Le compostage entraîne une évolution des propriétés biochimiques de la matière organique des déchets, par la dégradation des composés organiques en fonction de leur labilité et par la réorganisation de composés organiques produisant des substances humiques. Les interactions entre les OPs et les matières organiques en évolution varient donc en fonction de l’avancement du procédé de compostage. En particulier, la sorption des OPs sur la matière organique est susceptible de diminuer la disponibilité des OPs, limitant ainsi leur biodégradation et favorisant des phénomènes de stabilisation responsables de l’augmentation de la persistance des OPs. Très peu d’information est disponible dans la littérature à ce sujet. En parallèle, le compostage induit le développement d’une succession de populations microbiennes. Des études menées sur certains OPs prioritaires, comme les HAP, ont mis en évidence des capacités de dégradation de cette microflore très contrastées entre les différentes phases du compostage. Ces études soulignent l’intérêt de ce type de résultats qui pourrait être mis en valeur pour améliorer les procédés de compostage en favorisant les phases où la dégradation des OPs ciblés est optimale. Cette réduction de la charge polluante des composts va dans le sens de l’amélioration de leur qualité et de la réduction des risques associés à leur utilisation en agriculture.
La présence des OPs dans les déchets organiques et les composts est bien renseignée dans la littérature pour les polluants identifiés comme prioritaires depuis une vingtaine d’années. Les teneurs en polluants émergeants commencent à être étudiées. La relative abondance des données montre la prise de conscience des effets potentiels des OPs sur l’environnement et la santé humaine. Les pesticides restent peu recherchés car leur grande diversité limite la faisabilité des analyses. Le glyphosate pourtant très largement utilisé n’a pas été étudié dans les composts. Sa présence dans les composts peut provenir de la contamination des boues de station d’épuration ou des déchets verts. L’évolution des concentrations des OPs au cours du compostage a été étudiée pour les OPs prioritaires et quelques références commencent à apparaître pour des polluants émergeants. La dissipation observée pour ces derniers OPs est souvent très importante, cependant aucune information n’est disponible pour évaluer l’importance relative des différents mécanismes responsables de cette dissipation. Il n’y a pas d’information sur la part correspondant à la minéralisation ou à la volatilisation des OPs et à leur stabilisation sous forme de résidus liés. La caractérisation de la disponibilité des OPs au cours du compostage et la détermination de la part de résidus extractibles / non-extractibles est très peu référencée.
Les démarches de modélisation permettant de décrire le devenir des OPs au cours du compostage sont inexistantes dans la littérature. Toutefois, certains modèles proposent une approche intéressante de simulation des transformations biochimiques de la matière organique au cours du compostage. En parallèle, de nombreux modèles décrivent les processus d’évolution des pesticides, mettant en jeu des mécanismes similaires à ceux déterminant le devenir des OPs au cours du compostage.
d’évaluer la disponibilité des OPs au cours du compostage et dans les composts au moment de leur épandage. Il a été choisi d’utiliser des OPs radio-isotopiquement marqués (14C) afin de pouvoir réaliser un bilan complet du devenir des OPs au cours du compostage. Ce travail s’est déroulé en trois grandes étapes, répondant chacune à un objectif spécifique :
I. Concevoir un dispositif de compostage miniaturisé compatible avec l’utilisation de 14C permettant une simulation du compostage d’une manière réaliste et reproductible. II. Caractériser expérimentalement l’évolution de 14C-OPs au cours du compostage.
III. Proposer et paramétrer un modèle numérique décrivant les mécanismes de l’évolution conjointe de la matière organique et des OPs au cours du compostage.
Quatre OPs représentatifs des groupes fréquemment détectés dans les composts ont été retenus comme OPs modèles (Annexe 1) :
- Le fluoranthène, un HAP et OP persistant, toxique et cancérigène, listé comme prioritaire par l’agence de protection de l’environnement américaine US-EPA et l’Union Européenne.
- Le 4-n-nonylphénol (NP), un OP « émergeant » entrant dans la composition de détergents, émulsifiants et pesticides, dont l’accumulation dans l’environnement en fait un perturbateur endocrinien prioritaire.
- Un alkylbenzène sulfonate linéaire (LAS), OP « émergeant » entrant dans la composition de détergents, émulsifiants et pesticides, dont les effets semblent assez peu toxiques, mais qui est fréquemment détecté à des concentrations très élevées dans l’environnement.
- Le glyphosate, un herbicide à large spectre d’action très largement utilisé, dont la fréquence de détection dans l’environnement à des niveaux élevés de concentration, augmente.
Le choix des matières organiques étudiées s’est orienté vers les déchets dont le recyclage par compostage est actuellement en plein essor en France : les déchets verts et les boues de station d’épuration, couramment compostés en mélange.
La démarche générale adoptée pour ce travail de thèse est synthétisée dans la Figure 1.11.
La Partie I est composée du chapitre n°2 présentant le dispositif de compostage miniaturisé développé dans ce travail de thèse. La simulation expérimentale du compostage à petite échelle pose des problèmes car la masse de matière organique biodégradable mise en jeu est faible pour permettre l’inertie thermique nécessaire à l’établissement de conditions thermophiles et ensuite le maintien de l’activité microbienne sur une longue période. Après conception et développement d’une batterie de composteurs, six compostages ont été réalisés, sans addition de 14C-OPs en début de procédé afin de tester le déroulement du compostage ainsi que les transformations de la matière organique. Ils constituaient 6 répétitions car le même mélange de déchets organiques a été utilisé et le même procédé de compostage a été appliqué. Le dispositif de compostage s’est avéré fonctionnel avec une taille et des contraintes de contrôle compatibles avec l’utilisation de 14C-OPs. Il a été utilisé pour réaliser les compostages de la partie expérimentale (Partie II).
- Dans un premier temps (chapitre n°3 ), les composts des 6 compostages réalisés sans addition de 14C-OPs en début de procédé ont été prélevés aux étapes clés du compostage (phases thermophile, début et fin de maturation). Ces échantillons ont été utilisés pour déterminer l’évolution des propriétés de sorption des OPs sur de la matière organique. Ils ont servi aussi pour la caractérisation des capacités de minéralisation des OPs des microflores spécifiques à chaque étape clés du compostage grâce à des incubations menées en parallèle avec ajout de 14C-OPs. Ces expériences ont apporté des informations sur le stade de compostage principalement impliqué dans la minéralisation de chaque OP et de déterminer si la minéralisation était potentiellement limitée par les processus de sorption. Les résultats ont permis de proposer des conseils pour la gestion du procédé de compostage afin d’optimiser la minéralisation des OPs.
- Dans un deuxième temps (chapitre n°4 ), la réalisation de 12 compostages avec ajout de 14C- OPs sur le mélange de déchets organiques en début de compostage a permis de suivre le devenir des 14C-OPs au cours du compostage et de caractériser l’évolution de leur spéciation. Les compostages avec ajout de 14C-OPs ont été réalisés avec le même mélange de déchets organiques et le même procédé de compostage que ceux utilisés précédemment. Trois répétitions de compostage ont été réalisées pour chaque 14C-OP étudié. Les résultats ont permis d’identifier et de quantifier les phénomènes de dissipation mis en jeu pour chaque OP. Les résultats obtenus constituent une contribution à l’évaluation des risques associés à l’utilisation des composts au travers de la caractérisation de la disponibilité des OPs.
Ces résultats expérimentaux ont montré qu’au cours du compostage, les processus de sorption, de biodégradation et de formation des résidus liés se déroulent simultanément, influençant le devenir des OPs. La modélisation numérique simulant l’évolution conjointe de la matière organique et des OPs devrait permettre la description de manière générique des mécanismes couplés responsables du devenir des OPs.
La Partie III consacrée à la construction et au paramétrage d’un modèle appelé « COP-Compost » a été réalisée en trois étapes présentées dans deux chapitres de ce mémoire de thèse :
- Dans la première étape (chapitre n°5 ), un module simulant la dynamique du C de la matière organique des déchets compostés, à l’échelle des communautés microbiennes a été proposé. Il a ensuite été calibré et validé sur un jeu de données obtenu en dehors du travail de thèse. - Dans la seconde étape (chapitre n°6 ), un module simulant l’évolution des OPs au cours du
compostage a été proposé et calibré sur les données acquises dans ce travail de thèse. - Dans la troisième étape (chapitre n°6 ), des hypothèses de couplage représentant les
interactions entre les modules « matière organique » et « OPs » ont été formulées. Ces hypothèses ont été testées en comparant les données simulées et celles obtenues au cours de ce travail de thèse. Une représentation des phénomènes est proposée ainsi qu’un paramétrage du modèle pour les OPs étudiés.
Conception et test du dispositif de compostage miniaturisé Chapitre 2 Modélisation de la OM Chapitre 5 Modélisation des OPs Chapitre 6 4 OPs modèles glyphosate (GLY) fluoranthene (FLT) Nonylphenol (NP) LAS 12 compostages avec addition de 14C-OPs en début de processus Caractérisation du devenir des 14C-OPs
Extractibilité, Minéralisation, Volatilisation, Lixiviation Chapitre 4 Caractérisation des interactions OM-OPs Ajout de 14C-OPs sur
les échantillons prélevés : Sorption des OPs (Kd) Minéralisation des OPs
Chapitre 3 Caractérisation de la OM Analyses élémentaires Fractions biochimiques Minéralisation du C (sol) Chapitre 2 Modélisation couplée de la OM et des OPs Chapitre 6 6 compostages sans addition de 14C-OPs en début de processus
Prélèvement des composts pendant la phase thermophile (13 jours), en début (41 jours) et fin de maturation (83 jours)
Disponibilité – Spéciation des OPs
Au cours du compostage / dans les composts matures
Modélisation – Modèle COP-Compost
Partie I
Partie II
Partie III