Transformations biologiques impliquées dans la dégradation des revêtements cimentaires en réseau d'assainissement : application à la définition d'un test de résistance à la biodétérioration

Biological transformations involved in the deterioration of the cementitious linings in sewer-networks : Application for the definition of a biodeterioration resistance test

• Auteur / Autrice : Matthieu Peyre-Lavigne
• Direction : Etienne Paul, Arnaud Cockx
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 11/02/2014
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés - Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés / LISBP
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexandra Bertron, Alain Tournier, Oriol Gutierrez, Jean-Noël Foussard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Buffière, Thierry Chaussadent

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxydation biologique

Mousses cimentaires

Biodégradation

Mots clés libres

Réseau d'assainissement

Biodétériorations

Matériaux cimentaires

Oxydations biologiques des composés soufrés

Sewer-networks

Biodeteriorations

Cementitious materials

Biological oxidations of sulfur compounds

Résumé

La fonction première des réseaux d’assainissement, en vue de la protection sanitaire des populations, est la collecte des eaux usées et leur acheminement vers les installations de traitement. Dans des conditions d’exploitations particulières conduisant à la production de sulfure d’hydrogène (H2S), des détériorations majeures des infrastructures en béton sont observées dans les phases aériennes de ces mêmes réseaux. En effet, des études ont montré qu’un environement H2S entrainait la sélection au contact des parois cimentaires de bactéries capables d’oxyder les composés soufrés réduits (bactéries sulfo-oxydantes), oxydation biologique conduisant à la production d’acide et de sulfate. Dans un contexte normatif « NF EN 598 » concernant les canalisations en fonte ductile et « NF EN 14647 » imposant la validation des revêtements utilisables dans de telles conditions par des tests uniquement chimiques peu représentatifs de la réalité, le LISBP en partenariat avec l’entreprise Saint-Gobain PAM, ont mené ce travail de thèse avec pour objectif industriel le dévelopment d’un test de biodétérioration des revêtements cimentaires. Pour répondre à cet objectif ce projet de recherche s’est articulé autour d’une analyse bibliographique des phénomènes participant à la biodétérioration des matériaux cimentaires en réseau d’assainissement et ce afin de proposer un dispositif expérimental modèle permettant, à l’échelle d’une section de canalisation industrielle, l’étude couplée des transformations biologiques et chimiques déterminant le devenir des revêtements cimentaires utilisés. Cette étude s’est alors appuyée sur un travail expérimental en laboratoire et le développement de models numériques, visant la sélection et la compréhension de bactéries sulfo-oxydantes productrices de l’acide biogéniques. Finalement 2 types de matériaux cimentaires ont été exposés et étudiés par une analyse près exposition des évolutions chimiques, minéralogiques et microstructurelles des revêtements testés. Ainsi un système modèle, définissant un dispositif expérimental (techniques analytiques associées) et les méthodes d’exploitation des mesures, a été proposé. Par cette approche, un nouveau protocole d’essai est proposé, participant à l’évaluation de la résistance des revêtements cimentaires utilisés en réseau d’assainissement face à des attaques d’acide biogénique. Ce protocole d’essais d’une durée de trois mois assurera à terme une aide à la décision dans la gestion des réseaux d’assainissement existants et la conception des réseaux futurs.

The primary function of sewage networks, with a view to protecting public health, is to collect wastewater and convey it to wastewater treatment plant. Under specific operating conditions leading to the production of hydrogen sulfide (H2S), major deterioration of concrete infrastructures is observed in the gas phase of these same networks. Studies have shown that an H2S environment leads to the selection, in contact with cement walls, of bacteria enable oxidizing reduced sulfur compounds (sulfo-oxidizing bacteria), biological oxidation leading to the production of acid and sulfate. In the context of the "NF EN 598" standard for ductile cast iron pipes and the "NF EN 14647" standard requiring the validation of coatings that can be used in such conditions using purely chemical tests that are not very representative of reality, LISBP, in partnership with Saint-Gobain PAM, carried out this Phd work with the industrial objective of developing a biodeterioration test for cementitious materials.To meet this objective, this research project was based on a literature review of the phenomena involved in the biodeterioration of cementitious materials in wastewater networks, with a view to proposing a model experimental set-up for the coupled study, on the scale of an industrial pipe section, of the biological and chemical transformations determining the fate of the cementitious materials used. This study was based on experimental laboratory work and the development of numerical models, aimed at selecting and understanding biogenic acid-producing sulfo-oxidizing bacteria. Finally, 2 types of cementitious materials were exposed and studied afer exposure by analysis of the chemical, mineralogical and microstructural evolutions of the tested materials. In this way, a model system was proposed, defining an experimental set-up (associated analytical techniques) and methods for exploiting the measurements. With this approach, a new test protocol is proposed, helping to assess the resistance of cementitious coatings used in sewer networks to biogenic acid attack. This three-month test protocol will ultimately provide a decision-making aid for the management of existing wastewater networks and the design of future networks.