Etude des transferts de fluides dans un bioréacteur

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1 Etude des transferts de fluides dans un bioréacteur Anne-Julie Tinet Bourse ministérielle Directeurs de thèse: J.-P. Gaudet L. Oxarango

2 Généralités Schéma d'une ISDND 2

3 Généralités - Les mécanismes étudiés Mécanismes biologiques (biodégradation => génération de biogaz) Mécanismes mécaniques: tassement restructuration Mécanismes hydrauliques 3

4 Objectifs de la thèse Coupe d'un bioréacteur Injection de lixiviat Propriétés hydrauliques Pompage de lixiviat Pompage de biogaz 4

5 Propriétés hydrauliques des déchets Différentes expérimentations ont été mises en place pour caractériser les propriétés hydrauliques des déchets (Thèses Stoltz, Staub + Littérature) Porosité Pycnométrie au gaz Courbe de rétention h(θ) Oedomètre à succion contrôlée Cellules d'extraction Perméabilité intrinsèque Oedoperméamètre Perméamètre Courbe de perméabilité relative Au gaz: Oedoperméamètre Au liquide: RIEN!! Questionnements: Où est l'eau? Evolution des propriétés hydrauliques avec les phénomènes mécaniques - biologiques? 5

6 Propriétés hydrauliques des déchets Où est l'eau? - Pores bien connectés de porosimétrie étalée. Lieux des écoulements capillaro-gravitaires. - Pores mal connectés hydrauliquement: Structurel (effet des plastiques), eau constitutive ou adsorbée. Dépend de l'historique d'humidification. Stockage de liquide. - Gaz piégé: Structurel (effet des plastiques?), Constitutif (pores hydrophobes). 6

7 Propriétés hydrauliques des déchets Où est l'eau? 7

8 Propriétés hydrauliques des déchets Evolution des propriétés hydrauliques avec les phénomènes mécaniques - biologiques? Loi de Young-Laplace 4 LV cos P c= de Modèle de van Genuchten 1 r =[1 P c 1 m ] m s r 8

9 Propriétés hydrauliques des déchets Conclusions Analyse des courbes rétention réalisées Première approximation d'une évolution des paramètres de van Genuchten avec la densité du déchet Communication / Publication: - Stoltz, G., Tinet, A.-J., Staub, M.J., Oxarango, L., Gourc, J.-P. Retention properties of MSW in relation to compression. Submitted to Journal of Hydrology, january 2010 A faire Expériences en cours à analyser (cellule d'extraction, effet de la biodégradation, perméabilités) 9

10 Injection de lixiviat Pourquoi recirculer? La recirculation de lixiviat a pour but une amélioration de la biodégradation et donc une stabilisation plus rapide du massif de déchet car elle permet: - Une humidification du déchet - Un réensemencement du déchet 10

11 Injection de lixiviat Caractérisation Expérimentale Matériau étudié 4%2%3% 8% 5% 4% 8% 15% 24% Déchet broyé à 70mm Putrescibles Combustibles NonCombustibles Textiles Papier / Carton Milieu poreux très hétérogène Fines Plastiques Métaux Verre Autres 28% Protocoles d'humidification Pilote Protocole Quantité injectée B1 Saturation / Drainage B2 Injection hebdomadaire 8 L/tMS/J B2 Injection hebdomadaire 2 L/tMS/J LGCIE 11

12 Injection de lixiviat Modèle d'écoulement Macroporosité: Equation de Richards θ M ρ L gkk rm h M 1 = Γ L t μl Microporosité: Conservation de la masse θ m t =Γ L Paramètres - Données Expérimentales + εtot, εm, εm +k + θm = f(hm) - Modèle + krm (θm) [Mualem] Facteur d'échange Γ L =F h M h m F = constante (Barenblatt, 1960) - Inconnues + θm = f(hm) [sable fin] + F??? 12

13 Injection de lixiviat Modèle d'écoulement Modélisation des propriétés hydrauliques insaturées dans la macroporosité Modèle de Van Genuchten S e = 1 αh n m + Mualem Modèle bimodal avec perméabilités parallèles (Ross et Smetten, 2000) + Mualem NE PERMET PAS LA PERCOLATION Description classique insuffisante 13

14 Injection de lixiviat Simulation avec un MIM, Bilan Hydrique Global : - Bonne corrélation Profils d'humidité (B2): - Stockage par le haut 14

15 Injection de lixiviat Conclusions Stockage de lixiviat proche de la zone d'injection Ecoulement préférentiel nuisible à l'humidification Modèle double porosité semble adapté mais complexe et paramètres parfois inaccessibles Loin de l'injection, il peut y avoir percolation sans humidification réelle du déchet Communication / Publication: - Tinet, A.-J. and Oxarango, L., (2009), Modélisation de type double milieu de l'infiltration dans un massif de déchets ménagers, Congrès Français de Mécanique (CFM), Nice, France, Août, Tinet, A.-J., Oxarango, L., Bayard, R., Benbelkacem, H., Stoltz, G., Staub, M.J., Gourc, J-P., Experimental and theoretical assessment of the double porosity behaviour and preferential flow in a waste body during leachate infiltration. A soumettre à Journal of Contaminant Hydrology, mars? 2010 A faire Couplage humidité / génération de biogaz / tassement (avec LISBP) Infiltration sur site: utilisation des résultats de R. Clément 15

16 Pompage de biogaz Pourquoi pomper le biogaz? Une ISDND classique peut générer jusqu'à 15 m3/kgms/an de biogaz, et jusqu'à 70 m3/kgms/an environ en mode bioréacteur. En méthanogénèse ce biogaz est constitué de 40 à 50% de CO2 et de 50 à 60% de CH4. - Risques environnementaux(émission de GES) - Risques sanitaires En mode bioréacteur, le CH4 produit est une source énergétique rentable. 16

17 Pompage de biogaz Modèle d'écoulement du gaz G G u =M produit G d t K G u= P G G g z G PG G = rt Conditions aux limites: Prise en compte des pertes de charge au puits et de l'effet de peau dû au crépinage Prise en compte de différents types de couvertures Effets mécaniques et biologiques du matériau: Génération de biogaz considérée constante par unité de masse sèche du déchet Effet du tassement primaire du déchet sur les propriétés hydrauliques: k G = G 17

18 Pompage de biogaz Observations Stratification du champ de pression Écoulement plus complexe Effet «drain» en surface Pompage en zone proche de la surface Effet de la couverture important dû au ratio de perméabilité 18

19 Pompage de biogaz Conclusions Intégration de l'impact du tassement sur les propriétés hydrauliques en particulier la perméabilité au gaz Effet du tassement très sensible sur le comportement de l écoulement des biogaz dans le déchet mais plutôt favorable à l efficacité de récupération Communication / Publication: - Tinet, A.-J., Oxarango, L., Gas flow to a vertical gas extraction well in MSW landfill considering the compression effect on hydraulic properties. A soumettre à Journal of Hazardous Materials??, mars? 2010 A faire Etude dynamique Effet d'une cinétique de biodégradation 19

20 Pompage de lixiviat Pourquoi pomper le lixiviat? La présence d'une nappe de lixiviat pose des problèmes pour: - l'évacuation de biogaz - la stabilité des talus périphériques (construction en remblai) - l'infiltration en profondeur et donc la contamination des sous-sols Par réglementation, l'épaisseur autorisée d'une nappe de lixiviat est limitée. L'ajout de liquide pouvant entraîner une nappe est dû: - à la recirculation de lixiviat en mode bioréacteur - à l'infiltration d'eau de pluie - à la lixiviation... - à un effet de capillarité 20

21 Pompage de lixiviat Conclusions Nécessité d'un dimensionnement précis des systèmes de pompage Difficulté du drainage de lixiviat de par la nature complexe du déchet Modèle uni-dimensionnel simple mis en oeuvre avec effet capillaire Communication / Publication: - Olivier, F., Oxarango, L., Munier, V., Tinet, A.-J. and Marcoux, M.-A. (2009), Estimating the drawdown of leachate in a saturated lanndfill: 3D modelling based on field pumping tests, Eleventh international waste management and landfill symposium, Cagliari, Italy, October A faire Etude de la relation entre volume ''mobilisable'' à long terme et volume ''apparent'' de pompage Réalisation d'essais de pompage instrumentés (juillet 2010) 21

22 Des Questions? 22