Fiche Résumé 05-AEP-13

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.

Le programme de recherche “Biofilm VII” s'attachera alors à l'étude des discontinuités hydrauliques et des discontinuités en désinfectant (eau de Javel) et leur impact sur les biofilms et la qualité des eaux en réseau de distribution d'eau potable. Ce premier rapport préliminaire situe le projet et décrit le plan d’action sur 2 ans.

Régime hydraulique discontinu
Pour étudier l’effet de discontinuités hydrauliques (représentatives de cas réels) sur la formation de biofilms, plusieurs réacteurs de géométrie différente seront testés : le réacteur de type Couette (Couette Poiseuille) considéré comme la référence, le réacteur de type Propella, le réacteur de type boucle (pilote NanCIE) et le réacteur ouvert (one-pass though). Les essais seront conduits sur l’eau du réseau de Nancy avec sa flore autochtone. Des essais complémentaires seront néanmoins réalisés avec des souches pures dans certains cas particuliers. Les matériaux utilisés seront en polymère (PVC, polycarbonate) et/ou en acier inox et/ou en mortier-ciment.

La première année du programme consistera à la modélisation hydraulique des réacteurs, à leur construction et leur mise en eau, à la modélisation de la formation du biofilm (caractérisation des particules biologiques : taille, forme, propriétés de surface...), au calage des outils de mesure par microscopie... La seconde année sera consacrée aux essais de discontinuité hydraulique et aux essais de nettoyage/arrachage du biofilm (air et air/eau). Cette approche théorique, couplée à une modélisation du système canalisation/biofilm va permettre de cerner l’influence des paramètres pertinents sur le biofilm, l'objectif ultime étant de valider et hiérarchiser des outils de laboratoire comme modèles de réseau d'eau potable.

Une recherche bibliographique relative à la structure et l’épaisseur des biofilms soumis aux effets du cisaillement et/ou de la turbulence sera réalisée au démarrage du programme. En effet, la connaissance des caractéristiques de taille et de forme des bactéries de l’eau potable est un pas nécessaire vers une meilleure compréhension des mécanismes régissant leur transport, leur adhésion et leur arrachage. Ces paramètres sont indispensables pour prédire la quantité de bactéries capables d’adhérer à une surface et la vitesse d’adhésion. Par ailleurs, la survie et la multiplication des bactéries fixées dépend du flux de matière organique arrivant jusqu’à elles et ce flux dépend aussi de l’hydrodynamique.

Chlorations discontinues
Pour étudier l’effet de discontinuités en désinfectant (eau de Javel) sur la formation de biofilm, le réacteur utilisé sera le pilote boucle du NanCIE. Le pilote comprend quatre boucles qui seront utilisées ici en parallèle avec quatre conditions exprérimentales distinctes. Les boucles sont en fonte recouvertes d’un revêtement interne à base de ciment et les coudes et certains raccords sont en fonte nue. Le pilote est doté de coupons en PVC qui permettront l’analyse du biofilm (qualification et quantification) et sera alimenté par l’eau du réseau de Nancy non déchlorée (0,3 mg/L).

Deux types d’expériences seront réalisées : des expériences pour lesquelles les taux de chlore appliqués seront variables puis d’autres pour lesquelles les taux de chlore appliqués seront constants. Dans le premier cas de figure, les séquences utilisées pour les doses de chlore seront soit “forte-faible-forte”, soit “faible-forte-faible” (“faible” correspond à une dose de chlore résiduel de 0,1 mg/L et “forte” à une dose de chlore résiduel de 0,4 mg/L). La discontinuité sera maintenue pendant trois mois environ. Les analyses (bactéries, chlore, matière organique...) auront lieu sur la phase eau et sur la phase fixée (biofilm), avant, pendant et après chaque discontinuité. Dans le second cas de figure, les taux de chlore seront maintenus constants (pendant 12 mois environ) au sortir de chaque discontinuité : 0,1 mg/L suite à une discontinuité à 0,4 mg/L, 0,4 mg/L suite à une discontinuité à 0,1 mg/L. Ces essais permettront d’apprécier la résistance des bactéries au chlore selon les doses qui leur ont été appliquées chronologiquement.