Evaluation des interactions entre biodéchets en digestion anaérobie et matériaux cimentaires à base de différents liants en vue d'une meilleure durabilité des structures de méthanisation
Auteur / Autrice : | Marie Giroudon |
Direction : | Alexandra Bertron, Matthieu Peyre-Lavigne, Cédric Patapy |
Type : | Thèse de doctorat |
Discipline(s) : | Génie civil |
Date : | Soutenance le 08/01/2021 |
Etablissement(s) : | Toulouse, INSA |
Ecole(s) doctorale(s) : | École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse) |
Partenaire(s) de recherche : | Laboratoire : LMDC - Laboratoire Matériaux et Durabilité des Constructions de Toulouse - TBI-Toulouse Biotechnology Institute - Laboratoire Matériaux et Durabilité des constructions / LMDC - Toulouse Biotechnology Institute / TBI |
Jury : | Président / Présidente : Gilles Escadeillas |
Examinateurs / Examinatrices : Alexandra Bertron, Matthieu Peyre-Lavigne, Cédric Patapy, Thierry Chaussadent, Emmanuel Roziere, Christine Lors, Yoan Pechaud | |
Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Chaussadent, Emmanuel Roziere |
Mots clés
Résumé
La méthanisation, ou digestion anaérobie, permet la transformation de la matière organique en biogaz. Dans le contexte actuel de transition écologique vers des énergies renouvelables et de diminution des émissions de gaz à effet de serre, le développement de la filière est plébiscité en Europe et le secteur est en pleine croissance. A l’échelle industrielle, ce bioprocédé est mis en œuvre dans des structures en béton qui sont en contact direct avec les biodéchets en digestion et subissent des phénomènes de biodétérioration. En effet, le milieu liquide contient une grande variété de métabolites produits lors de la digestion (acides gras volatils, NH4+, CO2 dissous) dont les concentrations peuvent atteindre plusieurs grammes par litre, ainsi que les microorganismes eux-mêmes, colonisant la surface du béton sous forme de biofilm.Cette thèse, réalisée dans le cadre du projet ANR BIBENdOM, visait à (i) analyser les mécanismes d’interactions biogéochimiques entre les matériaux cimentaires constitués à partir de différents types de liants, le biodéchet en digestion, et le biofilm dans le milieu de la méthanisation et (ii) apporter une compréhension approfondie expérimentale et numérique des mécanismes d’altération des matériaux cimentaires et cela afin de tendre vers la prédiction de la durabilité du béton dans ces environnements complexes et variables.Le travail expérimental a été mené d’une part sur des milieux complets en laboratoire et a mis en évidence des mécanismes d’interactions à échelle locale entre un panel de matériaux (pâtes à base de CEM I, CEM III/B, CAC, métakaolin alcali-activé et laitier alcali-activé) et deux substrats en digestion (fumier bovin et brisure de maïs) permettant de faire varier la composition et l’agressivité du milieu vis-à-vis des matériaux (durant 5 cycles de digestion, soit environ 6 mois par expérience). Le processus de digestion anaérobie a été suivi et analysé en termes de composition du milieu liquide et production de biogaz, de populations microbiennes et de modifications microstructurales, chimiques et minéralogiques des matériaux. D’autre part, les actions individuelles et effets combinés des composés chimiques métabolisés lors de la digestion ont été finement étudiés afin de caractériser les cinétiques et équilibres thermodynamiques régissant les dégradations, et cela en vue de proposer un modèle tendant vers la prédiction de la détérioration dans des milieux de compositions variées. Pour cela, les solutions agressives ont été analysées (concentrations en cations et anions) au cours du temps et les dégradations des matériaux cimentaires ont été caractérisées (suivi de masse, modifications structurales, minéralogiques et chimiques).Le travail a permis de démontrer que la présence des matériaux en phase liquide n’impacte le processus de digestion que sur le court terme et à l’échelle locale uniquement. L’utilisation des substrats d’origine agricole a engendré des milieux riches en CO2 dissous (1000 – 2000 mg.L-1) et favorisé les phénomènes de carbonatation des matériaux, qui semblent jouer un rôle majeur dans les mécanismes de détérioration des ciments à base de Portland, devant ceux des autres métabolites (acides organiques, ammonium, sels de phosphate…). Parmi les matériaux utilisés, le métakaolin alcali-activé se démarque par son très bon comportement et sa faible dégradation. C’est aussi le matériau ayant eu le plus d’impact sur la digestion, en termes de composition du milieu (NH4+), de cinétiques de digestion et de pH ainsi que de populations microbiennes développées. Enfin, les expériences menées sur les métabolites chimiques seuls ont permis le développement d’un modèle thermodynamique appliqué aux interactions entre les pâtes de ciment et les agents agressifs permettant de prédire l’évolution chimique de la phase solide au cours de la dégradation et en fonction du métabolite étudié.