Dans le domaine de la stérilisation par rayons UV, en particulier dans les applications industrielles du traitement de l'eau, on constate une forte demande en sources d’émission UV-C puissantes et de grand rendement, c’est-à-dire à faible émission dans d'autres longueurs d’onde et à faible dissipation. Cette demande a conduit, ces dernières années, à diverses innovations.
C’est ainsi qu’est apparu un tube à basse pression de vapeur de mercure d’un genre nouveau qui, à la différence des tubes conventionnels, se distingue par une puissance et une densité unitaires spécifiques nettement plus élevées. Le taux de rendement, d’environ 30 %, valable dans un brûleur à basse pression de mercure pour la raie spectrale en résonance sur la longueur d’onde λ = 253,7 nm, a pu être en effet quasiment maintenu dans la fabrication des nouveaux émetteurs.
À l'heure actuelle la stérilisation de grands débits d’eau par rayons UV est en général réalisée avec des photoréacteurs immergés contenant un nombre important de brûleurs UV ; or, la possibilité de construire des appareils pour grands débits sur la base d'un seul brûleur de puissance offre toute une série d’avantages sur le plan technique. Lors de la conception de l'appareil UA-C 13, on a surtout cherché à utiliser au mieux ces avantages. Nous en donnons les caractéristiques et les conditions d'utilisation.
EMETTEUR
Le tube à vapeur de mercure à basse pression conventionnel fonctionne avec une décharge électrique de courant alternatif produite dans un tube de décharge cylindrique d’environ 1,5 à 3 cm de diamètre. Le courant de décharge est de quelques centaines de milliampères, la tension de l’arc d’environ 1 V/cm, la puissance absorbée par centimètre de longueur de décharge (donc de quelques centaines de milliwatts) et le rendement énergétique de la raie spectrale de résonance sur la longueur d’onde λ = 253,7 nm est d’environ 30 %.
Un brûleur typique caractérisé par un tube d’environ 80 cm de long débite une puissance de rayonnement de 12 à 15 W sur cette longueur d’onde. Les paramètres de fonctionnement (diamètre du tube de décharge, courant, pression de la vapeur de mercure et pression du gaz rare) sont choisis de telle manière que le degré d’efficacité soit optimal. Une sensible augmentation de la puissance, sans diminution du rendement, n’est donc pas possible. Dans ces nouveaux tubes on utilise le fait que, pour une densité de courant de dix à cent fois plus élevée, un autre optimum a pu être trouvé, dans lequel la raie de 253,7 nm irradie avec une densité de puissance sensiblement plus importante et avec un rendement à peu près semblable.
Les caractéristiques les plus notables de ces émetteurs sont : diamètre extérieur du tube de décharge 14 mm, courant de décharge 5 A, tension d’arc 0,95 V/cm, puissance de rayonnement en UV-C (λ = 253,7 nm) 1,35 W par centimètre de longueur de décharge. La puissance de radiation UV-C par unité de longueur de décharge est donc de dix à quinze fois plus grande que dans les émetteurs conventionnels à basse pression.
Les émetteurs sont alimentés par du courant continu et sont équipés d'une cathode à oxyde, à chauffage direct. De même que dans les émetteurs conventionnels à basse pression, on laisse du mercure en excès dans le brûleur et la pression de la vapeur de mercure est déterminée par la température de la partie la plus froide. Dans l’émetteur conventionnel la température de fonctionnement se règle d’elle-même sur une température optimale de 40 °C, où le rendement de la raie de 253,7 nm est maximal.
En service le tube de décharge de nos émetteurs devient beaucoup plus chaud : l’endroit le plus froid forme un réservoir de mercure pouvant être tempéré séparément ; dans le cas présent la température sera maintenue à 60 °C. Ceci est réalisé soit par refroidissement naturel avec une conception correspondante du boîtier, soit au moyen d’un thermostat avec régulateur.
APPAREIL
Pour l'utilisation des émetteurs à basse pression de mercure et de grande puissance dans le domaine de la stérilisation de l'eau, nous avons développé un appareil du type UA-C 13 (3) représenté sur les figures 1 et 2, dans lequel l'émetteur est monté perpendiculairement à la direction d’écoulement de l'eau dans une conduite d'eau rectiligne en acier inoxydable ; il est séparé de l'eau par un tube protecteur en quartz transparent aux UV, installé de façon étanche et résistant à la pression. Une fenêtre transparente aux rayonnements UV est montée dans la paroi de la chambre d’irradiation ; à travers cette fenêtre un photodétecteur sélectivement sensible au rayonnement UV germicide surveille l'intensité du rayonnement atteignant encore la paroi (figure 3). Il détecte donc non seulement l’émission UV de l’émetteur, mais encore les éventuelles baisses d’intensité dues à la pollution du tube protecteur en quartz ou à la diminution de transparence de l'eau aux UV. Le système de détection est muni d'un commutateur à valeur limite ajustable, ce qui permet à l'utilisateur de déclencher une alarme ou d'autres opérations, dès que l’intensité d’irradiation UV tombe en dessous d'une valeur déterminée. Le montage dans la chambre d'irradiation de plaques directrices d'écoulement, dont la géométrie a été optimisée par des essais en canal d’écoulement, de même que la disposition en amont d’une grille produisant de la turbulence, ont pour but d’intensifier le brassage de l'eau et d’assurer une radiation uniforme de tous les éléments du volume d'eau traversant l'appareil.
Dans les émetteurs à basse pression de mercure placés dans les unités de traitement d'eau, la température et par conséquent la puissance de l’émetteur peuvent varier de façon importante en fonction de la température de l’air ambiant ou de l'eau ; dans notre appareil ce problème a été résolu au moyen d'un système situé en circuit fermé réglé électroniquement, qui maintient la température du réservoir de mercure de l’émetteur à une valeur optimale de 60 °C et assure en même temps le refroidissement de l’émetteur. La figure 4 montre le domaine de réglage, à l'intérieur duquel la puissance d’irradiation de l’émetteur reste pratiquement indépendante de la température ambiante et de l'eau.
Un problème fondamental qui se pose lors du traitement de l'eau aux UV est la possibilité de l’apparition de couches de dépôts sur les tubes de quartz qui séparent l’émetteur de l'eau. Il est vrai que la diminution de l'irradiation qui s’ensuivrait peut être neutralisée par le système de surveillance photoélectrique décrit ci-dessus ; mais ces dépôts pourraient entraîner des frais d’entretien plus élevés, la chambre d’irradiation de l'appareil UA-C 13 étant en principe conçue pour une eau de bonne transparence. Il faut que, dans la plupart des applications (eau potable, eau de processus de bonne transparence ou ayant subi une purification préalable), le risque de formation de ces dépôts reste faible. Il est d’ailleurs diminué par la turbulence et la vitesse élevée de l'écoulement, qui vont de pair avec
TABLEAU I
Caractéristiques de l'appareil de stérilisation d’eau aux UV-C type UA-C 13
| Brides de raccordement : | C-10/250/273 |
|---|---|
| Diamètre interne du tube : | 250 mm |
| Longueur entre brides : | 400 mm |
| Pression d'essai : | 32 bar |
| Perte de pression pour un débit de 150 m³/h : | 0,01 bar |
| Tension et fréquence du réseau : | 220 V / 50 Hz |
| Puissance absorbée : | 800 W |
| Type d’émetteur : | XA 4-25 |
| Puissance de radiation UV de l’émetteur (λ = 253,7 nm) : | 165 W* |
* Valable pour un émetteur neuf. Cette puissance de radiation diminue graduellement lorsque la durée de fonctionnement augmente (c'est le cas de toutes les lampes à décharge). La diminution d'intensité est contrôlée par le photodétecteur de l’appareil UA-C 13 et a été prise en considération lors de la conception de l’installation.
[Figure : fig. 5 — Courbes de destruction des germes (saprophytes), selon (3). Taux de survivance N/N₀ en fonction de la durée d’irradiation relative P pour différentes valeurs de transmission des UV dans l'eau. N = concentration de germes après irradiation, N₀ = concentration de germes avant irradiation, Q = débit d'eau. Courbe : Transmission à travers une couche de 5 cm — Turbidité correspondante : Inférieure 87 % (–) ; Moyenne 39 % (2 ppm SiO₂) ; Supérieure 35 % (5 ppm SiO₂). (1) Domaine de dispersion des mesures.] [Figure : fig. 6 — Courbes de destruction des germes coliformes, selon (3). Voir explication figure 5. Courbe : Transmission à travers une couche de 5 cm — Turbidité correspondante : Inférieure 87 % (–) ; Deuxième 84 % (0,9 ppm SiO₂) ; Troisième 39 % (5,2 ppm SiO₂) ; Supérieure 35 % (1,5 ppm SiO₂). (1) Écart de dispersion des mesures. (2) Valeurs estimées, car le filtre est fortement surchargé et donc inadéquat à la numération des germes selon la méthode du filtre à membrane.]la forte densité des radiations UV de l'appareil. En fait, et par une disposition adéquate de l'appareil, il est facile de procéder à un échange du tube de quartz pour le nettoyer et jusqu’à présent ce système a donné de bons résultats. Le tableau 1 en donne les caractéristiques les plus importantes.
ESSAIS DE DÉCONTAMINATION
L'appareil a été soumis à des tests à l'Institut fédéral de Dübendorf pour l'aménagement, l'épuration et la protection des eaux (IFAEP), tests effectués sur un émetteur sortant de fabrique avec des débits d’eau allant de 30 à 200 m³/h, comportant une turbidité et une transmission UV définies. L'eau utilisée pour ces essais, en provenance d’une nappe phréatique, a été mélangée à des eaux ménagères ; l'addition d’extraits de café a rendu possible le dosage de différentes valeurs de la turbidité. Les résultats de ces essais décrits par Mechsner et Kuse (3) sont représentés dans les figures 5 et 6.
On constate que la décroissance exponentielle du taux de survivance des germes mesurée en fonction de la valeur inverse du débit d'eau (ceci pour un fonctionnement correct proportionnel à la dose UV) montre l'excellent fonctionnement de l'appareil pour toutes les vitesses d’écoulement et permet de déterminer de façon sûre les limites de performance de l'appareil dans son secteur d'utilisation. On peut notamment remarquer qu’en traitant de l'eau présentant 84 % de transmission UV (mesurée à travers des couches de 5 cm), un pourcentage de destruction de 99,9 % des germes coliformes a été atteint sous un débit de 40 m³/h.
CONCLUSION
Avec cet émetteur à courant fort et basse pression de mercure, on
dispose ainsi d’une source de rayonnement UV-C presque froide, monochromatique et très intense.
L’utilisation d’un seul et unique émetteur dans un appareil de stérilisation d’eau UV-C sous des débits élevés, qui exigeaient jusqu’à présent un dispositif à lampes multiples, permet de réduire les dimensions du dispositif (figure 7) avec une bonne résistance à la pression (tableau 1). La solution adoptée est avantageuse pour résoudre le problème de la surveillance UV, pour tempérer l’émetteur tout en gardant à son optimum la puissance de radiation et pour maintenir en bon état le tube de protection de l’émetteur. Selon les conditions d’emploi l’appareil UA-C 13 peut être utilisé avec des débits compris entre 20 m³/h et 200 m³/h. Cependant, et par un montage en parallèle et/ou en série de plusieurs appareils UA-C 13, il est possible de traiter des débits plus élevés, suivant la demande.
Il est également essentiel de déterminer si l’eau doit être traitée en un seul passage ou en circuit fermé. Il faut noter, en tout état de cause, que l’énergie de radiation UV nécessaire par mètre cube d’eau à traiter, c’est-à-dire la capacité de débit en eau de l’appareil, dépend d’une manière générale :
- - de la transparence de l’eau à la radiation germicide (longueur d’onde de 253,7 nm) ;
- - de la concentration des germes dans l’eau et de la réduction du nombre de germes à obtenir ;
- - du genre de micro-organismes à détruire, c’est-à-dire de leur sensibilité au rayonnement UV.
BIBLIOGRAPHIE
(1) W. STERN, G. SCHAAL. – Beiträge aus der Plasmaphysik, 13, 1973. (2) G. BRANDL – Revue Brown Boveri, 62, 1975. (3) K. MECHSNER et D. KUSE. – Revue Brown Boveri, 67, 1980.
