Développement et propriétés de biofilms électroactifs en conditions hydrodynamiques contrôlées

Dans un contexte mondial de besoins énergétiques dans un cadre de ressources limitées, les technologies électro-microbiennes représentent une solution alternative et de plus en plus réaliste pour la valorisation des déchets organiques.La limite principale à l'intégration de ces technologies au sein des usines de traitement et de valorisation des eaux résiduaires urbaines réside dans leur stabilité et fiabilité sur le long terme. En effet, les anodes microbiennes, capables de récupérer les électrons issus de l'oxydation de la matière organique, sont marquées par une décroissance de leurs performances au cours du temps dans les réacteurs opérés en continu. Cette chute des performances de ces systèmes est souvent associée aux évolutions des propriétés des biofilms électroactifs (structurales et fonctionnelles).Le potentiel d'électrode et le contrôle de l'hydrodynamique ont été identifiés comme les deux leviers d'action principaux. Or, le rôle de l'hydrodynamique pour la gestion des biofilms électroactifs a été peu étudié et mérite d'être investigué au vu de son impact significatif sur les performances des biofilms non-électroactifs.Un réacteur de Couette-Taylor électrochimique innovant a été conçu pour étudier l'effet de l'hydrodynamique sur les biofilms électroactifs. Le suivi bio-électrochimique couplant plusieurs techniques d'analyses a été mis en œuvre pour avancer dans la compréhension des interactions entre les paramètres électrochimiques, hydrodynamiques et biologiques au cours du temps. La conception de ce réacteur a été préalablement validée à l'aide d'un modèle abiotique. Pour ces conditions, des comportements électrochimiques reproductibles en fonction des différentes conditions hydrodynamiques ont été obtenus sur les vingt électrodes individualisées disponibles. Des spécificités liées aux écoulements de Couette-Taylor (régimes à vortex) ont été identifiées et exprimées en fonction de nombres adimensionnels.Le suivi électrochimique et la caractérisation des populations microbiennes et de leur activités dans les biofilms électroactifs mixtes développés à partir d'eaux usées réelles a permis d'évaluer les performances de chaque bio-anode sous potentiel imposé. Le développement jusqu'à la phase de maturation des biofilms électroactifs a conduit à des résultats très reproductibles (10 % de variabilité des performances électrochimiques) permettant de répondre aux limitations des systèmes d'étude actuels grâce à l'homogénéisation de la contrainte de cisaillement sur de grandes surfaces d'électrodes. Les potentiels d'électrode les plus bas (-300 mV/ECS) entraînent le développement des électrodes les plus efficaces mais ne permettent pas d'exploiter le maximum de leurs performances en électrolyse. Des compétitions pour les électrons ont été supposées entre l'électrode et certaines espèces microbiennes (sulfato-réductrices et méthanogènes) et semblent favorisées par des potentiels élevés (0 et 150 mV/ECS) et des contraintes de cisaillement faibles (≤130 mPa). Une compétition pour la niche écologique de Geobacter a été détectée avec Trichloromonas qui semble être un indicateur de plus faibles performances électroactives.L'influence de l'augmentation de la contrainte hydrodynamique sur la maturation du biofilm a ensuite été étudiée en augmentant la contrainte de cisaillement par paliers de 8,3 mPa à 5 Pa. Cette dernière n'induit pas d'effet significatif sur la chute d'activité électrochimique observée au cours du temps. Cependant, l'augmentation des courants limites obtenus pour les contraintes de cisaillement les plus élevées (2,4 et 5 Pa) et la modification profonde de la composition des biofilms obtenus à 5 Pa révèlent un impact fort de l'hydrodynamique sur les biofilms électroactifs matures.