Characterization of chemical and biological clogging and their interactions within a micro-irrigation system in the context of the reuse of treated effluents in irrigation | Caractérisation du colmatage chimique et biologique et leurs interactions au sein d'un dispositif de micro-irrigation dans le contexte de la réutilisation des eaux usées épurées en irrigation

[Departement_IRSTEA]Eaux [TR1_IRSTEA]GEUSI [Encadrant_IRSTEA]Molle, B. ; Ait Mouheb, N.

English. In the context of global change reaching the general hydro-ecological and biodemographic parameters, micro-irrigation used in agriculture with treated wastewater is a promising approach to reduce water expenditure. However, the clogging of micro-irrigation systems constitutes a constraint on the use of these waters containing micro-organisms, nutrients and dissolved salts. These contaminants can lead to chemical precipitation with the development of biofilms that degrade the performance of irrigation systems. Consequently, the objectives of this study can be defined as follows: (i) to characterize the precipitation of dissolved salts due to variations in operating conditions along the micro-irrigation systems, (ii) to study the development of biofilms through the use of treated wastewater under different hydrodynamic conditions, and (iii) to analyze some interactions between chemical precipitation and the development of biofilm. First, a study was implemented to identify the impact of the parameters that influence chemical precipitation. These parameters are temperature, pH and partial pressure of CO2. This study permits the quantification of the increase in the mass of the precipitate produced in the form of calcite (calcium carbonate) as a function of the increase in pH and temperature. The experimental results allowed validation and calibration of the modeling of the precipitation under PHREEQC's software. This numerical model allows prediction and quantification of chemical precipitation for a given water quality under various operating conditions of pH, temperature and CO2 partial pressure. Experiments were then carried out using an irrigation set-up to study the influence of calcium carbonate on the growth of biofilms in micro-irrigation pipes and drippers (distribution drippers). In parallel, a Taylor-Couette reactor (TCR) was used to study the influence of shear stress on the development of biofilms. Depending on the position in the irrigation system, 3 shear stresses were identified and analyzed. In the pipe, a shear stress of 0.7 Pa was retained and in the drippers the shear stress was between 2.2 and 4.4 Pa. It is observed that the biofilm tends to develop under the highest shear stress. Precipitation of calcium carbonate in the form of calcite was observed in interaction with the growth of the biofilm.

French. (trad auto)Dans un contexte de changement global atteignant les paramètres hydro-écologiques et biodémographiques généraux, la micro-irrigation utilisée en agriculture avec des eaux usées traitées est une approche prometteuse pour réduire les dépenses en eau. Cependant, l'encrassement des systèmes de micro-irrigation constitue une contrainte à l'utilisation de ces eaux contenant des micro-organismes, des nutriments et des sels dissous. Ces contaminants peuvent conduire à une précipitation chimique avec le développement de biofilms qui dégradent la performance des systèmes d'irrigation. Par conséquent, les objectifs de cette étude peuvent être définis comme suit : (i) caractériser la précipitation des sels dissous due aux variations des conditions de fonctionnement le long des systèmes de micro-irrigation, (ii) étudier le développement de biofilms par l'utilisation d'eaux usées traitées dans différentes conditions hydrodynamiques, et (iii) analyser certaines interactions entre la précipitation chimique et le développement du biofilm. Tout d'abord, une étude a été mise en uvre pour identifier l'impact des paramètres qui influencent les précipitations chimiques. Ces paramètres sont la température, le pH et la pression partielle de CO2. Cette étude permet de quantifier l'augmentation de la masse du précipité produit sous forme de calcite (carbonate de calcium) en fonction de l'augmentation du pH et de la température. Les résultats expérimentaux ont permis de valider et d'étalonner la modélisation des précipitations à l'aide du logiciel PHREEQC. Ce modèle numérique permet de prédire et de quantifier les précipitations chimiques pour une qualité d'eau donnée dans diverses conditions de fonctionnement (pH, température et pression partielle de CO2). Des expériences ont ensuite été menées à l'aide d'un dispositif d'irrigation pour étudier l'influence du carbonate de calcium sur la croissance des biofilms dans les conduites de micro-irrigation et les goutteurs (goutteurs de distribution). Parallèlement, un réacteur Taylor-Couette (TCR) a été utilisé pour étudier l'influence de la contrainte de cisaillement sur le développement des biofilms. En fonction de la position dans le système d'irrigation, 3 contraintes de cisaillement ont été identifiées et analysées. Dans la conduite, une contrainte de cisaillement de 0,7 Pa a été retenue et dans les goutteurs, la contrainte de cisaillement se situait entre 2,2 et 4,4 Pa. On observe que le biofilm tend à se développer sous la contrainte de cisaillement la plus élevée. Des précipitations de carbonate de calcium sous forme de calcite ont été observées en interaction avec la croissance du biofilm.