Rock-hosted subsurface biofilms: development and remediation by biocide injection

Biofilms en roches poreuses profondes : développement et remédiation par injection de biocide

• Auteur / Autrice : Alexis Vindret
• Direction : Antoine Margeot
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences du sol
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Agriculture, Alimentation, Biologie, Environnement, Santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut français du pétrole Énergies nouvelles (Rueil-Malmaison, Hauts-de-Seine)
• Partenaire(s) de recherche : référent : AgroParisTech (France ; 2007-....)

Mots clés

Mots clés libres

Biofilms

Roches poreuses

Aquifères

Biocides

Biofilms

Porous rock

Aquifer

Biocides

Résumé

Dans le contexte du changement climatique et de la relocalisation de la production énergétique, lancée notamment par les accords de Paris de la COP21, la géothermie apparait aujourd'hui comme une alternative compétitive aux moyens de production de chaleur et d'électricité carbonés. Bien que le principe technique soit maitrisé, la pérennité des performances des unités d'exploitation est régulièrement mise à mal par des pertes d'injectivité limitant les débits d'injection et de production des fluides géothermaux. Ce phénomène, aux origines multiples, peut notamment être causé par l'activité de microorganismes par la formation de biofilm entraînant l'altération du milieu poreux. Pour lutter contre les effets délétères de ces biofilms, des stratégies de remédiation impliquant l'utilisation de molécules biocides sont mises en œuvre. Cependant, celles-ci sont peu maitrisées et mal optimisées. Ce projet de thèse vise à mieux comprendre la formation et la destruction de biofilm en milieu poreux sous écoulements de fluides de manière dynamique, dans le but de proposer des stratégies de remédiation innovantes. Dans un premier temps, l'influence des conditions hydrodynamiques et de la lithologie sur le développement des biofilms de Shewanella oneidensis MR-1 en milieux poreux seront étudiées expérimentalement à l'aide de mesures in-situ et sur les effluents, et en variant les roches et les débits d'injection utilisés. Dans un second temps, différents types de biocides (différentes concentrations/mélanges) selon différents protocoles d'injection (continu, pulse, récurrence) pour évaluer la réponse des biofilms (dégradation/résilience) seront testés, pour optimiser les procédés en usages et/ou développer de nouveaux protocoles d'usage de biocides pour une remédiation de biofilm en milieu poreux. Des expériences finales utilisant un consortium environnemental prélevé sur une exploitation géothermique permettront d'extrapoler les conclusions obtenues avec Shewanella au comportement d'un écosystème complexe représentatifs de l'application.

In the context of climate change and the relocalization of energy production, launched in particular by the COP21 Paris agreements, geothermal energy appears today as a competitive alternative to carbon-based means of heat and electricity production. Although the technical principle is mastered, the sustainability of the performance of the exploitation units is regularly challenged by losses of injectivity limiting the injection and production rates of geothermal fluids. This phenomenon, which has multiple origins, can be caused by the activity of microorganisms through the formation of biofilm leading to the alteration of the porous medium. To fight against the deleterious effects of these biofilms, remediation strategies involving the use of biocidal molecules are implemented. However, these strategies are poorly mastered and optimized. This thesis project aims to better understand the formation and destruction of biofilms in porous media under dynamic fluid flows, in order to propose innovative remediation strategies. First, the influence of hydrodynamic conditions and lithology on the development of biofilms of Shewanella oneidensis MR-1 in porous media will be studied experimentally using in-situ and effluent measurements, and by varying the rocks and the injection rates used. In a second step, different types of biocides (different concentrations/mixtures) with different injection protocols (continuous, pulse, recurrent) to evaluate biofilm response (degradation/resilience) will be tested, to optimize the processes in use and/or develop new protocols for biocides use for biofilm remediation in porous media. Final experiments using an environmental consortium collected from a geothermal operation will allow to extrapolate the conclusions obtained with Shewanella to the behavior of a complex ecosystem representative of the application.