L'efficacité d'un traitement de désinfection de l'eau par rayonnement ultraviolet nécessite, outre une parfaite connaissance des capacités de l'équipement, une étude approfondie du site d'installation et de ses spécificités. Le but de cet article est de mettre en évidence certains éléments indispensables au bon fonctionnement d'une station de désinfection UV.
La désinfection par rayonnement ultraviolet s’applique à tous types d’eau et s'adapte à leur spécificité, que ce soit des eaux de process industrielles, de consommation humaine, eaux résiduaires... et en général à toutes les eaux contaminées par des proliférations bactériennes ou virales.
Cette technique, bien que connue depuis de nombreuses décennies, ne s’est imposée que très récemment, car les conditions pour son utilisation optimale n’étaient pas réunies, en particulier :
- - l'utilisation routinière de la chloration et la méconnaissance de certains de ses effets nocifs ;
- - les capacités limitées des équipements UV (principalement des lampes) ;
- - la mauvaise qualité de certains réseaux d’adduction d'eau, entraînant la nécessité d'un traitement rémanent ;
- - la présence sur le marché d’équipements insuffisamment dimensionnés, responsables d'une mauvaise image de la technique.
Nombre de ces problèmes sont aujourd’hui résolus.
Principe de l'appareillage UV
L’eau circule dans une chambre de traitement cylindrique, où elle est irradiée par un ou plusieurs générateurs à vapeur de mercure de basse pression.
Les générateurs sont isolés du contact de l’eau par une gaine isothermique en silice pure, perméable aux rayons UV à 253,7 nm, dispositif qui permet d’assurer la constance du traitement, quelle que soit la température de l’eau.
Les paramètres nécessaires à une bonne désinfection de l'eau par UV
Il est absolument nécessaire de déterminer avec précision les paramètres et conditions requises pour obtenir une désinfection parfaite et durable de l'eau par rayonnement UV :
- - dimensionnement des équipements (un chapitre du présent article y est consacré) ;
- - qualité de l’eau : afin de dimensionner parfaitement un stérilisateur UV, il est bien entendu nécessaire de connaître le débit et la perméabilité aux UV de l’eau à traiter. Ce sont les éléments de base. Il est tout aussi important de connaître les variations de ces deux facteurs au cours du temps ; les organismes officiels (DDASS, DDA, DRASS, DDE) demandent d’ailleurs une étude très précise de ces variations ;
- - qualité du réseau : il est de même absolument nécessaire de connaître parfaitement le réseau d’adduction existant et ses spécificités, ainsi que ses développements futurs ; chaque réseau ayant ses caractéristiques particulières, seule une étude détaillée et précise en montrera les particularités. Celles-ci pouvant conduire à déterminer le choix des équipements à installer ;
- - spécificité de la contamination bactérienne à traiter : on ne traite pas de la même façon une eau de procédé industriel agro-alimentaire qui devrait être exempte de bactéries mais aussi de levures et de moisissures pouvant créer de sérieux dommages au produit final, et une eau potable.
• qualité des prestations : des études précises et détaillées ne peuvent être menées que par l’intermédiaire des techniciens implantés localement connaissant toutes les spécificités régionales des eaux et des réseaux.
Le dimensionnement des équipements
Tous les utilisateurs et prescripteurs d’équipements UV connaissent la loi de Beer-Lambert permettant de calculer l’efficacité de la désinfection de l’eau par UV :
P D = e^-KX x T
dans laquelle : D = dose UV P = puissance germicide des lampes en fin de vie S = surface du cylindre entourant la lampe T = temps d’irradiation (voir encadré).
La dose d’irradiation minimale requise pour les eaux de consommation humaine, soit 25 000 µWs/cm² en tout point de la chambre de réaction, est fixée par le texte de la Direction Générale de la Santé du 19 janvier 1987.
Elle dépend :
a - de la puissance germicide des générateurs UV : les générateurs UV basse-pression disponibles sur le marché n’émettent qu’une très petite partie de leur rayonnement à 253,7 nm (environ 30 %). Il est donc extrêmement important de connaître parfaitement les spécifications des lampes utilisées,
b - de la surface réceptrice, qui doit être déterminée précisément par le calcul et l’expérimentation,
c - des coefficients d’absorption des UV dans le liquide à traiter : la perméabilité de l’eau est le facteur prépondérant qui à lui seul décidera ou non du type de traitement UV à installer,
d - de l’épaisseur de la lame d’eau : on aura tout intérêt à traiter une eau peu perméable avec un équipement doté de lames d’eau de faible épaisseur, la pénétration du rayonnement UV étant diminuée par la mauvaise qualité de l’eau,
e - du temps d’exposition de l’eau aux radiations : c’est, avec la perméabilité, un facteur extrêmement important puisque le temps d’irradiation est directement proportionnel à la dose UV. On pourra, par exemple en jouant sur ce temps de passage, optimiser le conditionnement des équipements. C’est par le bon équilibre de tous ces paramètres que l’on atteindra une efficacité optimale de ces appareils.
Bien entendu, il est nécessaire de tenir compte d’autres facteurs tels que :
• les types de micro-organismes à traiter : bactéries, virus, moisissures ne seront pas détruits aux mêmes doses germicides ;
• les variations du milieu à traiter, ce qui implique des systèmes de détection et d’information sur la qualité de ce milieu permettant le déclenchement d’alarmes en cas de dépassement de valeurs préfixées ou d’incidents ;
• la qualité des matériaux utilisés, le type de revêtement de l’intérieur de la chambre de réaction pouvant avoir une grande importance ( % de réflexion du rayonnement UV, résistance à des eaux particulièrement agressives…) ;
De la même manière, la qualité des gaines de quartz isolant les lampes du contact avec l’eau doit être absolument parfaite en termes de perméabilité aux UV et de résistance aux chocs (coups de bélier).
La formule mathématique indiquant la dose UV en un point A donné de la chambre de réaction s’exprime de la façon suivante :
Da = P × perméabilité × e^(-k × d) × T Sa
avec : Da = dose au point A I = nombre de lampes d = distance entre la surface de la lampe (ou de la gaine de quartz de la lampe) au point A Sa = surface du cylindre entourant la lampe et passant par le point A e = épaisseur de lame d’eau utilisée dans la mesure de perméabilité de l’eau aux UV T = temps d’exposition d’un ml d’eau aux UV Sa = (d + rayon de la lampe ou gaine de quartz) × 2 × π × L Pe = puissance germicide des lampes en fin de vie.
Un constructeur de stérilisateurs UV conscient de ses responsabilités doit prévoir toutes les éventualités et, par conséquent, se placer volontairement dans les conditions les plus défavorables.
Il faut donc réaliser les équipements en considérant que les micro-organismes se situent toujours dans les positions les plus défavorables, c’est-à-dire au point d’irradiation minimale (25 000 µWs/cm²) pendant tout leur transfert dans l’appareil, bien que, compte tenu du régime d’écoulement turbulent de l’eau dans les équipements, ceci ne se vérifie jamais. En effet, les micro-organismes se déplacent de façon désordonnée dans la chambre de réaction et se trouvent donc toujours dans une position suffisamment proche de l’émetteur pour recevoir une dose UV très largement supérieure à 25 000 µWs/cm². Sachant que les doses nécessaires pour éliminer à 99,99 % bactéries et virus sont en moyenne de 15 000 µWs/cm², on peut juger de la marge de sécurité prise dans le dimensionnement et la fabrication des équipements.
Système de contrôle en continu
Afin de veiller constamment à l’efficacité du traitement, les stérilisateurs doivent être équipés de détecteurs de défauts de fonctionnement des lampes et de systèmes de surveillance de la variation de perméabilité : un luminotest, relié à une cellule photoélectrique plongeant dans la chambre de traitement, mesure ainsi en permanence toute modification de la qualité de l’eau et déclenche un signal d’alarme lorsque les seuils de sécurité sont dépassés.
De plus, un système de télé-surveillance permet de transmettre sur un minitel ou un ordinateur, par l’intermédiaire du réseau téléphonique, toutes les informations de
fonctionnement de l’installation : mesure de la dose UV en fonction du débit, du fonctionnement des lampes, de la pression et de toute autre information pouvant être utile à la gestion de l’unité de traitement.
Les applications et leurs spécificités
Comme il a déjà été précisé plus haut, chaque installation est unique et doit être traitée comme telle ; cependant, il existe pour un type d’installation donnée des paramètres communs :
• potabilisation des eaux communales : en France les contaminations rencontrées dans les eaux communales sont généralement d’origine bactérienne ou virale. Les doses UV à appliquer pour détruire ces micro-organismes sont, comme nous l’avons déjà vu, relativement faibles, mais en fonction des conditions climatiques la qualité des eaux peut varier dans des proportions importantes. Un soin tout particulier doit donc être apporté à l’analyse de l’évolution de la qualité de l’eau ;
• les eaux de procédé des industries agro-alimentaires et pharmaceutiques doivent être absolument exemptes de tout germe et de toute trace de produit chimique pouvant nuire à la fabrication des produits. Dans le cas particulier des IAA, le danger provient des bactéries, mais aussi des moisissures – toutes ne sont pas aussi utiles que le Penicillium roqueforti – qui ne seront détruites qu’à des doses UV de 10 à 20 fois supérieures à celles requises pour les bactéries, d’où la nécessité de surdimensionnement des équipements UV. Quant aux eaux de rejets de ces mêmes industries, elles ne sont pas soumises aux mêmes normes que les eaux de procédés, mais leur charge extrême en germes de toutes sortes nécessite un traitement tout à fait spécifique, afin d’obtenir un abattement notable ;
• les eaux destinées à un usage « agricole » ou aquacole – généralement lavage des légumes, coquillages ou crustacés avant commercialisation – doivent respecter un certain nombre de normes alimentaires, mais le prix de l’eau oblige les industriels à recycler ces eaux très chargées en bactéries et en matières organiques, lesquelles doivent donc être absolument filtrées et fortement traitées aux UV du fait de leur faible perméabilité aux rayons.
Conclusion
Bien que les études menées au cours des ans aient permis d’acquérir une très grande expérience des spécificités de traitement de chaque type d’eau, il est nécessaire d’étudier sur le site, avec l’aide de spécialistes, chaque cas en fonction des particularités locales, en recueillant toutes les informations qui permettront d’optimiser le fonctionnement des équipements à installer.
