La désinfection aux ultraviolets : une alternative de choix

La désinfection est depuis longtemps le premier objectif du traitement en eau potable. Afin de permettre à cette étape d’être à son optimum d’efficacité, on commence par réduire de façon importante la concentration en micro-organismes pathogènes à travers diverses étapes placées en amont, comme la clarification suivie éventuellement d'une étape d’affinage. Toutefois, si ces traitements permettent de réduire la pollution microbiologique, ils drainent quelquefois des concentrations résiduelles en substances organiques avec lesquelles les désinfectants chimiques peuvent réagir en formant des sous-produits de réaction (THM, acides acétiques halogénés, chlorites, chlorates, etc.) à un seuil supérieur à celui préconisé par la réglementation. Les risques sanitaires liés à l'ingestion des sous-produits peuvent se traduire par une certaine toxicité à moyen ou long terme. À ce titre, on se dirige de plus en plus vers l’utilisation de procédés n'induisant pas la formation de sous-produits. Les technologies membranaires peuvent être une première alternative.

Une seconde alternative concerne la technologie UV qui voit sa cote de popularité augmenter depuis quelques années pour la désinfection de l'eau destinée à la consommation humaine ou des eaux résiduaires.

Les types de source UV

Aujourd’hui, deux principaux types de lampes sont utilisés pour la désinfection en traitement de l'eau :

• les lampes à mercure basse pression,
• les lampes à mercure moyenne pression.

Ces deux types de lampes émettent dans le domaine des UV-C avec un spectre quasi-monochromatique pour les basses pres-

et polychromatique pour les moyennes pressions dont les longueurs d'onde (figure 1) évoluent des UV-C (200 à 290 nm) aux UV-A (315 à 400 nm).

Les lampes basse pression fonctionnent avec une pression de mercure de l’ordre de 100 à 1000 Pa ; un gaz de remplissage vient compléter la vapeur de mercure. Ces lampes ont l’avantage d’avoir une émission quasi monochromatique dans les UV-C avec un pic à 253,7 nm (figure 2a). Une deuxième raie existe à 184,9 nm, mais elle est, en général, absorbée par le quartz ou par l’air séparant la lampe de la gaine de protection. Le pic à 254 nm correspond à une longueur d’onde proche du maximum d’absorption de l’ADN [1 à 4]. Ceci implique une plus grande efficacité des lampes BP puisque l’essentiel de l’énergie (30 à 50 %) est émise à une longueur d’onde germicide. Cependant, la puissance de ces lampes BP est limitée au maximum à quelques centaines de watts germicides. De plus, elles sont très longues à ce niveau de puissance : de l’ordre du mètre. Cette faiblesse en terme de puissance, malgré un bon rendement germicide, peut se révéler être une contrainte pour ce type de technologie.

Les lampes moyenne pression ont une pression en vapeur de mercure de l’ordre de 10 kPa, ce qui permet à ce type de lampes d’atteindre des puissances 100 fois plus fortes, c’est-à-dire proches de la dizaine de kilowatts. Cependant, ce gain en terme de puissance implique l’apparition d’autres raies d’émission dans les UV (figure 2b) et le visible, ce qui réduit le rendement germicide aux environs de 10 à 15 %. Elles disposent de gaines de quartz dopées en titane qui coupent toutes les longueurs d’onde inférieures à 220 nm, limitant ainsi des réactions indésirables telles que la réduction des nitrates [5 à 8].

Les lampes BP et MP ont leur propre domaine d’application avec leurs avantages et leurs inconvénients (voir tableau 1).

Les principaux avantages d’une désinfection UV avec des lampes moyenne pression se résument en :

• > Une puissance disponible qui permet de traiter de gros débits pour un minimum de lampes,
• > Une surface au sol plus compacte,
• > Une réduction du coût de renouvellement des lampes.

Notions de dose en désinfection UV

La désinfection par irradiation UV se base sur la notion de dose, comparativement à la désinfection chimique qui se base sur celle du Ct. Elle peut être définie selon le principe de It où I représente l’intensité délivrée et t étant le temps de contact. Toutefois, la principale différence entre le paramètre It induisant une dose UV et le Ct induisant une concentration en désinfectant chimique, réside en une absence de résiduel en sortie de réacteur dans le cas des UV.

Parallèlement, l’utilisation de ces deux paramètres dimensionnant dépend, pour chacun d’eux, de nombreux paramètres. It dépend de la qualité physico-chimique de l’eau, du spectre d’émission de la lampe, de l’abattement souhaité, de la concentration

Tableau 1 : Caractéristiques des lampes à mercure classiques

initiale en micro-organismes ainsi que de la sensibilité des micro-organismes.

Il dépend de la qualité physico-chimique de l'eau, de l'abattement souhaité, de la concentration initiale en micro-organismes ainsi que de la sensibilité des micro-organismes. Il dépend également de la température de l'eau et du pH, alors que l'inactivation aux UV est indépendante de ces deux paramètres.

Dose de réduction équivalente (DRE)

La dose s'exprime en Joule par mètre carré (J·m²). Elle correspond au produit de l'intensité I reçue (W·m⁻²) par le temps d'irradiation t (s).

La dose de réduction équivalente (DRE) représente la dose pour laquelle on observe le même niveau d'inactivation dans des conditions d'irradiation statiques maîtrisées, à 254 nm. Elle est appelée également dose biodosimétrique. De nombreux auteurs ont présenté le principe de calcul de la DRE dans le cas d'un réacteur [9 à 12].

La détermination expérimentale de la DRE s'effectue en deux étapes [13 à 15] :

1. Détermination d'une courbe dose-réponse pour un micro-organisme choisi pour sa résistance (appelé biodosimètre) à l'aide d'un banc d'irradiation statique (ou collimated beam) en utilisant une lampe monochromatique à 254 nm.
2. Biodosimétrie : injection de ce micro-organisme à l'entrée du réacteur et mesure des concentrations Entrée/Sortie. Détermination de la DRE à l'aide de la courbe tracée précédemment.

Si la dose de réduction équivalente est déterminée à l'aide d'un micro-organisme suffisamment résistant, elle permet d'assurer un abattement supérieur ou égal à celui obtenu lors de la biodosimétrie, pour tous les micro-organismes plus sensibles.

Pour prouver l'efficacité d'un réacteur, le protocole de validation doit donc assurer la DRE garantie par le constructeur (par exemple 400 J·m²) sur un biodosimètre adapté. La réglementation allemande préconise ainsi une biodosimétrie avec des spores de Bacillus subtilis suivie par des essais sur E. coli.

En France, la circulaire de 1987, toujours d'actualité, spécifie que la dose UV réglementaire pour la désinfection des eaux potables est de 250 J·m². Des pays comme l'Allemagne et l'Autriche ont élaboré des textes imposant une dose de réduction équivalente égale à 400 J·m² [DVGW W294 pour l'Allemagne et ÖNORM M 5873-1 pour l'Autriche].

Cette dose est celle maintenant admise dans la littérature et il est préconisé d'effectuer une biodosimétrie avec un micro-organisme suffisamment résistant pour valider la valeur de 400 J·m².

Sensibilité spectrale des micro-organismes

Il est actuellement admis deux effets aux UV : bactéricide et bactériostatique. L'effet bactéricide concerne un éclatement direct de la membrane cellulaire lié à l'irradiation. L'effet bactériostatique concerne la modification du capital génétique des micro-organismes irradiés. Il a été montré, en effet, que les UV créent des dimères de thymine dans la chaîne ADN, qui se traduisent par une dissociation des doubles liaisons insaturées. La cellule ne peut plus alors ni se reproduire, ni créer les protéines nécessaires à sa survie. Elle est donc inactivée et n'a plus de potentiel d'infectivité.

Les micro-organismes ont une sensibilité aux UV qui dépend fortement de la courbe d'absorption de leur matériel génétique. Néanmoins, l'ensemble des résultats obtenus jusqu'à présent confirme la similitude entre la courbe d'absorption de l'ADN (16) et la sensibilité spectrale pour les longueurs d'onde comprises entre 230 et 290 nm. D'autres molécules peuvent également absorber le rayonnement (certaines protéines ou enzymes...), à condition que ce rayonnement soit disponible pour la désinfection, parce que la majorité de ces molécules absorbent dans le domaine des faibles longueurs d'onde qui sont, elles-mêmes, fortement absorbées par l'eau.

Linden et al. (17) montrent que la sensibilité des Cryptosporidium entre 276 et 287 nm représente environ 80 % de celle observée entre 260 et 265 nm.

entre 250 et 261 nm (Figure 4) et que la sensibilité des virus et des spores de Bacillus subtilis est équivalente aux longueurs d’onde de 254 et 280 nm (Figure 5). Enfin, une irradiation à 280 nm montre une efficacité très proche de celle observée à 254 nm pour différents coliformes et un virus.

Lors de la désinfection à l'aide de lampes basse pression, il est simple d’extrapoler l’inactivation obtenue en statique à 254 nm, en dose de réduction équivalente obtenue sur un réacteur. En revanche, dans le cas des lampes moyenne pression, il est nécessaire de rapporter l'efficacité de chaque longueur d’onde à celle de la longueur d’onde 254 nm. Toutes ces figures tendent à montrer que l’irradiation à 254 nm par des lampes à mercure basse pression classiques est certes efficace mais peut être égalée par d'autres longueurs d’onde proches de 280 nm.

La réparation et photoréparation :

Certains micro-organismes (bactéries ou parasites) ont la capacité de se réparer après l'irradiation UV [1, 18 à 22]. Cette réparation se produit soit directement par un mécanisme biologique n’impliquant pas de facteur extérieur, et dans ce cas on parle de « dark repair », soit lors de l'irradiation par une lumière visible, il s’agit là de « photorepair ». Les deux mécanismes font intervenir des processus biologiques et notamment enzymatiques. Certains auteurs ont prouvé que cette réparation n’avait pas lieu après une irradiation par de lampes moyenne pression contrairement à ce qui avait été observé après une irradiation par de basse pression [20, 21]. D'autres ont montré que, malgré une réparation de l’ADN après irradiation par une lumière visible, il n’y avait pas de recouvrement d’infectivité pour les Cryptosporidium irradiés par une lampe basse pression [18, 19].

Ce phénomène laisse donc supposer que les dommages provoqués par les UV ne se limitent pas aux bases pyrimidiques, mais se situent également sur d’autres molécules. L’utilisation d’autres longueurs d’onde est donc un atout supplémentaire pour créer des réactions sur d'autres familles de molécules.

L’analyse d’infectivité :

À l’instar des désinfectants chimiques, l'irradiation UV ne tue pas les micro-organismes mais les inactive en supprimant leur capacité à se multiplier et à infecter l’hôte. Si la détermination de cette baisse d’infectivité est connue et facilement réalisée pour les virus et bactéries, celle des parasites comme les Cryptosporidium et Giardia a été beaucoup plus délicate à mettre en œuvre.

Lors de ces dernières années, des méthodes d’analyse d’infectivité sur culture cellulaire ont émergé en tant qu’alternative aux différentes techniques d’analyse in vivo et in vitro. Parmi les techniques d’évaluation de l’infectivité et de l’efficacité de désinfection pour les oocystes de Cryptosporidium parvum, une méthode de culture cellulaire a été développée ces dernières années pour s’approcher au maximum de l’environnement dans lequel le micro-organisme se situerait dans une situation in vivo [23, 24].

Plus récemment, Rochelle [25] a réalisé la première comparaison à grande échelle des méthodes de culture cellulaire et des tests souris pour la mesure d'infectivité de C. parvum. L’utilisation des méthodes de culture cellulaire s’est avérée généralement équivalente au modèle d’infectivité animale utilisant des souris standards CD-1 en termes de sensibilité.

La comparaison des méthodes de mesure d’infectivité par culture cellulaire (utilisant des anticorps fluorescents pour marquer les différentes étapes de l’infection par les C. parvum) et des méthodes d'infection animale, pour la mesure d’inactivation par irradiation UV, a été rapportée pour la première fois par divers chercheurs [26 à 31]. Ces études ont démontré des résultats comparables pour les deux types de méthode. En effet, pour une dose de 20 J.m², une diminution de 1,5 et 1,7 Log d’infectivité a été observée, la différence n’étant pas significative.

Expérimentation à l'aide du réacteur UVaster (procédé OTV - Veolia Eau)

OTV a développé, en 2002, un réacteur UV moyenne pression, pour lequel il a obtenu l'agrément du procédé.

Le réacteur UVaster

Pour les besoins de l’expérience, le réacteur UVaster a été installé en sortie d’un filtre CAG existant sur une usine d'eau potable. Il est équipé d'un système de dopage situé en amont de la pompe d’alimentation générale afin d’assurer une homogénéisation maximale avant l’entrée du prototype.

Le réacteur UVaster est équipé d'une lampe moyenne pression (polychromatique) UV-Technik, de puissance 5 kW et de 60 cm de longueur. La puissance de la lampe peut varier de 1 à 5 kW.

Afin d’éviter la formation de sous-produits, une gaine de quartz dopée pour couper les longueurs d’onde inférieures à 230 nm a été installée. Le diamètre de cette gaine est de 10 cm.

Un radiomètre est installé sur le réacteur afin de suivre l’intensité émise par la lampe en continu. Le radiomètre utilisé est de marque Gröbel UV-Elektronik.

Pour les besoins d’expérimentation sur l’efficacité vis-à-vis des Cryptosporidium et Giardia, un réacteur UVaster plus petit que le précédent est utilisé. Il est équipé d’une lampe moyenne pression de 2 kW (Silitro Scam) et d’une double gaine de quartz dopée pour éliminer les longueurs d’ondes inférieures à 230 nm afin de travailler dans les mêmes conditions que sur le prototype. Le diamètre interne de la chambre d’irradiation est de 163 mm et le diamètre de la gaine de quartz est de 140 mm.

Évaluation de l’efficacité germicide de la lampe

L’efficacité de la lampe est représentée par le rapport de l’intensité totale pondérée par rapport à la sensibilité spectrale des microorganismes et de l’intensité totale UV-C :

α = (∑ Iλ × Sλ) / (∑ Iλ)

L’efficacité peut être calculée pour les deux cas : avec et sans coupure liée à la gaine de quartz. On applique un facteur correctif R donné par :

R = αc / αsc = (∑ Icλ × Sλ) / (∑ Iscλ × Sλ)

Avec :

• Icλ : Intensité à la longueur d’onde, avec coupure ;
• Iscλ : Intensité à la longueur d’onde, sans coupure ;
• Sλ : Sensibilité spectrale des spores de Bacillus subtilis ;
• α : Efficacité germicide (avec ou sans coupure).

L’efficacité germicide est alors égale à R · α. Le calcul du rendement germicide de la lampe équipée d’une gaine de coupure a été effectué en se référant à la sensibilité spectrale des spores de Bacillus subtilis. Il est de 15 %.

Le réacteur UVaster dispose d’une procédure permettant de suivre l’évolution de la dose. Cette dose sera toujours supérieure ou égale à 400 J·m-2, afin d’assurer l’efficacité de la désinfection. Une procédure a été développée permettant de vérifier en continu que la dose UV reçue par l’eau à traiter est conforme à la dose photonique prévue. On peut ainsi vérifier à tout moment la dose UV dans le réacteur et s’assurer qu’elle est suffisante pour respecter les impératifs de désinfection.

Résultats

Le choix des paramètres microbiologiques a été établi à partir des éléments de la circulaire DGS/SD7A n° 633 du 30 décembre 2003 relative à l’application des articles R. 1321-1 et suivants du Code de la Santé Publique concernant les eaux destinées à la consommation humaine, à l’exclusion des eaux minérales naturelles.

Pour la première catégorie, les limites de qualité portent sur l’absence d’Escherichia coli et d’entérocoques dans 100 ml d’eau et des références de qualité microbiologiques sont également fixées. Outre les germes précités, il peut être nécessaire de rechercher d’autres micro-organismes (salmonelles, entérovirus, parasites…) en fonction de la vulnérabilité des ressources ou lors de la pollution accidentelle des eaux.

Pour la deuxième catégorie, à savoir les eaux rendues potables par traitements, des limites de qualité particulières sont fixées dans l’annexe 13-1-I et concernent les paramètres…

mètres E. coli, entérocoques, Pseudomonas aeruginosa, les germes revivifiables à 22 °C et 37 °C et les bactéries sulfito-réductrices. À ce titre, la plupart des micro-organismes cités (E. coli, virus, Entérocoques, spores de Clostridium, parasites) ont été étudiés.

Bactériophages MS2 (figure 7)

Avec une irradiation correspondant à une dose (DRE) de 400 J.m², l’abattement des bactériophages atteint une valeur de l’ordre de 3 Log. Cette valeur est en accord avec la valeur moyenne de 2,5 Log recensée dans la littérature (32).

Escherichia coli (figure 8)

Les résultats des dopages montrent que les E. coli sont inactivés à plus de 4,8 Log sous une dose de 400 J.m².

Les Entérocoques (figure 9)

Comme pour les E. coli, l’irradiation UV à une dose de 400 J.m² des Entérocoques conduit à un abattement supérieur à 4,2 Log.

Les spores de Clostridium

L’inactivation des spores de Clostridium peut atteindre une valeur supérieure à 3,4 Log pour une dose de 400 J.m².

Essais d’inactivation des Cryptosporidium parvum

Giardia lamblia (G. lamblia) et Cryptosporidium parvum (C. parvum) sont deux micro-organismes de la famille des protozoaires. Ils sont naturellement présents dans les eaux usées et les eaux de surface sous forme de kystes résistants dont la taille varie de 4 à 6 µm pour C. parvum et de 8 à 10 µm pour G. lamblia.

Les kystes se forment lorsque les conditions environnementales sont défavorables : baisse de température, pauvreté du milieu nutritif. La production d’une « coque » leur permet de résister à des conditions difficiles en attendant leur amélioration : ainsi les kystes peuvent survivre pendant plusieurs mois dans de l’eau à des températures inférieures à 10 °C. Lorsqu’ils se retrouvent dans un environnement propice (par exemple, dans l’estomac après ingestion par voie buccale d’eau ou d’aliments contaminés), les kystes sont débarrassés de leur coque par l’action des sels biliaires. Ils ont ainsi infecté l’organisme récepteur et recommencent un cycle de développement.

L'irradiation d'eaux contenant des parasites a été mise en œuvre sur un pilote UVaster (figure 11) constitué d'une lampe moyenne pression, monté au centre de recherche de Veolia Eau. L'objectif était de déterminer la dose (DRE) pour inactiver au moins 3 Log de Cryptosporidium (figure 12).

Les essais d’inactivation ont permis d’obtenir les résultats suivants : il apparaît qu'avec une dose de 400 J/m², on obtient un rendement d'inactivation de plus de 4 log.

Conclusion

Les essais précédents de traitement UV moyenne pression ont permis à OTV d’obtenir du Ministère de la Santé, en juin 2002, un agrément procédé pour cette application. C'est, à ce jour, le seul constructeur à disposer d'un tel agrément.

La première application fut l’installation du procédé UVaster en première étape de désinfection sur l’usine de Divonnes-les-Bains qui traite, en moyenne, 6 000 m³/j et qui permet d’irradier d’éventuels parasites. Un deuxième désinfectant est ensuite injecté en protection du réseau.

Ainsi, cette revue expérimentale de l'utilisation des UV dans le traitement des eaux potables a montré son efficacité vis-à-vis des micro-organismes présents dans les eaux. Une dose UV (DRE) de 400 J.m-² est suffisante pour obtenir un abattement conséquent des micro-organismes.

Cet abattement est à additionner à celui obtenu lors de la clarification (et éventuellement celui de l’étape d’affinage). L’émission monochromatique à 254 nm des lampes BP n'est pas la seule longueur d’onde efficace. Il a été démontré d’ailleurs que d'autres longueurs d'onde avaient même un pouvoir germicide plus grand. Ainsi, les longueurs d'onde comprises entre 263 et 271 nm ont un niveau de désinfection supérieur à celle de 254 nm pour Cryptosporidium.

Le traitement UV se justifie par rapport aux désinfectants chimiques en première étape de désinfection par les nombreux avantages qu'il présente :

• * Aucun ajout de réactif chimique ;
• * L’eau ne présente pas de problème de goût, ni d’odeur ;
• * Il n'est actuellement connu aucune résistance des micro-organismes contre les rayons UV ;
• * Les rayons UV ne sont pas corrosifs ;
• * Très efficace notamment contre les parasites tels que Cryptosporidium et Giardia et contre diverses bactéries comme, notamment, les légionelles.

D’autant plus qu’on sait que les désinfectants chimiques ne sont efficaces vis-à-vis des parasites qu’à de fortes concentrations difficilement envisageables en traitement d'eau potable en raison des conséquences liées aux problèmes de goût, aux réactions secondaires, etc.

La technologie UV (DRE 400 J.m-²) devient une alternative de choix et s'inscrirait dans le concept d'un traitement à multi barrière dans lequel sont associées d'une part une clarification optimale et une étape éventuelle d'affinage, et d'autre part l'addition d'un second oxydant destiné à la protection du réseau. Cette solution présente les avantages suivants :

• * Abattement des micro-organismes et notamment des parasites (Cryptosporidium et Giardia) ;
• * Pas de sous-produits de réaction ;
• * Pas de réactifs chimiques.

La désinfection secondaire (chlore ou dérivés) contribuera à la protection des réseaux de distribution. Dans ce cas, la demande en désinfectant devrait être plus faible que celle observée lors d'une désinfection classique effectuée en une seule étape.

diminution se traduira par une diminution de l’effet désinfectant de cette étape. Ils pourraient alors être contraints à compenser cette diminution par une augmentation des doses finales de désinfectant chlore ou dérivés.

La conséquence serait une évolution des concentrations en sous-produits. Une solution possible serait, dans ce cas, d’intégrer une première étape de traitement UV qui compenserait le déficit en ozone sans affecter la demande en désinfectant chimique secondaire.

Signalons également que les analyses effectuées sur les divers paramètres physico-chimiques (nitrates, nitrites, nitrosamines, ammonium, COD) ont montré qu'il n'y avait pas d'incidence des UV sur les caractéristiques physico-chimiques de l'eau à la dose de fonctionnement de 400 J·m², de même que l'application d'une dose supérieure, jusqu'à 1500 J·m², n'a pas provoqué la formation de nitrites.

Le dopage en pesticides a permis de vérifier qu'une dose de 400 J·m² n’agissait pas significativement sur l’atrazine et ses métabolites.

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