Trois axes de recherche ont été explorés à savoir : l'amélioration des différents constituants d'un réacteur UV (les lampes, les ballasts, la sonde), la compréhension des mécanismes liés à l'hydraulicité des réacteurs et le calcul réel de la dose UV générée.
L’amélioration des différents constituants
*Les lampes
Elles sont principalement de type Basse Pression de vapeur de mercure ou Moyenne Pression.
Progressivement, les fabricants ont augmenté la puissance UV émise à 254 nm et aujourd'hui, Wedeco a mis au point des lampes basse pression – haute intensité, dites « à amalgame » qui génèrent des puissances de 150 W UV pour une puissance électrique consommée de 320 W.
Ces lampes très peu sensibles à la température de l'eau entre 5 et 60 °C sont traitées intérieurement afin d’éviter au mercure de pénétrer dans le quartz de la lampe (phénomène de solarisation).
Wedeco a fait le choix des lampes à vapeur de mercure basse pression – forte intensité car elles génèrent une longueur d'onde monochromatique à 254 nm, longueur d'onde très proche de celle de l'absorption de l'ADN des microorganismes (260 nm).
[Photo : Bryanh Cowlyd en Angleterre : (2 + 1SB) x 980 m³/h à 25 bar]
[Figure : Figures n°1 et n°2 : Distribution des doses UV]
Ces lampes dites “germicides” sont exclusivement dédiées à la désinfection des eaux, contrairement aux lampes “moyenne pression” qui émettent de nombreuses raies caractéristiques dont certaines peuvent générer des phénomènes de photo-oxydation mal maîtrisés.
* Les ballasts
Ils ont pour but de fournir les conditions électriques permettant d’amorcer l’allumage des lampes et de maintenir l’émission lumineuse pendant leur fonctionnement. Initialement, ils étaient de type électromagnétique. Ils sont maintenant de type électronique : gain de place, gain de poids, gain d’efficacité et surtout allumage des lampes bien mieux maîtrisé, ce qui augmente considérablement leur longévité. Cette technologie permet en outre de faire varier la puissance des lampes de 50 à 100 %.
* La sonde UV
Ce capteur qui mesure en permanence l’intensité émise par les lampes à l’intérieur du réacteur permet à l’exploitant de connaître à tout moment l’état de fonctionnement de son installation et d’observer d’éventuelles fluctuations de la qualité d’eau (augmentation ou diminution de la transmission UV de l’eau, dégradation de la turbidité), l’encrassement des gaines de quartz, le vieillissement des lampes.
Ces sondes qui étaient un peu “le talon d’Achille” du système ont été considérablement améliorées tant au niveau de leur sélectivité (> 99 % à 254 nm) qu’au niveau de leur précision (± 3 %).
L’hydraulicité des réacteurs
La désinfection UV repose sur la notion de “Dose UV”.
La dose UV est le produit de l’intensité UV émise par la ou les lampes par le temps d’exposition de l’eau au contact de ces lampes.
Cette dose est spécifique à chaque microorganisme. Si la notion d’intensité UV émise est bien maîtrisée, il n’en était pas de même de la distribution de cette intensité tout au long du parcours de l’eau dans le réacteur. Si la notion de dose UV peut être assimilée à la notion de CT (produit de la concentration en désinfectant résiduel par le temps de contact de l’eau avec ce désinfectant) la comparaison s’arrête là, car l’efficacité de la désinfection UV ne peut pas tolérer des courts-circuits hydrauliques à l’intérieur des réacteurs.
En effet, en fonction de leur trajet dans le réacteur, certains microorganismes recevront des doses UV élevées au voisinage des lampes et des doses plus faibles le long des parois du réacteur.
Il existe aujourd’hui des outils informatiques qui permettent de prédire et d’améliorer les trajectoires des microorganismes au sein d’un réacteur (CFD ou computational fluid dynamics), tout en analysant la distribution des intensités lumineuses reçues par ces microorganismes (LID ou distribution d’intensité lumineuse).
Ces outils ont permis de mieux comprendre et d’améliorer la circulation de l’eau au sein d’un réacteur [voir photo n° 1] tout en calculant la dose appliquée à chaque microorganisme.
Au sein même d’un réacteur, chaque microorganisme recevra une dose plus ou moins forte et la dose appliquée sera réellement bien représentée par la distribution des doses [voir figures n° 1 et n° 2].
Plus le nombre de bandes de distribution de dose est faible, et plus la probabilité d’occurrence est élevée, meilleure sera l’efficacité hydraulique du réacteur considéré.
La Dose calculée
L’expression de la dose UV calculée répond d’une manière générale à une formule simplifiée du type :
D = Pₑ × t
————
Sₛ
où
Pₑ est la puissance germicide en fin de vie des lampes,
Sₛ la surface émettrice des lampes,
K le coefficient d’absorption de l’eau,
x l’épaisseur de la lame d’eau au point le plus éloigné des lampes,
t le temps de contact.
Au niveau international, la méthode la plus couramment utilisée est la méthode PSS (Point Source Summation method) :
Le calcul de l’intensité moyenne mesurée par cette méthode repose sur le principe suivant :
La lampe UV est un émetteur d’un nombre déterminé de “points sources d’énergie lumineuse” diffusant dans toutes les directions.
L’intensité lumineuse reçue à un endroit précis du réacteur correspond à la somme…
[Photo : Amélioration de l’hydraulicité à l’intérieur d’un réacteur UV]
[Photo : Figure n° 3 : Résultats de tests de bio-essais en laboratoire.]
de toutes les intensités émises par tous les “points sources”.
Cette méthode, purement mathématique, prend en compte un certain nombre de paramètres liés aux lampes, aux gaines, à la qualité de l'eau, à l'épaisseur des lames d'eau en tout point du réacteur et au temps de séjour de l'eau, mais son gros handicap vient du fait qu'elle ne prend pas en compte l'hydraulicité du réacteur et qu'elle n'est pas basée sur des données microbiologiques réelles.
Pour s’affranchir de ces points négatifs et pour garantir à l'utilisateur que le dimensionnement de son réacteur UV apportera le niveau de désinfection requis, Wedeco propose en plus de ses réacteurs dimensionnés avec des doses calculées, des réacteurs certifiés par biodosimétrie.
La biodosimétrie
C'est une procédure qui permet d'une part d’établir en laboratoire la courbe d’abattement de tel ou tel micro-organisme en fonction d'une dose UV reçue (bio-essai) [voir photo n° 2], de comparer ces résultats avec ceux obtenus en grandeur réelle sur le réacteur industriel et d’établir ce que nous appelons « la dose réponse équivalente » [voir figures n° 3 et 4]. Celle-ci est en fait un vrai certificat de dimensionnement qui garantit pour un réacteur donné, une qualité d’eau donnée et une charge bactérienne donnée, que le réacteur en question assurera un niveau de désinfection conforme à celui obtenu au cours du bio-essai.
[Photo : Photo n° 2.]
[Photo : Figure n° 4 : Validation sur site « Dose réponse équivalente ».]
La procédure à suivre impose de respecter un protocole très rigoureux et des conditions opératoires extrêmement précises qui rend son coût très élevé mais le résultat, validé par un organisme extérieur, apportera à l'utilisateur final une garantie de dimensionnement que ne peut pas offrir un réacteur dimensionné à l'aide d'une dose calculée.
Conclusion
Au regard des nombreuses améliorations apportées aussi bien sur le plan technique que sur le plan scientifique, la technologie UV devient de plus en plus incontournable comme « barrière spécifique à la désinfection » et la certification des réacteurs UV par biodosimétrie devient un argument majeur pour assurer aux exploitants la garantie d'un niveau de désinfection conforme aux garanties à atteindre.
