Formation et organisation de biofilms en milieu eau potable : Influence du gradient de vitesse pariétal, Formation and organization of drinking water biofilms : Influence of the wall shear rate

Tony Paris

Description

Sous la direction de Salaheddine Skali-Lami, Jean-Claude Block
Thèse soutenue le 07 avril 2008: Nancy 1
Une grande partie de la flore microbienne des réseaux de distribution d’eau potable est située au niveau des parois des canalisations. Ce biofilm, génère un certain nombre de problèmes pour la gestion des réseaux tels que la consommation du désinfectant, la croissance bactérienne ou encore l’incorporation de pathogènes qui peuvent conduire au non-respect des critères de qualité des eaux par le relargage d’une partie de sa biomasse dans la masse d’eau. Différents paramètres, parmi lesquels le régime hydraulique, permettent de contrôler la prolifération du biofilm. Nous avons cherché à savoir quel était le paramètre clé liant l’hydrodynamique et les biofilms. En utilisant des réacteurs de Couette-Poiseuille dont la géométrie permet de faire varier indépendamment le gradient de vitesse pariétal (?) et le débit, nous avons montré que le gradient de vitesse pariétal est bien le paramètre important pour le contrôle des biofilms. En utilisant ce résultat, nous avons mis au point un modèle de diffusion-convective permettant de décrire le transport et l’accumulation des bactéries sur la surface. Nous avons ainsi mis en évidence que l’accumulation du biofilm est fonction de ?1/3*t. L’hydrodynamique affectant l’organisation de la biomasse, nous avons quantifié par analyse d’images, l’impact du gradient de vitesse pariétal sur la taille, la forme et l’orientation des éléments du biofilms. Les phénomènes de relargage ont été étudiés par le biais d’inoculation de particules de polystyrène et E. coli dans des biofilms formés en chambres d’écoulement ainsi que par la réalisation d’à-coups hydrauliques dans un écoulement en conduite.
-Biofilms
-Tuyaux d'eau
-Eau -- Épuration -- Élimination des composés organiques
Most of the microbial flora present in the drinking water distribution network is located on the pipe walls. This biofilm is a major concern for drinking water providers as it increases disinfectant decay, provides a shelter for pathogens and is the main site of bacterial growth, thus leading, through bacterial detachment, to the non-respect of drinking water quality criteria. Hydraulic regime is one among several parameters that can be used to control biofilm proliferation. Our first objective was to determine which was the key parameter in the hydraulic regime that was controlling biofilm accumulation. Using Couette-Poiseuille reactors which geometry allow to vary independently wall shear rate (?) an d flow rate, we showed that the wall shear rate was indeed the important parameter for biofilm control. From this result, we built a convective-diffusion model in order to describe bacterial transport and accumulation to the pipe surface. It appeared that biofilm accumulation was a function of ?1/3*t. As hydraulic regime was known to affect biofilm organization, we quantified through image analysis, the effect of wall shear rate, on size, shape and orientation of the biofilm elements. Biofilm stability was studied by inoculations of polystyrene microspheres and E. coli in flow chambers colonized by biofilms. The consequences of the rapid variation of the flow rate on a biofilm formed in a pipe flow were also studied.
Source: http://www.theses.fr/2008NAN10021/document

Informations

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• Poids de l'ouvrage: 1 Mo

Extrait

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FACULTE DES SCIENCES & TECHNIQUES

U.F.R. Sciences & Techniques de la Matière et des Procédés
Ecole Doctorale Energie Mécanique Matériaux
Département de Formation Doctorale Mécanique Energétique




Thèse
présentée pour l’obtention du titre de
Docteur de l’Université Henri Poincaré, Nancy-I
en Mécanique Énergétique
par Tony PARIS



Formation et organisation de biofilms en milieu eau potable.
Influence du gradient de vitesse pariétal





Soutenue publiquement le 7 Avril 2008



Membres du jury :
Président du jury : M. Philippe SCHMITZ Professeur, INSA, Toulouse
Rapporteurs : M. Luis MELO Professeur, Université de Porto, Portugal
Mme Muriel MERCIER-BONIN CR- INRA, INSA, Toulouse
Examinateurs : M. Jean-Claude BLOCK Professeur, U.H.P., Nancy I (Co-Directeur de thèse)
M. Pierre SERVAIS Professeur, Université Libre de Bruxelles, Belgique
M. Salaheddine SKALI-LAMI MCU, Directeur de thèse, Nancy-Université, Nancy
M. Xiong WANG Professeur, Nancy-Université, Nancy
M. Sylvain FASS NanCIE, Nancy
Membres invités : Mme Florence MENARD- Centre de Recherche sur l’Eau, Veolia-
SZCZEBARA Environnement, Maisons-Laffitte


Laboratoire d’Energétique et de Mécanique Théorique et Appliquée
Laboratoire de Chimie Physique et Microbiologie pour l’Environnement Remerciements
Remerciements

Je tiens tout d’abord à remercier mes directeur et co-directeur de thèse, M Salaheddine
Skali-Lami et M Jean-Claude Block pour m’avoir fait confiance tout au long de cette thèse,
pour m’avoir guidé tout en me laissant la liberté suffisante, m’avoir donné le recul nécessaire
pour ne pas, pris dans le feu de l’action, me laisser emporter par des conclusions hatives et
aussi (et surtout) pour m’avoir permis de travailler dans un cadre propice associant qualités
scientifiques et qualités humaines.
Je voudrais également remercier M Sylvain Fass pour avoir suivi mes travaux avec un
regard critique et constructif, pour avoir fait en sorte que les échanges avec les partenaires
industriels impliqués dans ce projet se passent le mieux possible ainsi que pour sa
disponibilité et son calme lorsque son aide m’a été nécessaire pour faire progresser mes
travaux.
Je remercie M Xiong Wang grâce à qui j’ai pu m’initier à l’utilisation des chambres à
écoulements, réacteurs grâce auxquels j’ai obtenu une part importante des travaux présentés
dans ce mémoire.
Il m’apparaît maintenant important de remercier tout ceux qui m’ont aidé de près ou de
loin dans la réalisation de mes travaux, que ce soit par une aide technique ou par leurs conseils
avisés : Mlle Hélène Guilloteau pour son aide dans la réalisation de mes expériences, M
Christophe Merlin pour m’avoir permis de faire fluorescer des coliformes, Manuel Dossot ou
encore Rachid Rahouadj. Je tiens à remercier ici particulièrement M Christian Mustin pour les
nombreuses heures qu’il a consacrées à la visualisation par microscopie confocale des
biofilms que je lui apportais ainsi que pour le regard critique qu’il portait à ces observations.
Par ailleurs, je voudrais remercier les partenaires industriels qui ont soutenus
financièrement mais aussi par leur implication mes travaux de recherches : l’Agence de l’Eau
Seine-Normandie, le Syndicat des Eaux d’Ile de France, le centre de recherche sur l’eau de
Veolia Environnement.
Enfin, je remercie tout ceux qui par leur présence quotidienne ou plus occasionnelle
m’ont permis de mener à son terme cette épreuve de fond que constitue la thèse : Cyril Khan
pour tous les bons moments passés au laboratoire ou en dehors, Ghania Benbelkacem qui en
me promettant des you-you pour la fin de ma thèse m’a appris la patience, Cedryck Vaquette
I Remerciements
pour son talent incomparable dans la chanson paillarde, Yonael Bernard pour m’avoir soutenu
par sa bonne humeur, ses gâteaux et ses cocktails, Cédric Cathelier qui par son dur labeur
quotidien a financé mes travaux. Un remerciement en forme d’excuse pour tous ceux qui ne
sont pas cités ici et qui pourtant ont été indispensables au succès de cette thèse

II Remerciements
III Sommaire
Sommaire
III Sommaire
IV Sommaire
Remerciements ............................................................................................................................I
Sommaire.................................................................................................................................. III
I. Introduction générale.......................................................................................................... 1
II. Contexte scientifique 7
II.1 Le transport des microorganismes vers la surface...................................................... 9
II.1.1 Equation générale du transport......................................................................... 10
II.1.2 Transport des bactéries en écoulement de Poiseuille ....................................... 11
II.1.3 Sédimentation bactérienne ............................................................................... 13
II.1.4 Diffusion brownienne et mobilité autonome.................................................... 14
II.1.5 Théorie du transport des microorganismes : application aux différentes zones
d’une conduite .................................................................................................................. 16
II.1.6 Evaluation des gradients de vitesse pariétaux rencontrés dans les réseaux de
distribution d’eau potable................................................................................................. 19
II.2 La colonisation des surfaces par les microorganismes............................................. 22
II.2.1 Formation d’un film conditionnant .................................................................. 22
II.2.2 Approches physico-chimiques de l’adhésion bactérienne................................ 23
II.2.3 Limites des approches physico-chimiques ....................................................... 25
II.2.4 Influence de la mobilité sur l’adhésion sous écoulement................................. 26
II.3 Organisation et diversité des biofilms en eau potable.............................................. 27
II.3.1 Organisation de la biomasse sur la surface ...................................................... 27
II.3.2 Diversité biologique dans les biofilms d’eau potable ...................................... 28
II.3.3 Biofilm et pertes de charge............................................................................... 30
II.3.4 Accumulation et persistance de particules modèles dans un biofilm............... 31
III. Effet du gradient de vitesse pariétal sur l’accumulation et la prédation de biofilms en
chambres d’écoulement en milieu eau potable......................................................................... 33
III.1 Effect of wall shear rate on biofilm deposition and grazing in drinking water flow
chambers............................................................................................................................... 38
III.1.1 Introduction ...................................................................................................... 39
III.1.2 Materials and Methods ..................................................................................... 41
III.1.3 Results .............................................................................................................. 45
III.1.4 Discussion ........................................................................................................ 54
III.1.5 Conclusions 58
IV. Transport de bactéries vers la paroi : un modèle de diffusion-convective................... 60
IV.1 Modelling bacterial transport and accumulation to the wall in drinking water flow 64
IV.1.1 Introduction 64
IV.1.2 The bact