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Monitoring des dépôts en milieu industrielCapteurs de biofilm : un outil d’aide au pilotage de s circuits de
refroidissement ?
Colloque Biofilm et Santé / 11-12 janvier 2010
Céline BOUTELEUX & Olivier HORNER
Contexte
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
BiofilmTartre
Matières en suspension
ENCRASSEMENT DES CIRCUITS DE REFROIDISSEMENT
Les capteurs retenusPropriétés requises :
•Sensibilité•Précision
•Simplicité d’utilisation•Simplicité d’interprétation
•Economique•Solidité
+ Fonctionnement en eau brute de rivière
* C. Foret (2006). Thèse de l’université de Poitiers.
1. L’électrode à disque tournant *
n = nombre d'électrons (dans notre cas, n = 1)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)IL = courant de Levich (à t=0) (A)
E = n××××F××××S××××D××××[traceur] ××××(1/I- 1/IL)
• Principe électrochimique• Mesure du courant limite de diffusion• Détermination de l’épaisseur du biofilm grâce à la relation de Levich :
���� pas d’enregistrement en continu
2. Le capteur de la société Néosens
• Principe thermique• Alternance de cycles de chauffe et de non chauffe• 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.
Capteur propre Capteur encrassé
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 traitementbiocide
� 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
Aéroréfrigérants
Condenseur Eau appointBassin chaud
PurgeCapteurs pour enregistrement en continu et pilotage à distance
Bassin froidSystème de désinfection du panache
Démarche expérimentale (2/2)
� Capteurs placés en divers endroits de la boucle d’e ssais :
Comparaison des signaux des capteurs avec les analyses de l’eau et des dépôts
� Analyses régulières de l’eau et du biofilm (coupons dans ≠≠≠≠ compartiments) :
légionelles, amibes, flore totale, COD, COT, MS, calcium, prise de poids des coupons
Bassin froid
Appoint(Eau brute)
Tour
Purge
Coupons inox
Coupons packing
Coupons béton + inox
Condenseur
Bassin chaud
1250 L/h
Fc=1,6
Coupons béton
Coupons inox
Coupons packing
�Réactivité et tenue des capteurs lors d’évènements programmés- monochloramination
- arrêt de la vaccination acide (pour obtenir une eau entartrante)
�6 mois d’essais
Fonctionnement du capteur thermique en conditions semi-industrielles
� Capable de détecter la formation d’un dépôt et sa dynamique (alternance développements / décrochages)
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0,55
0,60
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épai
sseu
r (m
m)
Bassin chaud
(+600µm)
Arrêts pilote
� Fonctionnement autonome et lecture directe à l’écran
� Pas de saturation du signal sur 6 mois de fonctionnement (jusqu’à 1 mm d’épaisseur)� Sensible aux « disfonctionnements » du circuit (arrêt pilote)
Lieux d’implantation du capteur thermique
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
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0,80
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r (m
m)
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
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06/0
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épai
sseu
r (m
m)
Bassin chaud
(+600µm)
Bassin froid
(+200µm)
� Encrassement différent selon la localisation dans le circuit :
Bassin froid / Bassin chaud
Corrélation capteurs thermiques / encrassement du c ircuit
� 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)
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
30/0
3/09
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m)
0
5
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20
25
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35
40
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Pris
e de
poi
ds (
mg)
Poids - coupons INOX
Capteur Neosens
Bassin chaud
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
30/0
3/09
06/0
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20/0
4/09
27/0
4/09
04/0
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5/09
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5/09
25/0
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Date
Epa
isse
ur(m
m)
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
Pris
e de
poi
ds (
mg)
Poids - coupons BETON
Capteurs Neosens
Bassin froid
���� Influence du matériau sur l’encrassement
Capteur thermique : indicateur de la qualité de l’e au ?
� Signal des capteurs non corrélé avec les concentrations de bactéries totales, d’amibes et de légionelles dans l’eau
100
150
200
250
300
350
40030
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isse
ur (
µm)
1,0E+05
1,0E+06
1,0E+07
1,0E+08
1,0E+09
Con
cent
ratio
n (U
FC
/L)
Capteur Néosens – Bassin froid0
100
200300400
500600700800
90010001100
12001300
30/0
3/20
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1,0E+01
1,0E+02
1,0E+03
1,0E+04
1,0E+05
Con
cent
ratio
n Lp
(U
FC
/L)
100
150
200
250
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400
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Epa
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µm)
1,0E+02
1,0E+03
1,0E+04
1,0E+05
1,0E+06
1,0E+07
Con
cent
ratio
n Lp
(U
FC
/L)
Flore totale
Legionella pneumophila
Capteur Néosens – Bassin froid
Capteur Néosens – Bassin chaud
Naegleria totales
Capteur thermique : indicateur de la qualité des dé pôts ?
� Signal capteur non corrélé avec la concentration de légionelles dans le biofilm :
1,E+00
1,E+01
1,E+02
1,E+03
1,E+04
1,E+05
1,E+06
1,E+07
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[ Leg
ione
lla ]
(UF
C/c
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0,1
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0,3
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isse
ur(m
m)
L.pneumophila - coupons béton
Capteur Néosens
1,E+00
1,E+01
1,E+02
1,E+03
1,E+04
1,E+05
1,E+06
1,E+07
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[ Leg
ione
lla ]
(UF
C/c
m2)
0,10,20,30,40,50,60,70,80,91,01,11,21,3
Epa
isse
ur(m
m)
L.pneumophila - coupons inox
Capteur Néosens
Bassin Froid Bassin Chaud
� Idem pour la flore totale dans le biofilm
Capteur thermique : outil d’aide au suivi d’un trai tement biocide ?
� Période de monochloramination détectée par le capteur situé dans le bassin chaud (CRT=0,25ppm) via la mesure d’épaisseur
�Chute brutale du signal dès ajout de
NH2Cl
�Reprise rapide de l’encrassement dès
arrêt de NH2Cl
�Signal ≠ dans le bassin froid
(CRT=0,15 ppm)0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
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aud
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)
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0,25
0,3
0,35
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sseu
r B
assi
n fro
id (
mm
)
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
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09
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09/
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épai
sseu
r B
assi
n ch
aud
(mm
)
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
épai
sseu
r B
assi
n fro
id (
mm
)
NH2Cl
Capteur Néosens - Bassin chaud
Capteur Néosens - Bassin froid
Traitement à la monochloramine
Capteurs thermiques et entartrage ?
� Pas de détection en cas d’arrêt de la vaccination acide
Arrêt d’acide
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
1,3
24/0
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13/0
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15/0
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17/0
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31/0
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02/0
9/09
Epa
isse
ur m
esur
ée d
ans
le
bass
in c
haud
(mm
)
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
Epa
isse
ur m
esur
ée d
ans
le
bass
in fr
oid
et e
n so
rtie
con
dens
eur
(mm
)
Sonde intrusive - bassin chaud
Sonde intrusive - bassin froid
Sonde intrusive - sortie condenseur
Arrêt d’acide
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
1,3
24/0
7/09
26/0
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Epa
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0,1
0,15
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0,25
0,3
0,35
0,4
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ur m
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(mm
)
Sonde intrusive - bassin chaud
Sonde intrusive - bassin froid
Sonde intrusive - sortie condenseur
� Sensibilité différente des capteurs Néosens selon nature du dépôt (organique/minéral)
* Schmidt, 1999
Paramétrage effectué avec le coefficient thermique d’un
biofilm, près de 4x plus faible que celui du tartre*
� Optimisation du paramétrage selon le type d’encrassement à
surveiller en priorité?
Capteur Néosens – Bassin chaud
Capteur Néosens – Sortie condenseur
Capteur Néosens – Bassin froid
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 :
� Evaluer les capteurs comme indicateur d’encrassement du circuit
� 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
� Vérifier le bon fonctionnement des capteurs (fiabilité, robustesse, sensibilité) dans des conditions semi-industrielles types des centrales
� Étudier la capacité des capteurs à constituer un élément de pilotage d’un traitement biocide
☺☺☺☺ à approfondir
☺☺☺☺
☺☺☺☺
�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…)
