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

Assessment of the interactions between biowaste in anaerobic digestion and cementitious materials based on different binders with a view to improving the sustainability of anaerobic digestion structures

• 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
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexandra Bertron, Matthieu Peyre-Lavigne, Cédric Patapy, Thierry Chaussadent, Emmanuel Roziere, Christine Lors, Yoan Pechaud
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Thierry Chaussadent, Emmanuel Roziere

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ammonium

Acides organiques

Matériaux -- Biodégradation

Méthanisation

Mots clés libres

Méthanisation

Matériaux cimentaires

Biodétérioration

Acides organiques

Ammonium

Carbonatation

Anaerobic digestion

Cementitious materials

Biodeterioration

Organic acids

Ammonium

Carbonation

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.

Anaerobic digestion allows the transformation of organic matter into biogas. In the current context of ecological transition towards renewable energies and the reduction of greenhouse gas emissions, the development of the sector is encouraged in Europe and the sector is growing fast. On an industrial scale, this bioprocess is implemented in concrete structures that are in direct contact with the biowastes being digested and undergo biodeterioration phenomena. Indeed, the liquid medium contains a wide variety of metabolites produced during digestion (volatile fatty acids, NH4+, dissolved CO2) whose concentrations can reach several grams per litre, as well as the microorganisms themselves, colonizing the surface of the concrete in the form of biofilm.This thesis, carried out within the framework of the ANR project BIBENdOM, aimed at (i) analysing the mechanisms of biogeochemical interactions between cementitious materials made from different types of binders, biowaste in digestion, and biofilm in the anaerobic digestion environment and (ii) providing a thorough experimental and numerical understanding of the mechanisms of alteration of cementitious materials in order to tend towards the prediction of the durability of concrete in these complex and variable environments.On one hand, the experimental work was carried out on complete environments in laboratory and highlighted local scale interaction mechanisms between a panel of materials (CEM I, CEM III/B, CAC, alkali-activated metakaolin and alkali-activated slag) and two substrates being digested (cattle manure and maize breakage) allowing to vary the composition and the aggressiveness of the environment toward the materials (during 5 digestion cycles, or about 6 months per experience). The anaerobic digestion process was monitored and analysed in terms of composition of the liquid medium and biogas production, microbial populations and microstructural, chemical and mineralogical modifications of the materials. On the other hand, the individual actions and combined effects of the chemical compounds metabolised during the digestion were finely studied in order to characterise the kinetics and thermodynamic equilibria governing degradation, with a view to proposing a model tending towards the prediction of deterioration in media of varied compositions. For this purpose, aggressive solutions were analysed (cation and anion concentrations) over time and the degradation of cementitious materials was characterised (mass loss, structural, mineralogical and chemical modifications).The work has shown that the presence of materials in the liquid phase only impacts the digestion process in the short term and on a local scale only. The use of substrates of agricultural origin generated environments rich in dissolved CO2 (1000 - 2000 mg.L-1) and favoured the carbonation of the materials, which seems to play a major role in the deterioration mechanisms of Portland based cements, ahead of those of other metabolites (organic acids, ammonium, phosphate salts...). Among the materials used, alkali-activated metakaolin stands out for its very good behaviour and low degradation. It is also the material that has had the greatest impact on digestion, in terms of the composition of the medium (NH4+), digestion kinetics and pH as well as the microbial populations developed. Finally, the experiments carried out on chemical metabolites alone have enabled the development of a thermodynamic model applied to the interactions between cement pastes and aggressive agents, allowing to predict the chemical evolution of the solid phase during degradation and as a function of the metabolite studied.