Brevet FR2969140A1 — publié le 20120622

PROCEDE ET APPAREILLAGE POUR LA DESINFECTION DE L'EAU DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un procédé et un appareillage pour la désinfection de l'eau, et en particulier pour la maîtrise du biofilm susceptible de se développer dans des circuits d'eau. ARRIERE-PLAN TECHNIQUE Les circuits d'eau tels que les circuits d'eau de refroidissement font généralement l'objet d'un traitement de désinfection pour l'élimination des micro-organismes. Un traitement de désinfection classique consiste à injecter dans l'eau des produits chlorés ou bromés. Toutefois, de tels traitements sont générateurs de pollution et sont peu ou pas actifs contre les micro-organismes vivant dans les biofilms des circuits. On désigne par biofilm un ensemble formé d'une matrice de polymères organiques et de micro-organismes (bactéries, champignons, algues ou protozoaires), adhérant entre eux et à une surface. A titre d'alternative aux produits chlorés ou bromés, il est connu d'utiliser d'autres composés, notamment l'ozone ou le peroxyde d'hydrogène. En particulier, le peroxyde d'hydrogène est utilisé en tant que substance oxydante susceptible de s'attaquer à la paroi des cellules. En général, le peroxyde d'hydrogène est utilisé avec un activateur, par exemple des ions argent ou de l'acide peracétique. L'efficacité du peroxyde d'hydrogène sur les biofilms est modérée, et l'utilisation d'activateurs est génératrice d'une pollution supplémentaire. Il est également connu d'irradier l'eau avec un rayonnement ultraviolet, qui a un effet germicide sur les micro-organismes circulants. Toutefois, ce traitement n'a aucun impact sur les micro-organismes qui ne sont pas directement soumis au rayonnement, et par conséquent aucun effet sur les biofilms des circuits. R:A31800\31893 ATOR\31893-101103-Texte depot.doc - 16 novembre 2010 Or, la présence d'un réservoir important de micro-organismes indésirables dans les biofilms (par exemple des légionnelles) peut être à l'origine d'accidents sanitaires, des parties de biofilm étant susceptibles de se détacher et de libérer subitement dans l'eau en circulation une quantité importante de micro-organismes. Les seuls traitements disponibles à ce jour pour lutter contre le biofilm consistent à injecter dans l'eau des produits dispersants de sorte à désagréger le biofilm et détruire ensuite les microorganismes ainsi libérés dans l'eau. Il existe donc un réel besoin de fournir un procédé de désinfection de l'eau amélioré, permettant en particulier de maîtriser la croissance des biofilms, voire de réduire les biofilms, tout en limitant les rejets toxiques pour l'environnement. RESUME DE L'INVENTION L'invention concerne en premier lieu un procédé de désinfection d'eau comprenant : - l'injection dans l'eau de peroxyde d'hydrogène ; et - l'irradiation de l'eau par un rayonnement ultraviolet. Selon un mode de réalisation, l'eau est de l'eau circulant dans un circuit fermé ou semi-ouvert, de préférence dans un circuit de refroidissement. Selon un mode de réalisation, l'irradiation est effectuée directement dans le circuit d'eau ou dans une dérivation de celui-ci, une pompe de recirculation permettant à la totalité de l'eau du circuit d'être irradiée de 1 à 10 fois par heure par le rayonnement ultraviolet. Selon un mode de réalisation, la concentration de peroxyde d'hydrogène dans l'eau est de 1 à 100 mg/L, de préférence de 20 à 60 mg/L. Selon un mode de réalisation, l'irradiation de l'eau est effectuée à une dose de 5 à 200 mJ/cm2, de préférence de 40 à 160 mJ/cm2. Selon un mode de réalisation, le rayonnement ultraviolet comprend un rayonnement à une longueur d'onde inférieure ou égale à 254 nm, de préférence un rayonnement à une longueur d'onde inférieure ou égale à 200 nm. Selon un mode de réalisation, l'irradiation est effectuée en continu, et l'injection de peroxyde d'hydrogène est effectuée de manière répétée ou continue. L'invention concerne également un système de désinfection d'eau, comprenant : - des moyens d'injection de peroxyde d'hydrogène dans de l'eau ; et R:A31800\31893 ATOR\31893-101103-Texte depot.doc - 16 novembre 2010 - des moyens d'irradiation de l'eau par un rayonnement ultraviolet. Selon un mode de réalisation, les moyens d'irradiation de l'eau comprennent des moyens d'émission de rayonnement ultraviolet insérés dans une ou des gaines de quartz, les moyens d'émission de rayonnement ultraviolet et les gaines de quartz étant adaptés à être immergés directement dans l'eau, ou étant insérés dans une enveloppe. Selon un mode de réalisation, les moyens d'irradiation comprennent une ou plusieurs lampes à vapeur de mercure, ou à vapeur de xénon, ou une ou plusieurs diodes électroluminescentes émettant dans l'ultraviolet. Selon un mode de réalisation, les moyens d'irradiation sont adaptés à fournir un rayonnement à une longueur d'onde dans le vide inférieure ou égale à 254 nm, de préférence un rayonnement à une longueur d'onde dans le vide inférieure ou égale à 200 nm. Selon un mode de réalisation, le système ci-dessus comprend en outre des moyens de mesure de la concentration en peroxyde d'hydrogène dans l'eau. L'invention concerne également une installation comprenant un circuit d'eau et un système de désinfection d'eau tel que décrit ci-dessus, le système de désinfection d'eau étant adapté à désinfecter l'eau contenue dans le circuit d'eau. Selon un mode de réalisation, le circuit d'eau est un circuit d'eau de refroidissement. Selon un mode de réalisation, le système de désinfection d'eau est adapté à traiter directement la totalité du débit d'eau du circuit ou est disposé dans une dérivation du circuit d'eau munie d'une pompe de recirculation. La présente invention permet de surmonter les inconvénients de l'état de la technique. Elle fournit plus particulièrement un procédé de désinfection de l'eau amélioré, qui permet notamment de maîtriser la croissance des biofilms, voire de réduire les biofilms. Ceci est accompli grâce à un couplage entre l'utilisation de peroxyde d'hydrogène et une irradiation par rayonnement ultraviolet. Un effet synergique est observé entre ces deux modes de désinfection. Sans vouloir être lié par une théorie, il est suggéré que l'application de rayons ultraviolets en présence de peroxyde d'hydrogène génère des radicaux libres OH°, extrêmement réactifs, qui détruisent les nutriments organiques des micro- organismes et limitent ainsi le développement du biofilm. Selon certains modes de réalisation particuliers, l'invention présente également une ou de préférence plusieurs des caractéristiques avantageuses énumérées ci-dessous. R:A31800\31893 ATOR\31893-101103-Texte depot.doc - 16 novembre 2010 - La mise en oeuvre de l'invention n'engendre pas d'effets néfastes pour l'environnement, puisque le seul composé chimique nécessaire, à savoir le peroxyde d'hydrogène, est essentiellement non polluant. En particulier, aucun composé halogéné n'est produit. - La dose de peroxyde d'hydrogène nécessaire est inférieure à celle utilisée dans l'état de la technique. - La désinfection selon l'invention peut être appliquée à des installations existantes, même déjà contaminées. En particulier, pour désinfecter un circuit d'eau contaminé, il n'est pas forcément nécessaire de vider le circuit et de procéder à un nettoyage chimique ou mécanique, l'application directe de l'irradiation par rayonnement ultraviolet conjuguée au peroxyde d'hydrogène peut suffire. DESCRIPTION DE MODES DE REALISATION DE L'INVENTION L'invention est maintenant décrite plus en détail et de façon non limitative dans la description qui suit. L'invention concerne la désinfection d'eau. Par « eau » on entend dans le cadre de la présente demande toute composition comprenant au moins 50 % en masse d'eau, de préférence au moins 80 % en masse d'eau ou au moins 90 % en masse d'eau ou au moins 95 % en masse d'eau ou au moins 98 % en masse d'eau ou au moins 99 % en masse d'eau. Il peut s'agir notamment d'une solution aqueuse, comprenant des espèces dissoutes ou éventuellement des espèces solides en suspension ou éventuellement des substances sous forme liquide miscibles avec l'eau. L'eau au sens de la présente demande est une composition dans laquelle des micro-organismes sont susceptibles de se développer. La désinfection de l'eau au sens de la présente demande s'entend comme étant un traitement curatif ou préventif destiné à limiter ou empêcher le développement de micro-organismes ou à réduire le nombre et l'activité de ceux-ci. L'invention prévoit de désinfecter l'eau par injection de peroxyde d'hydrogène (de formule H202) dans l'eau et par irradiation de l'eau par un rayonnement ultraviolet. L'eau en question est généralement contenue dans un récipient. L'invention est particulièrement appropriée au cas où le récipient est un circuit, dans lequel l'eau circule en boucle ouverte, semi-ouverte ou de préférence en boucle fermée. Il peut s'agir notamment de l'eau contenue dans un circuit caloporteur, en particulier un circuit de refroidissement d'une installation domestique ou industrielle. L'invention R:A31800\31893 ATOR\31893-101103-Texte depot.doc - 16 novembre 2010 trouve particulièrement à s'appliquer aux circuits d'eau présents dans les installations de transfert de chaleur (climatisation, réfrigération, chauffage...). Le peroxyde d'hydrogène est en principe injecté dans l'eau sous forme liquide, généralement en mélange avec de l'eau (solution concentrée ou solution mère contenant généralement de 0,5 à 70% de peroxyde d'hydrogène). Les moyens d'injection du peroxyde d'hydrogène dans l'eau comprennent généralement des moyens de dosage, des moyens de mise en contact du peroxyde d'hydrogène avec l'eau (par exemple une pompe doseuse) et soit un réservoir de peroxyde d'hydrogène, soit des moyens de liaison à un réservoir (amovible) de peroxyde d'hydrogène. P a r « rayonnement ultraviolet » on entend un rayonnement électromagnétique de longueur d'onde comprise entre 10 et 400 nm. Le peroxyde d'hydrogène absorbant davantage le rayonnement aux faibles longueurs d'onde, il est utile que le rayonnement ultraviolet comprenne un rayonnement à une longueur d'onde aussi petite que possible. Le rayonnement ultraviolet émis peut comprendre une ou plusieurs raies discrètes ou un spectre continu. Il peut être éventuellement accompagné d'une émission électromagnétique dans d'autres domaines (par exemple dans le domaine visible ou l'infrarouge). Les moyens d'irradiation par le rayonnement ultraviolet comprennent des moyens d'émission de rayonnement ultraviolet, qui peuvent consister en une ou plusieurs lampes à vapeur de mercure, ou éventuellement consister en une ou plusieurs lampes à vapeur de xénon ou en une ou plusieurs diodes électroluminescentes (ou light-emitting diode LED) émettant dans l'ultraviolet. On peut par exemple utiliser une ou plusieurs lampes à vapeur de mercure à basse pression émettant une raie à environ 254 nm (dans le vide). On peut alternativement utiliser une ou plusieurs lampes à vapeur de mercure à moyenne pression émettant un spectre continu, y compris dans le domaine de longueur d'onde dans le vide inférieur à 200 nm. Les moyens d'émission de rayonnement ultraviolet sont avantageusement disposés dans le circuit d'eau ou à proximité de l'eau et sont séparés de celle-ci par une paroi au moins partiellement transparente au rayonnement ultraviolet. Par exemple, dans le cas d'un circuit d'eau (de refroidissement ou autre) comprenant une ou plusieurs canalisations, les moyens d'émission de rayonnement ultraviolet sont insérés dans des gaines de quartz et ces sous-ensembles de lampes et gaines peuvent être : - soit immergés directement dans le circuit d'eau ; R:A31800\31893 ATOR\31893-101103-Texte depot.doc - 16 novembre 2010 - soit insérés dans une enveloppe (appelée généralement réacteur) dont la géométrie est optimisée en fonction de la puissance de la lampe, du débit et de la qualité de l'eau. Les moyens d'émission de rayonnement ultraviolet peuvent être positionnés parallèlement ou perpendiculairement au flux d'eau. Ce réacteur est raccordé au circuit d'eau soit pour traiter la totalité du flux, soit en dérivation. Dans ce dernier cas, une pompe de recirculation permet au volume total d'eau du circuit d'être irradié 1 à 10 fois par heure (et de préférence de 3 à 7 fois par heure) par le rayonnement ultraviolet. L'irradiation est de préférence effectuée à une dose de 5 à 200 mJ/cm2, de préférence de 40 à 160 mJ/cm2. La dose est indiquée selon le rapport de l'énergie électromagnétique émise sur la surface de l'eau irradiée. L'injection de peroxyde d'hydrogène est adaptée de sorte à ce que la concentration de peroxyde d'hydrogène dans l'eau soit de 1 à 100 mg/L, de préférence de 20 à 60 mg/L. L'injection de peroxyde d'hydrogène peut être effectuée en une seule fois ou en plusieurs fois (à intervalles de temps réguliers ou non), voire en continu. Etant donné que le peroxyde d'hydrogène se dégrade dans l'eau au cours du temps en raison notamment de l'irradiation par le rayonnement ultraviolet, il est généralement préféré de procéder à une injection répétée ou continue. Il est possible de prévoir des moyens de mesure de la concentration en peroxyde d'hydrogène dans l'eau, ainsi qu'une boucle de rétroaction ajustant l'injection de peroxyde d'hydrogène de sorte à conserver une concentration en peroxyde d'hydrogène dans l'eau dans une gamme prédéterminée. Le rayonnement ultraviolet peut également être appliqué une seule fois ou bien de manière répétée ou bien de manière continue, cette dernière option étant préférée pour plus d'efficacité. Pour une efficacité optimale dans le cadre d'un circuit d'eau, il est approprié de disposer les moyens d'irradiation à proximité des moyens d'injection de peroxyde d'hydrogène et en aval de ceux-ci dans le sens de circulation de l'eau. Il est bien entendu possible de prévoir plusieurs ensembles de moyens d'irradiation et / ou de moyens d'injection de peroxyde d'hydrogène, par exemple en plusieurs emplacements d'un circuit d'eau. EXEMPLE L'exemple suivant illustre l'invention sans la limiter. R:A31800\31893 ATOR\31893-101103-Texte depot.doc - 16 novembre 2010 Des expériences sont effectuées sur un pilote de laboratoire représentant une partie d'un circuit d'eau de refroidissement. Ce pilote est constitué : - d'un bac de stockage (capacité 100 litres) contenant l'eau à traiter ; - d'un réacteur photochimique fourni par la société Bio-UV, d'un volume de 2,3 litres et équipé d'une lampe plongeante basse pression à vapeur de mercure de longueur 40 cm et d'une puissance photonique de 8,5 W ; - de réacteurs biologiques composés de trois compartiments ~o identiques (triplicats) où circule l'eau à traiter et dans lesquels sont placées verticalement des lames de verre supportant les biofilms ; - d'un système d'injection de peroxyde d'hydrogène composé d'une pompe doseuse fonctionnant à un débit variant de 0,3 à 0,8 mL/min et injectant une solution de peroxyde d'hydrogène à 0,7 % en masse ; 15 - d'une pompe de recirculation (de débit égal à 500 L/h) prélevant l'eau du bac de stockage pour alimenter le réacteur photochimique - d'une pompe de recirculation (de débit égal à 60 L/h) prélevant l'eau du bac de stockage pour alimenter les réacteurs biologiques ; - d'un système de régulation de température (T = 27°C). 20 Le circuit est ensemencé par des légionelles à partir de biofilms âgés de 15 jours et développés sur un substrat artificiel (lames de verre) dans une source contaminée. Les lames de verre sont placées dans le pilote pour une période d'adaptation des biofilms de 10 jours avant l'application du traitement. 25 Les caractéristiques du circuit d'eau après ensemencement sont les suivantes : - pH : 8,5 ; - Conductivité : 285 pS/cm ; - Oxygène dissous : 10,5 mg/1_ ; 30 - Température : 27°C ; - Carbone Organique Dissous (COD) : 3 mg/1_ ; - Carbone Organique Total (COT) : 5,5 mg/1_ ; - Titre Alcalimétrique Complet (TAC) : 14°F ; - Bactéries cultivables dans l'eau : 1x105 à 5x105 UFC/mL, mesure 35 effectuée selon la norme NF EN ISO 6222 ; - ATP dans l'eau : 1,2 à 18,3 pmol/L, mesure effectuée d'après la norme ASTMD 4012-81 ; R:A31800\31893 ATOR\31893-101103-Texte depot.doc - 16 novembre 2010 20 - - ATP du biofilm : 1 à 30 pmol/cm2, mesure effectuée par adaptation de la norme ASTMD 4012-81 ; - Bactéries cultivables du biofilm : 2.104 à 3.106 UFC/cm2, mesure effectuée par adaptation de la norme NF EN ISO 6222 ; - Légionelles cultivables du biofilm : 20 à 600 UFC/cm2, mesure effectuée par adaptation de la norme NF T 90-431/Al . On mesure l'abattement obtenu pour les bactéries et notamment les légionnelles au bout de 50 heures de traitement continu avec une irradiation par rayonnement ultraviolet (lampe à vapeur de mercure basse pression) à 160 mJ/cm2 et avec une quantité de peroxyde d'hydrogène dans l'eau de 30 mg/L. L'abattement est calculé par rapport à un circuit sans traitement. Cet abattement est comparé avec celui obtenu avec l'irradiation ultraviolette seule ou l'injection de peroxyde d'hydrogène seule (témoins). Les résultats sont représentés dans le tableau ci-dessous : Abattement ATP Abattement bactéries Abattement légionnelles (biofilm) cultivables (biofilm) cultivables (biofilm) 0% 0% 0% 90 % 90 % 90 % > 99 % > 99,99 % > 99,8 % La qualité microbiologique de l'eau et l'élimination du biofilm sont maintenues au-delà de 250 heures de traitement continu. UV seul H202 seul UV + H202 R:A31800\31893 ATOR\31893-101103-Texte depot.doc - 16 novembre 2010 REVENDICATIONS1. Procédé de désinfection d'eau comprenant : - l'injection dans l'eau de peroxyde d'hydrogène ; et 5 - l'irradiation de l'eau par un rayonnement ultraviolet. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'eau est de l'eau circulant dans un circuit fermé ou semi-ouvert, de préférence dans un circuit de refroidissement. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel l'irradiation est effectuée directement dans le circuit d'eau ou dans une dérivation de celui-ci, une pompe de recirculation permettant à la totalité de l'eau du circuit d'être irradiée de 1 à 10 fois par heure par le rayonnement ultraviolet. 15 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la concentration de peroxyde d'hydrogène dans l'eau est de 1 à 100 mg/L, de préférence de 20 à 60 mg/L. 20 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel l'irradiation de l'eau est effectuée à une dose de 5 à 200 mJ/cm2, de préférence de 40 à 160 mJ/cm2. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel le 25 rayonnement ultraviolet comprend un rayonnement à une longueur d'onde inférieure ou égale à 254 nm, de préférence un rayonnement à une longueur d'onde inférieure ou égale à 200 nm. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel l'irradiation 30 est effectuée en continu, et dans lequel l'injection de peroxyde d'hydrogène est effectuée de manière répétée ou continue. 8. Système de désinfection d'eau, comprenant : - des moyens d'injection de peroxyde d'hydrogène dans de l'eau ; et 35 - des moyens d'irradiation de l'eau par un rayonnement ultraviolet. 9. Système selon la revendication 8, dans lequel les moyens d'irradiation de l'eau comprennent des moyens d'émission de rayonnement R:A31800\31893 ATOR\31893-101103-Texte depot.doc - 16 novembre 2010 10ultraviolet insérés dans une ou des gaines de quartz, les moyens d'émission de rayonnement ultraviolet et les gaines de quartz étant adaptés à être immergés directement dans l'eau, ou étant insérés dans une enveloppe. 10. Système selon l'une des revendications 8 à 9, dans lequel les moyens d'irradiation comprennent une ou plusieurs lampes à vapeur de mercure, ou à vapeur de xénon, ou une ou plusieurs diodes électroluminescentes émettant dans l'ultraviolet. 10 11. Système selon l'une des revendications 8 à 10, dans lequel les moyens d'irradiation sont adaptés à fournir un rayonnement à une longueur d'onde dans le vide inférieure ou égale à 254 nm, de préférence un rayonnement à une longueur d'onde dans le vide inférieure ou égale à 15 200 nm. 12. Système selon l'une des revendications 8 à 11, comprenant en outre des moyens de mesure de la concentration en peroxyde d'hydrogène dans l'eau. 13. Installation comprenant un circuit d'eau et un système de désinfection d'eau selon l'une des revendications 8 à 12, le système de désinfection d'eau étant adapté à désinfecter l'eau contenue dans le circuit d'eau. 25 14. Installation selon la revendication 13, dans laquelle le circuit d'eau est un circuit d'eau de refroidissement. 15. Installation selon la revendication 13 ou 14, dans laquelle le système de désinfection d'eau est adapté à traiter directement la totalité du débit 30 d'eau du circuit ou est disposé dans une dérivation du circuit d'eau munie d'une pompe de recirculation. 20 R:A31800\31893 ATOR\31893-101103-Texte depot.doc - 16 novembre 2010