Calibration du modèle ADM1

Le tableau VI.1 et la figure VI.2 comparent, pour le lisier digéré, les valeurs simulées par

l’utilisation du modèle non-calibré et les valeurs expérimentales. Ces résultats font référence à

la configuration du digesteur au cours de la phase 1, c'est-à-dire non couplé au réacteur

aérobie/anoxique.

Tableau VI.1 : Comparaison des caractéristiques du lisier digéré issues du pilote et du modèle au cours de

la phase 1 (paramètres par défaut)

Paramètres Valeurs simulées

NTK (kgN.m

^-3

) 3,6

0,1

3,5

NH

₄⁺

(kgN.m

^-3

) 2,7

0,0

2,5

DCO totale (kgO

₂

.m

^-3

) 38,2

3,7

33,3

DCO soluble (kgO

₂

.m

^-3

) 10,9

1,2

4,4

AGV (kgO

₂

.m

^-3

) 0,9

0,4

0,0

Ac acétique (kgO

2

.m

^-3

) 0,4

0,2

0,0

Ac propionique (kgO

₂

.m

^-3

) 0,5

0,2

0,0

Ac butyrique (kgO

2

.m

^-3

) 0,0

-

0,0

Valeurs

expérimentales

D’une part les résultats du tableau V1.1 montrent une bonne corrélation entre les valeurs

simulées et expérimentales concernant l’azote totale.

Les résultats du tableau VI.1 soulignent également une surestimation des cinétiques de

dégradation issues du modèle, et notamment en ce qui concerne la fraction soluble incluant

CemOA

: archive

ouverte

d'Irstea

les AGV. La conséquence est une sous-estimation par le modèle de la concentration en DCO

soluble et en AGV du lisier.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Temps (j) V C H⁴ c u m u lé ( N L )

Production modèle Production pilote

Figure VI.2 : Comparaison du volume cumulé de CH

4

produit pendant un cycle sur le pilote et sur le

modèle par défaut au cours de la phase 1

De même la figure VI.2 indique que cela conduit à une surestimation de la production de

méthane, et une mauvaise représentation de la dynamique de production. La teneur en

méthane, de l’ordre de 60%, est cependant correctement prévue par le modèle.

Un décalage important existe donc entre les valeurs simulées et les résultats

expérimentaux. Ceci est lié à l’utilisation de paramètres par défaut du modèle, c'est-à-dire non

calibrés pour les conditions de fonctionnement du pilote DIGESTAERO. Un ajustement de

ces paramètres est donc nécessaire. Cependant, au vue du nombre important de paramètres à

calibrer, il est important de mettre en place une stratégie de calage se basant sur l’étude de

sensibilité préalablement réalisée. Pour mémoire, les conclusions de cette étude ont permis de

souligner l’importance des paramètres régissant l’acidogenèse des sucres, l’acétogenèse du

propionate et la méthanogenèse acétotrophe. L’inhibition par l’ammoniac peut également se

révéler un point clé de la calibration.

VI.1.2.1 Méthodologie de calibration du modèle

Bien qu’il n’existe pas dans la littérature de consensus concernant le calage du modèle

ADM1, plusieurs stratégies peuvent être répertoriées (Girault, 2008).

La première stratégie repose sur un calage à partir de données pilote relevant d’un régime

pseudo-permanent (Lübken et al., 2007, Boubaker & Ridha, 2008, Wichern et al., 2008). Afin

de caler les couples k

_m

/K

_S

, cette stratégie nécessite des cinétiques de production de biogaz

variables, ce qui n’est pas le cas pour le pilote DIGESTAERO. De plus, avec cette méthode,

seule la cinétique de méthanogenèse pourrait être calée. Les résultats de la calibration ne

CemOA

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ouverte

d'Irstea

pourraient alors pas être transposés dans le cas d’une variation du temps de séjour de par son

incidence sur la dynamique des production de biogaz.

La deuxième stratégie repose sur la calibration de la production de méthane consécutive à

un ajout ponctuel d’AGV dans le digesteur (Batstone et al., 2003, Kalfas et al., 2006). Ce type

de stratégie nécessite une durée d’expérimentation importante à cause notamment d’un retour

à l’état d’équilibre relativement long (3 fois le temps de séjour). De plus, pour être exploitable

les résultats doivent être obtenus durant un régime continu ou batch. Bien qu’elle soit la plus

intéressante pour calibrer chaque étape de la digestion anaérobie, cette stratégie est cependant

difficile à mettre en œuvre dans le cas du pilote DIGESTAERO. En effet, des ajouts d’AGV

ont été testés sur le pilote mais la lenteur des dynamiques de dégradation n’a pas permis

d’observer des changements pertinents pour la modélisation.

Une stratégie alternative, proposée par Girault (2008) et inspirée de celle utilisée par

Batstone et al. (2003) et Kalfas et al. (2006), consiste à réaliser un calage du modèle à partir

de données issues de tests méthanogènes en « batch ». Les tests « batch » sont réalisés selon

la méthode de mesure du potentiel méthanogène et à partir de la boue du digesteur à laquelle

un ajout d’AGV ou de glucose seul est effectué. Cet ajout permet ainsi de simuler des pics de

substrat dans des conditions similaires à celles du digesteur. Une fois la calibration sur les

tests batch réalisés, le modèle calé est ensuit confronté aux valeurs expérimentales du pilote.

Pour ce faire, une première simulation du pilote avec les paramètres par défaut permet

d’obtenir les caractéristiques de la boue. A partir de ces caractéristiques, une simulation des

tests « batch » est réalisée. A la suite de l’ajustement des cinétiques sur les tests « batch »,

une nouvelle simulation du pilote permet d’obtenir les caractéristiques de la boue. Le

processus est alors réitéré jusqu’à concordance des caractéristiques simulées et

expérimentales.

VI.1.2.2 Calibration du modèle en condition batch

L’étude de sensibilité a permis de souligner l’importance des paramètres régissant

l’acidogenèse des sucres, l’acétogenèse du propionate, la méthanogenèse acétotrophe et

l’inhibition par l’ammoniac.

Des expérimentations préalablement décrites dans le paragraphe V.2.1 ont permis

d’écarter l’hypothèse d’une inhibition par l’ammoniac dans le digesteur. La constante

d’inhibition K

_{I_NH3}

est donc fixée à une valeur élevée de façon à supprimer cette inhibition

dans le modèle.

Pour étudier les étapes importantes et précédemment citées, des ajouts de glucose, de

butyrate, de propionate et d’acétate ont été effectués.

Ces ajouts de substrat correspondent à un pic de concentration dans le digesteur de 4

kgDCO.m

^-3_réacteur

soit 10 fois la charge journalière moyenne en AGV. Un essai témoin sans

ajout est également réalisé afin de connaitre la production de biogaz liée à la boue. De façon

similaire à la mesure du potentiel méthanogène, les tests ont été incubés à 38°C. La

production de biogaz a été suivie quotidiennement par mesure de pression et analyse en

chromatographie en phase gazeuse.

Le calage grâce aux tests « batch » est obtenu par comparaison des résultats

expérimentaux à la production de méthane simulée exclusivement due à l’ajout de substrat.

Les paramètres ont été ajustés de manière itérative jusqu’à concordance visuelle des courbes

CemOA

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ouverte

d'Irstea

de production de méthane. Les résultats obtenus après calage pour l’acétate, le propionate, le

butyrate et le glucose sont présentés sur la figure VI.3.

La figure VI.3 souligne une bonne corrélation entre les valeurs simulées et expérimentales

pour les substrats l’acétate, le propionate et le glucose. La cinétique du butyrate est

sous-estimée mais au vu de la faible influence de l’acétogenèse du butyrate sur la production de

méthane révélée par l’étude de sensibilité, il n’est pas utile d’aller beaucoup plus loin dans le

calage.

Conformément aux conclusions de l’étude de sensibilité, cette corrélation donc a été

réalisée par l’ajustement des paramètres liés à l’acidogenèse des sucres, l’acétogenèse du

propionate et des C

₄

et la méthanogenèse acétoclaste. Les paramètres ajustés sont présentés

dans le tableau VI.2.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 2 4 6 8 10 12 Temps (j) V C H⁴ c u m u lé ( N L )

Modélisation acétate Modélisation propionate Modélisation butyrate Modélisation glucose Expérimentation acétate Expérimentation propionate Expérimentation butyrate Expérimentation glucose

Figure VI.3 : Comparaison des courbes de production de méthane simulées et expérimentales pour

l’acétate, le propionate, le butyrate et le glucose

L’ajustement du k

m_su

et du K

S_su

fait évoluer leur valeur respectivement de 70 à 11

kgDCO

_su

.kg

^-1

DCO

_biom.

.j

^-1

et de 1 à 1,8 kgDCO

_su

.m

^-3

. La cinétique globale (k

_m

/K

_S

) résultant de

ces modifications est diminuée de 10 fois. Bien qu’il n’existe pas de valeur comparative dans

la littérature, cela va dans le sens de la revue critique du modèle ADM1 réalisée par Batstone

et al. (2006) qui souligne une mauvaise représentation de la régulation de la dégradation du

glucose en digesteur. Dans ce cas, la modification porte donc sur l’ajustement de la cinétique

apparente de la dégradation mais ne résout pas le problème de représentativité des voies

métaboliques.

L’ajustement du k

_{m_ac}

et du K

_{S_ac}

fait évoluer leur valeur respectivement de 22 à 7

kgDCO

_ac

.kg

^-1

DCO

_biom.

.j

^-1

et de 1,17 à 1,5 kgDCO

_ac

.m

^-3

. La cinétique globale (k

_m

/K

_S

)

résultant de ces modifications est diminuée de 5 fois. A titre de comparaison, Wichern et al.

(2008) pour du lisier bovin et à 38°C proposent un k

_m

de 4,2 kgDCO

_ac

.kg

^-1

DCO

_biom.

.j

^-1

.

L’ajustement du k

_{m_pro}

et du K

_{S_pro}

fait évoluer leur valeur respectivement de 6,8 à 18

kgDCO

pro

.kg

^-1

DCO

biom.

.j

^-1

et 0,335 à 0,6 kgDCO

ac

.m

^-3

.

CemOA

: archive

ouverte

d'Irstea

D’une manière générale, le calage a porté sur la diminution des constantes de

consommation des substrats (k

m

) et l’augmentation des constantes de demi-saturation pour le

substrat (K

_S

). Cela a pour conséquence une baisse des cinétiques de dégradation des substrats

concernés et donc une baisse des vitesses de production de biogaz. Ces résultats sont en

adéquation avec les observations effectuées sur les résultats par défaut du modèle.

Tableau VI.2 : Valeurs ajustées des paramètres de calage de l’ADM1 à la suite des tests batch

Valeurs par

défault ^{Valeurs ajustées}

k

m_su

(j

^-1

) 70 11

K

_{s_su}

_(kgDCO

_su

_.kg

^-1

_DCO

_biom.

_.j

^-1

₎ 1 1,8

k

_{m_ac}

_(j

-1

) 22 7

K

_{s_ac}

_(kgDCO

_ac

_.kg

-1

DCO

_biom.

.j

^-1

) 1,17 1,5

k

_{m_pro}

_(j

-1

) 6,8 18

K

_{s_pro}

_(kgDCO

_pro

_.kg

^-1

_DCO

_biom.

_.j

^-1

₎ 0,335 0,6

k

_{m_c4}

_(j

-1

) 43 15

Paramètres

Il est à noter que les K

S

ajustés présentent des valeurs élevées, ce qui signifie que la

concentration en substrat doit être très importante pour pouvoir atteindre la vitesse maximale

de dégradation du substrat considéré. Cette observation, déjà mise en avant par Batstone et al.

(2003), souligne la possibilité de formation de flocs bactériens dans le digesteur et de la

limitation diffusionnelle des substrats à l’intérieur de ces flocs.

Enfin, ces résultats proposant une variation importante par rapport aux paramètres par

défaut et ayant pour conséquence une diminution des cinétiques de biodégradation des

substrats suggèrent la possibilité de la sélection d’une biomasse adaptée aux gammes de

concentrations élevées en ammonium mais possédant une activité limitée. Cet effet peut

également être imputé à la nature des substrats.

VI.1.2.3 Validation de la calibration sur le digesteur seul

Les tests « batch » ont permis d’obtenir un jeu de paramètres calés présenté dans le

tableau V.7. Une évaluation de ces paramètres par comparaison aux données expérimentales

obtenues sur pilote est donc nécessaire pour valider le calage du modèle ADM1. Cette

validation est effectuée sur les paramètres de sortie expérimentaux ou simulés du digesteur.

Les résultats sont présentés dans le tableau VI.3. Une comparaison des productions

expérimentales et simulées de méthane dans le digesteur est également réalisée. Les résultats

sont présentés dans la figure VI.4.

Ces résultats illustrent une bonne corrélation entre les résultats simulés et expérimentaux.

Néanmoins, à DCO totale équivalente, la concentration simulée en DCO soluble est 2 fois

inférieures à celle mesurée. Parallèlement, la simulation de la teneur en AGV et de la

production de méthane est bien corrélée aux valeurs expérimentales. Les cinétiques de

biodégradation sont donc globalement bien représentées. La différence sur la DCO peut alors

être imputée à l’analyse de la DCO. En effet, la DCO soluble se mesure, selon la méthode

présentée en partie III.2.1, sur le surnageant de centrifugation du lisier. La centrifugation ne

permet donc pas de séparer l’ensemble de la DCO particulaire au sens du modèle ADM1. Il

en résulte donc une surestimation analytique de la DCO soluble au profit de la DCO

particulaire.

CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref

Tableau VI.3 : Comparaison des caractéristiques du lisier digéré sur le pilote et sur le modèle calé au

cours de la phase 1

Paramètres Valeurs simulées

NTK (kgN.m

^-3

) 3,6

0,1

3,5

NH

₄⁺

(kgN.m

^-3

) 2,7

0,0

2,6

DCO totale (kgO

₂

.m

^-3

) 38,2

3,7

37,4

DCO soluble (kgO

2

.m

^-3

) 10,9

1,2

4,1

AGV (kgO

2

.m

^-3

) 0,9

0,4

0,5

Ac acétique (kgO₂.m^-3) 0,4 0,2 0,4 Ac propionique (kgO₂.m^-3) 0,5 0,2 0,1 Ac butyrique (kgO₂.m^-3) 0,0 - 0,0

Valeurs

expérimentales

Finalement, à l’aide d’une étude de sensibilité, la méthode alternative de calibration a

permis de définir un jeu de paramètres calés transposable sur le pilote de traitement.

Cependant, son domaine de validité reste restreint et le calage nécessite d’être confronté à

d’autres données expérimentales.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Temps (j)

Dans le document Etude, modélisation et optimisation d'un procédé de traitement des lisiers de porcs par couplage de la digestion anaérobie et du traitement biologique de l'azote (Page 163-168)