Modélisation de la stabilisation de la matière organique et des émissions gazeuses au cours du...

Modlisation de la stabilisation de la matire organique et des missions gazeuses au cours du compostage des effluents dlevage Didier OUDART 1 1 8 novembre 2013 Soutenance de Thse de Doctorat en Gnie des Procds et Environnement Encadrants : Etienne Paul (INSA) Jean-Marie Paillat (CIRAD) Paul Robin (INRA)

-NH 3 (en % des missions totales, France) : Culture : 20 %Elevage : 77 % (CITEPA, 2009) Origine des missions de gaz effet de serre au sein de la chane alimentaire animale (en % des missions totales pour le secteur levage), (FAO, 2009) : Emissions gazeuses (EG) et levage : 2 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Contexte mondial - GES : 18 % des missions totales, au niveau mondial (FAO, 2009) Prvisions productions animales (OCDE, 2012) (2005 : base 100) Augmentation du volume des djections et des EG lies llevage Ncessit damliorer les pratiques de gestion des effluents dlevage

DCO I Dure de compostage Consommation O 2 TDCO Contexte scientifique 3 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Procd biologique arobie contrl comportant habituellement une phase de monte en temprature, qui permet lhyginisation et la stabilisation par la dgradation et la rorganisation de la MO, et conduit lobtention dun compost utilisable comme amendement ou engrais organique (MEDDTL, 2012) Phases du compostage : DCO B + NH 4 + +O 2 X a + H 2 O a + CO 2a + chaleur DCO B Temprature interne Principales missions gazeuses (CO 2 H 2 O, NH 3 )

Contexte technique 4 Problmatique du compostage : 4 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Diversit des pratiques (substrats, procds) Qualit agronomique (N, P, K, MS, MO) Impact environnemental (NH 3, N 2 O, CH 4, NO 3 - ) (NF U44-051, AFNOR, 2006)(ADEME, 2012) Optimisation complexe du procd

Contexte scientifique 5 5 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Optimisation du procd Mesures Coteuses Longue dure Difficult isoler les variables tudier Outil prdictif Simulation dessais Ncessite une reprsentation robuste et un large domaine de validit Ncessite un jeu de donnes Exprimentations Modlisation Modles corrlatifsModles mcanistes THESE

Etat de lart : facteurs influenant le compostage Quels sont les effets combins des facteurs biodgradabilit du carbone, disponibilit de lazote, porosit et humidit ? Ractions biochimiquesTransferts gazeux Biodgradabilit du carbone Disponibilit de lazote Porosit Humidit Temprature Granulomtrie - Abd El Kader et al., 2007 - Agnew et al., 2003 - De Guardia et al., 2006, 2008 - Haug, 1993 - Liang et al., 2006 - Mustin, 1987 - Or et al., 2007 - Paillat et al., 2005 pH 6 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion

7 Capacit prdictive, mais : -tudient un type de flux (conversion MO, volatilisation N) -valuent efficacit globale sans reprsentation de flux massique/thermique Modles dynamiques non prdictifs, outils de comprhension Modlisation de processus intgrs: -Stabilisation de la MO -Echanges thermiques -Volatilisation ammoniacale reprsente par relations thoriques complexes 7 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Etat de lart : modlisation du compostage Modles corrlatifsModles mcanistes Pas de modle associant toute la complexit du compostage (stabilisation C et N, EG principales)

8 Phase solide Phase gaz Phase liquide Matire particulaire X1X1 X2X2 X3X3 XiXi XnXn Hydrolyses Substrat soluble S1S1 S2S2 S3S3 SiSi SnSn Microorg CO 2 (L) H 2 O (L) NH 3 (L) Croissance Dcs CO 2 (g) H 2 O (g) NH 3 (g) Transferts liquide - gaz Selon objet de ltude, variation : -du fractionnement de la MO -des flores microbiennes -des produits de la croissance -de lcriture des processus Modlisation du compostage en racteur, lchelle du laboratoire IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Modles mcanistes : structure Production dun modle dynamique associant laration naturelle et lvolution de lazote au compostage deffluents dlevage

9 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Etat de lart : lments/facteur prendre en compte dans la modlisation mcaniste Principales variables identifies Composition (C, N, H 2 O) Concentration en O 2 Flore microbienne Temprature interne Porosit/Densit Temprature et humidit de lair Dure de compostage Principaux processus reprsenter Biodgradation de la MO Production, conservation et dissipation de chaleur Renouvellement dair Diffusion de loxygne Minralisation de N org Nitrification/Dnitrification Volatilisation ammoniacale Organisation et stabilisation (MO, N)

Introduction : objectifs de thse 10 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Ncessit dagrger des connaissances gnriques pour sadapter la diversit des situations de compostage rencontres Prdire les effets majeurs dune modification des pratiques de compostage sur la valeur agronomique du compost final et sur les pertes gazeuses, en aration naturelle reprsentative du compostage en andain. Analyser/hirarchiser les processus Dterminer les caractristiques minimales pour prdire les transformations de la MO et les EG au cours du compostage

11 Axe 1 : Analyser/HirarchiserAxe 2 : Modliser Reprsentation de la dynamique des processus 1 re tape de calibration Prcision du dispositif exprimental (rptabilit) Hirarchie des effets des facteurs sur les missions ammonicales Validation grande chelle et tude de la reproductibilit IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Dmarche de thse Axe 0 : Observations

12 Observations : jeu de donnes initial Axe 2ConclusionIntroductionAxe 1 Diversit des produits dlevage - Volume total: 1.33m 3 - Masse par tas : 400 1100 kg Situations tudies contrastes

Dispositif exprimental 13 Axe 2ConclusionIntroductionAxe 1 Diversit des situations observes dans les mmes conditions

Cintiques dmissions ammoniacale et de temprature 14 Axe 2ConclusionIntroductionAxe 1 Situations contrastes Cintiques contrastes Exemples de cintiques de 8 tas

15 Axe 1 : Comprendre/HirarchiserAxe 2 : Modliser Reprsentation des processus 1 re tape de calibration Prcision du dispositif exprimental (rptabilit) Hirarchie des effets des facteurs sur les missions gazeuses Validation grande chelle et tude de la reproductibilit IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Dmarche de thse Axe 0 : Observations

16 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Axe 1 : Analyser/Hirarchiser Objectifs : Evaluer la rptabilit des mesures acquises dans le dispositif exprimental Analyser la hirarchie des caractristiques initiales qui influencent les missions dammoniac

Exprimentation rptabilit - Mthodes -Conditions de fortes missions (fortes porosit et teneur en azote ammoniacal) -3 tas rpts (21% de paille de bl, 79% de lisier de porc) -Masse initiale : 517.40.4 kg, Volume initial : 1.33 m 3 17 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Caractristiques des andains Plan dexprience Mesures continues observes dans le mme dispositif exprimental -Tempratures internes (haut, cur, bas, ct) -Gaz : CO 2, NH 3, H 2 O

Exprimentation rptabilit Rsultats majeurs (1) 18 -Tempratures cur rptables (CV max = 3% durant la phase thermophile) ab Temprature cur des 3 rptitions IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Cintiques de tempratures Cintiques dmissions de N-NH 3 des 3 rptitions -Temps caractristiques des missions identiques (pics dmissions diffrent de 5h) -Amplitude du pic dmission : cart entre valeurs maximales et minimales 16.0% (H 2 O), 17.4% (C-CO 2 ), 22.4% (N-NH 3 ), 32.6% (C-CH 4 ) Cintiques dmissions gazeuses

C-CO 2 H 2 O N-NH 3 19 Pertes de carbone, deau et dammoniac aprs 3 semaines de compostage selon la mthode de mesure Exprimentation rptabilit Rsultats majeurs (3) IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Bilans de masse Variabilit des mesures dEG Variabilit des bilans de masse > Pertes par bilan de masse Perte par mesure des EG >

20 Exprimentation rptabilit Conclusions IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Rptabilit des : -Cintiques de temprature-Bilans de masse et dmissions gazeuses Pertes lmentaires identiques Vitesses des processus identiques Ecarts observs entre les diffrentes situations imputs aux diffrences de pratiques

Etude de la variabilit des missions ammoniacales (1) Comprendre les effets combins des facteurs cls du compostage Discuter de linfluence de ces variables Hirarchiser les effets majeurs reprsenter en modlisation dynamique 21 Utilisation du modle statistique (calcul dmissions cumules 60 jours) Scnarios bass sur le choix de 4 variables : C biodeg, N disp, DM d, W C (C/N fixes) 4 jeux de simulations partir de 4 couples (C biodeg, N disp ) IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Objectifs Mthodes (C-, N-) (C+, N-) (C-, N+) (C+, N+)

22 Lgende : densit MS en kgMS/m 3 de compost : 100, 150, 200, 240 Etude de la variabilit des missions ammoniacales (2) IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion N- diminue lmission C+ diminue lmission la DM d diminue lmission

Conclusions Etude de la variabilit des missions ammoniacales (3) -Densit de matire sche (rduction de lmission jusqu 90%) -Biodgradabilit du carbone (rduction de lmission jusqu 45%) -Humidit (rduction de lmission jusqu 30%) -Disponibilit de lazote (rduction de lmission jusqu 25%) 23 Les caractristiques physiques ont plus dinfluence que les caractristiques biochimiques sur les missions ammoniacales Les effets ne sont pas dissociables Les variables ncessaires prendre en compte pour prdire les missions ammoniacales sont : DM d, HR, C biodeg, N disp Question en suspens : La modlisation dynamique de ces variables est-elle suffisante pour prdire les missions ammoniacales ? IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Rsultats : hirarchie des effets

Axe 1 : Conclusions Le procd de compostage est rptable pour une mme situation de dpart mais avec des diffrences pour les variables considres : -Emissions gazeuses : CV max de 3 11% pour CO 2, H 2 O et NH 3 -Temprature : CV max de 7,5% -Bilans de masse : CV max de 1 et 5% pour les dfauts de bilan de C et H 2 O Hirarchie des effets : caractristiques physiques > caractristiques chimiques Le modle statistique explore un jeu de donn limit en terme de domaine de validit (conditions contrles), il ne permet pas dinclure les fluctuations du climat 24 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Production dun modle dynamique pour tudier des situations de compostage contrastes et leurs volutions dans le temps Si des variations dpassent ces valeurs, la diffrence peut tre impute aux contrastes entre les situations de compostage

25 Axe 1 : Comprendre/HirarchiserAxe 2 : Modliser Reprsentation de la dynamique des processus 1 re tape de calibration Prcision du dispositif exprimental (rptabilit) Hirarchie des effets des facteurs sur les missions gazeuses Validation grande chelle et tude de la reproductibilit IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Dmarche de thse Axe 0 : Observations

26 Modlisation dynamique du compostage IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Objectifs : Reprsenter lincidence de la disponibilit du carbone et de lazote, de lhumidit et de la porosit sur les cintiques de transformations de la MO, de temprature et dmissions gazeuses Dvelopper un outil doptimisation du procd (enjeux industriels, agronomiques et environnementaux)

27 Structure gnrale du modle Hypothse gnrale de modlisation : andain homogne Module biodgradation Module thermique Module porosit Module azote Processus majeurs reprsents : -Dgradation de la MO -Production de CO 2 Objectifs de modlisation : -Stabilisation de la MO -Spcifications du produit Processus majeurs reprsents : -Echanges thermiques (volution de la temprature) -Vaporisation de leau Objectifs de modlisation : -Stabilisation de la MO -Spcifications produit (composition et hyginisation) Processus majeurs reprsents : -Diffusion gazeuse -Aration naturelle Objectifs de modlisation : -Impact environnemental -Impact des facteurs environnementaux Processus majeurs reprsents : -Production et volatilisation de NH 3 -Organisation de lazote -Nitrification/Dnitirification Objectifs de modlisation : -Spcifications du produit -Stabilisation de lazote -Impact environnemental IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion

-DCO non mesure sur les chantillons DCO totale = f(S VS, HC VS, C VS, L VS ) -Compartiments de MO exprims en gDCO (potentiel nergtique, rendements constants ) X RB X SB XIXI SRSR XhXh H2OhH2Oh CO 2 O 2,biofilm k HR k HS Y H2Oh hh Y CO2h 1 - f Iaero f Iaero YhYh IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Module biodgradation Structure du module Processus reprsents Hydrolyses Croissance htrotrophe : -Production de biomasse -Consommation O 2 -Production de CO 2 -Production H 2 O mtabolique Dcs cellulaire (stabilisation MO) Remarques -Reprsentation base sur les modles existant dcrivant la biodgradation de la MO (ASM : Henze et al., 2000 ; Sole-Mauri, 2007; Vlyssides et al., 2009) 28 bhbh

hh HEHE O 2E O 2,por O 2,biofilm H stocke O 2S HSHS H 2 O vap peff O2 partLat 1-partLat, U Q air IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Modules thermique/porosit (1) Structure des modules Processus reprsents Production de chaleur biologique Evaporation de leau Pertes convectives/conductives Aration naturelle Diffusion de loxygne Remarques -Dbit dair Q air : effet chemine -Partage chaleur latente/sensible 29 -Cintique T int : rsultante bilan de chaleur -Cintique T haut : temprature calcule partir du flux dvaporation deau -Simplification de la diffusion dO 2

IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Modules thermique/porosit (2) Calcul du dbit dair Emissions deau : partage chaleur sensible/latente -Dbit dair Q air = f(K, T V ) -Coefficient de permabilit K = f(porosit) -Partage chaleur latente/sensible : 30

NX RB NX SB NX I N av NX h NH 4 + NX a k HR k HS NH 3,g NO 3 - NH 3 N2N2 N2ON2O hh aa Y NO3 pN 2 O nit pN 2 O denit Q air bhbh baba 1 - f Iaero f Iaero IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Module Azote Structure du module Processus reprsents Remarques Hydrolyses Croissance htrotrophe Croissance autotrophe Dcs microbien Dnitrification -Biomasse autotrophe ne consomme pas de DCO -Azote ammoniacal : 90% de N av -Equilibre NH 4 + NH 3,g = f(T,pintLG) Volatilisation ammoniacale 31 -Simplification de la reprsentation de la volatilisation ammoniacale -Intgration des processus des transformations de lazote -Couplage avec les 3 autres modules

Originalit : couplages par les fonctions de limitation H 2 O tot MS tot MB tot C tot N tot H 2 O vap CO 2 NH 3 N2ON2ON2N2 Q air pN 2 O nit pN 2 O denit IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Bilans massiques Y H2Oh h partLat h Y CO2h h Reprsentation schmatique Remarques O 2,por NH 3,g pIntLG -Systme triphasique (solide, liquide, gaz) -Andain homogne -Quantits de C, N, H 2 O, MS dans landain calcules par dfaut de bilan -Conservation P, K - MO = . MS ProcessusFacteurs limitants HydrolysesHumidit, surface ractionnelle Croissance htrotropheHumidit, DCO, azote, O 2, T Croissance autotropheHumidit, azote, O 2, T DcsTemprature VolatilisationTemprature, humidit NitrificationHumidit, azote, O 2, T DnitrificationNitrates, Temprature Flux dair entrant/sortantTemprature, porosit Diffusion oxygneTemprature, porosit 32

Paramtrage et calibration : mthodes (1) 33 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Caractristiques modle -Vensim -Pas de temps horaire -Sorties : -Composition (DCO, MS, MO, C, N, P, K) -Caractristiques physiques (T, volume, densit) -EG : CO 2, H 2 O, NH 3, N 2 O, N 2 55 paramtres Gnriques (41) Spcifiques de la situation de compostage (14) Calibration partir des mesures dEG (NH 3, CO 2, H 2 O, N 2 O) et de T du jeu de donnes initial

Paramtrage et calibration : mthodes (2) 34 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Choix de 4 situations contrastes pour comparer les valeurs observes et simules Les tas B, F, G et K reprsentent la diversit des situations exprimentales

Paramtres dpendant de la situation de compostage ncessaires : -la teneur initiale en biomasse microbienne et le fractionnement initial de la MO (4 paramtres) -les paramtres daffaissement du tas, de liaison de leau, de diffusion doxygne (3 paramtres) Paramtrage et calibration : rsultats (1) 35 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Emissions de H 2 O (ou de CO 2 ) Module biodgradation : Simulation correcte de la perte de C (temps, cumuls, amplitudes) Modules thermique et porosit : Simulation correcte de la perte deau

36 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Paramtrage et calibration : rsultats (2) Cintique de temprature interne (rouge = simule) Simulation correcte de la temprature lors de la phase thermophile Sous estimation lors de la phase de dcroissance Paramtre dpendant de la situation de compostage ncessaire : -coefficient global dchange de chaleur sensible (pertes conductives) Indications pour le retournement Hyginisation sous- estime

37 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Paramtrage et calibration : rsultats (3) Emissions de NH 3 Module azote : Simulation correcte de lmission de NH 3 (temps, cumuls, amplitudes) Discrimination des situations de compostage mettrices Paramtres dpendant de la situation de compostage ncessaires : -le fractionnement initial de lazote (3 paramtres) -le coefficient dchange surfacique entre le NH 4 + et le NH 3,g

38 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Paramtrage et calibration : rsultats (4) Emissions de N 2 O Module azote : Simulation imparfaite de la cintique dmission de N 2 O Estimation acceptable du cumul (

42 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Rsultats de thse Axe 1 : Analyser/Hirarchiser Prcision du dispositif exprimental (rptabilit) Hirarchie des effets des facteurs sur les missions ammoniacales Incertitude de rptabilit : missions gazeuses (CV max = 11%) > bilan de masse (Cv max = 5%) Diminution des missions ammoniacales : Densit > Biodgradabilit du carbone > Humidit > Disponibilit De lazote

43 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Rsultats de thse Axe 2 : Modliser Reprsentation dynamique du procd de compostage : -Impact environnementale -Valeur agronomique -Choix oprationnels -Reprsentation dynamique robuste : Cintiques des sorties ajustes aux observations -Diversit des processus reprsents et donc des sorties pour les utilisateurs (CO 2, H 2 O, NH 3, N 2 O, temprature, DCO et stabilit, bilans de masse, interactions entre processus) -Outil de comprhension par lanalyse des cintiques et des fonctions de limitation -Outil oprationnel : ncessit dapporter de la connaissance sur la valeur des paramtres spcifiques de la situation de compostage

44 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion 1. Calibration des paramtres dinitialisation Perspectives Optimisation du procd Typologie des substrats (SPIR, TC) Outil prdictif 4. Recalibration en dynamique par des capteurs sur site Exprimentations (conditions contrles, plateforme, champs) Modle dynamique (valeur fertilisante, autres gaz) 2. Validation des prdictions 3. Protocoles dacquisition de la valeur des paramtres spcifiques

Merci de votre attention ! Et un grand merci toute lquipe dencadrement! 45

IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Paramtrage et calibration : rsultats (6) Erreurs types des sorties du modle Calibration du modle sur les missions gazeuses : meilleure estimation des pertes gazeuses que du bilan de masse ER sur la teneur en azote total fort : ER sur lestimation de la masse brute importante (jusqu 30%) Sous-estimation de la perte dazote sous forme de N 2 ? C-CO 2 H2OH2ON-NH 3 N-N 2 O tC f tMS f tMO f tN tkf

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