Utilisation du modèle

1. Simulation du compostage d'un mélange boues et déchets verts

1.1 Valeurs initiales

Les valeurs initiales choisies sont récapitulées dans le tableau ci-dessous :

Tableau récapitulatif des principales valeurs initiales pour le compostage boues/déchets verts
 

Les deux autres groupes nous ont fourni les informations concernant la quantité d'azote totale (Ntot) et d'azote sous forme ammoniacale (NH4 = 0.9*N_av dans notre modèle) nous donnant accès aux valeurs initiales de Ntot et N_av.
Le rapport C/N initial de notre mélange nous permet d'en déduire la valeur Ctot initiale. Les boues ayant un C/N d'environ 9 (Perron V. et Hébert M, 2007). et les déchets verts d'environ 35 (Martin E., 2007), notre mélange nous donne un rapport C/N initial d'environ 23.

Les valeurs initiales des émissions (CO2, NH3, N2 etc.) sont nulles et la quantité de matière brute initiale correspond à la quantité de matière sèche initiale divisée par la siccité.

Les déchets verts (DV) sont apportés en proportions telles que la masse de boue vaut 0.8 fois celle de déchets verts (en tonne de matière sèche). Ainsi on a $MS_{tot}=1.8*m_{DV}$ et $MS_{tot}=(1.8/0.8)\times m_{boues} = m_{boues}/2.25$
 

  • Détermination des quantités de matière organique initiales :

D'après les résultats du binôme 1, les boues contiennent 34% de matière inerte en sortie. On considère que les 66% restant sont constitués de matière rapidement biodégradable, et de bactéries hétérotrophes. On soustrait donc aux 66% restant la masse initiale de bactéries hétérotrophes provenant des boues, c'est à dire la masse initiale de bactéries dans l'andain, divisée par 2.25.

Concernant les déchets verts, nous nous basons sur le travail d'Elodie MARTIN, ayant analysé des broyats de déchets verts. Elle montre que ces broyats contiennent environ 27% de lignine, 16% de cellulose, 14% d'hémicellulose et 16% de fraction soluble (les 27% restant représentant la matière minérale). D'après les informations présentées dans la partie "présentation des processus de compostage mis en jeu", il est cohérent de considérer que toute la lignine est lentement biodégradable. On considère que la fraction soluble correspond au substrat soluble initial (SR). Enfin, sur les 30% de composés cellulose-hémicellulose restant, on considère que 15% constitue de la matière lentement biodégradable, et 15% de la matière rapidement biodégradable, n'ayant pas davantage d'information permettant de choisir plus précisément la répartition entre ces deux fractions.

Pour les autres variables d'état, nous considérons que les proportions par rapport à la masse de DCO initiale proposées par D. Oudart sont respectées dans le mélange boues et déchets verts. Ainsi, on a par exemple : X_h = 0.008% de la masse initiale en kgDCO.

La masse de DCO initiale se calcule à partir de la masse de boues et de déchets verts :

Pour les boues, 1 kgMVS = 1,44 kgDCO (Présentation de Yolaine Bessière) et pour un procédé à charge moyenne, on a MVS/MES = 0.8 (Lesavre, 2010). Par conséquent, le passage de notre masse de boues en MES à une masse de DCO se fait en multipliant par un facteur $0.8\times1.44=1.15$.
Or Oudart mesure, pour les effluents d'élevage qu'il utilise, une DCO intiale égale à 1,2 fois la quantité de matière sèche initiale. Il semble donc cohérent pour notre mélange boues et déchets verts de considérer que la quantité de DCO initiale respecte ce rapport de proportionnalité.

  • Répartition de l'azote

La répartition de l'azote organique entre les différentes fractions se fait en respectant les proportions proposées par D.Oudart pour l'azote contenu dans la biomasse autotrophe et la matière organique inerte. Concernant l'azote contenu par la biomasse hétérotrophe, nous supposons que celle-ci correspond à 13% de cette biomasse en nous basant sur une biomasse du type C5H7NO2 (présentation de Yolaine Bessière).

L'azote rapidement biodisponible (N_av), essentiellement sous forme d'ammonium, est fixée par rapport à la quantité d'ammonium initial. Cette quantité est considérée nulle dans les boues et égale à 27% (fraction minérale) de l'azote contenu dans les végétaux, que l'on fixe à 16kgN/tMS, d'après les informations de l'Institut Technique de l'Agriculture Biologique.

Il reste deux variables initiales à déterminer correspondant aux quantités d'azote contenues dans la matière organique rapidement et lentement biodégradable. L'azote organique étant entièrement réparti dans les 5 fractions sus-mentionnées, ces fractions contiennent donc l'azote restant. De plus, D.Oudart indique que l'azote contenu dans la matière organique rapidement biodégradable est égal à 28% de celui contenu dans la matière organique lentement biodégradable.

 

1.2. Conséquences sur la conduite de la plate-forme.

  • Humidité :

Tout d'abord, nous avons fait l'hypothèse que l'humidité était au moins de 70%. Initialement, nous avons une humidité de 65%, ce qui est suffisamment proche. Cette hypothèse justifie notre conduite visant à maintenir une humidité constante de 70% jusqu'à la fin de maturation.

  • Aération :

Notre première hypothèse concernant l'aération est que le débit d'air insufflé Q_air est de 1m3/tMS/min. Nous souhaitons vérifier que ce débit assure un apport en O2 suffisant pour combler les besoins de la population hétérotrophe et ainsi valider notre hypothèse selon laquelle le dioxygène n'est pas un élément limitant.

Le modèle nous indique une consommation en O2 de 312 kgO2/tMS. Nous en déduisons le débit d'air nécessaire pour répondre aux besoins en O2 simulés par le modèle. Le débit calculé est de l'ordre de 10-2m3/tMS/min. Ce débit est largement inférieur au débit hypothétique, qui est donc suffisant dans nos conditions de travail pour assurer l'approvisonnement en O2 des micro-organismes.
Nous choisissons de diminuer le débit insufflé afin d'optimiser notre conduite de l'aération. Cependant si le modèle nous renseigne sur la quantité d'O2 consommée, la biodisponibilité réelle de l'O2 au sein de l'andain et les hétérogénéités potentielles ne sont pas prises en compte. Pour cette raison, il nous semble important de maintenir un débit supérieur au débit minimum calculé afin de rester cohérent avec l'hypothèse selon laquelle la concentration en O2 du milieu ne limite pas l'activité bactérienne. Nous faisons donc le choix d'utiliser un débit de 0.5 m3/tMS/min, une des valeurs minimales de la littérature (M. Mustin). Nous vérifions que la quantité d'O2 consommée reste bien sensiblement la même pour ce débit
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2. Exploitation des résultats

2.1. Résultats concernant les boues

  • Evolution des principaux paramètres d'intérêt

Les graphiques ci-dessus montrent l'évolution de la matière sèche dans l'andain (MS tot), de la matière organique (MO), du volume total (Vtot), du rapport C/N et de la quantité de matière brute (MB) au cours des 35 premiers jours, c'est à dire jusqu'au début de la phase de finition. Comme expliqué précedemment, les valeurs de ces paramètres ne vont diminuer que légèrement au cours de cette dernière phase, l'essentiel de l'évolution concernant la siccité.

La matière brute diminue de 41% lors des deux premières phases. Après les deux semaines de finition, on suppose qu'on atteint 50% de siccité. La matière brute sera alors d'environ 74 tonnes, soit une diminution de 65%. Ce sont ces 74 tonnes de compost que nous allons chercher à valoriser par épandage sur les parcelles éligibles mises en évidence dans la partie "Détermination des parcelles éligibles à l'épandage de boues et de compost".

Ces résultats sont légèrement supérieurs à ce qu'on trouve généralement dans la bibliographie et sont vraisemblablement surestimés par le modèle, ce qu'on peut expliquer notamment par le fait que  contrairement à ce qui se fait généralement, nous travaillons à une humidité optimale.
Toutefois il ne faut pas oublier que le modèle a ses limites et ne donne qu'une estimation théorique de ces paramètres.

  • Quantité d'eau à apporter

Lors des deux phases à humidité constante, on considère que les seules pertes en eau sont celles dues à son évaporation du fait de l'humidification par l'eau provenant des lixiviats.

En conséquence, le modèle permet de calculer la quantité d'eau à apporter en lors du compostage :

Résultats de la simulation pour le mélange boues/déchets verts concernant les pertes en eau par jour pour un andain lors du compostage, sans prise en compte le lixiviat

D'après les estimations du modèle, la quantité d'eau à apporter par andain varie entre 0.8 et 0.2 m3 par jour et par andain, soit un volume d'eau moyen nécessaire d'environ 88 m3 pour les 35 jours d'arrosage pour les 5 andains à arroser. Ce volume est à ajouter en plus du volume de lixiviat, que le modèle n'évalue pas et qu'il faudra déterminer par des mesures. Le bassin de traitement complémentaire qui nous sert de réserve d'eau ayant une capacité de l'ordre de 1700 m3, Il est cohérent de penser qu'il pourra répondre à ces besoins, même en ajoutant le volume de lixiviat à ces 70m3.

 

2.2 Simulation du compostage d'un mélange digestat et déchets verts

  • Valeurs initiales

Nous travaillons de la même manière que précédemment. En se basant sur les informations présentées dans la partie "présentation des processus de compostage mis en jeu", on distribue les composés de la manière suivante :

Les lipides les saccharides et les protéines sont considérés comme de la matière rapidement biodégradable.
La matière organique complexe est considérée comme de la matière organique lentement biodégradable. De plus, le processus de compostage permet de dégrader davantage de matière que le processus de méthanisation (notamment la lignine). Nous considérons donc qu'une partie de la matière particulaire inerte appartient à la fraction matière organique lentement biodégradable pour le compostage.
Ainsi, 40% de cette MO inerte sera lentement biodégradable, le reste sera considéré comme inerte.

Vu les quantités de composés solubles non inerte, on considère que le digestat a une fraction soluble nulle.

Les valeurs initiales choisies sont récapitulées dans le tableau ci-dessous :

Tableau récapitulatif des principales valeurs initiales pour le compostage digestat/déchets verts
 

  • Résultats obtenus

Les graphiques ci-dessus montrent l'évolution de la matière sèche dans l'andain (MS tot), de la matière organique (MO), du volume total (Vtot), du rapport C/N et de la quantité de matière brute (MB) au cours des 35 premiers jours pour un mélange digestat/déchets verts.

La matière brute diminue de 41% lors des deux premières phases. Après les deux semaines de finition, on suppose qu'on atteint 50% de siccité. La matière brute sera alors d'environ 35.5 tonnes, soit une diminution de 65%. Ces résultats sont légèrement supérieurs à ce qu'on trouve généralement dans la bibliographie.

  • Quantité d'eau à apporter

Résultats de la simulation pour le mélange boues/déchets verts concernant les pertes en eau par jour pour un andain lors du compostage, sans prise en compte des lixiviats

 

Les volumes des andains étant plus faibles, la quantité d'eau à apporter est légèrement plus faible également. D'après les estimations du modèle, la quantité d'eau à apporter par andain varie entre 0.6 et 0.2 m3 par jour et par andain, soit un volume d'eau moyen nécessaire d'environ 70 m3 pour les 35 jours d'arrosage pour les 5 andains à arroser. Là encore, il faudra ajouter le volume de lixiviat, a priori plus faible que dans le cas des boues. La quantité d'eau du bassin de lagunage devrait donc ici encore, répondre aux besoin d'arrosage.

 

3. Aspect environnemental et législatif

3.1 Comparaison aux normes NFU 44-051 relative aux amendements organiques et NFU 44-095 relative au compost de boues d'épuration :

Tableau comparatif des composts et de la norme NF 44-051

Le compost boues + déchets verts respecte la norme quant à la quantité de matière sèche, de matière organique et de quantité de P2O5. Cependant le rapport C/N est légèrement trop élevé et la quantité d'azote également. Le modèle ne permettant que d'atteindre un ordre de grandeur, il se peut que dans la réalité la quantité d'azote soit inférieure à 3% de la matière brute.
Toutefois, il reste peu probable que la somme N+P2O5+K2O soit inférieure aux 7% de la matière brute fixés par la norme.

Pour les critères étudiés, la norme NFU 44-095 est plus stricte concernant le taux de matière sèche et exige un taux de matière sèche supérieur ou égal à 50%.

Le compost de digestat + déchets verts respecte la norme pour la matière sèche, la matière organique et le rapport C/N, mais il est trop riche en phosphore et azote. Toutefois, il offre l'important avantage de réduire beaucoup les volumes à composter. Or dans notre situation les boues où le digestat ne seraient pas facturés et ne constitueraient donc pas une source de recettes, comme expliqué dans l'analyse économique de la partie dimensionnement. La réduction de la quantité à traiter est donc intéressante.

Ainsi, les estimations du modèle laissent à penser qu'aucun de ces deux composts ne serait conforme aux normes. A noter toutefois que ces composts pourraient encore être valorisés avec des contraintes supplémentaires (filière plan épandage). En effet, bien qu'on ne connaisse pas la concentration en K2O, il est vraissemblable de penser que la somme des masses en N+P2O5+K2O sera supérieure à 7%. Par conséquent, le compost pourra être considéré comme un engrais et devra alors respecter la norme NFU 42-001 qui donne surtout des obligations de suivi du produit fini.

Il faut cependant souligner à nouveau que le modèle et surtout les valeurs initiales basées sur la littérature ne permettent que d'avoir une estimation. Pour avoir des résultats exploitables, il faudrait effectuer des mesures sur un pilote puis sur la station, et agir en conséquence des résultats.

En supposant que la norme n'est pas respectée, plusieurs actions seraient envisageables :

  • Ajouter au mélange un élément pauvre en azote et phosphore pour "diluer" le compost
  • Composter le mélange plus longtemps afin de diminuer le rapport C/N

En associant les deux, il serait envisageable d'ajouter un élément avec un C/N relativement fort (davantage de déchets verts, des copeaux de bois pauvres en azote et au C/N élevé) tout en maintenant un rapport C/N du produit final dans la norme.

Un autre aspect à prendre en compte est que nous avons fait l'hypothèse que le refus avait un volume faible et avait donc une influence négligeable. Toutefois, certaines stations ont des volumes de refus bien plus importants, et leur prise en compte dans le mélange initial pourrait impacter positivement les résultats obtenus.

Pour aller plus loin, il nous faudrait donc simuler le processus de compostage en ajoutant au mélange un volume conséquent de refus aux caractéristiques (C/N initial, quantité d'azote biodisponible, quantité de matière organique initiale etc.) propres. Ajouter un volume de refus important permettrait en plus de s'assurer d'un ensemencement bactérien suffisant.

 

3.2 Emissions atmosphériques :

La simulation du processus de compostage avec ce débit estime les émissions de NH3 atmosphérique à gNH3/tMS.

Le compostage du mélange boues + déchets verts émettrait de l'ordre de 3400 gNH3/tMS, tandis que le mélange digestat + déchets verts en émettrait de l'ordre de 4200 gNH3/tMS.

Ces résultats sont cohérents avec les informations communiquées par l'ADEME (gNH3/tMS). Nous avons donc choisi de mettre au point un système de traitement de ces effluents gazeux, expliqué dans la partie "dimensionnement de la plate-forme de compostage".

Le compostage relargue également du N2O, gaz ayant un impact important sur l'effet de serre. Toutefois, il n'y a pas encore de méthode ayant fait ses preuves de traitement du NH3 émis par une station de compostage. Le modèle montre que le N2O émis est de l'ordre de 2100 gN2O/tMS pour le compostage des boues et de 1400gN2O/tMS pour le compostage du digestat.

 

Bibliographie

Bessière Y., Introduction au traitement des eaux, de la production d'eau potable à l'épuration des eaux usées, présentation dans le cadre d'interventions à la spécialisation Génie de l'Environnement de l'INPT, 2015

Hérbert M., Perron V., caractérisation des boues de station d'épuration municipales, Vecteur environnement, 2007

Institut Technique de l'Agriculture Biologique, Qualité des composts de déchets verts en France - Présentation lors de la journée technique fruits et légumes, 2009

Lesavre J., Assainissement des collectivités, principe de l'épuration, Formation des animateurs territoriaux à Moussy, 2010

Martin E., Valorisation du broyat de déchets verts de la communauté d'agglomération de Montpellier, 2007

Terralys, Réglementation relative au traitement des déchets organiques des collectivités, 2008