Le traitement des eaux par rayonnement UV

Introduction

Depuis le début du 20ème siècle , on sait que les rayonnements UV sont capables de supprimer de nombreuses formes de vie telles que les bactéries, les levures, les virus, les amibes, certains parasites... Seulement, à l’époque, les méthodes d’exploitation du pouvoir stérilisateur des UV étaient trop onéreuses pour pouvoir être démocratisées. Quelques décennies plus tard, un physicien nommé Ashok Gadgil se pencha à nouveau sur le traitement des eaux contaminées par irradiation UV. Ses travaux furent stimulés par l’envie de créer un procédé de stérilisation de l’eau à moindre coût pour répondre aux besoin des pays les plus démunis. L’épidémie de Choléra dit « du Bengale » de 1993 qui décima le Nord de l’Inde fût l’élément déclencheur de cet engouement.

Les objectifs du professeur Gadgil étaient les suivants :

- Un faible coût : un investissement inférieur à 2 dollars par utilisateur et par an (pour un village de 2000 habitants).

- Un entretien facile : il ne fallait donc pas que la lampe soit immergée, mais suspendue au-dessus de l’eau sans perdre de rayonnement pour limiter la consommation électrique.

- Un débit suffisamment élevé pour pouvoir approvisionner un village, soit atteindre 15 litres d’eau traitée par minute.

La première technologie « UVW » pour « UltraViolet Waterworks » a vu le jour en 1996.

Cette réussite scientifique et ses nobles intentions lui ont valu de nombreuses récompenses, comme le Health Award en 2004, ou encore l’introduction au musée des sciences et de l’industrie de Chicago, parmi les artistes et scientifiques incarnant « l’esprit et la créativité de Léonard de Vinci ».

Ashok Gadgil, Prix de l’inventeur européen, le 19 mai 2011

Un point sur les rayons Ultraviolets

Les rayonnements ultraviolets ou UV sont invisibles pour l’œil humain. Sur le spectre électromagnétique, leurs longueurs d’onde se situent entre 10 et 400 nanomètres (où 10nm représente la limite avec les rayons X et 400 nm la limite avec le spectre visible à l’œil nu).

Selon la longueur d’onde, les rayons ultraviolets ont une application différente :

- Pour stimuler la pigmentation de la peau (production de mélanine), on utilise les « UV-A ». Dans le spectre électromagnétique, les rayons des UV-A sont compris entre 315 et 400 nm.

- Les « UV-B » dont les longueurs d’onde sont comprises entre 285 et 315 nm, sont principalement utilisés dans les processus de vitaminisation alimentaire.

- Situés entre 200 et 280 nm , les « UV-C » ont une activité germicide (bactéries, virus, protozoaires, etc.). Le pic d’activité germicide est situé entre 254 et 260 nm.

Courbe d’inactivation des micro-organismes par traitement UV

Cette activité est aujourd’hui largement utilisée dans les processus de stérilisation, aussi bien en industrie pharmaceutique, que dans l’agroalimentaire ou simplement le traitement de l’eau. En Allemagne et en Autriche, la désinfection de l’eau par UV est déjà largement répandue, tandis qu’elle peine à s’imposer en France.

Le mécanisme d’action des UV-C

Les UV-C affectent le patrimoine génétique des différents micro-organismes contenues dans l’eau. La fluence est absorbée par leur ADN et leur ARN (donc même les virus à ARN sont directement impactés). Le spectre d’absorption des nucléotides se situe entre 210 et 310 nm avec un pic d’absorption autour de 260 nm. Ceci concerne les bases puriques (Adénine et Guanine) et les bases pyrimidiques (Uracil, Thymine et Citosine).

En fonction de l’exposition aux UV-C, le code génétique de l’organisme ciblé va subir des distorsions dont les formes sont variables. Le plus souvent, les photo-produits sont des dimères de pyrimidines. Cette modification du code génétique va enlever à l‘organisme ciblé la capacité de se reproduire, voire provoquer directement la mort de celui-ci. Les photo-produits les plus courants sont les dimères de Thymine (T-T). La dimérisation de l’Uracile est plus difficile à déclencher, ceci explique pourquoi les virus à ARN sont plus résistants.

Un des avantages du traitement des eaux par un réacteur avec lampe à UV, c’est que les UV ne vont pas modifier la matrice physico-chimique de l’eau, tandis que les agents de désinfection chimique (ozone, chlore, eau de javel, bioxyde de chlore) vont générer des sous-produits parfois toxiques. Ainsi, la qualité de l’eau reste la même qu’en amont, mais sans les organismes indésirables. Le processus est donc écologique et économique.

Le matériel nécessaire à la potabilisation de l’eau

Le premier élément est la lampe UV, il en existe de différentes sortes en fonction des applications. Pour la potabilisation de l’eau, il faut réunir plusieurs conditions. La première est que l’eau doit être claire. En effet, les études ont montré que la présence de fer, de composés phénoliques, de sulfonates, d’acides humiques ou de colorants interfèrent avec le rayonnement UV, réduisant son efficacité.

L’eau doit être au maximum dépourvue de matières en suspension, car les organismes peuvent facilement s’abriter dans l’ombre de celles-ci et survivre. Les matières en suspension et le résidu à sec, soit l’ensemble des substances solides dissoutes (TDS), vont avoir un impact direct sur la turbidité (quantification de la diffusion de la lumière par une particule visée par un rayonnement), et il est donc indispensable que le traitement d’épuration de l’eau soit fait en amont.

Le second élément est le ballast (transformateur de la lampe). Celui-ci doit apporter à la lampe la tension nécessaire à la production d’une dose suffisante de rayons UV.

Prenons un exemple : Pour assurer la potabilisation des eaux épurées, la lampe doit fournir 100 mWs/cm² (cette unité mesure la « dose de rayonnement », elle peut être exprimée également en J/m²) en contact avec les éléments ciblés pendant 10 à 20 secondes.

Pour maintenir la stérilisation, les éléments les plus éloignés de la source de rayonnement doivent être exposés à une dose de rayonnement minimale de 15mWs/cm².

Pour calculer cette « dose d’UV » ou « fluence » on utilise la loi de Beer-Lambert :

D (dose d'exposition) = P / S × exp(-KY)×T où, « P » exprime la puissance de la lampe en Watts, « S » la surface émettrice en m², « K » le coefficient d’absorption du liquide à traiter en m-1, « Y » l’épaisseur de la lame d’eau en m, et « T » le temps d’exposition en s.

Le dernier élément est le réacteur. Il en existe deux types : fermé et non fermé. Pour éliminer les micro-organismes, on n’utilise que les réacteurs fermés. Le but de ce dernier est de maximiser les effets de l’énergie UV pour fournir un pouvoir désinfectant à moindre coût.

Schéma d’une lampe UV industrielle

En pratique :

Comme expliqué plus haut dans cette article, les lampes UV n’ont de véritable intérêt que si elles sont utilisées sur des eaux débarrassées d’un maximum de particules en suspension, de manière à toucher l’ensemble des micro-organismes. Elles sont donc installées en aval de systèmes de filtration ayant déjà retiré les plus grandes particules solides en suspension.

Pour extraire ces particules, il est conseillé d’utiliser des systèmes d’ultrafiltration (pour les particules en suspension seulement) ou d’osmose inverse (pour les particules dissoutes également) pour effectuer un premier traitement de l’eau.

Les micro-organismes qui seraient passés à travers les membranes et/ou se seraient développés en aval de ces membranes seront détruits par la lampe UV. En pratique, les lampes UV sont donc utilisées en aval d’un système d’ultrafiltration ou d’un réservoir contenant une eau déjà filtrée par ultrafiltration et/ou osmose inverse. La société Oja Solutions propose des solutions de désinfection par lampe UV adaptées aux besoins des particuliers, des professionnels et des industriels.

La puissance des lampes est adaptée aux besoins de chacun vis à vis du débit souhaité. https://www.josmose.fr/osmoseur/accessoires-osmoseur/lampe-uv/lampe-uv-phillips-2-clips

Afin de limiter la consommation électrique des lampes UV, des astuces d’installation sont proposées dans cet article : https://www.josmose.fr/blog/123-une-astuce-pour-gerer-votre-lampe-uv-automatiquement

Dr Clément Parmentier

Sources :

- https://www.wipo.int/ipadvantage/fr/details.jsp?id=2564

- http://www.lejournaldesfluides.com/actualite/le-traitement-de-leau-par-uv-une-methode-efficace-pour-eliminer-les-micro-organismes/

- https://www.emse.fr/~brodhag/TRAITEME/fich19_1.htm

- https://www.u-picardie.fr/beauchamp/duee/mignot.htm