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Modélisation de la stabilisation de la matière organique et des émissions gazeuses au cours du compostage des effluents d’élevage Didier OUDART 1 1 8 novembre.

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1 Modélisation de la stabilisation de la matière organique et des émissions gazeuses au cours du compostage des effluents d’élevage Didier OUDART novembre 2013 Soutenance de Thèse de Doctorat en Génie des Procédés et Environnement Encadrants : Etienne Paul (INSA) Jean-Marie Paillat (CIRAD) Paul Robin (INRA)

2 -NH 3 (en % des émissions totales, France) : Culture : 20 %Elevage : 77 % (CITEPA, 2009) • Origine des émissions de gaz à effet de serre au sein de la chaîne alimentaire animale (en % des émissions totales pour le secteur élevage), (FAO, 2009) : • Emissions gazeuses (EG) et élevage : 2 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Contexte mondial - GES : 18 % des émissions totales, au niveau mondial (FAO, 2009) • Prévisions productions animales (OCDE, 2012) (2005 : base 100) Augmentation du volume des déjections et des EG liées à l’élevage Nécessité d’améliorer les pratiques de gestion des effluents d’élevage

3 DCO I Durée de compostage Consommation O 2 TDCO Contexte scientifique 3 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion • « Procédé biologique aérobie contrôlé comportant habituellement une phase de montée en température, qui permet l’hygiénisation et la stabilisation par la dégradation et la réorganisation de la MO, et conduit à l’obtention d’un 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 Température interne Principales émissions gazeuses (CO 2 H 2 O, NH 3 )

4 Contexte technique 4 •Problématique du compostage : 4 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Diversité des pratiques (substrats, procédés…) Qualité 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 procédé

5 Contexte scientifique 5 5 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Optimisation du procédé Mesures –Coûteuses –Longue durée –Difficulté à isoler les variables à étudier Outil prédictif –Simulation d’essais –Nécessite une représentation robuste et un large domaine de validité –Nécessite un jeu de données Expérimentations Modélisation Modèles corrélatifsModèles mécanistes THESE

6 Etat de l’art : facteurs influençant le compostage Quels sont les effets combinés des facteurs biodégradabilité du carbone, disponibilité de l’azote, porosité et humidité ? Réactions biochimiquesTransferts gazeux Biodégradabilité du carbone Disponibilité de l’azote Porosité Humidité Température Granulométrie - Abd El Kader et al., Agnew et al., De Guardia et al., 2006, Haug, Liang et al., Mustin, Or et al., Paillat et al., 2005 … pH 6 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion

7 7 • Capacité prédictive, mais : -Étudient un type de flux (conversion MO, volatilisation N) -Évaluent efficacité globale sans représentation de flux massique/thermique • Modèles dynamiques non prédictifs, outils de compréhension • Modélisation de processus intégrés: -Stabilisation de la MO -Echanges thermiques -Volatilisation ammoniacale représentée par relations théoriques complexes 7 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Etat de l’art : modélisation du compostage Modèles corrélatifsModèles mécanistes Pas de modèle associant toute la complexité du compostage (stabilisation C et N, EG principales)

8 8 Phase solide Phase gaz Phase liquide Matière 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 Décès CO 2 (g) H 2 O (g) NH 3 (g) Transferts liquide - gaz • Selon objet de l’étude, variation : -du fractionnement de la MO -des flores microbiennes -des produits de la croissance -de l’écriture des processus • Modélisation du compostage en réacteur, à l’échelle du laboratoire IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Modèles mécanistes : structure Production d’un modèle dynamique associant l’aération naturelle et l’évolution de l’azote au compostage d’effluents d’élevage

9 9 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Etat de l’art : éléments/facteur à prendre en compte dans la modélisation mécaniste Principales variables identifiées Composition (C, N, H 2 O) Concentration en O 2 Flore microbienne Température interne Porosité/Densité Température et humidité de l’air Durée de compostage Principaux processus à représenter Biodégradation de la MO Production, conservation et dissipation de chaleur Renouvellement d’air Diffusion de l’oxygène Minéralisation de N org Nitrification/Dénitrification Volatilisation ammoniacale Organisation et stabilisation (MO, N)

10 Introduction : objectifs de thèse 10 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Nécessité d’agréger des connaissances génériques pour s’adapter à la diversité des situations de compostage rencontrées Prédire les effets majeurs d’une modification des pratiques de compostage sur la valeur agronomique du compost final et sur les pertes gazeuses, en aération « naturelle » représentative du compostage en andain. Analyser/hiérarchiser les processus Déterminer les caractéristiques minimales pour prédire les transformations de la MO et les EG au cours du compostage

11 11 Axe 1 : Analyser/HiérarchiserAxe 2 : Modéliser Représentation de la dynamique des processus 1 ère étape de calibration Précision du dispositif expérimental (répétabilité) Hiérarchie des effets des facteurs sur les émissions ammonicales Validation à grande échelle et étude de la reproductibilité IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Démarche de thèse Axe 0 : Observations

12 12 Observations : jeu de données initial Axe 2ConclusionIntroductionAxe 1 Diversité des produits d’élevage - Volume total: 1.33m 3 - Masse par tas : 400 à 1100 kg Situations étudiées contrastées

13 Dispositif expérimental 13 Axe 2ConclusionIntroductionAxe 1 Diversité des situations observées dans les mêmes conditions

14 Cinétiques d’émissions ammoniacale et de température 14 Axe 2ConclusionIntroductionAxe 1 Situations contrastées Cinétiques contrastées Exemples de cinétiques de 8 tas

15 15 Axe 1 : Comprendre/HiérarchiserAxe 2 : Modéliser Représentation des processus 1 ère étape de calibration Précision du dispositif expérimental (répétabilité) Hiérarchie des effets des facteurs sur les émissions gazeuses Validation à grande échelle et étude de la reproductibilité IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Démarche de thèse Axe 0 : Observations

16 16 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Axe 1 : Analyser/Hiérarchiser Objectifs : –Evaluer la répétabilité des mesures acquises dans le dispositif expérimental –Analyser la hiérarchie des caractéristiques initiales qui influencent les émissions d’ammoniac

17 Expérimentation répétabilité - Méthodes -Conditions de fortes émissions (fortes porosité et teneur en azote ammoniacal) -3 tas répétés (21% de paille de blé, 79% de lisier de porc) -Masse initiale : 517.4±0.4 kg, Volume initial : 1.33 m 3 17 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Caractéristiques des andains Plan d’expérience Mesures continues observées dans le même dispositif expérimental -Températures internes (haut, cœur, bas, côté) -Gaz : CO 2, NH 3, H 2 O

18 Expérimentation répétabilité – Résultats majeurs (1) 18 -Températures à cœur répétables (CV max = 3% durant la phase thermophile) ab Température à cœur des 3 répétitions IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Cinétiques de températures Cinétiques d’émissions de N-NH 3 des 3 répétitions -Temps caractéristiques des émissions identiques (pics d’émissions diffèrent de 5h) -Amplitude du pic d’émission : écart 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 ) Cinétiques d’émissions gazeuses

19 C-CO 2 H 2 O N-NH 3 19 Pertes de carbone, d’eau et d’ammoniac après 3 semaines de compostage selon la méthode de mesure Expérimentation répétabilité – Résultats majeurs (3) IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Bilans de masse Variabilité des mesures d’EG Variabilité des bilans de masse > Pertes par bilan de masse Perte par mesure des EG >

20 20 Expérimentation répétabilité – Conclusions IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Répétabilité des : -Cinétiques de température-Bilans de masse et d’émissions gazeuses Pertes élémentaires identiques Vitesses des processus identiques Ecarts observés entre les différentes situations imputés aux différences de pratiques

21 Etude de la variabilité des émissions ammoniacales (1) ‐Comprendre les effets combinés des facteurs clés du compostage ‐Discuter de l’influence de ces variables ‐Hiérarchiser les effets majeurs à représenter en modélisation dynamique 21 ‐Utilisation du modèle statistique (calcul d’émissions cumulées à 60 jours) ‐Scénarios basés sur le choix de 4 variables : C biodeg, N disp, DM d, W C (C/N fixes) ‐4 jeux de simulations à partir de 4 couples (C biodeg, N disp ) IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Objectifs Méthodes (C-, N-) (C+, N-) (C-, N+) (C+, N+)

22 22 Légende : densité MS en kgMS/m 3 de compost : □ 100, ◊ 150, Δ 200, ○ 240 Etude de la variabilité des émissions ammoniacales (2) IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion • N- diminue l’émission • C+ diminue l’émission • la DM d diminue l’émission

23 Conclusions Etude de la variabilité des émissions ammoniacales (3) -Densité de matière sèche (réduction de l’émission jusqu’à 90%) -Biodégradabilité du carbone (réduction de l’émission jusqu’à 45%) -Humidité (réduction de l’émission jusqu’à 30%) -Disponibilité de l’azote (réduction de l’émission jusqu’à 25%) 23 ‐Les caractéristiques physiques ont plus d’influence que les caractéristiques biochimiques sur les émissions ammoniacales ‐Les effets ne sont pas dissociables ‐Les variables nécessaires à prendre en compte pour prédire les émissions ammoniacales sont : DM d, HR, C biodeg, N disp ‐Question en suspens : La modélisation dynamique de ces variables est-elle suffisante pour prédire les émissions ammoniacales ? IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Résultats : hiérarchie des effets

24 Axe 1 : Conclusions • Le procédé de compostage est répétable pour une même situation de départ mais avec des différences pour les variables considérées : -Emissions gazeuses : CV max de 3 à 11% pour CO 2, H 2 O et NH 3 -Température : CV max de 7,5% -Bilans de masse : CV max de 1 et 5% pour les défauts de bilan de C et H 2 O • Hiérarchie des effets : caractéristiques physiques > caractéristiques chimiques • Le modèle statistique explore un jeu de donné limité en terme de domaine de validité (conditions contrôlées), il ne permet pas d’inclure les fluctuations du climat 24 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion  Production d’un modèle dynamique pour étudier des situations de compostage contrastées et leurs évolutions dans le temps  Si des variations dépassent ces valeurs, la différence peut être imputée aux contrastes entre les situations de compostage

25 25 Axe 1 : Comprendre/HiérarchiserAxe 2 : Modéliser Représentation de la dynamique des processus 1 ère étape de calibration Précision du dispositif expérimental (répétabilité) Hiérarchie des effets des facteurs sur les émissions gazeuses Validation à grande échelle et étude de la reproductibilité IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Démarche de thèse Axe 0 : Observations

26 26 Modélisation dynamique du compostage IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Objectifs : –Représenter l’incidence de la disponibilité du carbone et de l’azote, de l’humidité et de la porosité sur les cinétiques de transformations de la MO, de température et d’émissions gazeuses –Développer un outil d’optimisation du procédé (enjeux industriels, agronomiques et environnementaux)

27 27 Structure générale du modèle Hypothèse générale de modélisation : andain homogène Module biodégradation Module thermique Module porosité Module azote Processus majeurs représentés : -Dégradation de la MO -Production de CO 2 Objectifs de modélisation : -Stabilisation de la MO -Spécifications du produit Processus majeurs représentés : -Echanges thermiques (évolution de la température) -Vaporisation de l’eau Objectifs de modélisation : -Stabilisation de la MO -Spécifications produit (composition et hygiénisation) Processus majeurs représentés : -Diffusion gazeuse -Aération naturelle Objectifs de modélisation : -Impact environnemental -Impact des facteurs environnementaux Processus majeurs représentés : -Production et volatilisation de NH 3 -Organisation de l’azote -Nitrification/Dénitirification Objectifs de modélisation : -Spécifications du produit -Stabilisation de l’azote -Impact environnemental IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion

28 -DCO non mesurée sur les échantillons DCO totale = f(S VS, HC VS, C VS, L VS ) -Compartiments de MO exprimés en gDCO (potentiel énergétique, rendements constants ) X RB X SB XIXI SRSR XhXh H2OhH2Oh CO 2 O 2,biofilm k HR k HS Y H2Oh µhµh Y CO2h 1 - f Iaero f Iaero YhYh IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Module biodégradation Structure du module Processus représentés Hydrolyses Croissance hétérotrophe : -Production de biomasse -Consommation O 2 -Production de CO 2 -Production H 2 O métabolique Décès cellulaire (stabilisation MO) Remarques -Représentation basée sur les modèles existant décrivant la biodégradation de la MO (ASM : Henze et al., 2000 ; Sole-Mauri, 2007; Vlyssides et al., 2009…) 28 bhbh

29 µhµh HEHE O 2E O 2,por O 2,biofilm H stockée O 2S HSHS H 2 O vap peff O2 partLat 1-partLat, U Q air IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Modules thermique/porosité (1) Structure des modules Processus représentés Production de chaleur biologique Evaporation de l’eau Pertes convectives/conductives Aération naturelle Diffusion de l’oxygène Remarques -Débit d’air Q air : « effet cheminée » -Partage chaleur latente/sensible 29 -Cinétique T int : résultante bilan de chaleur -Cinétique T haut : température calculée à partir du flux d’évaporation d’eau -Simplification de la diffusion d’O 2

30 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Modules thermique/porosité (2) Calcul du débit d’air Emissions d’eau : partage chaleur sensible/latente -Débit d’air Q air = f(K,  T V ) -Coefficient de perméabilité K = f(porosité) -Partage chaleur latente/sensible : 30

31 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 µhµh µaµa 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 représentés Remarques Hydrolyses Croissance hétérotrophe Croissance autotrophe Décès microbien Dénitrification -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 représentation de la volatilisation ammoniacale -Intégration des processus des transformations de l’azote -Couplage avec les 3 autres modules

32 Originalité : 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 µ h partLat µ h Y CO2h µ h Représentation schématique Remarques O 2,por NH 3,g pIntLG -Système triphasique (solide, liquide, gaz) -Andain homogène -Quantités de C, N, H 2 O, MS dans l’andain calculées par défaut de bilan -Conservation P, K -  MO = α.  MS ProcessusFacteurs limitants HydrolysesHumidité, surface réactionnelle Croissance hétérotropheHumidité, DCO, azote, O 2, T Croissance autotropheHumidité, azote, O 2, T DécèsTempérature VolatilisationTempérature, humidité NitrificationHumidité, azote, O 2, T DénitrificationNitrates, Température Flux d’air entrant/sortantTempérature, porosité Diffusion oxygèneTempérature, porosité 32

33 Paramétrage et calibration : méthodes (1) 33 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Caractéristiques modèle -Vensim® -Pas de temps horaire -Sorties : -Composition (DCO, MS, MO, C, N, P, K) -Caractéristiques physiques (T, volume, densité…) -EG : CO 2, H 2 O, NH 3, N 2 O, N 2 55 paramètres Génériques (41) Spécifiques de la situation de compostage (14) Calibration à partir des mesures d’EG (NH 3, CO 2, H 2 O, N 2 O) et de T du jeu de données initial

34 Paramétrage et calibration : méthodes (2) 34 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Choix de 4 situations contrastées pour comparer les valeurs observées et simulées Les tas B, F, G et K représentent la diversité des situations expérimentales

35 Paramètres dépendant de la situation de compostage nécessaires : -la teneur initiale en biomasse microbienne et le fractionnement initial de la MO (4 paramètres) -les paramètres d’affaissement du tas, de liaison de l’eau, de diffusion d’oxygène (3 paramètres) Paramétrage et calibration : résultats (1) 35 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Emissions de H 2 O (ou de CO 2 ) Module biodégradation : Simulation correcte de la perte de C (temps, cumuls, amplitudes) Modules thermique et porosité : Simulation correcte de la perte d’eau

36 36 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Paramétrage et calibration : résultats (2) Cinétique de température interne (rouge = simulée) • Simulation correcte de la température lors de la phase thermophile • Sous estimation lors de la phase de décroissance Paramètre dépendant de la situation de compostage nécessaire : -coefficient global d’échange de chaleur sensible (pertes conductives) • Indications pour le retournement • Hygiénisation sous- estimée

37 37 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Paramétrage et calibration : résultats (3) Emissions de NH 3 Module azote : • Simulation correcte de l’émission de NH 3 (temps, cumuls, amplitudes) • Discrimination des situations de compostage émettrices Paramètres dépendant de la situation de compostage nécessaires : -le fractionnement initial de l’azote (3 paramètres) -le coefficient d’échange surfacique entre le NH 4 + et le NH 3,g

38 38 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Paramétrage et calibration : résultats (4) Emissions de N 2 O Module azote : • Simulation imparfaite de la cinétique d’émission de N 2 O • Estimation acceptable du cumul (<1% aux pertes de N-NH 3 ) Paramètres dépendant de la situation de compostage nécessaires : -la part de N 2 O émis sur l’ammonium nitrifié -la fraction maximale de N 2 O émis lors de la dénitrification

39 Température Oxygène Humidité 39 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Paramétrage et calibration : résultats (5) Exemples de fonctions de limitation (couplage entre les modules) Intérêts du modèle dynamique : -Complémentarité des sorties calculées simultanément -Compréhension des processus expliquant les sorties calculées Outil de gestion et d’optimisation du compostage d’effluents d’élevage B B F F G G F G Azote disponible B F G K K K B F G K

40 Axe 2 : Modélisation - Conclusions • Production d’un modèle robuste dynamique intégrant la complexité du compostage : 40 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion ‐Sorties du modèle : stabilisation de la MO, les EG (CO 2, H 2 O, NH 3, N 2 O, N 2 ) la masse et la composition du compost final (MS, MO, C, N, P, K…) ‐Complémentarité des sorties : appréhension des processus limitant des actions à mener sur l’andain (retournement, humidification, rajout de matériaux) selon les objectifs désirés (séchage, conservation de l’azote, stabilisation…) ‐Limitation : connaissance nécessaire des valeurs paramètres spécifiques

41 Axe 2 : Modélisation - Conclusions • La représentation choisie permet de s’adapter et de comprendre la diversité des situations de compostage d’effluents d’élevage. 41 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion 14 paramètres spécifiques des situations -Les transformations de C & N sont déterminées par 7 paramètres: tDCO b0, tX h0, tSR 0, rRS ; tNX I0, tN av0, rNRS -Les émissions de H 2 O, NH 3, N 2 O sont déterminées par 7 paramètres spécifiques du substrat et décrivant le volume du tas : U, pH 2 O liée, p aff, peff O2, pN 2 O nit, pN 2 O denit Caractéristiques minimales pour l’utilisation du modèles Etat initial de l’andain à renseigner : -Masse totale, volume, densité -tMS, tMO, tC, tN -fractionnement VanSoest (calcul DCO totale)

42 42 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Résultats de thèse Axe 1 : Analyser/Hiérarchiser Précision du dispositif expérimental (répétabilité) Hiérarchie des effets des facteurs sur les émissions ammoniacales Incertitude de répétabilité : émissions gazeuses (CV max = 11%) > bilan de masse (Cv max = 5%) Diminution des émissions ammoniacales : Densité > Biodégradabilité du carbone > Humidité > Disponibilité De l’azote

43 43 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Résultats de thèse Axe 2 : Modéliser Représentation dynamique du procédé de compostage : -Impact environnementale -Valeur agronomique -Choix opérationnels -Représentation dynamique robuste : Cinétiques des sorties ajustées aux observations -Diversité des processus représentés et donc des sorties pour les utilisateurs (CO 2, H 2 O, NH 3, N 2 O, température, DCO et stabilité, bilans de masse, interactions entre processus) -Outil de compréhension par l’analyse des cinétiques et des fonctions de limitation -Outil opérationnel : nécessité d’apporter de la connaissance sur la valeur des paramètres spécifiques de la situation de compostage

44 44 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion 1. Calibration des paramètres d’initialisation Perspectives Optimisation du procédé Typologie des substrats (SPIR, T°C) Outil prédictif 4. Recalibration en dynamique par des capteurs sur site Expérimentations (conditions contrôlées, plateforme, champs) Modèle dynamique (valeur fertilisante, autres gaz) 2. Validation des prédictions 3. Protocoles d’acquisition de la valeur des paramètres spécifiques

45 Merci de votre attention ! Et un grand merci à toute l’équipe d’encadrement! 45

46 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Paramétrage et calibration : résultats (6) Erreurs types des sorties du modèle ‐Calibration du modèle sur les émissions gazeuses : meilleure estimation des pertes gazeuses que du bilan de masse ‐ER sur la teneur en azote total fort :  ER sur l’estimation de la masse brute importante (jusqu’à 30%)  Sous-estimation de la perte d’azote 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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