Biodeterioration of cementitious materials in biogas digester

Biodétérioration des matériaux cimentaires dans les structures de méthanisation

¹ Universitéde Toulouse, UPS, INSA, LMDC, Laboratoire Matériaux et Durabilité des Constructions, 135 avenue de Rangueil, 31077 Toulouse Cedex 04, France
² Université de Toulouse, INPT, UPS, CNRS, Laboratoire de Génie Chimique, 4 allée Emile Monso, 31432 Toulouse, France
voegel@insa-toulouse.fr

Received: 6 March 2015
Accepted: 21 April 2015

Abstract

In biogas production plants, concrete structures suffer chemical and biological attacks during the anaerobic digestion process. The attack on concrete may be linked to the effects of (i) organic acids; (ii) ammonium and CO₂ co-produced by the microorganisms’ metabolisms; and (iii) the bacteria’s ability to form biofilms on the concrete surface. In a context of biogas industry expansion, the mechanisms of concrete deterioration need to be better understood in order to propose innovative, efficient solutions. This study aims, firstly, to characterise the evolution of the biochemical composition of the biodegradable wastes during digestion so as to identify the compounds that are aggressive for concrete. Secondly, it aims to evaluate the mechanisms of concrete deterioration in anaerobic digesters. CEM I paste specimens were immersed in synthetic inoculated biowaste in anaerobic digestion conditions. The liquid fractions were analysed chemically. The alteration mechanisms of the cementitious matrices were investigated using XRD and SEM analyses. The maximal total concentration of organic acids was 65 mmol/L in the liquid fraction during the digestion process. The pH evolution showed two phases: acidification in the first few days and then a slow increase to pH 7–8. In only 4 weeks, an abundant biofilm developed on the cement paste surface. Biodeterioration leads to calcium leaching and carbonation of the cement paste.

Résumé

Dans les digesteurs de méthanisation, le béton des structures subit des attaques d’origine chimique et biologique. L’attaque sur le béton serait liée à la combinaison des effets des acides organiques, de l’ammonium et du CO₂ produits par le métabolisme microbien et également à la capacité des bactéries à former des biofilms à la surface du béton. Le secteur de la méthanisation étant en pleine expansion, l’enjeu de ce travail est de progresser dans la compréhension des mécanismes de détérioration des bétons dans ces environnements afin proposer des solutions durables. Cette étude vise, dans un premier temps, à déterminer les caractéristiques chimiques des déchets organiques (pH, concentrations en composés chimiques agressifs) au cours de leur fermentation. Dans un second temps, les mécanismes de détérioration des bétons dans les conditions de méthanisation sont évalués. Des pâtes de CEM I ont été immergées dans un mélange de déchets organiques en conditions de digestion anaérobie. Le milieu a été analysé chimiquement tout au long du processus de digestion. Les pâtes de ciment ont été analysées par DRX et MEB+EDS. La concentration totale maximale en acides organiques était de 65 mmol/L dans les bioréacteurs. L’évolution du pH présentait deux phases : une acidification dans les premiers jours et une lente augmentation jusqu’à pH 7–8. En 4 semaines, un biofilm abondant s’est développé à la surface du matériau. La biodétérioration s’est traduite par la lixiviation du calcium et la carbonatation du matériau.