Modélisation des processus de stabilisation de la matière organique et d'émissions gazeuses lors du compostage

UMR Sol Agro et hydro systèmes Spatialisation

Modélisation des processus de stabilisation de la

matière organique et d’émissions gazeuses lors du

compostage

Jean-Marie Paillat

UMR INRA/Agrocampus Sol Agro et hydrosystèmes Spatialisation, 65 rue de St Brieuc, cs84215,

35042 RENNES cedex 01

UpR Risque environnemental lié au recyclage

Plan

Objectifs

Méthodologie d’étude des émissions gazeuses

Matériels et méthodes

1- halle expérimentale

2- gaz traceur sur site de compostage

Modélisation des émissions gazeuses

1- ajustement mathématique

2- régression multiple

3- prédiction

Modélisation du devenir des éléments

Compostage :

processus microbiens oxydation ammonification immobilisation nitrification dénitrification fixation processus physiques et chimiques volatilisation diffusion convection lessivage

Objectifs

Entrées :

paramètres matières H₂O C, N, formes / disponibilité P, K, Cu, Zn paramètres du tas

volume, densité, porosité

paramètres externes (climat)

Sorties :

émissions gazeuses H₂O, CO₂, CH₄, NH₃, N₂O, N₂ compost C, N, formes / disponibilité P, K, Cu, Zn lixiviats C, N, P, K ...

Evaluation environnementale

(flux de polluants, ACV)

Paramétrage de modèles de flux

(atelier, exploitation, territoire)

Syn

ergi

_{e av}

ec le

_s

trav

aux

sur

bâti

_men

ts-lit

_ière

s

0 20 40 60 80 100 N disponible (%) Oxygène porosité (%) C biodegradable (%) humidité (%) -Fumier de volailles Paille de blé Lisier de porc Fumier de bovins compost

Méthodologie

(1)

Expé 2 en 2002

lisier / fumier / paille N disponible 0,54 à 0,87 C biodégradable 0,53 à 0,61

Expé 3 en 2003

lisier / paille / sciure N disponible 0,66 à 0,76 C biodégradable 0,51 à 0,73

Expé 1 en 2002

fumier de volailles / eau humidité 50 vs 70 % porosité 0,25 à 0,70

Expé 4 en 2003

lisier / paille / sciure humidité 50 à 82 % porosité 0,51 à 0,70

Halle expérimentale

T °C

Méthodologie

(2)

Expérimentations en vraie grandeur

Expé 6 en 2004 (EDE Guernévez)

3 apports de lisier de porc sur paille de blé humidité = 17,5 % ; porosité = 0,31

émissions gazeuses / bilan de masses suivi sur 180 j

Expé 7 en 2004 (ITP Romillé)

fumier de porc avec/sans retournement émissions gazeuses / bilan de masses suivi sur 120 j

Halle expérimentale

Fumiers de volailles

1998 et 1999

Fumier de bovins

2000

Validation modèle

« boîte noire »

Matériels et méthodes

N disponible (%) C biodégradable (%) 200 280 360 440 520 600 25% 40% 55% 70% 85% 100% SN:TN S vs :D M (g k g -1 ) A B C D E F G H I J K L M N O P halle : expé 2 et 3 0 1 2 3 4 5 0,08 0,13 0,18 0,23 0,28 0,33 DMD (t m-3₎ W :D M ( kg k g -1 ) A BC D E F G H I _J K L M N O P saturation curve Oxygène porosité (%) Humidité (%) halle : expé 1 et 4

T°C

Matériels et méthodes

(halle)

Entrée d’air Sortie d’air Compost

Températures

Centrale d’acquisition

Concentrations des gaz :

N

₂

O, CO

₂

, NH

₃

, CH

₄

, H

₂

O

Vitesse d’air

C en tr a le d ’a cq u is it io n Ordinateur Air intérieur

Température

hygrométrie

Air extérieur

Matériels et méthodes

(halle)

Mesures sur le compost

Compost 1,45 m 1,00 m 1,40 m

Filets :

Masses entrée et sortie Analyse

Tas :

hauteur (volume) pH surface

T surface

Masses entrée et sortie Echantillon pour analyse

temps

MS₁₀₅ MS₆₀ MO NtK N-NH₄+

Ctot P K

15_N

Dynamiques internes au tas

MS₁₀₅ MS₆₀ MO

NtK N-soluble

N-NH₄+ _N-NO

3

-C-tot

fractions Van Soest C N des fractions VS P K Cu Zn

Bilan de masses élémentaires

Matériels et méthodes

(gaz traceur)

serre sous plastique

abri des appareils de mesures et ordinateurs bâchage en bout de

serre après épandage et malaxage

plate-forme bétonnée de manœuvre

Matériels et méthodes

(gaz traceur)

gaine avec ventilateur pour assurer le brassage d’air

capteur sous abri ventilé pour la mesure de l’humidité et de la

température de l’air

Epandage du lisier

Matériels et méthodes

(gaz traceur)

Mise en andain à J70

Filets et thermocouples

repérage des filets jus d’écoulement collectés

Concentrations en gaz : NH₃, N₂O, CO₂, CH₄, SF₆ Débit d’air : SF₆ Bilan de masses (C, N, P, K)

Emissions

gazeuses

Mesures T, Hr

Modélisation

(Ajustement

mathématique)

0 20 40 60 0 100 200 300 400 500 600 temps (j) É m is s io n c u m u lé e ( g N -N H 3 k g -1 N t o ta l)

(Kirchmann and Witter,1989)

(

)

(

k t

)

S t k R e R M C e S C M M = ₀ 1− − + ₀ 1− −

(Bernal and Kirchmann,1992)

(

e

)

M C k t C M M _R kRt _{S S} 0 0 1− + = − 0 20 40 60 0 100 200 300 400 500 É m is s io n c u m u lé e ( g C -C O 2 k g -1 C t o ta l) temps (j)

4 paramètres à prédire pour N-NH₃ :

M

₀

C

_R

; M

₀

C

_S

; k

_R

; k

_S

3 paramètres à prédire pour C-CO₂ et H₂O :

0 2 4 6 8 10 12 14 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

Modélisation

(Ajustement

mathématique)

4 paramètres à prédire pour N-NH₃, C-CO₂ et H₂O :

y

₀

; x

₀

; a ; b

2 0 5 , 0 0                 −                                 ⋅ + = b x x Ln a y y

e

temps (j) 0 2 4 6 8 10 12 14 0 2 4 6 8 10 12 14 É m is s io n ( g N -N H 3 k g -1 N t o ta l h -1 ) É m is s io n ( g C -C O 2 k g -1 C t o ta l h -1 ) temps (j)

C

(%)

0 20 40 60 80 100

N disponible (%)

Oxygène

-porosité (%)

biodegradable

Humidité (%)

N total / MS N soluble / MS N soluble / N total N-NH₄+ _{/ N total} C total / MS Soluble VS / MS (Hem + Cel VS) / MS MS Humidité Eau/MS MS/eau Porosité air Densité MB Densité MS C/N C sol VS / N soluble Variables explicatives

Modélisation

(régression multiple)

paramètre = f(N disponible, C biodégradable, humidité, porosité)

10 pour cinétiques cumulées 12 pour cinétiques instantanées

Modélisation

(Prédiction des émissions)

pred = 1,0228 obs R2 = 0,78 0 100 200 300 400 500 600 700 800 p re d ic te d d at a H₂O pred = 1,0356 obs R2 = 0,84 0 100 200 300 400 500 600 700 800 p re d ic te d d at a CO2-C pred = 0,9548 obs R2 = 0,87 0 100 200 300 400 500 600 700 800 0 100 200 300 400 500 600 700 800 observed data p re d ic te d d at a NH₃-N

Modélisation

(Prédiction des émissions)

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 SN:TN DMD x 2 Svs:D M W:DM x 0.2 A D G K M N -N H3 (g k g -1 ini t. T N ) N -N H3 (g k g -1 ini t. T N ) 0 100 200 300 400 500 0 10 20 30 40 50 60 M 0 1 2 3 4 5 0 5 10 15 20 0 100 200 300 400 500 0 10 20 30 40 50 60 K 0 1 2 3 4 5 0 5 10 15 20 N -N H3 (g k g -1 ini t. T N h -1 ) N -N H3 (g k g -1 ini t. T N h -1 ) 0 100 200 300 400 500 G 0 1 2 3 4 5 0 100 200 300 400 500 D 0 1 2 3 4 5 0 100 200 300 400 500 A 0 1 2 3 4 5 Time (d) Time (d)

Projet de thèse CIFRE

(1)

Modélisation

Validation

Utilisation

Modèles dynamiques existants :

Équilibres physico-chimiques (Liang et al., 2004) Transformations biologiques (Sole-Mauri et al, 2006) Données Halle expérimentale (15 tas) :

Émissions dans le temps (calage)

Transformations MO temps et espace (calage) Deux types de sorties :

Émissions gazeuses

Caractéristiques du produit composté

Halle expérimentale (quelques cas différenciés 2009) Plateforme de compostage (chez partenaire) :

Emissions gazeuses (méthode simplifiée) Evolution des produits dans le temps

Simulations successives de situations types (à définir avec partenaire industriel) permettant de :

Définir des mélanges de substrats Proposer des modes de conduite Pour : Contrôler les émissions

Obtenir des produits compostés valorisables

Objectif :

Construire/valider un modèle dynamique simulant les

processus de transformation de la MO lors du compostage d’effluents d’élevage

Financement nécessaire, 150 k€ sur 3 ans :

Bourse de thèse financée par filière avicole Réunion (Couvée d’or, Crête d’or, Segma, Avicom) sur convention CIFRE = 90 k€

Montage d’un dossier pour financer les déplacements (thésard +

encadrement) et les expérimentations (validation sur plateforme) = 60 k€ ADEME, Région Réunion ?

Déroulement de la thèse :

Année 1, UMR SAS Rennes : bibliographie, construction du modèle, calage sur données acquises dans la halle

Année 2, CIRAD St Denis : expérimentations vraie grandeur (sites de l’industriel), mesure des gaz, analyses composts, validation du modèle

Année 3, CIRAD St Denis et UMR SAS Rennes : utilisation du modèle avec industriel, rédaction de la thèse

Encadrement et moyens techniques :

ED VAS - HDR : Leterme, Walter, Ganry ?

Encadrement direct : JM Paillat, L Thuriès, P Robin

Appuis : F Guerrin (modélisation), JL Farinet + M Hassouna +

technicien CIRAD (expérimentations), laboratoire CIRAD (analyses) Comité de thèse : F Gauvrit (Filière Avicole Réunion), C Aubert (ITAVI), JP Steyer ou S Houot (INRA)

Caractérisation des MO transformées

Projet CIRAD-INRA à monter : forme ?

Objectif : acquisition de spectres IR sur MO d’élevage brutes ou transformées transfert de méthodologie aux industriels partenaires

Moyens : données UMR SAS sur échantillons séchés ou congelés analyses des industriels

données CIRAD Réunion et Montpellier (filière avicole)

Partenariat avec industriels possibles : IF2O, Filière avicole Réunion Partenaires de recherche :

UMR SAS (V Parnaudeau, Y Fouad, T Morvan, S Menasseri) CRA Gembloux (P Dardenne, P Agneessens)

UR Système d’élevage (P Lecomte, D Bastianelli) INRA Tours