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La technologie de désinfection des eaux épurées
par rayonnement UV a été développée
en Amérique du Nord ces 10 dernières années.
Elle est considérée comme la meilleure alternative
à la chloration.
Les rayonnements UV sont des ondes lumineuses de longueur d'onde
comprise entre 100 et 400 nm . Leur pouvoir germicide dépend
de la longueur d'onde émise. Ce sont les UVc compris entre
200 et 280 nm qui sont les plus germicides. L'efficacité
des rayons UV est fonction de la dose absorbée par les
micro-organismes. Cette dose est définie par le produit
de l'intensité UV par le temps d'exposition des germes
aux rayonnements.
Le principe traditionnel de désinfection par rayonnement UV consiste à soumettre l'eau à traiter à une source de rayonnements UV en la faisant transiter à travers un canal contenant une série de lampes submergées. ozone.ch propose un sytème révolutionnaire basé sur des réacteurs monolampe de faible diamètre: cette conception permet l'utilisation de lampe à longue durée de vie et à haut rendement, ce qui permet de ralentir consiérablement l'entartrage. Le système de netttoyage est aussi plus simple et peut être automatisé.
La source d'émission UV utilisée en désinfection
est la lampe à vapeur de mercure. Il s'agit de lampes à
arc électrique qui provoque l'excitation des atomes de
mercure, puis l'émission de radiations par retour à
leur état fondamental. Le spectre d'émission des
lampes dépend de la pression de mercure dans les lampes.
Les lampes à vapeur de mercure basse pression émettent
une lumière quasi-monochromatique à 254 nm, qui
correspond à la bande optimale de l'effet germicide. Elles
se présentent sous la forme de longs tubes de 1,5 à
2 cm de diamètre. Les longueurs standards sont de 91,4
et 162,6 cm pour des longueurs d'arc respectives de 76,2 et 147,3
cm. Les lampes sont généralement insérées
à l'intérieur d'un manchon de quartz, ce qui permet
de les immerger directement dans l'eau à traiter. Le quartz
transmet jusqu'à 90% de la radiation provenant de la lampe.
L'intensité transmise est également dépendante
du voltage, de la température autour de la lampe, de son
âge (les lampes basse pression ont une durée de vie
d'environ 3500 heures), et de son degré d'encrassement.
Les lampes à vapeur de mercure sont très sensibles
aux variations de température ; l'optimal se situerait
autour de 50°C .
La température influence la pression qui peut être
maintenue au niveau de la lampe. Trop basse, elle provoque une
chute de pression, les atomes de mercure s'en trouvent moins comprimés
donc plus difficilement excitables donc diminution de la quantité
électrique transformée. A l'inverse, une augmentation
de la température augmentera la pression, l'excitation
des électrons des atomes de mercure sera très grande
mais l'énergie lumineuse sera libérée dans
un spectre beaucoup plus étendu que 254 nm. C'est le cas
des lampes moyenne pression.
A pression supérieure, l'intensité de la décharge
électrique est augmentée mais le patron de dispersion
de la lumière générée n'est pas limité
à la zone germicide : il s'étend jusque dans le
visible.
En pratique, l'énergie perdue par la production de chaleur est beaucoup
plus grande pour les lampes moyenne pression que pour les lampes basse pression
mais du fait de la très haute intensité de la décharge,
moins de lampes sont requises pour fournir une dose donnée. Les lampes
à moyenne pression coûtent cependant beaucoup plus chères
que celles à basse pression et ont des durées de vie plus courtes;
elles ne sont utilisées que pour des stations à gros débit.
Du fait de leur rendement énergétique plus faible, elles posent
des probèmes d'entartrage qui ne se posent aps avec les lampes basse
pression.
Ils fournissent la tension électrique nécessaire à l'allumage,
et maintiennent la stabilité du courant électrique. Les intensités
à mettre en oeuvre pour assurer la désinfection des eaux résiduaires
sont de l'ordre de 100 mJ/cm2 pour un temps de contact de 10 à 20 secondes
: pour assurer une désinfection satisfaisante en permanence, l'appareil
doit fournir une dose de rayonnement UV minimale de 16 mWs/cm2 au point le plus
éloigné de la chambre de contact quel que soit le débit
entrant et la qualité de l'eau à désinfecter.
Il existe 2 types de réacteurs : les réacteurs fermés sous pression etles réacteurs ouverts ou canal ouvert ; les lampes y sont regroupées par modules avec un alignement vertical des lampes. Avec le canal ouvert, un dispositif de maintien du niveau d'eau au-dessus des lampes est nécessaire. Nous reccomandons l'utilisation de réacteurs multiples monolampe qui permettent d'assurer un rayonnement suffisant en tout point de l'appareil.
L'efficacité de la désinfection sur une installation UV dépend des paramètres de fonctionnement et des paramètres de qualité de l'effluent.
Les principaux paramètres de fonctionnement sont:
Il est fonction du débit et donc de la vitesse de passage de l'effluent
dans l'installation. Il faut considérer le temps d'exposition moyen aux
rayonnements UV qui est fonction de la conception hydraulique du chenal. Celle-ci
doit remplir 3 conditions fondamentales : le flux doit être le plus proche
possible du flux piston, sans dispersion axiale. Chaque élément
de volume reste alors pendant la même durée dans le réacteur.
le flux doit permettre une dispersion radiale afin que chaque élément
de volume se déplace dans des champs d'intensité lumineuse non
uniforme ; le volume du réacteur doit être utilisé au maximum,
en évitant les zones mortes et les courts-circuits hydrauliques pour
profiter au mieux de l'énergie UV fournie par les lampes et d'éviter
que l'effluent ne passe sans être désinfecté.L'utilisation
de réacteur monolampe élimine ces problèmes, l'écoulement
dans un réracteur tubulaire étant bien maîtrisé.
L'intensité UV nominale est fonction du nombre de lampes allumées.
L'intensité reçue par l'effluent diminue avec l'éloignement
par rapport à la lampe, notamment par dissipation de l'énergie
dans un volume plus grand. Ainsi, l'épaisseur de la lame d'eau entre
2 lampes est un paramètre de dimensionnement important pour les installation
à canal ouvert. Le système ozone.ch à
réacteurs monolampe élimine ce problème potentiel.
Les constituants contenus dans l'effluent absorbent le rayon UV dirigé contre les bactéries. On rapporte que plusieurs composés chimiques tels que les composés phénoliques, les acides humiques, les sulfonates, le fer ainsi que les agents de coloration interférent avec la transmission du rayon à 254 nm. La méthode utilisée pour quantifier cette interférence est la mesure de la transmittance qui représente la quantité de lumière disponible pour irradier un micro-organisme à une distance donnée.
Puisque le rayon UV est
peu pénétrant, les M.E.S (matières
en suspension) peuvent fournir une protection aux micro-organismes pour les
raisons suivantes :
le rayon n'atteint pas
(déviation) ou partiellement (pénétration
incomplète) la bactérie libre parce qu'une particule lui sert
de protection.
la pénétration sera également incomplète ou nulle
si la bactérie est adsorbée à une particule. La protection
sera favorisée par le nombre
de particules et la présence de
particules de grande taille, soit de tailles égales ou supérieures
à celles des bactéries. Ceci se traduit sur les courbes de l'abattement
bactérien en fonction de la dose appliquée par une asymptote
horizontale pour les doses élevées : une augmentation de la
dose n'a plus d'effets sur les germes car ils sont protégés
par les M.E.S. Une teneur en M.E.S supérieure à 25 mg/l limite
les performances de la désinfection par UV basse
pression. Par contre, la filtration de l'effluent les améliore.
Elle quantifie la diffusion de la lumière par une particule éclairée par une source lumineuse. Elle intègre les M.E.S et les matières dissoutes. On peut conclure que plus le traitement d'épuration en amont de la désinfection est efficace, plus les performances de la désinfection seront grandes.
Des essais en laboratoire ont permis de déterminer le degré de
résistance de différents micro-organismes par rapport à
la référence de 1 correspondant à Escherichia coli.
Les bactéries végétatives nécessitent à peu
prés les mêmes doses que Escherichia coli. Les virus testés
(rotavirus et poliovirus) sont 3 à 4 fois plus résistants, les
bactéries sporulées (Bacillus subtilis) sont environ 10 fois plus
résistants alors que les kystes de protozoaires (Acanthamoeba castellanii)
requièrent des doses environ 15 fois supérieures.
La résistance des bactéries sous forme non sporulée
est comparable à celle d'Escherichia coli. Les G.T.C.F
sont donc de bons indicateurs de désinfection pour les
bactéries.
Les virus sont moins sensibles aux rayonnements UV que les bactéries.
On note également une différence de sensibilité
entre virus, les rotavirus étant plus résistants
que les poliovirus. Plusieurs auteurs ont proposé comme
indicateurs de désinfection applicable aux virus les bactériophages
F2 (Havelaar et al., 1991, Dizer et al., 1993). En effet, leur
sensibilité serait identique à celle des rotavirus.
Ce sont les formes les plus résistantes et certains
micro-organismes parasitaires comme les ufs d'helminthe ne seraient
pas tués. Whitby et al.,(1985) ont comparé la sensibilité
des spores de Clostridium perfringens aux UV et au chlore. Les
UV détruisent 1.8 fois plus de spores que le chlore.
La réponse à l'UV est variable selon le type
de micro-organisme ciblé. En se limitant aux 3 groupes
principaux visés par la désinfection, la conclusion
de la majorité des auteurs va dans le sens de celle de
Chang et al.,(1985) .
La variation de sensibilité observée est difficilement
dissociable de son état morphologique. Puisque le rayon
doit pénétrer la cellule pour l'endommager, les
organismes possédant une paroi plus épaisse ou des
structures externes particulières seront en principe plus
résistants aux rayons.
Pour qu'il y ait désinfection, les lampes doivent fournir
une radiation lumineuse dont le spectre d'émission se situe
dans la région de l'UVc laquelle est la plus efficace à
produire un effet germicide. On observe ce dernier lorsque l'énergie
de la radiation est absorbée au niveau du matériel
génétique (A.R.N et A.D.N). Ce dernier contient
l'information qui est transmise d'une génération
à l'autre et qui permet de perpétuer les caractères
propres à l'espèce. Plus particulièrement,
ce sont les nucléotides, éléments constitutifs
des acides nucléiques qui absorbent le rayon, soit les
bases puriques (adénosine(A) et guanine(G)) et les bases
pyrimidiques (thymine(T) ou uracil(U) et cytosine(C)). Le spectre
d'absorption des acides nucléiques se situe dans une longueur
d'onde entre 210 et 310 nm avec un maximum à 260 nm.
Suivant l'exposition aux UV, il y a une variété
de photoproduits formés au niveau de l'A.D.N. dont le plus
important est le dimère de pyrimidines adjacentes sur un
des brins d'A.D.N. et dont les 3 types répertoriés
sont : T-T (appelé le dimére de thymine et le plus
fréquent), T-C et C-C. Le dimére crée une
distorsion au niveau de l'A.D.N., rendant inefficace voire impossible
la réplication du micro-organisme ; il en résulte
la mort cellulaire ou l'apparition d'une génération
de mutants non viables ou incapables de se reproduire.
Les bases pyrimidiques de l'A.R.N. des virus sont constituées
de cytosine et d'uracile, au lieu de thymine et de cytosine pour
l'A.D.N. des bactéries. La dimérisation de la thymine
est plus facilement induite par les UV que celle de l'uracile.
Ceci peut expliquer la plus grande résistance des virus.
Les réovirus ont un double brin d'A.R.N., sur lequel
davantage de dommages seraient nécessaires à l'inactivation
ou qui permettrait la redondance des informations, ce qui est
impossible sur un A.R.N. monobrin tel que celui du poliovirus.
Les réovirus sont 3 fois plus grands que les poliovirus
et possèdent une double membrane protéinique, qui
absorberait mieux les UV.
A l'intérieur du même genre bactérien,
la réponse peut être variable selon l'espèce,
en raison de la grosseur ou de la composition du génome
. Pour que la résultante de l'irradiation soit l'inactivation,
les micro-organismes doivent subir de multiples attaques au niveau
du génome. Les acides nucléiques requièrent
des dizaines voire des centaines de transformations photochimiques
pour que la réplication soit rendue non fonctionnelle.
En dehors de quelques exceptions, les organismes chez qui on observe
une résistance sont généralement ceux qui
sont le plus gros (plus de dommages nécessaires et de plus
grandes chances de contenir des protéines qui absorbent
le rayon). Jagger (1967) rapportait que les diméres de
thymine sont plus facilement formés que les autres types.
Donc, plus un génome contiendrait de thymine, plus il serait
sensible.
Le rayon UV cible principalement les acides nucléiques et provoque la formation de dimère de pyrimidines. Or, bien que les dimères soient des complexes relativement stables, certains micro-organismes développent des mécanismes pour détourner l'agression :
Ce mécanisme est basé sur une réparation
enzymatique, par monomérisation des dimères de la
base pyrimidique. La réaction est catalysée par
des longueurs d'onde de 320 à 500 nm, c'est à dire
sous l'action de la lumière solaire. Une étude réalisée
sur la photoréactivation suggère que celle-ci se
fasse en 2 étapes. Dans un premier temps, il y aurait formation
d'un complexe entre l'enzyme de photoréactivation et le
dimére de pyrimidines, cette étape ne nécessite
pas la présence de lumière ; dans un deuxième
temps, l'énergie lumineuse absorbée provoque la
monomérisation du dimère et éventuellement
la destruction du complexe EPR-enzyme. Le nombre d'enzymes présents
varie d'un organisme à l'autre et la vitesse de formation
des complexes est dépendante entre autres de la température
et du pH. Ainsi, le nombre de complexes formés est limité
par le nombre d'enzymes disponibles au niveau de la cellule, la
capacité de photoréactiver variant d'un organisme
à l'autre.
La photoréactivation est possible pour les germes suivants
:
Les streptocoques ont une très faible capacité de
photoréactivation.
Des études en laboratoire (Haaris et al., 1987) ont montré
des accroissements de 2 à 3 Ulog en Escherichia coli après
exposition à la lumière visible.
Sur site, Whithy et al.,(1994) ont étudié les facteurs
influençant la photoréactivation :
Cependant, la plupart des observations faites sur la photoréactivation
proviennent d'études de laboratoire. Les quelques essais
réalisés sur le terrain semblent démontrer
que la photoréactivation n'est pratiquement pas observable
en milieu naturel. Selon Whitby et al., (1993) d'autres facteurs
tels la sédimentation et l'effet létal naturel du
soleil empêcheraient toute augmentation significative du
nombre de bactéries. La photoréactivation doit donc
être prise en compte si les conditions environnementales
du milieu de rejet (lacs ou rivières à eaux claires)
laissent à penser que ce phénomène peut se
produire.
La réparation des dommages causés par les UV
est également possible à l'obscurité. Elle
se base sur une réaction enzymatique plus simple que la
photoréactivation. Son effet est négligeable face
à la photoréactivation.
Etant des parasites obligatoires, les virus ne possèdent pas de système enzymatique indépendant ce qui veut dire que pour se multiplier, ils doivent infecter une cellule hôte et utiliser les outils de travail de la cellule qu'ils infectent. Donc, après son passage à la désinfection UV, il faut que 3 conditions soient réunies pour qu'un virus produise une infection :
Cela signifie qu'en pratique, on ne verra pas le nombre de virus
humains augmenter directement à la sortie de l'unité
de désinfection, même s'il est exposé à
la lumière visible. Par contre, des expériences
avec des virus tels que l'herpès simplex et quelques adénovirus
ont mis en évidence des phénomènes de réparation
post-infection. Avec l'aide de la machinerie enzymatique de la
cellule hôte, les dommages causés par l'UV seraient
réparés par l'excision-resynthèse. Une autre
possibilité consiste en une réactivation en raison
de l'infection d'une même cellule par plusieurs virus simultanément
(réactivation par l'infection multiple). Ainsi, le virus
endommagé, incapable d'initier seul une infection pourrait
le faire avec l'aide d'un virus compagnon.
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