L'utilisation des rayons ultraviolets comme méthode alternative pour le traitement des eaux

Le soleil émet des ondes électromagnétiques qui, dans leurs effets et dans leurs longueurs d’ondes, varient considérablement. Les rayons du soleil que l’œil perçoit représentent seulement une petite partie des rayonnements qui arrivent sur la terre. Le spectre solaire classé par longueurs d’ondes exprimées en millièmes de millimètres (c’est-à-dire en nanomètres — nm —) peut être représenté sous la forme d'une bande colorée (figure 1) dans laquelle toutes les couleurs de l'arc-en-ciel se situent dans la zone des rayons visibles. De part et d’autre on trouve les rayons ultraviolets (UV) et les infrarouges.

Ultraviolet RAYONS SOLAIRES Infrarouge

Fig. 1. — Le spectre des ondes électro-magnétiques.

Tous deux font partie des radiations solaires invisibles. Les premiers précèdent le violet qui limite le spectre visible ; les seconds sont situés au-delà de l’autre extrémité de celui-ci où figure le rouge.

Le spectre des ondes électromagnétiques ultraviolettes se situe entre 100 et 400 nm et les ondes sont donc invisibles.

Ce spectre U.V. peut être subdivisé en trois bandes qui induisent des effets différents (figure 2) :

Fig. 2. — Le spectre des U.V. et leurs différents effets.

• — U.V.A. : de 315 à 400 nm ils provoquent la pigmentation de la peau (autrement dit le bronzage) ;
• — U.V.B. : de 280 à 315 nm les rayons favorisent la production de vitamine D anti-rachitique et par la même la synthèse du calcium ;
• — U.V.C. : de 200 à 280 nm ils présentent des propriétés bactéricides (figure 3).

En-dessous de 200 nm de longueur d’onde, l’effet bactériologique est insignifiant car les rayons sont très vite absorbés.

Principes de la désinfection par U.V.

La vie des micro-organismes et des virus est directement reliée à la pérennité des acides nucléiques qu’ils contiennent dans leurs cellules : l’acide désoxyribo-nucléique (A.D.N.), principale composante du noyau de chaque cellule vivante et l’acide ribonucléique (A.R.N.) qui entre dans la composition d’éléments de la cellule, les ribosomes.

L’exposition des micro-organismes aux rayons U.V. induit un changement dans la structure de leurs acides nucléiques, occasionnant un effet mortel direct (destruction des liaisons entre les acides aminés des chaînes d’A.D.N.) et un effet mortel indirect par blocage des mutations.

Les acides nucléiques peuvent absorber de manière forte les rayons U.V. avec un maximum à environ 260 nm. Pour la plupart des catégories l’effet bactéricide est maximum à 253,7 nm. Il faut noter que le dosage réel de l’énergie U.V. pour atteindre l’inactivation des micro-organismes dépend beaucoup des conditions de désinfection. Il est communément admis que l’effet germicide dépend de la quantité U.V. reçue et non de l’intensité des rayons (figure 4).

Fig. 3. — Effet bactéricide selon la longueur d’onde en nanomètres.

L’USAGE DES ULTRAVIOLETS COMME ALTERNATIVE POUR LA DÉSINFECTION DE L’EAU

Nous comparerons ci-après les avantages et inconvénients des méthodes classiques de traitement de l’eau

La chloration

La chloration est utilisée dans le monde entier comme méthode de désinfection de l'eau de consommation. Son but est de détruire les germes existants et de maintenir un effet germicide résiduel, mais elle présente des inconvénients majeurs qui ont entraîné une révision complète de l'emploi du chlore pour la désinfection de l'eau. En plus du goût et de l'odeur désagréables, l’usage du chlore entraîne en effet la formation de composés organochlorés qui appartiennent à une classe de produits utilisés comme pesticides ; d'autres ont des propriétés cancérigènes reconnues.

L’ozonation

L'ozone est un gaz très odorant issu de l'union de trois atomes d'oxygène, obtenu par passage entre des plaques de verre chargées électriquement entre 5 000 et 30 000 volts. Il n'imprime ni goût ni odeur à l'eau traitée et n'est pas toxique pour l'homme, mais son inconvénient majeur est le coût du traitement (deux fois plus cher que le chlore).

D’autre part, c’est un gaz très corrosif et il peut entraîner des effets secondaires, en particulier dans le cas d’eaux chargées en fer Fe et Fe²⁺.

Le brome et l'iode

Ces corps ne conviennent qu’à la stérilisation de petites quantités d’eau sur site (notamment pour des usages militaires).

L’argent et le permanganate de potassium

Ce sont des procédés efficaces mais qui sont extrêmement coûteux.

Le lagunage

Procédé de fermentation biologique qui demande des surfaces importantes.

L'ultrafiltration

Procédé très performant mais qui souffre de faibles débits et d'une consommation élevée d'électricité.

L'alternative des rayons U.V.

On a vu que la stérilisation de l'eau par les U.V. est efficace lorsque chaque germe reçoit la quantité d’énergie correspondant à sa dose létale appliquée sous la longueur d’onde de 253,7 nm.

Les facteurs affectant la propagation des rayons U.V. et donc leur intensité sont : la profondeur et la qualité de l'eau.

La profondeur

L'efficacité germicide diminue avec la distance des germes de la source U.V. car le milieu aqueux absorbe des photons U.V. D’autre part, on constate que l'énergie U.V. varie exponentiellement en fonction du coefficient d’absorption du milieu.

La qualité de l'eau

• – La turbidité : les matières solides en suspension, les colloïdes, réduisent la transmission en dissipant l'énergie U.V. ; par exemple, une haute teneur en fer peut affecter la pénétration de cette énergie.
• – Les matières organiques en suspension : elles peuvent absorber également une grande quantité d’énergie, mais leur concentration dans la nature atteint rarement un degré gênant.
• – La coloration : l'intensité de la coloration d'une eau est également un facteur s’opposant à la propagation du rayonnement. Bon nombre de colorants sont des matières organiques, donc pris en compte dans cette mesure. Seul le cas d'une coloration due aux ions métalliques est différent.
• – La dureté, c’est-à-dire la concentration en calcium et en magnésium dissous, réduit l'intensité des rayons U.V.

Ces inconvénients peuvent être compensés de trois manières :

• — la première consiste à surdimensionner systématiquement l'équipement ultraviolet ;
• — la seconde conduit à nettoyer régulièrement les lampes avec une solution d’acide citrique ou d’acide acétique ;
• — la troisième nécessite l’installation de filtres avant le stérilisateur pour éliminer ou limiter la turbidité, en retenant les matières en suspension et pour supprimer les goûts.

CHAMP D’APPLICATION DU TRAITEMENT PAR U.V.

Le rayonnement U.V. est utilisé dans le traitement des eaux suivant trois modes :

Stérilisation

C’est un procédé par lequel tous les germes (pathogènes ou banals) existants dans l'eau sont détruits. On confond souvent stérilisation avec potabilisation, c’est-à-dire le traitement à l'issue duquel l'eau est rendue propre à la consommation.

Potabilisation

Ce traitement consiste à détruire les germes pathogènes (c’est-à-dire ceux qui engendrent des maladies) ; quelques

germes banaux (c’est-à-dire non dangereux pour la santé) peuvent subsister en fonction de la législation propre à chaque pays définissant les caractéristiques de l’eau potable.

Désinfection

Cette technique est utilisée pour purifier les eaux de rejet lorsqu’elles aboutissent dans un environnement sensible à la pollution bactérienne. Elle consiste à réduire de façon importante (de 2 à 4 puissances de 10) le nombre des germes totaux.

Types d’eaux susceptibles d’un traitement U.V.

Eaux de consommation

Il faut inclure sous ce vocable les eaux destinées à la consommation humaine (embouteillées ou non), les eaux de fabrication alimentaire, les eaux de lavage des denrées alimentaires. Pour ces eaux dont les caractéristiques physico-chimiques répondent aux normes officielles (turbidité, matières organiques, fer) l’action des stérilisateurs U.V., en particulier les appareils Actini, ramène des eaux initialement fortement contaminées (par ex. 150 000 coliformes dans 50 ml d’eau) aux normes bactériologiques réglementaires.

Eaux de piscine

La stérilisation par les ultraviolets est particulièrement adaptée à ce cas particulier où, pour le confort du nageur, elle permet d’éviter les ennuis dus à la chloration (affections cutanées ou ophtalmologiques).

Désinfection des eaux résiduaires

Le traitement ultraviolet des eaux usées effectué en aval de l’épuration physico-chimique permet d’abaisser la teneur en germes. Il faut noter que la turbidité de ces eaux entraîne une diminution du rendement de l’opération et nécessite la disposition de filtres en amont.

LES ÉQUIPEMENTS ULTRAVIOLETS

Il existe deux grandes catégories d’équipement : le type direct et le type indirect.

Le type direct

L’eau passe dans un tube en acier inoxydable (parfois en plastique) appelé chambre de réaction, qui contient la lampe U.V. ; dans ce cas l’eau se trouve directement en contact avec la lampe U.V.

Le type indirect

Dans ce type d’unité, la lampe U.V. est suspendue parallèlement à un tube de quartz vitrifié dans lequel passe l’eau.

Des réflecteurs sont placés autour de la lampe U.V. pour accroître la quantité d’énergie transmise au liquide ; dans le cas du traitement de grandes quantités, il suffit d’augmenter en proportion le nombre de lampes.

CONCLUSION

En comparaison avec les autres procédés de désinfection des eaux, le traitement par les ultraviolets possède les avantages suivants :

• — il évite l’addition de produits chimiques ;
• — il supprime mauvais goûts et mauvaises odeurs ;
• — il n’entraîne pas de risques de corrosion dus à des dosages trop importants ;
• — il n’offre pas de dangers de réactions (dans le cas de production de boissons, produits chimiques, cosmétiques ou pharmaceutiques) ;
• — il ne nécessite qu’un minimum de surveillance et de maintenance ;
• — il permet d’automatiser le nettoyage (dans le cas des stations) ;
• — enfin, le coût du traitement de l’eau est particulièrement avantageux.