Des résultats expérimentaux ont permis de montrer que ces émetteurs présentaient une intensité de rayonnement ultraviolet trois à quatre fois supérieure à celle des émetteurs conventionnels, se maintenant pratiquement constante indépendamment de la température de l'eau à traiter.
Lors de la désinfection d'eau par rayonnement UV, l'eau à traiter circule autour d'une source de rayonnement placée à l'intérieur d'une enceinte de traitement. Le dimensionnement d'un tel système dépend principalement des contraintes hydrauliques requises ainsi que de certains paramètres spécifiques à cette technologie.
Nous examinerons comment des perfectionnements viennent d'être obtenus en fonction des facteurs suivants et des objectifs à atteindre :
- - Fiabilité. La principale contrainte à considérer est de garantir en permanence un traitement répondant aux critères de potabilité.
- - Sélectivité. Outre l'action désinfectante du rayonnement, il ne doit pas se produire de réactions secondaires avec les éléments contenus dans l'eau. L'utilisation de lampes à basse pression de mercure, émettant une lumière monochromatique à 253,7 nm de longueur d'onde, évite la formation de composés chimiques indésirables. Les propriétés physico-chimiques de l'eau restent inchangées.
- - Économie. Des économies importantes peuvent être réalisées au niveau de l'investissement ainsi que des coûts d'exploitation, par la conception d'unités de désinfection compactes, très efficaces et dont les durées d'activité des sources d'émission UV sont plus longues.
Objectifs des recherches
Les objectifs ont porté sur l'augmentation de la puissance des lampes, la stabilisation et la sélectivité de l'émission UV.
Augmentation de la puissance UV
L'augmentation de la puissance du rayonnement des lampes permet de réduire leur nombre tout en atteignant la dose de rayonnement optimale. Outre son aspect économique, cette diminution présente des avantages hydrodynamiques très importants puisqu'elle permet d'obtenir des vitesses de passage plus élevées à l'intérieur des enceintes de traitement.
Scheible et al. (1) ont démontré en particulier que les vitesses de passage à l'intérieur des enceintes de traitement devaient être importantes afin de réduire, voire négliger les coefficients de dispersion (paramètres hydrauliques de l'enceinte de traitement).
Stabilisation de l'émission
Le spectre d'émission d'une lampe à décharge de mercure dépend d'une manière caractéristique de sa température de fonctionnement.
[Photo : Évolution de l'émission UV à 253,7 nm d'une lampe à basse pression de mercure, en fonction de la température.]
La figure 1 montre ainsi que l'émission UV est maximale lorsque la température de l'eau à traiter se situe aux environs de 26 °C, tout écart par rapport à cette valeur entraînant des variations très importantes de l'émission.
L'un des principaux objectifs des recherches a donc été de rendre l'émission UV indépendante de la température de l'eau à traiter.
Sélectivité de l'émission
[Photo : Spectre d'émission caractéristique des lampes à basse pression de mercure.]
Les figures 2 et 3 mettent en évidence les spectres des lampes à haute et basse pression de mercure. On y constate que seule une faible partie du rayonnement de la lampe se situe dans le secteur où l'inactivation des micro-organismes se produit, c'est-à-dire dans la zone proche de 254 nm ; par contre le spectre de la lampe à basse pression présente une émission presque totale à 254 nm.
(1) Scheible, O. K. et al. : « Ultraviolet disinfection of waste waters from secondary effluent », United States Environmental Protection Agency, Cincinnati, Ohio 45268, p. 174.
[Photo : Fig. 1 : Spectre d’émission caractéristique des lampes à haute pression de mercure.]
Les objectifs précités peuvent donc être atteints en augmentant à la fois la puissance du rayonnement et la durée de vie des lampes.
Description d'une lampe UV
Une lampe à basse pression de mercure est constituée par un tube rempli de gaz inerte (en général de l’argon) contenant une faible quantité de mercure. Ce tube est raccordé à deux électrodes reliées à un circuit électrique. Après allumage, il se produit à l’intérieur du tube une décharge de gaz ; l’interaction entre les électrons, les atomes de mercure et les photons provoque une ionisation, d’où émission et absorption par résonance du rayonnement.
Résultats du développement
Le principal critère pris en considération pour répondre aux objectifs a été de diminuer la diffusion du rayonnement dans le plasma.
Lampe à haute puissance « Flat Lamp »
Une augmentation considérable de la puissance d’émission de la lampe à basse pression de mercure a été obtenue en remplaçant la géométrie conventionnelle cylindrique des lampes par une section elliptique aplatie.
L’augmentation du rapport surface-volume qui en résulte permet à la fois d’augmenter le champ du rayonnement à 253,7 nm et d’améliorer le refroidissement de la lampe.
La géométrie de cette lampe permet en outre d’obtenir une répartition particulière du rayonnement ; on voit sur la figure 4 que l’intensité du rayonnement est trois fois plus élevée sur l’axe principal que sur l’axe perpendiculaire.
À la température d’eau de 20 °C, la Flat Lamp placée à l’intérieur d’une enveloppe en quartz permet d’atteindre une puissance d’émission de l’ordre de 0,6 à 0,7 W UV par cm de longueur d’arc, soit une puissance trois à quatre fois plus élevée que celle des lampes conventionnelles (figure 5).
[Photo : Fig. 4 : Section droite et répartition du rayonnement UV de la lampe « Flat Lamp ».]
[Photo : Fig. 5 : Comparaison de la puissance d’émission de plusieurs types de lampes à basse pression de mercure.]
Lampe « Spectrotherm »
Lorsque la température de l’eau dépasse le point caractéristique d’émission UV maximale (situé entre 20 °C et 30 °C ; figure 1), l’émission décroît, pour tomber entre 50 et 60 °C à 50 % de l’émission maximale.
[Photo : Fig. 6 : Évolution de l’émission UV de la lampe Spectrotherm en fonction de la température.]
Le modèle de lampe « Spectrotherm », de forme identique à la Flat Lamp, a été étudié afin de pouvoir être adapté à la désinfection d’eau chaude. L’augmentation de la pression interne et la sélection de matériaux choisis pour ne pas influencer le procédé physique ont permis d’atteindre des puissances de rayonnement maximales à haute température (entre 60 et 70 °C ; figure 6).
La lampe à basse pression de mercure a pu ainsi être adaptée à la désinfection d’eau chaude, en particulier pour détruire certains micro-organismes résistants tels que Legionella pneumophila.
La lampe Spectrotherm peut également être utilisée dans le cas où l’eau à désinfecter subit des variations de température. Plusieurs dizaines de réacteurs équipés de telles lampes fonctionnent avec succès à bord de voitures de chemin de fer, dans les wagons-restaurants en particulier.
Conclusion
Les puissances d’émission UV des lampes Flat Lamp et Spectrotherm sont très supérieures à celles des lampes conventionnelles à basse pression de mercure et à section cylindrique.
Cet avantage permet de réduire les dimensions des réacteurs en augmentant les débits d’eau à traiter, tout en conservant des conditions hydrauliques favorables.
Simultanément, la durée des lampes a été augmentée : des valeurs comprises entre 8 000 et 15 000 heures ont ainsi été observées, ce qui a permis de réduire les coûts de fonctionnement de l’ordre de 50 % (figure 7).
[Photo : Fig. 7 : Comparaison des coûts de fonctionnement de plusieurs types de lampes à basse pression.]
Les avantages des Flat Lamp et Spectrotherm Lamp, tels qu’ils ont été décrits ci-dessus, en font des instruments particulièrement précieux dans le domaine de la désinfection des eaux.
