Fiche Résumé 05-AEP-14

Les dépôts organo-minéraux observés sur la paroi des réseaux d'eau potable (biofilm) représentent une salissure de quelques dizaines de microgrammes de matière organique par cm2 et de moins de 107 cellules bactériennes/cm2. La structure et l'activité de ces biofilms sont mal connues d'autant que les réseaux de distribution d'eau fonctionnent rarement en conditions stationnaires. En effet, en fonction de nombreux paramètres (qualité d'eau de la ressource, taux de chlore appliqué, interventions techniques, variation de la demande journalière…), l'état de pseudo-équilibre du réseau se trouve constamment rompu par des discontinuités tant hydraulique que biologique ou physico-chimique. Or, les travaux cités dans la littérature ne décrivent pas ces discontinuités car ils sont réalisés dans des conditions de régime hydraulique stable, de vitesse de circulation d’eau constante et avec des séquences de type “tout ou rien” dans les doses de chlore appliquées.

Régime hydraulique discontinu
L’action 1 du projet Biofilm consiste à déterminer l’influence du régime hydraulique sur le biofilm en réseau d’eau potable. Une telle étude passe d’abord par la compréhension de l’évolution du biofilm dans les conditions hydrodynamiques stables et connues. Puis il est important de comprendre comment le biofilm se comporte face à des modifications du régime hydraulique ce qui permettra de mieux contrôler sa prolifération et son arrachage.

Cette phase VII-2 du programme de recherche a permis d’étudier plusieurs réacteurs de géométrie différente pour tester l’influence du régime hydraulique sur la formation du biofilm : le Propella, la Chambre d’écoulement, le Couette-Poiseuille et le pilote boucle du NanC.I.E. Certains de ces réacteurs permettent de bien maîtriser les conditions hydrauliques et d’autres se rapprochent plus des conditions de terrain :
- Le réacteur de Couette-Poiseuille présente l’avantage d’avoir une hydrodynamique parfaitement connue et contrôlable (contrôle de la contrainte de cisaillement à la paroi). Il permet en plus de reproduire, de part sa conception, différents régimes d’écoulement ce qui lui donne l’avantage de pouvoir simuler les gradients de vitesse (paramètre clé dans le transport de particules), les zones de recirculation, les zones de stagnation, etc.
- La chambre d’écoulement permet, à l’aide d’un microscope placé sous le réacteur, d’observer directement (in situ) la surface soumise à des conditions hydrodynamiques également connues et contrôlable. Ainsi, le suivi en temps réel du dépôt bactérien, étape initiale de la formation du biofilm, est possible. Ce réacteur permet entre autres de caractériser les forces d’attachement au cours du temps et d’attachement-détachement en fonction des containtes de cisaillement, l’adhésion de microorganismes sur une surface dépendant de leur transport vers cette surface et de l’efficacité de leur adhésion.
- Le réacteur Propella permet d’étudier les interactions entre l’eau et les matériaux (entartrage, corrosion), la colonisation bactérienne (biofilm) ou encore la désinfection. Par sa géométrie, il se rapproche plus des conditions réelles de canalisations d’eau potable que le réacteur de Couette-Poiseuille et la Chambre d’écoulement. Cependant, il est nécessaire de le modéliser (logiciel Fluent) pour être en mesure d’évaluer l’influence des paramètres hydrodynamiques sur le biofilm. Cette modélisation permettra de définir le comportement d’un réacteur idéal et donc d’optimiser les performances hydrauliques du Propella.
- le pilote boucle du NanC.I.E. se rapproche le plus des conditions réelles. Toutefois, des simulations sous Fluent sont nécessaires pour avoir une idée plus précise de l’écoulement au sein de ce pilote (gradient de vitesse, influences des coudes, etc).

Pour avoir une signification concrète, la modèlisation du système canalisation/biofilm doit être confirmée par des données expérimentales. Les réacteurs vont donc être mis en eau pour mener les premiers essais de formation et de suivi de biofilm.

Conditions hydrodynamiques et transport de masse (transport de bactéries/nutriments par convection/diffusion) étant intimement liés, une brève revue des connaissances actuelles a également été réalisée. En effet, une bonne connaissance dans ce domaine pourra permettre de modéliser de façon plus efficace le biofilm mais aussi de mieux comprendre son fonctionnement et par conséquent de pouvoir lutter plus efficacement contre son développement, les modèles existants étant incapables de le décrire de façon réaliste (quantitativement).

Chlorations discontinues
L’action 2 du projet Biofilm consiste à déterminer l’influence de chorations discontinues (eau de Javel) sur l’eau et le biofilm en réseau d’eau potable selon une séquence de dose de chlore faible (0,1 mg/L)/forte (0,4 mg/L)/faible (0,1 mg/L) et forte/faible/forte (les travaux publiés jusqu’alors ne décrivant que des discontinuités de type “tout ou rien”).

Cette phase VII-2 du programme de recherche a permis la mise à l’équilibre des quatre boucles du pilote, les premiers essais de chloration, la quantification de la matière organique avant et pendant l’ajout de chlore ainsi qu’une caractérisation préliminaire des populations bactériennes des eaux (alpha, béta et gamma-protéobactérie) en entrée et sortie de pilote. Des pics de turbidité ont été observés suite aux essais ponctuels de chloration à forte dose ou suite à l’arrêt du pilote. La turbidité rebaisse dès que la chloration cesse. La chloration entraîne aussi le relargage de la matière organique (MO) et une forte augmentation du nombre de bactéries cultivales (de 0,1 % à 0,9 % des bactéries totales entre l’entrée et la sortie de la boucle chlorée à 0,1 mg/L), le nombre total de bactéries restant quant à lui constant.