Réacteurs biologiques

Les réacteurs biologiques ont été mis en œuvre pour la réalisation de deux séries d’expériences. Ils ont été conçus pour suivre l’évolution de la composition de biofilms dans des conditions contrôlées de la température, de la vitesse d'écoulement et de la composition de l'eau. Les expériences réalisées visaient à étudier les effets sur les biofilms de changements de la vitesse de l’eau dans le cas de la première série d’expériences et de sa température dans le cas de la seconde série.

Chaque banc de réacteurs est constitué de 3 incubateurs cylindriques (Figure 21), chacun correspondant à un réplicat. Chaque incubateur est rempli en continu par le bas à l’aide de pompes et se vide par surverse grâce à un tube placé dans sa partie haute. Ce système permet de prévenir toute vidange intempestive des incubateurs en cas de panne d’une pompe. Chaque incubateur contient un carrousel équipé de dispositifs de maintien en position verticale de 10 lames (substrats artificiels) (Figure 22). La mise en rotation, à une vitesse définie, des carrousels et donc des biofilms, est réalisée à l'aide d'un système de poulies et de courroies qui relient leurs axes à un moteur.

Pour ces expériences, des substrats artificiels vierges (lames de verre) ont été disposés sur des portoirs puis mis à incuber dans la bâche de rejets des thermes Chevalley pendant 7 jours avant d’être récupérés et transférés dans les réacteurs. Par la suite, une lame est prélevée dans chacun des incubateurs (soit 3 lames ou un triplicat par banc) à un pas de temps spécifique aux différentes expériences.

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Figure 21: Banc de réacteurs composé de 3 incubateurs (chacun d’entre eux représentant un réplicat).

Figure 22: Carrousel supportant 10 substrats artificiels.

3.3.1 Expérience sur l’effet de la vitesse de l’eau

L'expérience a été réalisée en laboratoire. Les réacteurs, maintenus à l’obscurité à l’aide d’une bâche étaient alimentés avec de l’eau de la Leysse, en circuit fermé : l’eau ressortant des incubateurs était recueillie dans un cristallisoir commun permettant sa ré-oxygénation et son homogénéisation. L’alimentation des incubateurs par l’eau du cristallisoir était réalisée grâce à une pompe péristaltique. A chacun des jours du suivi, le système était tout d’abord commuté en circuit ouvert pour pomper l’eau de la Leysse prélevée le matin même. Une fois l’eau des 3 incubateurs entièrement renouvelée (en 1H30 environ), le système était de nouveau commuté en circuit fermé pour les 24 h qui suivent. Un débit constant était établi à la valeur de 1.5 l/h.

Les expériences ont été réalisées avec les deux vitesses de rotation des carrousels suivantes :

• 2 tr/min soit 1.05 cm/s

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Les deux vitesses ont été testées successivement du fait de la disponibilité d'un seul banc de réacteurs. La composition des biofilms de départ, ainsi que la qualité de l’eau alimentant les réacteurs au cours de chaque expérience ont donc été différentes. Ces facteurs ont pu être responsables de réactions différentes face à un même changement de vitesse au cours des 3 expériences.

L’évolution des biofilms a été suivie par le prélèvement successif de chacun des 10 substrats colonisés au pas de temps suivant : J0, 1, 2, 4, 7, 9, 11, 14, 16 et 18. Le jour 0 correspond à la date du transfert des biofilms depuis la bâche de rejet vers les réacteurs.

Chaque lame issue de chacun des réacteurs a été traitée séparément. L’eau utilisée pour remettre le biofilm en suspension était de l’eau de la Chaudanne filtrée à l’aide d’un filtre en fibre de verre de porosité 0.2 µm.

3.3.2 Expériences sur l’effet de la température de l’eau

Les deux bancs de réacteurs ont pu être utilisés simultanément dans le cadre des essais concernant l’étude de l’influence de la température de l’eau sur le développement des biofilms et

plus particulièrement de Lpn. Ils ont été installés dans une galerie souterraine qui rejoint le lit de la

Chaudanne entre les stations Mirabeau et Parking. Cette disposition a permis d'alimenter les réacteurs en circuit ouvert et directement à partir de l'eau de la Chaudanne. Les réacteurs étaient plongés par ailleurs, dans des conditions de température et d'obscurité identiques à celles des biofilms du fond du cours d'eau, lui aussi, essentiellement souterrain.

Le premier banc de réacteurs était directement alimenté en eau à partir de la Chaudanne et constituait le banc "rivière". L'eau d'alimentation du banc "rivière réchauffée", elle aussi en provenance de la Chaudanne, était préalablement réchauffée dans une cuve avant d’être répartie entre les 3 incubateurs. Ces derniers ne pouvaient pas être alimentés en continu du fait du temps de réchauffement mais leur eau était renouvelée d'un tiers toute les 15 minutes.

La vitesse de rotation à laquelle les biofilms ont été soumis durant ces essais a été fixée à la valeur la plus grande des tests relatifs à ce paramètre, soit 13.1 cm/s. Ce choix a été guidé par les résultats obtenus en amont sur l’effet de la vitesse de l’eau sur les biofilms.

Le fonctionnement de l'ensemble constitué par la cuve de chauffe et les pompes associées aux incubateurs, était géré sur la base de l'information de la température de l’eau du réservoir de chauffe ainsi que de chaque incubateur sur chacun des bancs ("rivière" et "rivière réchauffée"), enregistrée en continu à l'aide de sondes. Un automate a spécialement été conçu à cet effet par Michel Cuny et son équipe (IUT d'Annecy) et nous tenons à le remercier vivement ici.

Le système a connu plusieurs avatars tout au long des mois de son fonctionnement, principalement par le fait du colmatage de la crépine par des débris ou suite à son entartrage par la précipitation (intense ici) de carbonate de calcium. Lorsque cela se produisait, le remplissage de la cuve était insuffisant et l'automate arrêtait l'ensemble pour le mettre en sécurité. Le renouvellement en eau des réacteurs était lui aussi suspendu afin que les biofilms restent immergés ce qui limitait les conséquences de l'arrêt sur leur développement. Une grille de protection contre les gros débris a été installée autour de la crépine, qui était régulièrement nettoyée (grattage + acide chlorhydrique) à chaque date de prélèvement. Mais ces deux précautions n’ont pas toujours été suffisantes.

La pompe servant à alimenter la cuve de chauffe en eau est également tombée en panne à plusieurs reprises.

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Comme dans le cas de l’expérience consacrée à l’effet de la vitesse de l’eau, les biofilms étaient transférés dans les réacteurs après 7 jours de développement dans la bâche de rejet. Trois lames sont immédiatement récupérées pour constituer les triplicats à J0 à la fois pour les réacteurs "rivière" et "rivière réchauffée". Les autres lames sont réparties entre les 6 incubateurs (3 "rivière" et 3 "rivière réchauffée"). Les prélèvements dans chaque réacteur ont ensuite été effectués aux jours J1, 2, 3, 6, 8, 10, 13, 15, 17 et 20. Chaque lame colonisée a été analysée séparément. La mise en suspension du biofilm a été effectuée dans de l’eau de la Chaudanne filtrée (filtre en fibre de verre de porosité 0.2 µm).

L’augmentation de température initialement souhaitée était de +5°C, +10°C et +15°C par rapport à la température de la Chaudanne à la même période, mais l’analyse des mesures effectuées par les sondes a montré que l’augmentation réelle a en fait été de +4°C, +8°C et 12°C. Les tests n'ont pas été réalisés simultanément car nous ne disposions que d'un seul exemplaire de l'ensemble des bancs de réacteurs et du système de contrôle.