Performances et validation du réacteur UVaster® pour la désinfection des eaux destinées à la consommation humaine

Tous les auteurs s’accordent à dire que l’action des UV sur les micro-organismes s’observe principalement sur leur matériel génétique (Bolton 2001 ; Cabaj, Sommer et al. 2002). En effet, les UV, dont la gamme de longueurs d’onde s’étend de 200 à 400 nm, sont germicides entre 200 et 290 nm (gamme des UV-C), du fait du spectre d’absorption de l’ADN (figure 1) qui présente un maximum à 262 nm. Les lampes à vapeur de mercure émettent principalement dans cette gamme et notamment les lampes basse pression qui présentent un spectre UV quasi monochromatique à 254 nm (figure 2). Malheureusement, malgré un rendement Puissance UV-C / Puissance électrique consommée, en général de l’ordre de 25 à 35 %, la puissance des lampes basse pression est encore limitée à quelques centaines de watts. En revanche, celle des moyenne pression, un autre type de lampe qui émet un spectre polychromatique, peut atteindre plusieurs dizaines de kilowatts, avec en contrepartie, un rendement plus faible, de l’ordre de 10 à 15 %. Cependant, cette technologie présente des avantages certains lors du traitement de gros débits, en limitant le nombre de lampes nécessaires pour atteindre la puissance désirée. L’utilisation de lampes basse pression nécessiterait un trop grand nombre d’unités pour remplir les besoins en termes de puissance, impli-

Par conséquent, la technologie utilisée sera fortement dépendante des conditions rencontrées sur l’usine. Néanmoins, quelle que soit la technologie de lampe utilisée, l’efficacité de la désinfection sera toujours fonction de la dose délivrée lors du passage dans le réacteur. Cette dose est régie par plusieurs paramètres comme l’hydraulique du réacteur, la puissance UV émise par la ou les lampes, et la qualité de l’eau (notamment son absorption UV). Pour assurer une désinfection optimale, ces paramètres doivent impérativement être contrôlés. Plusieurs étapes sont indispensables lors du développement et le dimensionnement des réacteurs UV afin d’assurer une hydraulique optimale et de maîtriser les variations de dose UV lors des modifications de la qualité de l’eau ou d’émission de la lampe. Le développement du réacteur UVaster® a été effectué dans ce sens. Des phases de calcul, d’essais pilote et d’essais industriels se sont succédées pour aboutir à une technologie remplissant pleinement les impératifs de désinfection pour l’eau potable.

Dose et efficacité germicide

La notion de dose se rapproche de celle du Ct (Concentration de désinfectant × temps d’exposition) lors de la désinfection par un oxydant chimique. En effet, la dose est le produit d’un temps d’exposition par une intensité (que l’on peut comparer à la concentration). Les valeurs de ces deux paramètres dépendent à la fois des caractéristiques physico-chimiques de l’eau et de celles du réacteur.

Dans des conditions d’irradiation maîtrisées, notamment dans le cas d’un mélange parfait, la dose peut être exprimée comme étant le produit du temps d’irradiation (en secondes) par l’intensité moyenne (en W·m-2). Celle-ci se calcule alors en fonction de l’absorption de l’eau à 254 nm (longueur d’onde principale des lampes basse pression) et de la hauteur de la lame d’eau irradiée. Dans ces conditions d’irradiation maîtrisées, de nombreux auteurs ont déterminé des courbes dose–abattement pour un grand nombre de microorganismes. Aujourd’hui, la littérature fournit beaucoup de valeurs de doses nécessaires pour inactiver différents microorganismes. Certaines de ces valeurs sont regroupées dans le tableau 1.

Il apparaît clairement qu’une dose de 400 J·m-2 est suffisante pour l’inactivation d’une majorité de microorganismes à hauteur de 3 à 4 Unités Log, avec toutefois une exception concernant les Adénovirus. En outre, un abattement de 3 Unités Log de Cryptosporidium et Giardia est observé pour des doses similaires à celles nécessaires à l’inactivation des bactéries, ce qui place la technologie UV nettement devant les autres pour leur élimination (Clancy 2000a ; Clancy 2000b ; Craik, Finch et al. 2000 ; Mofidi, Baribeau et al. 2001), comme le montre le tableau 2 qui compare l’efficacité des oxydants chimiques vis-à-vis des parasites et des E. coli.

De plus, outre l’efficacité germicide avérée, l’utilisation des UV pour la désinfection limite le risque de formation de sous-produits. En effet, d’après la littérature (Lemoine, Gatel et al. 2001) et pour les lampes moyenne pression, il n’y a pas d’effet notable sur la matière organique (création de CODB) ou encore sur les pesticides (apparition de métabolites d’oxydation).

Tableau 1 : Exemples de valeurs de dose pour l’inactivation de plusieurs microorganismes

(Doses nécessaires [J·m-2] à l’inactivation des microorganismes à hauteur de 1 Log, 2 Log, 3 Log, 4 Log)

Références : Bolton 2001 ; Cotton, Linden et al. 2001.

Tableau 2 : Comparaison de la sensibilité à divers oxydants des Cryptosporidium, Giardia et E. coli

(Ct estimés pour l’inactivation – mg·min·L-1)

Pour des doses inférieures à 2000 J·m⁻², d’autres réactions peuvent aussi se présenter en présence de nitrates, avec l'apparition de nitrites. Cependant, l'utilisation d'une gaine de quartz dopée permet d’éliminer les longueurs d'onde fortement énergétiques et responsables de ces réactions et ainsi limiter la formation d’éventuels sous-produits.

La détermination de la dose appliquée lors du passage dans un réacteur est donc primordiale pour assurer l'efficacité de désinfection et éviter une éventuelle apparition de sous-produits. Cependant, celle-ci est plus délicate à estimer dans le cas d’un fonctionnement en dynamique que dans celui d'une irradiation dans un cas idéal, comme présenté précédemment.

La difficulté est liée principalement à l’hydraulique, qui est le paramètre clé pour l'évaluation du temps de séjour, et l’intensité qui évolue en fonction de la distance par rapport à la lampe. Par exemple, deux particules dont les trajets à l’intérieur de la chambre d'irradiation sont différents (figure 3) ne recevront pas la même dose. D’une part, l’intensité moyenne reçue pour la particule verte sera supérieure à celle de la rouge, d’autre part le temps de résidence des deux particules sera éventuellement différent.

Ces deux paramètres entraînent la création d’une distribution de dose en sortie du réacteur (figure 4).

L’optimisation de cette distribution permet d’éviter qu'une fraction du volume traité ne reçoive une dose trop faible pour inactiver les germes cibles. Pour cela, la détermination de l'hydraulique et du champ d'irradiation est obtenue par calcul informatique.

(CFD, Computational Fluid Dynamic), qui consiste à déterminer les champs de vitesse au sein du réacteur et à les coupler aux valeurs de l'intensité calculées dans toutes les zones de la chambre d’irradiation. Le calcul d’un abattement théorique est alors possible pour chaque point de la distribution de dose en utilisant la courbe dose – abattement d'un microorganisme de référence. Le résultat obtenu permet alors d’en déduire une dose de réduction équivalente calculée (DRE) qui correspond à la dose que l’on devrait appliquer à 254 nm, dans des conditions maîtrisées, pour atteindre cet abattement (Wright 2001) [encadré 1]. Compte tenu de la sensibilité des différents microorganismes pathogènes, la DRE qui fait l'unanimité auprès de la majorité des spécialistes est égale à 400 J·m⁻², calculée et déterminée expérimentalement pour des spores de Bacillus subtilis ou des bactériophages MS2.

Le réacteur UVaster®

Veolia Water dispose de tous les outils nécessaires au dimensionnement et à la réalisation de réacteurs UV qui satisfont les exigences de qualité de la désinfection en eau potable (soit l'application d’une DRE de 400 J·m⁻²). De plus, forte de l'expérience acquise dans l'application des UV en désinfection des eaux résiduaires urbaines sur les stations de traitement des villes de Auch (2000 m³/j) et de Barcelonnette (9000 m³/j) avec le réacteur UVaster® (Photo 1), OTV a pu transférer cette technologie pour la désinfection de l'eau potable. L’UVaster® est un réacteur annulaire, pouvant être équipé d'une ou plusieurs lampes basse ou moyenne pression, disposées dans le sens du flux. La qualité du traitement est suivie par mesure radiométrique, qui enregistre l'intensité de la lampe en continu.

Dans le principe, le transfert de la technologie du domaine des eaux résiduaires à celui des eaux potables est facilement envisageable. Toutefois, étant donné la différence de qualité d'eau et d’exigence en termes de désinfection, l’optimisation du réacteur a été nécessaire, ce qui a entraîné plusieurs modifications. Le développement d’une technologie destinée à l'eau potable a été réalisé en deux phases menées parallèlement : une phase d’essais pilote et une phase d’étude par calcul (CFD). Les essais pilote ont permis de mettre en évidence le potentiel de désinfection de l'UVaster® dans le cadre de l'eau potable, tandis que le calcul CFD a permis d’optimiser le réacteur en vue de le rendre aussi performant qu’économique lors de l'exploitation.

Les essais pilote

Les essais de désinfection pilote ont été réalisés sur les indicateurs de contamination fécale : E. coli, Entérocoques, spores de Clostridium sulfato-réducteurs, Bactériophage MS2, ainsi que sur les oocystes de Cryptosporidium parvum. Toutes les analyses ont été confiées au laboratoire d’Anjou Recherche, agréé par le ministère de la santé. Les E. coli et Entérocoques ont été énumérés par une méthode NPP (microplaques Diagnostique Pasteur). L’analyse des bactériophages a été réalisée par une méthode de culture (ISO 10705-1) ainsi que celle des spores de Clostridium (ISO 6461-2). Le dénombrement des Cryptosporidium infectieux a été effectué par culture cellulaire et fluorescence (Delabre, Zanelli et al. 2000).

Les essais de désinfection ont été menés sur de l'eau de la Seine prétraitée (coagulation, floculation, décantation, filtration sur sable), présentant une transmission UV à 254 nm de 89 à 93 %. Le pilote a une capacité de traitement de 30 m³/h, il est équipé d'une lampe moyenne pression de 2,3 kW, d'une gaine de quartz de 140 mm de diamètre externe et d'une chambre d'irradiation de 200 mm de diamètre. L’hydraulique du pilote a été considérée comme flux piston (confirmé par CFD). La dose UV délivrée a été calculée en utilisant la méthode MPSS (Multi Point Source Summation), recommandée par l'US EPA et reconnue par la majorité des auteurs (Cabaj, Sommer et al. 1996 ; Bolton 2000 ; Wright 2001). Cette méthode consiste à considérer que la lampe est un ensemble de points source présentant une émission sphérique.

Tableau 3 : Inactivation des Cryptosporidium parvum en fonction de la dose dans le réacteur UVaster®

L’intensité reçue en chaque point du réacteur est alors la somme des intensités émises par chaque point source constituant la lampe [encadré 2]. Après avoir déterminé la distribution de dose, la dose de réduction équivalente a pu être calculée pour les bactériophages MS2. Le calcul a été réalisé en se référant à la courbe dose-abattement des MS2, déterminée dans des conditions d’irradiation maîtrisées à 254 nm (figure 5). Les résultats de désinfection obtenus pour différents microorganismes, en fonction de la dose appliquée, sont représentés sur les figures 6 à 8 et dans le tableau 3.

Il apparaît clairement qu’une DRE de 400 J·m² est suffisante pour l’inactivation des indicateurs de contamination fécale et pour les Cryptosporidium à hauteur de 2 Log minimum (pour les spores). Ces résultats ont permis de valider le fait que le réacteur UVaster® était susceptible de remplir toutes les conditions de qualité concernant la désinfection de l’eau destinée à la consommation humaine, sous réserve d’assurer la dose en continu lors du traitement.

Calcul CFD

L’étape d’optimisation a permis de faire en sorte que le réacteur soit adapté au traitement de désinfection tant sur le plan de l’efficacité que sur le plan économique. En effet, le calcul informatique (CFD) a permis d’optimiser la distribution de dose (figure 9) et ce, pour des conditions de fonctionnement optimales sur le plan énergétique (consommation électrique par rapport au débit traité). Des exemples de résultats de ces calculs sont représentés sur la figure 10.

Validation du réacteur

Afin de valider à la fois les résultats pilotes et ceux du calcul, des tests sur un prototype industriel ont été mis en œuvre sur une usine de Générale des Eaux à Annet-sur-Marne. Le réacteur a une capacité de 300 m³/h ; il est équipé d’une lampe moyenne pression dont la puissance peut être fixée entre 2 et 5 kW, d’une gaine de coupure éliminant les longueurs d’onde inférieures à 230 nm (afin d’éviter la formation de nitrites par photolyse des nitrates) et d’un radiomètre permettant de suivre l’évolution de l’intensité au sein de la chambre d’irradiation. Ce prototype a été connecté en sortie de filtre de charbon actif en grains, des piquages en amont de la pompe d’alimentation du réacteur permettant le dopage en différents micro-organismes (photos 2 et 3).

Le réacteur est équipé à la fois d’un système de nettoyage mécanique (qui consiste en un racleur actionné à une fréquence prédéfinie) et d’un nettoyage chimique qui peut également être actionné à différentes fréquences, mais qui nécessite l’arrêt de l’installation.

Lors de la désinfection UV, les paramètres de contrôle de la dose sont l’intensité lue par le radiomètre et le débit traité. Or, compte tenu de la position du radiomètre contre la paroi du réacteur (figure 3), l’intensité mesurée dépend à la fois de la qualité de l’eau et de la puissance de la lampe. Par conséquent, la dose globale reçue doit être ajustée en continu.

La première étape a été la détermination d'une corrélation entre la transmission UV à 254 nm (qui exprime la qualité d'eau), la puissance de la lampe et la lecture du radiomètre. Pour cela, l'eau d'alimentation a été dopée en café soluble afin de diminuer la transmission UV, les résultats sont présentés sur la figure 11.

Ces résultats ont permis de déterminer les valeurs d'intensité qui correspondent aux différentes conditions de fonctionnement : qualité exprimée par la transmission à 254 nm et puissance de la lampe. Or, comme le montre la figure 11, une valeur d'intensité peut correspondre à plusieurs couples Transmission UV - Puissance. Pour vérifier que cette lecture d'intensité suffit à assurer une DRE supérieure à 400 J.m², quelles que soient les conditions, plusieurs essais ont été réalisés pour différentes conditions de transmission et de puissance mais à des valeurs d'intensités constantes.

Les calculs réalisés par CFD ont permis de fixer les valeurs de débit nécessaires pour atteindre une DRE de 400 J.m², à différentes valeurs de transmissions UV et pour une puissance de lampe maximale (5 kW). Afin de valider les calculs, des essais de dopage (appelés essais biodosimétriques, souvent utilisés pour la validation des réacteurs UV (Sommer et Cabaj 1993 ; Blatchley et Hunt 1994 ; Cabaj et Sommer 1995 ; Petri et Olson 2002)) ont été réalisés en utilisant des spores de Bacillus subtilis. Tous les points expérimentaux ont été réalisés en triplicat. La méthode d'analyse des spores consistait en une inclusion de 1 mL d'échantillon dans un milieu PCA et une incubation à 37 °C pendant 48 h, puis comptage. La DRE a été obtenue grâce à l'abattement observé entre l'entrée et la sortie, reporté sur une courbe dose - abattement établie précédemment à 254 nm (courbe similaire à celle présentée sur la figure 5).

Plusieurs couples transmission - débit ont donc été testés. Il est apparu que toutes les valeurs de DRE obtenues étaient comprises entre 425 et 467 J.m². Connaissant les corrélations intensité - transmission UV (figure 11), les couples transmission - débit ont pu être transformés en couples intensité - débit, les deux paramètres à maîtriser pour assurer l'efficacité de désinfection (figure 12).

Pour vérifier qu'à un couple intensité - débit donné, la dose était toujours supérieure ou égale à 400 J.m², quelles que soient les valeurs de puissance et de transmission UV, une nouvelle série de manipulations a été effectuée. La puissance de la lampe a été diminuée à 4 kW et la transmission UV a été fixée afin d'atteindre la valeur d'intensité ciblée et correspondant au débit de fonctionnement qui assure 400 J.m² dans le cas d'une puissance de lampe maximale. Sur les trois points testés, tous ont présenté une DRE supérieure à 426 J.m², démontrant que le suivi de l'intensité, associé au contrôle du débit, permettait d'assurer la dose minimale de 400 J.m².

Les couples intensité - débit ainsi déterminés représentent les valeurs limites au-delà desquelles la dose minimale n'est pas assurée. Grâce à ces valeurs, l'exploitation du réacteur est donc simplifiée et peut être automatisée. Une diminution d'intensité est

immédiatement accompagnée soit d'une diminution du débit, soit (plus généralement) d'une augmentation de la puissance de la lampe. Le contrôle de la transmission UV en parallèle, permet de mettre en évidence la fréquence d’encrassement de la gaine (en se référant à la figure 11) et donc d'actionner automatiquement soit un nettoyage mécanique, soit un nettoyage chimique. Cette validation est donc primordiale pour l’exploitant, en fournissant les outils de contrôle nécessaires à la qualité du traitement.

Conclusion

Le développement et l'optimisation du réacteur UVaster™ pour l'utilisation en traitement de l’eau potable réalisés par calculs CFD ont pu être validés par l’expérience.

Des essais de désinfection sur pilote ont confirmé l’efficacité de la technologie pour l’inactivation de différents microorganismes dont les oocystes de Cryptosporidium.

Finalement, les essais sur site ont abouti à la définition d'une procédure de contrôle de la dose lors de la désinfection, qui permet d’assurer à tout moment que la désinfection sera optimale durant toute la durée de fonctionnement de l'installation.

Les paramètres de contrôle que sont le débit et l'intensité lue par le radiomètre sont enregistrés et modifiés en fonction de l’évolution des conditions de traitement (encrassement de la gaine, vieillissement de la lampe, diminution de la qualité d’eau...).

Grâce à cette validation, l'utilisation du réacteur UVaster™ peut être considérée comme sûre pour atteindre les impératifs de désinfection tout en présentant un faible risque de formation de sous-produits.

Références bibliographiques

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