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Christophe FORET

DÉVELOPPEMENT DE BIOFILM DANS LES CUVES DE STOCKAGE D’EAU

D’ALIMENTATION DE GÉNÉRATEURS DE VAPEUR

Journées Scientifiques et Techniques du CEFRACOR - 31 Mai 2012

CEFRACOR

Schéma de production d’eau d’alimentation des générateurs de vapeur de Saint-Ouen

Retours de condensats Température

40-45°C

Température 40-45°C

Les problèmes rencontrés

- Développement de biofilm et « boues » dans les cuves de stockage

- Colmatage des crépines et pré-filtres des pompes nourricières des générateurs de vapeur par des dépôts

Photos du fond Photos du fond de la bâche T2 de la bâche T2

Les hypothèses ?

- Produits de traitement organique : source de nutriments organiques ? Indirectement responsable du développement de biofilm bactérien colmatant ?

- Sous-produits de corrosion responsables de dépôts

- Développement de biofilm dans les cuves de stockage :

Température variant de 30 à 45 °C

Régime hydraulique laminaire

Temps de séjour important

Bio-corrosion (présence de ferro-bactéries ?)

Présence de nutriments organiques (COT, produit de traitement

organique) et minéraux (fer, silicates)

Flores bactériennes totales importantes

Les objectifs de l’étude:

Parvenir à une meilleure connaissance

Du biofilm qui se développe dans les installations :

Nature des composants organiques et/ou minéraux

Quantification et identification des flores bactériennes

Corrélation avec qualité physico-chimique et microbiologique

de l’eau d’alimentation (retour condensat + eau décarbonatée

ou eau déminéralisée)

Des paramètres influençant la formation des dépôts/biofilms (matériaux, température, …)

Des phénomènes qu’il génère

Schéma de production d’eau d’alimentation des générateurs de vapeur de Saint-Ouen

Retours de condensats Température

40-45°C

Température 40-45°C

vers les cuves pilotesRejets vers l’égoût

Cuve peinte en époxyCuve en inox

Electrodes de mesure épaisseur

de biofilm

Cuve Témoin en Acier Inox

Volume = 500 L

Cuve peinte en revêtement époxy

Volume = 500 L

Bâche réelle T1 ou T2

Retours de condensatsEau décarbonatée ou

Eau déminéralisée

Débitmètres

Débit continu = 70 L/H

Schéma de principe du fonctionnement de l’installation « pilote »

CouponsKit Hydrobio

Rejet à l’égoût

Débit continu = 70 L/H

Rejet à l’égoût

Temps de séjour = 7h (identique aux conditions réelles de fonctionnement)

Systèmes de mesure en ligne

Réchauffeur

Cuve témoin en acier inox Cuve avec peinture époxy

Compteur totalisateur

Cuve témoin en acier inox Cuve avec peinture époxy

Coupons inox pour récupération du biofilm

Coupon peints

Dispositif expérimental et coupons de prélèvement

Suivis analytiques réalisés:

Sur l’eau :

- physico-chimiques (pH, conductivité, Température, TH, TAC, MES …)- teneur en matières organiques (COT, N)- teneur en métaux (ICP)- microbiologiques (flores bactériennes totales Epifluorescence au DAPI, bactéries cultivables culture PCA)

Sur le biofilm :

- Mesure de l’épaisseur (capteur électrochimique)- Quantification de la biomasse sur coupons (Kits Hydrobio) - Identification de la composition chimique (spectrométrie IR lointain)- Microbiologiques (densités bactériennes totales et cultivables)- Teneur en matière organique (COT) et minérale (ICP)

Entrée

Electrodes de mesure

L’incubateur L’incubateur

Exemple d’implantation des électrodes sur une cuve

Sortie

ELECTRODE DE MESURE

Potentiostat

Cellule de mesure

Plaque support

Unité de contrôle de vitesse

Valise ouverte

Capteur électrochimique Capteur électrochimique de biofilmde biofilm

Méthode basée sur l’analyse du transport de matière

à la surface de l’électrode recouverte de biofilm

Électrode de travail à disque tournant

Électrode de référence au calomel

Contre-électrode en platine

Solution de traceur électrochimique

Embout d’électrode de mesure en platine

Cellule électrochimique Cellule électrochimique de mesure du biofilmde mesure du biofilm

Méthode basée sur l’analyse du transport de matière (mesure du

courant de diffusion) à la surface de l’électrode recouverte de biofilm

I – Introduction- Présentation de CPCU- Contexte et problématique - Objectifs de l’étude

II – Dispositif expérimental - Description du pilote

- Méthodes analytiques de suivi

IV – Conclusions et perspectives

SOMMAIRESOMMAIRE

III – Résultats expérimentaux :

Influence de la qualité d’eau sur l’encrassement

1. Mélange eau décarbonatée + retours de condensats

2. Mélange eau déminéralisée + retours de condensats

1

10

100

1 000

10 000

18-mai 28-mai 07-juin 17-juin 27-juin 07-juil.

Ep

aiss

eur d

u b

iofil

m e

n µ

m

(é

chel

le lo

gar

ithm

iqu

e)

Haut de cuve époxy Fond de cuve époxy Fond de cuve époxyHaut de cuve inox Fond de cuve inox Fond de cuve inox

Epaisseur du biofilm formé à partir du mélange « Eau décarbonatée + retours de condensats »

Fond de cuve

Haut de cuve

Faibles épaisseurs du biofilm au cours du 1er mois de colonisation (jusqu’au 17 juin) : 25 à 30 µm conformes aux valeurs « classiques » de biofilm naturel

Biofilms très épais dans la 2nde phase : jusqu’à 8 mm dans la cuve époxy et 2 mm dans la cuve inox 100 µm en fin d’expérimentation

Phénomènes de concentration : biofilm plus épais au fond de chaque cuve

0

100

200

300

400

500

17-mai 27-mai 06-juin 16-juin 26-juin 06-juil. 16-juil.

Epai

sseu

r en

µm

100 rpm

300 rpm

500 rpm

800 rpm

1000 rpm

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000


Epai

sseu

r en

µm

100 rpm

300 rpm

500 rpm

800 rpm

1000 rpm

Haut de cuve époxy Fond de cuve époxy

Elasticité du biofilm au cours des 2 mois de colonisationHaut de cuve inox Fond de cuve inox

0

50

100

150

200

250

300

350


Epai

sseu

r en

µm

100 rpm

300 rpm

500 rpm

800 rpm

1000 rpm

0

200

400

600

800

1000


Epai

sseu

r en µ

m

100 rpm

300 rpm

500 rpm

800 rpm

1000 rpm

Pic commun d’épaisseur max sur différentes électrodes des 2 cuves Epaisseur peu dépendante de la vitesse de rotation appliquée (biofilm peu élastique ?)

Elasticité en %

27-mai 29

17-juin 48

24-juin 25

29-juin 21

07-juil 48

Elasticité en %

27-mai 42

17-juin 21

24-juin 8

29-juin 18

07-juil 57

Elasticité du biofilm au cours des 2 mois de colonisation


Haut de cuve inox Fond de cuve inox

Elasticité en %

27-mai 30

17-juin 38

24-juin 49

29-juin 37

07-juil 44

Elasticité en %

27-mai 0

17-juin 44

24-juin 45

29-juin 27

07-juil 39

Valeurs « d’élasticité » globalement < 50 % Biofilm peu élastique : composante minérale importante ? De quelle nature ?

Caractérisation du dépôt par spectrométrie d’absorption IR – Ex : Dépôt de cuve époxy

Matrice minérale importante (silicates et oxydes de Fe)

4000.0 3600 3200 2800 2400 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200.0

0.340

0.36

0.38

0.40

0.42

0.44

0.46

0.48

0.50

0.52

0.54

0.56

0.58

0.60

0.62

0.64

0.66

0.68

0.70

0.72

0.74

0.76

0.78

0.80

0.82

0.84

0.86

0.88

0.90

0.92

0.940

cm-1

A

3395.1

2926.3

2855.7

1726.1

1651.6

1545.0

1454.3

1235.4

1023.1

744.5

537.7

472.1365.2

277.6

222.0

1075.0

877.8911.8

692.5

667.1

1420.1

1981.1

Amide I

Amide II

Silicates

Oxydes de Fer

C-H aliphatiques

O-H de l’eau

Profil caractéristique d’un biofilm : présence simultanée de silicates, C-H aliphatiques et groupements amides (RCONH2 ou RCONR) constituant des membranes cellulaires

Après calcination à 550°C

4000.0 3600 3200 2800 2400 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200.0

0.250

0.30

0.35

0.40

0.45

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.900

cm-1

A

3427.2

1637.8

1084.7

1019.5

562.4446.2

397.7

348.7

336.0

877.9

798.1

775.8

226.2

236.7

629.2

693.7

O-H de l’eau

Silicates

Oxydes de Fer

Présence très importante de la composante minérale ( ≥ 50 %)

Confirmation d’une forte présence d’oxydes de fer (566, 460 cm-1) tels que maghémite (-Fe2O3), lépidocrocite (-FeOOH) et de silicates (1080, 1019 cm-1)

Vues intérieures des cuves après 2 mois de colonisation

0

50

100

150

200

250

0

5

10

15

20

25

30

35

Co

nd

uc

tiv

ité

µS

/cm

Te

mp

éra

ture

en

°C

et

pH

Température en °C pH Fer total en mg/L Conductivité en µs/cm

Forte variabilité des paramètres mesurés au cours du temps (pH, Fe)

Conductivité liée à l’apport d’eau décarbonatée (majorité de retours de condensats jusqu’au 7 juin puis proportion importante d’eau décarbonatée)

Suivi de la qualité physico-chimique de l’eau d’alimentation (« Eau décarbonatée + retours de condensats »)

Tem

pér

atu

re,

pH

et

[Fe]

[Fe] = 2 mg/L [Fe] = 3 mg/L

[Fe] = 6,2 mg/L

[Fe] = 1,4 mg/L Fe = 0,5 mg/L

[Fe] = 11 mg/L

0

50

100

150

200

250

0

5

10

15

20

25

30

35

Co

nd

uc

tiv

ité

µS

/cm

Te

mp

éra

ture

en

°C

et

pH

Température en °C pH Fer total en mg/L Conductivité en µs/cm

Suivi de la qualité physico-chimique de l’eau d’alimentation (« Eau décarbonatée + retours de condensats »)

[Fe] varie de 0,5 à 11 mg/L : Présence de sous-produits de corrosion ? Relargage des boues/dépôts des bâches de stockage ? Apport de l’eau décarbonatée (via coagulant) ?

Tem

pér

atu

re,

pH

et

[Fe]

0

100

200

300

400

500


Epais

seur

en µm

100 rpm

300 rpm

500 rpm

800 rpm

1000 rpm

Relation Conductivité/Fer/Epaisseur de Biofilm: Apport minéral de l’eau décarbonatée ?

0

2

4

6

8

10

12

14

16

1

10

100

1000

10000

100000


Fer e

t CO

T

Epai

sseu

r de

biofi

lm e

t bac

téri

es

culti

vabl

esEpaisseur de biofilm en µm Bactéries cultivables en UFC/LFer en mg/L COT en mg/L

Suivi de la qualité physico-chimique et microbiologique du mélange « Eau décarbonatée + retours de condensats »

Densités bactériennes cultivables max : 104 UFC/L (flores totales = 106 cellules/L)

Densités bactériennes cultivables min quand COT max : pas de réelle corrélation

Relation bactéries cultivables/Epaisseur de biofilm ? Impact du fer + important ?

I – Introduction- Présentation de CPCU- Contexte et problématique - Objectifs de l’étude

II – Dispositif expérimental - Description du pilote

- Méthodes analytiques de suivi

IV – Conclusions et perspectives

SOMMAIRESOMMAIRE

III – Résultats expérimentaux :

Influence de la qualité d’eau sur l’encrassement

1. Mélange eau décarbonatée + retours de condensats

2. Mélange eau déminéralisée + retours de condensats

Epaisseur du biofilm formé à partir du mélange « Eau déminéralisée + retours de condensats »

Croissance progressive du biofilm : cinétique de formation « classique »

Stade de maturité atteint après 1 mois (valeur moyenne stable au cours des 2 derniers mois de colonisation)

1

10

100

1000

10000

10-août 30-août 19-sept. 09-oct. 29-oct. 18-nov.

Ep

ais

su

eu

r d

u b

iofi

lm e

n µ

m

(é

ch

elle

log

art

hm

iqu

e)

Haut de cuve inox Fond de cuve inox


Ep

aiss

eur

du

bio

film

en

µm

(éch

elle

lo

gar

ith

miq

ue)

1

10

100

1 000

10 000

18-mai 28-mai 07-juin 17-juin 27-juin 07-juil.

Epais

seur

du b

iofilm

en µ

m

(éc

helle

loga

ryth

miq

ue)

Haut de cuve époxy Fond de cuve époxy Fond de cuve époxyHaut de cuve inox Fond de cuve inox Fond de cuve inox

1

10

100

1000

10000

10-août 15-août 20-août 25-août 30-août 04-sept. 09-sept. 14-sept. 19-sept.Ep

aiss

eur d

u bi

ofilm

en µ

m (é

chel

le

loga

ryth

miq

ue)

Haut de cuve inox Fond de cuve inox Fond de cuve inoxHaut de cuve époxy Fond de cuve époxy Fond de cuve époxy

Sur une période de colonisation identique : biofilm à partir du mélange « eau décarbonatée + retours » plus épais et moins homogène qu’à partir du mélange « eau déminée + retours »

Epaisseurs finales : - 50 µm à 8 mm (dépôts visibles à l’œil nu jusqu’à quelques mm)

- 15 µm à 300 µm pour le mélange (« déminée + retours »)

Eau déminée + retours de condensatsEau décarbonatée + retours de condensats

Ep

aiss

eur

du

bio

film

en

µm

(éch

elle

lo

gar

ith

miq

ue)

Ep

aiss

eur

du

bio

film

en

µm

(éch

elle

lo

gar

ith

miq

ue)

Haut de cuve époxy

Elasticité du biofilm au cours des 2 mois de colonisationElasticité en %

19-août 5026-août 4302-sept 5309-sept 5017-sept 4730-sept 2307-oct 6014-oct 5721-oct 5228-oct 3304-nov 5312-nov 6418-nov 64

Valeurs « d’élasticité » globalement > 50 % Biofilm relativement « élastique » : Composante organique + importante ?

Structure minérale différente ?

Haut de cuve inox

Fond de cuve époxy

Elasticité en %19-août 5026-août 4602-sept 3709-sept 4417-sept 6130-sept 3807-oct 6114-oct 6321-oct 4528-oct 5204-nov 6012-nov 6418-nov 65

Fond de cuve inox

Elasticité en %19-août 5526-août 4602-sept 5209-sept 3117-sept 5430-sept 4007-oct 4114-oct 3921-oct 5328-oct 5204-nov 5612-nov 57

Elasticité en %19-août 4426-août 4802-sept 4209-sept 4217-sept 2330-sept 2507-oct 5014-oct 5021-oct 2928-oct 504-nov 5712-nov 6618-nov 66

4000.0 3600 3200 2800 2400 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200.0

0.138

0.16

0.18

0.20

0.22

0.24

0.26

0.28

0.30

0.32

0.34

0.36

0.38

0.40

0.42

0.44

0.46

0.48

0.50

0.52

0.54

0.56

0.58

0.60

0.62

0.64

0.66

0.68

0.700.712

cm-1

A

3426.0

2930.1

1730.6

1656.4

1548.0

1455.91386.6

1247.5

1060.8

598.1

264.0

2857.3

2961.9

1128.5

374.1

Forte présence de matière organique (2930 cm-1) + bandes amides (1656 et

1548 cm-1) + aluminosilicates (1050 cm-1) Biofilm essentiellement organique

Absence d’oxydes métalliques et de composés aminés (1066 et 750 cm-1)

Caractérisation du dépôt par spectrométrie d’absorption IR – Ex : Dépôt de cuve époxy

Amide I

Amide II

Silicates O-H de l’eau

C-H aliphatiques

Absence/Traces d’oxydes de fer

Vues intérieures des cuves après 3 mois de colonisation

Suivi de la qualité physico-chimique de l’eau d’alimentation (« Eau déminée + retours de condensats »)

Conductivité et T°C liés à l’apport des retours de condensats

[Fer]tot quand T°C et Conductivité (Dilution par l’apport d’eau déminéralisée ?)

Meilleure maîtrise de la qualité d’eau : paramètres + stables (7<pH<10, [Fer]tot<1 ppm)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

10-août 30-août 19-sept. 09-oct. 29-oct. 18-nov. 08-déc.

Fer e

n m

g/L

pH, C

ondu

ctivi

té,

Tem

péra

ture

pH Cond en µS/cm T°C Fer en mg/L

[Fer]tot < 1 ppm pendant plus de 3 mois

des épaisseurs de biofilm au-dessus de 100 µm quand [Fer]tot

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

1

10

100

1000

10000

26/07/2009 15/08/2009 04/09/2009 24/09/2009 14/10/2009 03/11/2009 23/11/2009 13/12/2009

Fe

r to

tal

en

(µ

g/L

)

ép

ais

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du

bio

film

en

µm

(é

ch

elle

lo

ga

ryth

miq

ue

)

Electrode 1 Electrode 2 Electrode 3

Electrode 4 Electrode 5 Electrode 6

Fer total cuve entrée

Ep

aiss

eur

du

bio

film

en

µm

(éc

hel

le l

og

arit

hm

iqu

e)

Relation Fer - Biofilm ?

Fe

r to

tal e

n m

g/L

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1

10

100

1000

10000

100000

1000000

26-juil. 15-août 04-sept. 24-sept. 14-oct. 03-nov. 23-nov.

COT

en m

g/L

Epai

sseu

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biofi

lm e

n µm

et B

acté

ries

culti

vabl

es e

n UF

C/L

Electrode 1 Electrode 3 Electrode 5 Bactéries cultivables COT

COTBactéries cultivables

COT lié à l’injection d’amines alcalinisantes (produit de traitement d’eau)

Flore bactérienne cultivable planctonique 105 UFC/L max mais pas de réelle corrélation avec valeurs des épaisseurs de biofilm

Suivi de la qualité physico-chimique et microbiologique du mélange « Eau déminée + retours de condensats »

[bactéries cultivables]eau déminée + retours > [bactéries cultivables]eau décarbonatée + retours

mais épaisseur moyenne de biofilm plus faible

CUVE EN

REVÊTEMENT INOXCUVE EN

REVÊTEMENT EPOXY Unités Paramètres mesurés

Alimentation par le mélange « Eau décarbonatée +

retours de condensats »

µg/cm² C COT 2,2 16,7

UFC/cm² Bactéries aérobies (36°C) 6,4 . 103 1,2 . 104

Cellules/cm² Bactéries totales (DAPI) 8,3 . 105 1,5 . 106

g/m² Biofilm par mesure Hydrobio 20 à 25 25 à 30

µm Epaisseur moyenne 100 à 1000 100 à 1000

/ Analyse IR de dépôtMO + silicates

+ oxydes de ferMO + silicates + oxydes de fer

Alimentation par le mélange « Eau déminéralisée +

retours de condensats »

µg/cm² C COT 0,5 16

UFC/cm² Bactéries aérobies (36°C) 1,6 . 104 1,5 . 106

Cellules/cm² Bactéries totales (DAPI) 1,3 . 105 9 . 106

g/m² Biofilm par mesure Hydrobio 20 à 25 25 à 30

µm Epaisseur moyenne 10 à 100 10 à 100

/ Analyse IR de dépôt MO + silicates MO + silicates

Bilan : Composition physico-chimique et microbiologique des 2 types de biofilm

Pas de différence quantitative concernant la matrice organique des biofilms alimentés par les 2 types d’eau étudiés Différence d’épaisseur à corréler avec la matrice minérale ?

Conclusions & perspectives

Biofilm/dépôt plus épais à partir du mélange « eau décarbonatée + retours de condensats » Structure minérale importante principalement composé de silicates et surtout d’oxy/hydroxydes de fer

Grande variabilité de la qualité du mélange « eau décarbonatée + retours de condensat » et teneurs en Fe épisodiquement élevées

Pics d’épaisseur de biofilm reliés aux apports « excessifs » de Fe

Hypothèses sur potentielles sources d’apport de Fe :

- Relarguage d’oxydes de fer liés à la corrosion et à la présence de boue dans les différentes bâches de stockage - Produits de corrosion du fer via l’eau de retours de condensat -Surdosage de coagulant (sel de fer) au niveau de l’étape de décarbonatation de l’eau de Seine

Merci de votre attention

Christophe FORET

CEFRACOR

Journées Scientifiques et Techniques du CEFRACOR - 31 Mai 2012

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