Modèles de transport d’espèces chimiques en solution dans des conduites colonisées par un biofilm : perspective d’applications en système d’eau potable

Modelling the transport of chemical species in pipes hosting biofilms: application prospects in drinking water system

Laboratoire Environnement, Géomécanique et Ouvrages (Nancy Université), rue du Doyen Marcel Roubault, BP 40, 54501 Vandœuvre-lès-Nancy cedex, France

^* Auteur de correspondance : Laurent.Orgogozo@ensg.inpl-nancy.fr

Reçu : 18 Mars 2010
Accepté : 15 Mai 2010

Résumé

On présente dans cet article les possibilités d’application de modèles de transport par changement d’échelle à l’étude de la dynamique des biofilms en système d’eau potable. En effet, le transport d’espèces chimiques dissoutes dans les conduites est un des facteurs clés de la colonisation des systèmes d’eau potable par des biofilms, puisque l’apport de nutriment (composé organique) aux microorganismes est contrôlé par ce phénomène. D’autre part, la variété d’échelle des phénomènes impliqués (réactions membranaires à l’échelle de la cellule, gradients de concentration transversaux à l’échelle de la conduite, évolution de la chimie de l’eau le long du réseau. . .) conduit naturellement à adopter une approche de modélisation par changement d’échelle, afin de pouvoir modéliser les phénomènes à l’échelle d’intérêt – e.g. l’échelle du réseau – tout en tenant compte des phénomènes des échelles inférieures – échelle de la conduite, échelle de la bactérie. . . Quatre modèles de transport par changement d’échelle ont été établis dans le contexte du transport en milieux poreux incluant un biofilm, et sont transposables au cas du transport en conduite. On présentera ci-dessous les modifications à prendre en compte pour adapter ces outils au cas des systèmes d’eau potable, et on évoquera les perspectives d’applications associées.

Abstract

In this paper we show the potentiality of application of transport models by upscaling to the study of the biofilms dynamics in potable water system. The development of bacterial population under the form of biofilms in potable water system is the source of many serious issues, such as the decreasing of the bacteriologic quality of the water, of its organoleptic properties, the increasing of corrosion phenomena. . . So there is a real interest in studying the biofilm dynamic in such systems, in order to optimize the process used to limit or to prevent the colonization. The transport of dissolved chemical species is one of the key factors of the colonisation of pipes by biofilms, since the supply of nutrients (mainly organics compounds) to micro-organisms is controlled by the transport phenomena. In the same way, the efficiency of a biocide treatment is related to the penetration of the active compound inside the biofilm, i.e. to its transport within the biofilm. A modelling approach by upscaling is used due to the wide variability of the characteristic scales of the involved phenomena (membrane reactions at the cell scale, transverse gradients of concentration at the pipe scale, changing in water chemistry along the water supply network. . .). The upscaling approach allows to model the phenomena at the scale of interest (the network scale) and to take into account the phenomena of the lower scales (the pipe scale, the cell scale. . .). Four transport models by upscaling have been developed in the context of the transport in porous media including a biofilm phase. Three of them are some simplified models based on some physical assumptions on the transport conditions, and the fourth one is a more general but more complicated mathematical model. These models are transposable to the case of transport in pipes. We will present below the modifications that need to be done to make such a transposition, and then we will consider the associated application prospects in drinking water system. An illustrative example of the calculation of a biocide compound transport into a pipe is also briefly presented. As a perspective, the use of such transport models by upscaling associated with the use of pilot scale experiments could lead to improve the theoretical description of the phenomena involved in the colonization of pipes by biofilms.