A long term study on biofilm development in drinking water distribution system: comparison of stainless steel grades with commonly used materials

Étude à long terme du développement de biofilms dans les systèmes de distribution d’eau potable : comparaison de nuances d’acier inoxydable avec d’autres matériaux couramment utilisés

¹ APERAM Research Center, BP 15, 62330 Isbergues, France
e-mail: audrey.allion@aperam.com
² ArcelorMittal, Global R&D Le Creusot, Industeel, 56 rue Clémenceau, BP 19, 71201 Le Creusot Cedex, France
³ EPI, ZI du Parc, 42490 Fraisses, France

Received: 21 September 2011
Accepted: 12 October 2011

Abstract

For microorganisms, the preferred living state is adhering to surfaces that can lead to the development of a biofilm. In drinking water networks, a biofilm can affect the organoleptic quality of the water as well as whether it is safe to drink. This is due to the probable presence of pathogens inside the biofilm which may be spread in the water. To keep the water quality safe, sanitization processes are regularly carried out using oxidizing biocides which can alter the physico-chemical properties of the material. Due to their surface physico-chemical properties and their high corrosion resistance, stainless steels seem to be good candidates for the making of drinking water systems. In this 2 year study, stainless steel grades were compared with materials commonly used, in respect of fouling, biofilm development and composition. The tested stainless steels include ferritic (444/EN 1.4521), three austenitic (304L/EN 1.4307, 316L/EN 1.4404, and 316LN/EN 1.4429) and two duplex (2304 /EN 1.4362, and 2205/EN 1.4462) grades. The experiments were performed in a pilot specially designed to assess the material biocontamination on a natural drinking water loop for more than 2 years. The results confirmed the significant impact of the material on the biofilm development in terms of formation kinetic and ecology. No differences were observed between stainless steel grades whereas they displayed an intermediate behaviour compared to other materials. Corrosion attacks were only observed on galvanised carbon steel while on stainless steels, negligible release rates, much below international health requirements were measured. So stainless steels offer a good compromise to make drinking water pipes.

Résumé

Les micro organismes vivent préférentiellement à l’état adhérent aux surfaces, ce qui peut conduire à la formation de biofilms. Dans les réseaux d’eau potable, un biofilm peut non seulement altérer les qualités organoleptiques de l’eau mais également sa potabilité. Ceci, en raison d’agents pathogènes potentiellement présents dans le biofilm et pouvant être disséminés dans l’eau. Afin de préserver la salubrité de l’eau, des traitements de désinfection sont régulièrement réalisés avec des agents oxydants susceptibles de modifier les propriétés physico-chimiques des matériaux. En raison de leurs propriétés physico-chimiques de surface et de leur excellente résistance à la corrosion, les aciers inoxydables semblent être de bons candidats pour la conception des systèmes de distribution d’eau potable. Pendant 2 ans, le comportement de différentes nuances d’acier inoxydable a été étudié et comparé avec des matériaux couramment utilisés sur le plan de l’encrassement, du développement et de la composition des biofilms. Les aciers inoxydables testés comprennent une nuance ferritique (444/EN 1.4521), trois austénitiques (304L/EN 1.4307, 316L/EN 1.4404 et 316LN/EN 1.4429) et deux duplex (2304 /EN 1.4362 et 2205/EN 1.4462). Les essais ont été réalisés sur un pilote spécialement conçu pour cette étude et représentatif d’une boucle d’eau naturelle permettant d’évaluer la biocontamination des matériaux pendant plus de 2 ans. Les résultats obtenus confirment l’impact

significatif des matériaux sur le développement des biofilms en termes de cinétique de formation et d’écologie microbienne. Aucune différence n’a été observée entre les différents aciers inoxydables alors qu’ils affichent un comportement intermédiaire par rapport aux autres matériaux. Les seules dégradations dues à des phénomènes de corrosion ont été observés pour l’acier galvanisé alors que pour les aciers inoxydables, les taux de cession mesurés étaient négligeables et bien en deçà des recommandations internationales en vigueur. Les aciers inoxydables offrent donc un bon compromis pour la conception des réseaux de distribution d’eau potable.