Etude des mécanismes de biodétérioration des matériaux cimentaires dans les réseaux d'assainissement

par Julie Lewi

Projet de thèse en Sciences des Matériaux

Sous la direction de Thierry Chaussadent.

Thèses en préparation à Paris Est , dans le cadre de École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec MAST Direction - Département Matériaux et structures (laboratoire) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    Dans les infrastructures d'assainissement, les matériaux cimentaires de structure ou utilisés comme revêtements, sont soumis à divers processus chimiques, physico-chimiques et biologiques qui entraînent leur dégradation. Actuellement, le phénomène de biodétérioration le plus connu et étudié est la biodétérioration induite par la production d'acide sulfuré (H2S) au sein des réseaux d'assainissement. Il existe d'autres mécanismes impliquant des microorganismes qui conduisent à la détérioration des matériaux cimentaires au sein des installations d'assainissement. C'est notamment le cas pour les bétons des bassins aérobies de nitrification dans les stations d'épuration qui présentent des signes d'endommagement liés à la production d'acide nitrique (HNO3) par des biofilms. Ces deux mécanismes de biodétérioration entraînent à terme le vieillissement prématuré des infrastructures d'assainissement avec notamment des pertes de résistance mécanique et d'étanchéité des matériaux cimentaires. Ceci induit d'importants surcoûts économiques liés à la réparation voire au remplacement de ces installations conduisant les gestionnaires et les organismes de recherche à s'intéresser aux mécanismes à l'origine de ces biodégradations. De plus, ces phénomènes sont amenés à s'accélérer dans les années à venir. En effet, le changement climatique ou la diminution de la consommation d'eau vont, entre autres, induire la baisse du volume des effluents avec une augmentation de la concentration des polluants qui s'y trouvent. Le réchauffement climatique entraînera également une hausse des vitesses des réactions biochimiques. De ce fait, les dommages causés aux ouvrages en béton vont continuer de s'étendre à l'avenir avec des coûts de réhabilitation de plus en plus importants pour les gestionnaires. Cette thèse s'inscrit dans le cadre du programme de recherche MOCOPÉE (Modélisation Contrôle et Optimisation des Procédés d'Épuration des Eaux) et de l'un de ses grands axes de recherche relatif au vieillissement des ouvrages de transport et de traitement en assainissement. Elle a ainsi pour objectif l'étude des mécanismes de biodétérioration des matériaux cimentaires dans les ouvrages d'assainissement afin d'améliorer leur durabilité. Cette thèse portera plus particulièrement sur le phénomène de biodétérioration dans les bassins de nitrification des stations d'épuration qui est très peu étudié et connu à l'heure actuelle. Il s'agit notamment de comprendre les interactions entre matériaux cimentaires, microorganismes et conditions environnementales puis de les mettre en lien avec des taux de dégradations. D'autre part, les résultats obtenus lors de cette étude seront comparés aux résultats acquis lors d'études du phénomène de biodétérioration liée à la présence d'H2S. Les résultats obtenus lors de ce projet de recherche pourront servir de base à l'établissement d'un modèle prédisant la durabilité à long terme des matériaux cimentaires utilisés dans les bassins de nitrification. Ces résultats pourront également servir pour la mise au point d'un essai accéléré de biodétérioration en laboratoire. La démarche expérimentale menée au cours de ces trois ans de thèse s'articulera autour de deux types d'études qui ont pour objectif de déterminer quel est l'impact respectif des microorganismes et de l'effluent sur la dégradation des matériaux cimentaires. Les études réalisées au cours de cette thèse se feront par le biais d'essais en laboratoire dans des conditions contrôlées et d'essais in situ en conditions réelles sur le site de traitement des eaux usées du SIAAP (Syndicat Interdépartemental pour l'Assainissement de l'Agglomération Parisienne) à Colombes.

  • Titre traduit

    Study of the biodeterioraton mechanisms of cementitious materials in sewer pipes


  • Résumé

    In sewer pipes, cementitious materials are submitted to several chemical, physicochemical and biological processes which lead to their degradation. The most famous and studied phenomenon is the biodeterioration due to the emanation of hydrogen sulphide in sewer pipes. However, there are other mechanisms involving microorganisms which generate the degradation of cementitious materials in wastewater treatment plants. This is especially the case for cementitious materials in aerobic nitrification basins in wastewater treatment plants that show signs of damage related to the production of nitric acid (HNO3) by biofilms. These two mechanisms create at long-term a premature ageing of installations with losses of mechanical strength and watertightness of cementitious materials. This leads to significant extra costs related to the repair or the replacement of these facilities leading managers and research organizations to investigate the mechanisms that cause these biodegradations. Moreover, these phenomena are likely to accelerate in the future due to climate change or the reduction in water consumption. This thesis is part of the research program MOCOPÉE ​​(Modélisation Contrôle et Optimisation des Procédés d'Épuration des Eaux) and one of its major research axes related to the ageing of transport and treatment infrastructures. The aim of this thesis is to study the mechanisms of biodeterioration of cementitious materials in wastewater treatment plants to improve their durability. This thesis will focus on the phenomenon of biodeterioration in nitrification basins which is little studied and known currently. More particularly, it is to better understand the interactions between cementitious materials, microorganisms and environmental conditions and linking them to degradation rates. The results obtained from this research project may serve as a basis for establishing a model predicting the long-term durability of cementitious materials used in nitrification basins. These results can also be used for the development of an accelerated assay in laboratory. The experimental approach of this thesis will revolve around two types of studies which aim to determine what is the respective impact of microorganisms and effluent on the degradation of cementitious materials. The studies will be done through laboratory tests under controlled conditions and in situ tests under real conditions on the wastewater treatment plants of the SIAAP (Syndicat Interdépartemental pour l'Assainissement de l'Agglomération Parisienne) in Colombes.