CONCEPTION D’UN DISPOSITIF EXPERIMENTAL DE PERCOLATION EN COLONNES (PILOTE BIOTHERMEX)

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Colmatage biologique

La zone située aux voisinages immédiats des ouvrages (fentes des crépines, massif de gravier)
constitue un milieu particulièrement propice au développement des microorganismes (Cullimore, 2000). Le renouvellement et l’apport continuel de substances nutritives (matière organique, sels minéraux) permet le développement d’une activité métabolique optimale, pouvant conduire, dans certains cas de figure, à une expansion conséquente de la biomasse sous forme de biofilm qui aboutit, après une phase de maturation de la structure tridimensionnelle, à une réduction de la conductivité hydraulique. La présence de matière organique dans les eaux est souvent un facteur déterminant dans l’évolution du phénomène (Hijnen et Van der Koou, 1992). De par ses propriétés de surface, le biofilm piège dans sa structure des éléments métalliques, tels le fer ou le manganèse, donnant ainsi une couleur aux dépôts gélatineux (dans la gamme de l’orange, rouge, brun à noir). Le type de microorganismes impliqués dans de tels événements varie considérablement suivant le contexte local mais, d’une manière générale, on retrouve fréquemment les bactéries associées au cycle du fer ou du manganèse, telles que par exemple les espèces appartenant au genre Leptothrix, Crenothrix, Hyphomicrobium, Siderocapsa et Metallogenium (Mouchet, 1992). L’ensemble de ces phénomènes de colmatage est regroupé dans la littérature sous les termes de « biofouling » ou « plugging », le terme « clogging » étant réservé aux processus de colmatage dominé par des facteurs physiques et/ou chimiques.
Si le rôle déterminant des microorganismes dans l’oxydation du fer en milieu acide est
parfaitement avéré (e.g drainage minier acide), leurs implications catalytiques dans l’oxydation du fer par l’oxygène dissous à des pH proches de la neutralité demeure toujours un sujet de controverse (Fortin, 2004), compte tenu de la rapidité des cinétiques chimiques. Il emblerait que l’action des microorganismes soient significatives par rapport aux processus d’oxydation spontanée, pour de très faibles teneurs en oxygène (condition de microaérophilie ; Ralph et Stevenson, 1995).
En ce qui concerne l’oxydation du manganèse en milieu proche de la neutralité, les processus
biologiques sont considérés comme largement dominants.
2.􀍸.􀍷.􀍸 Synthèse des retours d’expériences au niveau d’installations
Les principaux résultats illustrés dans ce paragraphe sont issus de travaux portant sur le stockage d’énergie thermique en aquifère (ATES = Aquifer Thermal Energy Storage), mettant en oeuvre des températures de réinjection d’eau parfois élevées (de 25°C à plus de 100°C).
Ces résultats seront utilisés, dans le cadre de cette étude, comme référence pour décrire
comportement du réservoir et de l’installation face aux sollicitations thermiques.
Les problèmes d’exploitation les plus souvent recensés (Annexe 1) concernent les  phénomènes de dépôts et de colmatage induits par la précipitation de carbonates ainsi que d’oxy-hydroxydes de fer et de manganèse au niveau des ouvrages d’exploitation (crépines, massif de gravier), ainsi qu’au niveau des équipements constitutifs du circuit reliant les deux têtes de puits (conduites, échangeurs thermiques).
La précipitation des espèces carbonatées, consécutive à l’apport de chaleur, couplé ou non à une exsolution de CO2 (diminution de la solubilité avec la température), est fonction du profil initial des eaux et des niveaux de températures appliqués. La plupart des auteurs estiment que l’occurrence de ce phénomène peut être considérée comme négligeable pour des températures de réinjection inférieures à 40°C (Jenne et al., 1992), les situations problématiques ayant généralement été décelées pour des températures de réinjection supérieures à 80°C.
En revanche, la précipitation d’oxyde et d’hydroxyde de fer ou de manganèse est communément reportée pour des températures inférieures à 40°C. Elle est essentiellement liée à un défaut de conception des installations (apport d’oxygène dans le système) ou à des phénomènes de mélange d’eau (Palmer et Cherry, 1984) dans le cas où le pompage et la réinjection se font dans des réservoirs aquifères distincts. L’ampleur du phénomène s’accentue avec l’augmentation des teneurs en fer dissous dans le réservoir. Parmi les nombreux cas de figure existant, la présence de bactéries, impliquées dans les processus d’oxydation et de bio-précipitation, est fortement suspectée ou avérée. Les autres processus à l’origine de la survenue de désagréments sont listés ci-dessous, parordre d’importance :
 colmatage lié à l’entraînement de particules, conduisant à un ensablement progressif des ouvrages et une détérioration des équipements (abrasion).
 corrosion électrochimique : les cas les plus sévères sont liés à la présence de fortes teneurs en chlorure, en H2S, en sulfates, pour des pH acides, et lorsque que des traitements particuliers (e.g acidification) sont appliqués.
 colmatage lié au gonflement et la dispersion des argiles, dans le cas où il existe un déséquilibre entre l’eau injectée et la formation aquifère (adoucissement de l’eau avant sa réinjection et traitements divers)

Influence au niveau des communautés microbiennes

Impacts au niveau de la microflore indigène

Etant donné que les eaux souterraines abritent principalement des microorganismes
psychrophiles et phsychrotolérants, l’effet prédictible d’une augmentation de température est
une augmentation de la proportion de bactéries dont la température optimale de croissance est
proche de celle du puits d’injection, représentés notamment par les populations mésophiles. Si
la modification de température in situ n’est pas très importante (température maximale
inférieure à 40°C, dans le cas des aquifères de subsurface) et si le système est isolé, les
modifications à petites échelle pourraient être facilement réversible et les conséquences
faibles, voire inexistantes. En revanche, si les perturbations thermiques sont durables, les
conséquences pourraient être plus problématiques. On assiste, ces dernières années, à un
engouement et une réflexion profonde sur le thème de la résistance des écosystèmes aux
perturbations induites par les facteurs anthropiques en relation avec les services rendus (sur le
plan fonctionnel). On considère habituellement qu’un écosystème est d’autant plus stable
qu’il est diversifié. Cette diversité, considérée comme un réservoir d’espèces dotées de
fonctionnalités différentes, procure à l’écosystème un pouvoir tampon vis-à-vis des variations
de l’environnement (Loreau et al. 2001) et, de surcroit, une certaine assurance vis à vis de la
stabilité de son fonctionnement biologique (maintien des fonctions qu’il est capable
d’accomplir, lutte contre une population invasive,…).
Dans ce contexte, une augmentation durable de la température des eaux serait susceptible
d’induire un remaniement des communautés et ainsi favoriser la sélection des certains
microorganismes plus compétitifs que d’autres pour s’approprier les ressources affectant ainsi
la diversité initiale.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE I : REVUE BIBLIOGRAPHIQUE
1. FACTEURS INFLUENÇANT LE REGIME THERMIQUE DES NAPPES D’EAUX SUPERFICIELLES : COMPOSANTES
NATURELLES ET FORÇAGE EXTRINSEQUE
1.1 COMPOSANTES NATURELLES
1.2 COMPOSANTES ANTHROPIQUES
1.2.1 Effets indirects
1.2.2 Effets directs
2. ETAT DES CONNAISSANCES SUR L’INFLUENCE DE LA TEMPERATURE SUR LA QUALITE DES EAUX
SOUTERRAINES
2.1 CONSIDERATIONS THEORIQUES
2.1.1 Influence de la température sur les réactions chimiques
2.1.2 Influence de la température sur les microorganismes
2.2 SYNTHESE DES PRINCIPAUX TRAVAUX DE RECHERCHES.
2.2.1 Incidence au niveau de la productivité des ouvrages
2.2.2 Influence au niveau des communautés microbiennes
2.2.3 Conclusions
CHAPITRE II : MATERIELS ET METHODES
. CONCEPTION D’UN DISPOSITIF EXPERIMENTAL DE PERCOLATION EN COLONNES (PILOTE BIOTHERMEX)
1.1 CONTEXTE ET ENJEUX
1.2 BASE DE REFLEXIONS
1.2.1 Sélection des matériaux (colonne et circuit)
1.2.2 Dimensionnement des colonnes
1.2.3 Contrôle de la température
1.3 PRESENTATION DU DISPOSITIF EXPERIMENTAL
􀏭.􀏯.􀏭 P􀆌i􀅶􀄐ipe de l’essai et d􀄠􀅵a􀆌􀄐he
1.3.2 Eléments du dispositif sélectionné
1.4 CONDUITE DES ESSAIS
1.4.1 Considérations générales
1.4.2 Garnissage des colonnes
􀏭.􀏰.􀏯 Satu􀆌atio􀅶 de la 􀄐olo􀅶􀅶e et 􀅵ise à l’􀄠􀆋uili􀄏􀆌e
1.4.4 Caractérisation du régime hydrodynamique
2. PRELEVEMENTS ET MESURES IN SITU
2.1 CONSIDERATION GENERALES
2.1.1 Représentativité physico-􀄐hi􀅵i􀆋ue des 􀄠􀄐ha􀅶tillo􀅶s d’eau
􀏮.􀏭.􀏮 Rep􀆌􀄠se􀅶tativit􀄠 􀅵i􀄐􀆌o􀄏iologi􀆋ue des 􀄠􀄐ha􀅶tillo􀅶s d’eau
2.1.3 Synthèse
2.2 APPROCHE METHODOLOGIQUE
2.2.1 Mesures diagraphiques préalables
2.2.2 Ouvrages non équipés de dispositifs de pompage
2.2.3 Ouvrages avec pompe à demeure
􀏮.􀏮.􀏰 Dosage de l’al􀄐ali􀅶it􀄠 i􀅶 situ
3. TECHNIQUES ANALYTIQUES
3.1 ANALYSE INORGANIQUE ET ORGANIQUE DES SOLUTIONS AQUEUSES.
3.1.1 Mesure et analyse des paramètres non conservatifs
3.1.2 Dosages des espèces conservatives
3.2 CARACTERISATIONS DES MATERIAUX D’ETUDES
3.2.1 Analyse chimique quantitative multiélémentaires
3.2.2 Analyse minéralogique
3.2.3 Analyse granulométrique
3.2.4 Analyse pétrographique
􀏯.􀏮.􀏰 D􀄠te􀆌􀅵i􀅶atio􀅶 de la 􀄐apa􀄐it􀄠 d’􀄠􀄐ha􀅶ge 􀄐atio􀅶i􀆋ue 􀍾CEC􀍿
3.2.5 Autres déterminations
􀏯.􀏮.􀏲 Re􀄐o􀅶stitutio􀅶 de l’asse􀅵􀄏lage 􀅵i􀅶􀄠􀆌alogi􀆋ue pa􀆌 􀅵od􀄠lisatio􀅶.
3.3 MICROBIOLOGIE
3.3.1 Dénombrement de la biomasse bactérienne
3.3.2 Détermination de la diversité bactérienne
􀏯.􀏯.􀏯 Mesu􀆌e d’a􀄐tivit􀄠
4. TRAITEMENTS DES RESULTATS
4.1 ANALYSES STATISTIQUES
4.1.1 Tests non paramétriques
4.1.2 Analyses multifactorielles
4.2MODELISATION HYDROGEOCHIMIQUE
CHAPITRE III : APPROCHE A L’ECHELLE D’UNE INSTALLATION ISOLEE (BALANDRAN)°
1. CADRE GENERAL DE L’ETUDE
1.1 PROJET SERRE CAPTEUR D’ENERGIE
1.2 PRINCIPE DU MODE DE STOCKAGE THERMIQUE ENVISAGE
1.2 OBJECTIF DE LA PRESENTE ETUDE
2. PRESENTATION DU SITE EXPERIMENTAL
2.1 DESCRIPTION DE L’INSTALLATION PILOTE
2.1.1 Serre capteur
2.1.2 Circuit primaire
2.1.3 Circuit secondaire
2.1.4 Exemple de fonctionnement en mode climatisation
2.2 CONFIGURATION DU DISPOSITIF DE SUIVI
3. CONTEXTE HYDROGEOLOGIQUE
3.1 CADRE REGIONAL
3.2 CADRE LOCAL
3.2.1 Reconnaissance géologique du site
3.2.2 Piézométrie au droit du site
3.2.3 Détermination des caractéristiques hydrodynamiques du site
4. CARACTERISATION DES FORMATIONS HOTES SEDIMENTAIRES
4.1 ANALYSES GRANULOMETRIQUES
4.2 ANALYSE PETROGRAPHIQUE
4.3 ANALYSES CHIMIQUES GLOBALES
4.4 ANALYSES MINERALOGIQUES
4.5 MESURE DE LA CAPACITE D’ECHANGE CATIONIQUE (CEC)
4.6 RECONSTITUTION QUANTITATIVE DE L’ASSEMBLAGE MINERALOGIQUE
5. EVOLUTION THERMIQUE DE L’AQUIFERE
5.1 COMPOSANTE NATURELLE : VARIATION SAISONNIERE
5.1.1 Mise en évidence
5.1.2 Analyse de la relation avec la température extérieure
5.2 INCIDENCE DE L’INSTALLATION GEOTHERMIQUE.
􀏱.􀏮.􀏭 Mode de fo􀅶􀄐tio􀅶􀅶e􀅵e􀅶t de l’i􀅶stallatio􀅶
5.2.2 Suivi des températures au niveau de la nappe
6. EVOLUTION DE LA CHIMIE DES EAUX
6.1 CAMPAGNES D’ECHANTILLONNAGES
6.2 RESULTATS
6.2.1 Vérification de la cohérence des analyses
6.2.1 Calcul des indices de saturation
􀏲.􀏭.􀏯 Pote􀅶tiel d’o􀇆􀇇do-réduction
7. EVOLUTION DES PARAMETRES MICROBIOLOGIQUES
7.1 SUIVI DE BIOMASSE BACTERIENNE
7.1.1 Evolution saisonnière de la quantité de germes totaux
􀏳.􀏭.􀏮 Ge􀆌􀅵es d’i􀅶t􀄠􀆌􀄡t sa􀅶itai􀆌e
7.2 SUIVI DE LA DIVERSITE BACTERIENNE
7.2.1 Distribution spatiale
7.2.2 Structuration temporelle
7.3 MESURES D’ACTIVITE
7.3.1 Activité potentielle de minéralisation de substrats carbonés
7.3.2 Activité déshydrogénase
7.3.3 Activité hydrolytique
8. MODELISATION HYDROGEOCHIMIQUE
8.1 HYPOTHESES ET LIMITES DU MODELE EMPLOYE
8.2 SIMULATION EN TEMPERATURE SUR LE SYSTEME CHIMIQUE
8.2.1 Etat initial
8.2.2 Simulation en « système fermé » (log pCO2 = -1.59, PCO2 = 10-1,59 atm)
8.2.3 Simulation en système ouvert (log PCO2 = -3,5, PCO2 = 3,16.10-4 atm))
9. SYNTHESE
CHAPITRE IV : APPROCHE A L’ECHELLE D’UNE INSTALLATION EN ZONE URBANISEE
1. CADRE GENERALE DE L’ETUDE ET ENJEUX
1.1 APERÇU DE L’ETAT ACTUEL DE LA RESSOURCE AU NIVEAU DE L’AGGLOMERATION LYONNAISE
1.2 CADRE GEOLOGIQUE ET HYDROGEOLOGIQUE
1.2.1 Contexte géologique
1.2.2 Contexte hydrogéologique
1.2.3 Projet ImPAC-Lyon
2. DESCRIPTION DU SITE ET DU DISPOSITIF DE SURVEILLANCE
2.1 DOUBLET GEOTHERMIQUE
2.2 DISPOSITIF DE SURVEILLANCE
3. CARACTERISATION DES FORMATIONS HOTES SEDIMENTAIRES
3.1 ANALYSES GRANULOMETRIQUES
3.2 ANALYSES PETROGRAPHIQUES
3.3 ANALYSES MINERALOGIQUE
3.3 ANALYSES CHIMIQUES GLOBALES
3.4 MESURE DE LA CEC.
3.5 RECONSTITUTION DE L’ASSEMBLAGE MINERALOGIQUE
4. EVOLUTION THERMIQUE DE L’AQUIFERE
4.1 COMPOSANTE NATURELLE : VARIATION SAISONNIERE
4.1.1 Mise en évidence
4.1.1 Analyse de la relation avec la température extérieure
4.2 INCIDENCE DE L’INSTALLATION GEOTHERMIQUE.
􀏰.􀏮.􀏭 Dou􀄏let d’e􀇆ploitatio􀅶
4.2.2 Piézomètres de suivi
5. EVOLUTION DES PARAMETRES PHYSICO-CHIMIQUES
5.1 PROGRAMME D’ECHANTILLONNAGE
5.2 CARACTERISATION DU PROFIL HYDROGEOCHIMIQUE DES EAUX
5.3 EVOLUTION DES CARACTERISTIQUES DE L’EAU
5.3.1 Vérification de la cohérence des analyses
5.3.2 Suivi des indices de saturation
􀏱.􀏯.􀏯 Pote􀅶tiels d’o􀇆􀇇do-réduction
􀏱.􀏯.􀏰 Suivi de l’o􀇆􀇇g􀄟􀅶e dissous
6. EVOLUTION DES PARAMETRES MICROBIOLOGIQUES
6.1 SUIVI DE L’EVOLUTION DU NOMBRE DE BACTERIES
6.1.1 Évolution saisonnière de la quantité de germes totaux
􀏲.􀏭.􀏮 Ge􀆌􀅵es d’i􀅶t􀄠􀆌􀄡t sa􀅶itai􀆌e
6.2 SUIVI DE L’EVOLUTION DE L’ACTIVITE BACTERIENNE
6.3 MINERALISATION DE SUBSTRATS CARBONES
6.4 SUIVI DE LA DIVERSITE BACTERIENNE
6.4.1 Évolution de la structure des communautés
6.4.2 Evolution de la biodiversité
6.4.3 Analyse des correspondances
7. MODELISATION DU TRANSPORT REACTIF
7.1 METHODOLOGIES ET HYPOTHESES
7.2 RESULTATS
8. CONCLUSIONS

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