Transport de soluté biologiquement actif en milieu poreux incluant une phase biofilm : de la modélisation numérique aux perspectives expérimentales

Bioreactive transport of solute in a porous medium hosting a biofilm phase : from numerical modeling to exprimental prospects

• Auteur / Autrice : Laurent Orgogozo
• Direction : Michel A. Buès, Fabrice Golfier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique - Génie civil
• Date : Soutenance le 03/12/2009
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL
• Ecole(s) doctorale(s) : RP2E - Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire environnement géomécanique et ouvrages (Vandoeuvre-lès-Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Michel Quintard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel A. Buès, Fabrice Golfier, Michel Quintard, Jolanta Lewandowska, Philippe Schmitz, Benoït Goyeau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jolanta Lewandowska, Philippe Schmitz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biofilms

Génie civil

Écoulement en milieux poreux

Mots clés libres

Milieu poreux

Transport de soluté

Cellule d’écoulement

Changement d’échelle

Biofilm

Porous medium

Biofilm

Upscaling

Flow cell

Solute transport

Résumé

Modéliser les phénomènes de transport de solutés organiques en milieux poreux colonisés par des populations bactériennes se développant sous forme de biofilms est un domaine de recherche important pour un certain nombre d’applications environnementales, comme par exemple pour les méthodes de bioremédiation des sols et des eaux contaminés par des polluants organiques (biosparging, bio-barrières …). Les biofilms, qui sont composés principalement de bactéries et de substances polymériques extracellulaires, peuvent se développer sur les parois de grains d’un milieu poreux. Le métabolisme bactérien dégrade les solutés organiques et contribue ainsi à la diminution de la contamination. Le transport bio-réactif de composés organiques dans un milieu poreux incluant un biofilm est un problème fortement multi-échelle (depuis l’échelle de la bactérie jusqu’à l’échelle de l’aquifère) et fortement couplé (avec des phénomènes hydrodynamiques, physico-chimiques et biochimiques). Le soluté organique est transporté par convection et diffusion dans la phase fluide et diffuse dans la phase biofilm, où il est dégradé par le métabolisme bactérien. Le but de ce travail est de développer des modèles de transport bio-réactif définis à l’échelle de Darcy à partir des données disponibles à l’échelle du pore, en adoptant la méthode de changement d’échelle dite de prise de moyenne volumique. Dans le cas général, une telle approche conduit à un modèle macroscopique de transport à deux équations couplées (une équation par phase de transport). En considérant les relations entre les concentrations moyennées dans chaque phase, plusieurs régimes de transport permettant de dégénérer ce modèle en modèle à une seule équation peuvent être identifiés. L’hypothèse d’équilibre de masse local conduit à un tel modèle simplifié. En condition de non-équilibre, deux cas limites permettent également de développer des modèles de transport à une équation : le cas où le taux de biodégradation est contrôlé par le transfert de masse externe et le cas ou il est contrôlé par la cinétique de réaction. L’utilisation de ces quatre modèles implique la résolution numérique de problèmes de fermeture, afin d’évaluer les paramètres macroscopiques de transports (tenseur de dispersion, taux de dégradation …). Des calculs de coefficients effectifs ont été effectués dans différentes conditions de transport afin d’étudier leur comportement. Les résultats de ces modèles ont été comparés avec ceux obtenus par simulations directe à l’échelle microscopique pour une géométrie de pore bidimensionnelle stratifiée. À partir de ces comparaisons, les domaines de validité de chaque modèle ont été identifiés en termes de conditions hydrodynamique et biochimique de transport. (i.e. le nombre de Péclet et le nombre de Damköhler). Le développement d’un modèle expérimental de transport en milieux poreux incluant un biofilm a également été entamé, afin d’une part d’effectuer une validation expérimentale des modèles numériques préalablement développés et d’autre part de fournir un outil supplémentaire pour l’étude des phénomènes considérés

Modeling transport in porous media of organic chemical solute in presence of a bacterial population growing as biofilms is an important area of research for environmental applications, for example for remediation of groundwater contaminated by organic pollutants (biosparging, bio-barriers …). Biofilms, which are composed of bacteria and extracellular organic substances, grow on the pore walls of the porous medium. Bacteria degrade the organic solute by their metabolism and thus may contribute to pollution decrease. Bio-reactive transport of an organic solute in a porous medium including a biofilm phase is a strongly multi-scale (from the bacteria scale to the heterogeneity scale of the aquifer) and coupled (involving hydrodynamic, physicochemical and biochemical phenomena) process. The organic solute is transported by convection and diffusion in the fluid phase and diffuses into the biofilm phase, where it is degraded by bacterial metabolism. The goal of this work is to develop macroscopic models of bio-reactive transport at the Darcy-scale through volume averaging based on the data available at pore-scale. In the general case, the macroscopic system obtained by averaging pore-scale equations is a two coupled equations system (one equation for each phase), called two-equation model. By considering the relation between averaged concentration in the fluid phase and averaged concentration in the biofilm phase, several regimes of transport can be found which allow simplifying this system into a one equation system. The local mass equilibrium assumption leads to such a simplified model. When an equilibrium relationship between phases cannot be considered, a one equation model may though be developed if the biodegration rate is limited by external mass transfer or by the kinetics of bacterial metabolism. The use of these models implies the numerical solving of closure problems, in order to set up the values of the macroscopic transport parameters (dispersion tensor, interfacial flux …). Computations of these effective coefficients have been performed in different situations of mass transport in porous medium in order to study their behaviour. The results of these models have then been compared with direct simulations performed on a simplified geometry representative of a two-dimensional porous medium including a biofilm phase. Based on these comparisons, the validity domain of this model has been identified in terms of hydrodynamic and biochemical conditions of transport (i.e. the Péclet number and the Damköhler number). The set up of an experimental model of transport in a porous media including a biofilm phase has also been started, in order to make experimental validations of the previously developed numerical models and to build up an additional tool to study the considered phenomena