Etude des facteurs physico-chimiques influençant les performances de l'imprégnation-compostage

(1)

ETUDE DES FACTEURS

PHYSICO-CHIMIQUES INFLUENÇANT LES

PERFORMANCES DE

L’IMPRÉGNATION-COMPOSTAGE.

• Approche méthodologique

(en s’appuyant

sur la démarche adoptée pour la modélisation des

émissions gazeuses lors du compostage des

effluents d’élevage)

• Etat d’avancement

Jean-Marie PAILLAT et Jean-Luc FARINET

(2)

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

(3)

Compostage :

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

Entrées :

paramètres matières H₂O C, N, formes / disponibilité paramètres du tas

volume, densité, porosité

Sorties :

émissions gazeuses H₂O, CO₂, CH₄, NH₃, N₂O, N₂ compost C, N, formes / disponibilité

Entrées :

paramètres support H₂O C, N, formes / disponibilité Surface, longueur, granulométrie

Entrées :

paramètres effluent

H2O

C, N, formes / disponibilité

MES, viscosité, adhésivité

Imprégnation :

processus physiques et chimiques absorption adsorption lessivage volatilisation

(4)

Paille de blé 0 20 40 60 80 100 N disponible Oxygène porosité C biodegradable humidité -Lisier de porc

Identification des facteurs clés

compostage

0 20 40 60 80 100 MS effluent Granulométrie support MS support Viscosité effluent

imprégnation

Lisier de porc/Paille de blé Vinasse conc./Sciure

(5)

Plan d’expérience

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

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 (%)

expé 1 et 4

(6)

Mesures

Mesures sur le compost

hauteur (volume)

Masses entrée et sortie

Température, humidité (maintien)

Echantillon pour analyse

MS

₁₀₅

MS

₆₀

MO

NtK N-soluble

N-NH

₄+

_N-NO

3

-C-tot

, sucres, ac. org.

fractions Van Soest

, NIRS

C N des fractions VS

(

P K Cu Zn

…)

Mesures

ponctuelles

sur l’air

entrant et sortant

(en caisson)

H

₂

O, CO

₂

, CH

_4,,

NH

₃

, N

₂

O

Cinétiques instantanées et calcul des

cinétiques cumulées

Mesures sur le support et l’effluent

MS

₁₀₅

/ MS

₆₀

/ MO / C / NtK, N-sol, N-NH4

+

viscosité effluent, granulométrie support

Prédiction des paramètres des

mélanges à composter

Bilan de masses élémentaires

(7)

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 S R

_M

_C

_e

e

C

M

=

₀

1 −

−

+

₀

1 −

−

(Bernal and Kirchmann,1992)

(

e

)

M

C

k

t

C

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 :

(8)

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

(9)

• Test de mesure de la production de CO

₂

au cours du

compostage

– Analyseur GA 2000 connecté à un composteur de 5 l sous

aération forcée intermittente

Etat d’avancement

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0:00:00 12:00:00 24:00:00 36:00:00 48:00:00 60:00:00 Tem ps (h) % v o l CO2 O2

(10)

• Test et calage de sondes de mesure d’humidité

– en collaboration avec Amap, équipe « murs végétaux »

– nouvelles sondes destinées aux supports de culture

• ECHO5

• Capacitive, 0-60% Hv • Précision 3%

• SM200

• FDR 100 MHz, 0-100% Hv • Précision 3%

• TDR

• TDR, 0-100% Hv

(11)

• Test et calage de sondes de mesure d’humidité

– Paniers de 2600 cm3 remplis de support imprégné

– Mesure de l’humidité par variation du poids (évaporation à 30°C)

– 6 répétitions sphaigne, 1 répétition copeaux de bois

Cinétique de séchage à 30°C 0% 200% 400% 600% 800% 1000% 1200% 1400% 0 200 400 600 800 1000 Temps (h) H p Copeaux S1 S2 S3 S4 S5 S6

(12)

• Test et calage de sondes de mesure d’humidité

Sonde ECHO5 sur copeaux

0% 50% 100% 150% 200% 250% 300% 350% 0 100 200 300 400 500 Signal (mV) H p 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50% H v Hp Hv

Sonde TDR sur copeaux

0% 50% 100% 150% 200% 250% 300% 350% 700 720 740 760 780 800 Signal (mSec.) H p 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50% H v Hp Hv

Sonde SM200 sur copeaux

0% 50% 100% 150% 200% 250% 300% 350% 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Signal (mV) H p 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50% Hp Hv

Sonde SM200 sur sphaigne

0% 200% 400% 600% 800% 1000% 1200% 1400% 0.0 200.0 400.0 600.0 800.0 1000.0 1200.0 1400.0 Signal (mV) H p S2 S1 S3 S4 S5 S6