4. Efficacité de la recirculation du lixiviat à grande échelle
4.1. Propriétés physiques d’un milieu poreux : effet sur l’écoulement du lixiviat
4.1.1. La porosité
La première caractéristique importante d’un milieu poreux est sa porosité totale, notée φ (sans unité), définie par l’équation ( 1 ). Elle représente la fraction de l’espace qui n’est pas occupée par du solide et donc disponible pour les phases liquide et gazeuse.
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!! ( 1 )
où !! et !! (en m3) représentent respectivement le volume occupé par le vide potentiel total et le volume total de déchets.
Plusieurs auteurs ont montré que cette grandeur influe sur la qualité de dégradation des substrats solides, dans le cas d’un procédé avec recirculation du lixiviat. Selon Valencia et al. (2009), augmenter la porosité totale du milieu permet d’augmenter les rendements de méthane. Dans cette étude, les tests ont été effectués sur des déchets municipaux où trois réacteurs fonctionnaient avec différentes porosités matérialisées par l’ajout de gravier (valeurs de porosités non précisées dans l’étude). Dans le premier réacteur, des graviers étaient mélangés au déchet. Dans l’autre, des graviers et le déchet étaient empilés en plusieurs couches successives. Le dernier réacteur, servant de contrôle, fonctionnait sans ajout de matière extérieure. Au bout de 250 jours de digestion, le contrôle avait produit 8 m3 de biogaz contre 11 et 19 m3 pour les réacteurs remplis en couches successives et avec mélange homogène respectivement. Les résultats ont été attribués à une meilleure distribution du lixiviat dans les réacteurs avec une porosité élevée. Myint and Nirmalakhandan (2009) ont également montré de meilleures performances de l’étape d’hydrolyse du fumier de bovins lorsque la porosité du milieu était plus élevée. Dans leur cas, l’augmentation de la porosité du solide a été réalisée par l’ajout
de coquilles de pistaches (valeurs de porosité non précisées dans l’étude). Cet ajout a permis de doubler la production d’AGV par rapport à un réacteur sans coquille.
En parallèle, les changements de structure du solide au cours de la digestion anaérobie par voie sèche peuvent induire une diminution de la porosité du milieu. Ainsi, la porosité totale du fumier de bovins peut passer de 0,911 ± 0,0001 à 0,892 ± 0,0001, après 32 jours de digestion, favorisant la création de chemins préférentiels pour le passage du lixiviat et pouvant aller jusqu’à rendre le solide imperméable à la recirculation du lixiviat (André et al., 2015).
4.1.2. La conductivité hydraulique à saturation
La conductivité hydraulique à saturation Ks (m.s-1), ou coefficient de perméabilité, d’un milieu poreux caractérise son aptitude à laisser passer l’eau sous l’effet d’un gradient de charge hydraulique H. Cette conductivité est décrite, en conditions saturées en 1D, par la loi de Darcy :
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! ( 2 )
!
avec ! le débit volumique du liquide (en m3.s-1), A la section de l’échantillon (en m2), L la longueur de l’échantillon (en m) et ΔH la perte de charge hydraulique (en m).
La conductivité hydraulique est influencée par plusieurs propriétés du solide comme la taille des particules qui le constituent, l’arrangement des particules ou le volume des pores (Murray, 1995). Cette influence se reflète dans l’ordre de grandeur du coefficient de perméabilité. La Figure 7 illustre ces ordres de grandeurs en fonction des caractéristiques de drainage et du type de sols.
Figure 7 : Ordre de grandeur des coefficients de perméabilités selon le type de sol d’après Holtz and Kovacs (1991)
Dans le cas de substrats utilisés en digestion anaérobie, il a été montré que la conductivité hydraulique est fonction de la profondeur du solide (centre de stockage des déchets ménagers) et de son degré de dégradation. Généralement, le coefficient Ks des déchets municipaux varie entre 10-9 et 10-4 m.s-1 (Bleiker et al., 1995; Lanini, 1998; Olivier & Gourc, 2007) et diminue lorsque la profondeur augmente, ce qui signifie que le lixiviat percole moins vite dans les couches profondes du massif (Oweis & Khera, 1990). La dégradation du solide joue aussi sur le coefficient de perméabilité. Selon André et al. (2015), dans le cas de fumiers de bovins et après 19 jours de digestion anaérobie, ce coefficient est passé de 1,7 ± 0,1 x 10-3 m.s-1 à 2,7 ± 0,1 x 10-4 m.s-1. Ces résultats montrent donc que la perméabilité d’un substrat solide évolue dans l’espace et le temps, montrant la complexité des phénomènes impliqués dans l’écoulement du lixiviat.
4.1.3. La masse volumique
La masse volumique d’un déchet solide évolue au cours du temps : (i) sous l’effet du tassement primaire, lors du chargement du massif de déchets, et (ii) sous l’effet du tassement secondaire, conséquence de la biodégradation de la matière organique (Huet, 2012). Dans le cas d’un procédé à grande échelle (compostage, digestion anaérobie en centre de stockage), la masse volumique d’une couche donnée conditionne la charge exercée sur les couches sous-jacentes, ce qui favorise les
hétérogénéités spatiales, en particulier dans le sens de la profondeur. Ainsi la compaction induit un gradient de masse volumique dans un massif solide, impactant à la fois la porosité de ce solide et sa conductivité hydraulique (Chen & Chynoweth, 1995; Huet et al., 2012).
Il a ainsi été montré par Stoltz et al. (2012) que la teneur en eau maximale de déchets ménagers diminue lorsque la densité augmente. Cela signifie que la fraction des pores disponible à l’écoulement diminue lorsque le degré de compaction augmente. De la même façon, Shewani et al. (2015) ont mis en évidence une diminution de la porosité totale, passant de 0,92 à 0,88 lorsque que le volume initial de l’échantillon de fumier de bovins était réduit de 30% par compaction (augmentation de la masse volumique), diminuant donc le nombre de pores disponibles pour la percolation du lixiviat.
D’autre part, Chen and Chynoweth (1995) ont étudié l’effet de la masse volumique de déchets municipaux sur la conductivité hydraulique. Pour une augmentation de la masse volumique de 160 à 480 kg.m-3, la conductivité hydraulique a diminué, passant de 9,6.10-2 à 4,7.10-5 cm.s-1. Ces résultats sont attribués à un changement de structure du massif de déchet, se traduisant par une réorganisation de la répartition et de la taille des pores dans le solide.
Au regard de ces différentes études, il apparait que la porosité, la masse volumique (ou compaction) et la conductivité hydraulique d’un solide poreux sont étroitement liés. De ce fait, les caractéristiques de l’écoulement du lixiviat à travers un substrat solide sont très influencées par les paramètres physiques de ce substrat. A grande échelle, seule la compaction du solide peut être contrôlée par les opérateurs. La masse volumique devient par conséquent un paramètre clé pour la gestion du procédé de digestion anaérobie par voie sèche. Pourtant, peu d’études sont aujourd’hui disponibles sur l’effet de ce paramètre sur la percolation du lixiviat à travers des effluents agricoles, en situation réelle. L’acquisition de données supplémentaires serait donc profitable pour la compréhension des phénomènes d’écoulements hydriques en méthanisation par voie sèche, et en particulier pour les effluents agricoles.