Chapitre 1 : Synthèse bibliographique
1.2.5. Modélisation du compostage
Il est généralement admis qu’un déchet frais a des propriétés fertilisantes azotées plus importantes que le compost obtenu (Sommer, 2001). Cambardella et al. (2003) indiquent que l’impact des mécanismes de transformation de l’azote en compostage sur les quantités et la disponibilité de l’azote dans le compost final est encore mal compris.
1.2.5. Modélisation du compostage
De nombreux modèles de compostage ont été développés depuis les années 1970 (Vlyssides et al., 2009) et ont été considérablement améliorés durant la dernière décennie.
28 Ils sont le plus souvent semi-mécanistes (Mason, 2006), c’est-à-dire que les grands processus du procédé sont envisagés mais certains le sont sous forme de lois physiques, chimiques et biologiques fondamentales, tandis que d’autres le sont par des méthodes empiriques (régressions statistiques à partir de données expérimentales). Certains modèles considèrent le compost comme uniforme tandis que d’autres intègrent une variabilité spatiale au sein de l’enceinte ou de l’andain de compostage.
Généralement, le procédé de compostage est représenté comme un réacteur au sein duquel les processus réactionnels génèrent des variations massiques et thermiques et donc des transferts de masse et de chaleur avec l’extérieur. Trois types de bilans sont concernés :
• Les bilans massiques sur les substrats (ex : masse de MS, masse d’eau, masse de MO).
Ils peuvent être soit issus de fonctions empiriques liées à la dégradation du substrat, soit issus d’un modèle mécaniste de biodégradation de la MO (alors module du modèle de compostage global), intégrant des processus microbiens de minéralisation de la MO.
• Les bilans massiques sur l’oxygène consommé au cours du traitement et sur les métabolites produits (principalement H2O et CO2) ;
• Les bilans thermiques. Ils intègrent généralement un terme de production de chaleur lié à l’activité microbienne de respiration, ainsi que des termes d’accumulation, d’exportation et d’évaporation.
De manière globale, les bilans sont réalisés sur chacune des variables étudiées par différence entre les entrées et les sorties, auxquelles on ajoute des termes de transformations (Mason, 2006).
Les équations bilans sont alors résolues de manière déterministe par des systèmes d’équations différentielles (Trémier, 2004):
• Etape 1 : A partir de la composition en substrat au temps t et des conditions de température et d’humidité, la masse de substrat consommée dans l’intervalle de temps dt est calculée;
• Etape 2 : On calcule la consommation d’oxygène ou la production de CO2 entre t et t+dt, liée à la consommation du substrat. La production métabolique de H2O est déduite d’équations stœchiométriques;
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• Etape 3 : Sur la base de la quantité de substrat ou d’oxygène consommée entre t et t+dt, on calcule la quantité de chaleur produite et la quantité de chaleur accumulée dans l’intervalle de temps dt ;
• Etape 4 : A partir des équations bilans, on calcule les nouvelles conditions de température et d’humidité dans le réacteur ou l’andain. On actualise la composition du substrat ;
• Etape 5 : Reprise du calcul de l’étape 1 avec les nouvelles conditions de l’étape 4.
Les modèles existants diffèrent par les processus pris en compte, la manière de représenter la qualité du substrat et les variables modélisées. Les fonctions de biodégradation peuvent être du premier ordre, de type Monod ou même empirique.
Mason (2006) répertorie les modèles de compostage publiés. Trois des modèles ainsi répertoriés simulent l’évolution des taux de CO2 au cours du compostage (Kishimoto et al., 1987; Nakasaki et al., 1987; Vanlier et al., 1994), utilisant des relations empiriques pour décrire l’évolution de l’énergie biologique au cours du compostage. Ce sont ceux qui reproduisent le mieux les évolutions de température au cours du compostage (Mason, 2006).
Seulement deux modèles répertoriés alors prédisent la composition du compost en sortie (Haug, 1993; Kaiser, 1996). Des modèles mécanistes plus complexes (nombreux processus, paramètres et variables), comme ceux de Hamelers (HVM, 2001) et de Kaiser (1996) ne possèdent généralement pas un potentiel prédictif important (Hamelers, 2004).
Un grand nombre de modèles (plus d’une centaine) décrit la dégradation du substrat global (Vlyssides et al., 2009), mais un nombre plus restreint s’intéresse à la qualité de la matière organique.
Certains auteurs représentent la matière organique sous la forme de compartiments conceptuels initialisés à partir d’essais respirométriques, d’analyse de la demande chimique en oxygène et/ou d’optimisation statistique (Ponsa et al., 2011). Ainsi, Tremier (2004) propose un modèle de compostage fortement mécaniste décrivant la biodégradation de la matière organique, représentée par un compartiment facilement biodégradable, un compartiment lentement biodégradable et un compartiment inerte (et la biomasse microbienne). Il permet de simuler l’évolution de chacune de ces fractions ainsi que les cinétiques de respiration (CO2 et O2), l’évolution de la température et de l’humidité.
30 Peu de modèles simulent la qualité de la matière organique, avec des fractions mesurables expérimentalement et compatibles avec l’étude du devenir des composts dans les sols.
Kaiser (1996) propose un modèle de compostage fortement mécaniste basé sur quatre compartiments organiques (sucres et amidon, hémicellulose, cellulose, lignine) et faisant intervenir respectivement quatre types de microorganismes (bactéries, actinomycètes,
« champignons bruns », « champignons blancs »). Ce modèle prédit les variables d’état comme la température, l’humidité et le dioxyde de carbone, ainsi que la croissance des microorganismes et l’évolution des compartiments organiques.
Sole-Mauri et al. (2007) proposent un modèle très mécaniste de compostage pour une grande gamme de déchets et prennent en considération la transformation de l’azote au cours du compostage. 30 variables d’états sont incluses (relatifs aux fractions particulaires, solubles et gazeuses, à l’humidité et à la température, 6 populations microbiennes sont considérées, ainsi que 7 fractions de matière : sucres, protéines, lipides, hémicellulose, cellulose, lignine et matière inerte. Le modèle permet de simuler l’évolution de la température, de l’O2 consommé, du CO2 produit, des teneurs en C et en N du substrat, du NH3 émis, ainsi que des microorganismes. Cependant, la complexité du modèle rend très difficile l’identification des paramètres et il ne peut pas être utilisé comme outil prédictif en l’état actuel des connaissances.
Zhang et al. (2012) proposent un modèle innovant dans le sens où il est le premier conçu spécifiquement dans un objectif de prédiction de la qualité agronomique des composts. Basé sur les fractions biochimiques de type Van Soest, ce modèle prédit les émissions de CO2 à partir de la dégradation des fractions carbonées. C’est un modèle relativement simple qui n’intègre pas de bilans thermiques et ne permet pas de simuler l’évolution de l’humidité, de la teneur en oxygène et de la température. La transformation de l’azote n’est pas incluse et les cinétiques de respiration simulées nécessitent d’être validées par des données expérimentales.
Malgré ces limites, ce modèle prouve que les fractions biochimiques de type Van Soest gouvernent l’intensité de la biodégradation de la matière organique en compostage.
Très peu de modèles semi-mécanistes considèrent la transformation de l’azote, à l’instar de ceux de Liang et al. (2004), Sole-Mauri et al. (2007), Petric & Selimbasic (2008) et Oudart (2013).
Oudart (2013) propose un modèle de compostage complet, simulant la dégradation du carbone et de l’azote, ainsi que les principales émissions gazeuses carbonées (CO2) et azotées (NH3, N2O et N2), associées à des bilans thermiques et massiques pour simuler l’évolution de la
31 température et de l’humidité d’andains de compostage. Bien qu’initialisées expérimentalement, les fractions organiques simulées restent conceptuelles donc difficile à valider et ne permettent pas d’estimer directement la qualité agronomique des composts produits.
Généralement, les modèles de compostage simulent la biodégradation de la MO en phase active, mais ne considèrent pas la phase de maturation associée à des processus d’humification et de biosynthèse.