Les effets germicides de la radiation solaire ont été décrits dès le XIX? siècle. Depuis cette époque de nombreux travaux ont été présentés, précisant les longueurs d’ondes concernées, leurs effets dans l’air et dans l’eau ainsi que les doses à appliquer. Il est reconnu que ce sont les U.V.C.(1) qui présentent un effet germicide avec un maximum aux alentours de 260 nm. Le rayonnement atteignant un micro-organisme provoque sa mort ou l’arrêt de ses fonctions de reproduction par modification de sa structure moléculaire interne. Les bactéries, les levures, les moisissures et les virus peuvent ainsi être détruits sans aucun produit chimique.
PRINCIPE D’UN STÉRILISATEUR U.V.
La figure 1 représente le schéma d’un appareil type H.D. L’eau à stériliser passe à travers une chambre d’irradiation (A) en acier inoxydable 316, fermée à chaque extrémité par deux capuchons (B), et au centre de laquelle se trouve une lampe à vapeur de mercure haute pression.
Celle-ci est placée dans une gaine de quartz (E), perméable aux U.V. et ayant pour rôle de faciliter considérablement les changements de lampes. En effet il suffit d’enlever les deux capuchons (B) et de tirer la lampe par l’une de ses extrémités. Le stérilisateur n’a ainsi pas besoin d’être vidangé ni démonté. Cette opération ne dure que quelques dizaines de minutes. Un dispositif de nettoyage (G) de type « racleur » permet d’éliminer les éventuels dépôts qui pourraient se trouver sur la gaine de quartz et ainsi masquer le rayonnement. Le parfait état de propreté de cette gaine est fondamental pour le traitement U.V.; or, plus cette opération de nettoyage est simplifiée, plus elle pourra être effectuée fréquemment, et cela en tirant simplement sur la poignée (H) ce qui ne demande que quelques instants, l’appareil restant en fonction. D’autre part, une automatisation par vérin électrique à déclenchement temporisé peut être facilement adaptée.
Une sonde de température et un détecteur de présence d’eau (I) permettent de prévenir tout échauffement intempestif. Comme nous le verrons plus loin, une lampe à vapeur de mercure haute pression émet une forte puissance U.V., mais dégage également une certaine chaleur ; son refroidissement doit être assuré par la circulation d’eau. Si celle-ci devenait nulle ou si l’appareil se vidait accidentellement, l’alimentation électrique de la lampe serait automatiquement coupée par ce dispositif et une alarme serait déclenchée.
Une cellule photo-électrique avec amplificateur incorporé (J) mesure en permanence la puissance U.V. et transmet ces informations à un moniteur qui déclenchera une alarme en cas de rayonnement insuffisant. Le hublot en quartz (U) se trouve nettoyé par le racleur (G) en même temps que la gaine (E).
DOSE U.V.
Elle est exprimée en milliwatts-seconde/centimètre carré (mW s/cm²) ou en milli-joules/centimètre carré (mJ/cm²) ; elle est calculée avec la formule suivante :
\[ D = P \times t \times T^{d} / S \]
D : dose U.V. (mW s/cm²) P : puissance U.V. émise (mW) S : surface interne de la chambre d’irradiation (cm²) t : temps de séjour (s) T : coefficient de transmission U.V. sur 10 mm d : épaisseur de la lame d’eau (cm)
Le fait de calculer l’énergie reçue par la surface interne de la chambre d’irradiation revient à supposer qu’une particule élémentaire d’eau située au point le
(1) La lumière U.V. est constituée d’ondes électromagnétiques dont la longueur est comprise entre 100 et 400 nanomètres (nm). Son spectre se divise en trois parties :
- U.V.A : 315 à 400 nm
- U.V.B : 280 à 315 nm
- U.V.C : 100 à 280 nm
plus éloigné de la lampe y restera durant tout son trajet. Ce serait le cas pour un écoulement de type laminaire ; or, en réalité, l’écoulement est turbulent. Une particule élémentaire d’eau sera donc amenée à se rapprocher de la lampe U.V. au cours de son trajet et recevra une dose U.V. supérieure à celle prévue théoriquement. Ce type de calcul donne une marge de sécurité non négligeable.
En pratique, cette dose dépend principalement des facteurs suivants : débit, état de propreté de la gaine de quartz, qualité de l’eau, âge de la lampe, température de l’eau (ce qui n’intervient que pour les lampes basse pression).
Une norme américaine du ministère de la Santé et de l’Éducation a fixé à 16 mW·s/cm² la dose minimale à respecter impérativement dans la production d’eau potable. Pour d’autres applications, il peut être nécessaire de porter ce seuil à une valeur supérieure (eau stérile pour utilisation médicale par exemple). Le débit de tous nos stérilisateurs a été calculé de manière à garantir un minimum de 25 mW·s/cm² en toutes circonstances et à tout moment.
TYPES DE LAMPES U.V.
Deux types de lampe germicide peuvent être utilisées :
Les lampes à vapeur de mercure basse pression (2)
Elles donnent une émission U.V. (Watt U.V. émis/cm d’arc électrique) assez faible et consomment peu d’énergie ; elles sont utilisées pour des débits relativement faibles (jusqu’à 15 m³/h environ pour un appareil à 4 lampes basse pression). Elles présentent un bon rendement (Watt U.V. émis/Watt consommé) et émettent pratiquement toute leur puissance à 253,7 nm, ce qui est proche de l’effet germicide maximum.
Les lampes à vapeur de mercure haute pression
Leur puissance U.V. est beaucoup plus importante, elles consomment bien sûr plus d’énergie et conviennent pour tous les débits importants. Un stérilisateur type H.D. 100 fonctionnant avec une seule lampe haute pression permet ainsi de traiter 70 m³/h avec une dose U.V. minimum garantie de 25 mW·s/cm².
Habituellement, les lampes haute pression ne présentent qu’un arc électrique très court. Malgré une forte puissance émise par centimètre d’arc électrique, la puissance totale se trouve limitée.
Nous avons mis au point ces dernières années une nouvelle lampe U.V. haute pression particulièrement performante : la lampe Berson 2000 de longueur d’arc comparable à celle de lampes basse pression, mais avec une puissance U.V. émise jusqu’à 15 fois supérieure. De plus cette lampe offre la particularité d’avoir une puissance modulable à la demande, ce qui est un élément tout à fait nouveau et qui contribue à améliorer considérablement la technologie de la stérilisation U.V. Tous les stérilisateurs de la série H.D. sont équipés de cette lampe.
(2) Il faut préciser, pour dissiper un malentendu fréquent, que la pression en cause n’est pas celle de l’eau, mais celle du gaz (vapeur de mercure) contenu dans la lampe.
1) Spectre et puissance germicide efficace
La figure 2 représente le spectre d’émission d’une lampe Berson 2000 sur lequel est superposée la courbe d’efficacité germicide des différentes longueurs d’onde. Il devient alors possible de ramener la puissance émise de chaque longueur d’onde à sa valeur efficace et d’intégrer le tout pour trouver la puissance efficace totale.
2) Moniteur U.V.
Une cellule photo-électrique contrôle en permanence la puissance U.V. qui peut être lue sur le microampèremètre situé sur le coffret électronique auquel elle est reliée. Un relais permet de déclencher une alarme quelconque dans le cas où la puissance tomberait en dessous d’un certain seuil programmé lors de la mise en route.
Un filtre sélectif, ne laissant passer que les longueurs comprises entre 240 et 280 nm, est placé devant la cellule photo-électrique de façon telle que la mesure ne soit pas faussée par le rayonnement non germicide. Comme cela a été indiqué précédemment, un stérilisateur type H.D., équipé d’une seule lampe 2000, peut traiter jusqu’à 70 m³/h. Pour des débits supérieurs, il convient de monter plusieurs stérilisateurs en série ou en parallèle, chaque chambre d’irradiation ne fonctionnant alors qu’avec une seule lampe haute pression, contrairement aux appareils basse pression qui regroupent parfois plusieurs lampes dans une même enceinte.
Le fait de n’avoir qu’une lampe haute pression par chambre est fondamental pour la précision de la mesure. En effet, la dose U.V. ainsi mesurée correspond alors exactement à la dose U.V. appliquée ; ceci est impossible avec un stérilisateur multilampes basse
pression où une seule cellule photo-électrique ne peut contrôler qu’une puissance U.V. moyenne. D’autre part, la cellule photo-électrique d’un stérilisateur type H.D. étant placée au point le plus éloigné de la paroi de la lampe, la mesure correspond ainsi exactement au calcul théorique cité ci-dessus. Ce sont ces éléments qui permettent à nos stérilisateurs H.D. d’être les seuls sur le marché à pouvoir traiter plusieurs centaines de m³/h, tout en garantissant réellement la dose U.V. annoncée.
3) Régulation de la puissance U.V.
La puissance d’une lampe 2000 peut être modulée en modifiant l’intensité du courant qui lui est fourni, et cela grâce à un dispositif électronique appelé régulateur U.V. qui analyse les informations du moniteur. Lorsque l’énergie U.V. reçue par la cellule photo-électrique se rapproche du seuil d’alarme, le régulateur U.V. commande automatiquement la montée en puissance de la lampe. Inversement, lorsque la puissance lue par la cellule photo-électrique est supérieure à celle prévue, le régulateur ramène la puissance de la lampe à sa valeur normale d’utilisation.
La dose U.V. prévue peut être maintenue constante malgré d’éventuelles dégradations temporaires de la transmission U.V. de l’eau, sans qu’il soit utile de surdimensionner l’installation. Par contre, cela est nécessaire pour les systèmes à lampes basse pression dont la puissance n’est pas modulable. Le surdimensionnement coûte cher en énergie et en lampes, et cela d’autant plus que le débit est important. L’économie d’énergie réalisée à l’exploitation grâce au régulateur U.V. compense largement et rapidement le faible investissement qu’il demande.
Le deuxième rôle du régulateur U.V. est d’augmenter la durée de vie de la lampe (voir tableau 1 et figure 3) en augmentant l’intensité du courant au fur et à mesure que la lampe vieillit.
[Figure : Effet du régulateur U.V. sur la puissance et la durée de vie d’une lampe Berson 2000.]TABLEAU 1
| Puissance consommée (kWh) | Puissance U.V. émise (Watts U.V.C. efficaces) | Temps de fonctionnement (en heures) |
|---|---|---|
| 1,9 | 125 | 2 200 |
| 2,1 | 150 | 1 300 |
| 2,4 | 175 | 500 |
4) Bus
Le Bus est un computeur conçu pour des installations à plusieurs chambres monolampes haute pression montées en série et traitant un débit variable. Il est nécessaire que chaque chambre d’irradiation soit équipée d’un moniteur et d’un régulateur U.V. et que la canalisation soit dotée d’un débitmètre magnétique. Après avoir analysé les informations provenant des moniteurs et du débitmètre, le Bus choisit le nombre de lampes à allumer ou à éteindre et leur niveau de puissance en fonction de la qualité de l’eau et du débit à traiter. Ce dispositif élaboré permet de réaliser jusqu’à 50 % d’économie d’énergie comparé à une installation dont la puissance ne serait pas régulée et qui fonctionnerait donc à pleine puissance en permanence.
CONSOMMATION D’ÉNERGIE
Le rendement d’une lampe est exprimé en puissance U.V. émise par unité de longueur d’arc électrique et par unité d’énergie consommée. Le rendement d’une lampe haute pression est inférieur à celui d’une lampe basse pression, mais ceci est largement compensé par le fait que pour traiter un même débit, le nombre de lampes haute pression est nettement inférieur à celui des lampes basse pression.
La consommation d’énergie d’une lampe 2000 est de 14,6 W par Watt U.V.C. efficace produit. Une lampe basse pression type 36/S (3) consomme approximativement 93 W et fournit 12 Watts U.V.C., ce qui correspond à 7,75 W par Watt U.V.C. efficace produit.
Il existe un débit au-delà duquel un système est plus économique que l’autre : ce point se situe entre 15 et 20 m³/h pour une eau ayant un coefficient de transmission de 90 % sur 10 mm. Pour un débit supérieur, le système à lampe haute pression est plus économique et présente de réels avantages techniques.
CHOIX DU DIAMÈTRE D’UN STÉRILISATEUR
Pour chaque facteur de transmission il est possible de calculer l’épaisseur d’eau correspondant à la stérilisation la plus économique, d’où l’on déduit le diamètre optimum de la chambre d’irradiation à utiliser. En fait, il est évidemment impossible de construire une chambre différente pour chaque type d’eau et, en pratique, les deux diamètres de chambre d’irradiation disponibles dans les systèmes à lampe haute pression permettent de traiter économiquement et de manière suffisante toutes les eaux rencontrées couramment. On peut noter, toutes autres choses restant égales et, comme le montre la figure 4, que le stérilisateur type H.D. 10, de diamètre 140 mm, permet de traiter un débit supérieur au type H.D. 100 (de diamètre 200 mm) pour une eau ayant un facteur de transmission inférieur ou égal à 0,87 mesuré sur 10 mm. Inversement, pour une eau de coefficient supérieur à 0,87, le stérilisateur H.D. 100 est plus performant que H.D. 10.
COÛTS D’EXPLOITATION
Nous considérons qu’un stérilisateur à une seule lampe haute pression est équivalent à un système doté d’au moins 16 lampes basse pression. Comparons les deux systèmes du point de vue économique :
Système basse pression
16 lampes de type 36/S consomment : 16 × 0,093 kW = 1,49 kWh.
(3) Les lampes 36/S sont les plus puissantes des lampes basse pression disponibles sur le marché.
En fonctionnement continu pendant un an soit 8 760 h, la consommation sera de : 8 760 × 1,49 = 13 052,4 kWh.
Les lampes 36/S ayant une durée de vie de 7 500 h, cette installation nécessitera pendant un an : (8 760 × 16) / 7 500 = 18,7 lampes
Le prix d’une lampe 36/S étant de 842 F et le prix du kWh étant supposé de 0,50 F, les frais d’exploitation s’établissent comme suit : énergie : 13 052,40 kW × 0,50 F = 6 526 F lampes : 18,7 × 842 F = 15 745 F total : 22 271 F
Système haute pression
Une lampe Berson 2000 fonctionne environ 2 200 heures à 1,9 kW et 1 300 heures à 2,1 kW, ce qui correspond à une consommation horaire moyenne de 1,97 kW, soit pour une année : 8 760 × 1,97 = 17 257 kW.
Bien que cela ne soit pas forcément nécessaire, une lampe haute pression peut être remplacée après 3 500 heures d’utilisation (nous considérons le niveau de puissance 2,4 comme étant une puissance de réserve). En un an, on utilisera 8 760 / 3 500 = 2,5 lampes.
Le prix d’une lampe étant de 1 155 F et le prix de l’électricité étant toujours supposé de 0,50 F par kWh, les frais d’exploitation se détailleront comme suit : énergie : 17 257 × 0,50 = 8 628 F lampes : 1 155 × 2,5 = 2 887 F total : 11 515 F
La comparaison des coûts d’exploitation montre que l’on réalise une économie de 10 756 F par an (22 271 F – 11 515 F) en adoptant le système à lampe haute pression. À cet avantage viennent s’ajouter une technologie électronique moderne, une garantie de la dose U.V. appliquée et une maintenance considérablement simplifiée.
Notre gamme de stérilisateurs U.V., qui comporte des systèmes haute pression et basse pression, permet d’apporter une solution de choix dans de nombreux domaines d’application : production d’eau potable, traitement des eaux usées, pisciculture, agriculture (hydroponie, etc.), industrie du lait et de la boisson, industries électroniques et chimiques, laboratoires pharmaceutiques et de cosmétologie, hôpitaux.
D’autres utilisations sont à l’étude, par exemple : l’élimination des composés organochlorés indésirables et de l’ozone résiduel, ainsi que l’oxydation des matières organiques (par combinaison des U.V. avec l’ozone produit par certaines lampes germicides). Ces nouvelles applications feront l’objet d’un prochain article.
