Béton durable pour les stations de traitement des eaux usées – WWTConcrete

Pour comprendre les phénomènes de biodétérioration des matériaux cimentaires dans les bassins de nitrification différentes actions ont été mises en place :

(i) Carottage d’un bassin de type bisotyr® (nitrification) ;

(ii) Exposition in situ d’échantillons dans 7 bassins ;

(iii) Mise en place d’un essai en laboratoire de nitrification / dénitrification ;

(iv) Etude abiotique de l’impact de l’ammonium, pH et CO2 ;

(v) Modélisation des flux et de la détérioration des bétons.

Des carottages dans un bassin de nitrification de type biostyr® ont pu être mené et analyses par MEB et µ-Raman. Les bétons des autres types de bassin n’ont pu être caractérisés car leurs vidanges étaient impossibles durant le projet.

Une grande partie du projet a été focalisée sur l’exposition et l’analyse d’échantillons de mortiers dans les bassins au sein du SIAAP. Pour cela, différentes formulations de mortiers sont étudiées dans deux sous-caisses différentes :

Sous-caisse n°1 : Le but est d’étudier la cinétique, l’évolution des profondeurs dégradées et la comparaison des mécanismes in situ / laboratoire. Les ciments utilisés sont le CEM I (référence 100 % portland), le CEM V (ciment couramment utilisé pour le bassin de traitement biologique par le SIAAP) et le CAC (connu comme plus durable en cas de dégradation biologique).

Sous-caisse n°2 : Le but est d’étudier l’influence de certains paramètres de formulation des mortiers : porosité (rapport eau/ciment de 0,4 et 0,5), nature des granulats (siliceux et calcaire), teneur en C3A (CEM I SR0 et SR3) et différentes additions minérales (CEM III/B).

Les lieux d’expositions ont été choisis dans des usines de traitement, à Seine Aval et Seine Centre. Deux caisses sont exposées à Seine Centre - dans un bassin de type Biofor® en décarbonatation et dans un de type Biostyr® en nitrification. A Seine Aval, 5 caisses sont exposées dans les deux files possibles :

- File biofiltration : en pré-dénitrification (système Biostyr®), nitrification (système Biostyr®) et post-dénitrification (système Biofor®).

- File biologique membranaire : en zone de dénitrification (anoxie) et en zone de nitrification (aérée).

Tous les six mois, les paramètres macroscopiques sont suivis : photo des échantillons, masses, diamètres et pH de surface. De plus, des mesures en laboratoire viennent compléter ces observations, afin d’observer les profondeurs dégradées par microscopie optique, microscopie électronique à balayage équipée d’une sonde EDS (MEB-EDS). Ces mesures pourront être complétées ponctuellement par des analyses minéralogiques de diffraction des rayons X (DRX) et de µ-Raman.

En parallèle de ces suivis de dégradations, des modélisations du fonctionnement des bassins de nitrification (BRM, biostyr à Seine centre et biostyr à Saine Aval) ont été réalisé afin de recréer les conditions d’exposition et de permettre la modélisation des flux et de la détérioration des bétons.

Après plus de 3,5 ans d’exposition, des différences de comportement entre les mortiers sont observables. Les mortiers CEM I présentent une perte de masse significative dans les bassins de type Biostyr que ce soit à Seine Aval ou à Seine Centre. Les mortiers en nitrification dans le système BRM (bioracteur membranaire ; les cultures microbiennes sont libres dans le bassin) sont moins détériorés et ont commencé à perdre de la masse après seulement 3 ans d’exposition. Suivent les mortiers CEM V et enfin les mortiers CAC pour lesquels aucune perte de masse significative n’a encore été enregistrée. Cette perte de masse due à la décalcification des liants de type CEM peut s'expliquer par la formation de protons H+ lors de la nitrification, sous l'action des bactéries Nitrosomas sp.. Ainsi, à partir des données sur les effluents, il a été possible de démontrer la formation de 140 mol H+ par jour et par m² dans les bassins de la ligne de biofiltration. Le bioréacteur à membrane semble ne produire que 72 mol H+ par jour et par m². Cette différence dans la quantité de protons formés explique la différence de comportement des matériaux, même si le mécanisme biologique de traitement de l'ammonium est le même pour les différents types de bassins. La différence de comportement entre les formulations peut être due à la quantité de portlandite dans le CEM I et le CEM V. En revanche, les silicates de calcium et d'alumine contenus dans le CAC, qui sont moins solubles, sont moins affectés.

Ces expositions in situ, l’analyse des carottes de béton d’un bassin Biostyr® en nitrification et cette modélisation des flux ont permis de mettre en place un schéma représentant les mécanismes de biodétérioration en présence des bactéries nitrifiantes.

Les essais biotiques ont permis de bien recréer les conditions de nitrification et de dénitrification en ajustant le pH et en réalisant des pulses d’ammonium ou de nitrates. Cependant, après 4 / 6 mois de mise en contact des matériaux cimentaires dans ces bioréacteurs, les matériaux ne présentaient pas de dégradation. Les mécanismes de nitrification et de dénitrification ont bien lieu dans l’eau du bioréacteur, mais pas au contact matériaux / biofilm. Un nouveau test est en cours de développement consistant à étaler une boue avec des microorganismes nitrifiant à la surface des matériaux puis de faire percoler un milieu de culture riche en ammonium.

Les perspectives du projet sont de répondre aux différents verrous scientifiques identifiés pour cela, un PRCE LoCaBin a été déposé à l’AAPG 2025. Nous avons intégré au consortium 3 nouveaux partenaires.

Les résultats obtenus feront également l’objet de communications vers le monde académique et le monde économique et opérationnel.

Les infrastructures d’assainissement sont fondamentales pour assurer la santé des personnes, la qualité de l’eau et de l’environnement. De nombreux progrès ont été réalisés sur les procédés de traitement des eaux afin de limiter l’impact des rejets sur l’environnement. Ces améliorations n’ont toutefois pas été analysées au regard de la durabilité des structures généralement en béton et depuis une dizaine d’années des dégradations importantes ont été observées en particulier sur les unités de nitrification/dénitrification. Actuellement en l’absence de connaissances, il est très difficile d’optimiser la réparation des structures anciennes ou la construction de structures nouvelles. Le projet WWTConcrete (Sustainable concrete for wastewater treatment plants) a pour objectif de traiter cette problématique en s’appuyant de quatre organismes aux connaissances et compétences très complémentaires sur les matériaux cimentaires et leur durabilité, sur les interactions micro-organismes/matériaux et sur les bio-procédés. Ainsi, le consortium pluridisciplinaire de scientifiques du projet WWTConcrete a défini un axe d’étude sur les relations infrastructures / matériaux / procédés pour proposer in fine des stratégies opérationnelles permettant de s’affranchir de la biodétérioration des matériaux cimentaires.
La stratégie pour mener à bien ce projet s’articule sur une étude des matériaux et des effluents à leur contact à partir de prélèvements in situ dans les installations du SIAAP, sur la définition et mise en œuvre d’un pilote de laboratoire pour reproduire de manière contrôlée la réalité des unités de traitement, sur un découplage chimique/biologique des phénomènes de dégradation des bétons et sur la modélisation de ces phénomènes à l’échelle du matériau mais aussi de l’unité de traitement.
Les attendus principaux sont des outils numériques pour permettre une optimisation à la fois du choix du matériau cimentaire et des protocoles de surveillance et d’entretien des structures de traitement d’eaux usées et des recommandations pour faire évoluer les normes actuelles ce qui est indispensable dans le domaine du génie civil pour assurer le transfert de connaissances et de compétences vers la profession.