Paramètres issus de la calibration basée sur les expérimentations

La calibration via les expérimentations se base sur la comparaison entre les courbes expérimentales et simulées des cinétiques de température interne et d’émissions gazeuses

(CO2, H2O, NH3, N2O). Nous distinguons deux types de paramètres, ceux indépendants de la

situation de compostage (Tableau XVII) et les paramètres dépendants (Tableau XVIII), à fixer en fonction de la nature du substrat et des conditions physiques de l’andain.

Grâce à des études de sensibilité effectuées au cours du développement du modèle, certains paramètres ont été fixés empiriquement, ou à partir de calculs effectués sur les données expérimentales.

Nous avons également utilisé l’algorithme d’optimisation de Vensim® avec des pondérations spécifiques pour chaque cinétique. L’algorithme d’optimisation de Vensim® est basé sur l’algorithme de Powell permettant de minimiser une fonction calculée à partir de plusieurs variables (Powell, 1964). Cet algorithme demande de choisir quels paramètres sont à calibrer afin que les cinétiques simulées se rapprochent le plus des cinétiques expérimentales choisies. Il est possible de choisir quelles cinétiques sont majeures à représenter en leur appliquant des coefficients de pondération. Nous avons utilisé des coefficients plus élevés pour les cinétiques

d’émissions de CO2, H2O et température et plus faibles pour les émissions azotées (NH3 et

N2O) afin de minimiser l’effet de ces dernières sur les paramètres du module biodégradation.

En effet, avec des coefficients de pondération équivalents entre les cinétiques comparées, le module azote avait un impact trop fort sur les résultats de simulation des modules biodégradation et thermique, biaisant fortement les cinétiques de température et d’émissions

de CO₂ et de H₂O. Une forte erreur sur ces émissions entraînerait un biais important sur le

bilan de masse et probablement une erreur dans les estimations de fonctionnement microbien. Quatorze paramètres sont spécifiques des situations de compostage, de part la nature du substrat initial, ou de part la géométrie de l’andain. La nature des substrats influence la composition biochimique de la matière de l'andain ainsi que son activité microbienne initiale. La géométrie de l’andain varie par son dimensionnement et sa structure interne : porosité et granulométrie.

5.2.2.1Paramètres indépendants de la situation de compostage

Les 18 paramètres présentés dans le Tableau XVII ont été fixés à partir de différentes méthodes :

-

7 paramètres ont été calibrés à partir de l’observation des données expérimentales

présentées au paragraphe 2.2,

-

7 l’ont été en utilisant la procédure d’optimisation du logiciel Vensim®,

-

4 paramètres ont été fixés arbitrairement, soit à partir des résultats de simulation du

Le calcul de la perte de MO est effectué à partir du paramètre pMOperte. Pour les 11 tas, nous avons calculé et comparé le rapport entre la perte de MO et la perte de MS via l’émission de

CO2 et la production d’eau métabolique. L’eau métabolique est calculée via le bilan de

matière sèche, en négligeant les pertes liées à l’azote. Ainsi, ce paramètre a pu être estimé à 0,872±0,065 kgMO perdu par kgMS perdu (R² = 0,93). Ce paramètre est fiable puisqu’il englobe 11 situations contrastées de compostage avec des durées différentes (de 30 à 90 jours). Certains paramètres variaient peu avec l’optimisation Vensim. Le modèle est donc peu sensible à ces paramètres. Le calage des courbes expérimentales a donc pu se faire sur d’autres paramètres plus sensibles. En conséquence nous avons choisi des valeurs redondantes

pour kHRref, kHSref, Kmax, KS et pmaxdenit.

Tableau XVII. Valeurs des paramètres calibrés via les expérimentations

Paramètre Unité Valeur Méthode

H1 kgH2O kg^-1 MB 0,2 Modèle statistique H2 kgH2O kg^-1 MB 0,7 Modèle statistique

kHRref h^-1 0,009 Optimisation Vensim

kHSref h^-1 0,003 Optimisation Vensim

Kmax kg air sec h^-1 0,25 Optimisation Vensim Kmin kg air sec h^-1 0,01 Observation des données KO2a kgDCO kg^-1 DCO 0,1 Optimisation Vensim KO2h kgDCO kg^-1 DCO 0,05 Optimisation Vensim KS kgDCO kg^-1 MSI 0,166 Optimisation Vensim partLatmax J J^-1 0,9 Observation des données partLatmin J J^-1 0,2 Observation des données

pH2Osat % 90 Hypothèse

pmaxdenit gN-(N2O+N2)g^-1 N-NO3 j^-1

1 Optimisation Vensim

pMOperte kgMO kg^-1 MB 0,872 Observation des données

rXa - 0,02 Hypothèse

θLB m³ m^-3 0,25 Observation des données

θLH m³ m^-3 0,75 Observation des données YH2Oh kgH2O kg^-1 DCO 0,2 Observation des données

Les seuils d’humidité minimal et optimal pour la croissance microbienne (H1 et H2) ont été

fixés à partir des résultats de simulation du modèle statistique (cf Figure 19). Le seuil minimal a été fixé à 0,2 pour tenir compte des fumiers très secs, notamment en aviculture, qui évoluent au compostage en raison de l’hétérogénéité de la distribution de l’eau dans l’andain. Le seuil optimal a été fixé à 0,7 car c’est la valeur à laquelle on observe l’émission ammoniacale maximale attestant de l’activité microbienne la plus forte.

Le paramètre pH2Osat qui représente la teneur en eau de l’air sortant a été fixé à 90%. On émet

gazeuse contre les parois de la porosité périphérique de l’andain. En effet, la température à la périphérie étant inférieure à la température à cœur, une partie de l’eau vaporisée au cœur de l’andain est donc condensée lorsqu’elle atteint ces zones à plus faible température.

Le paramètre rXa représente un rapport de proportionnalité entre la biomasse hétérotrophe et

la biomasse autotrophe initiale. Nous émettons l’hypothèse que la biomasse autotrophe initiale équivaut à 2% de la biomasse hétérotrophe initiale, permettant ainsi de simplifier la calibration initiale du modèle. Nous avons choisi cette valeur de 2% car il y a une différence de rendement de croissance entre ces deux types de cellules et parce que le rapport DCO/N nitrifié est grand.

5.2.2.2Paramètres dépendant du substrat et de la géométrie de l’andain

Le Tableau XVIII présente l’ensemble des 14 paramètres dépendant de la situation de compostage ainsi que leur gamme de valeurs possibles lors de la calibration automatique par Vensim®.

Les gammes de valeurs ont été choisies sur la base des valeurs extrêmes possibles mathématiquement ou théoriquement, sans prendre en compte les interactions entre processus modélisés. Ainsi la première étape de calibration peut proposer des valeurs incohérentes. A terme, tous les paramètres (notamment les fractions de DCO) devraient être une donnée pour le modèle et non pas être déduites de la calibration. A cette fin, des bases de données indiquant la composition biochimique des effluents pourraient servir à l'estimation des paramètres. Comme la valeur des paramètres dépend de la structure du modèle, des "aller-retour" entre développement du modèle, caractérisation des effluents, comparaison des cinétiques observées et simulées seront nécessaires pour améliorer l'estimation des paramètres et réduire les gammes de variation des valeurs possibles.

Les bornes issues de la littérature ont été fixées à partir de l’analyse des modèles de compostage ou de traitement des effluents (Henze et al., 2000 ; Mason, 2006 ; Pommier et al., 2008 ; Vlyssides et al., 2009 ; Zhang et al., 2012).

Tableau XVIII. Paramètres spécifiques des situations de compostage

Module Paramètre Unité Signification Gamme de valeurs

Origine Biodégradation pDCOb0 % DCO0 Proportion initiale de

DCO biodégradable ^{0,15 - 0,6}

Littérature pXh0 % DCO0 Proportion initiale de

biomasse hétérotrophe

0,001 - 0,05

Littérature pSr0 % DCO0 Proportion initiale de

substrat soluble ^{0 - 0,2}

Littérature rRS - Proportion initiale entre

la MO rapidement et lentement biodégradable initiale

0 - 100%

Extrémums

Thermique U W/K/m² Coefficient global d’échange de chaleur

2100-15000

Littérature pH2Oliée W/W Paramètre d’eau liée 0 – 1 Extrémums Porosité paff - Paramètre d’affaissement

du tas

0 – 1,5 Extrémums théorique peffO2 - Facteur d’efficacité de

l’oxygène 0 – 1 Extrémums Azote pNXI0 % de l’azote total initial Proportion initiale d’azote inerte 0 – 1 Extrémums pNav0 % de l’azote total initial Proportion initiale d’azote disponible 0 – 1 Extrémums rNRS - Proportion initiale entre

l’azote rapidement et lentement biodégradable

0 – 100% Extrémums pintLG - Coefficient de transfert

entre [NH4 + ] et [NH3]g 0 – 1 Extrémums pN2Onit gN2O-N/gNnitrifié Proportion d’émission de N2O sur l’ammonium nitrifié 0 – 0,1 Littérature pN2Odenit gN2 O-N/g(N2O+N2 )-N Proportion maximale de N2O émis sur l’émission globale de (N2 + N2O)

0 – 0,9 Littérature

Dans le document Modélisation de la stabilisation de la matière organique et des émissions gazeuses au cours du compostage d'effluents d'élevage (Page 182-186)