Présentation des méthodes d’étude et de suivi de la biodétérioration

IV.3.2.1. Dispositif d’étude de la biodétérioration simulant l’environnement d’un réseau d’assainissement

Différents travaux ont permis la mise au point d’un essai accéléré représentatif des mécanismes de biodétérioration connus [DEMU09a, GRAN18a, HERI12, PEYR15, SAND92, WIKT08]. L’essai mis en œuvre dans le cadre de cette étude consiste à placer les échantillons de mortier dans une cellule de vieillissement recréant l’environnement d’un réseau d’assainissement en présence d’hydrogène sulfuré (Figure IV.154). La production continue d’hydrogène sulfuré (H2S) est assurée par l’injection

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programmée d’une solution de sulfure de sodium (Na2S) dans une solution d’acide chlorhydrique (HCl). La réaction chimique produite conduit alors à la formation d’H2S aqueux. L’injection d’air en continu entraîne alors l’émanation d’H2S gazeux dans la cellule de biodétérioration. Cet essai nécessite un prétraitement abiotique en vue d’abaisser le pH de surface des échantillons à des valeurs appropriées pour les micro-organismes (autour de 8). Pour ce faire, les échantillons sont maintenus à une concentration en H2S de 100 ppm, une température de 23,0°C ± 1,2°C et 100 % d’humidité relative durant deux semaines.

À la suite de ce prétraitement à l’H2S, les mortiers sont recouverts de boues activées contenant un consortium de micro-organismes représentatifs de la population microbienne des réseaux d’assainissement, avec en majorité des bactéries sulfo-oxydantes, et des microchampignons [PEYR15]. Ces boues activées sont étalées à l’aide d’un pinceau, après avoir été centrifugées. Les échantillons sont placés dans une chambre hermétique où ils sont maintenus à 22,8°C ± 2,5°C, 100 % d’humidité relative, et une concentration en H2S de 30 ppm, pour une durée de quatre mois (Figure IV.154).

Trois indicateurs sont suivis au cours de l’essai : la masse des échantillons, leurs dimensions, et leur pH de surface.

Figure IV.154 – Représentation schématique de l’essai de biodétérioration

IV.3.2.2. Matériaux et méthodes d’étude de la biodétérioration

Matériaux d’étude

Les mortiers sont formulés d’après le protocole détaillé au début de ce chapitre, et curés sans séchage (chap. IV.1.1). Les mortiers sont ensuite sciés de manière à avoir des échantillons cubiques de 2x2x2 cm³. Cinq cubes sont mis en cellule de biodétérioration pour chaque formulation. Ils sont placés sur des supports permettant l’exposition des six faces aux conditions d’essai.

Mortiers recouverts de boues activées PRODUCTION D’H₂S PULVÉRISATION DE NUTRIMENTS MATÉRIAUX CEINTURE CHAUFFANTE Vidange HCl Na₂S

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Méthodes de suivi de la biodétérioration

À l’issue de cet essai, une évaluation qualitative des échantillons est réalisée (Tableau IV.43). Trois échéances sont alors fixées : avant le prétraitement à l’H2S (t0), après le prétraitement à l’H2S, et à l’issue de quatre mois de conservation dans la cellule de biodétérioration. Un suivi visuel de chaque échantillon est tout d’abord effectué. Pour ce faire, les six faces exposées sont photographiées : les quatre faces latérales sont d’abord photographiées de manière à laisser apparaître la face supérieure des échantillons, puis la face inférieure est photographiée (soit 5 photographies en tout par échantillon). Le pH de surface est ensuite déterminé pour chacun des échantillons, et ce à chaque échéance. Enfin, les dimensions des échantillons sont mesurées.

Tableau IV.43 – Méthodes de suivi qualitatives

Méthode Photographie pH de surface Dimensions Échéance t0, après prétraitement H2S, après 4 mois en cellule de biodétérioration

Nombre d’échantillons

5 par formulation (5

faces photographiées) ^{5 par formulation 5 par formulation}

Préparation Aucune Aucune Aucune

Ensuite, une évaluation quantitative est réalisée à l’issue des quatre mois de conservation en cellule de biodétérioration (Tableau IV.44).

Tableau IV.44 – Méthodes de suivi quantitatives

Méthode ^{Perte de masse}

globale ^{Analyse d’images}

Observations au MEB et cartographie des éléments Échéance Après 4 mois d’en cellule de biodétérioration

Nombre

d’échantillons ^{3 par formulation 1 par formulation 1 par formulation} Préparation Séchage 40°C, sonication 1h, 20KHz, séchage 40°C Résinage, sciage en coupe transversale, scan Métallisation

Tout d’abord, la perte de masse globale est déterminée pour trois échantillons de chaque formulation après avoir été soumis à un traitement aux ultrasons (Figure IV.155). En effet, l’exposition des échantillons de mortier aux ultrasons provoque un arrachement de la couche non cohésive potentiellement formée sur les matériaux. La perte de masse globale est alors la différence entre la perte de masse obtenue lors des quatre mois d’essai de biodétérioration, et celle obtenue lors du traitement aux ultrasons.

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Figure IV.155 – Sonicateur Vibracell 75041 (Fisher Bioblock Scientific)

Ainsi, avant d’être placés en cellule de vieillissement, les matériaux sont séchés en étuve à 40°C jusqu’à stabilisation de la masse (ceci afin de s’affranchir de la présence d’eau dans les échantillons). Après les 4 mois de biodétérioration en cellule de vieillissement en présence de boues activées et d’H2S, les matériaux sont de nouveau séchés en étuve à 40°C jusqu’à stabilisation de la masse, puis pesés : m1. Ils sont ensuite placés dans un bécher de 100 mL, contenant 80 mL d’eau distillée. Ils sont alors traités aux ultrasons avec une fréquence de 20 KHz durant 60 min. À l’issue du traitement, les échantillons sont de nouveau placés en étuve à 40°C jusqu’à stabilisation de la masse : m2. La perte de masse globale du matériau Δm est calculée comme détaillé dans l’équation (IV.37).

∆𝑚 =^{𝑚1− 𝑚2}

𝑚₁ ^(IV.37)

Après 4 mois d’exposition aux boues activées et à l’H2S, un échantillon de chaque formulation est résiné, scié en coupe transversale à 0,5 cm et 1 cm de la surface libre (i.e. face supérieure des échantillons lorsqu’ils sont placés en cellule de biodétérioration). Enfin, les échantillons sont scannés. Les scans sont analysés avec le logiciel de traitement d’image ImageJ, permettant de calculer les profondeurs de détérioration, et la surface détériorée. Par la suite, ces échantillons sont métallisés avant d’être observés au microscope électronique à balayage (MEB), couplé à une sonde d’analyse dispersive en énergie (chap. II.1.6). Ce couplage permet, en plus de l’observation de l’échantillon en coupe transversale, d’obtenir une indication par analyse semi-quantitative de la répartition des éléments constitutifs de l’échantillon. Dans le cadre de cette étude, les éléments suivis sont le calcium, le silicium et le soufre. L’obtention d’une cartographie de ces différents éléments donne une indication sur la biodétérioration de l’échantillon observé.