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Colloque Biofilm et Santé / 11-12 janvier 2010




Monitoring des dépôts en milieu industriel
 Capteurs de biofilm : un outil d’aide au pilotage des circuits de
                        refroidissement ?

                      Céline BOUTELEUX & Olivier HORNER
Contexte

                                        Tartre
                        Biofilm
                    ENCRASSEMENT DES CIRCUITS
                        DE REFROIDISSEMENT
                        Matières en suspension




            Risques sanitaires (biofilm : réservoirs de pathogènes)
      Risques environnementaux (traitements biocides et/ou antitartres)
     Pertes de performances et incidence sur la durabilité des composants



   Nécessité de posséder des moyens de suivi de l’encrassement
Propriétés requises :
Les capteurs retenus                                                                        •Sensibilité
                                                                                             •Précision
                                                                                       •Simplicité d’utilisation
                                                                                     •Simplicité d’interprétation
1. L’électrode à disque tournant*                                                          •Economique
                                                                                              •Solidité
    • Principe électrochimique                                            + Fonctionnement en eau
    • Mesure du courant limite de diffusion                                    brute de rivière
    • Détermination de l’épaisseur du biofilm grâce à la relation de Levich :

                                                                     n = nombre d'électrons (dans notre cas, n = 1)
                        × × × ×         ×
                   E = n×F×S×D×[traceur]×(1/I- 1/IL)                 S = surface de l’électrode de travail (m2)
                                                                     D = coefficient de diffusion du ferro/ferricyanure (m2/s)
                                                                     [traceur] = concentration du ferro/ferricyanure (mol/m3)
                                                                     I = courant après x jours de colonisation (A)
                pas d’enregistrement en continu                      IL = courant de Levich (à t=0) (A)




2. Le capteur de la société Néosens
    • Principe thermique
    • Alternance de cycles de chauffe et de non chauffe             Capteur propre Capteur encrassé

    • Mesure du ∆T et détermination de l’épaisseur du biofilm grâce à un algorithme



                                                             La sonde est reliée au transmetteur
                                                           qui enregistre les données en continu.


   * C. Foret (2006). Thèse de l’université de Poitiers.
Objectifs de l’étude


    Tester les capteurs sélectionnés dans des conditions semi-industrielles
       afin d’identifier leurs opportunités d’utilisation sur les circuits de
                              refroidissement d’EDF:



    Vérifier le bon fonctionnement des capteurs (fiabilité, robustesse, sensibilité)
    avec la qualité d’eau des circuits de refroidissement (eau brute) et dans des
    conditions de fonctionnement types de centrales
    Évaluer l’intérêt des capteurs comme indicateur d’encrassement du circuit

    Étudier la capacité des capteurs à constituer un élément de suivi d’un traitement
    biocide
    Explorer la possibilité de relier les indications fournies par les capteurs avec l’état
    de colonisation du circuit dans la phase eau et dans la phase biofilm (risque
    légionelles)
Démarche expérimentale (1/2)
 Pilote SPECTRE (Système Pilote d’Étude des Circuits Tertiaires de Refroidissement des Eaux)
4 boucles d’essais parallèles et indépendantes de simulation d’un circuit avec TAR à l’échelle 1/145000è


                                                     Condenseur                    Bassin chaud        Eau appoint




  Système de désinfection   Aéroréfrigérants    Capteurs pour enregistrement            Bassin froid    Purge
       du panache                              en continu et pilotage à distance
Coupons inox
 Démarche expérimentale (2/2)
  Capteurs placés en divers endroits de la boucle d’essais :


                                                          1250 L/h
                                                                     Tour
                                                                               Coupons
                                  Bassin                                                 Coupons packing
                                  chaud                                        packing
  Condenseur




               Coupons
                inox
                                                 Coupons
                                               béton + inox
                                                                                         Coupons béton

                             Bassin froid

                           Fc=1,6
                                          Appoint
                        Purge           (Eau brute)



  Analyses régulières de l’eau et du biofilm (coupons dans ≠ compartiments) :
légionelles, amibes, flore totale, COD, COT, MS, calcium, prise de poids des coupons       Comparaison des
                                                                                         signaux des capteurs
 Réactivité et tenue des capteurs lors d’évènements programmés                           avec les analyses de
- monochloramination                                                                      l’eau et des dépôts
- arrêt de la vaccination acide (pour obtenir une eau entartrante)

 6 mois d’essais
Fonctionnement du capteur thermique en conditions
                 semi-industrielles

                  Fonctionnement autonome et lecture directe à l’écran
                  Capable de détecter la formation d’un dépôt et sa dynamique (alternance développements / décrochages)
                  Sensible aux « disfonctionnements » du circuit (arrêt pilote)
                  Pas de saturation du signal sur 6 mois de fonctionnement (jusqu’à 1 mm d’épaisseur)

                 0,85
                 0,80
                 0,75
                                   Arrêts pilote                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    Bassin
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    chaud
                 0,70
                 0,65                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               (+600µm)
                 0,60
épaisseur (mm)




                 0,55
                 0,50
                 0,45
                 0,40
                 0,35
                 0,30
                 0,25
                 0,20
                 0,15
                 0,10
                        28/03/09
                                   30/03/09
                                              01/04/09
                                                         03/04/09
                                                                    05/04/09
                                                                               07/04/09
                                                                                          09/04/09
                                                                                                     11/04/09
                                                                                                                13/04/09
                                                                                                                           15/04/09
                                                                                                                                      17/04/09
                                                                                                                                                 19/04/09
                                                                                                                                                            21/04/09
                                                                                                                                                                       23/04/09
                                                                                                                                                                                  25/04/09
                                                                                                                                                                                             27/04/09
                                                                                                                                                                                                        29/04/09
                                                                                                                                                                                                                   01/05/09
                                                                                                                                                                                                                              03/05/09
                                                                                                                                                                                                                                         05/05/09
                                                                                                                                                                                                                                                    07/05/09
                                                                                                                                                                                                                                                               09/05/09
                                                                                                                                                                                                                                                                          11/05/09
                                                                                                                                                                                                                                                                                     13/05/09
                                                                                                                                                                                                                                                                                                15/05/09

                                                                                                                                                                                                                                                                                                           17/05/09
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      19/05/09
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 21/05/09
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            23/05/09

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                       25/05/09
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  27/05/09
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             29/05/09
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        31/05/09

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   02/06/09
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              04/06/09
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                         06/06/09
épaisseur (mm)




           0,10
                  0,15
                              0,20
                                      0,25
                                             0,30
                                                    0,35
                                                            0,40
                                                                   0,45
                                                                          0,50
                                                                                 0,55
                                                                                        0,60
                                                                                               0,65
                                                                                                          0,70
                                                                                                                 0,75
                                                                                                                        0,80
                                                                                                                               0,85
28/03/09
30/03/09
01/04/09
03/04/09
05/04/09
07/04/09
09/04/09
11/04/09
13/04/09
15/04/09
17/04/09
19/04/09
21/04/09
23/04/09
25/04/09
27/04/09
29/04/09
01/05/09
03/05/09
                                                                                                                                      Bassin froid / Bassin chaud




05/05/09
07/05/09
09/05/09
11/05/09
13/05/09
15/05/09
                                                                                                                                                                    Encrassement différent selon la localisation dans le circuit :




17/05/09
19/05/09
21/05/09
                                                                                                                                                                                                                                     Lieux d’implantation du capteur thermique




23/05/09

25/05/09
27/05/09
29/05/09
31/05/09

02/06/09
04/06/09
06/06/09
                                     froid
                                                                                                            chaud




                                     Bassin
                                                                                                            Bassin




                   (+200µm)
                                                                                               (+600µm)
Corrélation capteurs thermiques / encrassement du circuit

                       Données fiables en terme d’encrassement global : bonne corrélation entre la prise de
                       poids des coupons et l’épaisseur mesurée par le capteur positionné en parallèle
                       Bonne sensibilité du capteurs (détecte l’apparition du dépôt dès sa formation)


                                                        Bassin chaud                                                                                                                                                                   Bassin froid
                 1,0                                                                                                                              45                                          0,35                                                                                                                                       2400
                                                                                                                                                                                                            Poids - coupons BETON
                                                                                                                                                  40                                                                                                                                                                                     2200
                 0,9
                                                   Capteur Neosens                                                                                                                                                                                                                                                                       2000
                                                                                                                                                  35
                 0,8                                                                                                                                                                          0,30                                                                                                                                       1800




                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                Prise de poids (mg)
                                                                                                                                                       Prise de poids (mg)
                                                                                                                                                  30                                                                                                                                                                                     1600




                                                                                                                                                                             Epaisseur (mm)
Epaisseur (mm)




                 0,7
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                         1400
                                                                                                                                                  25
                 0,6                                                                                                                                                                          0,25                                                                                                                                       1200
                                                                                                                                                  20
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                         1000
                 0,5
                                                                                                                                                  15                                                                                                                                                                                     800
                 0,4                                                                                                                                                                          0,20                                                                                                                                       600
                                                                                                                                                  10
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                         400
                 0,3                                               Poids - coupons INOX                                                           5                                                                                                                    Capteurs Neosens
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                         200
                 0,2                                                                                                                              0                                           0,15                                                                                                                                       0




                                                                                                                                                                                                                06/04/09


                                                                                                                                                                                                                                      20/04/09


                                                                                                                                                                                                                                                            04/05/09


                                                                                                                                                                                                                                                                                  18/05/09


                                                                                                                                                                                                                                                                                                        01/06/09


                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              15/06/09
                                                                                                                                                                                                     30/03/09


                                                                                                                                                                                                                           13/04/09


                                                                                                                                                                                                                                                 27/04/09


                                                                                                                                                                                                                                                                       11/05/09


                                                                                                                                                                                                                                                                                             25/05/09


                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   08/06/09
                                  06/04/09




                                                                    27/04/09


                                                                                           11/05/09




                                                                                                                            01/06/09
                       30/03/09


                                             13/04/09
                                                        20/04/09


                                                                                04/05/09


                                                                                                      18/05/09
                                                                                                                 25/05/09


                                                                                                                                       08/06/09




                                                                                                                                                                                                                                                              Date
                                                                               Date

                                                                                                                                          Influence du matériau sur l’encrassement
Epaisseur (µm)                                                                                                                                                    Epaisseur (µm)




             100
                                                        150
                                                                   200
                                                                                    250
                                                                                                         300
                                                                                                                           350
                                                                                                                                                  400
                                                                                                                                                                         100
                                                                                                                                                                                                                     150
                                                                                                                                                                                                                                     200
                                                                                                                                                                                                                                           250
                                                                                                                                                                                                                                                     300
                                                                                                                                                                                                                                                                      350
30/03/2009                                                                                                                                                  30/03/2009                                                                                                                             400
06/04/2009
13/04/2009                                                                                                                                                  13/04/2009
20/04/2009
27/04/2009                                                                                                                                                  27/04/2009
04/05/2009
                                                                                                                                                                                                                                                                                  Flore totale



11/05/2009                                                                                                                                                  11/05/2009
18/05/2009
25/05/2009                                                                                                                                                  25/05/2009
01/06/2009
08/06/2009                                                                                                                                                  08/06/2009
15/06/2009
22/06/2009
                                                                                                                                                            22/06/2009
29/06/2009
06/07/2009
                                                                                                                                                            06/07/2009




                       Capteur Néosens – Bassin froid
                                                                                                                                                                                    Capteur Néosens – Bassin froid
13/07/2009
20/07/2009
                                                                                                                                                            20/07/2009
27/07/2009
03/08/2009
                                                                                                                                                            03/08/2009
10/08/2009
17/08/2009
24/08/2009
                                                                                                                                                            17/08/2009
31/08/2009
                                                                                                                                                            31/08/2009




                                                                                                                         Legionella pneumophila
07/09/2009
14/09/2009
21/09/2009                                                                                                                                                  14/09/2009
28/09/2009
05/10/2009                                                                                                                                                  28/09/2009




             1,0E+02
                                                         1,0E+03
                                                                         1,0E+04
                                                                                               1,0E+05
                                                                                                                    1,0E+06
                                                                                                                                                  1,0E+07
                                                                                                                                                                         1,0E+05
                                                                                                                                                                                                                           1,0E+06
                                                                                                                                                                                                                                           1,0E+07
                                                                                                                                                                                                                                                            1,0E+08
                                                                                                                                                                                                                                                                                                   1,0E+09




                                                        Concentration Lp (UFC/L)
                                                                                                                                                                                                                      Concentration (UFC/L)

                                                                                                                                                                                                                                     Epaisseur (µm)
                                                                                                                                                                             0
                                                                                                                                                                           100
                                                                                                                                                                           200
                                                                                                                                                                           300
                                                                                                                                                                           400
                                                                                                                                                                           500
                                                                                                                                                                           600
                                                                                                                                                                           700
                                                                                                                                                                           800
                                                                                                                                                                           900
                                                                                                                                                                          1000
                                                                                                                                                                          1100
                                                                                                                                                                          1200
                                                                                                                                                                          1300




                                                                                                                                                             30/03/2009

                                                                                                                                                             13/04/2009

                                                                                                                                                             27/04/2009

                                                                                                                                                             11/05/2009

                                                                                                                                                             25/05/2009
                                                                                                                                                                                                                                                                       Naegleria totales




                                                                                                                                                             08/06/2009

                                                                                                                                                             22/06/2009

                                                                                                                                                             06/07/2009

                                                                                                                                                             20/07/2009

                                                                                                                                                             03/08/2009

                                                                                                                                                             17/08/2009
                                                                                                                                                                                    Capteur Néosens – Bassin chaud




                                                                                                                                                             31/08/2009
                                                                                                                                                                                                                                                                                                             Capteur thermique : indicateur de la qualité de l’eau ?




                                                                                                                                                             14/09/2009

                                                                                                                                                             28/09/2009
                                                                              d’amibes et de légionelles dans l’eau
                                                                                                                                                                          1,0E+01
                                                                                                                                                                                                                           1,0E+02
                                                                                                                                                                                                                                           1,0E+03
                                                                                                                                                                                                                                                           1,0E+04
                                                                                                                                                                                                                                                                                                 1,0E+05




                                                                              les concentrations de bactéries totales,
                                                                                 Signal des capteurs non corrélé avec




                                                                                                                                                                                                                     Concentration Lp (UFC/L)
Capteur thermique : indicateur de la qualité des dépôts ?

                            Signal capteur non corrélé avec la concentration de légionelles dans le biofilm :



                                                                     Bassin Froid                                                                                                                                                                            Bassin Chaud
                           1,E+07                                                                                                                                       0,4                                               1,E+07                                                                                                                   1,3
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   1,2
                           1,E+06                                                                                                                                                                                         1,E+06                                                                                                                   1,1
[ Legionella ] (UFC/cm2)




                                                                                                                                                                                               [ Legionella ] (UFC/cm2)
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   1,0




                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                         Epaisseur (mm)
                                                                                                                                                                                                                          1,E+05




                                                                                                                                                                              Epaisseur (mm)
                           1,E+05
                                                                                                                                                                        0,3                                                                                                                                                                        0,9
                           1,E+04                                                                                                                                                                                         1,E+04                                                                                                                   0,8
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   0,7
                           1,E+03                                                                                                                                                                                         1,E+03                                                                                                                   0,6
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   0,5
                                                                                                                                                                        0,2                                               1,E+02
                           1,E+02                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  0,4
                                                                                                                                                                                                                          1,E+01                                                                                                                   0,3
                           1,E+01                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  0,2
                                                                                                                                                                                                                          1,E+00                                                                                                                   0,1
                           1,E+00                                                                                                                                       0,1




                                                                                                                                                                                                                                   30/03/09



                                                                                                                                                                                                                                                         13/04/09

                                                                                                                                                                                                                                                                    20/04/09

                                                                                                                                                                                                                                                                                 27/04/09




                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  18/05/09

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             25/05/09

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        01/06/09
                                                                                                                                                                                                                                              06/04/09




                                                                                                                                                                                                                                                                                            04/05/09

                                                                                                                                                                                                                                                                                                       11/05/09
                                               13/04/09


                                                                     11/05/09


                                                                                           08/06/09
                                                                                                      22/06/09
                                                                                                                 06/07/09
                                                                                                                            20/07/09
                                                                                                                                       03/08/09
                                                                                                                                                  17/08/09
                                                                                                                                                             31/08/09
                                    30/03/09


                                                          27/04/09


                                                                                25/05/09




                                                                      L.pneumophila - coupons béton                                                                                                                                                                            L.pneumophila - coupons inox
                                                                      Capteur Néosens                                                                                                                                                                                          Capteur Néosens




                            Idem pour la flore totale dans le biofilm
épaisseur Bassin chaud (mm)
                                                                                             épaisseur Bassin chaud (mm)




           0,2
                                              0,3
                                                                                      0,4
                                                                                               0,5
                                                                                                             0,6
                                                                                                                       0,7
                                                                                                                                0,8
                                                                                                                                          0,9
                                                                                                                                                    1,0
                                                                                                                                                               1,1
                                                                                                                                                                      1,2




            0,2
                                               0,3
                                                                                       0,4
                                                                                                0,5
                                                                                                              0,6
                                                                                                                        0,7
                                                                                                                                 0,8
                                                                                                                                           0,9
                                                                                                                                                     1,0
                                                                                                                                                                1,1
                                                                                                                                                                       1,2
16/06/09
16/06/09
18/06/09
18/06/09
20/06/09
20/06/09
22/06/09
22/06/09
24/06/09
24/06/09
26/06/09
26/06/09
                                                                                                                                                                                                                                                                   biocide ?



28/06/09
28/06/09
30/06/09
30/06/09
02/07/09
02/07/09
04/07/09
04/07/09
06/07/09
06/07/09
08/07/09
08/07/09
10/07/09
10/07/09
                                                                                                                                                                      NH2Cl

12/07/09
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14/07/09
14/07/09
16/07/09
16/07/09
18/07/09
18/07/09
20/07/09
20/07/09
22/07/09
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24/07/09
24/07/09
26/07/09
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28/07/09
28/07/09
30/07/09
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01/08/09
01/08/09
03/08/09
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05/08/09
05/08/09
07/08/09
07/08/09
                                                                                                                                                                              (CRT=0,25ppm) via la mesure d’épaisseur




09/08/09
09/08/09
11/08/09
11/08/09
13/08/09
13/08/09
15/08/09
15/08/09
17/08/09
17/08/09


             Capteur Néosens - Bassin chaud
19/08/09
19/08/09
21/08/09
21/08/09
23/08/09
23/08/09
25/08/09
25/08/09
27/08/09
27/08/09
29/08/09
29/08/09
31/08/09
31/08/09
                                                     Capteur Néosens - Bassin froid




02/09/09
02/09/09
04/09/09
04/09/09
           0,1
                                                                                                      0,2
                                                                                                                                       0,3
                                                                                                                                                                      0,4




            0,1
                                                                                                       0,2
                                                                                                                                        0,3
                                                                                                                                                                       0,4




                                                                        0,15
                                                                                                                       0,25
                                                                                                                                                       0,35




                                                                         0,15
                                                                                                                        0,25
                                                                                                                                                        0,35




                                                                                              épaisseur Bassin froid (mm)
                                                                                              épaisseur Bassin froid (mm)
                                                                                                                                                                                                                                                                                         Traitement à la monochloramine

                                                                                                                                                                                Période de monochloramination détectée par le capteur situé dans le bassin chaud




                                                                                                                                                     NH2Cl
                                                                                                                                                                                                                                                                   Capteur thermique : outil d’aide au suivi d’un traitement




                            bassin froid
                                                                                                                       arrêt de NH2Cl




                          (CRT=0,15 ppm)
                           Signal ≠ dans le
                                                                                                                                                Chute brutale du
                                                                                                                                              signal dès ajout de


                                                                                                                      Reprise rapide de
                                                                                                                    l’encrassement dès
Capteurs thermiques et entartrage ?

                                                Pas de détection en cas d’arrêt de la vaccination acide


                                                                                                                                                                    Arrêt d’acide
Epaisseur mesurée dans le bassin chaud (mm)




                                              1,3                                                                                                                                                                                                                                            0,5




                                                                                                                                                                                                                                                                                                    Epaisseur mesurée dans le bassin froid et en
                                              1,2              Capteur intrusive - bassin chaud chaud
                                                                 Sonde Néosens – Bassin
                                                                                                                                                                                                                                                                                             0,45
                                              1,1
                                               1                                                                                                                   Capteur Néosens – Sortie condenseur
                                                                                                                                                                            Sonde intrusive - sortie condenseur                                                                              0,4                                                   Paramétrage effectué avec le




                                                                                                                                                                                                                                                                                                              sortie condenseur (mm)
                                              0,9                                                                                                                                                                                                                                                                                                    coefficient thermique d’un
                                                                                                                                                                                                                                                                                             0,35
                                              0,8                                                                                                                                                                                                                                                                                                  biofilm, près de 4x plus faible
                                              0,7                                                                                                                                                                                                                                            0,3                                                         que celui du tartre*
                                              0,6
                                              0,5
                                                                                                                                                                                                                                                                                             0,25                                                    Optimisation du paramétrage
                                              0,4                                                                                                                                                                                                                                            0,2
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   selon le type d’encrassement à
                                              0,3                                                                                                                                                                                                                                                                                                       surveiller en priorité?
                                                                                                                                                                                                                                                                                             0,15
                                              0,2
                                                                                                                                                                                 Capteur Sonde intrusive - bassinfroid
                                                                                                                                                                                         Néosens – Bassin froid
                                              0,1                                                                                                                                                                                                                                            0,1
                                                    24/07/09
                                                                26/07/09

                                                                           28/07/09
                                                                                      30/07/09
                                                                                                 01/08/09
                                                                                                            03/08/09

                                                                                                                       05/08/09
                                                                                                                                  07/08/09

                                                                                                                                             09/08/09
                                                                                                                                                        11/08/09

                                                                                                                                                                    13/08/09
                                                                                                                                                                               15/08/09
                                                                                                                                                                                          17/08/09

                                                                                                                                                                                                     19/08/09
                                                                                                                                                                                                                21/08/09

                                                                                                                                                                                                                           23/08/09
                                                                                                                                                                                                                                      25/08/09

                                                                                                                                                                                                                                                 27/08/09
                                                                                                                                                                                                                                                            29/08/09
                                                                                                                                                                                                                                                                       31/08/09
                                                                                                                                                                                                                                                                                  02/09/09


                                                Sensibilité différente des capteurs Néosens selon nature du dépôt (organique/minéral)


* Schmidt, 1999
Conclusions / Perspectives

   Sur les 2 types de capteurs testés, seul le capteur thermique peut être mis en œuvre
de manière simple pour obtenir des données en ligne sur l’évolution in situ de
l’encrassement d’un circuit industriel :


    Vérifier le bon fonctionnement des capteurs (fiabilité, robustesse,
                                                                                          ☺
  sensibilité) dans des conditions semi-industrielles types des centrales


    Evaluer les capteurs comme indicateur d’encrassement du circuit                       ☺

    Étudier la capacité des capteurs à constituer un élément de pilotage                  ☺   à approfondir
  d’un traitement biocide

    Explorer la possibilité de relier les indications fournies par les
  capteurs avec l’état de colonisation du circuit dans la phase eau et
  dans la phase biofilm


 Nécessité de vérifier :
      Leur capacité à constituer un élément de suivi des traitements biocides
      Le lieu d’implantation des capteurs le plus approprié sur circuit industriel
      L’intérêt des capteurs par rapport aux indicateurs actuels d’encrassement des centrales (∆P, ∆T…)
Colloque Biofilm et Santé / 11-12 janvier 2010




Merci de votre attention.

             celine.bouteleux@edf.fr
              olivier.horner@edf.fr

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Colloque Biofilm (11 et 12 janvier 2010)

  • 1. Colloque Biofilm et Santé / 11-12 janvier 2010 Monitoring des dépôts en milieu industriel Capteurs de biofilm : un outil d’aide au pilotage des circuits de refroidissement ? Céline BOUTELEUX & Olivier HORNER
  • 2. Contexte Tartre Biofilm ENCRASSEMENT DES CIRCUITS DE REFROIDISSEMENT Matières en suspension Risques sanitaires (biofilm : réservoirs de pathogènes) Risques environnementaux (traitements biocides et/ou antitartres) Pertes de performances et incidence sur la durabilité des composants Nécessité de posséder des moyens de suivi de l’encrassement
  • 3. Propriétés requises : Les capteurs retenus •Sensibilité •Précision •Simplicité d’utilisation •Simplicité d’interprétation 1. L’électrode à disque tournant* •Economique •Solidité • Principe électrochimique + Fonctionnement en eau • Mesure du courant limite de diffusion brute de rivière • Détermination de l’épaisseur du biofilm grâce à la relation de Levich : n = nombre d'électrons (dans notre cas, n = 1) × × × × × E = n×F×S×D×[traceur]×(1/I- 1/IL) S = surface de l’électrode de travail (m2) D = coefficient de diffusion du ferro/ferricyanure (m2/s) [traceur] = concentration du ferro/ferricyanure (mol/m3) I = courant après x jours de colonisation (A) pas d’enregistrement en continu IL = courant de Levich (à t=0) (A) 2. Le capteur de la société Néosens • Principe thermique • Alternance de cycles de chauffe et de non chauffe Capteur propre Capteur encrassé • Mesure du ∆T et détermination de l’épaisseur du biofilm grâce à un algorithme La sonde est reliée au transmetteur qui enregistre les données en continu. * C. Foret (2006). Thèse de l’université de Poitiers.
  • 4. Objectifs de l’étude Tester les capteurs sélectionnés dans des conditions semi-industrielles afin d’identifier leurs opportunités d’utilisation sur les circuits de refroidissement d’EDF: Vérifier le bon fonctionnement des capteurs (fiabilité, robustesse, sensibilité) avec la qualité d’eau des circuits de refroidissement (eau brute) et dans des conditions de fonctionnement types de centrales Évaluer l’intérêt des capteurs comme indicateur d’encrassement du circuit Étudier la capacité des capteurs à constituer un élément de suivi d’un traitement biocide Explorer la possibilité de relier les indications fournies par les capteurs avec l’état de colonisation du circuit dans la phase eau et dans la phase biofilm (risque légionelles)
  • 5. Démarche expérimentale (1/2) Pilote SPECTRE (Système Pilote d’Étude des Circuits Tertiaires de Refroidissement des Eaux) 4 boucles d’essais parallèles et indépendantes de simulation d’un circuit avec TAR à l’échelle 1/145000è Condenseur Bassin chaud Eau appoint Système de désinfection Aéroréfrigérants Capteurs pour enregistrement Bassin froid Purge du panache en continu et pilotage à distance
  • 6. Coupons inox Démarche expérimentale (2/2) Capteurs placés en divers endroits de la boucle d’essais : 1250 L/h Tour Coupons Bassin Coupons packing chaud packing Condenseur Coupons inox Coupons béton + inox Coupons béton Bassin froid Fc=1,6 Appoint Purge (Eau brute) Analyses régulières de l’eau et du biofilm (coupons dans ≠ compartiments) : légionelles, amibes, flore totale, COD, COT, MS, calcium, prise de poids des coupons Comparaison des signaux des capteurs Réactivité et tenue des capteurs lors d’évènements programmés avec les analyses de - monochloramination l’eau et des dépôts - arrêt de la vaccination acide (pour obtenir une eau entartrante) 6 mois d’essais
  • 7. Fonctionnement du capteur thermique en conditions semi-industrielles Fonctionnement autonome et lecture directe à l’écran Capable de détecter la formation d’un dépôt et sa dynamique (alternance développements / décrochages) Sensible aux « disfonctionnements » du circuit (arrêt pilote) Pas de saturation du signal sur 6 mois de fonctionnement (jusqu’à 1 mm d’épaisseur) 0,85 0,80 0,75 Arrêts pilote Bassin chaud 0,70 0,65 (+600µm) 0,60 épaisseur (mm) 0,55 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 28/03/09 30/03/09 01/04/09 03/04/09 05/04/09 07/04/09 09/04/09 11/04/09 13/04/09 15/04/09 17/04/09 19/04/09 21/04/09 23/04/09 25/04/09 27/04/09 29/04/09 01/05/09 03/05/09 05/05/09 07/05/09 09/05/09 11/05/09 13/05/09 15/05/09 17/05/09 19/05/09 21/05/09 23/05/09 25/05/09 27/05/09 29/05/09 31/05/09 02/06/09 04/06/09 06/06/09
  • 8. épaisseur (mm) 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 28/03/09 30/03/09 01/04/09 03/04/09 05/04/09 07/04/09 09/04/09 11/04/09 13/04/09 15/04/09 17/04/09 19/04/09 21/04/09 23/04/09 25/04/09 27/04/09 29/04/09 01/05/09 03/05/09 Bassin froid / Bassin chaud 05/05/09 07/05/09 09/05/09 11/05/09 13/05/09 15/05/09 Encrassement différent selon la localisation dans le circuit : 17/05/09 19/05/09 21/05/09 Lieux d’implantation du capteur thermique 23/05/09 25/05/09 27/05/09 29/05/09 31/05/09 02/06/09 04/06/09 06/06/09 froid chaud Bassin Bassin (+200µm) (+600µm)
  • 9. Corrélation capteurs thermiques / encrassement du circuit Données fiables en terme d’encrassement global : bonne corrélation entre la prise de poids des coupons et l’épaisseur mesurée par le capteur positionné en parallèle Bonne sensibilité du capteurs (détecte l’apparition du dépôt dès sa formation) Bassin chaud Bassin froid 1,0 45 0,35 2400 Poids - coupons BETON 40 2200 0,9 Capteur Neosens 2000 35 0,8 0,30 1800 Prise de poids (mg) Prise de poids (mg) 30 1600 Epaisseur (mm) Epaisseur (mm) 0,7 1400 25 0,6 0,25 1200 20 1000 0,5 15 800 0,4 0,20 600 10 400 0,3 Poids - coupons INOX 5 Capteurs Neosens 200 0,2 0 0,15 0 06/04/09 20/04/09 04/05/09 18/05/09 01/06/09 15/06/09 30/03/09 13/04/09 27/04/09 11/05/09 25/05/09 08/06/09 06/04/09 27/04/09 11/05/09 01/06/09 30/03/09 13/04/09 20/04/09 04/05/09 18/05/09 25/05/09 08/06/09 Date Date Influence du matériau sur l’encrassement
  • 10. Epaisseur (µm) Epaisseur (µm) 100 150 200 250 300 350 400 100 150 200 250 300 350 30/03/2009 30/03/2009 400 06/04/2009 13/04/2009 13/04/2009 20/04/2009 27/04/2009 27/04/2009 04/05/2009 Flore totale 11/05/2009 11/05/2009 18/05/2009 25/05/2009 25/05/2009 01/06/2009 08/06/2009 08/06/2009 15/06/2009 22/06/2009 22/06/2009 29/06/2009 06/07/2009 06/07/2009 Capteur Néosens – Bassin froid Capteur Néosens – Bassin froid 13/07/2009 20/07/2009 20/07/2009 27/07/2009 03/08/2009 03/08/2009 10/08/2009 17/08/2009 24/08/2009 17/08/2009 31/08/2009 31/08/2009 Legionella pneumophila 07/09/2009 14/09/2009 21/09/2009 14/09/2009 28/09/2009 05/10/2009 28/09/2009 1,0E+02 1,0E+03 1,0E+04 1,0E+05 1,0E+06 1,0E+07 1,0E+05 1,0E+06 1,0E+07 1,0E+08 1,0E+09 Concentration Lp (UFC/L) Concentration (UFC/L) Epaisseur (µm) 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 30/03/2009 13/04/2009 27/04/2009 11/05/2009 25/05/2009 Naegleria totales 08/06/2009 22/06/2009 06/07/2009 20/07/2009 03/08/2009 17/08/2009 Capteur Néosens – Bassin chaud 31/08/2009 Capteur thermique : indicateur de la qualité de l’eau ? 14/09/2009 28/09/2009 d’amibes et de légionelles dans l’eau 1,0E+01 1,0E+02 1,0E+03 1,0E+04 1,0E+05 les concentrations de bactéries totales, Signal des capteurs non corrélé avec Concentration Lp (UFC/L)
  • 11. Capteur thermique : indicateur de la qualité des dépôts ? Signal capteur non corrélé avec la concentration de légionelles dans le biofilm : Bassin Froid Bassin Chaud 1,E+07 0,4 1,E+07 1,3 1,2 1,E+06 1,E+06 1,1 [ Legionella ] (UFC/cm2) [ Legionella ] (UFC/cm2) 1,0 Epaisseur (mm) 1,E+05 Epaisseur (mm) 1,E+05 0,3 0,9 1,E+04 1,E+04 0,8 0,7 1,E+03 1,E+03 0,6 0,5 0,2 1,E+02 1,E+02 0,4 1,E+01 0,3 1,E+01 0,2 1,E+00 0,1 1,E+00 0,1 30/03/09 13/04/09 20/04/09 27/04/09 18/05/09 25/05/09 01/06/09 06/04/09 04/05/09 11/05/09 13/04/09 11/05/09 08/06/09 22/06/09 06/07/09 20/07/09 03/08/09 17/08/09 31/08/09 30/03/09 27/04/09 25/05/09 L.pneumophila - coupons béton L.pneumophila - coupons inox Capteur Néosens Capteur Néosens Idem pour la flore totale dans le biofilm
  • 12. épaisseur Bassin chaud (mm) épaisseur Bassin chaud (mm) 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 16/06/09 16/06/09 18/06/09 18/06/09 20/06/09 20/06/09 22/06/09 22/06/09 24/06/09 24/06/09 26/06/09 26/06/09 biocide ? 28/06/09 28/06/09 30/06/09 30/06/09 02/07/09 02/07/09 04/07/09 04/07/09 06/07/09 06/07/09 08/07/09 08/07/09 10/07/09 10/07/09 NH2Cl 12/07/09 12/07/09 14/07/09 14/07/09 16/07/09 16/07/09 18/07/09 18/07/09 20/07/09 20/07/09 22/07/09 22/07/09 24/07/09 24/07/09 26/07/09 26/07/09 28/07/09 28/07/09 30/07/09 30/07/09 01/08/09 01/08/09 03/08/09 03/08/09 05/08/09 05/08/09 07/08/09 07/08/09 (CRT=0,25ppm) via la mesure d’épaisseur 09/08/09 09/08/09 11/08/09 11/08/09 13/08/09 13/08/09 15/08/09 15/08/09 17/08/09 17/08/09 Capteur Néosens - Bassin chaud 19/08/09 19/08/09 21/08/09 21/08/09 23/08/09 23/08/09 25/08/09 25/08/09 27/08/09 27/08/09 29/08/09 29/08/09 31/08/09 31/08/09 Capteur Néosens - Bassin froid 02/09/09 02/09/09 04/09/09 04/09/09 0,1 0,2 0,3 0,4 0,1 0,2 0,3 0,4 0,15 0,25 0,35 0,15 0,25 0,35 épaisseur Bassin froid (mm) épaisseur Bassin froid (mm) Traitement à la monochloramine Période de monochloramination détectée par le capteur situé dans le bassin chaud NH2Cl Capteur thermique : outil d’aide au suivi d’un traitement bassin froid arrêt de NH2Cl (CRT=0,15 ppm) Signal ≠ dans le Chute brutale du signal dès ajout de Reprise rapide de l’encrassement dès
  • 13. Capteurs thermiques et entartrage ? Pas de détection en cas d’arrêt de la vaccination acide Arrêt d’acide Epaisseur mesurée dans le bassin chaud (mm) 1,3 0,5 Epaisseur mesurée dans le bassin froid et en 1,2 Capteur intrusive - bassin chaud chaud Sonde Néosens – Bassin 0,45 1,1 1 Capteur Néosens – Sortie condenseur Sonde intrusive - sortie condenseur 0,4 Paramétrage effectué avec le sortie condenseur (mm) 0,9 coefficient thermique d’un 0,35 0,8 biofilm, près de 4x plus faible 0,7 0,3 que celui du tartre* 0,6 0,5 0,25 Optimisation du paramétrage 0,4 0,2 selon le type d’encrassement à 0,3 surveiller en priorité? 0,15 0,2 Capteur Sonde intrusive - bassinfroid Néosens – Bassin froid 0,1 0,1 24/07/09 26/07/09 28/07/09 30/07/09 01/08/09 03/08/09 05/08/09 07/08/09 09/08/09 11/08/09 13/08/09 15/08/09 17/08/09 19/08/09 21/08/09 23/08/09 25/08/09 27/08/09 29/08/09 31/08/09 02/09/09 Sensibilité différente des capteurs Néosens selon nature du dépôt (organique/minéral) * Schmidt, 1999
  • 14. Conclusions / Perspectives Sur les 2 types de capteurs testés, seul le capteur thermique peut être mis en œuvre de manière simple pour obtenir des données en ligne sur l’évolution in situ de l’encrassement d’un circuit industriel : Vérifier le bon fonctionnement des capteurs (fiabilité, robustesse, ☺ sensibilité) dans des conditions semi-industrielles types des centrales Evaluer les capteurs comme indicateur d’encrassement du circuit ☺ Étudier la capacité des capteurs à constituer un élément de pilotage ☺ à approfondir d’un traitement biocide Explorer la possibilité de relier les indications fournies par les capteurs avec l’état de colonisation du circuit dans la phase eau et dans la phase biofilm Nécessité de vérifier : Leur capacité à constituer un élément de suivi des traitements biocides Le lieu d’implantation des capteurs le plus approprié sur circuit industriel L’intérêt des capteurs par rapport aux indicateurs actuels d’encrassement des centrales (∆P, ∆T…)
  • 15. Colloque Biofilm et Santé / 11-12 janvier 2010 Merci de votre attention. celine.bouteleux@edf.fr olivier.horner@edf.fr