Choix des conditions environnementales

2.2.1 Source lumineuse

L’éclairage est assuré par des LED en lumière blanche positionnées de manière uniforme sur un panneau disposé sur toute la longueur et la largeur de chaque module et situé au-dessus des canaux, avec une variation possible de l’intensité lumineuse de 0 à 150 µmol s-1 m-2. L’intensité lumineuse est mesurée à l’aide d’une sonde de quantamètre (model LI-189, LI- COR, Inc- Lincoln- Nebraska). De manière à distribuer de façon la plus homogène possible la lumière au niveau des 12 mini-canaux, des plaques en plexiglass sont fixées sur les faces latérales du dispositif afin de recentrer la lumière et limiter les effets de bord. Notre choix s’est porté sur un éclairage à 60 % de l’intensité maximale du dispositif, soit une intensité lumineuse de 71,5 ± 13,5 µmol s-1 _m-2 _{en positionnant la rampe de LED proche des canaux, 19 cm au-}

dessus, afin d’obtenir une distribution homogène de l’éclairage : en effet une distance importante entre le biofilm et la rampe augmente la diffusion de la lumière. L’activité photosynthétique des communautés algales benthiques est saturée entre 100 et 400 µmol s-1 m-

2 _{quel que soit l’état du biofilm (Bothwell, 1993). De plus, ces conditions d’éclairement sont de}

l’ordre de grandeur de l’intensité lumineuse présente dans les enceintes permettant la pré- culture des algues.

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2.2.2 Conditions hydrodynamiques

Afin de simuler au mieux un écoulement naturel à surface libre, il est nécessaire de travailler en régime turbulent. De plus, en régime laminaire, le biofilm n’aurait accès aux nutriments que par diffusion au sein des masses d’eau. Au contraire, en régime turbulent, les nutriments contenus dans l’eau sont suffisamment mélangés, ce qui constitue un gradient maximal entre l’eau à la surface du biofilm et l’eau circulant au sein du biofilm. L’écoulement dans chacun des 12 mini-canaux présents dans le dispositif est caractérisé par deux nombres sans dimension : le nombre de Reynolds (ReD) et le rayon hydraulique (𝑅_ℎ+). Le nombre de

Reynolds, donnant les conditions seuils entre un régime laminaire, transitoire et turbulent, est ici défini par l’équation suivante :

𝑅𝑒_𝐷 = 𝑉. 2. 𝑅ℎ ν

avec V la vitesse moyenne dans le canal (m s-1_{), 𝜈 la viscosité cinématique de l’eau à 20°C}

(1,007.10-6 m² s-1), Rh = l.h/(l+2.h) le rayon hydraulique du canal (m), l la largeur du canal (m)

et h la hauteur d’eau dans le canal (m).

Le régime est parfaitement turbulent quand ReD > 2000 (Julien, 2002).

Le rayon hydraulique adimensionnel (𝑅_ℎ+) permettant de caractériser plus précisément le profil de vitesse se définit par l’équation suivante :

𝑅_ℎ+ =𝑅ℎ. 𝑢 ∗

ν 𝑎𝑣𝑒𝑐 𝑢

∗ _{= √𝑅} ℎ. 𝑆. 𝑔

avec u* la vitesse de frottement sur les bords et le fond de chaque canal (m s-1), S la pente du canal par rapport à l’horizontale et g l’accélération de la pesanteur (9,81 m s-2_).

On considère que la couche limite turbulente équivaut à celle des cours d’eau naturels quand 𝑹_𝒉+ > 100.

Lorsque l’on fait varier le débit de l’eau qui circule, on modifie la valeur des paramètres ReD et 𝑅_ℎ+. Dans les modules, le débit peut être fixé à une valeur par l’intermédiaire de vannes

crantées présentes à chaque entrée de canal mais également en inclinant le plateau sur lequel les canaux sont disposés. Afin d’assurer un écoulement turbulent et similaire à celui des cours

69 d’eau naturels, une pente minimale de 1,2 % et un débit minimum de 150 L h-1 _{doivent être}

choisis (ces conditions permettent d’obtenir un ReD supérieur à 2000 et 𝑅_ℎ+ supérieur à 100).

2.2.3 Temps de mélange

Le temps de mélange permet de connaître le temps nécessaire pour atteindre une homogénéité de concentration dans le circuit hydraulique fonctionnant en mode fermé. Le comportement général du mélange dans un système de quatre canaux et de leur alimentation commune a été caractérisé expérimentalement en utilisant la méthode de traçage par impulsion pour laquelle 100 mL d’une solution de NaCl (45g L-1_{) sont injectés en sortie de canal.}

L’expérience est réalisée avec des coupons propres, pour une pente fixe (1,2 %) et quatre débits différents : 150, 250, 350 et 450 L h-1 avec un volume opérationnel dans chaque réservoir de 45 L (volume cumulé entre le réservoir du bas et celui du haut). La conductivité de l’eau est mesurée dans le réservoir supérieur avec une sonde spécifique (conductivity meter 524, CRISON, SELI) afin d’enregistrer la réponse temporelle en conductivité suite à l’impulsion de sel. Le temps de mélange nécessaire pour obtenir 90 % de la valeur maximale, celle représentant un milieu aqueux circulant homogène, est ensuite relevé, ce qui correspond au temps de mélange pour obtenir 90 % d’homogénéité (Figure 22).

Figure 22 Variation du temps de mélange nécessaire pour obtenir 90 % de la valeur maximale

en fonction du débit. 42 44 46 48 50 52 150 200 250 300 350 400 450 TM 90 (s) Débit (L h-1₎

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2.2.4 Eau alimentant le dispositif

Plusieurs types d’eaux peuvent être utilisés au cours de l’expérimentation. L’eau de rivière peut être une première source. Celle-ci a pour avantage d’être facile d’accès mais très variable en fonction des saisons en qualité chimique, microbiologique et turbidité (écran partiel à la lumière). Le phosphate, élément indispensable à la croissance d’un biofilm (Bothwell, 1985), est généralement en faible concentration dans l’eau de rivière. Afin d’alimenter les trois modules, le transport et le stockage d’un volume d’eau de 600 L est nécessaire et contraignant. De plus, utiliser l’eau de rivière au cours de nos expérimentations est très difficile du fait de l’étude de biofilm phototrophe mono-espèce et donc le risque d’ensemencement par d’autres espèces via la biomasse planctonique. Les milieux de cultures synthétiques, eau potable complétée d’oligoéléments, peuvent également être utilisés comme eau circulant dans le dispositif. De plus, ce milieu peut être adapté afin de favoriser l’espèce algale utilisée. Pour être le plus reproductible possible tout en ayant tous les nutriments nécessaires à la croissance des microorganismes phototrophes choisis, nous avons décidé d’utiliser les milieux de cultures synthétiques, c’est-à-dire le Combo et le BG11.

2.2.5 Nettoyage et entretien du dispositif

Entre chaque expérimentation ainsi que lors de la première utilisation, de l’eau de javel diluée à de l’eau du réseau circule dans l’ensemble des canalisations et des mini-canaux pendant 24 h. Chaque partie est ensuite rincée à l’eau du réseau pour éliminer les résidus de chlore avant d’être séchée à l’air libre pendant 36 h minimum. Entre chaque expérience, les coupons sont nettoyés de manière individuelle à l’aide d’un détergent (eau de javel) puis rincés plusieurs fois à l’eau.

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