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Abstract
The deterioration of water quality in distribution systems due to bacterial regrowth is, at the present time, a major concern of drinking water producers. In this context, a good knowledge of the factors controlling bacterial development is required; the aim of the present study is to understand the rote of biodegradable dissolved organic carbon (BDOC) in the bacterial dynamics of the distribution system.
This paper discusses the results obtained in a study carried out in order to assess the dynamics of biodegradable dissolved organic carbon and suspended bacteria in the water distribution system of the Northern Parisian suburbs lad by the Méry-sur-Oise treatment plant.
The results show clearly that a significant decrease in BDOC occurs within the smallest pipes, when the BDOC level in the finished water is higher than about 0.20 mgC.L-1. However, no decrease in BDOC is observed when the BDOC in the finished water is lower than 0.16 mgC.L-1. The bacterial abundance in the distribution system is primarily linked to the absence of free chicane. Temperature and BDOC concentration in the finished water are also major controlling factors of bacterial numbers. Bacterial growth rates are in the range 0.005 to 0.1 h-1 in the absence of free chlorine, the highest of these values are in the same range as the growth rates measured for bacteria in natural aquatic ecosystems. Fixed biomass to the inner pipes surface are in the range 0.25 to 0.65 µgC.cm-2 and the average growth rate of fixed bacteria seems to be roughly in the same order of magnitude as the average growth rate of the suspended bacteria.
A model of the dynamics of BDOC and bacteria in distribution network, incorporating the knowledge gained from this and previous studies concerning the control of bacterial activity by dissolved organic matter, is presented. It involves a mathematical representation of the kinetics of bacterial adsorption-desorption processes, bacterial attachment, bacterial utilization of biodegradable dissolved organic matter and impact of chlorine on free and fixed bacteria. It allows simulation of the impact of reducing the BDOC in the finished water on processes associated with bacterial regrowth in the distribution network..
Keywords:
- Biodegradable dissoled organic carbon (BROC),
- bacteria,
- drinking water,
- distribution system
Résumé
La dégradation de la qualité de l'eau dans les réseaux de distribution, due à la reviviscence bactérienne, est, à l'heure actuelle, un souci majeur pour les producteurs d'eau potable. Dans ce contexte, une bonne connaissance des facteurs de contrôle du développement bactérien dans ce type de milieu s'avère nécessaire. Le but de la présente étude est de comprendre le rôle du carbone organique dissous biodégradable (CODB) dans la dynamique bactérienne en réseau de distribution. Cet article présente les résultats d'une étude en cours, lancée à l'initiative du Syndicat des Eaux de l'Ile de France, sur le réseau de distribution de la banlieue nord de Paris alimenté par l'usine de production de Méry-sur-Oise.
Le CODB a été déterminé par la méthode de bioessai proposée par SERVAIS et al. (1987, 1989). La biomasse bactérienne libre a été estimée par microscopie à épifluorescence après coloration des bactéries à l'acridine orange, et la méthode d'incorporation de thymidine tritiée utilisée en écologie bactérienne a été adaptée, afin d'estimer la production bactérienne des bactéries présentes dans l'eau du réseau. De plus, la biomasse et l'activité des bactéries fixées ont été étudiées. Une méthode d'estimation de la biomasse, basée sur la mesure de l'activité exoprotéolytique potentielle des bactéries, a été développée. Pour l'estimation de la production bactérienne, la méthode d'incorporation de thymidine tritiée a été adaptée pour être utilisée pour les bactéries fixées.
Les résultats obtenus mettent clairement en évidence une décroissance significative de la teneur en CODB dans les canalisations de faible diamètre dans la plupart des situations. Lorsque l'on porte la décroissance du CODB entre l'eau refoulée et l'eau présente dans les canalisations de faible diamètre en fonction du CODB dans l'eau refoulée, une corrélation significative est observée (fig. 1); l'intersection de la droite de corrélation avec l'abscisse indique la présence d'un seuil (environ 0,16 mgC.L-1) en-dessous duquel aucune décroissance de CODB n'est observée. Ce résultat, qui doit encore être confirmé, est important en vue de définir un objectif à atteindre en fin de filière, en terme de teneur en CODB.
Dans l'eau refoulée, l'abondance bactérienne est proche de 1 x 104 cellules par mL. Dans le réseau de distribution, elle est toujours supérieure avec des valeurs observées allant jusqu'à 7 x 105 bact.mL-1; elle semble surtout liée à l'absence d'un résiduel de chlore libre (fig. 2). La température et la concentration en CODB dans l'eau refoulée sont aussi déterminantes comme le montre la figure 3 où l'abondance bactérienne dans les canalisations de faibles dia-mètres a été portée en fonction de la température pour deux gammes de concentration en CODB dans l'eau refoulée. Les taux de croissance des bactéries (calculés à .partir des estimations de production bactérienne et de biomasse) sont dans la gamme 0,005 à 0,1 h-1 (fig. 4), en l'absence de chlore libre ce qui correspond à des temps de génération compris entre 7 et 140 heures. La température semble fixer la valeur maximale du taux de croissance, sous ce maximum une large gamme de valeurs est observée traduisant la variabilité des conditions nutritionnelles. Les plus hauts taux de croissance observés dans le réseau sont proches des taux de croissance de bactéries mesurés dans les milieux aquatiques naturels.
Les résultats obtenus sur les bactéries fixées montrent une biomasse bactérienne fixée dans la gamme 0,25 à 0,65 µgC.cm-2, ce qui correspond à une abondance de 1 x 107 à 2,6 x 107 bact.cm-2 (tableau 1). Ainsi donc, dans une canalisation de 100mm de diamètre, on peut dire que la biomasse fixée est, en moyenne, approximativement de 50 à 75 fois plus élevée que la biomasse moyenne des bactéiesJibres (2 x 105 bact.mL-1) (tableau 2). Le taux de croissance des bactéries fixées apparaît du même ordre de grandeur que celui des bactéries en suspension. Ceci signifie que dans un réseau de distribution, l'essentiel de la production de biomasse bactérienne s'effectue sur les parois des canalisations, les bactéries en suspension résultant principalement d'un décrochage de bactéries.
Un modèle mathématique de la dynamique du CODB et des bactéries dans les réseaux de distribution, incluant les connaissances acquises concernant le contrôle de l'activité bactérienne par la matière organique dissoute, est actuellement développé (fig. 5). Il inclut une représentation mathématique des cinétiques des processus d'adsorption-désorption des bactéries (tableau 4), de fixation des bactéries, d'utilisation de la matière organique biodégradable et de la croissance bactérienne (tableau 3), ainsi que de l'impact du chlore libre sur les bactéries libres et fixées (fig. 6). Bien que préliminaire, il permet de simuler l'évolution longitudinale de la biomasse bactérienne libre et fixée, du CODB et du taux de chlore libre dans le cas simplifié d'une canalisation de diamètre fixé parcourue par un flux d'eau à vitesse constante (fig. 7). Une de ses applications permet de simuler l'impact de la teneur en CODB de l'eau injectée dans le réseau sur les biomasses libres et fixées (fig. 8).
Mots-clés:
- Carbone organique dissous biodégradable (CODB),
- bactéries,
- eau potable,
- réseaux de distribution