Lutter contre Legionella en tours aéroréfrigérantes et circuits industriels sans produits chimiques

Le décret du 1er décembre 2004 paru au Journal officiel du 07/12/2004 impose à tout exploitant d'une tour aéroréfrigérante de réaliser une analyse de concentration en légionelles mensuelle ou bimestrielle. En régime continu, la concentration doit rester en dessous de 1 000 UFC/L (Unité Formant Colonies par litre) et la limite fixée à 100 000 UFC/L fait l'objet d'une information en urgence et d'une procédure d’arrêt immédiat de l'installation pour une opération de nettoyage et désinfection. Une analyse de risque doit être effectuée chaque année et impose des opérations mécaniques de nettoyage en complément du suivi sanitaire.

Pour les autres utilisations de l'eau dans les circuits industriels, il n'existe pas de réglementation et de contrôles imposés, hormis les cas d'usage alimentaire.

Bien que la législation se soit focalisée ces dernières années sur les tours aéroréfrigérantes (TAR), il est important de noter que le problème de contamination par l'eau en milieu industriel est sans doute plus général. Les pathologies engendrées par des installations utilisant de l'eau contaminée ne sont pas recensées mais sont probablement nombreuses. En effet, de multiples applications industrielles menacent les exploitants dès lors qu’il y a vaporisation et/ou projection locale d'eau contaminée. Citons à titre d'exemple les activités suivantes :

• Trempe de pièces mécaniques : afin d’accroître la dureté superficielle ou à cœur de pièces en acier, on les plonge dans un bain ou on les douche avec de l'eau mélangée avec un additif de trempe.
• Usinage mécanique : l'usinage nécessite dans la plupart des cas l'utilisation d'un fluide de coupe composé d’eau et d’huile soluble. Le fluide s'écoule au niveau de la zone de coupe afin de faciliter l'enlèvement du métal et de préserver l’outil. Du fait de la température, le fluide est vaporisé.
• En aciérie, l’eau sous pression est utilisée pour le décalaminage lors du laminage. L'eau est donc fortement projetée et vaporisée au contact avec la tôle chaude.
• Le nettoyage industriel de pièces ou de cuves haute pression ou basse pression à l'eau chaude.
• Les circuits eau haute pression où il y a vaporisation en cas de fuite : bancs de test (tuyau, robinetterie...), presse hydraulique à eau (forge, pneu), sécurité incendie, humidification de locaux industriels.
• Dans la plupart des cas, les cuves de stockage ne sont pas contrôlées et un nettoyage est effectué dans l'urgence lorsque l'odeur alerte les exploitants.

Mais l’équipement le plus fréquemment suspecté lorsqu’apparaît un cas de légionellose reste la tour aéroréfrigérante, un équipement qui permet, de manière économique, d'abaisser la température de l'eau. Cette eau peut refroidir des process industriels (compresseurs, générateurs, échangeurs...) mais aussi alimenter des groupes froids pour une climatisation par exemple. Il met en œuvre le principe de la condensation de l'eau pour extraire l’énergie transmise en provenance de l'application. Ce procédé est donc intéressant même pour des températures d'air élevées. Des ventilateurs font

circuler l’air extérieur au travers de l’eau de process qui ruisselle au travers d’ailettes de répartition. Une partie de l’eau s’évapore, environ 3 % dans les conditions climatiques de la moitié sud de la France. L’évaporation entraîne la formation de gouttelettes d’eau par effet aérosol. Si l’eau contient des légionelles, elles pourront contaminer des personnes sensibles.

Une tour aéroréfrigérante de 2 000 kW consomme entre 2 000 et 20 000 m³ d’eau par an suivant les conditions de température de l’air, la dureté de l’eau d’appoint et le degré d’entartrage du circuit. Le traitement de l’eau est donc indispensable afin de limiter les risques de contamination des personnels et de la population environnante.

Le traitement de l’eau par voie chimique est difficile à maîtriser, pas totalement fiable et de plus en plus coûteux pour l’exploitant. Il faut en effet lutter simultanément contre le biofilm, la prolifération des bactéries, la corrosion et l’entartrage du circuit et des équipements, les boues sans oublier les algues. Il faut pour cela utiliser à la fois des phosphates, des nitrites, des chlorures et des biocides dans des proportions souvent difficiles à ajuster dans la mesure où elles dépendent de multiples paramètres. Dans les pays tempérés, les variations de température sont aussi fréquentes qu’importantes, ce qui impose un suivi rigoureux des dosages et, par conséquent, des risques de prolifération en cas d’erreur. Il faut également lutter contre des phénomènes contradictoires tels que la corrosion, qui nécessite d’utiliser des produits qui alimentent les bactéries et adhèrent aux parois, et les biocides, qui détruisent les bactéries mais développent la corrosion. Il faut aussi faire face à une résistance croissante des bactéries qui impose une escalade des concentrations ou une modification des biocides souvent difficiles à contrôler. De plus, les produits chimiques sont parfois dangereux pour l’environnement et impliquent un traitement des rejets qui est lui-même complexe et coûteux.

Aujourd’hui, en France comme dans les autres pays européens, les tours aéroréfrigérantes, les circuits de chaudrière et les circuits de procédés industriels sont le plus souvent traités par voie chimique. Il existe pourtant une alternative à ce mode de traitement qui repose sur l’induction basse fréquence et l’ionisation de l’eau.

Un procédé qui repose sur l’induction basse fréquence et l’ionisation de l’eau

Le procédé ULF-M+ est un procédé breveté utilisant l’induction basse fréquence et l’ionisation de l’eau, fruit de plus de dix années de développements menés par une équipe d’ingénieurs basés à Singapour. Il a été industrialisé entre 2001 et 2003 et installé pour la première fois en 2003 à Singapour sur un site industriel d’un fabricant de composants électroniques, puis sur plus de 5 000 sites appartenant à de grands groupes internationaux dans le monde : Japon, Inde, Indonésie, Amérique latine, USA, etc.

Le procédé ULF-M+, qui bénéficie aujourd’hui d’un retour d’expériences de plus de quatre années, permet de garantir la désinfection des circuits sans produit chimique, même dans les climats tropicaux.

Des échangeurs, les ions calcium et carbonate ne précipitent plus. Les ions qui se libèrent cristallisent sous forme d’aragonite tendre qui circule dans l'eau et n’adhère pas aux parois contrairement au tartre. La circulation de l'eau va propager l'effet dans tout le circuit et progressivement engager un processus de détartrage qui peut durer de quelques jours jusqu’à plusieurs mois suivant l’état du circuit. Ce phénomène produit deux effets :

1. Une restitution du transfert thermique dans les échangeurs grâce à l’élimination du biofilm et du dépôt de tartre, ce qui entraîne une économie significative d’énergie.
2. Un détartrage des échangeurs, des tuyauteries et des équipements. Il faut bien entendu prévoir d’assurer une maintenance attentive de la filtration pour récupérer les dépôts de biofilm et de calcaire qui se libèrent lors de la mise en place du dispositif.

Effet anti-corrosion

Le champ électromagnétique produit par le générateur ULF présente une deuxième caractéristique. Il va permettre d’accroître les liens entre l’oxygène et les ions Fe ce qui va former un oxyde de fer Fe₃O₄, qui est un oxyde magnétique noir protecteur appelé magnétite. Cette couche est hermétique, l'oxygène ne peut plus poursuivre l’oxydation de la surface. Cet effet est particulièrement intéressant pour maîtriser la formation et le développement du biofilm car la suppression des échanges entre le fer et les bactéries évite qu’il ne se reforme.

Effet sur les bactéries

Le générateur ULF, par sa technologie, a une influence sur les bactéries particulièrement utile pour la désinfection. En effet, les bactéries soumises au champ électromagnétique sont physiquement modifiées et cette modification les fragilise et ralentit considérablement leur mobilité. Ces effets favorisent notablement l'attaque désinfectante Nano M+ ou MOx.

Le principe Nano M+

Le principe Nano M+ est basé sur l'ionisation cuivre-argent provoquée par électrolyse. Un courant électrique continu est appliqué à des électrodes de cuivre et d'argent, provoquant la libération d’ions cuivre et argent ; ions chargés positivement (Cu⁺, Cu²⁺, Ag⁺).

Les ions cuivre Cu⁺ dissous dans l'eau s’oxydent immédiatement et se transforment en Cu²⁺. Ces ions cherchent des particules de polarité opposée telles que les bactéries, les virus et les mycètes. Les ions cuivre forment des composés électrostatiques avec les membranes des cellules des microorganismes chargés négativement. Ces composés rendent perméable cette membrane et autorisent l’accès des ions argent. L'argent s'assimile à différentes parties de la cellule tel que l’ADN et l’ARN, provoquant l’arrêt de la croissance et de la division des cellules et finalement la mort des cellules.

Le principe MOx

Le principe MOx est basé sur une électrolyse de l'eau à l’aide d’électrodes insolubles. Après deux ans de retour d’expériences, cette technologie remplace progressivement dans la plupart des cas la technologie cuivre-argent. Un courant électrique continu au travers d’électrodes non consommables va produire en continu des radicaux libres.

Ces agents oxydants vont modifier le potentiel d’oxydoréduction (potentiel Redox) et agir sur les éléments vitaux et reproducteurs (ADN et ARN) des bactéries. Cette technologie présente plusieurs avantages par rapport au cuivre-argent :

• Il n’y a aucune diffusion d’ions métalliques dans l’eau de rejet.
• La diffusion des radicaux libres est plus rapide dans les zones stagnantes et les bras morts.
• La très longue durée de vie des électrodes.
• La maintenance est réduite à un simple nettoyage périodique.

La bactérie Legionella est particulièrement sensible à la désinfection Cu-Ag et aux radicaux libres. Sur plus de 100 000 analyses réalisées avec le procédé ULF-M+, le nombre des bactéries n’a jamais été décelable par les procédés de dénombrement (inférieur au seuil de détection des appareils de mesure).

D'une manière générale, le taux de désactivation de la désinfection est bien inférieur aux autres procédés tels que l’ozone ou l’UV. L'effet est rémanent tant qu'il reste des ions libres en solution dans l'eau. Cet effet est sécurisant dans la mesure où, en cas d’arrêt, l’installation reste protégée contre la prolifération pendant plusieurs jours. Le traitement dans les zones stagnantes du circuit est assuré de manière plus efficace que dans le cas d'utilisation de biocides ou de chlorures.

L’efficacité sur la prolifération des algues est supérieure aux procédés chimiques et à tout autre procédé connu à ce jour dans des applications industrielles.

L’efficacité du procédé est indépendante de la température, de la turbidité et du taux de MES. Il est cependant nécessaire que le pH de l’eau soit supérieur à 5 et inférieur à 9 pour une bonne efficacité de l'action ionisante.

Un procédé simple à mettre en œuvre

Les coffrets des générateurs sont compacts : 30 cm de hauteur seulement. L’ensemble se compose de trois types de coffrets : l'alimentation Nano M+ qui régule la quantité de cuivre et d’argent ionisés dans l’eau, le boîtier d’alimentation comprenant le sectionneur et le générateur ULF.

comprend différents modèles pour traiter les circuits de refroidissement des tours aéroréfrigérantes de 70 kW à 90 000 kW. Les équipements ULF-M+ sont entièrement modulaires, ce qui permet de les faire évoluer si la puissance de l'installation devait augmenter dans l'avenir en ajoutant des modules d’alimentation Nano M+ et des générateurs ULF. Ces équipements sont conformes aux normes CE. Pour les installations de forte puissance, l’électronique (serveur, drivers et redresseur) et leur alimentation sont regroupés dans un coffret ventilé. Le montage est très simple.

Dans le cas des TAR fonctionnant en régime discontinu, le dispositif peut être monté dans la cuve de la TAR. Il s’agit alors d’un circuit indépendant du circuit d’utilisation qui comprend une pompe immergée, un circuit en PVC, l’inducteur. Les électrodes sont alors immergées dans la cuve. Le dispositif peut être également extérieur à la cuve. Le circuit comprend une pompe en ligne avec l’inducteur. Dans ce cas, il est possible d’immerger les électrodes ou d'installer une chambre d'ionisation en ligne.

Dans le cas des TAR fonctionnant en continu ou d'une façon régulière suffisamment soutenue, nous donnons notre préférence à une installation sans pompe en montant l'inducteur directement sur le circuit d'utilisation. Il peut être installé sur une branche du circuit présentant un débit suffisant. Il est souvent utile de mettre en place un circuit de filtration comprenant un filtre cyclone inox pour les grosses particules et les boues et un filtre panier de 100 microns.

Une période de démarrage plus ou moins longue suivant l'état d’entartrage et de corrosion de l’installation est indispensable. Cette phase intermédiaire va permettre le nettoyage et la formation de la couche de magnétite des circuits. Pendant cette période, il faudra suivre attentivement l’évolution de la concentration en ions Fe, le pH de l'eau, la filtration, la concentration en Cu ou le potentiel Redox, l’évolution du dénombrement des bactéries. Une fois les paramètres stabilisés, le réglage définitif sera défini et le process opérationnel.

Quelques exemples d’applications

Le procédé ULF-M+ est applicable quelle que soit la dimension des équipements concernés. La gamme comprend des générateurs de fréquence ULF de plusieurs kW permettant d’alimenter une quantité importante d’inducteurs.

En Inde, le procédé a été implanté sur une station de refroidissement de 154 mW, d’un débit de 24 900 m³/h avec un volume de bac d’eau situé sous les TAR de 13 900 m³. Les inducteurs ont été implantés directement dans le bac dans le chenal de retour de l’eau froide. Le traitement ionisant est composé de 12 batteries d’électrodes implantées autour du bassin.

Ce procédé a également été implanté en décembre 2005 sur les installations d’un grand groupe international spécialisé en produits détergents qui utilisait auparavant des produits chimiques pour répondre à ses besoins de traitement. L’installation initiale du procédé ULF-M+ a été réalisée sur une installation d’une puissance calorifique de 7 000 kW d’un débit de 1 380 m³/h, connectée à deux refroidisseurs. Des mesures de consommation d’eau et de performances de refroidissement ont été enregistrées avant l’implantation du procédé pour permettre de mesurer les gains obtenus avec le système ULF-M+. Sur une période de 90 jours, le suivi de la consommation d’eau et les performances de refroidissement ont permis de constater de substantielles économies : la consommation d’eau a été réduite de 55 % générant ainsi plus de 60 000 USD par an pour l’usine.

L’autre souci important était la performance des deux refroidisseurs qui souffraient d'une baisse d’échange thermique au niveau des condenseurs à mesure que la couche de calcaire se formait lors de l’utilisation du procédé chimique. Après 3 mois d'utilisation du procédé ULF-M+, le calcaire n’avait pas réapparu générant ainsi un gain de 0,3 degré F en température d’échange par rapport à la situation antérieure.

La courbe de suivi de la corrosion dans le circuit de la tour, mesurée au travers de la quantité de fer dissout dans l'eau, laisse apparaître une forte amélioration par rapport au traitement chimique préalable. Après quelques jours, il était impossible de déceler la moindre trace d’oxydation dans le circuit. Quant au dénombrement des légionelles, il est toujours resté en dessous du seuil de détection (inférieur à 500 UFC/L).

Le fait que les usines de ce grand groupe international soient passées par un programme essai de solutions de traitement non chimique et aient retenu le procédé ULF-M+ est un succès important pour la validation des performances de cette technologie. Cette validation dans des conditions climatiques difficiles démontre clairement les avantages de ce procédé par rapport aux voies chimiques.