Séminaire des Doctorants «Ecotechnologies» de l ARC ENVIRONNEMENT RHONE-ALPES STIMULATION et MAÎTRISE ÉLECTROCHIMIQUE DE LA BIOREMÉDIATION DES EAUX Doctorant Lucas JOBIN Thèse financée par Région Rhône-Alpes Projet ANR OH RISQUE 2014 Directeur de Thèse : Ph. Namour ISA/Irstea Co-Dir: P. Breil Irstea. 1
PLAN SOMMAIRE I Contexte du projet I La Bioremédiation naturelle ou Auto-épuration II L auto-épuration naturelle en rivière Fonction III La pile à combustible microbienne sédimentaire Limites Problématique du sujet Réglementation environnementales IV La démarche expérimentale V Conclusion II L Electro-bioremédiation ou Auto-épuration contrôlée Enjeux politico-économiques Enjeux techniques Réponse technique du sujet 2 2
Cadre réglementaire autour de l Environnement EU : ETAT des EAUX DE SURFACE Directive cadre sur l eau 2000/60/CE du Parlement Européen et du Conseil du 23 octobre 2000 EMISSION DE GES Stratégie Europe 2020 FR : loi n 2006-1772 sur l eau et les milieux aquatiques du 30 décembre 2006 : LEMA OBJECTIFS Garantir leur bon état écologique et chimique Réduction de GES 20% rapport aux émissions de 1990 2015 2020 3 3
Motivation du sujet de thèse QUALITÉ DES MILIEUX AQUATIQUES Garantir leur bons états écologique et chimique GAZ àeffet de SERRE Réduction de GES 20% rapport aux émissions de 1990 SANTÉ Réduction des gaz nocifs pour la santé ENERGIE STIMULATION et MAITRISE ELECTROCHIMIQUE DE LA BIOREMEDIATION DES EAUX 4 4
PLAN SOMMAIRE I Contexte du projet I La Bioremédiation naturelle ou Auto-épuration II L auto-épuration naturelle en rivière Fonction III La pile à combustible microbienne sédimentaire Limites Problématique du sujet Réglementation environnementales IV La démarche expérimentale V Conclusion II L Electro-bioremédiation ou Auto-épuration contrôlée Enjeux politico-économiques Enjeux techniques Réponse technique du sujet 5 2
L Environnement sujet à l auto-épuration La Zone hyporhéique Flux de matières dissoutes et particulaires Accumulation de polluants organiques et minéraux Gradients physico-chimiques forts (T C, ph, O 2 dissous, intensité lumineuse, Concentrations en polluants ) 6 6
Principe de l auto-épuration en milieu poreux Les Réacteurs biogéochimiques Cycles biogéochimiques des éléments C, N, Fe, Mn, S Développement de communautés bactériennes riches et variées Présence de «hot-spot» : siège d activités métaboliques intenses Répartition des «hot-spot» suivant les gradients physico-chimiques 7 7
Rôle des bactéries dans l auto-épuration Energie GES N 2 0 CH 4 H 2 S E oxydation(mv) E réduction (mv) NO 3 - CO 2 SO 4 2- Respirations chez les Bactéries Donneur initial Accepteur terminal Aérobies Chimio-organotrophes Anaérobies Chimio-organotrophes Organique (AGV) O 2 Organique (AGV) Fe 3+, NO 3-, SO 4 2-, MnO 2, CO 2 Aérobies Chimiolithotrophes Minéral O 2 Anaérobies Chimiolithotrophes Minéral NO 3-, SO 2 4 8 8
PLAN SOMMAIRE I Contexte du projet I La Bioremédiation naturelle ou Auto-épuration II L auto-épuration naturelle en rivière Fonction III La pile à combustible microbienne sédimentaire Limites Problématique du sujet Réglementation environnementales IV La démarche expérimentale V Conclusion II L Electro-bioremédiation ou Auto-épuration contrôlée Enjeux politico-économiques Enjeux techniques Réponse technique du sujet 9 2
Principe de la pile à combustible microbienne Pile = Générateur d électricité Combustible= Produit chimique consommé dans la pile (AGV) Microbienne= Mise en œuvre de bactéries qui consomment le combustible (AGV) Biopile Panneau solaire (1m²) Centrale nucléaire 100 mw 170 W 900 MW Courant électrique Microbial fuel cell AGV AGV ox e - e - e - CO 2 10 14
Principe de la pile à combustible microbienne Caractérisation microbiologique Caractérisation électrique Caractérisation chimique Circuit électrique externe Résistance externe ANODE Oxydation biotique : C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O 6CO 2 + 12 H + + 12 e - E = -430 mv (ph 7) Réduction abiotique : O 2 + 4 H + + 4 e - CATHODE 2H 2 O E = +820 mv (ph 7, po 2 = 0,2) 11 15
Etat de l art de la pile à combustible microbienne Potentiel d applications variées MRC : Stimulation dégradation Pollution organiques (HAP, PCB) MES : Synthèse molécules d intérêt (Molécules organiques, métaux) MDC : désalinisation Transfert d électrons intense dans le biofilm! Nature du transfert d électrons à l anode Organisation des communautés bactériennes selon les gradients physico-chimiques (T, O 2, ph, nutriments..) Intéraction entre ces communautés Evolution des communautés dans le temps 12 15
La pile à combustible microbienne sédimentaire Pile à combustible microbienne implanté dans la rivière Membrane = Interface eau-sédiment Combustible = MO apporté par la rivière Exemple cycle du S 13 16
La Stimulation et Maitrise Electrochimique du milieu Comment STIMULER? Milieu sans pile Milieu avec pile AGV CO 2 e - Accepteur terminal AGV CO 2 e - e - - Accepteur terminal faiblement concentrée - Accepteur terminal difficilement accessible CONSEQ: Biodégradation limitée Impact grave des déversoirs d orage anode Solution de traitement de charges 14 organiques importantes 17
La Stimulation et Maitrise Electrochimique du milieu Comment MAITRISER ELECTROCHIMIQUEMENT? Milieu sans pile Milieu avec pile AGV GES E anode variable CO 2 e - Accepteur terminal AGV e - E réduction Accepteur terminal+ n électrons GES E > 0 E < 0 NO 3- + 8e - N 2 0 N 2 CO 2 + 8e - CH 4 SO 2-4 + 8e - S 2- CONSEQ GES: Réchauffement climatique CO 2 e - Maintenir Ea> 0 NO 3- + 8e - N 2 CO 2 SO 4 2- Intérêt sanitaire dans les égouts 15 18
La Stimulation et Maitrise Electrochimique du milieu Quelle mise en en œuvre pour STIMULER LA BIODEGRADATION et? ORIENTER LE POTENTIEL A L ANODE Montage «passif» Montage «actif» VS Lien entre R ext E anode métabolisme bactérien 16
PLAN SOMMAIRE I Contexte du projet I La Bioremédiation naturelle ou Auto-épuration II L auto-épuration naturelle en rivière Fonction III La pile à combustible microbienne sédimentaire Limites Problématique du sujet Réglementation environnementales IV La démarche expérimentale V Conclusion II L Electro-bioremédiation ou Auto-épuration contrôlée Enjeux politico-économiques Enjeux techniques Réponse technique du sujet 17 2
La démarche expérimentale Conditions maitrisées Laboratoire: «Preuve du concept» Flacons de 350 ml Pilote Essais en statique : Microréacteurs de 6L Conditions réelles en rivière Essais en dynamique : Canaux de 1 m avec recirculation 18 20
Essais en statique : Flacons de paillasse Potentiel REDOX vs Activité métabolique bactérienne Suivi ELECTRIQUE: Tension, Intensité, Puissance Suivi CHIMIQUE: GES libéré par la bactérie 19 21
Electricité / Electronique Chimie / microbiologie 20
21
Essais en dynamique : La rivière Chaudanne, site expérimental de l OTHU GES :> 95 % CH 4 (1L CH 4 /m²/j) Origine de la production mondial de CH 4 Chimique 32% Biologique 68% zones humides naturelles + rizières 36% autres 31% eau douce 1% Adapté de Kvenvoldenet Rogers,2005 22 23
CONCLUSION sur les ENJEUX/ OPPORTUNITÉS Égout : Diminution émissions gaz nuisibles Santé Economie Projet Energie Production de «Bio-électricité» Participation à la Croissance verte Régional/ national Création d une nouvelle filière éco-technologique Environnement Restauration des milieux aquatiques Diminution des émissions de GES 23 24
Merci pour votre attention 24