Brevet FR2897269A1 — publié le 20070817

Dispositif et procédé de désinfection d'eau par irradiation à l'aide d'un rayonnement dont la longueur d'onde est de 282 nm. L'invention concerne le domaine du traitement des eaux en vue de leur désinfection, tant dans le cadre de procédés d'épuration que dans le cadre de procédés de potabilisation. Plus précisément, l'invention concerne la désinfection des eaux par rayonnement ultraviolet. Selon une technique, l'eau à désinfecter transite dans une chambre d'irradiation à l'intérieur de laquelle sont disposées une ou plusieurs lampes dispensant un rayonnement ultraviolet. Classiquement, les lampes UV sont protégées par des gaines en quartz et sont disposées en fonction du sens d'écoulement de l'eau à désinfecter dans la chambre d'irradiation. Cette technique de désinfection par rayonnement ultraviolet en chenal ouvert ou en chambre fermée existe depuis une vingtaine d'années. Au fur et à mesure de l'évolution de la technique, les lampes UV ont présenté une puissance de plus en plus grande, notamment grâce à la technologie des lampes UV basse pression. On distingue en effet actuellement les lampes à mercure basse pression des lampes à mercure moyenne pression. Ces deux types de lampes émettent dans le domaine des UV-C (gamme de rayonnement UV allant de 200 à 290 nm) avec un spectre quasi monochromatique pour les basses pressions, à 254 nm, et polychromatique entre 200 nm et 400 nm pour les moyennes pressions. Ces lampes ont leur propre domaine d'application avec leurs avantages et leurs inconvénients en fonction des utilisations : Longueur Diamètre Pression interne Durée de vie T opératoire Longueur d'onde Puissance électrique Efficacité Basse pression amalgame HgIn 1,5 m environ 1,5 à 3 cm Environ 10"3 bars 10000 à 12000 h 90 C 254 nm 250 à 400 W 30 à 35% Moyenne pression lm 1,5 à 3 cm 2 à 3 bars 5000 à 8000 h 600 à 800 C polychromatique 1à15kW 10à 15% L'avantage principal de la basse pression est sa bonne efficacité et son spectre monochromatique qui évite la formation de sous-produits aux doses de 15 désinfection. Celui de la moyenne pression est sa puissance qui permet de traiter de gros débits pour un minimum de lampes. Toutefois, les lampes moyenne pression présente l'inconvénient, du fait de leur spectre polychromatique, d'engendrer la formation de sous-produits non 20 désirés. De plus, un inconvénient commun à ces deux types de lampes est qu'elles émettent un rayonnement pour lequel on constate une valeur d'absorption relativement importante de l'eau elle-même, ce qui tend à réduire l'efficacité du traitement et/ou à augmenter l'intensité du traitement (ceci étant de nature à 25 augmenter le coût du traitement). Par ailleurs, le cadre réglementaire actuel impose de traiter les lampes usagées contenant du mercure, un tel traitement nécessitant une filière adaptée. On comprend qu'un tel traitement des lampes usagées entraîne un coût non négligeable qui se répercute sur les coûts d'exploitation des lampes en 30 question. L'invention a notamment pour objectif de pallier les inconvénients de l'art antérieur. Plus précisément, l'invention a pour objectif de proposer une technique de désinfection d'eau par irradiation qui soit moins coûteuse et/ou contraignante à exploiter que les techniques connues, avec une efficacité au moins équivalente à celle-ci. L'invention a également pour objectif de fournir une telle technique qui évite la formation de sous-produits de désinfection. L'invention a aussi pour objectif de fournir une telle technique qui évite l'obligation de traitement spécifique des lampes usagées. Un autre objectif de l'invention est de fournir une telle technique qui soit simple de conception et facile à mettre en oeuvre. Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints grâce à l'invention qui a pour objet un dispositif de désinfection d'eau par irradiation, à l'aide d'au moins une lampe rayonnant dans le domaine des ultraviolets, caractérisé en ce que ladite ou lesdites lampes émettent un rayonnement d'une longueur d'onde d'environ 282 nm. La Demanderesse a constaté qu'une telle longueur d'ondes permet d'obtenir une action de désinfection au moins aussi efficace que celle des lampes rayonnant à 254 nm. Il est ainsi proposé, selon le principe de l'invention, d'utiliser une longueur d'ondes dans la gamme des UV sensiblement éloignée de celle des lampes actuelles rayonnant à 254 nm, ces dernières étant usuellement considérées par l'homme du métier comme étant celles qui présentent le meilleur rapport puissance/efficacité. Or, l'utilisation de lampes émettant à 282 nm dans le cadre de la désinfection d'eau entraîne plusieurs avantages. En premier lieu, comme cela va apparaître plus clairement par la suite, une longueur d'onde selon l'invention peut être obtenue avec des lampes qui ne contiennent pas de mercure et qui, par conséquent, n'impliquent pas, une fois usagées, de traitement spécifique par une filière spécialement prévue à cet effet. On peut de ce fait envisager des gains notables en termes de coût d'exploitation. De plus, une longueur d'onde de 282 nm est sensiblement éloignée des longueurs d'ondes pour lesquelles l'eau elle-même présente une valeur d'absorption non négligeable. On peut alors envisager de limiter les temps d'exposition de l'eau et/ou l'intensité du traitement pour obtenir une même dose que celle fournie par une lampe émettant à 254 nm. Selon une solution préférée, ladite ou lesdites lampes sont du type lampe Excimer, ladite ou lesdites lampes renfermant un mélange de xénon et de brome. La Demanderesse a pu constater qu'une telle lampe, en émettant la longueur d'onde selon l'invention, procure des résultats tout à fait probants en ternies de désinfection de l'eau. Ces lampes présentent en outre l'avantage de ne pas contenir de mercure et émettent pour certaines dans une zone de grande efficacité germicide. Avantageusement, ladite ou lesdites lampes présentent une puissance électrique comprise entre environ 100 W et environ 20 kW, et préférentiellement comprise entre environ 400 et environ 2 kW. De telles lampes sont donc opérationnelles dans une large gamme de puissances, en allant notamment jusqu'à des puissances comparables à celles des lampes moyenne pression qui permettent de traiter des débits d'eau importants avec un nombre de lampes limité. Préférentiellement, ladite ou lesdites lampes sont conçues pour appliquer chacune une dose comprise entre 250 J.m 2 et 1000 J.m 2, et avantageusement d'environ 500 Lm -2. On obtient en effet, pour une dose de 500 J.m2, un résultat, en termes d'abattement, similaire à celui que procure une lampe émettant à 254 nm avec une dose de 400 J.m 2. Avantageusement, le dispositif de désinfection d'eau comprend des moyens de régulation d'un débit d'eau dans ledit dispositif et/ou de la puissance de ladite ou desdites lampes de façon à réguler la dose appliquée par ladite ou lesdites lampes. L'effet des lampes peut ainsi être optimisé, notamment en fonction de la qualité de l'eau. L'invention concerne également une installation comprenant au moins un dispositif de désinfection d'eau par irradiation, à l'aide d'au moins une lampe rayonnant dans le domaine des ultraviolets, caractérisé en ce que ladite ou lesdites lampes émettent un rayonnement d'une longueur d'onde de 282 nm. Préférentiellement, une telle installation comprend au moins un radiomètre dont la sensibilité spectrale couvre au moins partiellement les UV-C. Avantageusement, l'invention comprend des moyens de mesure d'intensité par actinométrie. L'invention concerne aussi un procédé de désinfection d'eau par irradiation, à l'aide d'au moins une lampe rayonnant dans le domaine des ultraviolets, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une étape de désinfection comprenant l'émission, à l'aide de ladite ou desdites lampes, d'un rayonnement d'une longueur d'onde de 282 nm. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante des résultats d'essais conduits par la Demanderesse, et des dessins annexés parmi lesquels : la figure 1 est un graphique montrant un exemple de spectre d'absorption d'une eau traitée ; la figure 2 est une vue schématique d'un système d'irradiation selon l'invention ; - la figure 3 est un graphique montrant les courbes dose-réponse des spores Bacillus subtilis obtenues avec des lampes rayonnant à 254 nm et des lampes rayonnant à 282 nm ; - la figure 4 est une courbe dose-réponse permettant de définir les paramètres k (pente de la partie linéaire) et d (zone d'alternance) ; - la figure 5 est une courbe montrant l'évolution, en fonction de la longueur d'onde, des paramètres k et d et des spores Bacillus subtilis ; - la figure 6 est une représentation schématique d'une installation équipée d'un dispositif selon l'invention. En référence à la figure 1, un premier avantage de l'invention est mis en lumière à l'aide de la courbe du spectre d'absorption d'une eau traitée qui montre que la valeur d'absorption de l'eau est plus faible pour un rayonnement dont la longueur d'onde est de 282 nm que pour un rayonnement dont la longueur d'onde est de 254 nm. Ainsi, une longueur d'onde selon l'invention permet de s'écarter de façon importante des longueurs d'onde inférieures à 230 nm pour lesquelles l'absorption de l'eau est maximale. Pour les essais d'irradiation décrits par la suite, les microorganismes utilisés sont des spores de Bacillus subtilis (enregistré sous le numéro ATCC 6633) en provenance d'un laboratoire reconnu. On note que la forme sporulée des bactéries Bacillus fait partie des microorganismes les plus résistants aux systèmes de désinfections, et notamment aux UV. Cette souche, dont on connaît parfaitement la sensibilité à 254 nm et aux autres longueurs d'ondes (ses caractéristiques étant certifiées par l'ONORM un organisme autrichien de normalisation reconnu), est utilisée pour la validation des réacteurs UV en Europe. La souche de 1011 UFC a été mise en suspension 24 h avant les essais dans de l'eau distillée stérile. La solution a été ensuite diluée pour atteindre une concentration de 106 UFC.mL"1. L'analyse de la concentration en spores a été réalisée par dénombrement après mise en culture de 1 mL de solution dans un milieu gélosé Agar (par inclusion et après des dilutions de 10 en 10) pendant 48h 4h à 36 2 C. Le système d'irradiation utilisé pour la conduite des essais a consisté en un montage destiné à obtenir un flux UV quasi-perpendiculaire à l'échantillon afin d'être en mesure de calculer une dose de la façon la plus précise possible. On note que, selon différents modes de réalisation envisageables, les lampes peuvent être disposées parallèlement au flux, perpendiculairement au flux, voire de manière oblique par rapport au flux. Selon le mode de réalisation illustré par la figure 2, la solution à irradier est disposée dans une boîte de Petri 1 (20mL) et est constamment agitée pendant la durée de l'irradiation. La lampe 2 est une lampe Excimer de 120 W électrique dans laquelle le gaz de remplissage est du xénon et l'halogène du brome. L'échantillon est placé dans une boîte (ici en carton) 3 dans laquelle est ménagée une ouverture 31 destinée à former un passage pour le rayonnement de la lampe 2. Cette lampe est refroidie par de l'eau qui circule entre la lampe et une gaine de quartz qui renferme le brome et le xénon. Le calcul de la dose a été réalisé selon la méthode de Bolton, J (Bolton J.R. and K.G. Lirdon 2003, Standardization of Methods for fluence (UV Doses) determination in bench-scale UV experiments , J. Environ. Engr. 129 (3), 209-216): mesure de l'absorbance à 282 nm ; mesure de l'intensité à la surface de l'échantillon ; prise en compte de la sensibilité spectrale du radiomètre ; prise en compte de 2,5 % de réflexion (intensité perdue) ; calcul du facteur de Pétri qui représente la dispersion de l'intensité à la surface de l'échantillon, le faisceau de rayon n'étant pas complètement perpendiculaire à l'échantillon ; calcul de l'intensité moyenne au s ein de l'échantillon en prenant en compte la hauteur d'eau et les facteurs correctifs ; détermination des temps d'irradiation nécessaires pour obtenir des valeurs de doses précises. Les conditions d'irradiation nécessaires sont récapitulées dans le tableau suivant :30 Intensité à la surface de l'échantillon 1,65 W.m-z Sensibilité du radiomètre (par rapport à 254 nm) 0,6 Absorbance à 282 nm (lcm) 0,056 Facteur de Petri 0,86 Facteur de réflexion à la surface de l'eau 0,975 Hauteur de la lame d'eau 0,87 cm Temps d'irradiation pour 1 .1.m-2 0,458 s Temps d'irradiation pour 100 J.m-2 45,8 s Temps d'irradiation pour 200 .1.m-2 91,6 s Temps d'irradiation pour 300 J.m 2 137,5 s Temps d'irradiation pour 400 Lm -2 183,3 s Temps d'irradiation pour 500 J.m2 229,1 s Temps d'irradiation pour 600 J.m 2 274,9 s Temps d'irradiation pour 800 J.m 2 366,6 s Temps d'irradiation pour 1000 J.m 2 458,2 s Le protocole mis en oeuvre est le suivant. 20 Chaque dose a été appliquée en triple. Les résultats prennent donc en compte la variabilité de la manipulation d'irradiation mai aussi du dénombrement. Les résultats des essais sont représentés sur la figure 3. Les triangles représentent les abattements calculés à partir des moyennes 25 géométriques de chaque dénombrement pour une longueur d'onde de 282 nm. Les carrés correspondent à la courbe fournie par le laboratoire avec la souche de spores de Bacillus. Il s'agit de la courbe dose réponse à 254 nm officielle déterminée sur cette souche bien précise par un organisme certifié. Ces courbes montrent que les spores de Bacillus subtilis sont moins 30 sensibles à 282 nm qu'à 254 nm (de l'ordre de 0,5 Log de différence pour une dose équivalente). Cela implique donc d'appliquer une dose de 500 J.m 2 pour obtenir un abattement similaire à 282 nm que celui observé à 254 nm à 400 J.m 2 (soit 25 % de plus). Si l'on se réfère à la courbe de sensibilité de la souche utilisée, il apparaît 35 que la sensibilité des spores de Bacillus subtilis à 282 nm est très proche de celle déterminée à 254 nm (0,95 pour 1). La différence d'inactivation est donc nettement plus importante que la différence de sensibilité. La raison de cette différence réside dans deux aspects de la courbe dose û réponse illustrée par la 10 15 figure 4 : la pente k de la partie linéaire, qui est utilisée pour définir la sensibilité du microorganisme à une longueur d'onde Î. ; le paramètre d qui représente la zone de latence avant de noter un effet des UV sur la population. Par conséquent, une pente similaire entre deux longueurs d'onde peut présenter des différences de sensibilité non négligeables si les phases de latence diffèrent également de façon significative. A titre d'exemple, l'évolution des paramètres k et d de la souche utilisée pour les essais, en fonction de la longueur d'onde est représentée sur la figure 5. Il est donc indispensable de considérer ces deux paramètres lors de l'estimation de l'efficacité d'une longueur d'onde particulière sur un microorganisme précis. En effet, la courbe de sensibilité spectrale définie à partir de la pente k n'est pas toujours suffisante pour prévoir l'efficacité de désinfection (sauf sur les microorganismes ne présentant pas de phase de latence, et se baser uniquement sur la courbe d'absorption de l'ADN ne peut donc servir qu'à une première estimation de l'efficacité. La figure 6 illustre schématiquement une installation mettant en oeuvre un dispositif de désinfection selon l'invention. Tel qu'illustré, l'installation comprend un réacteur 61 dans lequel est disposée une lampe 2 susceptible d'émettre un rayonnement de 282 nm, les eaux à traiter transitant dans le réacteur entre une entrée 62 en partie haute du réacteur et une sortie 63 en partie basse du réacteur. La lampe 2 est montée dans une gaine de protection 21. Il est à noter que plusieurs lampes peuvent être prévues à l'intérieur du réacteur. Préférentiellement, l'installation comprend un radiomètre 64. De plus, un système de nettoyage 65 de la gaine est prévu à l'intérieur du réacteur. 9 Ce système de nettoyage est d'un type connu en soi, comprenant une ou plusieurs bagues de nettoyage montées coulissantes sur la gaine 21. REVENDICATIONS 1. Dispositif de désinfection d'eau par irradiation, à l'aide d'au moins une lampe (2) rayonnant dans le domaine des ultraviolets, caractérisé en ce que ladite ou lesdites lampes (2) émettent un rayonnement d'une longueur d'onde de 282 nm. 2. Dispositif de désinfection d'eau selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite ou lesdites lampes (2) sont du type lampe Excimer, ladite ou lesdites lampes renfermant un mélange de xénon et de brome. 3. Dispositif de désinfection d'eau selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite ou lesdites lampes (2) présentent une puissance électrique comprise entre environ 100 W et environ 20 kW. 4. Dispositif de désinfection d'eau selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite ou lesdites lampes (2) présentent une puissance électrique comprise entre environ 400 W et environ 2kW. 5. Dispositif de désinfection d'eau selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite ou lesdites lampes (2) sont conçues pour appliquer chacune une dose comprise entre 250 J.m 2 et 1000 J.m 2. 6. Dispositif de désinfection d'eau selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite ou lesdites lampes (2) sont conçues pour appliquer une dose d'environ 500J.m-2' 7. Dispositif de désinfection d'eau selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de régulation d'un débit d'eau dans ledit dispositif et/ou de la puissance de ladite ou desdites lampes (2) de façon à réguler la dose appliquée par ladite ou lesdites lampes (2). 8. Installation comprenant au moins un dispositif de désinfection d'eau par irradiation, à l'aide d'au moins une lampe (2) rayonnant dans le domaine des ultraviolets,caractérisé en ce que ladite ou lesdites lampes (2) émettent un rayonnement d'une longueur d'onde d'environ 282 mm. 9. Installation selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'elle comprend au moins un radiomètre (64) dont la sensibilité spectrale couvre au moins 5 partiellement les UV-C. 10. Installation selon l'une des revendications 8 et 9, caractérisé en ce qu'elle comprend des moyens de mesure d'intensité par actinométrie. 11. Procédé de désinfection d'eau par irradiation, à l'aide d'au moins une lampe (2) rayonnant dans le domaine des ultraviolets, 10 caractérisé en ce qu'il comprend au moins une étape de désinfection comprenant l'émission, à l'aide de ladite ou desdites lampes (2), d'un rayonnement d'une longueur d'onde d'environ 282 mm.