D?utilisation relativement récente, les ultraviolets sont de plus en plus prisés pour la désinfection des eaux. Très efficaces contre les bactéries et les virus, leurs conditions d'utilisation sont connues pour obtenir les meilleurs résultats. D?où leur association fréquente avec d'autres moyens de traitement. La réutilisation d'eau pousse leur mise en oeuvre. Ils participent à une baisse de consommation de produits chimiques.
L’action du soleil a été reconnue bénéfique et « purificatrice » bien avant qu’on identifie les rayonnements ultraviolets. On sait aujourd’hui que ce rayonnement est bactéricide et virucide. Il y a eu jusqu’à présent suffisamment de développements autour de cette technologie pour que l’on comprenne d’une part leur mécanisme d’action (ADN sensible à 260 nm) et que d’autre part on détermine les conditions optimales d’utilisation de ces rayonnements pour les mettre en œuvre dans des réacteurs appropriés et des conditions d’utilisation adéquates. Rien de mystérieux dans cette technologie ! L’essentiel est de les utiliser correctement, de ne pas leur demander plus qu’ils ne peuvent.
Que ce soit en potabilisation d’eau, en traitement final d’eaux usées, dans l’industrie (électronique, pharmaceutique ou alimentaire), pour les élevages d’animaux, de larves de poissons ou de crustacés... l’utilisation de lampes rayonnant dans le domaine ultraviolet se développe : efficacité certaine sur les bactéries et virus, investissement modéré, coût d’exploitation faible.
« L’UV est encore une technologie émergente, et le marché se développe » affirme Frédérick Cousin, chef de marché “ozone, UV, membranes” chez Degrémont Technologies Ozonia. Potabilisation, rejets d’eaux résiduaires, eaux de procédé, réutilisation d’eau... la demande va s’accélérer sur tous les marchés de l’eau vu l’attente de sécurité importante vis-à-vis des microorganismes.
Organismes comme giardia, cryptosporidium parvum et d'une manière générale toutes les bactéries, virus et algues. Les UV sont une méthode de choix contre ces agents biologiques. Ils ne sont pas pour autant une panacée mais un moyen complémentaire de traitement. C’est même un concept nouveau qui apparaît, celui de multibarrières comme l'explique Frederick Cousin : « chaque méthode (chlore, ozone, filtration etc.) a ses avantages, il est donc préférable de les utiliser en cascade pour que chacune travaille au mieux dans son domaine. Par exemple pour lutter contre cryptosporidium, il faut accroître les doses d’ozone, donc la consommation. Il est plus simple d’ajouter des UV, très efficaces contre ce protozoaire ».
On sait maintenant qu’il est néfaste de traiter d’emblée au chlore (et produits apparentés) une eau chargée car cela conduit à la production de composés indésirables. Il est préférable de traiter préalablement et d’utiliser les propriétés de rémanence du chlore pour garantir la potabilité dans un réseau. Les UV ne vont donc pas supprimer les produits chimiques de traitement mais considérablement réduire les doses utilisées.
Soigner la mise en œuvre
Les UV altèrent l’ADN (précisément l’acide aminé thymine) des microorganismes et des virus, ce qui les inactive, les empêche de proliférer ; il n'y a pas destruction comme avec l'ozone. Le hasard de la nature a placé une raie spécifique d’émission lumineuse de l'atome de mercure à 254 nm, à proximité du maximum d’absorption de la molécule d’ADN située à 265 nm. Cette action directe du rayonnement n’entraîne pas de problèmes connexes de formation de composés nouveaux, d’odeurs ; d'autres raies, notamment celles situées en dessous de 240 nm, forment de l’ozone directement à partir de l'oxygène de l'air. Les fabricants de lampes tiennent compte de tout cela.
Les équipements de traitement des liquides par lumière pulsée sont composés d’un ou plusieurs réacteurs cylindriques équipés d’une lampe au centre, à la périphérie desquels circule le liquide maintenu sous pression, et d’une armoire électronique qui commande le flash. Les réacteurs sont installés selon les cas en by-pass de l’installation industrielle ou directement sur le trajet de la canalisation.
Cette technologie permet au jour d’aujourd’hui de traiter des débits limités (5 m³/h). Mais ces débits peuvent être optimisés en modulant le nombre de réacteurs utilisés, l’unité de traitement venant s’intégrer parfaitement à la ligne industrielle. De par cette limite, la technologie est pour l’instant préférentiellement destinée à des liquides clairs à haute valeur ajoutée pour les industries pharmaceutique, agroalimentaire ou cosmétique.
Claranor, entreprise basée à Manosque (04), créée en 2004 par François Cazalas, travaille activement à la mise au point de réacteurs permettant de traiter des débits plus importants et élargir ainsi les champs d’application de cette technologie.
pour concevoir leurs lampes. L’avantage de travailler avec du rayonnement est la simplicité de mise en œuvre, le coût d’investissement relativement faible tout comme celui de fonctionnement et d’entretien. Mais l’action est localisée à l’environnement immédiat de la lampe d’où l’importance de bien mettre en œuvre cette technique.
Les critères à prendre en compte pour l’installation se ramènent à celui de l’exposition effective de tout le débit d’eau à une dose suffisante de rayonnement UV (voir encadré « la dose efficace ») pour les microorganismes visés. Tous n’ont pas besoin de la même dose pour être inhibés comme on peut le voir dans un tableau de la brochure « Ultraviolet purification application information » de Philips, producteur de lampes. Les légionelles des tours de refroidissement sont très sensibles. Pour que la dose efficace soit appliquée, il faut tenir compte de facteurs extérieurs : les UV comme toute lumière sont absorbés par l’épaisseur de la lame d’eau surtout si elle contient des espèces absorbantes comme les sels de fer ou de manganèse ; idem avec des matières en suspension qui masquent le rayonnement aux microorganismes donc diminuent la dose d’exposition.
« Ainsi une simple particule de 20 µ peut cacher une centaine de bactéries au rayon UV. Il convient donc de bien filtrer en amont afin de s’assurer de l’efficacité du traitement UV postérieur » précise Philippe Robert, directeur commercial de Medclan, société spécialisée dans la sécurisation anti-légionelles de la brumisation grâce à un système conjugué filtration anti-bactérienne et UVc.
Les paramètres nécessaires au concepteur de l’installation seront la nature de l’application (industrielle, eau potable etc.), le débit instantané maximum à traiter, la pression et la température de l’eau ainsi que la transparence de l’eau et ses variations éventuelles (variations de turbidité ou présence de sels absorbants).
« Le niveau d’abattement de bactéries attendu est souvent précisé en ce qui concerne les effluents et certaines applications industrielles » estime toutefois Didier Chavanon, responsable commercial chez RER, l’un des plus anciens constructeurs en matière de technologie UVc.
Ce n’est qu’avec ces éléments en main qu’on pourra sérieusement dimensionner l’installation et faire un choix sur le type de lampe et leur implantation (circuit fermé ou canal ouvert).
Deux grands types de lampes
La technologie des lampes a évolué mais se stabilise autour de deux grands types : lampes basse pression à amalgame et lam-
UV en piscines : la fin de la polémique ?
L'utilisation des UV en piscine ne relève pas de la désinfection par action sur les micro-organismes mais de la photochimie. En effet, les UV sont utilisés pour détruire les composés chimiques indésirables qui se forment lors du traitement par le chlore (javel ou autre) de l’eau de piscine chargée en composés organiques (urée provenant de la sueur, de l'urine) présents dans l'eau. Il se forme alors des chloramines, dont le stade ultime est la trichloramine ou trichlorure d'azote, composé volatil irritant, pour les utilisateurs et plus encore pour le personnel permanent. Un moyen de remédier à cela est de maintenir le taux de chloramine en dessous du seuil permis et de diluer l’eau, mais cela conduit à des consommations d’eau importantes. Un autre moyen, entièrement physique, est le strippage : l'eau passe dans une colonne à contre-courant d'air qui entraîne les composés volatils. Il faut alors veiller à ne pas faire un transfert de pollution de l'eau à l'air, même extérieur.
D'où l'idée de décomposer les chloramines par action photocatalytique des UV, on parle alors de déchloramination. Mais cela peut conduire à la formation de THM, trihalométhane, particulièrement du trichlorométhane, c'est-à-dire du chloroforme, produit également indésirable (cancérogène catégorie 2B).
L’INRS a réalisé une étude sur le sujet dont les résultats, controversés, ont été publiés en 2005. Cette étude montrait que l’irradiation de l'eau de piscine contribuait fortement à la formation de chloroforme et à une possible augmentation du trichlorure d'azote dissous. Une particularité de ces produits est que leur absorption ne se fait pas seulement par voie aérienne mais aussi par voie cutanée et parfois de manière majoritaire ; ceci serait donc un danger particulièrement sur les nourrissons (bébés nageurs).
Mais depuis cette première étude, la position des pouvoirs publics a sensiblement évolué. Le Conseil supérieur d'hygiène publique de France (séance du 7 novembre 2006) a émis un avis favorable pour l'utilisation de procédés de déchloramination mettant en œuvre des lampes à rayonnement UV. L'avis indique que l'administration doit « préciser par circulaire les conditions d'utilisation de ces procédés pour que les gestionnaires de piscines publiques utilisent correctement ces dispositifs » mais aussi doit « exiger des pétitionnaires ayant déjà reçu un agrément pour leurs appareils, de fournir des résultats de THM dans l'eau ».
La circulaire n° DGS/EA4/2008/65 du 22 février 2008 relative aux déchloraminateurs et à l’utilisation des produits de traitement de l'eau incite les DDASS à veiller aux teneurs en chloramines mesurées dans l'eau des bassins en imposant une analyse mensuelle de tous les bassins afin de vérifier la teneur en trihalométhanes (THM). En ne faisant aucune différence entre les UV Basse Pression (BP) et Moyenne Pression (MP), cette circulaire suspend également la polémique concernant la production un temps supposée de THM par les UV Moyenne Pression (MP) et non Basse Pression (BP).
Les UV en piscine ont donc encore de beaux jours devant eux. « D’ailleurs, souligne Benoît Gillmann, P-DG de Bio-UV, il n’existe pas aujourd'hui de projet de construction ou de rénovation de piscine publique sans déchloramination principalement UV, parfois ozone ». Un point de vue partagé par Luc Derreumaux, Cifec : « Les UVs en piscine apportent un confort et une sécurité sanitaire indéniable (destruction des trichloramines et désinfection complémentaire), l'étude des THMs éventuellement produits ne doit pas le faire oublier. D'autant qu'une aération du bac tampon ou un taux d’apport d’air neuf plus élevé est la plupart du temps la solution au problème de THMs qui existent même en l’absence d'UV. »
La longueur d’onde des lampes basse pression est essentiellement centrée à 254 nm (on les dit monochromatiques). « Ces lampes ont été améliorées : elles contiennent, sous la forme de petits dépôts, de l’indium qui forme un amalgame avec le mercure lorsque la lampe est froide. Le fonctionnement de la lampe devient moins sensible à la température. Une lampe BP ordinaire travaille entre 10 et 30 °C alors qu’une lampe à amalgame est efficace entre 5 et 60 °C. Une autre amélioration a été le remplacement du ballast électromagnétique par un ballast électronique qui permet un démarrage beaucoup plus maîtrisé des lampes ce qui leur assure une longévité bien plus importante tout en assurant une variation de leur puissance de 50 à 100 % » indique Jean-Yves Perrot, responsable applications industrie ozone et UV de Wedeco. De telles lampes BP sont des tubes de 1 m ou 1,5 m ayant des puissances de 80 à 400 W en général. Pour avoir plus de puissance on place les lampes en batterie.
En parallèle se sont développées les lampes moyenne pression (MP) dans lesquelles la pression de mercure est plus élevée, ce qui produit un spectre différent, polychromatique (nombreuses raies d'émission). Ces lampes sont plus puissantes, donc plus compactes mais leur rendement n'est que d’environ 12 % ; elles sont plus chaudes (600 à 900 °C donc pertes thermiques). Si de nombreux travaux scientifiques entrepris sur la comparaison de l’efficacité des lampes basse et moyenne pression n’ont pas réussi à mettre en évidence l’avantage de l’une ou l’autre technologie (à dose UV égale, le résultat de la désinfection sera similaire), il ressort malgré tout bien des « avantages pour l’utilisation des lampes basse pression à amalgame, estime Jean-Yves Perrot : leur longueur d’onde monochromatique à 254 nm, leur durée de vie garantie de 12 000 heures, leur rendement élevé supérieur à 40 %, leur plus grande facilité de production et leur coût de fabrication plus faible. En comparaison, les lampes moyenne pression ont une durée de vie maximale de 6 à 7 000 heures, un rendement électrique de 12 à 15 %, des longueurs d'onde polychromatiques qui peuvent interférer sur la qualité chimique de l’eau (phénomène de photo-oxydation qui permet de dégrader plus ou moins certaines protéines, certains enzymes et certaines molécules chimiques) ; d’autre part, la forte intensité lumineuse générée par ces lampes attaque superficiellement le biofilm. »
Au-delà des lampes :
le réacteur de contact
Plus que la lampe BP ou MP, c’est le réacteur de contact qui importe pour délivrer tout au long de l’année une dose conforme au cahier des charges. Tous les réacteurs sont équipés d’une sonde UV qui vérifie le bon fonctionnement de la lampe (vieillissement, encrassement) et d’un débitmètre. Les grands constructeurs font appel à des méthodes CFD (calculs de dynamique des fluides) pour concevoir le réacteur afin d’assurer l’écoulement hydraulique optimum du flux liquide qui garantit le temps de séjour. « Mais attention, entre la dose calculée d’UV et la réalité sur le terrain on relève des différences. Il faut faire appel à la biodosimétrie pour vérifier l’efficacité d’un réacteur : c’est une mesure de laboratoire qui sera comparée et utilisée pour “valider” les réacteurs grandeur nature. On pourra, après certification, garantir que tel réacteur travaillant à tel débit, avec telle qualité d’eau, pourra abattre un certain nombre d’unités logarithmiques de tels ou de tels types de micro-organismes. Cette “certification” est la vraie garantie d’un bon dimensionnement » explique Jean-Yves Perrot.
[Encart : Plusieurs types de lampes pour répondre à tous les besoins Pour répondre à la plupart des besoins, Siemens Wallace & Tiernan propose deux gammes de générateurs UV : une gamme basse pression (BP) et une gamme moyenne pression (MP). « Les générateurs MP émettent un rayonnement polychromatique qui a l’avantage de non seulement inactiver le développement des virus et des bactéries en endommageant leur ADN mais aussi de détruire les protéines responsables de la réactivation de ces micro-organismes » explique Jean-Michel Velay. Les lampes moyenne pression équipant les générateurs UV Siemens Wallace & Tiernan ont une durée de vie minimum de 9 000 heures de fonctionnement. Elles délivrent leur pleine puissance après un préchauffage de 2 à 3 minutes sans qu’aucun refroidissement ne soit nécessaire. Par ailleurs, tous les générateurs UV Siemens Wallace & Tiernan moyenne pression sont dotés de 4 niveaux de puissance ajustables automatiquement en fonction des besoins qui permettent d’optimiser la puissance des lampes et donc de diminuer substantiellement la consommation énergétique du générateur. La température des lampes moyenne pression, qui peut atteindre 600 °C, est intégralement compensée par le refroidissement résultant du débit d’eau en contact permanent avec la gaine de quartz. Enfin, la pureté du quartz utilisé dans l’élaboration des gaines enveloppant les lampes UV prévient tout risque de solarisation (changement de la structure cristalline du quartz qui entraîne une perte de ses propriétés mécaniques et conduit à une cassure).Frédérick Cousin confirme « l’importance de cette validation des appareils selon les normes américaines DHS (mises au point par l’État de Californie, précurseur en la matière) ou le protocole allemand de DVGW. La France délivre également un agrément au travers de l’AFSSA. Ces agréments ont un coût mais sont une garantie de résultat particulièrement importante pour les usages en eau potable ».
Les lampes UV s’installent soit en réacteur fermé pour les applications eau potable, industrie et, d’une manière générale, les autres usages en eau propre, soit en canal ouvert pour les traitements des eaux usées.
OEI France, créée en 1998, fournit des générateurs d’ozone et destructeurs d’ozone fabriqués par Ozono Elettronica Int. ainsi que des équipements de désinfection UV fabriqués par LIT Technology. Cette société compte à ce jour plus de 100 installations en France et près de 1 000 à l’international.
Petits débits (jusqu’à quelques centaines de m³/h), soit en canal ouvert pour les gros débits (plusieurs milliers de mètres cubes à l’heure), notamment sur les effluents en sortie de station d’épuration et pour les applications de réutilisation de l’eau.
Selon les caractéristiques de l’eau, différents matériaux sont utilisés : inox, polymères (notamment sur l’eau de mer) etc. Faut-il inclure un dispositif de nettoyage automatique des lampes ? « En eau résiduaire, c’est impératif car il faut maintenir un état de propreté permanent des tubes pour garantir l’irradiation. Sur des circuits d’eau potable ou industrielle propre, un nettoyage manuel une à deux fois par an est beaucoup plus simple et permet de contrôler de visu l’état de l’installation », explique Jean-Yves Perrot.
« Deux types de systèmes coexistent, dont les principes de fonctionnement et les objectifs sont différents et complémentaires, en fonction de la qualité de l’eau à traiter, explique Gilles Dieu, responsable technique chez OEI France. Le point commun de ces deux solutions est la périodicité de mise en œuvre qui dépend directement de l’application. Le nettoyage mécanique, recommandé en épuration mais non nécessaire en eau potable, repose sur un raclement des gaines quartz par des bagues en Teflon®. Son action porte sur l’élimination des particules solides. Le nettoyage chimique est recommandé s’il existe un risque d’incrustation en surface des gaines de quartz (en cas de fer dissous notamment), que ce soit en épuration ou en eau potable. Le principe repose sur l’application d’une solution de nettoyage à l’extérieur des gaines quartz et son action porte sur l’élimination des incrustations à la surface des gaines quartz, sur lesquelles le nettoyage mécanique n’a aucune action. »
Un marché en devenir
En termes d’offre sur le marché, on trouve bon nombre d’intervenants de taille plus ou moins importante : Trojan et Wedeco qui figurent parmi les leaders mondiaux, Bio-UV et ProMinent, des ingénieristes comme Degrémont Technologies Ozonia (qui possèdent leur propre gamme de lampes), Vinci pour l’eau potable et des sociétés plus petites comme Abiotec, Aquabion, Hydrobios, RER, Rime, UVGERMI-Bordas, Gruenbeck, Cifee (qui a lancé à Pollutec Paris son « Mur de feu UV antibactérien ») voire des sociétés très petites comme Lefco qui disposent néanmoins d’un réel savoir-faire dans cette technologie, sans oublier des fournisseurs de lampes comme Philips. Un paysage qui pourrait bien évoluer vu la dynamique du marché, mais dans lequel on trouvera des produits et des solutions. La France (moins d’une centaine de stations d’épuration équipées) est plutôt en retard sur l’utilisation des UV en général par rapport à des pays comme l’Allemagne, la Suisse, l’Autriche, la Grande-Bretagne et les États-Unis, très en avance, notamment pour l’eau potable (lutte contre Cryptosporidium) et les stations d’épuration (dès 1985 des UV sont installés).
Elle se situe dans la moyenne en matière de piscines publiques : 300 piscines équipées dont 250 par Bio-UV qui en a équipé autant en Europe.
L’Italie et l’Espagne sont très actives en UV sur les eaux résiduaires : la pénurie d’eau pousse la réutilisation et ce sont aussi des pays balnéaires, sensibles aux rejets en mer à proximité des plages.
Degrémont a annoncé récemment l’équipement du port de Halifax au Canada avec trois stations pour une capacité totale de 640 000 m³/j avec désinfection UV.
Trojan revendique bon nombre d’installations sur des effluents de stations d’épuration en Chine.
Wedeco met de son côté en exergue les plus grosses unités de désinfection UV au monde, que ce soit en désinfection d’eaux destinées à la potabilisation avec sa référence à Vancouver (Seymour Capilano – 2 161 000 m³/j) et sa référence en Nouvelle-Zélande à Mangere STP qui désinfecte 59 400 m³/h d’eaux résiduaires urbaines.
En France, une grosse affaire pourrait débloquer le marché en servant de référence : les stations d’Eau de Paris d’Orly et Joinville, chacune d’environ 12 500 m³/h, devraient être équipées (appel d’offres clos mi-mars 2008).
Quel est l’avenir des UV ? Pour Benoît Gillmann, P-DG de Bio-UV, « Nous sommes au tout début du vrai développement de l’UV dans sa partie noble qui est la sécurisation de l’eau potable. Mais le développement de la réutilisation des eaux usées va également booster les UV. Ce sont les deux axes de développement principaux, même s’il ne faut pas négliger l’apport des UV dans certaines problématiques comme par exemple les légionelles. »
