Les problèmes d'encrassement biologique : un nouveau programme de traitement et de contrôle

En effet, tout le monde sait maintenant, à partir des éléments suivants : salinité, TH calcique, TAC, température et pH, évaluer l’index de stabilité de l'eau dans son circuit et définir le comportement de l’eau (entartrage, corrosion…).

Par contre, les conséquences d'une contamination par les micro-organismes sont bien moins connues et l'on pratique le plus souvent des chocs empiriques. Ainsi l'action de biocides de synthèse (ou oxydants : javel par exemple) conduit à des résultats très inégaux.

Dans le présent article, nous avons voulu faire le point sur les conséquences d’un développement incontrôlé de micro-organismes dans un circuit d’eau. Toutefois, il n'est pas possible, en quelques pages, de passer en revue la totalité de la question ; pour simplifier, nous avons donc procédé comme suit : sous forme de questions-réponses, la première des trois parties de l’étude est consacrée aux micro-organismes que l'on trouve habituellement en circuit, à leurs facteurs de développement et aux conséquences d’un mauvais contrôle de ces organismes ; la deuxième partie s’attache aux moyens de luttes contre les micro-organismes et la troisième à la chloration, selon deux études de cas.

Pourquoi revenir à cette technique que tout le monde connaît ou croit bien connaître ? Notre centre de recherches et nos différents laboratoires d’application se préoccupent non seulement du développement de biocides de synthèse mais aussi de faire progresser et améliorer les méthodes classiques.

Nous verrons avec les deux études de cas comment nous étudions et optimisons un traitement aussi banal que la chloration, en associant des molécules nouvelles biodispersantes, molécules actuellement en cours de développement et qui laissent présager de profonds bouleversements dans la manière d’appréhender et de régler le problème bactérien.

1. MICRO-ORGANISMES ET CIRCUITS DE REFROIDISSEMENT

Quelles sont les conséquences d’un développement trop important des micro-organismes dans un circuit ?

L'envahissement d’un circuit par des micro-organismes (bactéries, algues, champignons) a le plus souvent pour conséquences : un encrassement très important par les micro-organismes, une élévation de la corrosion et une augmentation de l'entartrage.

Est-ce que toutes les bactéries et micro-organismes participent à l’encrassement et à la corrosion ?

Non. Seules certaines catégories de bactéries, les algues et les champignons, jouent ce rôle dans les circuits.

Un livre récent (1) détaille les différentes familles de micro-organismes et complète ces informations.

Certains micro-organismes ne forment pas de dépôts ou ne favorisent pas directement ou indirectement la corrosion ; toutefois, un comptage total élevé est un indicateur d'une pollution bactérienne comprenant aussi des bactéries encrassantes et probablement des bactéries génératrices de corrosion.

Existe-t-il des périodes de l'année plus favorables que d’autres au développement des micro-organismes ?

Oui, la plupart des bactéries ont un développement saisonnier. La figure 1 montre, avec une échelle arbitraire, la fluctuation de la population bactérienne (bactéries ne formant pas de spores) selon le mois. Il s’agit de moyennes. La figure 2 montre, pour les principales espèces, les variations saisonnières.

Quels sont les facteurs extérieurs qui contribuent au développement des micro-organismes ?

Ces facteurs sont multiples :

Facteur nutritif : le développement de micro-organismes nécessite la présence de divers éléments : matière organique ‑ azote ‑ phosphate ‑ oligoéléments.

Température : l’encrassement bactérien est favorisé par la température de l’eau et des parois. Une température comprise entre 8 °C et 65 °C est bénéfique au développement des bactéries. Certaines préfèrent une eau froide, d’autres l’eau chaude ou des températures intermédiaires.

Environnement : lumière, gaz (O₂–CO₂).

Comment les micro-organismes pénètrent-ils dans le circuit ?

Les sources sont nombreuses : eau d’appoint, vent ou insectes. Les bactéries se développent si elles trouvent dans le circuit les conditions indispensables à leur développement.

Un encrassement bactérien peut-il favoriser le dépôt de tartre ?

Oui, l’encrassement bactérien favorise le dépôt de tartre dans les circuits. Les causes en sont multiples, notamment : l’augmentation locale de la température, et la baisse de l’efficacité du produit antitartre en présence d’un dépôt bactérien important.

Un encrassement bactérien peut-il favoriser la corrosion ?

Oui, directement ou indirectement :

• directement lorsqu’il y a présence dans le circuit de bactéries sulfato-réductrices et autres bactéries corrosives, par formation de produits qui attaquent le métal ; les corrosions constatées sont alors localisées,
• indirectement (2,3) par : influence directe sur la vitesse des réactions anodiques et cathodiques, créations d’un environnement corrosif, établissement local d’une pile de concentration (4), ou encore modification du film superficiel sur le métal avec les produits du métabolisme.

II. MOYENS DE LUTTE CONTRE LES MICRO-ORGANISMES

Quelles sont les diverses catégories de produits ?

On classe habituellement les biocides et molécules assimilées, utilisées pour le contrôle des micro-organismes, en trois catégories : biocides oxydants, biocides non oxydants et biodispersants.

Que sont les biocides oxydants et comment agissent-ils ?

L’appellation « biocides oxydants » recouvre les molécules comme le chlore, le dioxyde de chlore, l’ozone, le brome, les molécules organo-chlorées libérant du chlore lentement, l’eau de Javel,…

En général ces molécules sont d’action rapide et tuent les micro-organismes par contact ; elles gardent une efficacité constante et ne donnent pratiquement pas lieu à accoutumance.

Mais les biocides oxydants ont une durée de vie limitée, ne pénètrent pas dans les dépôts et ne les dispersent pas, réagissent avec les contaminants du circuit (H₂S, NH₃, réducteurs, hydrocarbures...) et décomposent certains antitartres (phosphonates du type A.M.P.). Pour le chlore et ses dérivés l’efficacité est fonction du pH (5,6). En effet, pour White et Coll (5), le chlore est toxique pour les organismes par l’existence d’acide hypochloreux :

Cl₂ + H₂O = HOCl + HCl

En milieu alcalin, l’acide hypochloreux se dissocie en ions OCl⁻ moins toxiques :

HOCl + OH⁻ → OCl⁻ + H₂O

On considère habituellement que l’ion hypochlorite est, à temps de contact identique, deux fois moins efficace.

Le tableau suivant donne la répartition, selon le pH, des formes HOCl et OCl⁻.

Que sont les biocides non oxydants ?

Sous cette appellation on regroupe les composés organiques détruisant les micro-organismes. On les utilise à la place ou en complément des biocides oxydants. Cette catégorie recouvre des molécules comme les chlorophénols, les amines, l’ammonium quaternaire, le méthylène-bis-thiocyanate, etc.

Les biocides oxydants sont les plus intéressants par leur coût. Pourquoi ne les utilise-t-on pas plus souvent ?

Une partie de la réponse a été donnée ci-dessus ; de plus, le chlore et ses dérivés jouent un rôle non négligeable dans la corrosion et, sous certaines conditions en présence d’inox, on en interdit ou limite l’utilisation. Cela nécessite un contrôle très strict des quantités présentes dans le circuit. Par ailleurs, avec le chlore seul on maîtrise mal les encrassements, cette molécule ne pénétrant pas dans les dépôts. On lui associe donc, dans un traitement bien étudié, un biodispersant, produit qui ne tue pas les micro-organismes et a une action sur les dépôts organiques : il favorise la pénétration des oxydants dans la matière, augmentant l’efficacité (le besoin en javel ou en chlore est moindre). Ces molécules ont aussi un effet rémanent en empêchant l’accrochage, entre les chocs, des micro-organismes sur les parois.

Le choix d’un biodispersant doit tenir compte de la part de matière organique et minérale dans les dépôts. Ainsi les formulations biodispersantes peuvent aussi contenir des inhibiteurs et dispersants du tartre.

Est-ce que l’efficacité est la même d’un biocide à un autre ?

Non, il faut obligatoirement faire des cultures sur boîte de Pétri des micro-organismes en présence des différents biocides et à différentes doses. C’est la seule méthode pour choisir un biocide.

TABLEAU 1 – RAPPORT D'ANALYSE MICROBIOLOGIQUE

Description de l'échantillon

1 EAU DE RIVIÈRE
2 DÉPÔT DANS BASSIN CIRCUIT EAU RECIRCULÉE
3 EFFLUENT PAPETERIE

Résultat de l'analyse (comptage exprimé en nombre d'organismes par cm³ ou g d'échantillon)

Il faut une approche rigoureuse du problème (voir tableau 1 et figure 3).

III. ÉTUDES DE CAS

Bien maîtriser le problème bactérien dans un circuit à eau recirculée ou à eau perdue nécessite une parfaite pré-étude du problème technique qui se pose, une mise en place d'un traitement avec optimalisation souvent complexe, des analyses bactériologiques fréquentes et des produits très performants.

Nous examinerons deux études de cas concernant des circuits à eau recirculée ou à eau perdue, études qui ont pour objet l'optimalisation de traitements biocides par le chlore.

À entendre la rumeur publique il n’y a rien de plus simple à mettre en œuvre qu'une javelisation ou une chloration... En réalité, comme on le verra, les résultats, compte tenu des quantités de chlore injecté, sont souvent décevants et désastreux pour l’équipement (corrosion, dépôts) ; toutefois ce produit est le biocide théoriquement le meilleur marché ; il est efficace mais d’application très limitée. C’est pourquoi notre centre de recherche fait des investigations dans ce secteur et développe une nouvelle famille de molécules amplifiant fortement l’efficacité des biocides chlorés, diminuant les risques de corrosion et de destruction des molécules inhibitrices de tartre et de corrosion ainsi que la pollution au niveau des rejets.

Les deux études ont été menées dans deux pays, la République Fédérale Allemande et la France.

1ʳᵉ ETUDE DE CAS :

RAFFINERIE DE PÉTROLE EN R.F.A.

A. Situation existant avant l’étude

Il s’agit d’un circuit d’une raffinerie de pétrole présentant les caractéristiques suivantes :

Volume : 6 000 m³.  
Delta température : 8 à 10°.  
Débit recirculé : 11 000 m³/h.  
Rapport de concentration : 3,5 — 4.  
HTI temps de demi-résidence : 85 heures.  
Réseau fortement ramifié.  
Pollution par les hydrocarbures : 1 à 5 ppm.

pH : 8.  
Salinité : 230 mg/l.  
Cl⁻ : 28 mg/l.  
SiO₂ : 5,6 mg/l.  
MES : 0,2 mg/l.

Matériaux : Tuyaux échangeurs essentiellement en acier noir et alliages cuivreux.

Vitesse de l'eau dans les équipements : 0,3 – 1,5 m/s.

La protection contre le tartre, la corrosion et la dispersion des MES est assurée par une formulation liquide unique contenant des polymères carboxyliques associé à un complexe de zinc ; ce complexe de zinc, grâce à ses caractéristiques originales, assure une protection cathodique et anodique et sa précipitation aux pH supérieurs à 8 est fortement réduite.

Le contrôle du développement des micro-organismes est assuré par trois chocs journaliers : 9 kg de chlore par choc durant chacun 1 h 30, au départ des pompes, ce qui correspond à 0,55 g/m³ de chlore par rapport au débit en circulation.

On mesure sur les retours 0,1 à 0,25 g/m³ de chlore libre.

La corrosion constatée varie entre 40 et 60 microns par an et elle est partiellement localisée. Les témoins de corrosion installés sur les retours montrent un encrassement important.

B. Évaluation des problèmes

L'encrassement important constaté est d'origine bactérienne. Une augmentation de la teneur en chlore n’apporterait pas de progrès notable en ce qui concerne l’encrassement mais par contre conduirait à une corrosion localisée importante.

Le but de l’étude est d’éliminer l’encrassement bactérien et la corrosion sous les dépôts (sans augmenter le coût du traitement) et de diminuer la corrosion localisée.

C. Solution adoptée

Nos essais ont conduit à préconiser l’utilisation du Nalco 7348, appartenant à la nouvelle ligne de produits biodispersants qui a été développée pour augmenter l’action des biocides oxydants (chlore...) et non oxydants (biocides de synthèse, acroléine...). Ces produits ont un impact limité sur l'environnement (amorce de toxicité à 33 fois la dose maximum recommandée sur les poissons).

Il a été ajouté une fois par jour 5 g/m³ de Nalco 7348 avant un choc de chlore (soit 30 kg au total). Compte tenu du temps de résidence il reste toujours en permanence pratiquement 5 ppm de produit. Les paramètres suivants ont été observés :

— teneur en chlore libre dans les retours,  
— zinc dans l’eau de recirculation,  
— corrosion,  
— coefficient d’échange sur des échangeurs critiques.

D. Résultats

— Teneur en chlore dans les retours. Pendant les premiers jours il ne s’est rien passé (0,1 à 0,2 g/m³). Après une semaine la situation a changé totalement (courbes 2 et 3). La concentration dans les retours se maintient entre 0,3 et 0,5 g/m³. Il a été possible de réduire de 9 à 6 kg par choc la quantité de chlore (moins 33 %) tout en maintenant au niveau antérieur la quantité de chlore libre.

— Disponibilité de l’inhibiteur de corrosion (figure 5).

Habituellement on mesurait en moyenne 2,5 g/m³ de zinc dans l’eau du bassin, soit environ 50 % de zinc apporté par le réactif anticorrosion. Lorsque la teneur en chlore a augmenté dans le circuit, on a remarqué une hausse significative de la concentration en inhibiteur de corrosion circulant (jusqu’à 3,2 – 3,4 mg/l), soit une augmentation de 30 % de la disponibilité en zinc.

— Évolution de la corrosion.

Durant l’essai, la corrosion est passée en moyenne de 50 µm/an à 10 µm/an, puis est remontée après l’essai à 50 µm/an (voir figure 6).

— Encrassement.

On remarque après l’essai d’une part la parfaite propreté des témoins de corrosion, et d’autre part l’augmentation du coefficient d’échange sur les échangeurs critiques.

2° ETUDE DE CAS :CENTRALE THERMIQUE EN FRANCE

Il s’agit d’un circuit en eau perdue ; débit de 1 200 m³/h qui sert à refroidir le condenseur d’une turbine (centrale thermique 4 MW).

Problème rencontré.

Dépôt dans le condenseur de la turbine qui provoque des baisses de coefficient d’échange, ce qui oblige les exploitants de la centrale à nettoyer fréquemment cet échangeur, toutes les semaines au début, puis toutes les trois semaines à la suite de l’injection de chlore gazeux à l’aspiration des pompes (tableau 2).

TABLEAU 2DÉPÔT PRÉLEVÉ DANS LES TUBES D’UN CONDENSEUR

Humidité à 105 °C (en % sur dépôt sec)

Analyse chimique (en % sur dépôt sec)

Combinaisons probables

Solution appliquée – Résultats.

Le but de l’essai était de tester un nouveau biodispersant, et de réduire encore les interventions mécaniques au niveau du condenseur.

Le traitement appliqué a été le suivant :

— injection de javel pendant deux heures toutes les huit heures de façon à obtenir une teneur en chlore libre située entre 3 et 5 ppm ;

— injection d’un biodispersant spécifique et compatible avec le chlore (Nalco 1 WTX 500) à raison d’une heure toutes les huit heures.

La figure 7 représente le ΔT mesuré chaque jour.

Avec le traitement habituel, les pertes de température hebdomadaires étaient de 5,8 °C en moyenne. L’addition du biodispersant a conduit à une perte de température moyenne de 1,8 °C. Il a été constaté une nette diminution du réencrassement : le traitement avec biodispersant terminé (effet rémanent).

Par ailleurs, la productivité de la centrale a été fortement augmentée : la figure 8 montre l’impact du traitement sur la puissance de l’installation.

CONCLUSION

Face à un problème d’encrassement par les micro-organismes, que faire ?

Le choix du traitement et son suivi nécessitent le programme de travail suivant :

— Détermination de la source des contaminants : nutriments d'origine naturelle ou artificielle (NH₃, hydrocarbures), micro-organismes ; il faut ainsi, avant toute chose, éviter de rendre le milieu favorable au développement des bactéries, algues et champignons.

— Identification des types de micro-organismes (figures 1 et 2).

On distingue ainsi :

Algues

Bleu-vertes

Vertes

Diatomées

Champignons

Moississures

Levures

Bactéries

Encrustantes

Corrosives

Déposant du fer

Ne posant pas de risque

— Sélection d'un traitement chimique en se servant des renseignements que donnent les cultures.

Rechercher la présence des différentes familles de biocides (associées ou non à des biodispersants) :

amines — ammonium quaternaire

organo-halogènes — dérivés du cuivre

organo-soufrés — produit libérant du chlore

chlore — sels d’étain

Cette liste n'est pas limitative.

— Mise en place de l’application.

Le choix final des produits doit tenir compte :

- de l'exigence des industriels (absence d’azote sur le site, problème de rejets...)

- de la compatibilité avec les autres produits de traitement (antitartre + anticorrosion) et les polluants présents dans le circuit (mercaptans, ammoniaque...)

- de la nécessité d’éviter l'accoutumance (alternance de produits)

- de la comparaison économique entre le coût du problème et le coût du traitement.

— Mise en place d'un contrôle bactérien et suivi du réencrassement par les micro-organismes.

Nous disposons à cet effet de laboratoires fixes et mobiles permettant de suivre l’évolution de la flore en qualité et quantité en vérifiant ainsi l'efficacité des traitements et d'un appareil permettant de déceler les encrassements tout en simulant sur le site, avec l'eau du circuit, les conditions rencontrées dans un échangeur : vitesse, température, avec une observation visuelle de l'encrassement et son évaluation quantitative.

Dans cette catégorie on peut adjoindre les échangeurs témoins de méthodologies permettant de contrôler en 48 heures toute amorce de réencrassement et donnant ainsi la possibilité d’optimaliser le traitement.

Avec cette technique, réalisable sur le site, on peut, en comparant schématiquement la population bactérienne dans l’eau du circuit et sur les parois, déceler très tôt un début d’encrassement et agir en conséquence.

Cette nouvelle technique a été développée sur un certain nombre de sites et nous permet actuellement de parfaitement maîtriser le problème bactérien et ses brusques variations.

BIBLIOGRAPHIE

(1) J. CHANTEREAU : Corrosion bactérienne, bactéries de la corrosion. Techn. et Documentation, Paris, 1980.

(2) UHLIG H. H. : The Corrosion Hand-Book. J. Wiley and Sons, N.Y.

(3) BOEHLER R. A. : Heating, Piping and Air Conditioning 12 (1969).

(4) HARRIS J. O. : Bacterial Activities in Concentration Cell Formation ; Symposium Am. Petroleum Inst. (4-12-62).

(5) WHITE, GORDON L. : Hand Book of Chlorination. Van Nostrand Reinhold Co (1972), 183-186.

(6) KEMMER F. N. : The Nalco Water Hand-Book. McGraw-Hill, N.Y. 1979.