Fractionnement de l’azote

(FC

. VS

)

où FC_i sont les facteurs de conversion respectifs de chaque fraction Van Soest VS_i.

Tableau XV. Calcul des facteurs de conversion de DCO

Fraction Equation de dégradation DCOC (1) MFD (2) FC (3)

SVS C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O 0.192 0.180 1.07

HCVS C5H8O4 + 5O2 5CO2 + 4H2O 0.160 0.132 1.21

CVS C6H10O5 + 6O2 6CO2 + 5H2O 0.192 0.162 1.19

LVS C9H13O3 + 43/2O2 9CO2 + 13/2H2O 0.344 0.169 2.04

(1) DCO consommée (kgDCO).

(2) Masse molaire de la fraction dégradée (kgMS mol^-1). (3) Facteur de conversion (kgDCO/kgMS).

Le paramètre pDCO_b0 représente la proportion de DCO biodégradable initiale dans la DCO

totale initiale, à partir de laquelle est déterminée la proportion initiale de DCO inerte (pX_I0)

([eq. 93]). Le rapport rRS représente le rapport initial de DCO rapidement biodégradable sur la DCO lentement biodégradable ([eq. 92]), à partir de laquelle seront déterminées les

proportions initiales de DCO rapidement et lentement biodégradables (pXRB0 et pXSB0,

respectivement) :

[eq. 92]

rRS=^X

X

Les paramètres pSR0 et pXh0 correspondent aux proportions initiales de DCO sous forme de

substrat disponible à la croissance microbienne et de biomasse hétérotrophe, respectivement. A partir de l’ensemble de ces paramètres, le fractionnement initial est calculé :

[eq. 93]

^pX

= 1 pDCO

[eq. 94]

pDCO

= pX

+ pX

+ pS

+ pX

4.7.2 Fractionnement de l’azote

La même démarche est appliquée pour le fractionnement de l’azote. Les paramètres pNXI0,

la croissance microbienne ainsi qu’à la proportion initiale entre l’azote rapidement et lentement biodégradable. L’initialisation de la quantité d’azote dans la biomasse hétérotrophe

est calculée à partir de la teneur en azote de la biomasse tNXh (cf. 4.5.2.1). La quantité d’azote

initiale contenue dans la biomasse autotrophe est considérée comme proportionnelle à celle de

la biomasse hétérotrophe. Ce rapport de proportionnalité rXa est défini. Le fractionnement

initial de l’azote est calculé par les mêmes équations que le fractionnement de la MO, en considérant le bilan global suivant :

[eq. 95]

pNX

+ pNX

+ pNX

+ pN

+ pNX

+ pNX

=1

Le fractionnement est calculé à partir de l’azote total Kjeldhal. L’initialisation du compartiment nitrate est déterminé à partir de l’analyse nitrate de la matière.

4.8. Conclusion

Un modèle dynamique de transformation de la matière organique et des principales émissions

gazeuses (CO₂, H₂O, NH₃, N₂O, N₂) a été développé. Il associe des relations théoriques

décrivant des processus bien expliqués dans la littérature et des relations empiriques développées à partir de connaissances acquises expérimentalement. Il conduit ainsi à calculer des variables difficiles ou coûteuses à observer : fonctions de limitation des processus

microbiens ; fractions de N₂O issues de la nitrification ou de la dénitrification ;

fractionnement de la matière organique en compartiments plus ou moins biodégradables. Pour faciliter la démarche de modélisation et la compréhension des processus en jeu, le modèle a été découpé en quatre sous modules décrivant la biodégradation de la MO, les échanges thermiques, la diffusion de l’oxygène ainsi que les transformations de l’azote. Le modèle représente une aération naturelle de l’andain, provoquée par la montée en température et en humidité de l'air intérieur, liée à l’oxydation biologique de la matière. Le couplage entre les différents modules est assuré directement par des fonctions de limitation des processus clés et indirectement par certaines variables. Par exemple, les croissances microbiennes hétérotrophe et autotrophe sont limitées directement par la disponibilité de l’azote, la quantité d’oxygène dans le biofilm, l’humidité et la température. La volatilisation ammoniacale est

directement limitée par l’humidité et la température, et indirectement par la porosité qui détermine le renouvellement d’air et donc la diffusion gazeuse.

La représentation adoptée considère l'andain comme un volume homogène avec des processus répartis dans l'ensemble du volume. En réalité, on sait que l'andain devient hétérogène au cours du compostage : les cinétiques de température, l’humidité, l’oxygénation et plus généralement les teneurs en gaz et la composition de la matière varient spatialement. L’hypothèse forte d’homogénéité a entraîné des écarts importants entre les courbes simulées et observées lors des simulations intermédiaires nécessaires au développement du modèle, principalement lors de la décroissance du pic thermophile et des émissions gazeuses. Pour diminuer cet écart, la représentation finale des phénomènes proposée intègre l'hétérogénéité de façon détournée. Par exemple, la température en haut de l’andain a été calculée à partir des émissions de vapeur d’eau. Cette température est utilisée avec la température à cœur simulée pour calculer le renouvellement d’air ainsi que la volatilisation ammoniacale. Sans cet ajout, le débit d’air sortant et donc les pertes ammoniacales étaient surestimées. De même, des processus ont lieu sur la périphérie de l’andain, comme la nitrification lors de la phase thermophile par exemple. Ainsi, dans la représentation choisie, la nitrification n’est pas limitée par la température à cœur, mais par la température de surface, considérée égale à la température ambiante. Pour améliorer la représentation de la nitrification et les émissions de

N₂O, il peut devenir utile de calculer une température de surface, comme 3^ème température

caractéristique de l’andain, en tenant compte des variations de température à cœur et de l'air extérieur. L’autre exemple majeur de la prise en compte de l’hétérogénéité est la

représentation de la diffusion de l’O2 disponible pour la croissance microbienne, inférieure à

l'apport via le flux d'air convectif.

Cette représentation conduit à des paramètres supplémentaires dont le calage s’avère nécessaire, pour chaque nouvelle situation de compostage. Nous avons fait l'hypothèse que cette simplification est plus opérationnelle pour représenter le compostage à la ferme que la caractérisation et la représentation tridimensionnelle des processus de compostage, représentation peu développée encore dans la littérature.

Le modèle contient 55 paramètres. Seuls 14 sont spécifiques de la composition de la matière initiale et de la situation de compostage. Les chapitres suivants présentent la démarche de calibration et discutent la sensibilité et l’utilisation possible du modèle dans son état actuel.

Chapitre 5