Méthode
Dans cette partie, nous souhaitons évaluer si la quantité d’oxygène apportée est suffisante par rapport à la quantité de matière à composter. Selon les données de la littérature, les débits sont, dans la plupart des études, indiqués par tonnes de MS (ex : 𝑚3. 𝑚𝑖𝑛−1. 𝑡−1𝑑𝑒 𝑀𝑆). Ainsi, si nous souhaitons comparer les débits d’aération à ces données bibliographiques, l’évaluation de la quantité de matières sèches à composter est nécessaire. Or nous n’avons pas directement accès à cette donnée. Pour
l’obtenir, nous devons d’abord estimer le volume des andains puis, déterminer la densité apparente du mélange boues/agent structurant et enfin réaliser une mesure des matières sèches.
7.1.1 Volume de l’andain
La forme des andains est représentée sur la Figure 42. Cependant, dans l’objectif de simplifier le calcul du volume des andains, la représentation géométrique des andains a été modifiée (Figure 43).
Figure 42 : forme réelle des andains
Figure 43 : forme simplifiée des andains
Comme le montre la Figure 43, le volume des andains peut être calculé en faisant la somme du volume d’un prisme à base triangle et du volume d’un demi-cône selon l’équation suivante :
𝑉𝑎𝑛𝑑𝑎𝑖𝑛 = 1 2× 𝜋 × ℎ × (𝐿1− 𝐿2)2 3 + 𝑙 × ℎ × 𝐿2 2 (37)
Avec 𝑉𝑎𝑛𝑑𝑎𝑖𝑛 le volume de l’andain (en 𝑚3), ℎ la hauteur (en 𝑚) et 𝑙 la largeur de l’andain (en 𝑚), 𝐿1 et 𝐿2 les longueurs « basse » et « haute » de l’andain (en 𝑚) (Figure 29, page 98). Les dimensions indiquées dans le Tableau 21, nous permettent d’estimer le volume des andains à 98 𝑚3.
7.1.2 Masse volumique apparente du substrat
Pour déterminer la masse volumique apparente (𝜌𝑠𝑢𝑏𝑠𝑎𝑝𝑝 exprimée en 𝑘𝑔. 𝑚−3) nous avons procédé aux étapes suivantes :
- choix d’un contenant utilisé comme volume apparent ;
- calcul du volume (𝑉𝑎𝑝𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡) du contenant et détermination de sa masse vide par pesée (𝑚𝑐𝑜𝑛𝑡𝑒𝑛𝑎𝑛𝑡);
- mesure de la masse de substrat contenue dans le 𝑉𝑎𝑝𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡 (la mesure a été effectuées trois fois);
- calcul de la masse moyenne de substrat contenue dans le volume apparent (𝑉𝑎𝑝𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡) ; - calcul de la masse volumique apparente (𝜌𝑠𝑢𝑏𝑠𝑎𝑝𝑝).
En outre, nous faisons l’hypothèse que l’andain est homogène. Par conséquent nous négligeons l’effet de tassement du matériau entre la base et le sommet de l’andain.
Choix d’un contenant pour la détermination du volume apparent :
Le contenant utilisé comme volume apparent doit être choisi de sorte que l’échantillon qu’il contient soit représentatif de l’andain tout en prenant en considération certaines contraintes pratiques (le contenant ne doit pas être trop grand).
Un contenant en forme de tronc de cône a été sélectionné de sorte à avoir un diamètre et une hauteur plus grands que le plus grand élément de palettes (30 cm de longueur). L’utilisation d’un récipient ayant des dimensions (diamètre et hauteur) 10 fois plus grandes (coefficient conseillé) que le plus grand élément n’était pas envisageable pour des raisons pratiques. En effet, les plus grands bouts de palettes mesurant 30 cm, il aurait été nécessaire d’utiliser un contenant de 3 m de hauteur et de diamètre.
Les dimensions du contenant sont présentées dans le Tableau 34.
diamètre grande section 𝑑𝐺𝑐 (𝑐𝑚) 49,5 ± 0, 01 diamètre petite section 𝑑𝑃𝑐 (𝑐𝑚) 40 ± 0, 01
hauteur ℎ𝑐 (𝑐𝑚) 46,5 ± 0, 01
Tableau 34 : dimensions du contenant
Calcul du volume du contenant et détermination de sa masse vide par pesée : Le volume du contenant ( 𝑉𝑐𝑜𝑛𝑡𝑒𝑛𝑎𝑛𝑡) est calculé selon l’équation (38).
𝑉𝑐𝑜𝑛𝑡𝑒𝑛𝑎𝑛𝑡 =𝜋 × ℎ 12 (𝑑𝐺
2+ 𝑑𝐺× 𝑑𝑃+ 𝑑𝑃2) (38)
𝑉𝑐𝑜𝑛𝑡𝑒𝑛𝑎𝑛𝑡 = 0,0734 ± 0,0005 𝑚3
La masse du contenant vide ( 𝑚𝑐𝑜𝑛𝑡𝑒𝑛𝑎𝑛𝑡) a été déterminée par pesée. 𝑚𝑐𝑜𝑛𝑡𝑒𝑛𝑎𝑛𝑡= 2,76 ± 0,02 𝑘𝑔 Mesure de la masse de substrat dans 𝑉𝑐𝑜𝑛𝑡𝑒𝑛𝑎𝑛𝑡
Le contenant a été rempli à ras-bord avec le mélange boue/palettes puis pesé. Les trois masses d’échantillon obtenues sont notées (𝑚1, 𝑚2 et 𝑚3) et présentées dans le Tableau 35.
masse (kg) incertitudes absolues (kg)
𝒎𝟏 30,78 0,02
𝒎𝟐 28,80 0,02
𝒎𝟑 29,86 0,02
Tableau 35 : masses mesurées des trois échantillons pour la détermination de la masse volumique apparente du substrat
Calcul de la masse moyenne du substrat contenu dans le volume apparent (𝑚𝑠𝑢𝑏𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡): Les masses (𝑚1, 𝑚2 et 𝑚3) nous permettent d’estimer la masse de substrat dans le contenant selon l’équation (39). Les masses relevées (𝑚1, 𝑚2 et 𝑚3) des trois essais permettent d’obtenir leur moyenne présentée dans le Tableau 36.
𝑚𝑠𝑢𝑏𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡 = (𝑚1+ 𝑚2+ 𝑚3) 3 − 𝑚𝑐𝑜𝑛𝑡𝑒𝑛𝑎𝑛𝑡 (39) masse (𝒌𝒈) incertitudes 𝒎𝒐𝒚𝒆𝒏𝒏𝒆 (𝒎𝟏 , 𝒎𝟐, 𝒎𝟑) 29,81 0,02 𝒎𝒄𝒐𝒏𝒕𝒆𝒏𝒂𝒏𝒕 2,76 0,02 𝒎𝒔𝒖𝒃𝒔𝒕𝒓𝒂𝒕 27,05 0,02
Tableau 36 : masse de substrat contenue dans Vcontenant
En appliquant l’équation (39) et en utilisant les données du Tableau 36, nous obtenons une masse de substrat dans le contenant égale à 27,05 ± 0,02 𝑘𝑔.
Calcul de le masse volumique apparente
La masse volumique apparente du substrat composté (𝜌𝑠𝑢𝑏𝑠𝑎𝑝𝑝) est calculée selon l’équation (40): 𝜌𝑠𝑢𝑏𝑠𝑎𝑝𝑝 =𝑚𝑠𝑢𝑏𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡
𝑉𝑎𝑝𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡 (40)
où 𝑚𝑠𝑢𝑏𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡 est la masse de substrat pesée (en kg) et 𝑉𝑎𝑝𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡 le volume apparent de substrat (en 𝑚3
).
𝜌𝑠𝑢𝑏𝑠𝑎𝑝𝑝 = 366 ± 3 𝑘𝑔. 𝑚−3
7.1.3 Masse d’un andain
La masse d’un andain est calculée à partir de l’équation (41):
𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎𝑖𝑛= 𝜌𝑠𝑢𝑏𝑠𝑎𝑝𝑝 × 𝑉𝑎𝑛𝑑𝑎𝑖𝑛 (41)
𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎𝑖𝑛= 36 ± 3 𝑡𝑜𝑛𝑛𝑒𝑠
7.1.4 Masse de matières sèches par andain
La masse de matière sèches (MS) contenue dans un andain en début de fermentation est calculée selon l’équation (42) :
𝑚𝑀𝑆,𝑎𝑛𝑑𝑎𝑖𝑛= 𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎𝑖𝑛×(100 − 𝐻)
100 (42)
La teneur en eau 𝐻(%) intervenant dans l’équation (42) a été fixée comme étant la moyenne des teneurs en eau initiales des andains suivi, soit 𝐻 = 64%.
𝑚𝑀𝑆,𝑎𝑛𝑑𝑎𝑖𝑛 = 13 ± 1 𝑡 𝑑𝑒 𝑀𝑆 𝑝𝑎𝑟 𝑎𝑛𝑑𝑎𝑖𝑛
Nous pouvons estimer que chaque andain en début de fermentation contient environ 13 tonnes de matières sèches (soit environ 1/3).
7.1.5 Mesure du débit d’aération
Le débit d’aération a été déterminé par mesure de la vitesse de l’air dans la conduite de sortie du ventilateur (diamètre de la conduite 125 mm) (Tableau 37). Cette vitesse a été mesurée à l’aide d’un anémomètre possédant une incertitude de mesure de 0,1 m/s.
position de l’anémomètre dans la section de passage de la conduite
haut milieu bas
vitesses relevées (m/s) 12,9 13,1 13,9 13,1 12,8 13,8 13,3 13,2 14,0 13,5 13,3 13,1 13,0
moyenne des vitesses pour chaque
position de l’anémomètre (m/s) 13,2 13,1 13,9
𝒗𝒂𝒊𝒓 (𝒎. 𝒔−𝟏) 13,4
Tableau 37 : mesure de la vitesse de l'air dans la conduite de sortie du ventilateur
A partir de la vitesse mesurée, le débit d’aération peut être déterminé selon l’équation (43). 𝑄𝑎𝑖𝑟 = 𝑆𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑖𝑡𝑒× 𝑣𝑎𝑖𝑟 (43)
Avec 𝑆𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑖𝑡𝑒 (en 𝑚2), la section de la conduite calculée à partir de l’équation (44) : 𝑆𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑖𝑡𝑒 =𝜋 × 𝑑𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑖𝑡𝑒
2
4 (44)
Enfin, en rapportant le débit d’aération à la quantité de matières sèches en début de fermentation, nous obtenons l’équation (45). Cette équation fait apparaitre un coefficient 2 au dénominateur afin de prendre en compte le séquençage de l’aération (30 minutes d’aération pour 30 minutes d’arrêt).
𝑄𝑎𝑖𝑟𝑀𝑆 = 𝑄𝑎𝑖𝑟
2 × 𝑚𝑀𝑆,𝑎𝑛𝑑𝑎𝑖𝑛 (45)
Résultats
Les résultats permettant la détermination du débit d’aération par tonnes de matières sèches sont synthétisés dans le Tableau 38. Le Tableau 39 présente quelques débits d’aération issus des données de la littérature. Le calcul du débit d’air traversant l’andain est de 0,38 𝑚3. 𝑚𝑖𝑛−1. 𝑡−1𝑑𝑒 𝑀𝑆. Ce débit calculé est inférieur aux gammes de débit indiquées par Mustin (Mustin 1987). Cependant, les débits indiqués par Mustin ne sont pas spécifiques au compostage de boues d’épuration avec un système d’aération par aspiration. Shammas et Wang (2007) indiquent dans leur ouvrage des débits plus faibles pour une installation de compostage possédant un système d’aération par aspiration tandis que Yuan et al. (2016) ont estimé un débit optimal de 0,2 𝑚3. 𝑚𝑖𝑛−1. 𝑡−1𝑑𝑒 𝑀𝑆 pour du co-compostage de boues d’épuration. Le débit d’aération fixé à la STEU d’Aureilhan semble donc correct en comparaison des données bibliographiques applicables au compostage de boues. Ainsi, bien que le débit d’aération fixé à la STEU d’Aureilhan soit du même ordre de grandeur que les valeurs indiquées dans le Tableau
39, il semble néanmoins que celui-ci reste supérieur (1,5 à 1,9 fois supérieur) à la plupart de ces valeurs, et notamment celles concernant le compostage de boues (Yuan et al. 2016, S. Li et al. 2017). Or, si une aération suffisante des andains est cruciale pour garantir des concentrations en O2 optimales, une aération trop élevée peut engendrer d’importantes pertes thermiques. Ainsi, Shammas et Wang (2007) préconisent une diminution de l’aération dans le cas où les températures lors de l’étape de fermentation sont insuffisamment élevées.
𝒗𝒂𝒊𝒓 13,4 𝑚. 𝑠−1 𝒅𝒄𝒐𝒏𝒅𝒖𝒊𝒕𝒆 125 𝑚𝑚 𝑺𝒄𝒐𝒏𝒅𝒖𝒊𝒕𝒆 0,012 𝑚2 𝑸𝒂𝒊𝒓 0,16 𝑚3. 𝑠−1 𝒎𝑴𝑺,𝒂𝒏𝒅𝒂𝒊𝒏 13 𝑡 𝑸𝒂𝒊𝒓𝑴𝑺 0,38 𝑚3. 𝑚𝑖𝑛−1. 𝑡−1𝑑𝑒 𝑀𝑆
Tableau 38 : débit d'air en fonction de la quantité de matières sèches à composter en début de fermentation
Référence débit d’aération type d’aération substrat composté (Mustin 1987) 0,5 à 1 𝑚3. 𝑚𝑖𝑛−1. 𝑡−1 de MS non précisé donnée générale (Shammas et
Wang 2007) 0,26 𝑚
3. 𝑚𝑖𝑛−1. 𝑡−1 de MS aspiration bio-solides issus de l’assainissement des eaux (X. Li et al. 2008) 0,25 𝑚3. 𝑚𝑖𝑛−1. 𝑡−1 de MS insufflation fumier laitier/paille de riz (Guo et al. 2012) 0,48 𝑚3. 𝑚𝑖𝑛−1. 𝑡−1 de MS insufflation excréments de porc/tige de maïs (Talib et al. 2014) 0,26 𝑚3. 𝑚𝑖𝑛−1. 𝑡−1 de MS insufflation fumier de lapin et grappe de fruit
de palmier
(Yuan et al. 2016) 0,2 𝑚3. 𝑚𝑖𝑛−1. 𝑡−1 de MS insufflation boues d’épuration/ tige de maïs (S. Li et al. 2017) 0,24 𝑚3. 𝑚𝑖𝑛−1. 𝑡−1 de MS insufflation boues d’épuration/tige de maïs (Mejias et al. 2017) 1,1 𝑁𝑚3. 𝑚𝑖𝑛−1. 𝑡−1 de MS 0,7 𝑁𝑚3. 𝑚𝑖𝑛−1. 𝑡−1 de MS 1,28 𝑁𝑚3. 𝑚𝑖𝑛−1. 𝑡−1 de MS insufflation
boues d’épuration (fraîche ou digérées)
fumier de vache/pailles lisier de porc
Tableau 39 : débits d'aération issus de données bibliographiques