Modélisation des écoulements diphasiques bioactifs dans les installations de stockage de déchets, Modeling two-phase bioactive flow in bioreactor landfills

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Sous la direction de Robert Eymard
Thèse soutenue le 02 février 2009: Paris Est
Accélérer la dégradation anaérobie des déchets enfouis, optimiser la production de biogaz et diminuer le temps et le coût de surveillance sont les enjeux principaux d'installation de stockage des déchets non dangereux (ISDND)-bioactives, ainsi que, plus classiquement, minimiser leurs impacts sanitaires et environnementaux. L'une des méthodes les plus efficaces pour atteindre ces objectifs est la recirculation de lixiviat et l'augmentation de l'humidité des déchets. Les objectifs du bioréacteur ne seront pas atteints sans une connaissance rationnelle des phénomènes hydrauliques, biologiques et thermiques qui s’y développent et de l’influence de l'un de ces phénomènes sur les autres. Les observations in situ, les expérimentations en laboratoire ainsi que les modèles numériques permettent ensemble une approche rationnelle de ces phénomènes. C’est ce qui constitue le corps de ce travail de thèse, où nous avons étudié le comportement hydro-thermo-biologique des déchets dans la phase anaérobie en laboratoire, sur site à partir de données hydro-thermiques de deux bioréacteurs situés en France et en développant un modèle numérique pour simuler ce comportement couplé des bioréacteurs. Les travaux en laboratoire nous ont permis d’étudier l’effet de la saturation et de la densité (compactage des déchets) sur la dégradation anaérobie des déchets ménagers et l’influence de ces paramètres sur la production de biogaz. Les données hydrauliques et thermiques in-situ des bioréacteurs nous ont permis de connaître les variations des paramètres essentiels comme la température et la saturation dans les déchets, à différentes profondeurs, et estimer d’autres paramètres qui sont difficile à déterminer expérimentalement. Le modèle numérique nous a permis d’étudier le comportement couplé, hydro-thermo-biologique, des bioréacteurs à long terme (pendant une dizaine d’années) aussi bien qu’à court terme pendant la recirculation de lixiviat. L’interdépendance des différents paramètres qui influent la dégradation des déchets est la principale raison nous ayant conduits à développer un modèle de couplage qui nous permette d'étudier chaque paramètre en fonction des autres. Les travaux en laboratoire et les données thermiques de site nous ont conduits à développer un modèle d'écoulement diphasique du liquide et du gaz dans les déchets, considérant les phénomènes biologiques, en fonction des paramètres clés de la dégradation comme la température et la saturation, pour aboutir à la production de biogaz et de chaleur. Les trois parties de ce travail, les expérimentations en laboratoire, le développement d'un modèle numérique et l’analyse des données de site ont été effectuées en parallèle de façon complémentaire. Les expérimentation de laboratoire tout comme l’analyse des données de site, nous ont montré l'importance des paramètres qu'il faut considérer dans le modèle et en retour le modèle numérique nous a aidé à diriger les expérimentations en laboratoire et montré la nécessité de conduire certaines analyses sur les pilotes expérimentaux, comme l’analyse de la biomasse, de la DCO et des AGV. L'analyse des données hydrauliques et thermiques de sites de bioréacteur nous a permis de caler les paramètres hydrauliques, biologiques et thermiques des déchets qui sont difficile à définir sur le site sans le perturber (comme la conductivité hydraulique, la saturation, la conductivité thermique, la capacité calorifique, la concentration en biomasse et en AGV). Le travail réalisé dans la thèse a permis de développer un modèle couplé hydro-thermo-biologique et de tester sa capacité à prévoir le comportement thermique d'un bioréacteur, la production totale et le taux de production de méthane. Nous avons montré qu'il était adopté à l'étude du comportement à long terme d'un bioréacteur, aussi bien qu'à court terme pendant la réinjection de lixiviat, là où les techniques de mesure et le temps sont limitants en laboratoire ou sur site
-ISDND bioactives
-Croissance microbienne
-Transferts de masse et de chaleur
-Recirculation de lixiviat
-Comportement hydro-thermo-biologique
-Ecoulement de lixiviat et biogaz
-Dégradation anaérobie
-Modélisation de couplage
-Biomasse méthanogène
-Méthanisation des déchets
-Mesures in situ de température et d'humidité
-Inhibition par AGV
The main objectives of bioreactor landfills are to accelerate anaerobic degradation of waste in order to minimize the environmental impacts, to optimize biogas production and to minimize the time of waste stabilization as well as the costs and time of monitoring of landfill sites after operation. One of the most important and cost-effective method to achieve these objectives is liquid addition and management. The objectives of bioreactor landfills could not be achieved without enough knowledge of its hydraulic, thermal and biological parameters and processes and the effects of each of them on the others. Site observations and data and laboratory experiments as well as numerical models could help to develop the knowledge of these phenomena and processes, which is the objective of this work. In this thesis we study the coupled hydro-thermo-biological behavior of bioreactor landfills in the anaerobic phase in the laboratory and using site data of two bioreactor landfills in France and developing a numerical coupled model. The laboratory experiments help us to know the effect of such important parameters as saturation and density of wastes on anaerobic degradation and biogas production. The site data help us to know the variations of saturation and temperature of wastes in a bioreactor landfill in different depths, as two key factors of anaerobic degradation and biogas production. Site analysis helps also to estimate some parameters as hydraulic and thermal conductivity of wastes, which are hard to measure in situ without disturbing the landfill site. The numerical model helps us to study the coupled behavior of bioreactor landfills during leachate recirculation, as well as on the long term during many years. The interdependence of various parameters which influence waste degradation and thermo-biological phenomena in a bioreactor landfills is the main reason of development of this coupled model. This model makes it possible to study each key parameter, as saturation and temperature, as a function of other parameters. Laboratory experiments and site data analysis lead to develop a biological model of degradation to be coupled with a two-phase flow model of liquid and gas. The three parts of this thesis, laboratory experiments, site data analysis and development of the numerical coupled model were carried out in parallel and in a complementary manner. Laboratory experiments as well as site data analysis showed us the importance of some parameters to be considered in the numerical model and coupled behavior. In return numerical model showed the importance of considering the temperature dependence behavior of microbial activity and the necessity of biomass, VFA and COD analysis in laboratory experiments. The analysis of hydraulic and thermal site data led to estimate parameters which are hard to measure in situ or in the laboratory, as hydraulic and thermal conductivity of waste, saturation, thermal conductivity of cover layer and heat capacity of waste. The numerical coupled hydro-thermo-biological model seems to be efficient enough to predict biogas and methane production in bioreactor and classical landfills and to reproduce their correct behavior
-Bioreactor landfills
-Leachate recirculation
-Heat and gas transfer
-In situ measurements
-Coupled model
-VFA inhibition
-Hydro-thermo-biological behavior
-Methanogenic biomass
-Biogas production
-Anaerobic degradation
Source: http://www.theses.fr/2009PEST1015/document
Publié le : jeudi 27 octobre 2011
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THÈSE
pour obtenir le grade de
Docteur de l’Université Paris-Est

Spécialité : Génie des Procédés

Ecole doctorale : Information, Communication, Modélisation,
Simulation



Modélisation des écoulements
diphasiques bioactifs dans les installations
de stockage de déchets

Soutenue par
Shabnam Gholamifard
Le 2 février 2009



Membres du jury:

Rapporteurs :
B. Guerrier, Directrice de Recherche, CNRS
D. R. Reinhart, Professeur, Univ. Central Florida

Examinateurs:
T. Bouchez, Docteur, Cemagref d'Antony
C. Duquennoi, Docteur, Encadrant, Cemagref d'Antony
R. Eymard, Professeur, Directeur de thèse, Univ. Paris-Est MLV
G. Lauriat, Professeur, Univ. Paris-Est MLV
V. Vavilin, Professeur, Acad. des Sciences de Russie

Invités: J. Cacho, Docteur, Veolia Environnement
F. Saidi, Docteur, CIRSEE
Remerciements
L'expression de ma gratitude va tout d’abord à Robert Eymard, directeur de thèse et professeur à
l’université Paris-Est Marne-La-Vallée, et Christian Duquennoi, encadrant de thèse et ingénieur
de recherche au Cemagref. Robert, votre confiance, votre intelligence et votre enthousiasme
scientifique ont accompagnés et soutenus sans faillir les trois années de thèse qui s'achèvent ici.
Christian, ta bonne humeur, ta disponibilité et ta rigueur scientifique m’ont beaucoup apporté du
point de vue scientifique et humain durant mon travail. Merci d’avoir accepté de relire les
différentes versions de mon manuscrit, rédigé dans une langue qui n'est pas la mienne, avec
beaucoup de patience. Tes commentaires m'ont permis de grandement enrichir mon texte.

Je tiens aussi à remercier chaleureusement les membres de mon jury : Mme. Béatrice Guerrier,
directrice de recherche au CNRS, et Mme. Debra Reinhart, professeur à l’université de Central
Florida, pour m'avoir fait l'honneur d'être rapporteurs de ma thèse et qui m'ont fait des
commentaires très enrichissants sur mon travail ; mes examinateurs M. Théodore Bouchez,
ingénieur microbiologiste au Cemagref, et M. Vasily Vavilin, professeur à l’Académie des Sciences
de Russie, leurs questions et leurs commentaires m'ont apporté un éclairage différent ; et M. Guy
Lauriat, professeur à l’université Paris-Est Marne-La-Vallée, pour m'avoir fait l'honneur
d'accepter de présider le jury.

Merci également à M. Fethi Saidi, ingénieur au pôle valorisation matière et énergie du CIRSEE, et
M. Jésus Andrés Cacho Rivero, responsable de pôle méthanisation au Veolia Environnement
d’avoir accepté de faire parti de ce jury.

Je n’oublie pas les personnels de Cemagref: les chercheurs et les techniciens de laboratoires
lixiviat, microbiologie et géosynthétiques, les secrétaires, les thésards et les stagiaires; je leur
exprime ma reconnaissance pour leur gentillesse, leur disponibilité et leur accueil chaleureux.























Frères humains, laissez moi vous raconter comment ça s’est passé (...). Et c’est bien vrai qu’il s’agit
d’une sombre histoire, mais édifiante aussi, un véritable conte moral, je vous l’assure. Ça risque d’être
un peu long, après tout il s’est passé beaucoup de choses, mais si ça se trouve vous n’êtes pas trop
pressés, avec un peu de chance vous avez le temps. Et puis ça vous concerne : vous verrez bien que ça
vous concerne. Ne pensez pas que je cherche à vous convaincre de quoi que ce soit ; après tout, vos
opinions vous regardent. Si je me suis résolu à écrire, après toutes ses années, c’est pour mettre les
choses au point pour moi-même, pas pour vous.

Jonathane Littell, Les Bienveillantes




Sommaire
Sommaire ..............................................................................................................................1
Résumé..................................................................................................................................5
Abstract .................................................................................................................................7
Introduction ..........................................................................................................................9
Chapitre 1 ............................................................................................................................ 15
Le stockage bioactif des déchets : stratégie et processus bio-physico-chimiques............ 15
1.1 Déchets ménagers non dangereux (DND)...........................................................................15
1.1.1 Production des déchets ménagers ................................................................................15
1.1.2 Le stockage.......................................................................................................................16
1.1.3 L’ISDND bioactive ou bioréacteur..............................................................................16
1.2 Processus bio$physico$chimiques dans les ISDND............................................................17
1.2.1 La composition des déchets ménagers non dangereux (DND)...............................17
1.2.2 Teneur en eau et en matières sèches des DND..........................................................18
1.2.3 La digestion anaérobie de la matière organique..........................................................19
1.2.4 Le lixiviat ..........................................................................................................................20
1.2.5 Le biogaz ..........................................................................................................................20
Chapitre 2............................................................................................................................23
Modélisation du transfert de matière et de chaleur dans un milieu poreux ......................23
2.1 Variables et paramètres hydrauliques et thermiques définissant un écoulement
diphasique dans un milieu poreux.......................................................................................................23
2.1.1 Teneur en eau et saturation ...........................................................................................24
Teneur en eau.........................................................................................................................................24
Saturation ................................................................................................................................................26
2.1.2 Porosité.............................................................................................................................26
2.1.3 Masse volumique $ densité.............................................................................................29
2.1.4 Définition de la saturation à partir de la teneur en eau .............................................31
2.1.5 Pression capillaire............................................................................................................31
2.1.6 Perméabilité relative et intrinsèque...............................................................................32
2.1.7 Conductivité hydraulique...............................................................................................33
2.1.8 Conductivité thermique des déchets ............................................................................34
2.1.9 Capacité calorifique des déchets ...................................................................................35
2.2 Modélisation du transfert de matière et de chaleur dans un milieu poreux.....................36
2.2.1 Principes de la thermodynamique des systèmes irréversibles...................................37
2.2.2 Un modèle complet d'écoulement d'eau et de gaz au sein d'un milieu poreux......38
2.2.2.1 Conservation de la masse ..........................................................................................38
Loi de Darcy...........................................................................................................................................38
2.2.2.2 Le bilan d'énergie........................................................................................................39
2.3 Méthodes numériques et validation sur des cas simplifiés.................................................39
2.3.1 La méthode des volumes finis.......................................................................................39
2.3.2 Enjeu du décentrage dans le schéma de volumes finis explicite ..............................41
2.3.3 Ecoulement diphasique en milieu poreux ...................................................................42
2.3.4 La méthode de Newton .................................................................................................42
2.3.5 Validation du modèle diphasique sur une solution analytique .................................44
2.3.5.1 Equation de Buckley$Leverett ..................................................................................46
2.3.5.2 Méthode de Welge......................................................................................................47
2.3.6 Comparaison des résultats numériques avec les solutions analytiques ...................48
1 2.3.6.1 Colonne horizontale...................................................................................................48
2.3.6.2 Colonne verticale........................................................................................................50
Chapitre 3............................................................................................................................53
Modèles de dégradation des déchets et de production de biogaz .....................................53
3.1 Introduction..............................................................................................................................53
3.1.1 Les phases de dégradation des DND...........................................................................54
3.1.1.1 Phase 1: La phase aérobie..........................................................................................54
3.1.1.2 Phase 2: La phase acide anaérobie ...........................................................................55
3.1.1.3 Phase 3: La phase méthanogène accélérée..............................................................56
3.1.1.4 Phase 4: La phase méthanogène ralentie.................................................................57
3.1.2 Les paramètres et processus clés du modèle de dégradation....................................57
3.1.2.1 L’humidité....................................................................................................................58
3.1.2.2 La température............................................................................................................58
3.1.2.3 La biodégradation.......................................................................................................59
3.1.2.4 La recirculation du lixiviat.........................................................................................60
3.1.2.5 L’effet de l’humidité et de la recirculation de lixiviat sur la température ...........60
3.1.3 Les modèles de type I et de type II ..............................................................................61
3.2 Modèles de dégradation et de production de gaz de type I : Cinétiques de dégradation
de premier ordre ....................................................................................................................................61
3.2.1 Dégradation des fractions biodégradables des déchets .............................................61
3.2.2 La production de biogaz ................................................................................................63
3.2.3 Développement d'un nouveau modèle de type I .......................................................64
3.3 Modèles de dégradation de type II : Utilisation d’un modèle de croissance des
microorganismes....................................................................................................................................65
3.3.1 Modèle d'El$Fadel (1996)...............................................................................................65
3.3.1.1 Production de biogaz.................................................................................................65
3.3.1.2 Production de chaleur................................................................................................68
3.3.2 Modèle de Vavilin (2000, 2002) ....................................................................................69
3.3.3 Modèles de croissance des microorganismes..............................................................70
3.3.4 Développement d'un nouveau modèle de type II......................................................72
Hydrolyse ................................................................................................................................................72
Production de biogaz ............................................................................................................................72
Production de chaleur ...........................................................................................................................74
3.4 Etude bibliographique sur les paramètres thermiques et biologiques des modèles de
dégradation et de production de biogaz de type I et de type II......................................................74
3.4.1 Les paramètres biologiques et thermiques du modèle de type I..............................75
3.4.2 Les paramètres biologiques et thermiques du modèle de type II ............................75
Chapitre 4............................................................................................................................ 81
Campagne expérimentale et analyse des résultats............................................................. 81
4.1 Matériel et méthodes ...............................................................................................................81
4.1.1 Cellules expérimentales ..................................................................................................81
4.1.2 Les déchets.......................................................................................................................83
4.1.3 Le lixiviat ..........................................................................................................................84
4.1.4 Quantification du volume de biogaz............................................................................84
4.1.5 Remplissage des cellules : les problèmes et leurs solutions.......................................84
4.1.6 Inoculation des déchets..................................................................................................85
4.1.7 Protocole de remplissage et de saturation des pilotes ...............................................85
4.1.7.1 Cas avec saturation maximum ..................................................................................86
4.1.7.2 Cas avec capacité au champ ......................................................................................86
4.1.7.3 Cas avec saturation minimum...................................................................................87
4.1.8 Les capteurs de température..........................................................................................88
2 4.1.9 Le biogaz ..........................................................................................................................88
4.2 Résultats de production de biogaz.........................................................................................89
Nous présentons ici les résultats de production de biogaz dans les pilotes expérimentaux et
nous discutons ces résultats..................................................................................................................89
4.2.1 Production totale de biogaz pendant un an ................................................................89
Les remarques.........................................................................................................................................90
4.2.2 La production du biogaz au cours de temps...............................................................91
4.2.3 Réinjection de lixiviat dans les pilotes les moins humides........................................94
4.2.3.1 Pilote 10 .......................................................................................................................94
Remarques concernant la réinjection de lixiviat................................................................................98
Simulation numérique du pilote 10 .....................................................................................................98
4.2.3.2 Pilote 13 .....................................................................................................................100
4.2.3.3 Pilote 11 .....................................................................................................................101
4.3 Analyse microbiologique des pilotes expérimentaux........................................................102
4.3.1 Echantillonnage du lixiviat à partir des pilotes .........................................................102
4.3.2 Résultats des analyses biochimiques et microbiologiques.......................................103
Résultats des analyses biochimiques .................................................................................................103
Fixation et hybridation des échantillons avec la technique FISH.................................................104
Microscopie confocale laser ...............................................................................................................106
Résultats de l’analyse microbiologique .............................................................................................106
Interprétations......................................................................................................................................112
4.4 Conclusions.............................................................................................................................113
Chapitre 5...........................................................................................................................115
Simulation numérique des ISDND- bioactives.................................................................115
5.1 Résultats hydrauliques ...........................................................................................................115
5.1.1 Les résultats hydrauliques de la simulation numérique............................................117
5.1.2 Conclusion et discussion..............................................................................................124
5.2 Résultats thermiques et biologiques ....................................................................................125
5.2.1 Observations sur site ....................................................................................................125
5.2.2 Comparaisons des résultats thermiques des modèles 1 et 2 ...................................127
5.2.3 Résultats d'application du modèle2 aux sites 1 et 2 .................................................128
5.2.3.1 Résultats à long terme: pendant 10 ans sans réinjection de lixiviat...................129
5.2.3.2 Les résultats à court terme ......................................................................................132
5.2.4 Conclusion .....................................................................................................................137
5.3 Modèle biologique avec deux types de biomasse méthanogène .....................................138
5.3.1 Résultats de simulation.................................................................................................139
5.3.2 Introduction d'une couche de sol dans le modèle....................................................144
5.3.2.1 Résultats de modélisation d’un bioréacteur à long terme avec un modèle
bicouche de sol et déchets.........................................................................................................145
5.3.2.2 Les résultats de modélisation d’un bioréacteur avec injection de lixiviat chargé
et non$chargé...............................................................................................................................147
5.4 Conclusion ..............................................................................................................................148
Conclusion générale et perspectives..................................................................................151
Références bibliographiques ............................................................................................ 155
Liste des figures et des tableaux....................................................................................... 169
Annexe A........................................................................................................................... 175
Articles………………………………………………………………………………………………………. 187
3 4

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