La stérilisation UVC

Après la filtration et le système hydraulique, la stérilisation est le troisième constituant important d’un bassin. Il sera question ici de la stérilisation UVC : vu l’importance et la quantité de données à traiter, le traitement à l’ozone sera abordé dans un autre chapitre.

A. Utilité d’un stérilisateur UVC

A quoi sert un stérilisateur UVC ?

Le plus souvent, les détenteurs de bassin sont confrontés à des problèmes d’eau verte: sous l’effet du soleil (et d’autres facteurs), la lumière provoque un développement excessif d’algues en suspension et dans ce cas, un stérilisateur UVC peut régler ce problème.

Certains utilisateurs plus soucieux du bien-être des poissons, souhaitent également limiter la prolifération de pathogènes (bactéries, parasites) dans le bassin.

En installant un stérilisateur, les propriétés germicides des rayons UVC peuvent produire l’effet souhaité sans générer de sous-produits dans l’eau. L’effet n’est pas rémanent, et l'efficacité varie entre 90 et 99,99 % selon la durée d'exposition de l'eau au rayonnement UVC.

Le marché propose quantité d’appareils : nous verrons comment les choisir et comment les installer, mais avant cela, un peu de théorie….

Les rayons UV

Les rayons UV sont invisibles et peuvent être classés en trois catégories: UV-A, UV-B et UV-C. Le schéma suivant vous permet de situer ces rayons sur le spectre électromagnétique.

Ce schéma représente la répartition des ondes électromagnétiques dans l’ordre décroissant de leur fréquence.

Les UVC sont situés dans la gamme de 280 à 100 nanomètres (nm).

L’effet germicide de ces rayons est variable selon la longueur d’onde: la plage intéressante est comprise entre 250 et 270 nm.

Le pic de l’effet germicide est situé à 257 nm: en ce qui nous concerne, La plupart des lampes UVC émettent à une longueur d’onde de 253,7 nm (254 nm).

Nous verrons plus tard que les lampes et tubes quartz peuvent procurer divers avantages.

La lumière solaire constitue la principale source de rayonnement UV (UVA, UVB et UVC). Le rayonnement UVA représente près de 95 % du rayonnement atteignant la surface de la Terre.

Les rayons UVB peuvent causer des brûlures (coups de soleil) des rougeurs: des expositions prolongées au soleil peuvent augmenter le risque de cancer de la peau.

Les rayons UVC sont extrêmement dangereux. Mais ces rayons solaires sont absorbés par la couche d'ozone de l'atmosphère et n’atteignent donc pas la Terre, enfin théoriquement…

Il en est autrement du rayonnement émis par nos lampes UVC : les yeux sont particulièrement sensibles et une courte exposition de quelques secondes peut provoquer des affections douloureuses. Il est donc indispensable de se protéger la peau et de porter des lunettes de protection afin d’éviter une conjonctivite ou un érythème (UV à immersion).

Noter que lorsqu’une lampe UVC fonctionne, elle émet une lumière bleue : cette lumière visible n’est pas un rayonnement UVC (qui est invisible) mais un témoin qui indique simplement que la lampe est sous tension.

Si cette lampe est très usagée, il est probable qu’elle n’émet plus beaucoup d’UVC même si la lumière bleue est toujours bien visible.

Effet germicide

Lorsqu'un micro-organisme est irradié au rayonnement UVC, le noyau de la cellule est atteint, et la duplication de l'ADN est stoppée. Le rayonnement UVC a un effet sur l'ADN, l'acide nucléique et les enzymes.

Selon la quantité d'énergie UVC absorbée, une cellule vivante peut être soit stérilisée (effet bactériostatique), soit détruite (effet bactéricide). Dans le cas d'une absorption moyenne, la cellule continue à vivre, mais sans possibilité de se reproduire : elle est donc amenée à disparaître.

L'effet bactéricide ou germicide permet la destruction immédiate de la cellule mais dans ce cas une absorption d’UVC supérieure est requise.

Les micro-organismes simples et petits (bactéries, virus) peuvent être détruits bien plus facilement que les micro-organismes complexes (algues, champignons...)

Dose UVC

L’efficacité de la désinfection UVC dépend directement de la dose utilisée.

Pour un micro-organisme donné, l'effet de destruction est fonction de l'intensité (I en Watt/m2)) des UVC qu'il absorbe et du temps d'exposition (T en secondes).

Nous avons la formule dose = I x T
 
Une forte intensité pendant une courte durée ou, une faible intensité durant une plus longue exposition  sont - quasiment - de valeurs identiques dans les effets.

La dose en tant que grandeur fondamentale est indiquée en J/m² ou en  µW*s/cm². D’autres unités sont également utilisées : le mJ/cm2 qui équivaut à 10 J/m2 ou à 1000 micro watt seconde/cm2.

Attention, les unités d’intensité mW/cm2 sont souvent confondues avec les unités mJ/cm2.

La dose est obtenue en multipliant l’intensité par le temps. Nous verrons par la suite que des paramètres influencent la dose à irradier: la formule simplifiée doit donc être adaptée à notre situation.

Les stérilisateurs utilisés dans le traitement de fluides (industrie, traitements des eaux etc.) sont caractérisés par une dose 25 mJ/cm² ou 50 mJ/cm²  à leur débit nominal.

Cette norme est établie pour un micro-organisme type: Escherichia Coli. Il existe de nombreuses variétés de micro-organismes et tous varient dans leur structure et leur sensibilité aux rayons UVC.

Le choix de l'équipement de désinfection dépend donc d’une part du type de micro-organismes, et d’autre part du niveau d’inactivation souhaité.
 
Pour un niveau d'inactivation de 90% (taux de survie 10%) il faut une dose D log 1

Pour un niveau d’activation de 99%, il faut irradier une dose D log 2

Pour un niveau d’activation de 99,9%, il faut irradier une dose D log 3

Pour un niveau d’activation de 99,99%, il faut irradier une dose D log 4
 
Voici par exemple, les doses concernant E. coli à divers niveaux d’activation (Wu et al. 2005)
 
4 mJ/cm2 - 90.0%  Log 1

6 mJ/cm2 - 99.0%  Log 2

9 mJ/cm2 - 99.9%  Log 3

10 mJ/cm2 - 99.99%  Log 4

13 mJ/cm2 - 99.999% Log 5
 
Vous trouverez sur Internet quantité d’informations et de données à ce sujet. Retenez simplement que dans le domaine du bassin, nous visons la destruction des algues et des bactéries pathogènes habituelles.

On ne stérilise pas l’eau du bassin, de toute façon, l’effet des UVC n’est pas rémanent et même si cela était possible, cela ne serait pas souhaitable.

En piscine, c’est différent : une eau désinfectée et désinfectante est souhaitée, il faut donc combiner un stérilisateur UVC avec un procédé qui offre de la rémanence (le chlore par exemple).

Valeurs utiles

Voici quelques valeurs utiles : le tableau suivant nous indique quelques doses UVC nécessaires pour traiter certains micro-organismes.

Algues	Dose UVC
Chlorella vulgaris	13 mJ / cm2 (Log-1) - 3,1 mJ / cm2 (Log-3)
Bactéries
Aeromonas salmonicida	1,5 mJ / cm2 (Log-1) - 3,1 mJ / cm2 (Log-3)
Aeromonas hydrophila	1,1 mJ / cm2 (Log-1) - 3,9 mJ / cm2 (log-3)
Flavobacterium psychophilum	126 mJ / cm2
Pseudomonas fluorescens	3,5 mJ / cm2 (Log-1) - 6,6 mJ / cm2 (Log-2)
Pseudomonas aeruginosa	5,5 mJ / cm2 (Log-1) - 10,5 mJ / cm2 (Log-2)
Listeria monocytogenes	16 mJ / cm2 (Log-5)
Bacillus subtils (spores)	24 mJ / cm2 (Log-3) - 47 mJ / cm2 ( Log-3)
Vibrio anguillarum	0,5 mJ / cm2 (Log-1) - 1,5 mJ / cm2 (Log-3)
Champignons
Saprolegnia	39 mJ / cm2 - 170 mJ / cm2
Protozoaires
Ichthyophthirius white spot	40 mJ / cm2 (Log-1)
Trichodina sp	35 mJ / cm2 (Log-3)
Costia necatrix	318 mJ / cm2 (Log-3)
Chilodonella cyprini	1000 mJ / cm2 (Log-1)
Oodinium ocelatum	35 mJ / cm2 (Log-1)
Virus
KHV	4 mJ / cm2
ISA (Infectous Salmon Anemia)	8 mJ / cm2

Les doses indiquées dans cette liste proviennent de nombreuses sources différentes.

Ces valeurs peuvent varier selon l’expérimentateur (références : Wilson, Liltved et Landfald, Sommer, Marshall, Hoffman).

B. Efficacité des UVC

Paramètres qui modifient l’efficacité des UVC.

Transmittance – Turbidité

Les rayons UVC se propagent très facilement dans l’air: mais l’eau contient des matières sous forme dissoute ainsi que des particules en suspension qui réduisent la transparence de l’eau, et donc de la propagation des UVC.

La transmittance de l’eau doit être de 75% au minimum pour un fonctionnement optimal.

La turbidité indique la quantité des matières en suspension (MES) organiques (algues) et inorganiques (argile). Son unité est le NTU et elle se mesure avec un turbidimètre (néphélométrie).

Elle n’est pas une mesure directe (nombre, masse) de ces particules dont l’unité s’exprime en mg / litre, mais une mesure optique de leur influence sur la lumière.

Pour donner une idée, l’eau potable se situe de 0,02 à 0,5 NTU et ne doit pas dépasser 2 NTU. 

Beaucoup de normes ou de guides d’utilisation préconisent 1 NTU maxi dans le cas de la désinfection d’une eau potable.

Une eau claire est inférieure à 5 NTU, une eau légèrement trouble de 5 à 30 NTU et trouble au-dessus de 50 NTU.

Certaines études ont démontrées qu’une turbidité supérieure à 100 NTU n’a pas d'impact réel sur la désinfection UVC.
 
Dans ce cas extrême (normalement, cette situation ne se rencontre pas dans nos bassins sauf dans le cas de l’installation d’un stérilisateur dans un bassin jamais traité), dans ce cas extrême, il faut compenser en réduisant le débit d’eau ou en augmentant la puissance UVC.

Turbidité NTU	Absorbance	Transmittance	Intensité mW / cm2	Temps s
0,25	0,07	86 %	0,40	12,4
5	0,11	78 %	0,39	12,8
10	0,15	71 %	0,36	13,9
20	0,23	59 %	0,33	15

La colonne 5 indique le temps, en secondes, qu’il est nécessaire pour obtenir une dose de 5 mJ/cm2. La turbidité influence donc la transmittance mais le rapport entre ces deux paramètres n’est pas linéaire !  

L’eau d’un bassin peut être plus ou moins colorée, ce qui est différent de turbide. Une eau contenant très peu de MES mais qui est colorée par des tanins, diminue l’efficacité des UVC. On quantifie cette coloration par photométrie et deux unités sont utilisées:

UCA: unité de couleur apparente, il s’agit de la mesure de la couleur d’une eau turbide.

UCV : unité de couleur vraie, il s’agit de la mesure de la couleur d’une eau non turbide (qui a été débarrassée de MES par centrifugation).

Pour le calcul du dosage UVC, nous tenons compte du coefficient d’absorption qui sera intégré à notre formule.

Autres facteurs défavorables

Le fer et le manganèse réduisent la transmittance et provoquent une coloration des gaines en quartz. Le fer affecte la transmittance des UVC à une concentration 0,2 mg/l (qui est la norme européenne): idéalement, la concentration de fer ne devrait pas dépasser 0,3 mg/l.

Pour donner une idée, la transmittance d’une eau contenant 0,2 mg/litre de fer est de 83 % à 5 cm de l’émetteur UVC.

Elle chute à 37% à une valeur de 2,0 mg/litre, toujours à 5 cm.

La concentration de manganèse devrait être inférieure à 0,05 mg/l.

Le calcium et le magnésium provoquent la formation d’un film (tartre)  sur le tube quartz ou la lampe à une concentration supérieure à 120 mg/l.

Si le débit dans le réacteur est en adéquation avec les prescriptions du constructeur, le temps d’exposition des micro-organismes sera suffisant pour provoquer l’effet souhaité.

Ceci est vrai à condition que le débit soit aussi en adéquation avec le volume du bassin. Il faut donc d’abord déterminer le débit de pompage du bassin et ensuite associer à ce système une désinfection qui puisse fonctionner au débit imposé par la taille du bassin

C. Les lampes UVC

Les lampes composées d’un tube quartz et d’électrodes comportent de la vapeur de mercure qui est ionisée lors de la mise sous tension. Cette vapeur provoque donc le rayonnement UVC. La pression du gaz contenu dans ces lampes différencie ces technologies.

Les lampes à haute pression

Le rendement est très faible, de l’ordre de 5 %. Il s’agit de lampes qui sont généralement très puissantes utilisées dans d’autres applications que celle du bassin.

Les lampes à pression moyenne

Le rendement est de l’ordre de 10 à 20 %: le spectre émis est plus large et moins concentré sur la zone germicide. La température de fonctionnement atteint plus de 500°. En fin de vie l’efficacité n’est plus que de 50 à 60%.

Ces lampes puissantes n’ont pas un très bon rendement et l’unique avantage est leurs tailles réduites: l’usage de ces appareils se justifie donc lorsque l’espace d’installation est réduit.

Les lampes à basse pression

Ce sont principalement les lampes que nous utilisons dans le domaine aquatique. Le rendement de ces lampes est de 25 à 40 % selon le modèle: cela signifie que pour une lampe de 75 Watt (puissance électrique) on peut espérer au mieux une puissance UVC de 30 Watt. Ceci parce que le spectre émis par ces lampe est concentré autour de 254 nm.

Rendement

Faible rendement (Low Output T8 et PL) : 25 à 30 % de sortie UVC 
Durée de vie de 7000 à 8000 heures 

Rendement standard (Standard-Output): 30 à 40 % de sortie UVC
Durée de vie de 8000 à 9000 heures

Haut rendement (High-Output): 30 à 40 % de sortie UVC
Durée de vie de 8000 à 9000 heures             

Lampes Amalgam : 30 à 40 % de sortie UVC
Durée de vie de 12000 à 16000 heures

Les lampes à faible rendement sont moins chères mais à remplacer plus souvent.

Plage de température optimale (utilisation aquatique)

Lampe faible rendement (Low Output): plage optimale de l’eau, 25 à 30 °C (optimal 40°C)
Lampe à rendement standard : plage optimale de l’eau de 18 à 30°C (optimal 40 °C)
Lampe haut rendement : plage optimale de l’eau, 7° à 26°C (optimal 50 °C)
Lampe Amalgam : plage optimale de l’eau, 2 à 48 °C (optimal 90 à 120 °C)

On voit que la technologie Amalgam convient le mieux aux températures de l’eau des bassins toute l’année. Les lampes à rendement standard fonctionnent mieux en été qu’en hiver.

Type de quartz

Le quartz de la lampe peut être classé aussi selon sa dureté: très dur (Hard-Glass) ou en quartz standard moins dur (Soft-Glass).

Durant son fonctionnement, le phénomène de solarisation provoque un dépôt d’oxyde de mercure sur la face interne de la lampe, ce qui provoque son opacité et une perte d’émission de rayons UVC. 

Le quartz le plus dur (Hard) résiste mieux à ce phénomène ce qui permet d’augmenter la durée de vie de la lampe. Les lampes TL et PL sont pour la plupart en quartz Soft.
 
Faible rendement - Low Output lampes ordinaires T8 et PL Soft-Glass
Durée de vie de  7 à 8000 h     

Rendement standard - Standard-Output Hard-Glass 
Durée de vie de 8 à 9000 heures                               

Haut rendement - High-Output Hard-Glass
Durée de vie de 8 à 9000 heures                                       

Lampes Amalgam Hard-Glass
Durée de vie de 12 à 16000 heures
 
Nous pouvons aussi différencier les quartz à leur faculté de filtrer certaines longueurs d’ondes.

Certains quartz laissent passer les rayons compris dans une gamme de 185 à plus de 254 nm. Dans ce cas, il y a formation d’ozone à la surface de la lampe. Ces lampes sont nommées « High Ozone ». 

D’autres quartz filtrent les ondes dont la fréquence est inférieure à 254 nm : il n’y a pas de formation d’ozone dans ce cas (lampes « Low-Ozone »).

Note: les lampes UVC ne sont pas plongées directement dans l’eau : elles sont donc insérées dans un tube de protection en…quartz. Ce tube de quartz empêche l’eau de rentrer en contact avec la lampe UVC, ce qui modifierait sa température, donc la pression interne du gaz et donc la puissance du rayonnement UVC. Même les stérilisateurs à immersion sont des lampes insérées dans un quartz.

Intensité (intensité électrique en Ampères)

Lampe faible rendement (Low Output) : 0,2 à 0,5 A                                                       
Lampe à rendement standard : 0,3 à 0,4 A                                                                  
Lampe haut rendement : 0,8 à 1,3 A                                                                           
Lampe Amalgam : 1,9 à 2,2 A

Mélange gazeux

La plupart des lampes contiennent du mercure dont la pression est proche de 0,01 mbar à 40°C. A cette condition le rendement est de 60%. Au démarrage, le mercure est en état liquide.

Lorsque la  tension est suffisante aux bornes des électrodes, il se forme un arc électrique: la tension est encore basse (10% de la tension nominale).

Le mercure et les additifs se vaporisent avec l'augmentation rapide de la température. Ensuite, la tension augmente tandis que l’intensité du courant diminue.

Une lampe ordinaire atteint sa température de fonctionnement en une à deux minutes. Ces lampes à mercure sont limitées par leur température de fonctionnement: le mercure condense aux points les « moins chauds » de la lampe et le rendement chute.

Les lampes haut rendement fonctionnent avec des intensités plus élevées ce qui améliore le rendement.

La technologie Amalgam diffère sur la composition du gaz: la lampe contient du mercure, du bismuth, de l’indium ce qui procure plusieurs avantages.

Autre différence, l’intensité du courant est supérieure à celle des lampes mercure. Le premier avantage, est la température de fonctionnement supérieure qui permet une meilleure vaporisation et un meilleur contrôle de la pression du mélange de gaz.

Cela a pour effet d’accroître le rendement UVC.
Le second avantage est une insensibilité aux variations de température externes.

Une lampe ordinaire perd 5 à 6 % de rendement pour un écart de 10 °C, alors qu’une lampe Amalgam reste efficace à plus de 90% dans une plage de températures de 60°C.

Les lampes Amalgam disposant d’une enveloppe plus résistante ont une durée de vie supérieure (12.000 à 16.000 heures au lieu de 8 à 9000) : en fin de vie, la puissance UVC résiduelle est également plus importante.

Le ballast

Le ballast contrôle la puissance de la  lampe UVC : ils sont de type électromagnétique ou électronique. Ces derniers fonctionnent à plus hautes fréquences et permettent de réduire la consommation électrique ainsi que la température de la lampe.

Leur durée de vie est également supérieure. Les composants électroniques d'un ballast sont calculés pour un type lampe bien précis: ils ne sont donc pas toujours interchangeables !

Le ballast doit être de qualité irréprochable ; une très bonne lampe associée à un ballast de qualité médiocre ne peut que rendre un mauvais rendement !