Modeling organic matter stabilization and gaseous emissions during windrow composting of livestock effluents | Modélisation de la stabilisation de la matière organique et des émissions gazeuses au cours du compostage d'effluents d'élevage

Inglés. Composting is an aerobic process used to stabilize the organic matter (OM) which leads to the production of gaseous emissions (NH3, N2O, CH4, CO2) and the loss of nitrogen. The variety of the practices and the differences in nature of the substrates modify the kinetics of degradation of OM, the final quality of the produced compost and the share of emissions in the form of gaseous pollutants. To optimize the composting process, it is required to predict these transformations or to do some empirical test. This thesis analyzes the interactions between the main biological, biochemical, physicochemical and thermodynamic processes which explain the OM stabilization and the gaseous emissions of CO2, H2O, NH3, and N2O. Focus is done on windrow composting with passive aeration. The method is based on dynamic semi-empirical modeling of the process and experimentations at semi-industrial scale. In a first part, we analyzed the impact of the interactions between the key factors of composting, i.e. bioavailability of carbon and nitrogen, moisture and porosity, on the kinetics and the stoechiometry of the gaseous emissions. This analysis was based on data gathered in controlled conditions and on data observed on a platform located on La Réunion Island over periods ranging from 20 to 80 days. The hierarchy of the factors was established: the effect of porosity coupled with the effect of moisture plays the most important role in the regulation of the transformations of OM and the gas emissions. The effects of porosity, moisture and bulking agent on OM transformations observed on field conditions confirmed the observations in controlled conditions. The repeatability differences observed in controlled conditions on temperatures or mass balances were much lower than the repeatability differences observed in field conditions. In the second part, a dynamic model of composting was developed simulating the stabilization of carbon and nitrogen as well as the emissions of CO2, H2O, NH3 and N2O. This model is composed of four coupled modules. The first simulates the kinetics of oxidation of OM by a heterotrophic microbial population producing carbon dioxide and heat. The second describes heat exchange occurring during composting. These exchanges are at the origin of the passive aeration of the windrow and the internal kinetics of temperature and water evaporation. The third module describes the transfer of oxygen within the windrow modulated by porosity and moisture. The fourth module simulates the transformations and the stabilization of nitrogen as well as the kinetics of ammonia emissions (NH3) and nitrous oxide (N2O). The whole system representing a windrow of composting in passive aeration is considered as having homogeneous composition and thermal properties. During the thermopilic phase, the first factor limiting the organization of OM is the availability of nitrogen. The decrease in porosity induces a reduction in the gas losses through the increase in the organization of OM. The initial OM fractionation and the initial microbial biomass are the key factors to predict the kinetics of organization of carbon and nitrogen. The parameters specific of the emissions of NH3, H2O and N2O are initialized according to the nature of the substrate and the physical characteristics of the windrow. The modelled effects of porosity, moisture content, bulking agent on the OM transformations can be used to develop the industrial use of the model to optimize the composting of animal effluents.

Francés. Le compostage est un procédé aérobie de stabilisation de la matière organique (MO). Les transformations de la MO conduisent à des émissions gazeuses (NH3, N2O, CH4, CO2) et une perte d'azote utile pour la fertilisation. La variété des pratiques et les différences de nature des substrats modifient la vitesse de dégradation de la MO, la qualité finale du compost produit et la part d'émissions sous forme de polluants gazeux. L'optimisation du procédé nécessite la prédiction de ces transformations ou la réalisation d'essais empiriques. Cette thèse analyse les interactions entre les processus biologiques, biochimiques, physico-chimiques et thermodynamiques majeurs à l'origine de la stabilisation de la MO et des émissions gazeuses de CO2, H2O, NH3, N2O. Elle se focalise sur le compostage par aération passive en andain d'effluents d'élevage. La méthode s'appuie sur la modélisation dynamique, semi-empirique, du procédé et sur des expérimentations sur des andains de petite taille. Dans un premier temps, l'impact des interactions entre les facteurs clés du compostage, soit la biodégradabilité du carbone, la disponibilité de l'azote, l'humidité et la porosité, sur la cinétique et la stœchiométrie des émissions gazeuses est analysé à partir de données acquises en conditions contrôlées et sur une plateforme de compostage à la Réunion sur des périodes allant de 20 à 80 jours. Les facteurs ont été hiérarchisés : l'effet de la porosité couplé à l'effet de l'humidité joue le rôle majeur dans la régulation des transformations de la MO et des émissions gazeuses. Les effets de la porosité, de l'humidité et du type de structurant sur les transformations de la MO, observés en conditions commerciales, confirment les observations en conditions contrôlées. Alors que les écarts de répétabilité en conditions contrôlées sont faibles sur les températures et bilans de masse, ces écarts deviennent élevés en conditions de reproductibilité sur le terrain. Dans un deuxième temps, un modèle dynamique de compostage a été développé simulant la stabilisation du carbone et de l'azote ainsi que les émissions gazeuses de CO2, H2O, NH3 et N2O. Ce modèle est composé de quatre modules couplés. Le premier simule les cinétiques d'oxydation de la MO par une population microbienne hétérotrophe produisant du CO2 et de la chaleur. Le deuxième décrit les échanges thermiques se déroulant lors du compostage, à l'origine de l'aération passive de l'andain et des cinétiques de température interne et d'évaporation d'H2O. Le troisième module décrit le transfert d'oxygène au sein de l'andain modulé par la porosité et l'humidité. Le quatrième module simule les transformations et la stabilisation de l'azote ainsi que les cinétiques d'émissions d'NH3 et de N2O. Le système global représentant un andain de compostage en aération naturelle est considéré comme homogène en termes de composition et de caractéristiques thermiques. Lors de la phase thermophile, le facteur limitant le plus rapidement l'organisation de la MO est la disponibilité de l'azote. L'abaissement de la porosité entraîne une diminution des pertes gazeuses par l'augmentation de l'organisation de la MO. Le fractionnement initial de la MO ainsi que la teneur initiale en biomasse microbienne sont les facteurs clés pour prédire les cinétiques d'organisation du carbone et de l'azote. Les paramètres spécifiques des émissions d'NH3, d'H2O et de N2O sont initialisés en fonction de la nature du substrat et des caractéristiques physiques de l'andain. La calibration du modèle reste à améliorer, et par la suite le modèle devra être validé en condition industrielles. Les effets modélisés de la porosité, de l'humidité et du type de structurant sur les transformations de la MO permettent d'envisager l'usage du modèle pour optimiser le compostage d'effluents d'élevage.