Modélisation de la stabilisation de la matière organique et des émissions gazeuses au cours du...
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Modélisation de la stabilisation de la matière organique et des émissions gazeuses au cours du compostage des effluents d’élevage Didier OUDART 1 1 8 novembre 2013 Soutenance de Thèse de Doctorat en Génie des Procédés et Environnement Encadrants : Etienne Paul (INSA) Jean-Marie Paillat (CIRAD) Paul Robin (INRA)
Modélisation de la stabilisation de la matière organique et des émissions gazeuses au cours du compostage des effluents d’élevage Didier OUDART 1 1 8 novembre
Modlisation de la stabilisation de la matire organique et des
missions gazeuses au cours du compostage des effluents dlevage
Didier OUDART 1 1 8 novembre 2013 Soutenance de Thse de Doctorat en
Gnie des Procds et Environnement Encadrants : Etienne Paul (INSA)
Jean-Marie Paillat (CIRAD) Paul Robin (INRA)
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-NH 3 (en % des missions totales, France) : Culture : 20
%Elevage : 77 % (CITEPA, 2009) Origine des missions de gaz effet de
serre au sein de la chane alimentaire animale (en % des missions
totales pour le secteur levage), (FAO, 2009) : Emissions gazeuses
(EG) et levage : 2 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Contexte
mondial - GES : 18 % des missions totales, au niveau mondial (FAO,
2009) Prvisions productions animales (OCDE, 2012) (2005 : base 100)
Augmentation du volume des djections et des EG lies llevage Ncessit
damliorer les pratiques de gestion des effluents dlevage
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DCO I Dure de compostage Consommation O 2 TDCO Contexte
scientifique 3 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Procd biologique
arobie contrl comportant habituellement une phase de monte en
temprature, qui permet lhyginisation et la stabilisation par la
dgradation et la rorganisation de la MO, et conduit lobtention dun
compost utilisable comme amendement ou engrais organique (MEDDTL,
2012) Phases du compostage : DCO B + NH 4 + +O 2 X a + H 2 O a + CO
2a + chaleur DCO B Temprature interne Principales missions gazeuses
(CO 2 H 2 O, NH 3 )
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Contexte technique 4 Problmatique du compostage : 4
IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Diversit des pratiques (substrats,
procds) Qualit agronomique (N, P, K, MS, MO) Impact environnemental
(NH 3, N 2 O, CH 4, NO 3 - ) (NF U44-051, AFNOR, 2006)(ADEME, 2012)
Optimisation complexe du procd
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Contexte scientifique 5 5 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion
Optimisation du procd Mesures Coteuses Longue dure Difficult isoler
les variables tudier Outil prdictif Simulation dessais Ncessite une
reprsentation robuste et un large domaine de validit Ncessite un
jeu de donnes Exprimentations Modlisation Modles corrlatifsModles
mcanistes THESE
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Etat de lart : facteurs influenant le compostage Quels sont les
effets combins des facteurs biodgradabilit du carbone, disponibilit
de lazote, porosit et humidit ? Ractions biochimiquesTransferts
gazeux Biodgradabilit du carbone Disponibilit de lazote Porosit
Humidit Temprature Granulomtrie - Abd El Kader et al., 2007 - Agnew
et al., 2003 - De Guardia et al., 2006, 2008 - Haug, 1993 - Liang
et al., 2006 - Mustin, 1987 - Or et al., 2007 - Paillat et al.,
2005 pH 6 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion
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7 Capacit prdictive, mais : -tudient un type de flux
(conversion MO, volatilisation N) -valuent efficacit globale sans
reprsentation de flux massique/thermique Modles dynamiques non
prdictifs, outils de comprhension Modlisation de processus intgrs:
-Stabilisation de la MO -Echanges thermiques -Volatilisation
ammoniacale reprsente par relations thoriques complexes 7
IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Etat de lart : modlisation du
compostage Modles corrlatifsModles mcanistes Pas de modle associant
toute la complexit du compostage (stabilisation C et N, EG
principales)
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8 Phase solide Phase gaz Phase liquide Matire particulaire X1X1
X2X2 X3X3 XiXi XnXn Hydrolyses Substrat soluble S1S1 S2S2 S3S3 SiSi
SnSn Microorg CO 2 (L) H 2 O (L) NH 3 (L) Croissance Dcs CO 2 (g) H
2 O (g) NH 3 (g) Transferts liquide - gaz Selon objet de ltude,
variation : -du fractionnement de la MO -des flores microbiennes
-des produits de la croissance -de lcriture des processus
Modlisation du compostage en racteur, lchelle du laboratoire
IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Modles mcanistes : structure
Production dun modle dynamique associant laration naturelle et
lvolution de lazote au compostage deffluents dlevage
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9 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Etat de lart :
lments/facteur prendre en compte dans la modlisation mcaniste
Principales variables identifies Composition (C, N, H 2 O)
Concentration en O 2 Flore microbienne Temprature interne
Porosit/Densit Temprature et humidit de lair Dure de compostage
Principaux processus reprsenter Biodgradation de la MO Production,
conservation et dissipation de chaleur Renouvellement dair
Diffusion de loxygne Minralisation de N org
Nitrification/Dnitrification Volatilisation ammoniacale
Organisation et stabilisation (MO, N)
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Introduction : objectifs de thse 10 IntroductionAxe 1Axe
2Conclusion Ncessit dagrger des connaissances gnriques pour
sadapter la diversit des situations de compostage rencontres Prdire
les effets majeurs dune modification des pratiques de compostage
sur la valeur agronomique du compost final et sur les pertes
gazeuses, en aration naturelle reprsentative du compostage en
andain. Analyser/hirarchiser les processus Dterminer les
caractristiques minimales pour prdire les transformations de la MO
et les EG au cours du compostage
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11 Axe 1 : Analyser/HirarchiserAxe 2 : Modliser Reprsentation
de la dynamique des processus 1 re tape de calibration Prcision du
dispositif exprimental (rptabilit) Hirarchie des effets des
facteurs sur les missions ammonicales Validation grande chelle et
tude de la reproductibilit IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Dmarche
de thse Axe 0 : Observations
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12 Observations : jeu de donnes initial Axe
2ConclusionIntroductionAxe 1 Diversit des produits dlevage - Volume
total: 1.33m 3 - Masse par tas : 400 1100 kg Situations tudies
contrastes
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Dispositif exprimental 13 Axe 2ConclusionIntroductionAxe 1
Diversit des situations observes dans les mmes conditions
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Cintiques dmissions ammoniacale et de temprature 14 Axe
2ConclusionIntroductionAxe 1 Situations contrastes Cintiques
contrastes Exemples de cintiques de 8 tas
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15 Axe 1 : Comprendre/HirarchiserAxe 2 : Modliser Reprsentation
des processus 1 re tape de calibration Prcision du dispositif
exprimental (rptabilit) Hirarchie des effets des facteurs sur les
missions gazeuses Validation grande chelle et tude de la
reproductibilit IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Dmarche de thse
Axe 0 : Observations
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16 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Axe 1 :
Analyser/Hirarchiser Objectifs : Evaluer la rptabilit des mesures
acquises dans le dispositif exprimental Analyser la hirarchie des
caractristiques initiales qui influencent les missions
dammoniac
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Exprimentation rptabilit - Mthodes -Conditions de fortes
missions (fortes porosit et teneur en azote ammoniacal) -3 tas rpts
(21% de paille de bl, 79% de lisier de porc) -Masse initiale :
517.40.4 kg, Volume initial : 1.33 m 3 17 IntroductionAxe 1Axe
2Conclusion Caractristiques des andains Plan dexprience Mesures
continues observes dans le mme dispositif exprimental -Tempratures
internes (haut, cur, bas, ct) -Gaz : CO 2, NH 3, H 2 O
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Exprimentation rptabilit Rsultats majeurs (1) 18 -Tempratures
cur rptables (CV max = 3% durant la phase thermophile) ab
Temprature cur des 3 rptitions IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion
Cintiques de tempratures Cintiques dmissions de N-NH 3 des 3
rptitions -Temps caractristiques des missions identiques (pics
dmissions diffrent de 5h) -Amplitude du pic dmission : cart entre
valeurs maximales et minimales 16.0% (H 2 O), 17.4% (C-CO 2 ),
22.4% (N-NH 3 ), 32.6% (C-CH 4 ) Cintiques dmissions gazeuses
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C-CO 2 H 2 O N-NH 3 19 Pertes de carbone, deau et dammoniac
aprs 3 semaines de compostage selon la mthode de mesure
Exprimentation rptabilit Rsultats majeurs (3) IntroductionAxe 1Axe
2Conclusion Bilans de masse Variabilit des mesures dEG Variabilit
des bilans de masse > Pertes par bilan de masse Perte par mesure
des EG >
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20 Exprimentation rptabilit Conclusions IntroductionAxe 1Axe
2Conclusion Rptabilit des : -Cintiques de temprature-Bilans de
masse et dmissions gazeuses Pertes lmentaires identiques Vitesses
des processus identiques Ecarts observs entre les diffrentes
situations imputs aux diffrences de pratiques
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Etude de la variabilit des missions ammoniacales (1) Comprendre
les effets combins des facteurs cls du compostage Discuter de
linfluence de ces variables Hirarchiser les effets majeurs
reprsenter en modlisation dynamique 21 Utilisation du modle
statistique (calcul dmissions cumules 60 jours) Scnarios bass sur
le choix de 4 variables : C biodeg, N disp, DM d, W C (C/N fixes) 4
jeux de simulations partir de 4 couples (C biodeg, N disp )
IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Objectifs Mthodes (C-, N-) (C+,
N-) (C-, N+) (C+, N+)
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22 Lgende : densit MS en kgMS/m 3 de compost : 100, 150, 200,
240 Etude de la variabilit des missions ammoniacales (2)
IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion N- diminue lmission C+ diminue
lmission la DM d diminue lmission
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Conclusions Etude de la variabilit des missions ammoniacales
(3) -Densit de matire sche (rduction de lmission jusqu 90%)
-Biodgradabilit du carbone (rduction de lmission jusqu 45%)
-Humidit (rduction de lmission jusqu 30%) -Disponibilit de lazote
(rduction de lmission jusqu 25%) 23 Les caractristiques physiques
ont plus dinfluence que les caractristiques biochimiques sur les
missions ammoniacales Les effets ne sont pas dissociables Les
variables ncessaires prendre en compte pour prdire les missions
ammoniacales sont : DM d, HR, C biodeg, N disp Question en suspens
: La modlisation dynamique de ces variables est-elle suffisante
pour prdire les missions ammoniacales ? IntroductionAxe 1Axe
2Conclusion Rsultats : hirarchie des effets
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Axe 1 : Conclusions Le procd de compostage est rptable pour une
mme situation de dpart mais avec des diffrences pour les variables
considres : -Emissions gazeuses : CV max de 3 11% pour CO 2, H 2 O
et NH 3 -Temprature : CV max de 7,5% -Bilans de masse : CV max de 1
et 5% pour les dfauts de bilan de C et H 2 O Hirarchie des effets :
caractristiques physiques > caractristiques chimiques Le modle
statistique explore un jeu de donn limit en terme de domaine de
validit (conditions contrles), il ne permet pas dinclure les
fluctuations du climat 24 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion
Production dun modle dynamique pour tudier des situations de
compostage contrastes et leurs volutions dans le temps Si des
variations dpassent ces valeurs, la diffrence peut tre impute aux
contrastes entre les situations de compostage
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25 Axe 1 : Comprendre/HirarchiserAxe 2 : Modliser Reprsentation
de la dynamique des processus 1 re tape de calibration Prcision du
dispositif exprimental (rptabilit) Hirarchie des effets des
facteurs sur les missions gazeuses Validation grande chelle et tude
de la reproductibilit IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Dmarche de
thse Axe 0 : Observations
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26 Modlisation dynamique du compostage IntroductionAxe 1Axe
2Conclusion Objectifs : Reprsenter lincidence de la disponibilit du
carbone et de lazote, de lhumidit et de la porosit sur les
cintiques de transformations de la MO, de temprature et dmissions
gazeuses Dvelopper un outil doptimisation du procd (enjeux
industriels, agronomiques et environnementaux)
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27 Structure gnrale du modle Hypothse gnrale de modlisation :
andain homogne Module biodgradation Module thermique Module porosit
Module azote Processus majeurs reprsents : -Dgradation de la MO
-Production de CO 2 Objectifs de modlisation : -Stabilisation de la
MO -Spcifications du produit Processus majeurs reprsents :
-Echanges thermiques (volution de la temprature) -Vaporisation de
leau Objectifs de modlisation : -Stabilisation de la MO
-Spcifications produit (composition et hyginisation) Processus
majeurs reprsents : -Diffusion gazeuse -Aration naturelle Objectifs
de modlisation : -Impact environnemental -Impact des facteurs
environnementaux Processus majeurs reprsents : -Production et
volatilisation de NH 3 -Organisation de lazote
-Nitrification/Dnitirification Objectifs de modlisation :
-Spcifications du produit -Stabilisation de lazote -Impact
environnemental IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion
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-DCO non mesure sur les chantillons DCO totale = f(S VS, HC VS,
C VS, L VS ) -Compartiments de MO exprims en gDCO (potentiel
nergtique, rendements constants ) X RB X SB XIXI SRSR XhXh H2OhH2Oh
CO 2 O 2,biofilm k HR k HS Y H2Oh hh Y CO2h 1 - f Iaero f Iaero
YhYh IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Module biodgradation
Structure du module Processus reprsents Hydrolyses Croissance
htrotrophe : -Production de biomasse -Consommation O 2 -Production
de CO 2 -Production H 2 O mtabolique Dcs cellulaire (stabilisation
MO) Remarques -Reprsentation base sur les modles existant dcrivant
la biodgradation de la MO (ASM : Henze et al., 2000 ; Sole-Mauri,
2007; Vlyssides et al., 2009) 28 bhbh
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hh HEHE O 2E O 2,por O 2,biofilm H stocke O 2S HSHS H 2 O vap
peff O2 partLat 1-partLat, U Q air IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion
Modules thermique/porosit (1) Structure des modules Processus
reprsents Production de chaleur biologique Evaporation de leau
Pertes convectives/conductives Aration naturelle Diffusion de
loxygne Remarques -Dbit dair Q air : effet chemine -Partage chaleur
latente/sensible 29 -Cintique T int : rsultante bilan de chaleur
-Cintique T haut : temprature calcule partir du flux dvaporation
deau -Simplification de la diffusion dO 2
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IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Modules thermique/porosit (2)
Calcul du dbit dair Emissions deau : partage chaleur
sensible/latente -Dbit dair Q air = f(K, T V ) -Coefficient de
permabilit K = f(porosit) -Partage chaleur latente/sensible :
30
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NX RB NX SB NX I N av NX h NH 4 + NX a k HR k HS NH 3,g NO 3 -
NH 3 N2N2 N2ON2O hh aa Y NO3 pN 2 O nit pN 2 O denit Q air bhbh
baba 1 - f Iaero f Iaero IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Module
Azote Structure du module Processus reprsents Remarques Hydrolyses
Croissance htrotrophe Croissance autotrophe Dcs microbien
Dnitrification -Biomasse autotrophe ne consomme pas de DCO -Azote
ammoniacal : 90% de N av -Equilibre NH 4 + NH 3,g = f(T,pintLG)
Volatilisation ammoniacale 31 -Simplification de la reprsentation
de la volatilisation ammoniacale -Intgration des processus des
transformations de lazote -Couplage avec les 3 autres modules
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Originalit : couplages par les fonctions de limitation H 2 O
tot MS tot MB tot C tot N tot H 2 O vap CO 2 NH 3 N2ON2ON2N2 Q air
pN 2 O nit pN 2 O denit IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Bilans
massiques Y H2Oh h partLat h Y CO2h h Reprsentation schmatique
Remarques O 2,por NH 3,g pIntLG -Systme triphasique (solide,
liquide, gaz) -Andain homogne -Quantits de C, N, H 2 O, MS dans
landain calcules par dfaut de bilan -Conservation P, K - MO = . MS
ProcessusFacteurs limitants HydrolysesHumidit, surface ractionnelle
Croissance htrotropheHumidit, DCO, azote, O 2, T Croissance
autotropheHumidit, azote, O 2, T DcsTemprature
VolatilisationTemprature, humidit NitrificationHumidit, azote, O 2,
T DnitrificationNitrates, Temprature Flux dair
entrant/sortantTemprature, porosit Diffusion oxygneTemprature,
porosit 32
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Paramtrage et calibration : mthodes (1) 33 IntroductionAxe 1Axe
2Conclusion Caractristiques modle -Vensim -Pas de temps horaire
-Sorties : -Composition (DCO, MS, MO, C, N, P, K) -Caractristiques
physiques (T, volume, densit) -EG : CO 2, H 2 O, NH 3, N 2 O, N 2
55 paramtres Gnriques (41) Spcifiques de la situation de compostage
(14) Calibration partir des mesures dEG (NH 3, CO 2, H 2 O, N 2 O)
et de T du jeu de donnes initial
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Paramtrage et calibration : mthodes (2) 34 IntroductionAxe 1Axe
2Conclusion Choix de 4 situations contrastes pour comparer les
valeurs observes et simules Les tas B, F, G et K reprsentent la
diversit des situations exprimentales
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Paramtres dpendant de la situation de compostage ncessaires :
-la teneur initiale en biomasse microbienne et le fractionnement
initial de la MO (4 paramtres) -les paramtres daffaissement du tas,
de liaison de leau, de diffusion doxygne (3 paramtres) Paramtrage
et calibration : rsultats (1) 35 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion
Emissions de H 2 O (ou de CO 2 ) Module biodgradation : Simulation
correcte de la perte de C (temps, cumuls, amplitudes) Modules
thermique et porosit : Simulation correcte de la perte deau
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36 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Paramtrage et calibration :
rsultats (2) Cintique de temprature interne (rouge = simule)
Simulation correcte de la temprature lors de la phase thermophile
Sous estimation lors de la phase de dcroissance Paramtre dpendant
de la situation de compostage ncessaire : -coefficient global
dchange de chaleur sensible (pertes conductives) Indications pour
le retournement Hyginisation sous- estime
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37 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Paramtrage et calibration :
rsultats (3) Emissions de NH 3 Module azote : Simulation correcte
de lmission de NH 3 (temps, cumuls, amplitudes) Discrimination des
situations de compostage mettrices Paramtres dpendant de la
situation de compostage ncessaires : -le fractionnement initial de
lazote (3 paramtres) -le coefficient dchange surfacique entre le NH
4 + et le NH 3,g
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38 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Paramtrage et calibration :
rsultats (4) Emissions de N 2 O Module azote : Simulation
imparfaite de la cintique dmission de N 2 O Estimation acceptable
du cumul (
42 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Rsultats de thse Axe 1 :
Analyser/Hirarchiser Prcision du dispositif exprimental (rptabilit)
Hirarchie des effets des facteurs sur les missions ammoniacales
Incertitude de rptabilit : missions gazeuses (CV max = 11%) >
bilan de masse (Cv max = 5%) Diminution des missions ammoniacales :
Densit > Biodgradabilit du carbone > Humidit >
Disponibilit De lazote
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43 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Rsultats de thse Axe 2 :
Modliser Reprsentation dynamique du procd de compostage : -Impact
environnementale -Valeur agronomique -Choix oprationnels
-Reprsentation dynamique robuste : Cintiques des sorties ajustes
aux observations -Diversit des processus reprsents et donc des
sorties pour les utilisateurs (CO 2, H 2 O, NH 3, N 2 O,
temprature, DCO et stabilit, bilans de masse, interactions entre
processus) -Outil de comprhension par lanalyse des cintiques et des
fonctions de limitation -Outil oprationnel : ncessit dapporter de
la connaissance sur la valeur des paramtres spcifiques de la
situation de compostage
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44 IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion 1. Calibration des
paramtres dinitialisation Perspectives Optimisation du procd
Typologie des substrats (SPIR, TC) Outil prdictif 4. Recalibration
en dynamique par des capteurs sur site Exprimentations (conditions
contrles, plateforme, champs) Modle dynamique (valeur fertilisante,
autres gaz) 2. Validation des prdictions 3. Protocoles dacquisition
de la valeur des paramtres spcifiques
Page 45
Merci de votre attention ! Et un grand merci toute lquipe
dencadrement! 45
Page 46
IntroductionAxe 1Axe 2Conclusion Paramtrage et calibration :
rsultats (6) Erreurs types des sorties du modle Calibration du
modle sur les missions gazeuses : meilleure estimation des pertes
gazeuses que du bilan de masse ER sur la teneur en azote total fort
: ER sur lestimation de la masse brute importante (jusqu 30%)
Sous-estimation de la perte dazote sous forme de N 2 ? C-CO 2
H2OH2ON-NH 3 N-N 2 O tC f tMS f tMO f tN tkf