceinte n° V (figure 7). Le support est constitué de deux demi-coquilles en acier inoxydable (qualité 316L) obtenues à partir de tôles roulées et mises en forme. Les parois internes de chaque coquille sont recouvertes de plaques vitrifiées de forme elliptique.

Les caractéristiques des enceintes utilisées sont résumées dans le tableau III.

PARTIE EXPÉRIMENTALE

Cette partie décrit une série de cinq essais permettant de comparer les caractéristiques de chaque prototype. Les performances sont évaluées en fonction de l’aptitude de chaque enceinte à inhiber certaines colonies bactériennes et, en particulier, les germes-tests, et cela pour des débits identiques.

Prélèvements d’eaux brutes

Les eaux brutes testées ont été préparées en vue d’obtenir des qualités proches des normes définissant la qualité minimale requise (directives de la CCE) pour la transformation des eaux superficielles en eaux alimentaires. Des souches naturelles de coliformes ont été utilisées afin que leur sensibilité corresponde exactement aux conditions habituelles rencontrées dans la pratique. Les prélèvements d’eau brute et d’eau traitée ont été réalisés selon les règles de l’art et soumis à l’analyse, au maximum dans les quatre heures qui ont suivi le prélèvement.

Pour chaque essai, l’eau brute est pompée directement en rivière ou stockée en cuve, et agitée en permanence par une pompe multicellulaire 1,5 m³/h, 45 m HMT pour les essais n° 1, 2, 3 et par deux pompes multicellulaires 3 m³/h, 45 m HMT pour les essais n° 4 et 5 (figure 8).

Une vanne de régulation placée au refoulement du groupe de pompage permet de réguler le débit. Celui-ci est contrôlé par un débitmètre à flotteur.

L'eau est filtrée avant le traitement de désinfection ; deux filtres-barrières de 3 microns à cartouches plissées sont placés avant chaque enceinte. Des vannes d’isolement permettent de sélectionner l'enceinte testée. Les enceintes sont placées verticalement de façon à être en permanence pleines d'eau.

Analyses

Sur chacun des prélèvements d’eau brute et d’eau traitée, les analyses suivantes ont été effectuées :

• (DT) - Dénombrement des germes totaux par ml à 37 °C et 20 °C
• (CT) - Coliformes totaux à 37 °C pour 100 ml d'eau
• (CF) - Coliformes fécaux à 44 °C pour 100 ml d'eau
• (SF) - Streptocoques fécaux à 37 °C pour 100 ml d'eau.

Les abattements sur les différentes colonies sont exprimés soit en pourcentage, soit en abattement décadalogarithmique (UL).

Résultats expérimentaux

Essai n° 1. La pollution de l'eau brute étant très faible, il est impossible de tirer des conclusions de cet essai.

Essai n° 2. L’ensemble des résultats reste satisfaisant jusqu’à 200 l/h. L’abattement mesuré pour les coliformes fécaux est de 100 % jusqu’à 400 l/h. L'abattement mesuré sur les streptocoques fécaux est de 100 % à 200 l/h et décroît jusqu’à 3,2 UL à 500 l/h. La limite du traitement de cette enceinte se situe à environ 400 l/h – 500 l/h avec une eau ayant des caractéristiques supérieures à celles de la catégorie A3.

Essai n° 3. Les résultats figurent dans les tableaux IV et V. L’enceinte n° I permet un abattement de 100 % pour l’ensemble des germes tests jusqu’à 300 l/h. La limite du traitement se situe aux environs de 400 l/h. La limite du traitement de l'enceinte n° II est d’environ 300 l/h. Lorsque le débit de traitement augmente, la capacité épuratoire de l’enceinte n° I est supérieure à celle de l’enceinte n° II : 0,5 UL pour les coliformes totaux lactose +, 1 UL pour les streptocoques fécaux et 0,5 UL pour Escherichia coli.

Essai n° 4

• — Enceinte n° I. Jusqu’à 700 l/h, la capacité de désinfection est de 100 % ; la limite de traitement se situe à environ 1 000 l/h.
• — Enceinte n° II. Les résultats de cet essai confirment les résultats obtenus lors de l'essai n° 3.
• — Enceinte n° III. La capacité de désinfection est de 100 % à 1 000 l/h ; la limite du traitement se situe à environ 1 500 l/h.

Ces résultats mettent en évidence l'efficacité de l'enceinte n° I, dont la capacité de traitement est supérieure à celles des enceintes n° II et n° III. En comparant les caractéristiques dimensionnelles et électriques de chaque enceinte (tableau I), la puissance d’émission est de 0,208 W UV par centimètre d’arc pour les enceintes n° I et n° II (lampe G10T6L) et de 0,181 W UV par centimètre d’arc pour l’enceinte n° III (lampe G36T6L). En prenant la limite de traitement de chaque enceinte (1 000 l/h pour I ; 500 l/h pour II ; 1 500 l/h pour III), la capacité de traitement est de 19,7 l/h par centimètre d’arc pour les enceintes II et III et de 39,37 l/h par centimètre d’arc pour l'enceinte I pour un abattement supérieur à 99 %. Les résultats obtenus avec les enceintes II et III confirment les recommandations de Tobin (1979), qui limitent le débit du liquide à traiter à 17,7 l/h par centimètre d’arc pour obtenir un abattement supérieur à 90 %.

Tableau III : caractéristiques des enceintes testées.

(7) VPA : enceinte n° V à la pression atmosphérique

VV° : enceinte n° V sous vide partiel avec enveloppe en quartz

VV : enceinte n° V sous vide partiel

Tableau récapitulatif n° IV des analyses du 27 février 1984 (essai n° 3)

DT : Dénombrement total / CT : Coliformes totaux / EC : Escherichia coli / SF : Streptocoques fécaux / EB : Eau brute / ET : Eau traitée

Tableau récapitulatif n° V des analyses du 27 février 1984 (essai n° 3)

Essai n° 5

— Enceinte n° I. L'augmentation du diamètre de passage, donc du temps de séjour, permet d'augmenter l'abattement sur chaque colonie bactérienne testée pour des débits de 1 000 l/h et 1 500 l/h.

Cette enceinte permet de traiter à 1 500 l/h une eau proche de la catégorie A1 et à 1 000 l/h une eau proche de la catégorie A3. Pour une eau de catégorie A3, l'enceinte n° I donne un abattement de 3,74 UL avec une enveloppe de diamètre intérieur de 29 mm et de 3,96 UL avec une enveloppe de diamètre intérieur de 22 mm pour un débit de 1 000 l/h (essai n° 4). Pour une eau de catégorie A1, l'augmentation du diamètre intérieur de l'enveloppe permet d'augmenter sensiblement le débit de traitement.

— Enceinte n° III. Cet essai confirme les résultats précédemment obtenus avec cette enceinte. La limite du traitement est de 1 500 l/h avec une eau proche des catégories A2 et A3. Les résultats obtenus avec cette enceinte rejoignent ceux obtenus sur des appareils similaires Carpentier (1977) Mazoit et Collègues (1975).

100 % à 1 500 l/h sur toutes les colonies testées pour une eau brute proche de la catégorie A1. Pour une eau proche de la catégorie A3, le rendement est comparable à celui de l’enceinte n° I à 1 000 l/h.

— Enceinte n° V. Sur une eau proche de la catégorie A1, l'abattement est de 100 % sur toutes les colonies testées. Le traitement d'une eau proche de la catégorie A2 avec l'enceinte n° V soumise à un vide partiel permet d’obtenir un abattement de 100 % à 1 500 l/h. Cette même enceinte à la pression atmosphérique ne permet pas d’obtenir un abattement de 100 %.

Avec une eau proche de la catégorie A3, l'abattement est supérieur à celui obtenu avec les enceintes n° I et IV.

Ces différentes études montrent en particulier que l’abattement est de 99,9 % pour des débits proches de 1 500 l/h à 2 000 l/h, avec des systèmes équipés de lampes UV similaires à celles utilisées dans le cadre de cette étude.

Discussion

L'essai n° 3 a permis de démontrer que l'enceinte n° I avait une capacité de traitement supérieure à celle de l'enceinte n° II à partir d'une eau proche de la catégorie A3.

Les améliorations apportées à l'enceinte n° I, en particulier au niveau de la qualité du revêtement et de la précision des usinages, ont permis d'améliorer les performances de cette dernière par rapport à l'enceinte n° 0.

En comparant les résultats obtenus entre l'enceinte n° III et l'enceinte n° I, et en considérant que la capacité de désinfection pour un débit donné est proportionnelle à la puissance UV installée, l'enceinte n° I permettrait de traiter un débit supérieur à celui de l'enceinte n° III dans un rapport de 1,5.

Les résultats obtenus avec l'enceinte n° V montrent que sa capacité de désinfection est de 19,7 l/h par cm d’arc UV alors que celle de l'enceinte n° I est de 27,6 l/h par cm d’arc UV. Comme l'enceinte n° V est identique à l'enceinte n° I (même puissance de rayonnement UV, même enveloppe en quartz, etc.), nous pouvons envisager que les paramètres a, b, c de l'ellipse ont une influence sur l'efficacité du traitement. Les paramètres a, b, c ayant été doublés, la baisse d'efficacité observée peut être expliquée par la dissipation et l'absorption par l’air du rayonnement ultraviolet.

Lorsque l'enceinte n° V est soumise à un vide partiel, l'abattement sur les différentes colonies augmente sensiblement (de 6 à 10 %).

L'augmentation de l'épaisseur des lames d'eau (diamètres internes des enveloppes en quartz) ne permet pas, dans tous les cas, d’augmenter le débit du traitement. Les profondeurs de liquide à traiter sont à adapter avec la qualité de l'eau à traiter, ce qui confirme les remarques formulées par Schenck (1981) et Tobin (1979) ; cette profondeur doit être réduite lorsque l'eau est fortement absorbante, et inversement.

Certains résultats obtenus montrent qu'un système à section elliptique (rayonnement positif) pourrait permettre d’augmenter le débit de traitement dans un rapport de trois ou quatre par rapport à ceux obtenus avec des systèmes conventionnels.

CONCLUSION

Les différents essais réalisés au cours de cette étude et les observations que nous pouvons en tirer nous permettent d’aboutir à la conclusion suivante.

Les différents tests prouvent qu'une enceinte de traitement à section elliptique permet de traiter des débits supérieurs à ceux des enceintes à section annulaire.

Les résultats obtenus montrent que, pour le traitement d’une eau de catégorie A1, le débit de traitement est de 0,61 l/min par cm d’arc UV pour une enceinte à section elliptique et de 0,32 l/min par cm d’arc UV pour une enceinte à section annulaire.

Pour une eau proche de la catégorie A3, le débit de traitement est de 0,43 l/min par cm d’arc UV pour une enceinte à section elliptique et de 0,18 l/min pour une enceinte à section annulaire.

Le choix des composants ainsi que le dimensionnement sont des facteurs qui influencent sensiblement les capacités de traitement.

À partir des différents résultats obtenus, nous pouvons noter plusieurs critères qui sont à prendre en compte pour dimensionner une enceinte à section elliptique :

• — le revêtement interne doit présenter un très bon coefficient de réflexion dans l'ultraviolet ;
• — les dimensions de l'ellipse doivent être optimisées, afin d’éviter les pertes de rayonnement par dissipation et absorption ;
• — les diamètres et épaisseurs des enveloppes en quartz doivent être dimensionnés en fonction de la qualité de l’eau à traiter et des contraintes mécaniques ;
• — l'utilisation d'une enceinte mise sous vide partiel permet d’augmenter les capacités de traitement.

La perspective de traiter à l'aide d'irradiateurs à section elliptique des débits supérieurs permettra certainement d’améliorer l'économie liée à l'utilisation du traitement de désinfection par rayonnement ultraviolet et de le rendre plus compétitif vis-à-vis des systèmes de désinfection conventionnels.

Nota : Les lecteurs intéressés par la bibliographie sont priés de s’adresser aux auteurs.