Science de la Terre et de l Environnement
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Science de la Terre et de l'Environnement

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Description

Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
Institut National Polytechnique de Toulouse Science de la Terre et de l'Environnement Ecole doctorale SDU2E Modelisation des transferts reactifs de masse et de chaleur dans les installations de stockage de dechets menagers : application aux installations de type bioreacteur THESE presentee et soutenue le 11 mai 2007 pour l'obtention du titre de Docteur de l'Institut National Polytechnique de Toulouse (specialite science de la Terre et de l'Environnement) par Damien CHENU Composition du jury President : Jean-Pierre Gourc Rapporteurs : Pierre Moszkowicz Frederic Topin Examinateurs : Michel Quintard Gerald Debenest Nathalie Skhiri Invites : Didier Houi Xavier Lefebvre Institut de Mecanique des Fluides de Toulouse N° d'ordre 2476

  • modelisation des transferts reactifs de masse

  • collègue

  • gemp

  • réel challenge pour moi

  • collègues de salsa et de rock pour les soirées d'évasion


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Publié par
Publié le 01 mai 2007
Nombre de lectures 33
Langue Français
Poids de l'ouvrage 7 Mo

Exrait

Science de la Terre et de l’Environnement
Ecole doctorale SDU2EInstitut National
Polytechnique de Toulouse
Mod´elisation des transferts r´eactifs de masse et
de chaleur dans les installations de stockage de
d´echets m´enagers : application aux
installations de type bior´eacteur
`THESE
pr´esent´ee et soutenue le 11 mai 2007
pour l’obtention du titre de
Docteur de l’Institut National Polytechnique de Toulouse
(sp´ecialit´e science de la Terre et de l’Environnement)
par
Damien CHENU
Composition du jury
Pr´esident : Jean-Pierre Gourc
Rapporteurs : Pierre Moszkowicz
Fr´ed´eric Topin
Examinateurs : Michel Quintard
G´erald Debenest
Nathalie Skhiri
Invit´es : Didier Houi
Xavier Lefebvre
Institut de M´ecanique des Fluides de Toulouse
N° d’ordre 2476i
Remerciements
Les travaux de recherche présentés dans ce document se sont déroulés à l’Institut de
Mécanique des Fluide de Toulouse (IMFT) et ont été initiés sous l’impulsion du CReeD
(Centre deRecherchedugroupeVeoliaEnvironnement).Jetiensdonctoutnaturellement
à remercier l’ensemble des personnes de ces deux organismes qui ont rendu ce travail
possible.
Mes premiers remerciements vont à mon directeur de thèse, Michel Quintard (DR
CNRS,IMFT),sanslesoutienduquelcestravauxn’auraientprobablementjamaisabouti.
Michel a su me communiquer son goût pour la recherche et pour le travail bien fait.
Son encadrement sans faille, son dynamisme à toute épreuve, ainsi que la qualité de son
raisonnement m’ont été précieux pour chacune des étapes de mon travail. Ces travaux de
thèse n’auraient sans aucun doute pas vu le jour sans l’appui industriel apporté par le
CReeD. C’est pour quoi, je tiens à remercier Christophe Aran (Veolia, CReeD), Thomas
Lagier (Veolia, CReeD) et surtout Nathalie Skhiri (Veolia, CReeD) et Vassilia Vigneron
(Veolia, CReeD) de m’avoir permis de rester au contact de la problématique industrielle
liée à mes travaux.
Parmi les permanents du Groupe d’Etude sur les Milieux Poreux (GEMP) de l’IMFT,
jetienségalementàsaluerchaleureusementPierreCrausse(Pr,IMFT)etGéraldDebenest
(MdC, IMFT) qui m’ont apporté leurs connaissances des milieux poreux réactifs et de
la modélisation de ceux-ci. Leur disponibilité et leur patience m’ont été d’un soutien
indispensable.
Le multidisciplinarité du sujet étudié fut un réel challenge pour moi, et j’ai pu trouvé
des éléments de réponse à ces problèmes complexes grâce à diverses collaborations. Je
pense en particulier aux coopérations scientifiques que j’ai pu mettre en place avec Xavier
Lefebvre (IE, INSA) et Sébastien Pommier (Post-doc, INSA) d’une part et Jean-Pierre
Gourc (Pr, LIRIGM/LTHE), Guillaume Stoltz (Doctorant, LIRIGM/LTHE) et Laurent
Oxarango (MdC, LIRIGM/LTHE) d’autre part. Je tiens à leur manifester toute ma re-
connaissance pour la disponibilité dont ils ont su faire preuve. Ils m’ont également permis
de donner une réelle dimension expérimentale à mes travaux de thèse. Les nombreuses
réunions de travail à l’INSA de Toulouse ou au LIRIGM de Grenoble ont été l’occasionii
de riches échanges qui ont donné une orientation décisive à ma thèse. Enfin, l’occasion
qui m’a été donné de collaborer avec ces scientifiques de haut niveau m’a parfois donné
le sentiment d’animer une sorte "d’équipe biodégradation", ce qui a été une expérience
extrêmement enrichissante d’un point de vue personnelle.
Jen’oubliepaségalementderemercierl’ensembledupersonneladministratifdel’IMFT.
Je pense en particulier à Suzy Bernard (IMFT), secrétaire du GEMP, qui s’est toujours
démenéepourquel’ensembledemesdéplacementssefassentdanslesmeilleuresconditions
qui soient.
Finalement, ces années de thèse ont surtout été l’occasion de rencontrer des personnes
dont les qualités humaines rendent les compétences scientifiques et techniques encore plus
appréciables.Jeremerciel’ensembledespersonnesprécédemmentcitéespourcesqualités.
PourtoutbonthésardduGEMPquiserespecte,chaquejournéeestmarquéeparplusieurs
moments que l’on peut qualifier de "rituels". Il y a en particulier le repas du midi et la
"pausecafé".Cesmomentssontl’occasionderencontresescollèguesdegalèrepourrefaire
le monde ou avoir des conversations des plus fines (surtout en présence d’Yvan) sur les
sujets les plus sérieux ou les plus saugrenus. Au cours de l’année, les points d’orgue de ces
moments de franches rigolades et d’ivresse sont sûrement les "apéros des stagiaires" et les
"apéros des nouveaux", qui, suggérés par les anciens, sont l’occasion pour les nouveaux
arrivantsdedécouvrirlavieduGEMPenpartageantunbonmoment.Pourtouscesbons
moments passés en leur compagnie, je tiens à remercier chaleureusement Fred, Mehdi,
Laurent R., Ian, Alex, Fabien, Yvan, Typhaine, Xavier, Franck, Kader, Pauline, Romain,
Marie, Olivier C., Oxa, Nicolas P., Nicolas M., Ophélie, Ben, Dominique, David, Florent,
Vincent, Bob et j’en oublie certainement parmi les meilleurs.
Je tiens également à saluer particulièrement Raphaël et Marie-Amélie, collègues de
galère du CReeD, pour toutes les discussions et les bons moments partagés autour d’une
table ou d’un verre en Sardaigne ou ailleurs.
Le bureau que j’occupais à l’IMFT ayant été désigné comme "nomade", j’ai accueilli à
mes côté de nombreuses personnes que j’ai eu l’occasion de connaître plus ou moins bien.
Heureusement, pour ma dernière année de galère, le bureau est devenu complètement
"sédentaire" et Alex, le grand manitou du pétrole, a élu domicile au 214. Il m’est donné
ici l’occasion de lui exprimer toute ma reconnaissance pour m’avoir supporter dans tous
les moments difficiles de ma dernière année de thèse. Ses conseils et son recul m’ont été
d’une grande utilité lorsqu’il s’est agit pour moi de batailler sur tous les fronts de la vie.
Merci Alex.
Jem’attardefinalementsurlapartielaplusagréabledecesremerciements,puisqu’elle
viseàmontreràmesprochescombienleurattentionetleuraffectionm’ontétéprécieuses.
J’auraistoutd’abordunepenséeparticulièrepour"TontonCharlot",dontlabienveillanceiii
de tous les instants m’a été indispensable toutes ces années. Ensuite, viennent tout natu-
rellement tous les copains de l’N7 : Nico, Rico, Mat et Céline, Guyl, Jeff, Bouli, François,
Rom1, Caroline, Maria, Raquel; avec qui tous les bons moments passés en Bretagne, en
Espagne, en Provence, en Montagne ou même à Toulouse et à Paris ont été autant de bols
d’air pur qui m’ont permis de me ressourcer. Je n’oublie naturellement pas Delphine, qui
a partagé ma vie pendant plus de deux ans et qui a su m’apporter tout le soutien qu’elle
pouvait me fournir. Qu’elle sache que je n’oublierais pas tous ces moments. Je tiens égale-
ment à remercier l’ensemble de mes collègues de salsa et de rock pour les soirées d’évasion
passées en leur compagnie. J’ai une pensée particulière pour Aurèle, devenue au cours
des années une véritable amie, avec laquelle j’ai partagé beaucoup de bonnes choses et
beaucoup de conversations enrichissantes.
Enfin je tiens particulièrement à remercier mon père, ma mère et ma jumelle Emi, à
qui cette oeuvre est dédiée. Merci pour votre soutien de tous les instants. Je ne saurai
jamais comment vous exprimer ma reconnaissance. Merci également à ma famille, à mes
oncles et mes tantes, pour qui l’aboutissement de ces travaux est, je le sais, une véritable
fierté.
Damien CHENU - Thèse - 2007
IMFT - INPTiv
Damien CHENU - Thèse - 2007
IMFT - INPTv
Table des matières
Table des matières viii
Table des figures xi
Liste des tableaux xiv
Liste des abréviations xvi
Nomenclature xix
Introduction 1
Déchets ménagers et filières de traitement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Les installations de stockage de déchet de classe II . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
Enjeux et objectifs du programme de recherche . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1 Introduction sur les ISD Bioréacteurs 7
1.1 Introduction aux phénomènes de biodégradation . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.1 Biodégradation aérobie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.1.2 Biodég anaérobie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.3 Le concept de ISD bioréacteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1.4 Enjeux et développement des ISD bioréacteurs . . . . . . . . . . . . 17
1.2 Modèle conceptuel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2.1 La matrice déchet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2.2 Biofilms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.2.3 Modèles existants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.2.4 Modèle retenu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2 Mise en place du modèle mathématique 41
2.1 Objectifs et méthode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.1.1 Milieu poreux effectif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.1.2 Méthodes de changement d’échelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Damien CHENU - Thèse - 2007
IMFT - INPTvi TABLE DES MATIÈRES
2.2 Modèle microscopique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.2.1 Modélisation du biofilm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.2.2 Espèces gazeuses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.2.3 Cas de l’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.2.4 Constituants du substrat solide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.2.5 Equation de continuité pour la phase gaz . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.2.6 Equation de continuité pour la phase liquide . . . . . . . . . . . . . 54
2.2.7 Equation de continuité pour la phase biofilm . . . . . . . . . . . . . 54
2.2.8 Equation de continuité pour la phase solide . . . . . . . . . . . . . 55
2.2.9 Quantité de mouvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.2.10 Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.3 Modèle macroscopique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.3.1 Loi de Darcy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.3.2 Obtention du modèle macroscopique pour un constituant i gazeux . 60
2.3.3 Obtention du modèle macroscopique pour les composants b solides . 76
2.3.4 Obtention du modèle macroscopique pour l’eau . . . . . . . . . . . 77
2.3.5 Obtention du modèle macroscopique pour l’énergie . . . . . . . . . 80
2.4 Modèle mathématique final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
2.4.1 Relations supplémentaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
2.4.2 Equations utilisées dans le modèle numérique . . . . . . . . . . . . 90
3 Evaluation des propriétés du matériau 93
3.1 Bilan sur les propriétés à évaluer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.1.1 Paramètres décrivant l’écoulement dans le milieu poreux . . . . . . 93
3.1.2 Propriétés de transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.1.3 Paramètres du bilan d’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.1.4 Biofilm/Biodégradation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.1.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.2 Ecoulements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.2.1 Pression capillaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.2.2 Porosité du déchet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.2.3 Perméabilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
3.2.4 Viscosité de la phase gaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
3.2.5 Viscosité de la phase liquide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
3.3 Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
3.3.1 Masse volumique du gaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
3.3.2 Masse volumique de la phase liquide . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
Damien CHENU - Thèse - 2007
IMFT - INPTTABLE DES MATIÈRES vii
3.3.3 Matrice de diffusion de Fick pour la phase gaz . . . . . . . . . . . . 118
3.3.4 Coefficients de diffusion dans la phase liquide . . . . . . . . . . . . 123
3.3.5 Tortuosité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
3.3.6 Coefficients de dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
3.3.7 Coefficients d’équilibre entre phases gaz et liquide . . . . . . . . . . 125
3.3.8 Loi de Raoult et pression de vapeur saturante . . . . . . . . . . . . 126
3.4 Propriétés énergétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
3.4.1 Evaluation des propriétés d’emmagasinement de la chaleur . . . . . 127
3.4.2 Evaluation de la conductivité thermique des déchets . . . . . . . . . 129
3.5 Biodégradation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
3.5.1 Modèles prenant en compte l’effet de la teneur en eau . . . . . . . . 136
3.5.2 Protocole expérimental et résultats expérimentaux . . . . . . . . . . 137
3.5.3 Modèle de biodégradation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
4 Développement du modèle MATAABIO 161
4.1 Enjeux numériques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
4.1.1 Discrétisation temporelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
4.1.2 Dn spatiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
4.1.3 Splitting d’opérateurs/Traitements des termes réactifs . . . . . . . . 169
4.1.4 Conditionsauxlimitesetgestiondespuitsd’injectionetdeproduction171
4.1.5 Méthode de résolution du système . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
4.2 Tests et validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
4.2.1 Ecoulements diphasiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
4.2.2 Diffusion multi constituant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
4.2.3 Comportement du modèle : impact de la recirculation de lixiviats
sur la production de biogaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
4.2.4 Aspect double milieu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
4.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
5 Résultats et discussion 203
5.1 Comportement général de MATAABIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
5.1.1 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
5.1.2 Ecoulements de gaz et de liquide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
5.1.3 Transport des constituants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
5.1.4 Production de biogaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
5.1.5 Température. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
5.1.6 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
5.2 Influence du procédé de réinjection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
Damien CHENU - Thèse - 2007
IMFT - INPTviii Table des matières
5.2.1 Résultats pour la chambre d’injection . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
5.2.2 Comparaison des résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
5.3 Influence de la stratégie de réinjection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
5.3.1 Comparaison des résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
5.4 Influence du débit de réinjection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
5.4.1 Surface d’impact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
5.4.2 Production de biogaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
5.5 Influence de la perméabilité du déchet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
5.6 Conclusion et discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
Conclusion et perspectives 231
Bibliographie 233
Annexes 255
A Tri MODECOM 257
B Paramètres du modèle de biodégradation 263
C Théorie de Buckley-Leverett 267
Damien CHENU - Thèse - 2007
IMFT - INPT

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