2.4.1 Matrice compostée
Le compostage permet la dégradation d’un déchet solide grâce au travail des micro-organismes présents au sein du déchet. Ces micro-organismes évoluent au sein d’une phase liquide immobilisée à la surface du solide et qui constitue le biofilm. D’après (Henon 2008), le biofilm désigne : « une accumulation de bactéries à la surface d’un substrat solide. Il est composé d’un mélange d’eau, de matériaux cellulaires et de matériaux extracellulaires d’origines microbiennes ». Par ailleurs, comme nous l’avons indiqué précédemment, en compostage, les micro-organismes évoluent en milieu aérobie (quelques zones anaérobies peuvent néanmoins exister au sein du déchet). Un apport en oxygène est par conséquent indispensable pour garantir des concentrations en oxygène suffisantes. Cet apport peut être effectué sur l’ensemble du déchet grâce à ces propriétés lacunaires. Pour ces raisons, le déchet composté est généralement représenté avec trois phases : solide, biofilm (phase aqueuse) et gaz (Mustin 1987, Oudart 2013). Néanmoins, comme le précise (Pujol 2012) dans ces travaux, une quatrième phase peut être considérée lorsque de l’eau libre s’écoule à travers l’andain. Cette eau libre est généralement appelée lixiviat.
2.4.2 Les voies métaboliques de la phase active
Les micro-organismes présents dans le déchet vont dégrader la matière organique pour obtenir de l’énergie et des nutriments nécessaires à leur survie (réaction catabolique). Compte tenu de la multitude de micro-organismes présents dans le déchet mais aussi de la disponibilité en oxygène plusieurs voies métaboliques peuvent être empruntées (Amaury de Guardia 2018).
La première étape, commune a toutes les voies métaboliques, concerne l’hydrolyse des macromolécules. Cette étape a pour but de fragmenter en milieu extracellulaire les molécules de grande taille (protéines, lipides, polysaccharides). Les produits de l’hydrolyse (acides aminés, glucides, …), de plus petite dimension, peuvent alors franchir la membrane cellulaire des micro-organismes et ainsi être dégradées en milieu intracellulaire.
En milieu intracellulaire, les glucides, les acides aminés et les acides gras volatils subissent un ensemble de réactions de dégradation aboutissant à la production de CO2 et H2O et NH3, d’ions (SO42-) et de molécules carbonées intermédiaires (pyruvate et acétate). Ensuite selon le type de micro-organismes et selon la disponibilité en oxygène, se distinguent quatre chemins métaboliques.
1) En milieu aérobie
En présence d’oxygène, les molécules intermédiaires telles que le pyruvate sont transformées (par exemple en acétyl-coenzyme A) pour ensuite être utilisées dans le cycle de Krebs et la chaine respiratoire de la cellule (Albrecht 2007). Ces deux derniers éléments permettent à la cellule de produire de l’énergie par respiration aérobie. Lors d’une respiration aérobie, le dioxygène est utilisé comme accepteur final d’électron (rôle d’oxydant). Une consommation de dioxygène a donc lieu lors d’une respiration aérobie et les produits finaux de la dégradation sont l’eau et le dioxyde de carbone. En absence d’oxygène, deux cas sont à distinguer : les zones anoxiques et les zones anaérobies (Amaury de Guardia 2018) (Figure 8).
Figure 8 : les différents chemin métabolique selon le potentiel oxydant du milieu, issu de (Rincon Mejia 2019)
2) En milieu anoxique
En milieu anoxique, le mécanisme biologique est similaire au mécanisme en milieu aérobie, néanmoins, une autre source d’accepteur final d’électron est utilisée (NO3-, NO2-, SO42-). Ce chemin métabolique appelé respiration anaérobie aboutit à la dégradation totale ou partielle des composés intermédiaires. Les produits issus du cycle de Krebs et de la chaine respiratoire sont entre autres : CO2, N2, H2S et NO2
-3) En milieu anaérobie
a. Potentiel redox > - 300 mV
En milieu anaérobie, la matière organique est elle-même utilisée comme accepteur final d’électron (oxydant) et sa dégradation ne se fait pas au moyen d’une chaine respiratoire (contrairement aux deux autres voies métaboliques) mais au moyen de nombreuses voies de fermentation. Si le début de la dégradation de la matière organique est semblable aux milieux aérobie et anoxique et amène à la formation de composés intermédiaires tels que le pyruvate, les nombreuses voies de fermentation ne permettent qu’une dégradation partielle de ces composés. Il en résulte la production de nombreux composés tels que les alcools, les acides gras, les composés soufrés réduits, … (Figure 8). Certains de ces composés (exemple : H2S) sont notamment responsables des mauvaises odeurs émises lors compostage.
b. Potentiel redox < - 300 mV
Enfin, suite aux réactions de fermentation, et lorsque le potentiel redox du milieu le permet (< -300mV), des processus de méthanisation peuvent être présents (Amaury de Guardia 2018).
Il est important de noter que la respiration aérobie fournit plus d’énergie que la respiration anaérobie qui elle-même fournit plus d’énergie que les processus de fermentation. Or, les micro-organismes s’orientent vers les voies biochimiques qui produisent le plus d’énergie. Ainsi, quand un micro-organisme est capable de réaliser les deux types de respiration, il s’orientera préférentiellement vers la respiration aérobie. D’autre part, l’énergie libérée par la voie aérobie étant supérieure à l’énergie libérée par les processus de fermentation, les micro-organismes anaérobies (fermentaires) ont une croissance plus lente (Amaury de Guardia 2018).
Le compostage étant un processus aérobie, la dégradation de la matière organique est principalement réalisée par respiration aérobie. Cependant, il est admis qu’au sein d’un déchet, plusieurs zones anoxiques ou anaérobies peuvent exister (Faverial 2016, Oudart 2013).
2.4.3 Les transferts de matière et de chaleur
Outre les mécanismes biologiques de biodégradation, le compostage fait intervenir des phénomènes de transfert de matière et de chaleur.
Les micro-organismes impliqués lors du compostage nécessitent un apport en oxygène pour dégrader la matière organique en condition aérobie. Le transfert en oxygène de la phase gaz à la phase liquide est par conséquent indispensable lors du compostage pour maintenir des concentrations en oxygène suffisantes. Selon le système considéré, le transfert en oxygène peut être effectué par convection forcée de la phase gaz à travers l’andain (système d’aération par aspiration ou insufflation) ou grâce au phénomène de convection naturelle favorisé par l’élévation des températures lors du compostage. Dans ce cas, l’air chaud, plus léger, crée un courant d’air ascendant qui va aspirer l’air sur les parties inférieures de l’andain. Par ailleurs, l’aération peut également être facilitée grâce aux retournements réguliers des andains. En plus du transfert d’oxygène, le compostage est également marqué par l’émission de composés gazeux, produits des réactions de biodégradation. Ces composés sont tout d’abord émis au sein du biofilm, siège des réactions de biodégradation, avant d’être transférés de la phase liquide vers la phase gazeuse. Enfin, il est important de noter que les transferts de matière (O2, CO2, NH3, …) entre la phase gazeuse et la phase liquide sont grandement dépendant des propriétés physico-chimiques du substrat et notamment de sa porosité.
Nous avons vu précédemment que la biodégradation de la matière organique était un processus exothermique ; il en résulte donc une production de chaleur lors du compostage. Cette chaleur va en partie migrer dans le substrat par des phénomènes de convection et de conduction, et ainsi participer à l’élévation de sa température. Néanmoins, une partie de la chaleur produite par la biodégradation du substrat est perdue lors du compostage :
- soit par l’évaporation de l’eau rendue possible lors de l’aération
- soit par les diverses pertes thermiques auxquelles est soumis l’andain : conduction avec le sol et les parois du procédé de compostage, chaleur évacuée lors de l’aération (air plus chaud en sortie), chaleur perdue avec le milieu extérieur.