Étude numérique de la croissance microbienne en milieu poreux

Numerical study of biofilm growth in porous media

• Auteur / Autrice : Marbe Benioug
• Direction : Michel A. Buès, Fabrice Golfier, Constantin Oltean
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique - Génie civil
• Date : Soutenance le 09/09/2015
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : RP2E - Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GéoRessources (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Serge Huberson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yohan Davit
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Serge Huberson, Harold Auradou

Mots clés

Mots clés contrôlés

Automates cellulaires

Solubilité

Polluants

Dynamique des fluides

Matériaux poreux

Biofilms

Simulation par ordinateur

Microorganismes -- Croissance

Mots clés libres

Milieu poreux

Transport de soluté

Biofilm

Automate cellulaire

Lattice Boltzmann

Méthodes des frontières immergées

Dissolution de NAPL

Biodégradation de NAPL

Porous media

Solute transport

Biofilm

Cellular Automaton

Lattice Boltzmann

Immersed boundary

NAPL Dissolution

Bioenhanced dissolution of NAPL

Résumé

L’évolution d’une phase microbienne au sein d’un milieu poreux est un processus complexe de par la prise en compte des effets de croissance (ou de mortalité) et d’étalement de la phase cellulaire. D’autres processus tels que l’arrachement d’une partie du biofilm ou l’attachement-détachement de cellules mobiles depuis la phase fluide peuvent aussi contribuer à la variation du volume de biofilm présent. Une meilleure compréhension des interactions mis en jeu entre les processus de croissance de biofilm, du transport de soluté et de l’écoulement et une modélisation rigoureuse de ce processus de croissance à l’échelle microscopique est un enjeu essentiel à une prédiction plus fine du devenir des polluants dans les sols. L’évolution temporelle d’un milieu poreux sous l’effet de l’activité biologique constitue toutefois à l’heure actuelle un défi scientifique majeur d’un point de vue de la modélisation numérique. Les variations locales de la géométrie du domaine (bio-obstruction des pores) induisent en effet une chenalisation de l’écoulement et du transport qui va évoluer au cours du temps. Si différentes méthodes numériques – lagrangiennes ou eulériennes – ont été développées (méthode de capture du front, méthode d’interface diffuse de type « Level Set » ou « Volume Of Fluid »), elles restent souvent peu adaptées à des modélisations 3D à l’échelle du pore (temps de calcul, remaillage parfois nécessaire, problème de gain ou de perte de masse). Nous combinons ici une méthode IBM (Immersed Boundary Method) à une méthode LBM (Lattice Boltzman Method) pour le calcul de l’écoulement en 3D tandis qu’une approche de type VOF (Volume of Fluid) ou par reconstruction d’interface couplée à une discrétisation en Volume Finis est utilisée pour le transport des espèces chimiques. L’intérêt ici de la méthode IB-LBM est de pouvoir bénéficier de la précision de la formulation Lattice- Boltzmann tout en travaillant sur un maillage fixe, un terme correcteur venant modifier la vitesse au voisinage des interfaces mobiles. Le modèle d’écoulement-transport en milieu poreux évolutif développé est ensuite couplé à un modèle d’automate cellulaire prenant en compte les processus d’attachement-détachement. Le modèle est comparé à des benchmarks numériques et utilisé pour étudier les différents régimes de croissance du biofilm en fonction des conditions hydrodynamiques. Dans le dernier chapitre, ce modèle est étendu à la prise en compte d’une phase non-miscible afin d’étudier l’impact des processus de biodégradation sur la dissolution d’une phase polluante piégé. On se limite aux conditions où le NAPL est à saturation résiduelle. L’influence de la production de biosurfactant sur la solubilité du polluant ainsi que la toxicité de celui-ci sur la cinétique de croissance des bactéries est prise en compte. Plusieurs résultats numériques sont présentés afin d’illustrer l’influence des différents paramètres hydrodynamiques sur la dissolution du NAPL.

Mathematical modeling of transport in porous media of organic chemical species in the presence of a bacterial population growing in the form of biofilms is an important area of research for environmental and industrial applications such as the treatment and the remediation of groundwater contaminated by organic pollutants. Biofilms, which are composed of bacteria and extracellular organic substances, grow on the pore-walls of the porous medium. Biodegradable organic solutes are converted into biomass or other organic compounds by the bacterial metabolism. This evolution of the microbial biomass phase within the porous medium is a complex process due mainly to growth (or decay) and spatial spreading of the cellular phase. Processes such as biofilm sloughing and attachment (or detachment) of cells from the fluid phase may also contribute to the biofilm volume variation. In this context, the aim of the thesis is to focus on the mechanisms that control the development of biofilms in porous media and its impact on the hydrodynamic properties of the porous matrix. The objective of this work is to model this pore-scale phenomenon of biofilm growth by integrating the various mechanisms which favor the bacterial development (bacterial proliferation, assimilation of nutrients to synthesize new cellular materials, attachment of cells) or, conversely, which are responsible for slowing down (e.g., detachment of cells, toxicity). An IB-LB model is developed for flow calculation and non-boundary conforming finite volume methods (volume of fluid and reconstruction methods) are used for reactive solute transport. A sophisticated cellular automaton model is developed to describe the spatial distribution of bacteria. Several numerical simulations have been performed on complex porous media and a quantitative diagram representing the transitions between the different biofilm growth patterns was proposed. Finally, the bioenhanced dissolution of NAPL in the presence of biofilms was simulated at the pore scale. The impact of biosurfactants and NAPL toxicity on bacterial growth has been investigated.