Etude de la biodégradation des déchets ménagers. Application de la mesure de résistivité électrique

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Etude de la biodégradation des déchets ménagers.

Application de la mesure de résistivité électrique

M. Bergeron

To cite this version:

M. Bergeron. Etude de la biodégradation des déchets ménagers. Application de la mesure de résistivité électrique. Sciences de l’environnement. 2011. �hal-02595877�

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Cémagref | Etude de la biodégradabilité des déchets ménagers – Février/Aout 2011 1

Février-Aout 2011

Marie BERGERON

C

EMAGREF

A

NTONY

E

TUDE DE LA BIODEGRADATION DES

DECHETS MENAGERS

A

PPLICATION DE LA MESURE DE RESISTIVITE

ELECTRIQUE

M2 Hydrologie, Hydrogéologie, Sols

Faculté des Sciences d’Orsay

CemOA

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Cemagref | Etude de la biodégradabilité des déchets ménagers + résistivité – Février/Aout 2011 II CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref

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Cemagref | Etude de la biodégradabilité des déchets ménagers + résistivité – Février/Aout 2011

III

Remerciements

Je souhaite tout d’abord adresser mes remerciements à Messieurs Sylvain Moreau et Rémi Clément, responsables et encadrants de stage, qui m’ont offert la possibilité de l’effectuer au sein du Cemagref, et qui se sont montrés particulièrement disponibles, attentifs et pédagogues à mon égard.

Je remercie l’ensemble de l’équipe Métrologie-Instrumentation pour son accueil et son accompagnement précieux tout au long du stage. Merci à Antoine Cucinella, Michel Anis pour leur aide et leur soutien au laboratoire.

Merci également à Théodore Bouchez et Laurent Mazéas ainsi qu’aux thésards Hugues et Charlotte pour leur aide en microbiologie et leurs conseils. Merci aussi à l’équipe Chimie pour les différentes analyses effectuées sur mes échantillons.

Enfin, je remercie l’ensemble de l’unité HBAN au sein de laquelle l’ambiance de travail fut très agréable, ainsi que les stagiaires et les habitants du bocal pour les bons moments passés. CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref

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IV

Résumé

Au cours des dernières dizaines d’années, la mise en place d’une gestion durable des déchets ménagers avec des filières de retraitement et de revalorisation est mise au premier plan. 31,5% des déchets collectés par les sociétés privées et les collectivités locales sont destinés à être stockés dans des Installations de stockage des Déchets Non dangereux (ISDND). Ces installations sont associées à des règles de conception et de construction pour prévenir les risques de pollution des eaux souterraines et des sols notamment. Divers développements techniques permettent d’ores et déjà la récolte et le traitement des lixiviats (liquides résultants de la biodégradation) et la valorisation du biogaz. Le concept de bioréacteur utilise la recirculation des lixiviats pour accélérer la dégradation des déchets au sein du massif.

Le suivi de ces travaux nécessite de développer des outils de mesure adaptés. La géophysique est en cela d’un intérêt tout particulier puisqu’elle offre des méthodes non intrusives et capables de fournir des données quantitatives et spatialisées à moindres coûts. De nombreuses campagnes de mesure de Tomographie de Résistivité Electrique (ERT) ont permis l’étude des variations de la résistivité électrique d’un massif de déchets à long terme et durant des épisodes de réinjection de lixiviats.

Le sujet de ce travail porte sur l’étude de l’impact de l’état de biodégradation des déchets ménagers sur la mesure de la résistivité électrique. Des essais en laboratoire sur des cellules de déchets de composition connue ont été entrepris. Les mesures de résistivité électrique ont été couplées à un suivi de la dégradation par quantification et analyse du biogaz produit.

Abstract

During the last ten years, the implementation of a sustainable management of household waste with procedures of waste treatment and reusing is put in the foreground. 31.5% of the waste collected by private companies and local authorities are intended to be stored in non-hazardous waste landfills. These installations are associated with rules of conception and construction to prevent the risks of water and ground pollutions. Diverse technical developments already allow the collection and the treatment of leachates (liquids resulting from biodegradation) and the valuation of the biogas. The concept of bioreactor uses the recirculation of leachates to accelerate the degradation of the waste within the massif.

The follow-up of these works requires to develop adapted tools of measure. The geophysics is in it of a quite particular interest because it offers not intrusive methods able to supply quantitative and spatial data in lesser costs. Numerous campaigns of Electric Resistivity Tomography measures (ERT) allowed a long term study of the variations of the electric resistivity of a massif and during episodes of leachate recirculations.

The subject of this work concerns the study of the impact of the state of biodegradation of household waste on the measure of the electric resistivity. Laboratory essays on waste cells of known composition were undertaken. The measures of electric resistivity were coupled with a follow-up of the degradation by quantification and analysis of the biogas produces.

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V

Sommaire

Présentation du Cemagref... VII

1 – Introduction... 11

1.1 Contexte ... 11

1.1.1 Contexte socio-économique dans le domaine des déchets ... 11

1.1.2 Enjeux pour la protection environnementale ... 2

1.2. Problématique associée à la gestion des déchets... 4

1.2.1. Gestion des sites ... 4

1.2.2. Problématiques liées à la dégradation au sein d'une installation de stockage... 4

1.2.3. Méthode ERT... 5

1.3. Objectifs du stage ... 6

2 – Tomographie de résistivité électrique...7

2.1. Méthode de mesure ... 7

2.1.1. Notion de résistivité électrique... 7

2.1.2. Dispositif de mesure de résistivité électrique... 11

2.1.3. Inversion des mesures de résistivité électrique ... 14

2.2. Application de la méthode de mesure aux essais en laboratoire ... 15

3 - Matériel et méthodes d'investigation en laboratoire ...16

3.1. Mesure de la résistivité électrique ... 16

3.1.1. Présentation du dispositif expérimental ... 16

3.1.2. Dispositif de mesure ... 18

3.1.3. Outil d'inversion pour obtenir les résistivités électriques interprétées... 19

3.2. Suivi de la biodégradation des déchets -ménagers... 24

3.2.1. Rappel des différentes phases de la dégradation anaérobie... 24

3.2.2. Les paramètres qui influencent le processus de biodégradation ... 26

3.2.3. Méthode de mesure pour le suivi du biogaz ... 28

3.2.4. Méthode de mesure pour le suivi du lixiviat ... 29

3.2.5. Mesure de température... 29

4 - Etude du dispositif de mesure de résistivité électrique...30

4.1. Influence des incertitudes liées à la conception sur la mesure de la résistivité électrique apparente ... 30

4.1.1. Modèle de référence ... 30

4.1.2. Méthodologie de validation expérimentale des coefficients géométriques sur un milieu homogène ... 31

4.1.3. Modélisation directe avec l'outil F3DC ... 32

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VI 4.1.4. Tests sur les modèles avec l'outil F3DC : influence des erreurs sur la côte des

électrodes (position z) ... 34

4.1.5. Tests sur les modèles avec l'outil F3DC : influence des erreurs sur la position des électrodes (position xy) ... 35

4.1.6. Tests sur les modèles avec l'outil F3DC : influence des erreurs sur l'enfoncement des électrodes ... 35

4.2. Incertitudes liées à l'outil d'inversion pour les mesures de résistivité électrique (BERT) ... 35

4.2.1. Etat de l'art... 35

4.2.2. Position du point d'injection par rapport à la représentation volumique de l'électrode ... 36

4.3. Synthèse ... 37

5 – Mise en place du dispositif expérimental en laboratoire...38

5.1. Déchet MODECOM... 38

5.2. Confection des cellules de déchets... 39

5.2.1. Conditions expérimentales retenues... 39

5.2.2. Calcul des fractions... 39

5.2.3. Composition de la solution initiale ... 42

5.2.4. Remplissage... 46

5.2.5. Mise en route du suivi ... 47

5.3. Retour d'expérience : difficultés rencontrées ... 47

5.3.1. Mauvais contact électrique ... 47

5.3.2. Lixiviat dans les poches... 47

5.3.3. Fuites sur les cellules ... 48

5.3.4. Arrêt de la production gazeuse des cellules : interventions menées ... 48

6 – Résultats...50

6.1. Etude menée sur l'inoculum (boues de STEP) ... 50

6.2. Suivi de la biodégradation par l'analyse du biogaz ... 51

6.3. Suivi de la résistivité électrique ... 54

6.3.1. Résistivité électrique et teneur en eau... 54

6.3.2. Résistivité électrique et production de biogaz... 57

6.4. Synthèse des résultats... 60

7 – Conclusions...62

7.1. Conclusions concernant les résultats obtenus ... 62

7.2. Perspectives ... 62 CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref

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VII

Présentation du Cemagref

1) L'institut de recherche

Le Cemagref (Institut de recherche en sciences et technologies pour l'environnement), est un Etablissement Public à caractère Scientifique et Technologique (EPST) sous la double tutelle des Ministères de la Recherche et de l'Agriculture. Ses recherches contribuent au développement durable des territoires : elles aident à protéger et gérer les hydrosystèmes et les milieux terrestres, à dynamiser les activités qui les valorisent et à prévenir les risques qui leurs sont associés. Ses objectifs d'études sont donc le plus souvent des systèmes complexes, en relation avec des questions de société, et sa démarche est presque toujours interdisciplinaire.

Outre la contribution au progrès des connaissances, le Cemagref diffuse des méthodes de diagnostic et de contrôle, il développe des outils de négociations et de gestion, il conçoit des technologies innovantes et apporte son expertise aux services publiques et aux entreprises.

Ses cinq orientations scientifiques concernent :

• Les risques environnementaux tels que les crues, les inondations, les avalanches, les feux de forêt et les pollutions diffuses.

• La surveillance des milieux aquatiques continentaux, les ressources en eau, les usages de l'eau.

• Les technologies propres telles que les écotechnologies, l'éco-évaluation, l'écotoxicologie, le traitement et la valorisation énergétique des déchets organiques.

• L'aménagement du territoire.

• L'économie et la sociologie de l'environnement : observation de la biodiversité, télédétection, trames verte et bleue.

Ces cinq orientations de recherche sont traitées par les 3 départements de recherche du Cemagref : eaux de surface, territoire et écotechnologies.

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VIII Figure 1 : Les secteurs d'activités du Cemagref

Ses compétences

Le Cemagref est un institut de recherche à taille humaine. Il est constitué de 25 Unités de Recherche (UR) réparties sur 9 centres couvrant l'ensemble du territoire français et 1 centre en outre-mer (Martinique).

Parmi les 1650 employés, 500 sont des ingénieurs et des chercheurs. De plus, il accueille en moyenne, chaque année, plus de 200 doctorants, 40 post-doctorants et chercheurs étrangers, ainsi qu'environ 250 stagiaires de niveau Master. Leur formation est principalement axée sur les sciences de l'ingénieur, mais le Cemagref emploie aussi des personnes spécialisées dans les sciences de la nature et du vivant, dans les sciences de l'univers ou encore en sciences humaines et sociales. Cette diversité facilite la construction de partenariats interdisciplinaires.

Figure 2 : Les 9 centres du Cemagref

Ses ressources

Le budget du Cemagref en 2010 est de 110 M€ dont 27% de ressources propres et plus de 2M€ de financement européen.

En 2008, le budget était de 94.3 M€ et les recettes provenant des contrats s'élevaient à 20.4 M€. La répartition des dépenses était la suivante :

• Activité scientifique : 24.2M€ • Fonctionnement général : 3.5 M€

• Personnel permanant (rémunéré par l'état): 63.2M€ • Activité scientifique : 24.2M€

• Gros investissements –plateformes technologiques : 3.4M€

Ses produits

Différents produits résultent des recherches et des activités conduites au Cemagref : • 900 publications par an,

• 620 participations par an à des colloques,

• Expertises et conseils aux services publics : 709 mois-ingénieurs par an, • 1250 essais dans des laboratoires accrédités,

• 41 brevets, 16 marques déposées au portefeuille industriel, • 10 logiciels professionnels commercialisés,

• 5000 heures de cours, formation initiale et continue : 10 % du temps par an des Ingénieurs et des chercheurs dans plus de 50 universités et écoles,

• Participation à la normalisation : 28 mois-ingénieurs par an,

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IX • Un incubateur d'entreprise, Minéa à Montpellier : création de deux entreprises par

an.

Cette répartition illustre bien l'aspect Recherche appliquée à l'Industrie et Aménagement du territoire.

Pour ces productions, adaptées aux utilisateurs auxquels elles sont destinées, le Cemagref a mis en place une démarche qualité, aujourd'hui acquise pour les essais et les analyses en cours pour les activités de recherche.

2) La direction régionale d'Antony

Le centre d'Antony apporte ses compétences dans les domaines des eaux continentales et des eaux usées, du génie des procédés frigorifiques et des performances des agroéquipements.

Figure 3 : Répartition des activités au centre d'Antony

3) L'unité de recherche Hydrosystèmes et Bioprocédés HBAN

Les travaux de recherche de l'unité « Hydrosystèmes et Bioprocédés »1 sont appliqués à des domaines à forts enjeux environnementaux :

•

Etude du fonctionnement hydrologique des bassins versants agricoles aménagés, et plus précisément sur les relations entre bassins versants et débits, ainsi que sur l'impact des aménagements hydro-agricoles et des pratiques agricoles.

•

Recherche focalisée sur les peuplements piscicoles afin de mieux comprendre les écosystèmes fluviaux naturels ou anthropisés.

•

Investigation sur les processus de dégradation et de transformation des eaux usées en stations d'épuration ou des eaux naturelles.

•

Compréhension des enjeux des transferts d'eau et de lixiviat2 dans les installations de stockage de déchets ménagers, ainsi que de la gestion du risque environnemental associé.

1

Egalement connue sous le nom UR HBAN pour Unité de Recherche Hydro systèmes et Bioprocédés d'Antony

C

CEENNTTRREE DD’’AANNTTOONNYY

GPAN : Génie des procédées

TSAN :

Technologies pour la sécurité et les performances des agroéquipements

•Connaissance et prévision des transferts d'eau et de matières de la parcelle agricole au bassin versant rural

•Maîtrise des rejets ponctuels polluants dans le milieu (stations d'épuration, centres de stockage de déchets)

•Prévision et maîtrise de la dynamique des écosystèmes (populations de poissons – biodisponibilité des polluants)

Evaluation de la sécurité et des performances des tracteurs et des machines agricoles, forestières et d'entretien des espaces verts

•Production de froid, économe et respectueuse de l'environnement

•Etude des écoulements et transferts de chaleur appliqués à la qualité et à la sécurité des aliments

HBAN : Hydro-systèmes et Bioprocédés CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref

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X Les modèles et l'expertise de l'unité s'appliquent à différentes fonction de la gestion des hydrosystèmes comme l'ingénierie des stations d'épuration et des centres de stockage des déchets, la prévision des ressources en eau (fleuves, retenues) et des événements exceptionnels (crues, étiages) et la gestion des populations de poissons.

4) L'équipe Métrologie-Instrumentation de l'UR HBAN

Le rôle de l'équipe M-I

L'équipe Métrologie-Instrumentation (M-I) apporte un soutien méthodologique et scientifique aux expérimentations de recherche et aux activités d'essais menées dans l'unité.

Quatre types d'activités la caractérisent aujourd'hui :

• La recherche en instrumentation et métrologie de la teneur en eau pour les sols et les déchets, essentiellement dans le cadre des thèmes de recherche SOWASTE (traitement biologique et stockage des déchets solides, performances technico-économique et environnementales des filières) et TAPAHS (transferts d'eau et de polluants au sein des bassins ruraux aménagés).

• Le développement de la démarche métrologique en général, en lien avec l'ensemble des équipes de l'unité de recherche.

• La coordination du réseau Mesure du Cemagref, constitué en ateliers thématiques sur les questions métrologiques d’actualité.

• Le service instrumentation pour l’aide à la conception et la mise en œuvre des projets des équipes de recherche

2

Le lixiviat est le liquide résiduel qui provient de la percolation de l'eau à travers un matériau. Dans le cas de déchets, le lixiviat se charge de polluants organiques, minéraux et métalliques, par extraction des composés solubles (lixiviation facilitée par la dégradation biologique des déchets) et risque ainsi de provoquer une pollution de la nappe phréatique. Cette contrainte est particulièrement importante pour la localisation des décharges. CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref

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XI

1 – Introduction

1.1 Contexte

1.1.1 Contexte socio-économique dans le domaine des déchets

Une prise de conscience collective…

Au cours des dernières dizaines d'années, la mise en place d'une gestion durable des déchets ménagers avec des filières de traitement et de revalorisation est mise au premier plan. Elle s'appuie sur une prise de conscience collective des enjeux associés aux problématiques écologiques et environnementales. En effet, la gestion des déchets suit en France une politique axée sur la prévention, la valorisation et la réduction des impacts environnementaux et sanitaires. Le monde social et économique actuel se doit ainsi d'intégrer de plus en plus les enjeux d'une réduction de la production des déchets, et de tendre vers une modification progressive des habitudes de consommation (recyclage, réduction des emballages...). En plus des enjeux écologiques, la problématique de la gestion des déchets ménagers et du développement des centres de stockages répond ainsi à d'importants enjeux économiques.

La production et la destination des déchets ménagers en France :

quelques chiffres…

En 2008, les quantités de déchets collectés par les municipalités ont atteint 34,3 millions de tonnes, contre 26 en 1995. Les quantités d'encombrants et de déchets verts acheminés en déchèteries ont été multipliées par près de quatre au cours de cette période et le poids des emballages collectés en porte à porte ou en apport volontaire a doublé. Ces évolutions traduisent notamment une offre croissante des dispositifs de collecte. Les priorités sont aujourd'hui de réduire la production de déchets et de développer le recyclage (Commissariat-Général-au-Développement-Durable avril 2010) . CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref

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Cemagref | Etude de la biodégradabilité des déchets ménagers – Février/Aout 2011 2 Figure 4 : Déchets collectés par les municipalités et Destination des déchets collectés par le service public.

Source : Ademe, 2010

La production de déchets ménagers évolue parallèlement aux habitudes de consommation et à l'évolution des modes de collecte. Les quantités d'ordures ménagères collectées quant à elles, tendent à diminuer. En quinze ans, la composition des ordures ménagères a substantiellement changé. On retrouve par exemple une part bien plus importante de plastiques et textiles sanitaires. D'autre part, les déchets ménagers contiennent une part conséquente de déchets putrescibles (30% en 2007), de cartons (16%), de verre (6%), et de métaux (3%), qui pourraient être valorisés (Commissariat-Général-au-Développement-Durable 2011).

Figure 5 : Composition des ordures ménagères en mélange des ménages en 2007. Source : Ademe.

1.1.2 Enjeux pour la protection environnementale

Parmi les déchets collectés par les sociétés privées (comme SITA ou VEOLIA PROPRETE) et les collectivités, 31,5% sont destinés à être stockés dans des Installations de Stockage des Déchets Non Dangereux (ISDND). Le stockage correspond à l'opération ultime d'élimination des déchets. Le terme de déchet ultime désigne uniquement la fraction des déchets qui ne peut pas être valorisée par réemploi, recyclage, ou valorisation énergétique dans les conditions techniques et économiques du moment, comme stipulé dans la loi du 1ier juillet 1992. A ce titre, les déchets ultimes sont réglementairement les seuls à pouvoir être

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Cemagref | Etude de la biodégradabilité des déchets ménagers – Février/Aout 2011 3 stockés (enfouis) dans un Centre de Stockage des Déchets Ultimes (CSDU).

Longtemps, la décharge a été le mode de traitement privilégié des déchets, notamment en raison de son coût d'exploitation particulièrement bas. Cependant, le contexte actuel inquiet des enjeux en matière de protection environnementale associés à ce type d'exploitation, tend à le réévaluer. L'implantation d'une installation de stockage de déchets non dangereux (ISDND) s'associe à des mesures règlementées de conception et de construction, pour prévenir les risques de pollution des eaux souterraines et des sols notamment. C'est ainsi que les techniques de stockage des déchets ont considérablement évolué avec pour objectif de limiter les impacts sur l'environnement. Divers développements techniques sont employés dans ce but avec notamment l'équipement des installations en géomembranes et en drains pour récupérer et traiter les lixiviats produits, et en réseaux de canalisation destinés à la récolte et à la valorisation du biogaz produit par exemple.

Passée la durée d'exploitation de trente ans après la fermeture du site, une reclassification pourra être envisagée si la dégradation des déchets est jugée comme étant stabilisée. Accélérer la dégradation permet donc aux exploitants de décharges (SITA, Veolia Propreté, …) de réduire les coûts induits par le suivi et la surveillance du site.

C'est pourquoi un intérêt tout particulier est porté au développement des installations de type bioréacteur (figure6). L'objectif de ces dispositifs est d'accélérer la dégradation de la masse de déchets (ce qui revient à minimiser le temps de stabilisation des déchets), en utilisant la recirculation des lixiviats, avec comme souci premier d'éviter un impact négatif sur l'environnement.

Figure 6 : Schéma d'un bioréacteur

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Cemagref | Etude de la biodégradabilité des déchets ménagers – Février/Aout 2011 4

1.2. Problématique associée à la gestion des déchets

1.2.1. Gestion des sites

Les installations de stockage des déchets non dangereux sont soumises à des contrôles environnementaux strictes au cours de leur exploitation, et pour un minimum de trente ans après la réception des derniers déchets (arrêté du 9 septembre 1997, JO n°229 du 2 octobre 1997). Ces règlementations en matière de stockage des déchets ménagers rendent complexe la gestion de telles installations. Elles nécessitent des outils capables d'optimiser la gestion et la caractérisation de la biodégradation des déchets au sein du centre de stockage, permettant ainsi le développement de nouvelles techniques.

1.2.2. Problématiques liées à la dégradation au sein d'une

installation de stockage

De nombreuses questions…

Afin d'atteindre les objectifs de dégradation et de stabilisation, il faut s'assurer du bon fonctionnement des processus de biodégradation au sein du massif de déchets ce qui nous amène à présenter les problématiques associées. La caractérisation des déchets au sein d'un centre de stockage et son investigation entrainent en effet de nombreuses questions quant à l'évaluation de l'état de biodégradation des déchets et quand aux moyens techniques envisageables pour y parvenir.

• Comment contrôler les conditions de densité, de température, de teneur en eau au sein du massif de déchets ?

• Comment savoir si la dégradation est homogène ?

• Comment maîtriser et contrôler la dégradation dans les centres de stockages ?

• Quels sont les différents outils et les différentes méthodes existantes pour le contrôle de la dégradation ?

Des méthodes de suivi…

• Méthodes hydrologiques et géochimiques via des piézomètres de contrôle • Le forage

• La prospection par méthodes géophysiques

Dans le cadre du stage, il n'est pas possible d'investiguer toutes ces méthodes. Notre intérêt se portera donc sur l'étude des possibilités de suivi offertes par la méthode de prospection par Tomographie de Résistivité Electrique, ERT, de l'anglais Electrical Resistivity Tomography. CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref

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1.2.3. Méthode ERT

Les intérêts de la méthode ERT

La mesure de la résistivité électrique est une méthode étudiée depuis plusieurs années au Cemagref (notamment dans le cadre du thème de recherche SOWASTE). Elle permet notamment de suivre les variations de résistivité liées à une variation de la teneur en eau dans les déchets induites par la recirculation de lixiviat.

La méthode ERT est une méthode non destructive qui permet de fournir rapidement et à moindre coûts des données quantitatives et spatialisées. Elle commence par la mesure des résistivités apparentes par quadripôles multiples ; ensuite l'inversion des données permet la déduction des résistivités interprétées. Elle fournit des cartographies 2D, voire 3D, de l’état électrique du massif à l’échelle du casier.

Nous ne développerons pas ici la méthode ERT de terrain, mais il existe une large bibliographie (Chapellier 2000).

La méthode ERT permet notamment l'identification des zones impactées par une modification de la teneur en eau de la zone étudiée, l'un des paramètres décisifs dans le processus de biodégradation, tout comme la température.

De plus, c'est une méthode qui a déjà fait ses preuves au cours de précédents travaux avec des campagnes menées sur sites. Dans le domaine des déchets, l'efficacité des méthodes de résistivité électrique a notamment été testée et démontrée pour l'étude des variations de résistivité générées par la circulation des lixiviats [(Moreau, Bouye et al. 2003) ; (Guérin, Munoz et al. 2004) ; (Marcoux 2008)].

Au cours d’une campagne de terrain, Guérin et al. (Guérin, Munoz et al. 2004) a cherché à évaluer la teneur en eau au sein d’un bioréacteur lors d’épisodes d’injection de lixiviat, au moyen de méthodes géophysiques et notamment par mesure de la résistivité électrique. Il montre que la résistivité électrique est un paramètre physique approprié pour le suivi de la dégradation au sein des massifs de déchets, de par son lien avec la teneur en eau. Au cours de cette étude, les méthodes électriques ont permis de localiser l’eau au sein d’une décharge, de suivre la diffusion des lixiviats au sein du massif de déchets et de déterminer la zone impactée par le système de recirculation de lixiviat.

Moreau et al. (2003) montrent que lors du suivi temporel, de chaque côté de l’infiltration, il existe des augmentations de résistivité de l’ordre de 15 à 40 %. Les auteurs discutent de ces variations et émettent l’hypothèse qu’elles sont dues à des migrations de biogaz faisant diminuer localement la teneur en eau et donc augmenter la résistivité.

Marcoux (Marcoux 2008) combine la méthode ERT avec un suivi au moyen de lysimètres et montre l’intérêt de la combinaison de ces deux méthodes pour le suivi des injections de lixiviats et l’études des fronts d’infiltration.

Il ressort de ces études que l'ERT ne permet pas de suivre les variations de la teneur en eau mais qu'elle peut permettre de délimiter l'expansion du panache.

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L'idée retenue pour répondre à cette problématique

Au regard de ces différents travaux, la méthode ERT semble pertinente pour un suivi de la biodégradation des déchets au sein du centre de stockage bien qu’aucune étude ne semble avoir travaillé sur ce sujet. Pour cela, il est primordial de mener des essais en laboratoire en conditions contrôlées pour évaluer cette problématique qui est l'objet de ce stage.

1.3. Objectifs du stage

A l'échelle d'une ISDND, il est difficile d'évaluer précisément les conditions de biodégradation, pour les comparer aux mesures de résistivité électrique. En effet, l’hétérogénéité des déchets nécessiterait un échantillonnage très important pour avoir une bonne représentativité des mesures, et donc un coût élevé. De plus ces installations sont équipées de géomembranes assurant l’étanchéité et qui rendent difficile et contraignante toute intrusion (Grellier, 2003). C’est pourquoi nous nous appuierons sur une expérimentation en laboratoire en deux étapes.

La première étape sera consacrée au développement d'un outil de mesure de la résistivité électrique, avec des essais numériques et des mesures sur des milieux homogènes. La seconde étape sera une phase d'expérimentation en laboratoire avec notamment la préparation du dispositif expérimental et le suivi de la variation de la résistivité électrique couplé à des méthodes classiques de suivi de la biodégradation des déchets ménagers. Il s'agira alors de comparer les mesures chimiques et microbiologiques avec les mesures de résistivité réalisées.

Les objectifs du stage peuvent ainsi être répartis selon les composantes suivantes : Evaluation métrologique des cellules de mesure (taille, position des électrodes) selon les mesures électriques envisagées

Fabrication d'un déchet représentatif selon la caractérisation MODECOM de 2007 Mise en place des essais selon différents protocoles (humidification du déchet avec différents lixiviats)

Suivi de l'évolution de la biodégradation des déchets dans les cellules, test par analyse de la quantité et de la composition des gaz produits (biogaz)

Mesure et analyse de l'ensemble des résultats pour conclure sur les variations de résistivité observées au cours de la biodégradation du déchet

Rédaction d'une procédure de dépouillement des données brutes enregistrées et du rapport de stage CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref

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2 – Tomographie de résistivité électrique

2.1. Méthode de mesure

2.1.1. Notion de résistivité électrique

Définition

La résistivité électrique notée ρ (exprimée en .m) est la propriété physique qui détermine l'aptitude d'un milieu à s'opposer à la circulation d'un courant électrique. Elle se fonde sur la loi d'Ohm, selon laquelle la tension U (exprimée en V) aux bornes d'un conducteur ohmique de résistance R (exprimée en .m) est égale au produit de la résistance R par l'intensité I (exprimée en A) du courant qui le traverse :

RI U = _(V)

Pour un cylindre de section S et de longueur unitaire L et de résistivité électrique ρ, la résistance ohmique R (exprimée en ) est égale à :

S

L

R

=

ρ

×

( )

Il est admis que l'inverse de la résistivité électrique ρ (Ω.m) correspond à la conductivité électrique notée σ (exprimée en S/m) qui traduit l'aptitude d'un milieu à conduire le courant (Chapellier 2000).

Paramètres influents

Plusieurs paramètres physiques ont une influence sur la résistivité.

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Cemagref | Etude de la biodégradabilité des déchets ménagers – Février/Aout 2011 8 La teneur en eau

La teneur en eau massique sèche est le rapport entre la masse d'eau présente entre les éléments solides du sol et la masse sèche du sol après passage de l'échantillon à l'étuve à 105°C pendant 24h. étuve l à passage après sol de sèche Masse sol du solides éléments les entre présente eau d Masse sol un d sèche massique eau en Teneur ' ' ' = (kg/kg) La loi d'Archie (1942) est une relation expérimentale qui relie la résistivité électrique globale d'un milieu poreux à la résistivité électrique de l'eau, la porosité et le degré de saturation du milieu. La teneur en eau volumique étant fonction de la porosité et du degré de saturation, la loi d'Archie permet d'établir une relation entre la résistivité électrique globale d'un milieu poreux et sa teneur en eau.

m w a

−

=ρ φ

ρ _{( .m)}

ρ est la résistivité globale et ρw la résistivité de l'eau d'imbibition. a est un facteur qui dépend de la lithologie et qui varie entre 0.6 et 2 (a<1 pour les roches à porosité intergranulaire et a>1 pour les roches à porosité de fracture).φ désigne la porosité. m est un facteur de cimentation qui dépend de la forme des pores et de la compaction, et qui varie de 1.3 pour les sables non consolidés à 2.2 pour les calcaires cimentés.

La loi d'Archie se simplifie de la façon suivante, où F est le facteur de formation :

w

F

ρ

= avec F =a

φ

−m

La loi d'Archie a été établie pour des roches saturées en eau. Dans le cas non saturé, il faut tenir compte du degré de saturation du milieu qui est décrit de la façon suivante :

vides des Volume n échantillo l de eau d Volume saturation de Degré = ' ' (%)

Archie (1942) considère un milieu homogène et une roche neutre électriquement. Toute la conduction électrique se fait alors par la phase liquide. La composition de la matrice solide aurait alors un effet négligeable sur la conduction électrique, ce que l'on pense ne pas être vrai dans le cas des déchets ménagers, qui peuvent contenir des composés très conducteurs comme des métaux par exemple. Nous émettons également l’hypothèse d’une influence possible de la nature de la matrice (déchets) et son évolution (biodégradation) sur la conduction électrique.

De plus, la répartition de la teneur en eau dans les déchets est souvent aléatoire du fait de leur structure hétérogène (Gholamifard 2009). L'application de la loi d'Archie à l'étude des déchets se justifie par l'assimilation du déchet à un milieu poreux, en raison des interstices présents entre les différents éléments qui le constituent (Maret-Mercier 2009).

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Cemagref | Etude de la biodégradabilité des déchets ménagers – Février/Aout 2011 9 Il existe très peu de travaux étudiant l'influence de la teneur en eau sur la résistivité électrique des déchets. Solène Grellier (2005) montre que malgré le caractère très hétérogène des déchets, la loi d'Archie donne des résultats possibles en termes de porosité et de saturation. Grellier (2005) effectue des mesures sur des échantillons de déchets à différents états hydriques supposés stables et relativement homogènes (saturés, ressuyés et secs) pour valider une loi empirique d'Archie comme relation entre la résistivité électrique et l'humidité des déchets. Les valeurs retenues pour les paramètres sont a = 1, m = n = 2.5, et la loi d'Archie est simplifiée et s'exprime en fonction de la teneur en eau volumique du déchet, θ_:

1 −

=ρ θ

ρ w _{( .m)}

Les conditions hydriques auxquelles nous nous intéresserons plus particulièrement dans le cadre des essais en laboratoire sont la saturation et la capacité au champ.

La capacité au champ d'un sol correspond à la quantité d'eau maximale que le milieu est capable de retenir à l'équilibre, c'est-à-dire à la teneur en eau totale au dessus de laquelle l'eau est drainée par gravité. Plus précisément, elle correspond ainsi à la quantité d'eau retenue après un drainage de 48h de l'échantillon (Vincent, 1991).

La densité

La densité sèche dépend de la nature de la matrice solide et est également fonction de l'agencement des éléments de la matrice solide. La densité sèche γ va donc augmenter avec la compaction. 1000 . total Volume totale sèche Masse = γ (kg/kg) La porosité

La porosité correspond à la quantité de vides au sein d'un matériau.

La teneur en eau d'un milieu est fonction de sa porosité. On distingue la porosité efficace, la porosité ouverte et la porosité totale.

La porosité totale correspond au rapport entre le volume des vides et le volume total :

total Volume vides des Volume totale Porosité = (%)

La porosité efficace correspond quant à elle au rapport entre le volume d'eau gravitaire et le volume total du milieu. L'eau gravitaire correspond à la fraction d'eau soumise à la force de gravité. saturation à total Volume gravitaire eau d Volume efficace Porosité = ' (%) CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref

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Cemagref | Etude de la biodégradabilité des déchets ménagers – Février/Aout 2011 10 La porosité ouverte concerne quant à elle à la porosité connectée avec l'extérieur. C'est-à-dire la partie de la porosité qui participe à l'écoulement.

La température

On observe une diminution de la résistivité de l'ordre de 2% par degré pour une température comprise entre 20 et 50°C (Campbell et al., 1948).

La résistivité électrique d'un sol à une température donnée T (exprimée en °C) peut être rapportée à la résistivité standardρ25 par la relation de Keller et Frischknecht (Keller and

Frischknecht 1966) où ρt est la résistivité mesurée, et t la température de mesure :

)) 25 ( 025 . 0 1 ( 25 t t + + =

ρ

( .m)

En ce qui concerne la dépendance entre la résistivité des lixiviats et la température, Grellier (2005) la situe également à environ 2% par degré Celsius.

Exemples de valeurs de résistivité pour différents fluides et matériaux

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Tableau 1 : Valeurs de résistivité de différents fluides et matériaux (Knödel, Lange et al. 2007)

D'après Clément (1995), les valeurs de résistivité électrique du lixiviat de 25 centres de stockages français sont comprises entre 0,1 et 3 .m avec une moyenne à 0,5 .m. La résistivité électrique des lixiviats varie en fonction de leur âge (Grellier, Bouyé et al. 2005).

2.1.2. Dispositif de mesure de résistivité électrique

Histoire de la Tomographie de Résistivité Electrique (ERT)

La tomographie de résistivité électrique est une méthode géophysique apparue à la fin des années 1980. Elle dérive des méthodes classiques du sondage électrique et du trainé électrique et permet une imagerie 2D ou 3D des variations de résistivité électrique du

sous-CemOA

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Cemagref | Etude de la biodégradabilité des déchets ménagers – Février/Aout 2011 12 sol. Grâce au développement d'appareils performants, d'acquisitions automatisées et de codes d'inversion, cette technique connait un essor important.

La tomographie électrique permet d'obtenir un modèle de la résistivité du sous-sol où la répartition de la résistivité varie verticalement et horizontalement le long du profil (2D) voire transversalement (3D) (Clément 2010).

Figure 7 : Dispositif de mesure de tomographie électrique. L'image obtenue après l'inversion correspond à une tomographie de résistivité électrique (d'après Naudet, 2004).

Le principe de l'ERT

La méthode de prospection par tomographie de résistivité électrique aussi appelée imagerie de résistivité électrique, permet d'obtenir une représentation de la distribution de la résistivité électrique d'un milieu donné.

Le dispositif de mesure est de type quadripôle. Deux électrodes, A et B, dites d'injection sont employées pour injecter un courant électrique dans le sol, et deux électrodes, M et N, dites de potentiel mesurent la différence de potentiel ∆V engendrée. En effet, en fermant un circuit d'intensité I avec les deux électrodes A et B, il est possible de mesurer la différence de potentiel créée par le passage du courant dans le milieu entre M et N.

Les valeurs de résistivité obtenues sur le terrain correspondent à des valeurs de résistivité apparente. La résistivité apparente est le rapport entre le potentiel mesuré avec un dispositif et une intensité de courant donnés et celui que l'on obtiendrait avec le même

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Cemagref | Etude de la biodégradabilité des déchets ménagers – Février/Aout 2011 13 dispositif et le même courant sur un milieu homogène et isotrope de résistivité 1 .m (Chapellier 2000) :

Pour un même dispositif et une même intensité de courant on a donc :

m de isotrope et ogène milieu un sur t obtiendrai on l que Potentiel Mesuré Potentiel a . 1 hom ' Ω = ρ ( .m)

Ainsi, si le sol est homogène, la résistivité apparente est égale à la résistivité intrinsèque du milieu.

La loi d'Ohm permet d'exprimer la résistivité apparente ρa comme suit :

) . ( m I V K a = ∆ Ω ρ

Le paramètre K est un coefficient géométrique qui dépend uniquement de la géométrie du dispositif. Il dépend de la disposition des électrodes et de la configuration du dispositif de mesure. K détermine notamment la profondeur d'investigation théorique du dispositif.

Figure 8 : Méthode de mesure de la résistivité électrique

Il existe différents dispositifs pour mesurer la résistivité. A chaque dispositif sont associés une profondeur d'investigation et un pouvoir de résolution.

Les principaux dispositifs utilisés se distinguent par la disposition de leurs électrodes :

Le dispositif Wenner-α emploie quatre électrodes disposées le long d'un même alignement, avec AM = MN = NB. Les électrodes de mesure, M et N, se trouvent à l'intérieur des électrodes d'injection A et B.

Le dispositif Wenner-β utilise quatre électrodes disposées le long d'un même alignement, avec AB = BM = NB. Les électrodes de mesure, M et N, se situent à l'extérieur des électrodes d'injection A et B.

Le dispositif Schlumberger nécessite quatre électrodes disposées sur un même alignement, avec la distance MN faible devant la distance AB. En général, MN < (AB/5).

Le dispositif Dipôle-Dipôle se compose de quatre électrodes généralement disposées sur un même alignement, avec AB = MN. La distance entre les deux dipôles est quant à elle variable. CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref

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Cemagref | Etude de la biodégradabilité des déchets ménagers – Février/Aout 2011 14 Le dispositif Pôle-Pôle comporte également quatre électrodes, mais B et N sont placées à l'infini.

Figure 9 : Profondeur d'investigation et pouvoir de résolution (d'après ROY, 1971 et BARKER, 1989)

2.1.3. Inversion des mesures de résistivité électrique

Intérêt et principe de l'inversion

L'inversion est une étape essentielle qui permet l'interprétation des données. Les valeurs mesurées sur le terrain sont des valeurs de résistivité apparente. La mesure représente ainsi une valeur qui intègre les résistivités d'un certain volume du sous-sol. L'inversion des données a pour objectif de « démoyenner » ces valeurs ; il s'agit de chercher à retrouver la

véritable distribution des résistivités vraies ou interprétées par le calcul (Chapellier 2000). _CemOA

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Figure 10 : Inversion par méthode itérative en tomographie 2D (d'après le logiciel Res2Dinv, LOKE, 1996) (Loke and Barker 1996).

Les différentes étapes de la méthode d'inversion sont les suivantes :

Les données de résistivités apparentes mesurées (Figure 10-A) permettent tout d'abord d'élaborer une représentation de la réalité physique, c'est à dire un premier modèle des résistivités (Figure 10-C).

Une acquisition fictive permet ensuite de calculer la réponse de ce modèle (c'est-à-dire de calculer des données synthétiques), par un algorithme, et on obtient une représentation des résistivités apparentes calculées (B).

Le but de l'inversion est de trouver le modèle qui donne la réponse qui soit la plus proche des valeurs de résistivité apparentes mesurées expérimentalement sur le terrain. L'algorithme détermine alors l'erreur RMS (Root Mean Square), l'erreur moyenne au sens des moindres carrés entre les données mesurées sur le terrain (A) et les données calculées (B). Le modèle calculé est ensuite ajusté dans le but de minimiser cette erreur en fonction des paramètres d'inversion. Cette étape du processus d'inversion est répétée de manière itérative jusqu'à ce que le processus converge. Ainsi, le processus d'inversion s'achève quand l'erreur RMS ne varie plus de manière significative (variation inférieure à 5%). Le modèle d'inversion alors établi, représente les variations de résistivité interprétée. Il correspond à une représentation mathématique idéale.

2.2. Application de la méthode de mesure aux essais

en laboratoire

L'application de la méthode de mesure ERT à des essais en laboratoire s'appuie sur la confection de cellules cylindriques remplies de déchets et munies d'électrodes selon une

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Cemagref | Etude de la biodégradabilité des déchets ménagers – Février/Aout 2011 16 disposition bien définie, pour permettre la mesure de la résistivité électrique à l'intérieur du déchet.

Les configurations d'électrodes auxquelles nous allons nous intéresser ne sont pas classiques, elles sont adaptées à la géométrie cylindrique de la cellule.

3 - Matériel et méthodes d'investigation en

laboratoire

3.1. Mesure de la résistivité électrique

3.1.1. Présentation du dispositif expérimental

La cellule expérimentale

Le dispositif expérimental dans lequel sont effectués les essais se compose d'une cellule cylindrique en PVC dans laquelle sont enfoncées 16 électrodes identiques en acier inoxydable qui sont de forme cylindrique de 0.8 cm de diamètre et de 10 cm de long. Elle compte quatre niveaux de quatre électrodes, disposées selon quatre génératrices espacées de 90°, qui permettent de réaliser des mesures de résistivité électrique ERT selon 124 quadripôles. Chacune des quatre cellules expérimentales est équipée d'une sonde de température (Sonde PT100), d'une poche servant à récupérer le gaz produit lors de la dégradation (sac Tedlar), et d'un robinet permettant la récupération d'un éventuel lixiviat et la saturation de la cellule.

Figure 11 : A gauche : photographie de la cellule ouverte ; A droite : schéma théorique avec les côtes de la cellule CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref

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Cemagref | Etude de la biodégradabilité des déchets ménagers – Février/Aout 2011 17 La cellule expérimentale présente les caractéristiques suivantes :

Volume : ≈ 2,8 l

(Volume effectif de déchet entre les deux géogrilles)

Hauteur : 0,165 m

(Hauteur prenant en compte la hauteur de déchet et la géogrille inférieure, considérée comme remplie de lixiviat)

Diamètre : 0,150 m

Nombre d'électrodes : 16

longueur des électrodes : 0,1 m

Enfoncement des électrodes dans le déchet : 0,01 m

Le dispositif électrique

Le principe de la méthode ERT consiste en la superposition des informations mesurées à partir de différents quadripôles. Chaque quadripôle comporte quatre électrodes. Le bout de l'électrode qui s'enfonce dans le déchet est une pointe. Les électrodes sont enfoncées de 1 cm dans le déchet à l'intérieur de la cellule.

Pour les mesures électriques, nous avons utilisé le résistivimètre Syscal Pro Iris-Instruments®. Une première unité permet l'injection d’un courant connu dans les électrodes et une seconde permet la mesure du potentiel entre les électrodes de potentiel. Equipé d'un microprocesseur, il permet de passer d'un quadripôle à un autre à l'aide d'un programme d'acquisition des données, faisant ainsi intervenir les différentes combinaisons de quadripôles préalablement sélectionnées par séquences prédéfinies.

L'équipement relatif au biogaz

Le biogaz est récupéré grâce à des sacs Tedlar connectés sur le bouchon de la cellule. Trois tailles de sacs sont à notre disposition : 10 l, 5 l et 0.3 l, ce qui nous permet d'adapter le volume du sac à la quantité de biogaz produit par la cellule de déchets.

L'analyse de la composition du biogaz produit est réalisée par chromatographie en phase gazeuse. L'appareil utilisé pour la mesure est un Micro GC CP4900 QUAD, Varian. Il s'agit d'un outil permettant d’analyser de façon rapide la qualité des gaz avec une sensibilité inférieure au ppm. Il comporte trois colonnes interchangeables, facilement remplaçables, prévues afin d’analyser les substances suivantes : Acroléine, Biogaz, CO2, CO, CH4, H2 et NO. Il détermine avec précision la concentration des espèces chimiques qui le traversent.

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L'équipement relatif au lixiviat

Le robinet situé au pied de la cellule permet la récupération d'un éventuel lixiviat. Des analyses de conductivité et de pH peuvent alors être entreprises sur les échantillons prélevés. Le conductivimètre utilisé est un pH/Cond 340i et le pH est mesuré avec un pmètre H-Series H160 Portable pH Meter Starter Kit, IQ Scientific Instruments.

Le niveau d'exactitude des appareils utilisés en laboratoire est relatif à la sensibilité des capteurs dont ils sont munis.

Concernant le conductivimètre, les résolutions correspondant à chaque plage de données sont les suivantes :

- De 0.00 à 19,99 mS/cm : résolution de 0.01 mS/cm - De 0.0 à 199,9 mS/cm : résolution de 0.1 mS/cm - De 0 à 500 mS/cm : résolution de 1 mS/cm

Le manuel d'utilisation de l'appareil signale également que le pourcentage de précision par rapport à la valeur mesurée est de 0.5%.

Le pH-mètre utilisé mesure des pH compris entre 0 et 14 avec une résolution de 0.01.

Le suivi de la température

Une sonde Pt100 est placée au centre de la cellule de déchet pour permettre le suivi de la température. Elle est constituée d'un filament de platine (Pt), dont la caractéristique est de changer de résistance en fonction de la température. Sa résistance est de 100 pour 0 C, et elle augmente en même temps que la température. De plus, la sonde est aussi électriquement isolée pour ne pas perturber les mesures de résistivité électrique.

3.1.2. Dispositif de mesure

Les cellules expérimentales permettent, nous l’avons vu, la détermination de 124 quadripôles (124 configurations mettant en jeu 4 électrodes). Sont ainsi définis des quadripôles verticaux, horizontaux, sur deux niveaux, et en biais sur deux niveaux (annexe 1).

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Figure 12 : a) Cellule et électrodes ; b) Principe des mesures de résistivité électrique (AB, électrodes d'injection ; MN électrodes de potentiel)

La mesure de la résistivité électrique sur une cellule de déchet est rendu possible par injection de courant et mesure du potentiel sur les 124 quadripôles sélectionnés. Le schéma ci-dessus présente l'exemple d'une mesure selon un quadripôle vertical.

Le coefficient géométrique K est un paramètre très important pour le calcul de la résistivité électrique du déchet. A chaque quadripôle correspond un coefficient géométrique.

Si les équations permettant de les déterminer sont connues pour des configurations classiques des électrodes, ce n'est pas le cas pour cette expérience en milieu cylindrique. La première étape du travail consiste à déterminer les coefficients géométriques de chacun des quadripôles, qui peuvent être obtenus soit par modélisation numérique, soit par des mesures sur milieu homogène avec la relation suivante :

I V K ∆ = ρ ( .m) d'où V I K ∆ = ρ

3.1.3. Outil d'inversion pour obtenir les résistivités électriques

interprétées

Inversion avec le logiciel BERT (Boundless Electrical Resistivity

Tomography)

Dans notre cas, le processus d’inversion est entrepris avec le logiciel d'inversion 3D BERT (Günther and Rücker 2010). Il a été développé par Thomas Günther et Carsten Rücker de l'institut géophysique d'Hanovre. Il est particulièrement bien adapté aux modélisations complexes avec un grand nombre d'électrodes et aux modélisations en géométrie fermée comme les cylindres. De plus, il offre la possibilité de travailler avec des géométries arbitraire (Clément 2010).

Les paramètres d'inversion choisis correspondent à une convergence optimale des itérations. La convergence optimale est notamment déterminée par la rapidité de la

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Cemagref | Etude de la biodégradabilité des déchets ménagers – Février/Aout 2011 20 convergence (nombre d'itérations nécessaires pour atteindre la solution) et la valeur finale de l'erreur RMS (qui représente le pourcentage de différence entre les données calculées et les données mesurées). Elle dépend des paramètres de départ choisis pour l'inversion avec, par exemple, des options qui définissent le degré de lissage, le nombre d'itérations maximum ou encore le maillage.

Dans le cadre du suivi de l'évolution de la résistivité électrique au sein des cellules de déchets, l'enjeu est de parvenir à calculer une valeur moyenne pour en suivre la variation et la comparer à celle de la production de biogaz. Il faut tout d'abord déterminer le volume dont on tiendra compte pour le calcul de cette valeur moyenne, qui correspondra au volume pour lequel l'erreur sur les mesures sera considérée comme acceptable.

Pour ce faire, nous nous intéressons tout d'abord à des mesures réalisées sur un milieu homogène de résistivité connue. Nous considérons donc un milieu homogène de résistivité électrique de 6 .m, avec un courant I injecté de 10mA. Les coefficients géométriques de référence permettent de déduire la tension U (mV). Les données sont alors inversées avec le logiciel BERT, et nous nous sommes intéressés aux variations de résistivité et de sensibilité selon un axe vertical et un axe horizontal passant tous deux par le centre de la cellule, pour étudier les variations latérales de résistivité obtenues. La sensibilité est calculée parallèlement à l'inversion, par le logiciel BERT.

Dans un premier temps, intéressons nous aux résultats obtenus selon l'axe vertical. Les résultats suivants ont été obtenus sur la cellule 4.

Figure 13 : Résistivité électrique et sensibilité de la cellule 4 selon l'axe vertical passant par le centre de la cellule, sur un milieu homogène

Concernant la résistivité verticale, on observe des variations comprises entre 5.9 et 6.17 .m environ. La sensibilité verticale varie quant à elle entre 5.794 et 5.77 environ. Les deux courbes sont décroissantes, et présentent les valeurs les plus élevées en bas de la cellule pour tendre vers les moins élevées en haut de la cellule. En couplant les résultats de ces deux courbes il apparait raisonnable de garder l'ensemble de la plage de données compte tenu des faibles plages de variations dans les deux cas (variations inférieures à 3%).

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Cemagref | Etude de la biodégradabilité des déchets ménagers – Février/Aout 2011 21 A présent, nous réalisons la même procédure, mais pour toutes les mesures de résistivité réalisées sur la cellule de déchets (à saturation puis à chaque pas de temps). Les courbes de résistivité et de sensibilité obtenues sont présentées sur les graphes suivants :

Figure 14 : Variations verticales de la résistivité électrique sur la cellule 4 à chaque pas de mesure

Figure 15 : Variations verticales de la sensibilité sur la cellule 4 à chaque pas de mesure

Nous remarquons que toutes les courbes obtenues ont sensiblement la même allure. Elles permettent de mettre en évidence une baisse conséquente de la résistivité et de la sensibilité sur les bords de la cellule (en haut et en bas). Ces constatations posent problème dans la mesure où une telle baisse ne s'explique pas par les conditions expérimentales. Il peut s'agir d'effets dus à l'inversion, ou à des effets de bord.

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Cemagref | Etude de la biodégradabilité des déchets ménagers – Février/Aout 2011 22 A la vue de l'ensemble de ces résultats (inversions sur milieu homogène puis sur cellule remplie de déchets), il a été décidé que seules les valeurs situées en dehors des zones affectées par cette baisse de résistivité et par cette perte de sensibilité seront gardées. Cela permet de définir un certain volume pour la détermination de la résistivité moyenne verticale. Il est ainsi possible de situer les limites au-delà desquelles on observe les pertes de résistivité et de sensibilité à 0.06052 m pour la limite inférieure et à 0.11968 m pour la limite supérieure dans le cas de la cellule 4.

En second lieu, nous avons entrepris les mêmes démarches pour étudier les variations selon l'axe horizontal.

Figure 16 : Résistivité électrique et sensibilité de la cellule 4 selon un axe horizontal passant par le centre de la cellule, sur un milieu homogène

La résistivité horizontale varie entre 5.925 et 6.03 .m quand la sensibilité horizontale varie entre 5.7719 et 5.7805 environ. Ces variations étant faibles (inférieures à 2%), l'ensemble de la plage de données selon l'horizontale est gardée.

En appliquant cette procédure à toutes les mesures de résistivité réalisées sur la cellule de déchets (à la saturation puis à chaque pas de temps). Les courbes de résistivité et de sensibilité obtenues selon l'axe horizontal sont présentées sur les graphes suivants :

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Figure 17 : Variations horizontales de la résistivité électrique sur la cellule 4 à chaque pas de temps

Figure 18 : Variations horizontales de la sensibilité sur la cellule 4 à chaque pas de temps

Nous remarquons que la perte de sensibilité se situe d'avantage au centre de la cellule, mais avec de plus faibles variations (entre 5.7 et 6.1 pour la cellule 4).

Les variations horizontales de résistivité et de sensibilité étant ainsi relativement faibles, nous décidons qu'il n'est pas nécessaire de supprimer une zone.

Suite à ces observations, nous choisissons donc de calculer la valeur moyenne de résistivité de la cellule en fonction de la sensibilité verticale uniquement. Cela correspond à un volume situé approximativement entre les niveaux 2 et 3 des électrodes.

Les résultats obtenus pour les autres cellules sont sensiblement les mêmes. Les limites verticales finalement retenues étant les suivantes :

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Cemagref | Etude de la biodégradabilité des déchets ménagers – Février/Aout 2011 24 • Cellule 3 : entre 0.06052 m et 0.11356 m

• Cellule 7 : entre 0.06468 m et 0.12606 m • Cellule 8 : entre 0.06256 m et 0.12580 m

Les volumes retenus pour chaque cellule sont résumés dans le tableau ci-dessous. Il est également précisé ce que représentent ces volumes retenus par rapport au volume total de la cellule.

Volume retenu (L) Pourcentage de volume retenu par rapport au volume total de la cellule (%)

Cellule 3 0,9 31

Cellule 4 1,0 34,5

Cellule 7 1,0 34,5

Cellule 8 1,1 37,9

Tableau 2 : Volumes retenus pour l'inversion

Figure 19 : A gauche : représentation de la cellule après inversion ; A droite : Volume sélectionné pour calculer une valeur moyenne de résistivité

3.2. Suivi de la biodégradation des déchets

-ménagers

3.2.1. Rappel des différentes phases de la dégradation anaérobie

La digestion anaérobie se divise en quatre étapes : l'hydrolyse, l'acidogénèse, l'acétogénèse et la méthanogénèse. Chacune d'entre elles fait intervenir différents types de microorganismes qui sont impliqués dans les processus de digestion et de transformation de la matière organique.

Tout d'abord, au cours de l'hydrolyse, la matière organique complexe est transformée en molécules plus simple et plus petites, solubles dans le milieu. Les macromolécules (composés à longue chaîne), souvent insolubles, comme les protides, les graisses et les glucides, sont ainsi réduites en fragments dissous, les monomères tels que les acides aminés, les acides gras et le sucre.

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Cemagref | Etude de la biodégradabilité des déchets ménagers – Février/Aout 2011 25 Les produits de l'hydrolyse sont ensuite consommés par les bactéries fermentaires au cours de l'étape d'acidogénèse. Les monomères sont métabolisés pour produire des acides gras volatils (AGV) (acides acétique, propionique, butyrique, valérique, lactique et formique), de l'alcool, du sulfure de dihydrogène (H2S) et de l'hydrogène (H2). On obtient alors des produits fermentés simplifiés. Il s'agit d'une étape rapide. Les bactéries impliquées se dupliquent très rapidement et de façon plus importante par rapport aux bactéries des autres étapes. Cela peut provoquer une accumulation des produits intermédiaires susceptible de déstabiliser voire d'arrêter les étapes suivantes de la dégradation. En effet, ces éléments présents en de trop grandes concentrations ont un pouvoir inhibiteur.

Vient ensuite l'étape acétogène, qui transforme les produits de l'acidogénèse en acétate, dioxyde de carbone (CO2)et hydrogène (H2).

La méthanisation, ou fermentation méthanique est la phase de digestion anaérobie qui transforme la matière organique en compost, méthane et gaz carbonique par un écosystème microbien complexe fonctionnant en absence d'oxygène. Le pH est un des paramètres les plus importants pour la méthanisation. Si un pH stable indique un système en équilibre et une méthanisation performante, sa diminution doit être inquiétante. Les bactéries impliquées dans le processus de la méthanogénèse sont particulièrement sensibles aux variations de pH et leur altération peuvent arrêter la production gazeuse. Ainsi, un pH autour de 6 peut causer un arrêt du processus de dégradation et un pH en-deçà de 5 engendre la mort de ces organismes (Boyer, Labrunie et al. 2009).

Figure 20 : Les quatre étapes de la digestion anaérobie et les flux de carbone associés en % de DCO (DCO : Demande Chimique en Oxygène. Elle correspond à la quantité d'oxygène nécessaire pour oxyder

par voie chimique les matières organiques contenues dans un litre d'eau. Elle s'exprime en mgO2/L)

(Laboratoire de Biotechnologie de l'Environnement)

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