Marbe BENIOUG a le plaisir de vous convier à sa soutenance de thèse intitulée

" Etude numérique de la croissance microbienne en milieu poreux". 

Mercredi 9 septembre 2015 à 10h

Amphithéâtre G  à l’École Nationale Supérieure de Géologie (ENSG).

Résumé de thèse:

L’évolution d’une phase microbienne au sein d’un milieu poreux est un processus complexe de par la prise en compte des effets de croissance (ou de mortalité) et d’étalement de la phase cellulaire. D’autres processus tels que l’arrachement d’une partie du biofilm ou l’attachement-- détachement de cellules mobiles depuis la phase fluide peuvent aussi contribuer à la variation du volume de biofilm présent. Il est bien connu à l’heure actuelle que la production microbienne peut impacter sur la porosité et la perméabilité du milieu, et par là même, sur le transport des composés organiques dissous en présence.

L’accumulation de biofilm, en effet, conduit à une diminution de l’espace poral ce qui entraîne une diminution de la porosité et de la perméabilité du système tout en augmentant la dispersion hydrodynamique.

Ce mécanisme communément appelé « bioclogging », peut fortement influencer la réussite de l’application des méthodes de bioremédiation dans des aquifères pollués. Une meilleure compréhension des interactions mis en jeu entre les processus de croissance de biofilm, du transport de soluté et de l’écoulement et une modélisation rigoureuse de ce processus de croissance à l’échelle microscopique est par conséquent un enjeu essentiel à une prédiction plus fine du devenir des polluants dans les sols.

L’évolution temporelle d’un milieu poreux sous l’effet des processus physico-chimiques (e.g., altération, précipitation des phases minérales dans les roches) et de l’activité biologique (croissance de biofilm bactérien, bio-obstruction des pores) constitue toutefois à l’heure actuelle un défi scientifique majeur d’un point de vue de la modélisation numérique.

Les variations locales de la géométrie du domaine (obstruction ou élargissement des pores) induisent en effet une chenalisation de l’écoulement et du transport qui va évoluer au cours du temps. Si différentes méthodes numériques – lagrangiennes ou eulériennes - ont été développées (méthode de capture du front, méthode d’interface diffuse de type « /Level Set /» ou /Volume Of Fluid/), elles restent souvent peu adaptées à des modélisations 3D à l’échelle du pore (temps de calcul, remaillage parfois nécessaire, problème de gain ou de perte de masse).

Nous combinons ici une méthode IBM (/Immersed Boundary Method/) à une méthode LBM (/Lattice Boltzman Method/) pour le calcul de l’écoulement en 3D tandis qu’une approche de type VOF (/Volume of Fluid/) et une discrétisation en Volume Finis est utilisée pour le transport des espèces chimiques.

L’intérêt ici de la méthode LBM-IBM est de pouvoir bénéficier de la précision de la formulation Lattice-Boltzmann tout en travaillant sur un maillage fixe, un terme correcteur venant modifier la vitesse au voisinage des interfaces mobiles.

Le modèle d'écoulement-transport en milieu poreux évolutif développé est ensuite couplé à un modèle d'automate cellulaire prenant en compte les processus d'attachement-détachement.

Le modèle est ensuite comparé à des benchmarks numériques et utilisé pour étudier les différents régimes de croissance de biofilm en fonction des conditions hydrodynamiques. 

Dans le dernier chapitre, ce modèle est étendu à la prise en compte d'une phase non-miscible afin d'étudier l'impact des processus de biodégradation sur la dissolution d'une phase polluante non miscible piégé.

On se limite aux conditions où le NAPL est à saturation résiduelle.  L'influence de la production de biosurfactant sur la solubilité du polluant ainsi que la toxicité de celui-ci sur la cinétique de croissance des bactéries est prise en compte. 

Plusieurs résultats numériques viennent illustrer l'influence des différents paramètres hydrodynamiques sur la dissolution du NAPL.

Jury:

Serge Huberson, Professeur, Univ. Poitiers (Rapporteur)

Harold Auradou, DR CNRS, Lab. FAST, Orsay (Rapporteur)

Yohan Davit, CR CNRS, IMFT, Toulouse (Examinateur)

Laurent Talon, CR CNRS, Lab. FAST, Orsay (Invité)

Michel Bues, Professeur, GeoRessources, Université de Lorraine (Directeur de thèse)

Constantin Oltéan, Maître de Conférences, GeoRessources, Université de Lorraine (Co-directeur de thèse)

Fabrice Golfier, Maître de Conférences, GeoRessources, Université de Lorraine (Co-directeur de thèse)