Post on 03-Apr-2015
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
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n µ
m
(é
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gar
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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
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5000
6000
7000
8000
9000
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
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
17-mai 27-mai 06-juin 16-juin 26-juin 06-juil. 16-juil.
Epai
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µm
100 rpm
300 rpm
500 rpm
800 rpm
1000 rpm
0
200
400
600
800
1000
17-mai 27-mai 06-juin 16-juin 26-juin 06-juil. 16-juil.
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 époxy Fond de cuve époxy
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
17-mai 27-mai 06-juin 16-juin 26-juin 06-juil. 16-juil.
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
17-mai 27-mai 06-juin 16-juin 26-juin 06-juil. 16-juil.
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
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
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n µ
m
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e)
Haut de cuve inox Fond de cuve inox
Haut de cuve époxy Fond de cuve époxy
Ep
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du
bio
film
en
µm
(éch
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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
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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
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u bi
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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
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bio
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lo
ga
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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
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le l
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arit
hm
iqu
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Relation Fer - Biofilm ?
Fe
r to
tal e
n m
g/L
0
1
2
3
4
5
6
7
8
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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
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r de
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