Modélisation numérique de la croissance microbienne en milieu poreux PDF Download
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L'evolution 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 mortalite) et d'etalement de la phase cellulaire. D'autres processus tels que l'arrachement d'une partie du biofilm ou l'attachement detachement de cellules mobiles depuis la phase fluide peuvent aussi contribuer a la variation du volume de biofilm present. Une meilleure comprehension des interactions mis en jeu entre les processus de croissance de biofilm, du transport de solute et de l'ecoulement et une modelisation rigoureuse de ce processus de croissance a l'echelle microscopique est un enjeu essentiel a une prediction plus fine du devenir des polluants dans les sols. L'evolution temporelle d'un milieu poreux sous l'effet de l'activite biologique constitue toutefois a l'heure actuelle un defi scientifique majeur d'un point de vue de la modelisation numerique. Les variations locales de la geometrie du domaine (bio-obstruction des pores) induisent en effet une chenalisation de l'ecoulement et du transport qui va evoluer au cours du temps.
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L'evolution 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 mortalite) et d'etalement de la phase cellulaire. D'autres processus tels que l'arrachement d'une partie du biofilm ou l'attachement detachement de cellules mobiles depuis la phase fluide peuvent aussi contribuer a la variation du volume de biofilm present. Une meilleure comprehension des interactions mis en jeu entre les processus de croissance de biofilm, du transport de solute et de l'ecoulement et une modelisation rigoureuse de ce processus de croissance a l'echelle microscopique est un enjeu essentiel a une prediction plus fine du devenir des polluants dans les sols. L'evolution temporelle d'un milieu poreux sous l'effet de l'activite biologique constitue toutefois a l'heure actuelle un defi scientifique majeur d'un point de vue de la modelisation numerique. Les variations locales de la geometrie du domaine (bio-obstruction des pores) induisent en effet une chenalisation de l'ecoulement et du transport qui va evoluer au cours du temps.
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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. 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 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 de l'activité biologique 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 (bio-obstruction 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) ou par reconstruction d'interface couplée à une discrétisation en Volume Finis est utilisée pour le transport des espèces chimiques. L'intérêt ici de la méthode IB-LBM 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 comparé à des benchmarks numériques et utilisé pour étudier les différents régimes de croissance du 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 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 sont présentés afin d'illustrer l'influence des différents paramètres hydrodynamiques sur la dissolution du NAPL.
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Un dispositif expérimental a été développé pour l'étude du couplage de la croissance d'un biofilm de Shewanella oneidensis MR-1 et du transport conservatif de l'Erioglaucine. La croissance du biofilm a été suivie par mesure de conductivité hydraulique et par acquisition d'images à l'aide d'une caméra digitale. La fraction volumique du biofilm a été caractérisée par des essais d'élution d'une macromolécule (i.e. : le Bleu Dextran) par analogie avec les méthodes de chromatographie d'exclusion ou de filtration sur gel. Ainsi au bout de 29 jours, un biofilm quasi-homogène sur l'ensemble de la cellule d'écoulement (0,1×0,1×0,05m3) et équivalent à 50% du volume poral a été formé. L'influence de la croissance du biofilm sur les propriétés de transport du milieu a été évaluée. Les essais de transport conservatif de l'Erioglaucine effectués pour deux vitesses d'injection et à deux stades de croissance du biofilm (17 et 29 jours) ont montré l'influence d'hétérogénéités locales sur les paramètres de transport (i.e. : la porosité, la perméabilité et la dispersion hydrodynamique). Ainsi après 17 jours de culture quand le biofilm occupe partiellement le milieu poreux (moitié inférieure) un modèle à deux équations ou double milieu permet de caractériser le transport conservatif. A contrario après 29 jours de culture où le biofilm occupe tout le milieu poreux, un comportement fickien classique caractérise le transport. Les valeurs théoriques du coefficient de dispersion longitudinale prédites par la méthode de prise de moyenne volumique ont permis de reproduire de manière satisfaisante le comportement observé expérimentalement.
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Modéliser les phénomènes de transport de solutés organiques en milieux poreux colonisés par des populations bactériennes se développant sous forme de biofilms est un domaine de recherche important pour un certain nombre d'applications environnementales, comme par exemple pour les méthodes de bioremédiation des sols et des eaux contaminés par des polluants organiques (biosparging, bio-barrières ...). Les biofilms, qui sont composés principalement de bactéries et de substances polymériques extracellulaires, peuvent se développer sur les parois de grains d'un milieu poreux. Le métabolisme bactérien dégrade les solutés organiques et contribue ainsi à la diminution de la contamination. Le transport bio-réactif de composés organiques dans un milieu poreux incluant un biofilm est un problème fortement multi-échelle (depuis l'échelle de la bactérie jusqu'à l'échelle de l'aquifère) et fortement couplé (avec des phénomènes hydrodynamiques, physico-chimiques et biochimiques). Le soluté organique est transporté par convection et diffusion dans la phase fluide et diffuse dans la phase biofilm, où il est dégradé par le métabolisme bactérien. Le but de ce travail est de développer des modèles de transport bio-réactif définis à l'échelle de Darcy à partir des données disponibles à l'échelle du pore, en adoptant la méthode de changement d'échelle dite de prise de moyenne volumique. Dans le cas général, une telle approche conduit à un modèle macroscopique de transport à deux équations couplées (une équation par phase de transport). En considérant les relations entre les concentrations moyennées dans chaque phase, plusieurs régimes de transport permettant de dégénérer ce modèle en modèle à une seule équation peuvent être identifiés. L'hypothèse d'équilibre de masse local conduit à un tel modèle simplifié. En condition de non-équilibre, deux cas limites permettent également de développer des modèles de transport à une équation : le cas où le taux de biodégradation est contrôlé par le transfert de masse externe et le cas ou il est contrôlé par la cinétique de réaction. L'utilisation de ces quatre modèles implique la résolution numérique de problèmes de fermeture, afin d'évaluer les paramètres macroscopiques de transports (tenseur de dispersion, taux de dégradation ...). Des calculs de coefficients effectifs ont été effectués dans différentes conditions de transport afin d'étudier leur comportement. Les résultats de ces modèles ont été comparés avec ceux obtenus par simulations directe à l'échelle microscopique pour une géométrie de pore bidimensionnelle stratifiée. À partir de ces comparaisons, les domaines de validité de chaque modèle ont été identifiés en termes de conditions hydrodynamique et biochimique de transport. (i.e. le nombre de Péclet et le nombre de Damköhler). Le développement d'un modèle expérimental de transport en milieux poreux incluant un biofilm a également été entamé, afin d'une part d'effectuer une validation expérimentale des modèles numériques préalablement développés et d'autre part de fournir un outil supplémentaire pour l'étude des phénomènes considérés.
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La contamination des ressources en eaux souterraines par une phase organique non miscible à l'eau couramment appelée NAPL (Non Aqueous Phase Liquid) constitue aujourd'hui un défi scientifique majeur compte tenu de la durée de vie d'un tel polluant. Bien que l'activité bactérienne (généralement présente sous forme de biofilm) joue un rôle crucial dans le devenir à long terme de ces effluents, peu d'études existent à l'heure actuelle sur son impact dans des conditions multiphasiques (i.e., à proximité de la source). En effet, dans la zone saturée, sous l'action des forces capillaires, le NAPL se retrouve souvent piégé, en effet, sous forme de «gouttelettes» au niveau des pores. Ce comportement spécifique au polluant modifie la dynamique du système biofilm/milieu poreux saturé et d'importantes questions restent encore ouvertes : accessibilité du polluant, modification de la tension interfaciale, production de biosurfactant, effet de toxicité (inhibition de la croissance bactérienne). Pour tenter de répondre à ces questions, nous avons adopté une approche aussi bien théorique qu'expérimentale. L'approche théorique porte sur le développement d'un modèle macroscopique décrivant le transport multiphasique en milieu poreux pour un système eau/NAPL/biofilm. Elle repose sur la méthode de prise de moyenne volumique, appliqué aux équations décrivant le couplage écoulement/transport à l'échelle du pore, permettant d'effectuer le changement d'échelle et dériver un modèle à deux équations. Le modèle est établit sous les hypothèses d'équilibre de masse local à l'interface fluide/biofilm et les contraintes associées à ces hypothèses ont étés définies. L'influence des caractéristiques microscopiques (arrangement des grains, fraction volumique du biofilm, distribution des blobs de NAPL, mouillabilité) sur les propriétés effectives du milieu (coefficient de dispersion, coefficient d'échange de masse) est discutée au travers des résultats issus des simulations. Ensuite, le modèle macroscopique a été comparé avec succès à la simulation numérique direct à l'échelle du pore pour la géométrie 2D complexe considérée. Quant à l'approche expérimentale, elle consiste à étudier le transport et la biodégradation du toluène en présence des bactéries Pseudomonas Putida F1 à l'aide d'un milieu poreux transparent 2D (micromodèle). Premièrement, nous avons étudié la dissolution du toluène résiduel sans bactéries et des courbes de dissolution du toluène ont été obtenues. Les résultats de dissolution du toluène en condition abiotique ont été comparés avec succès aux résultats du modèle théorique. Ensuite, l'étude expérimentale en micromodèle a porté sur la dissolution du toluène en condition biotique. Les résultats de ces études (courbes de dissolution et évolution de la saturation résiduelle) ont montré un impact significatif de la présence des bactéries sur les processus de dissolution par comparaison au cas abiotique.
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L’objectif principal de ce travail est le développement d’un modèle numérique qui permet de simuler le transport de masse dans les milieux poreux homogènes et hétérogènes. Cet outil numérique sera à terme un moyen de prédiction de la progression d’une pollution dans un sol et d’évaluation des risques de contamination des nappes phréatiques. Le modèle est basé sur l’équation de convection-dispersion avec une cinétique de dépôt/relargage de premier ordre. La résolution de cette équation en 1D et 2D est basée sur une méthode Lagrangienne, appelée méthode particulaire, qui utilise la technique de vitesse de dispersion. Les conditions aux limites (entrée du domaine) sont traitées avec une technique de particules images. La variation de porosité dans le milieu poreux due à la rétention et au détachement des particules est évaluée à partir de la relation de Kozeny-Carman. L’étude de sensibilité du modèle, effectuée dans différentes configurations lorsque les solutions analytiques sont fournies, montre une précision suffisante pour un choix adéquat de paramètres numériques. La validation du code de calcul est obtenue par l’ajustement d’essais de traçage en colonnes de laboratoire dans des conditions d’écoulement à débit constant ou à charge constante. Dans ce dernier cas, un couplage entre l’équation de transport et celle de l’écoulement (Equation de Darcy) est réalisé. La résolution de l’équation de l’écoulement est effectuée à l’aide d’un schéma numérique en différences finies sur une grille fixe. L’équation de transport est d’abord résolue pour calculer la concentration sur les particules, puis à l’aide d’un schéma séquentiel non itératif, on résout l’équation de l’écoulement pour évaluer la charge hydraulique et la vitesse sur les nœuds de la grille. Les échanges entre la grille et les particules sont assurés au moyen de fonctions d’interpolation. La simulation d’essais en injection instantanée ou continue a montré un bon ajustement entre les courbes de restitution calculées et mesurées, et notamment les essais où le dépôt et le relargage agissent simultanément. Les profils de porosité obtenus le long de la colonne, montrent une diminution de la porosité à l’entrée de la colonne, et qui est plus marquée dans le cas d’un écoulement à charge constante. Le modèle numérique est adapté à la simulation de l’érosion (suffusion) d’un sol en considérant uniquement le relargage, et l’ajustement d’essais d’érosion totale au laboratoire a montré un bon accord. Afin de simuler le transport de soluté dissous dans deux milieux homogène et hétérogène supposé infinis, la cinétique de dépôt/relargage est remplacée par un partage non linéaire de Freundlich. Pour tenir compte des hétérogénéités du champ de perméabilité aléatoire qui engendre des vitesses d’écoulement préférentielles, plusieurs simulations dite monte Carlo sont réalisées et montrent que la vitesse de dispersion offre une alternative intéressante (convergence plus rapide). Les résultats obtenus sont en accord avec les résultats de la littérature. Cette étude numérique a permis la mise en œuvre de la méthode particulaire pour simuler le transport, dépôt et relargage dans un milieu poreux fini. Néanmoins, le modèle de dépôt /relargage de premier ordre adopté peut être amélioré afin de prendre en compte le couplage entre les deux processus et notamment le seuil de détachement des particules.
Author: Albert Jacobs Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages :
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L’étude du transport bactérien en milieux poreux est un enjeu important pour la protection des nappes phréatiques contre des contaminations microbiologiques. La pratique d’épandage des effluents des stations d’épuration est une source de bactéries pathogènes dont le déplacement dans le sol constitue un risque pour la santé publique. Le transport d’une bactérie dans un milieu poreux résulte d’une compétition entre processus de déplacement, d’adhésion et de blocage. Des expériences avec une large gamme de bactéries aux propriétés de surface différentes (composantes de la tension de surface et charges) ont été réalisées pour essayer de relier ces propriétés à leur rétention en milieu poreux. Les résultats montrent que les cinétiques de rétention sont corrélées aux interactions électrostatiques mais qu’il ne semble pas y avoir de corrélation entre l’énergie libre totale d’interaction et la quantité de bactéries retenues. L’observation in situ par microscopie confocale du déplacement de cellules d’Escherichia coli a mis en évidence le coinçage des cellules bactériennes par des rugosités de surface et les zones de contact entre grains d’un milieu poreux. Ces résultats confirment l’existence de possibilités de rétention en milieux poreux même en présence de conditions défavorables (énergie libre totale d’interaction positive). Des expériences de transport avec Escherichia coli conduites dans des milieux poreux se différentiant par leur porosité et physico-chimie ont été utilisées pour évaluer le poids respectif des phénomènes de transport et d’adhésion dans la migration de cellules et pour tester un modèle de transport. La restitution des courbes d’élution observées a requis la prise en compte de deux types de détachements des cellules retenues. Les cellules retenues par les interactions de faibles intensités (Lifshitz-van der Waals) peuvent se décrocher sous l’effet des forces hydrodynamiques ou par des répulsions électrostatiques dont la portée et l’intensité augmentent lorsque la force ionique de la solution diminue. Les cellules fortement retenues peuvent aussi se détacher mais à un rythme lent et donnent lieu à de longues traînées. Les résultats ont montré que dans les milieux homogènes le transport bactérien est principalement gouverné par les interactions électrostatiques, alors que dans des milieux présentant une porosité plus compliquée, le transport est moins dépendant des interactions électrostatiques, voire très peu influencé par celles-ci. L’étude du transport, dans un sable et dans un sol, d’une communauté bactérienne issue d’une boue de station d’épuration a montré les points suivants : i/ une forte réduction de la diversité microbienne et de la concentration bactérienne ; ii/ parmi les espèces transportées se trouvaient des coliformes fécaux ; iii/ les bactéries ayant traversé les colonnes sont chargées négativement. Ces résultats confirment le rôle important des interactions électrostatiques sur la migration de bactéries en milieux poreux
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CE TRAVAIL PORTE SUR LA SIMULATION NUMERIQUE DE SYSTEMES REACTIFS AVEC TRANSITION DE PHASE LIQUIDE-VAPEUR DANS DES MILIEUX POREUX. LES METHODES POUR LA RECONSTRUCTION ET LA CARACTERISATION DE MILIEUX POREUX SONT D'ABORD INTRODUITES. UNE METHODE NUMERIQUE POUR LA SIMULATION DE LA PROPAGATION D'INTERFACES LIBRES DANS UN MILIEU POREUX EST ENSUITE PRESENTEE. TROIS APPLICATIONS PRINCIPALES SONT CONSIDEREES : LA SIMULATION DE LA CONDENSATION CAPILLAIRE DANS UN MILIEU POREUX, LA MODELISATION DE LA CROISSANCE DES BULLES DE GAZ DANS DES PARTICULES POREUSES SATUREES PAR UN LIQUIDE, ET LE MOUILLAGE INTERNE D'UNE PARTICULE POREUSE QUI SERT DE SUPPORT A UN CATALYSEUR. ENSUITE, LE PROBLEME DE LA CONCEPTION OPTIMALE D'UN RESEAU DE CANAUX CONTENANT DES SEGMENTS FONCTIONNELS - POUR EFFECTUER SIMULTANEMENT LA REACTION CHIMIQUE ET LA SEPARATION DE PRODUITS - EST CONSIDERE. QUELQUES REMARQUES CONCERNANT L'AVENIR DE LA MODELISATION MESOSCOPIQUE EN GENIE CHIMIQUE TERMINENT CE TRAVAIL.
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LA MODELISATION DES TRANSFERTS ENERGETIQUES DANS LES MILIEUX POREUX EST DELICATE, NOTAMMENT LORSQUE L'ECOULEMENT EST COMPRESSIBLE. CECI EST PRINCIPALEMENT DU A LA CONNAISSANCE IMPARFAITE DES TERMES DE COMPRESSIBILITE ET DE DISSIPATION VISQUEUSE DANS UN TEL ENVIRONNEMENT. L'OBJECTIF DE CETTE ETUDE EST DONC LA DETERMINATION QUALITATIVE ET QUANTITATIVE DE CES TERMES SOURCES PAR UNE METHODE NUMERIQUE. LE PREMIER CHAPITRE EST CONSACRE A L'ETABLISSEMENT DU SYSTEME D'EQUATIONS NECESSAIRES A NOTRE ETUDE. NOUS DECRIVONS ENSUITE LA DEMARCHE ADOPTEE POUR RESOUDRE CET ENSEMBLE D'EQUATIONS DANS LE CAS D'UN ECOULEMENT COMPRESSIBLE LAMINAIRE SUBSONIQUE. NOTRE ALGORITHME EST VALIDE DANS LE CHAPITRE SUIVANT AU MOYEN DE QUATRE PROBLEMES DE MECANIQUE DES FLUIDES. NOUS ABORDONS ALORS L'ETUDE D'UN MILIEU POREUX MODELE TRAVERSE PAR DU DIOXYDE DE CARBONE. LES RESULTATS OBTENUS SONT ANALYSES ET NOUS PROPOSONS FINALEMENT DEUX EQUATIONS POUR MODELISER LES TERMES SOURCES EVOQUES CI-DESSUS.
Author: Marbe Benioug
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