Th. 3e cycle--Ingénierie de l'antipollution--Toulouse--I.N.S.A., 1983. N°: 27.

.Le transport de soluté en présence de biofilms en milieux poreux est un problème rencontré dans de nombreuses applications industrielles (biofiltration des eaux usées et traitement de polluants atmosphériques notamment). En termes de modélisation, l'interaction entre biologie, hydrodynamique et chimie reste difficile à comprendre aux échelles les plus fines: cela a conduit à une large utilisation de modèles macroscopiques, plus simple à manipuler. Cependant, la question consiste à écrire des modèles macroscopiques suffisamment complexes pour prendre en compte les processus pertinents représentant le couplage entre développement de la biomasse et fonctionnement du système, mais suffisamment simple pour une utilisation opérationnelle. Cette thèse s’est focalisée sur certains processus qui régissent le comportement macroscopique de tels systèmes. Nous avons étudié la modélisation de la réduction de la perméabilité induite par le développement du biofilm. Un modèle incorporant deux processus caractéristiques du colmatage (réduction de la taille pores et formation de « plugs ») a été développé. Ce modèle a été évalué pour une large gamme de données expérimentales. Une autre partie porte sur les processus d’adhésion initiale de la biomasse, processus important pour caractériser l’état initial du système. Sous l’hypothèse que les cellules bactériennes peuvent être traitées comme des colloïdes non rigides, une nouvelle corrélation a été développée pour estimer l’efficacité d’attachement des bactéries. Cette corrélation est basée sur l'analyse d'un large éventail de données expérimentales pour des conditions variées en termes d'électrolyte, débit et géométrie des milieux poreux, et introduit de nouveaux paramètres adimensionnels pour représenter les effets couplés des forces de Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek (DLVO), des forces hydrodynamiques et prendre en compte la géométrie des milieux poreux. Ces processus ont été introduits dans un modèle 1D développé pour la simulation numérique du transport de soluté en présence de biofilm dans un milieu poreux. Une autre question importante dans ce modèle était de représenter correctement le processus détachement de biofilm. Un autre trait distinctif de notre modèle est une tentative de rendre compte du processus de «sloughing» dans la modélisation du détachement de biofilm. Le « sloughing » est un processus différent de l'érosion, phénomène continu, et qui correspond à une élimination discrète d'une grande fraction de biofilm.Dans cette étude, le phénomène de « sloughing » a été incorporé séparément etodélisé comme un processus stochastique. Des simulations numériques ont été effectuées en utilisant OpenFoam pour implémenter le modèle. Des simulations avec et sans le terme de « sloughing » ont été effectuées et discutées dans le cadre des données de la littérature disponibles. / Solute transport coupled with biofilm growth in porous media is encountered in many engineered applications, for instance biofiltration of wastewater and air pollutant treatment. In terms of modelling, the interaction between biology, hydrodynamic and chemistry are still difficult to understand at the fine scale: that led to a wide dissemination of macroscopic model, simpler to handle. However, one issue consists in providing a macroscopic model complex enough to take into account the relevant processes accounting for the coupling between the biomass development and system functioning, but simple enough for operational use. This thesis focused on few selected processes that influence the macroscopic behavior of such system. First, we investigated the permeability reduction modeling accounting for biofilm development. A model including two features that result in permeability reduction (pore radius reduction and pore plugging) was developed. This model was assessed in a wide range of experimental data. Another part of the thesis focused on the initial biomass attachment that is an important feature to characterize the system initial state. Following the concept that bacterial cell can be treated as soft colloids, a new correlation equation was developed to estimate the bacteria attachment efficiency. This correlation is based on the regression analysis of a wide range of experimental data of colloid deposition in various electrolyte conditions, flowrates and geometries of porous media. New dimensionless parameters have been introduced to represent the coupled effects of Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek (DLVO) forces, hydrodynamic forces and to account for geometry of porous media. These features were introduced in a 1D dimensional model that have been developed for the numerical simulation of solute transport coupled with biofilm growth. An important issue in this model was to properly represent biofilm detachment. Another distinctive feature of our model is an attempt to account for the “sloughing” process in modeling biofilm detachment. Sloughing is a different process than erosion which corresponds to a discrete removal of large fraction of biofilm. In this study, biofilm sloughing has been separately accounted in the numerical modeling porous media bioclogging. Biofilm sloughing was considered as a stochastic process and quantified by random generator. So this discrete events could be incorporated into other continuous processes to determine the biomass transfer from biofilm to the liquid phase. Numerical simulations have been performed using OpenFoam to implement the model. Simulation with and without the sloughing term were performed and discussed in the frame of available literature data

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La pollution odorante est une problématique majeure, deuxième source de plaintes après le bruit. La réduction des émissions d'odeurs est incontournable, contraignant le plus souvent les industriels à la mise en œuvre d'un procédé de traitement performant et économiquement acceptable. Parmi les techniques disponibles, les procédés biologiques en général et la biofiltration en particulier sont les plus utilisés à l'échelle industrielle. Les performances de ce procédé sont étroitement liées aux paramètres opératoires. Le matériau support apparaît comme un élément clé. Du fait des critères qu'il doit satisfaire, son choix est difficile et reste encore empirique. Ces travaux de thèse visent par conséquent à rationaliser le choix d'un matériau en s'intéressant plus particulièrement à la relation entre les caractéristiques physico-chimiques et hydrodynamiques du matériau support et les composantes macroscopique et microscopique du procédé. Trois matériaux modèles ont été sélectionnés : deux granulaires et un fibreux différant par leur propriétés physico-chimiques et hydrodynamiques. Les travaux ont été menés sur des unités pilote alimentées par un effluent gazeux contenant un mélange de trois composants volatils différant par leur solubilité et leur biodégradabilité. Si une influence des caractéristiques physico-chimiques du matériau a bien été observée, il n'a pas été possible de mettre en évidence un effet des propriétés hydrodynamiques. Concernant la composante microbiologique, le niveau de diversité global est similaire, quel que soit le matériau considéré. L'analyse de la structure de la communauté bactérienne totale met en évidence trois communautés distinctes, chacune étant associée à un matériau support. Il est fort probable que la communauté endogène participe largement à l‘établissement de ces communautés, rendant ainsi plus difficile de répondre aux questions posées. La communauté bactérienne totale ne semble donc pas être un indicateur adapté. Par le suivi de la communauté fonctionnelle, des réponses plus précises pourraient être apportées. Par conséquent, la recherche de niches écologiques spécifiques à la dégradation biologique d'un composé soufré (DMS) a fait l'objet d'une attention particulière dans le cadre de cette thèse. / Odour nuisance is a major issue, second cause of complaints after noise. Reduction of odor emissions is essential, binding the industry to implement a process for an economically acceptable treatment in terms of reduction of odours. Among the available techniques, biological ones and particularly biofiltration are the most used on industrial scale. The performances of this process are closely related to operating conditions. Packing material appears as a key factor, its choice is difficult and remains empirical because of the multiple criteriait must satisfy. This thesis work aimed to streamline the selection of a material with a focus on the relationship between physico-chemical and hydrodynamic caracteristics of the packing material and macroscopic and microscopic components of this process. Three materials were selected as models: two granulars and one fibrous differing in their physico-chemical and hydrodynamic caracteristics. The work was carried out on pilot units fed by an effluent gas containing a mixture of three volatile components differing in their solubility and biodegradability. The influence of physico-chemical characteristics of the packing material on the performances seems to be confirmed. However, the impact of the hydrodynamic characteristics of the material on these criteria has not been demonstrated. Regarding the microbiological component, the overall level of diversity is similar, regardless of the material considered. Analysis of the structure of the total bacterial community reveals the existence of three distinct communities, each associated with a carrier material. It is likely that the endogenous community participates largely to the establishment of these communities, making it difficult to give appropriate answers to the questions adressed. The total bacterial community does not seem to be a suitable indicator. By monitoring the functional community, more precise answers could be given. Therefore, the research for specific ecological niches in the biological degradation of a sulfur compound (DMS) has been the subject of special attention in the context of this thesis.