Impact BIochimique des effluents agricoles et agroindustriels sur les ouvrages en BEtOn dans la filière de valorisation par Méthanisation (co-digestion anaérobie) – BIBENdOM

Le programme de recherche est organisé en 4 thèmes. L'étude combine expérimentation (tests en laboratoire et sur site) et modélisation sur les interactions microorganismes-bétons.
Le premier thème concerne la caractérisation des milieux de la méthanisation dans plusieurs situations et pour des systèmes utilisant différents types d'effluents agricoles. Le travail vise à identifier les conditions chimiques critiques pour le béton et à définir des milieux modèles qui sont ensuite utilisés pour des essais en laboratoire.
Le deuxième thème étudie les mécanismes et la cinétique de la biodégradation des matériaux cimentaires, en laboratoire et sur site, sur une plateforme instrumentée à l'échelle semi-industrielle (Haute-Garonne, France). Pour les essais en laboratoire, des pilotes expérimentaux sont mis en oeuvre pour travailler dans des conditions contrôlées. Les essais long terme sur site sont utilisés pour valider les phénomènes observés en laboratoire et pour évaluer les cinétiques en conditions réelles.
Le troisième thème est consacré à la modélisation de la biodétérioration du béton dans le milieu de la méthanisation. À partir des résultats du thème 2, une modélisation couplée est mise en œuvre, comprenant (i) la simulation de l'activité du biofilm à la surface du béton et (ii) la modélisation du transfert réactif des métabolites microbiens dans la matrice cimentaire. L'objectif est de compléter la compréhension des mécanismes d'interactions et de développer un outil numérique pour la prédiction de la durée de vie du béton.
Le quatrième thème concerne le développement et l'évaluation de solutions innovantes, respectueuses de la santé et de l'environnement, pour améliorer la durabilité du béton. Différentes pistes prometteuses, issues de la science des matériaux et de la biologie sont explorées. Des matériaux optimisés à base de laitier et/ou de CAC sont plus spécifiquement étudiés sur la base de leurs bonnes performances dans les environnements agricoles.

- Analyse des mécanismes d’interactions entre matériaux cimentaires et biodéchet en phase liquide en laboratoire. Deux types de biodéchets (substrats fumier et maïs), de niveaux d’agressivité différents pour la matrice cimentaire lors de leur fermentation anaérobie, ont été considérés. La dynamique de composition du biodéchet au cours de plusieurs cycles de digestions a été caractérisée en considérant les composés agressifs pour le matériau cimentaire (acides, ammonium, CO2). L’impact de la nature chimique et minéralogique du liant cimentaire sur les réactions de fermentation et l’efficacité de la production de biogaz ont été analysés. Des résultats inédits ont été obtenus.
- Formulation et exposition d’échantillons de matériaux cimentaires innovants formulés à partir d’une large gamme de liants, aux milieux réels dans un méthaniseur à l’échelle semi-industrielle. Les matériaux sont exposés en phase gaz et en phase liquide. La première série d’échantillons, exposés 6 mois ont été prélevés et sont en cours d’exploitation. Ce travail a également pour objectif de tester des solutions de traitements chimiques de surface pour améliorer les performances de liants courants.
La modélisation thermodynamique et cinétique de l’attaque des matériaux cimentaires dans le milieu de la méthanisation est également en cours de développement (attaque combinée de plusieurs métabolites : acides, CO2, ammonium, etc., aux agressivités, concentrations et mécanismes d’attaques divers). La stratégie de travail est celle du couplage du transport réactif dans le matériau (notamment par la mise à niveau des bases de données thermodynamiques et l’enrichissement de la compréhension des phénoménologies réactionnelles basée sur les expériences en laboratoire) et réactivité microbienne à la surface du matériau.

Les prochaines étapes du travail concerneront la poursuite du développement du modèle themodynamique couplé, l’exploitation des données d’exposition long terme des échantillons exposés in situ, et le croisement des travaux des différents partenairespar l’analyse matériau-dépendant des structures des biofilms des matériaux exposés in situ.

Voegel, C., Giroudon, M., Bertron, A., Patapy, C., Matthieu, P.L., Verdier, T., Erable, B. (2019) Cementitious materials in biogas systems: Biodeterioration mechanisms and kinetics in CEM I and CAC based materials. Cement and Concrete Research 124, 105815.
M. Giroudon, M. Peyre Lavigne, C. Patapy and A. Bertron (2018) Biodeterioration mechanisms and kinetics of SCM and aluminate based cements and AAM in the liquid phase of an anaerobic digestion system. RILEM 253-MCI Conference, Microorganisms-Cementitious Materials Interactions, Toulouse, RILEM PRO 123, Vol. 1, pp. 231-240
C. Perez, C. Lors and B. Erable (2018) The specific role of microbial biofilms in the deterioration of concrete tanks for anaerobic digestion plants.RILEM 253-MCI Conference, Microorganisms-Cementitious Materials Interactions, Toulouse, RILEM PRO 123, Vol. 2, pp. 565-566
M. Giroudon, M. Peyre Lavigne, C. Patapy and A. Bertron (2018) Biodeterioration mechanisms and kinetics of SCM and aluminate based cements and AAM in the liquid phase of an anaerobic digestion.ICCRRRR 2018, Cape Town. 8 p. Keynote paper
M Giroudon, C Voegel, C. Patapy, M Peyre Lavigne, B Erable, A Bertron (2019) Performances and alteration mechanisms of OPC and of CAC-based matrices in anaerobic digestion systems, 15th Congress of the Chemistry of Cement. Prague, 11 p.
C Roosz, M Giroudon, L Lacarrière, M Peyre-Lavigne, A Bertron (2020) Contribution of thermodynamic modeling to the understanding of interactions between hydrated cement pastes and organic acids. 3RD RILEM Spring Convention 2020, Guimarães, 11 p.
M. Giroudon, M. Peyre Lavigne, C. Patapy et A. Bertron (2020) Biodeterioration mechanisms and durability of SCM based cements and AAM in anaerobic digestion systems. ICCM 2020, Toulouse, 21p.
C. Perez, C. Lors and B. Erable (2020) Implication of Biofilm on the Biodeterioration of Cementitious Materials under Anaerobic Digestion Conditions, DBMC conference, Barcelona

Le procédé de digestion anaérobie permet le traitement et le recyclage des déchets organiques agricoles, agro-industriels et ménagers en biogaz (méthane…) utilisé alors comme énergie verte pour produire de la chaleur et de l’électricité par la technologie de la co-génération. Le soutien de l’Europe et des Etats au développement du biogaz pour assurer une transition énergétique vers des systèmes plus écologiques, a rendu attractive cette filière de récupération des déchets organiques. Dans un marché de la méthanisation en pleine expansion, le béton s’est révélé être un matériau de construction de choix car il est économique, étanche et possède une inertie thermique élevée.
En contact avec les biodéchets, le béton des structures subit cependant des dégradations à toutes les étapes de la production de biogaz du fait des composés chimiques produits par les microorganismes et de la composante biologique elle-même qui forme des biofilms à la surface du béton et génère des conditions chimiques locales très agressives. L’impact de ces dégradations sur les installations est à la fois économique (baisse de productivité, coûts de réparation…) et environnementale (fuite d’effluents polluants). Dans un contexte de croissance significative, le développement pérenne du secteur nécessite une meilleure compréhension de la dégradation d’origine biologique des bétons afin d’améliorer la durabilité des structures dans ces environnements.
L’objectif final du projet BIBENdOM est de proposer des solutions efficaces et respectueuses de la santé et de l’environnement pour améliorer la durabilité du béton dans les installations de méthanisation. Pour cela, l’étude devra apporter une compréhension détaillée des phénomènes de biodétérioration. Une étape indispensable sera de développer des tests biologiques permettant l’étude rationnelle des interactions biofilm-matériau cimentaire. Enfin, dans la perspective du développement d’un nouvel outil permettant de prédire la durée de vie des bétons, les interactions bio-géo-chimiques entre microorganismes et matrices cimentaires seront modélisées.
Le programme de recherche opérationnel, prévu sur 42 mois, sera organisé en 4 thèmes. Deux situations principales de la production du biogaz seront étudiées : (i) les transformations anaérobies dans le digesteur et (ii) le compostage aérobie du digestat. Le 1er thème concernera la caractérisation de biodéchets réels dans différentes situations et pour divers types d’effluents agricoles afin d’identifier les conditions critiques pour le béton. Le 2ème thème visera l’exploration des mécanismes et cinétiques de biodétérioration des matériaux cimentaires en laboratoire et in situ, notamment dans une plateforme instrumentée dans une installation de méthanisation. En laboratoire des pilotes expérimentaux seront développés. Le 3ème thème sera dédié à la modélisation de la biodétérioration du béton. Un modèle couplé (i) de l’activité du biofilm à la surface du béton et (ii) du transfert réactif des métabolites microbiens dans la matrice cimentaire sera mis en œuvre. La croissance et l’activité aléatoires du biofilm à la surface seront modélisées en utilisant une approche probabiliste. Le 4ème thème concernera le développement de solutions innovantes pour améliorer la durabilité des bétons dans ces environnements. Différentes voies prometteuses, relevant la science des matériaux d’une part (résistance chimique et biologique) et de la microbiologie d’autre part (biofilms positifs) seront explorées.
Ce projet est fortement pluridisciplinaire et nécessite des compétences en microbiologie, science des matériaux, génie des procédés, génies chimique et biologique, microscopie des biofilms… Quatre laboratoires: LMDC, porteur du projet, LGC, LISBP et ARMINES-Mines de Douai, et deux entreprises : Ecocem France, producteur de laitier granulé de haut fourneau, et Cousté Solutions, PME spécialisée dans la fabrication de structures en béton pour la méthanisation, seront impliqués.