Aucun modèle simulant l’évolution conjointe des OPs et de la matière organique au cours du compostage n’a été trouvé dans la littérature. Cependant, de nombreux modèles simulant le procédé de compostage (bilan de masse et d’énergie, par exemple) ont été proposés. Par ailleurs, certaines représentations des phénomènes de sorption-désorption et de biodégradation des pesticides dans les sols peuvent être transposées au procédé de compostage.
1.6.1. Les modèles de compostage
Dans un article de synthèse sur les modèles mathématiques simulant le procédé de compostage, Mason (2006) souligne que la plupart des modèles de compostage ont été développés afin de simuler l’évolution de la matière sèche, la consommation d’O2 ou la production de CO2, ainsi que la génération
et les pertes de chaleurs (i.e. l’évolution de la température) au cours du procédé. Bien qu’un grand nombre de modèles aient été proposés, aucun n’a pas été largement accepté et utilisé comme référence (Sole-Mauri et al., 2007). Ceci peut en partie être expliqué par la complexité des processus et des interactions entre ces processus se déroulant au cours du compostage qui obligent les concepteurs des modèles à faire des hypothèses pour la simplification de ce système complexe. En effet, beaucoup de ces modèles simulent les processus biologiques en faisant intervenir des expressions empiriques ce qui limite leur utilisation aux conditions dans lesquelles ils ont été paramétrés. D’autres font intervenir des cinétiques du 1er ordre pour simuler la biodégradation de la matière organique négligeant la composante biologique du compostage (taille ou dynamique des populations microbiennes impliquées), ainsi que les interactions entre la nature du substrat en décomposition et la croissance microbienne. Certains modèles ont ensuite cherché à décrire le compostage de manière plus mécaniste, en intégrant les composantes physico-chimiques et biologiques du compostage. Des cinétiques de type Monod ont été introduites en considérant d’abord une seule population microbienne se développant sur un substrat « moyen » (Mason, 2006). Une amélioration essentielle a été introduite par Kaiser (1996) qui propose de diviser la biomasse microbienne en plusieurs populations présentant différentes capacités de dégradation en fonction de la composition du substrat organique en décomposition. Les évolutions des différentes populations microbiennes, de la qualité et du degré d’humification de la matière organique au cours du compostage sont représentées dans ce modèle. Récemment, un modèle construit sur les mêmes bases a été proposé par Sole-Mauri et al. (2007). Il simule l’évolution de six populations microbiennes (bactéries, actinomycètes et champignons thermophiles et mésophiles), chacune spécialisée dans la décomposition d’une des fractions du substrat organique (glucides, protéines, lipides, hémicellulose, cellulose, lignine) (Fig. 1.9). Les transferts de chaleur et de matière entre les phases liquide, solide et gazeuse sont pris en compte. La décomposition de la matière organique est représentée par une phase d’hydrolyse du substrat organique (cinétique de Contois) et une phase de croissance microbienne à partir des produits de l’hydrolyse (cinétique de Monod). Cette représentation intéressante de la biodégradation est également adoptée dans le modèle ADM1 (Batstone, 2006) simulant l’évolution de la matière organique au cours de la digestion anaérobie de substrats
organiques qui intègre une première phase d’hydrolyse du substrat (cinétique du 1er ordre) et une seconde phase lors de laquelle le substrat subit de nombreuses transformations biologiques (cinétique de Monod). Le modèle de Sole-Mauri et al., (2007) propose une représentation mécaniste du compostage à l’échelle des communautés microbiennes et intègre la description des transformations de la matière organique mais il est très complexe et n’a pas été paramétré sur des données expérimentales.
Figure 1.9. Schéma et description des variables du modèle d’évolution de la matière organique au cours du compostage proposé par Sole-Mauri et al. (2007).
1.6.2. La modélisation des processus d’évolution des polluants organiques
Parmi les nombreux modèles décrivant les processus de sorption-désorption et la biodégradation des pesticides dans les sols, certains méritent d’être considérés car ils proposent une approche qui peut
par exemple proposé un modèle à quatre compartiments, incluant un compartiment pour les pesticides (ou OPs) solubles, pour les OPs sorbés à la surface du sol et disponibles, pour les OPs sorbés et non disponibles ainsi qu’un compartiment de biomasse microbienne se développant selon une cinétique de Monod à partir des OPs solubles. Les phénomènes de sorption-désorption entre les trois compartiments de OPs sont décrits par des cinétiques du 1er ordre. Saffih-Hdadi et al. (2003) ont introduit des évolutions intéressantes à ce modèle en incluant la simulation du devenir des métabolites et le choix du métabolisme de dégradation des OPs (co-métabolisme et/ou métabolisme spécifique) (Fig. 1.10). La biodégradation des OPs par co-métabolisme suppose que la biomasse totale du sol dégrade le OP présent dans la phase soluble de la même façon que les autres composés organiques du sol. Dans le cadre du métabolisme spécifique, seule une partie de la biomasse totale contribue à la biodégradation du OP et la croissance de cette population microbienne dépend de la quantité de OP soluble selon une cinétique de type Monod. Dans ce modèle, la distinction entre les OPs solubles, sorbés-disponibles et sorbés-non-disponibles a été reprise, en considérant que le compartiment de sorbés-non-disponibles correspondait à un compartiment de résidus liés.
Symbole Description Unité
S1, M1 pesticide (S) ou métabolite (M) soluble Kg S2, M2 pesticide (S) ou métabolite (M) faiblement sorbé Kg S3, M3 pesticide (S) ou métabolite (M) fortement sorbé (résidus liés) Kg
Figure 1.10. Schéma et description des variables du modèle de simulant les processus de sorption- désorption et de biodégradation des pesticides dans le sol proposé par Saffih-Hdadi et al. (2003).