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THESE présentée à l'Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse pour obtenir

THESE présentée à l'Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE Spécialité : Physique et Chimie de l'Environnement par Sandra Lanini Ingénieur E.N.S.E.E.I.H.T. ANALYSE ET MODELISATION DES TRANSFERTS DE MASSE ET DE CHALEUR AU SEIN DES DECHARGES D'ORDURES MENAGERES Soutenue le 10 avril 1998 devant le jury composé de : M. L. Masbernat Président M. M. Roustan Rapporteur M. J.P. Sauty Rapporteur M. P. Labeyrie M. E. Ledoux M. H. Mellottée M. E. Prud'homme M. D. Houi Directeur de thèse N° d'ordre : 1412 ... à Eric et Karine, à mes parents. Remerciements Les travaux présentés dans ce mémoire ont été effectués à l'Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse, au sein du Groupe d'Etudes sur les Milieux Poreux. Je tiens à remercier Monsieur L. Masbernat, responsable de la formation doctorale Physique et Chimie de l'Environnement et directeur de l'IMFT lorsque ce travail a débuté, pour m'avoir accueillie dans son laboratoire puis m'avoir fait l'honneur de présider le jury de soutenance. Je remercie sincèrement Monsieur J.P. Sauty du BRGM et Monsieur M. Roustan de l'INSA de Toulouse pour avoir accepté d'être les rapporteurs de cette thèse. Je remercie également pour leur participation au jury, Monsieur P. Labeyrie d'EDEN et Monsieur E. Ledoux de l'Ecole des Mines de Paris, ainsi que Monsieur H. Mellottée du CNRS/ECODEV et Monsieur E. Prud'homme de l'ADEME qui ont suivi et encouragé ce travail tout au long de son avancement. J'adresse mes plus vifs remerciements à mon directeur de thèse, Monsieur Didier Houi, pour la confiance qu'il m'a témoignée en me proposant ce sujet de thèse et pour l'encadrement du programme de recherche multidisciplinaire dont ce travail fait partie. Je lui suis particulièrement reconnaissante à la fois pour l'intérêt qu'il a porté à mon travail et pour la liberté qu'il m'a laissée, notamment dans la conduite de l'étude expérimentale en laboratoire. Je voudrais remercier toutes les personnes qui ont collaboré à ce travail, en particulier François Esteban, technicien à l'IMFT qui a construit les pilotes de laboratoire, et Oscar Aguilar, Xavier Lefebvre et Etienne Paul de l'INSA de Toulouse pour l'aide précieuse qu'ils m'ont apportée dans la compréhension des mécanismes biochimiques de dégradation. L'instrumentation d'une décharge n'est pas a priori un travail agréable, mais l'accueil du personnel de la société DRIMM SA, exploitante de la décharge de Montech et la bonne humeur de David Lambert et Guy Ballansat, qui m'ont accompagnée lors des expérimentations sur site, font que j'en garderai un bon souvenir. Je les en remercie. Je tiens à témoigner ma reconnaissance à tous les membres du GEMP qui, en consacrant un peu de temps à mon travail, ont contribué à en améliorer la qualité, et remercie tous les thésards du laboratoire pour leur soutien et leur sympathie. Plus que des remerciements pour de nombreuses discussions aussi enrichissantes que variées, je voudrais exprimer toute mon amitié à François, Jean-Michel et Yves qui ont partagé mon bureau au cours de ces années passées à l'IMFT. Merci enfin à tout le personnel des services communs de l'IMFT, et particulièrement à Madame Rambouil et Madame Domène qui ont assuré l'édition de ce document. RESUME En considérant les décharges d'ordures ménagères comme des milieux poreux réactifs, nous nous sommes intéressés aux transferts couplés de masse et de chaleur qui s'y développent, pour tenter d'expliquer les interactions entre les processus physiques, thermiques et biochimiques qui gouvernent la biodégradation des déchets. Un casier de décharge a été instrumenté pour mesurer les évolutions spatiales et temporelles de la température, de la pression et de la composition chimique du biogaz dans les déchets. Les propriétés des déchets (composition, humidité, perméabilité, conductivité thermique...) ont également été caractérisées. Parallèlement, deux pilotes de 300 litres contenant un déchet modèle, ont été mis en oeuvre en laboratoire pour reproduire en milieu contrôlé les comportements observés sur site. Le second réacteur a été conçu pour étudier plus particulièrement la phase aérobie. Cette approche expérimentale à deux échelles a fourni des résultats originaux concernant les principaux mécanismes et les temps caractéristiques des transferts thermiques et massiques au cours de la biodégradation. Elle a en particulier montré l'influence importante de la phase aérobie sur l'établissement ultérieur de champs thermiques uniformes et d'un régime de méthanogénèse stable. Une modélisation des transferts couplés d'oxygène et de chaleur au sein des décharges d'ordures ménagères a donc été développée. Le modèle numérique a été appliqué à la prévision du comportement thermique des déchets en fonction de certains paramètres liés au mode d'exploitation des sites. Des premières recommandations pour accélérer la production de méthane dans les décharges ont ainsi pu être proposées. Mots-clés : Décharge d'ordures ménagères, Instrumentation in-situ, Modélisation, Transferts de masse, Transferts de chaleur, Phase aérobie ABSTRACT Waste biodegradation results from microbial, physical and thermal mechanisms. In order to improve knowledge on these interdependent phenomena, we studied coupled heat and mass transfers in sanitary landfills, considered as reactive porous media. Probes were placed in a landfill to monitor the spatial and temporal evolutions of temperature, pressure and biogaz chemical composition in refuses. Waste properties (composition, moisture, permeability, thermal conductivity...) were also characterised. At the same time, two experimental reactors of 300 litters, filled with a model waste, were achieved to simulate in laboratory the main behaviours observed in landfills. The second one was especially performed to study the aerobic phase of waste decomposition. These two-scales experimental studies gave some interesting results about mechanisms and characteristic times of heat and mass transfers during biodegradation. They particularly highlighted the important role of aerobic digestion on the future establishment of thermal fields and methanogenesis. A modelling of coupled oxygen and heat transfers in landfills was then proposed. The numerical model was applied to predict thermal behaviour of refuses according to several parameters linked to landfilling techniques. Some ways were thus suggested to accelerate methane production in sanitary landfills. Key words : Sanitary landfill, Field experiment, Modelling, Mass transfers, Heat transfers, Aerobic stage CHAPITRE A Introduction....................................................................................................................... 1 I La biodégradation des déchets en décharge........................................................................ 3 I.1 L’activité bactérienne en décharge ................................................................................... 3 I.2 Les grandes étapes de la biodégradation des déchets ....................................................... 4 I.3 Les paramètres influant l'activité bactérienne................................................................... 5 I.3.1 Effet de l’humidité sur l’activité microbiologique..................................................... 5 I.3.2 Effet de la température sur les cinétiques de dégradation ........................................ 6 I.3.3 Rôle du pH ................................................................................................................. 6 I.4 Description mathématique des réactions de biodégradation............................................. 7 I.4.1 Modèles cinétiques..................................................................................................... 7 I.4.2 Réactions hétérogènes ............................................................................................... 8 I.4.3 Production de chaleur liée aux réactions de biodégradation ................................. 10 II Les transferts massiques et thermiques dans les déchets............................................... 11 II.1 Hypothèses et définitions du modèle continu................................................................ 11 II.2 Transferts de masse en milieu poreux ........................................................................... 12 II.2.1 Loi de Darcy généralisée........................................................................................ 12 II.2.2 Pression capillaire.................................................................................................. 13 II.2.3 Equations de conservation de la masse.................................................................. 14 II.2.3.1 Conservation de l'eau en milieu poreux insaturé.....................................................14 II.2.3.2 Conservation d'une espèce dans un fluide en milieu poreux................................... 15 II.3 Transferts de chaleur en milieu poreux ......................................................................... 16 III Conclusion : démarche adoptée pour l'analyse des transferts couplés en décharge d'ordures ménagères.............................................................................................................. 18 CHAPITRE B Etude expérimentale sur site................................................................................. 19 I Présentation du site expérimental...................................................................................... 19 I.1 Description du casier étudié............................................................................................ 19 I.2 Données relatives au remplissage du casier ................................................................... 20 T able des matières II Instrumentation in-situ...................................................................................................... 22 II.1 Bibliographie ................................................................................................................. 22 II.2 Instrumentation du site de Montech .............................................................................. 23 II.2.1 Sondes mises en place ............................................................................................ 23 II.2.2 Maillage.................................................................................................................. 24 II.2.3 Acquisition des mesures ......................................................................................... 25 II.2.4 Précision des données ............................................................................................ 26 III Caractérisation des déchets ............................................................................................. 27 III.1 Prélèvement d’ordures ménagères pour analyses en laboratoire ................................. 27 III.1.1 Définitions de la représentativité d'un échantillon............................................... 27 III.1.2 Masses de déchets représentatives........................................................................ 28 III.1.3 Protocoles de prélèvement des déchets mis en oeuvre.......................................... 30 III.1.3.1 Prélèvements de surface......................................................................................... 30 III.1.3.2 Prélèvements en profondeur................................................................................... 30 III.2 Propriétés structurelles des déchets.............................................................................. 31 III.2.1 Revue bibliographique .......................................................................................... 31 III.2.2 Protocole expérimental ......................................................................................... 34 III.2.3 Résultats ................................................................................................................ 35 III.2.3.1 Validité de la loi de Darcy dans les déchets........................................................... 35 III.2.3.2 Propriétés physiques des déchets de Montech ....................................................... 35 III.3 Pression capillaire ........................................................................................................ 37 III.3.1 Rappels ................................................................................................................. 37 III.3.2 Bibliographie......................................................................................................... 38 III.3.3 Résultats expérimentaux........................................................................................ 38 III.3.3.1 Courbe de pression capillaire.................................................................................39 III.3.3.2 Perméabilité effective et coefficient de diffusion massique isotherme..................40 III.4 Humidité des déchets ................................................................................................... 41 III.4.1 Bibliographie......................................................................................................... 41 III.4.2 Humidité initiale des déchets déposés à Montech ................................................ 42 III.4.3 Distribution verticale de l'humidité dans les déchets ........................................... 43 III.5 Propriétés thermiques des déchets................................................................................ 44 III.5.1 Définitions (rappels) ............................................................................................. 44 III.5.2 Bibliographie......................................................................................................... 44 III.5.3 Mesures des coefficients thermiques des déchets ................................................. 45 III.6 Caractérisation biochimique des déchets ..................................................................... 47 III.6.1 Composition chimique élémentaire....................................................................... 47 III.6.2 Biodégradabilité.................................................................................................... 47 IV Synthèse de l'étude expérimentale sur site ..................................................................... 48 CHAPITRE C Etude expérimentale en laboratoire................................................................. 49 I Introduction.......................................................................................................................... 49 I.1 Bibliographie................................................................................................................... 49 I.2 Objectifs de l'étude expérimentale en laboratoire........................................................... 50 II Pilotes expérimentaux........................................................................................................ 52 II.1 Dimensionnement des réacteurs .................................................................................... 52 II.1.1 Forme...................................................................................................................... 52 II.1.2 Dimensions ............................................................................................................. 52 II.1.2.1 Similitude de Rayleigh............................................................................................52 II.1.2.2 Nombre de Rayleigh dans les pilotes expérimentaux.............................................. 53 II.1.2.3 Choix des réacteurs ................................................................................................. 54 II.2 Instrumentation des réacteurs........................................................................................ 54 II.2.1 Sondes internes....................................................................................................... 54 II.2.2 Maillage.................................................................................................................. uploads/Geographie/ lanini 1 .pdf