Biofilm colonizing the Nam Theun 2 power plant Penstock (Lao PDR) - mechanism and potential evolution

Biofilm colonisant la conduite forcée de l’aménagement de Nam Theun 2 (RDP du Laos) - mécanisme et évolution potentielle

⁽¹⁾ Université de Toulouse, UPS, Laboratoire de Génie Chimique, BioSym dpt UMR 5503, Faculté de Pharmacie, 35 chemin des Maraîchers, F-31062 Toulouse cedex 09, France
sophie@pecastaings.net
⁽²⁾ Nam Theun 2 Power Company Limited (NTPC), Environment & Social Division – Water Quality and Biodiversity Dept. – Gnommalath Office, PO Box 5862, Vientiane, Lao PDR

Abstract

Biofilms are the most common bacterial life mode on Earth. These tri-dimension bacterial structures occur at a substratum-liquid interface. Due to their intrinsic properties (niche for pathogens, resistance to biocide treatments, etc.), they cause major problems in various industries. In water systems, the physical and chemical characteristics of biofilms (viscoelastic behavior, roughness) may lead to the lowering of flow velocity. A rough biofilm has developed in the Penstock of the Nam Theun 2 hydropower plant (Khammouane Province, Lao PDR). This biofilm is thought to lead to additional head losses and to slightly affect the power production. The mineral, chemical and microbiological compositions of the biofilm were investigated in order to propose solutions to reduce its effect. Samples were taken during two water drainages in 2011 and 2012. In order to complete the knowledge from the water quality monitoring, major elements, trace elements and rare earth element (REE) contents in samples were measured using ICP-AES and ICP-MS. Crystalline phases were identified and quantified by X-ray diffraction (XRD). The microbial composition of the biofilm was first assessed by culture (2011) and then monitored according to the location and the time after water drainage by molecular biology methods (2012). Results show that the chemical composition of the biofilm is dominated by ferric iron Fe³⁺ and its mineralogy is mostly constituted of lepidocrocite and magnesioferrite. The bacterial population was dominated by beta-Proteobacteria but population profiles varied strongly according to the layer of the biofilm, the nature of the substratum and the time during which the biofilm was subjected to the conditions of the water drainage. These observations are concordant with the modification of the biofilm properties and the reduction in head losses when returning to functioning regimes in the Penstock.

Résumé

Les biofilms représentent la forme de vie bactérienne la plus répandue sur Terre. Ce sont des structures bactériennes tridimensionnelles qui se forment la plupart du temps aux interfaces substrat-liquide. Du fait de leurs propriétés (niche pour micro-organismes pathogènes, résistance aux traitements biocides, etc.), les biofilms causent des problèmes majeurs dans diverses industries. Dans les réseaux d’eau, les caractéristiques physico-chimiques des biofilms (comportement viscoélastique, rugosité) peuvent conduire à une diminution du débit. Un biofilm rugueux s’est développé au sein de la conduite forcée de l’aménagement de Nam Theun 2 (Province de Khammouane, Laos). Ce biofilm est suspecté d’engendrer des pertes de charges supplémentaires et de réduire la production d’énergie de manière marginale. Les propriétés minérales, chimiques et microbiologiques du biofilm ont donc été étudiées afin d’envisager des solutions pour diminuer ses effets. Des échantillons ont été prélevés durant deux vidanges en 2011 et 2012. Pour compléter les connaissances provenant du suivi de la qualité de l’eau, les concentrations en éléments majeurs, en traces et en terres rares dans les échantillons globaux ont été mesurées par ICP-AES et ICP-MS. Les phases cristallines ont été identifiées et quantifiées par XRD. La composition microbienne du biofilm a d’abord été analysée par culture (2011), puis, en 2012, par biologie moléculaire à différents sites et en fonction du temps après vidange. Les résultats montrent que la composition chimique du biofilm est dominée par l’ion ferrique Fe³⁺ et que sa minéralogie est principalement constituée de lépidocrocite et de magnésioferrite. La population bactérienne du biofilm est dominée par les béta-Protéobactéries, cependant, les profils de flores varient fortement en fonction de la couche de biofilm prélevée, de la nature du substrat et de la durée pendant laquelle celui-ci a été soumis aux conditions de vidange de la conduite forcée. Ces observations concordent avec la modification des propriétés du biofilm et la diminution des pertes de charge suite au retour à des conditions de fonctionnement normales dans la conduite forcée.