Le méthane (CH4 ) peut être oxydé en dioxyde de carbone (CO2 ) par les bactéries méthanotrophes présentes dans les recouvrements des sites d'enfouissement, en présence de l'oxygène. Il est possible de développer un recouvrement qui favorise la croissance des bactéries qui oxydent le méthane. On parle alors de biorecouvrement d'oxydation passive du méthane (BOPM). La mise en place d'un BOPM permet de réduire les émissions de CH 4 pendant et après la période de récupération active, où il n'est plus économiquement viable d'extraire le biogaz. Plus spécifiquement, le présent mémoire traite des essais d'oxydation en colonnes simulant un biorecouvrement d'un site d'enfouissement. Les taux d'oxydation ont été obtenus en faisant varier les substrats, les épaisseurs et les degrés de saturation de ceux-ci. Les sols utilisés provenaient des 2 BOPM construits sur le site d'enfouissement de Saint-Nicéphore (Québec, Canada). De plus, un sol contaminé a été testé. Les taux d'oxydation maximaux des essais de colonne ont varié entre 49 et 141 g CH 4 /m2 /j, représentant des efficacités variant entre 81 et 90 %. Les facteurs les plus susceptibles de faire varier le taux d'oxydation sont : le pas d'augmentation de l'alimentation en CH4 , l'épaisseur du substrat et le degré de saturation en eau. Des essais de respiration ont été réalisés et une méthode a été développée pour calculer les efficacités d'oxydation du CH4 en profil en prenant en compte la respiration. Des essais de caractérisation initiaux et finaux sur les substrats ont été faits pour évaluer les changements du pH, de la teneur en matière organique et du degré de saturation. La saturation est le seul paramètre qui a présenté une différence significative entre le début et la fin des essais d'oxydation. Une comparaison a été réalisée entre les taux d'oxydation du laboratoire et le taux au terrain. Pour le substrat du BOPM 3B, les taux au laboratoire ont été plus élevés, par contre, pour le substrat du BOPM 2 les taux au terrain ont été supérieurs grâce à la présence de végétation indigène.

Résumé : Les biosystèmes d’oxydation passive du CH[indice inférieur 4] constituent une alternative techniquement et économiquement viable pour la réduction des émissions fugitives de CH[indice inférieur 4] dans l’atmosphère par les sites d’enfouissement. Directement intégrés au recouvrement final, ils sont constitués d’une succession de couche de matériaux au sein desquelles se développent les bactéries méthanotrophes capable d’oxyder le CH[indice inférieur 4] en CO[indice inférieur 2] de façon passive, en présence de l’oxygène moléculaire. La capacité des BOPMs à réduire les émissions de CH[indice inférieur 4] a été associée à plusieurs paramètres météorologiques et environnementaux, entre autres la végétation. L’objectif de ce projet est de déterminer l’effet de la végétation dans l’oxydation du CH[indice inférieur 4] par les biosystèmes. Pour atteindre cet objectif, des études de l’efficacité d’oxydation du CH[indice inférieur 4] dans des bacs pourvus de végétation, dans des conditions contrôlées de laboratoire et partiellement contrôlées de terrain, suivie d’une étude de la cinétique d’oxydation des sols de rhizosphère pré-conditionnés au CH[indice inférieur 4], ont été effectuées. Quatre bacs ont été testés, comprenant : le trèfle blanc (Trifolium repens L.), la fléole des prés (Phleum pratense L.), un mélange des deux espèces végétales (mélange) et le sol nu (dépourvu de végétation). Les résultats des bacs d’oxydation ont montré que, jusqu’à un débit de 100 g CH[indice inférieur 4]/m[indice supérieur 2]/jr, les espèces végétales n’avaient pas d’influence sur les résultats, et les efficacités d’oxydation étaient de l’ordre de ~100%. Au-delà de cette valeur, les efficacités étaient toujours élevées, et une différence statistiquement significative a été observée entre les espèces végétales. Le sol nu était le plus efficace, tandis que le mélange et le trèfle étaient les moins efficaces au laboratoire et sur le terrain respectivement. Néanmoins, les différences d’efficacités entre les bacs n’étaient pas très grandes et les taux d’oxydation dans les bacs n’ont pas cessé de croitre tout au long des essais, suggérant que la capacité d’oxydation maximale des bacs n’a pas été atteinte. L’étude de la cinétique d’oxydation a également montré que la végétation n’avait pas d’effet significatif sur les taux d’oxydation. Ces observations ne corroborent pas ce qui est rapporté dans la littérature concernant l’effet positif de la végétation. Néanmoins, les conclusions de cette étude ont été en adéquation par l’analyse des profils d’efficacité, de la biomasse racinaire et des caractéristiques physico-chimiques des sols du BOPM. Par ailleurs, un effet significatif de la végétation sur le degré de saturation en eau dans les BOPMs a également été observé. Cette dernière observation a été associée au mécanisme de régulation de la teneur en eau par les racines des plantes. Les principales limitations de cette étude concernaient la durée des essais et le nombre d’espèces végétales. En résumé, pour les espèces végétales testées, il a été démontré que la végétation ne constitue pas un facteur clé stimulant l’oxydation du CH[indice inférieur 4] dans les BOPMs. De plus, l’étude de la cinétique d’oxydation a montré que de meilleur taux d’oxydation étaient obtenus dans un sol de rhizosphère modérément pré-exposé au CH[indice inférieur 4] comparativement à un sol sans végétation, ou à une rhizosphère non pré-exposée ou très pré-exposée au CH[indice inférieur 4]. / Abstract : The passive CH[subscript 4] oxidation Biosystems are a cost-effective technology for the reduction of landfills fugitive CH[subscript 4] emissions in the atmosphere. As part of the final cover, they are made up of a sequence of soil layers capable to develop methanotrophic bacteria for passive CH[subscript 4] oxidation into CO[subscript 2], in the presence of molecular oxygen. The ability of biosystems to reduce CH[subscript 4] emissions was related to several meteorological and environmental parameters, including vegetation. The main objective of this project is to determine the effect of vegetation on CH[subscript 4] oxidation by biosystems. Studies of the CH[subscript 4] oxidation efficiencies of vegetated column under controlled conditions prevailing in the laboratory and under the partially controlled conditions in the field, followed by the study of the CH[subscript 4] oxidation kinetics of the preconditioned rhizospheric soil, were carried out. Four columns were tested, including: white clover (Trifolium repens L.), timothy grass (Phleum pratense L.), a mixture of both (mixture) and bare soil (control biosystem). The results of the column study showed that up to a loading of 100 g CH[subscript 4]/m[superscript 2]/d, plant species did not influence the results, and the CH[subscript 4] oxidation efficiencies were in the vicinity of ~ 100%. Beyond this value, the efficiencies were still high, and a statistically significant difference was observed between plant species. Bare soil was the most efficient while the mixture and white clover were the least in the laboratory and the field respectively. However, differences in efficiencies between the columns were not high and the oxidation rates continued to increase throughout the test, suggesting that the maximum oxidation capacity of the biosystems tested may have never been fully attained. The kinetics study also showed that vegetation did not have significant effect on CH[subscript 4] oxidation rate. These observations do not corroborate what is reported in technical literature on the positive effect of vegetation. Nevertheless, the findings of this study were adequacy with the analysis of the profiles of efficiencies, root biomass and physico-chemical characteristics of soils. Moreover, a significant effect of vegetation on the degree of water saturation in Biosystems was also observed. The latter was associated with the mechanism of water content regulation through plant roots. The main limitations of this study concerned the duration of the tests and the number of plant species. In summary, for the plant species studied herein, it was shown that the vegetation is not a key factor for enhancing CH[subscript 4] oxidation in biosystems. Moreover, the study of the kinetics of CH[subscript 4] oxidation showed that better oxidation rate were obtained in a moderately pre-exposed rhizospheric soil compared to bare soils, to never before pre-exposed or very pre-exposed rhizospheric soils to CH[subscript 4].

Le méthane est un gaz à effet de serre et ses principales sources d’émissions anthropiques sont les sites d’enfouissement (décomposition anaérobique de déchets) et l’élevage de bovins laitiers (fermentation entérique des ruminants). Il a été démontré que le biorecouvrement d’oxydation passive de méthane (BPOM) dans les sites d’enfouissement est une technologie techniquement et économiquement viable pour la diminution des émissions fugitives du méthane. Ce recouvrement favorise le développement et la croissance des micro-organismes (bactéries méthanotrophes). La biofiltration est une technologie qui aide à la dégradation aérobie du méthane. Pendant ce processus, la pollution de l’air passe à travers les macropores de matériau filtrant, dans notre cas le mélange de compost et de la paille. Ce mélange de matériaux a été choisi par diverses recherches dans le groupe de géo-environnement. Ces matériaux ont bien répondu au développement et à la croissance d’organismes méthanotrophes responsables de l’oxydation du CH4. C’est pour cette raison que ces systèmes sont exploités dans les sites d’enfouissement et dans le secteur de l’agriculture, car ils aident à contrôler les émissions fugitives de CH4 dans l’atmosphère. Les objectifs généraux de ce projet sont de comparer l’effet relatif d’un conditionnement à un débit de méthane en fonction d’un conditionnement à un type de racines sur le potentiel d’oxydation du méthane, de déterminer l’influence de la variation de la température dans les biofiltres et, au final, d’étudier le potentiel d’oxydation du méthane dans la rhizosphère de diverses plantes dans différents types du sol. Les quatre essais de laboratoire à l’échelle seront : les trois essais d’oxydation du méthane dans les pots Masson, l’acclimatation dans des seaux et des essais d’oxydation du CH4 en colonnes avec les systèmes de refroidissement. Les résultats ont montré que même s’il existe une différence moyenne de la consommation de CH4 pour le sol rhizosphérique qui a été modérément pré-exposé, aucune différence statistiquement significative n'a été trouvée dans les paramètres cinétiques de l'oxydation du CH4 (temps de latence et demi-vie) de tous les sols rhizosphériques, ce qui suggère que l'oxydation du méthane ne dépend pas des espèces de plantes ou des niveaux de préexposition au CH4, pour les sols et les plantes testés ici. Les valeurs de taux d'oxydation obtenues étaient plus élevées que celles rapportées dans la littérature révisée pour les sols de couverture des sites d'enfouissement. Les études scientifiques de terrain de biofiltration ont montré que la température interne des biofiltres est plus stable et supérieure à la température ambiante. Nos résultats de laboratoire de 15°C internes (qui équivaut à -30°C température ambiante) nous permettent de soupçonner une efficacité de 70% en conditions hivernales pour les fermes laitières. Les efficacités peuvent s’améliorer jusqu’à 90% en conditions estivales.

Ce travail porte sur l’étude de systèmes catalytiques innovants par la technique d’échange isotopique (EI) permettant d’apprécier des propriétés fondamentales (activation des molécules en surface, mobilité et réactivité des atomes de réseau) pour comprendre les mécanismes de réaction mis en jeu en catalyse hétérogène et développer des systèmes plus performants. Aussi, l’identification d’espèces adsorbées intermédiaires est possible en couplant la spectrométrie de masse (analyse de la phase gaz) à l’observation de la surface catalytique par spectroscopie DRIFT.L’EI 16O/18O montre des effets de dispersion ou de synergie de LaMnO3 (LM) supportée sur YSZ ou TiO2 expliquant les performances de cette structure pérovskite pour l’oxydation catalytique de C7H8 via un mécanisme suprafacial. L’activité en EI C16O2/C18O2 démontre la mobilité exceptionnelle des atomes O de réseau de YSZ dès 150 °C via la formation d’espèces (hydrogéno)carbonates en surface. En catalyse d’oxydation, à T < 800 °C, cette mobilité est pourtant limitée par l’activation d’O2 à la surface de YSZ. La solution proposée ici est la génération préalable d’une espèce oxygène réactive sur un lit de matériau réductible type LM. Le double-lit LM-YSZ montre d’excellentes performances pour abaisser la température d’oxydation de CH4 à 425 °C via un mécanisme Mars van Krevelen (MvK) où les atomes O de YSZ participent à la réaction par l’intermédiaire d’espèces formiates.L’EI 14N/15N est également utilisé dans ce travail pour analyser la réactivité des atomes N de réseau dans les nitrures métalliques. En particulier, Co3Mo3N et Ni2Mo3N montrent des propriétés remarquables, dépendant de la méthode de préparation ou du prétraitement appliqué. Leur comportement suggère la participation des atomes N dans la réaction de synthèse de NH3 sur le principe d’un mécanisme MvK. / This work concerns the study of new catalytic systems by isotopic exchange (IE) technique allowing to appreciate basic properties (molecules surface activation, mobility and reactivity of lattice atoms) to better understand catalytic mechanisms and to develop efficient catalysts. The identification of intermediate adsorbed species is possible by coupling mass spectrometry (gas-phase analysis) with the catalytic surface analysis by DRIFT spectroscopy.IE 16O/18O shows dispersal and synergetic effect of supported LaMnO3 perovskite (LM) on YSZ or TiO2 which explain catalytic performances of this perovskite structure for toluene oxidation via a suprafacial mechanism. IE C16O2/C18O2 activity demonstrates the remarkable lattice O atoms mobility of YSZ from 150 °C via adsorbed (hydrogeno)carbonates. To the contrary, in oxidation catalysis, under 800 °C, this mobility is very limited by O2 activation on YSZ surface. The solution proposed in this work is the previous generation of reactive oxygen species on a first catalytic bed of reducible material as LM. LM+YSZ dual-bed shows very efficient activity to reduce methane oxidation temperature at 425 °C via a Mars-van Krevelen (MvK) mechanism in which lattice O atoms of YSZ take part in the reaction by intermediate formate species.IE 14N/15N is thereafter used to analyse lattice N atoms reactivity of metal nitrides materials. In particular, Co3Mo3N and Ni2Mo3N show interesting properties depending on preparation or pre-treatement routes. This behaviour supposes that ammonia synthesis reaction could be procced via MvK type mechanism with the participation of lattice N of this nitrides.