Résultats et discussion

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Chapitre 2 : Evolution des matières organiques en compostage

2.1. Etude de la biodégradation aérobie des matières organiques en conditions contrôlées

2.1.1. Etude expérimentale : Lien entre les cinétiques de respiration et l’évolution des

2.1.1.3. Résultats et discussion

2.1.1.3.1.Cinétiques de respiration

Les cinétiques de respiration de chacun des quatre substrats étudiés sont présentées en Figure 8. Pour permettre une comparaison des quatre substrats, les cinétiques ont été exprimées par unité de MO présente initialement dans le substrat. Les cinétiques de respiration sont caractéristiques des substrats.

Les cinétiques cumulées d’émissions de CO2, calculées sur les deux cellules suivies jusqu’à la fin de la biodégradation pour chaque substrat et exprimées en fonction du CT initial, représentent respectivement 60, 28, 36 et 23 % de CTi pour MAN, ADMAN, BIO et ADBIO montrant que la digestion anaérobie suivie de la séparation de phase a conduit à une diminution de la biodégradabilité du C de l’ordre de 50 % pour les deux types de substrats.

L’effet du type de substrat est aussi notable, montrant que la biodégradabilité du C de MAN est nettement plus grande que celle de BIO. Ces valeurs peuvent être comparées à des intensités de biodégradation en compostage. Eghball et al. (1997) mesurent des pertes de C allant de 46 à 62 % du carbone intial pendant le compostage de fumier de bovins, donc en accord avec nos résultats pour MAN. En fonction de leurs compositions, Francou et al. (2008) mesure des pertes de C allant de 37.1 à 61.8 % durant le compostage de mélanges de biodéchets, soit des valeurs légèrement supérieures à nos résultats pour BIO. Peu de données sont relatives aux émissions carbonées au cours de la biodégradation de la fraction solide de digestats. Teglia (2011) mesure des dégradations du C de digestats de fumier et de biodéchets allant de 13 à 49 %, soit un intervalle qui contient nos résultats pour ADMAN et ADBIO.

A la première date de mesure les émissions cumulées de CO2 sont très variables entre les cellules (CV à 12 h de 30.4 %) du fait d’une amplitude et/ou du temps d’atteinte du pic de respiration relativement variables (Figure 8). Cependant, de manière générale sur les quatre substrats, les écarts relatifs entre les réplicats tendent à diminuer avec le temps pour atteindre des CV faibles (inférieurs à 5%) entre les deux cellules conduites jusqu’à la fin de la biodégradation. De plus les deux cellules Tf conduites jusqu’à la fin de la biodégradation ont été conduites en parallèles et donc réalisées dans des conditions strictement identiques (temps de préparation des substrats, mélanges identiques, etc), il était donc attendu que ces deux cellules soient plus homogènes que les celles réalisées dans un second temps.

54

Figure 8 : Cinétiques de production du CO2 des quatre substrats étudiés en respirométrie à différents temps de biodégradation (MAN : Fumier de bovin ; ADMAN : Digestat de fumier de bovin ; BIO : Biodéchets : ADBIO : Digestat de biodéchets)

Tableau 2 : Reproductibilité de la mesure de respiration du fumier MAN

0

55

Tableau 3 : Reproductibilité de la mesure de respiration du digestat de fumier ADMAN

Tableau 4 : Reproductibilité de la mesure de respiration du biodéchet BIO

Tableau 5 : Reproductibilité de la mesure de respiration du digestat de biodéchets ADBIO

On note aussi que les deux digestats offrent une meilleure répétabilité que les déchets bruts dont ils sont issus. Ceci pourrait s’expliquer par un produit plus homogène (moins de fragments de pailles dans ADMAN que dans MAN, moins de déchets verts et fragments grossiers dans ADBIO que dans BIO).

Cette analyse de la variabilité nous conduit à considérer que chacune des cellules est représentative de la biodégradation du substrat concerné et donc que l’analyse de la qualité de la MO sur une cellule à un temps t est représentative de la qualité des autres cellules au même moment.

Temps (j) 8.8 13.1 25.0 33.8

T1 3.412

T2 3.837 6.53

T3 3.244 5.98 10.04

Tf r1 3.502 6.93 12.15 14.44

Tf r2 3.370 6.52 12.45 14.77

CV (%) 5.8 5.2 9.3 1.1

Cumul CO2 (mol/kg MOi)

Temps (j) 2.0 3.8 6.3 26.9

T1 1.189

T2 0.679 3.44

T3 1.007 4.83 7.90

Tf r1 2.575 6.68 9.42 20.34

Tf r2 2.401 6.18 8.94 20.29

CV (%) 49.0 23.8 7.2 0.1

Cumul CO2 (mol/kg MOi)

Temps (j) 0.4 3.7 7.5 12.6 30.0

T1 0.248

T2 0.254 2.87

T3 0.343 2.88 5.11

T4 0.323 2.72 4.99 6.65

Tf r1 0.555 3.23 5.89 7.82 12.9

Tf r2 0.460 3.10 5.76 7.71 13.2

CV (%) 30.4 6.2 7.2 7.1 1.2

Cumul CO2 (mol/kg MOi)

56 2.1.1.3.2.Evolution des fractions la MO

L’évolution des fractions de la MO au cours de la biodégradation est présentée Figure 9.

Initialement MAN et ADMAN ont une répartition similaire des fractions de la MO (Figure 9 a et Figure 9 b).

Ces deux substrats se caractérisent par une distribution relativement équilibrée de la MO dans les fractions. La fraction soluble à l’eau SOLH2O représente une part importante de la MO totale, avec respectivement 23 et 22 % de la MO pour MAN et ADMAN.

En revanche BIO et ADBIO ont une répartition différente des fractions de MO de MAN et ADMAN, avec notamment des fractions LIC (respectivement 26 et 40% de la MO) et CEL (respectivement 42 et 45%) élevées mais des fractions solubles à l’eau très faibles (<2% pour BIO) ou non quantifiables du fait des erreurs cumulées lors du calcul du bilan massique (pour ADBIO).

Pendant la biodégradation, la fraction LIC est généralement dégradée, à hauteur de 25 % à plus de 50 % des quantités initiales (Tableau 6) tandis que les fractions CEL et HEM sont largement dégradées pour les quatre substrats (de 18 à 100%), confirmant que ces deux dernières sont la principale origine de la perte de MO au cours du compostage (Francou et al., 2008). L’évolution des fractions SOLH2O et SOLnd est plus complexe et présente des augmentations et des diminutions successives ce qui tend à montrer qu’elles sont à la fois consommées (hydrolysées et/ou assimilées par la biomasse microbienne) et alimentées (par la dégradation de la MO particulaire).

Sur la totalité de la biodégradation, le bilan massique sur le substrat montre que 60, 65, 40 et 11 % de la MO initiale a été dégradée respectivement pour MAN, ADMAN, BIO et ADBIO.

La quantité de MO dégradée pour ADBIO étant très faible, la quantification des fractions par les bilans massiques est associée à des erreurs importantes. Certaines fractions, ayant été obtenues négatives, ont été considérées comme nulles.

Toutes les fractions de la MO ont diminué entre le début et la fin de la biodégradation, à l’exception de SOLH2O pour BIO et de SOLnd pour ADBIO. Ces fractions étant susceptibles d’être alimentées par des hydrolyses de la MO particulaire, leur évolution est complexe. On mesure pour ces fractions un bilan des flux qui les alimentent et les dégradent.

De manière générale, environ la moitié de la MO dégradée provient de CEL et 15 à 20 % provient de HEM. Même si la LIC est parfois considérée comme récalcitrante, elle participe à

57 environ 10 % de la perte de MO totale. Seules les fractions SOLH2O et SOLnd montrent des évolutions très différentes entre les substrats.

Tableau 6 : Pourcentage d’évolution de chaque fraction de la MO entre t0 et tf

Les cinétiques d’évolution des fractions de la MO sont similaires entre MAN et ADMAN.

Pour ces deux substrats, LIC diminue lentement mais de manière linéaire tout au long de la biodégradation. CEL et HEM restent relativement constantes jusqu’au moment du pic de respiration à partir duquel elles diminuent rapidement. La fraction SOLnd diminue à partir de la fin de la phase intense de respiration. SOLH2O montre des fluctuations mais qui restent modérées. Comme les fractions LIC, CEL, HEM et SOLnd sont des fractions particulaires insolubles à l’eau, elles doivent être hydrolysées avant d’être accessibles aux microorganismes. En particulier, les hydrolyses de HEM et CEL semblent débuter à partir de la fin du pic de respiration (Figure 9 a et Figure 9 b). Au contraire, le pic de respiration est simultané à la décroissance de la MO soluble à l’eau SOLH2O ce qui indique que cette fraction est directement utilisée pour la croissance et/ou l’activité microbienne. En début de phase de biodégradation (jusqu’au pic de respiration), les microorganismes semblent donc utiliser préférentiellement les sources de MO solubles à l’eau avant que l’activité d’hydrolyse de la MO particulaire ne soit remarquable.

BIO montre une cinétique de dégradation des fractions différentes de celles de MAN et ADMAN. En effet, bien que LIC, HEM et SOLnd présentent des dynamiques comparables à celles des deux autres substrats, CEL se dégrade différemment. Cette fraction est dégradée de manière linéaire pendant la biodégradation, avec une vitesse qui semble toutefois légèrement supérieure au moment du pic de respiration. Au contraire, SOLH2O augmente pendant le pic de respiration, pour décliner seulement ensuite. BIO présentant une teneur initiale en SOLH2O très faible (< 2% de la MO), l’hydrolyse de la fraction particulaire (majoritairement CEL) débute dès le début de la mesure respirométrique pour alimenter la croissance et/ou l’activité microbienne. Ceci explique aussi le délai d’occurrence du pic de respiration, qui est lié à l’hydrolyse préalable de la fraction CEL.

ADBIO montre peu d’évolution de la qualité de la MO avant la toute fin de la biodégradation, hormis une production de SOLH2O au détriment de CEL. Cette fraction SOLH2O rapidement

SOLH2O<1.5kDa SOLH2O>1.5kDa SOLnd HEM CEL LIC

MAN -88 -15 -38 -67 -81 -29

ADMAN -75 +24 -53 -69 -90 -55

BIO +320 +229 -45 -42 -59 -25

ADBIO - - +1354 -100 -18 -34

58 produite est aussi dégradée pendant la respiration, ce qui semble se rapprocher des observations réalisées pour BIO.

L’analyse de l’évolution des fractions de la MO au regard des cinétiques de respiration conduit à conclure que les microorganismes utilisent préférentiellement la MO de la fraction SOLH2O. Quand celle-ci est, ou devient, rare l’hydrolyse de la MO particulaire, et CEL en particulier, devient prépondérante.

Malgré des fractions de MO initiales semblables pour MAN et ADMAN, on observe des cinétiques et un potentiel de biodégradation très différents entre les deux substrats (Figure 9 a et Figure 9 b), conduisant à penser que la qualité du substrat n’est pas un facteur suffisant pour expliquer la biodégradation des PRO, mais que la composition des communautés microbiennes ou l’accessibilité du substrat pour la biomasse microbienne est différente entre MAN et ADMAN.

L’analyse de la distribution des poids moléculaires dans la fraction soluble permet de mieux comprendre les phénomènes d’hydrolyse et d’assimilation de la MO. Basé sur les travaux de Janning (1998), qui montrent que seules les molécules de tailles inférieures à 0.0005 μm peuvent diffuser à travers la membrane cellulaire des bactéries, ce qui correspond approximativement à 1.5 kDa (Erickson, 2009), nous avons distingué deux fractions de molécules solubles respectivement inférieures à 1.5 kDa (SOLH2O<1.5kDa ; directement assimilables par les microorganismes) et supérieures à 1.5kDa (SOLH2O>1.5kDa ; nécessitant une étape d’hydrolyse avant assimilation). Comme le montre la Figure 9, à l’état initial ces deux fractions représentent chacune la moitié de la MO soluble à l’eau pour MAN et ADMAN. Cependant la fraction SOLH2O<1.5kDa est intensivement dégradée jusqu’au pic de respiration. L’augmentation de SOLH2O>1.5kDa semble liée au déclin de la MO particulaire.

Concernant BIO, à l’état initial, la fraction SOLH2O est principalement composée de molécules de poids supérieur à 1.5 kDa. Les deux fractions SOLH2O augmentent jusqu’à la fin du pic de respiration, qui correspond aussi au déclin de la fraction particulaire de la MO (et de CEL en particulier). Ensuite des phases de déclin et d’augmentation de ces deux fractions sont alternativement observées.

Au regard de ces résultats on peut émettre l’hypothèse que SOLH2O<1.5kDa est directement utilisé pour le métabolisme microbien tandis que SOLH2O>1.5kDa est à la fois alimenté par l’hydrolyse de la MO particulaire et dégradé pour former des molécules inférieures à 1.5kDa.

59 Ces hypothèses serviront de base au développement du modèle de biodégradation présenté dans le chapitre suivant.

2.1.1.3.3.Qualité finale des substrats

Exprimées en pourcentage de la MO à l’instant t, les fractions de la MO sont des indicateurs du potentiel de biodégradation des Mafor. En effet, elles servent de base au calcul de l’indice de stabilité de la MO et permettent une estimation du potentiel de minéralisation dans les sols (Lashermes et al., 2009). Comme nous l’avons vu dans le chapitre précédent, les fractions principalement dégradées sont généralement HEM et CEL, tandis que la dégradation de LIC est moindre. Cela se traduit par une concentration de LIC entre l’état initial et la fin de la biodégradation dans les quatre substrats, sauf pour ADBIO qui initialement présentait déjà une fraction LIC très élevée (40% de la MO) (Figure 10). Les fractions HEM et CEL sont, au contraire, plus faibles dans les « composts » que dans les substrats initiaux pour les quatre substrats. En fin de biodégradation, les quatre substrats se caractérisent par des fractions SOLH2O et SOLnd équivalentes ou plus élevées que dans leurs substrats initiaux (Figure 10).

On note cependant que la part des molécules de poids supérieur à 1.5kDa dans la fraction SOLH2O est plus élevée dans les « composts » que dans les substrats initiaux (sauf pour ADBIO pour lequel SOLH2O n’a pas pu être caractérisé).

2.1.1.3.4.Evolution des fractions de C

L’évolution et la distribution des fractions de C sont similaires à celles de la MO. Elles ont servi de base au développement et à la calibration du modèle de biodégradation du C et sont donc présentées dans le chapitre 2.1.2.

60

Figure 9 : Evolution des fractions de la MO au cours de la biodégradation. (a) : Fumier MAN ; (b) : Digestat de fumier ADMAN ; (c) : Biodéchet BIO ; (d) : Digestat de biodéchets ADBIO

020406080100120 CO2 (mmol/h/kgMOi)

0 5 10 15 20 25 30 35

020406080100

Temps (Jours)

Fractions (% MOi)

(a) LIC

CEL HEM SOLnd SOLH2O>1.5kDa SOLH2O<1.5kDa CO2

020406080100120 CO2 (mmol/h/kgMOi)

0 5 10 15 20 25 30 35

020406080100

Temps (Jours)

Fractions (% MOi)

(b)

020406080100120 CO2 (mmol/h/kgMOi)

0 5 10 15 20 25 30 35

020406080100

Temps (Jours)

Fractions (% MOi)

(c)

020406080100120 CO2 (mmol/h/kgMOi)

0 5 10 15 20 25 30 35

020406080100

Temps (Jours)

Fractions (% MOi)

(d)

61

Figure 10 : Evolution de la qualité des substrats au cours de la biodégradation (exprimée en % de la MO à l’instant t). (a) : Fumier MAN ; (b) : Digestat de fumier ADMAN ; (c) : Biodéchet BIO ; (d) : Digestat de biodéchets ADBIO.

0 5 10 15 20 25 30 35

020406080100

Temps (Jours)

Fractions (% MO)

(a)

0 5 10 15 20 25 30 35

020406080100

Temps (Jours)

Fractions (% MO)

(b)

0 5 10 15 20 25 30 35

020406080100

Temps (Jours)

Fractions (% MO)

(c)

0 5 10 15 20 25 30 35

020406080100

Temps (Jours)

Fractions (% MO)

(d)

62 2.1.1.3.5.Evolution des fractions de N

L’évolution des fractions azotées au cours de la biodégradation est présentée Figure 11.

Initialement, les quatre substrats organiques se distinguent par la quantité et la répartition de l’azote. Bien qu’ayant des teneurs en azote total comparables (respectivement 44.2 et 39.8 gN.

Kg-1 MO), MAN présente moins d’azote dans la fraction SOLH2O que ADMAN (Figure 11 a et Figure 11 b), mais une proportion plus élevée d’azote dans SOLnd. 42 et 31 % de Nt est contenu dans les fractions particulaires pour MAN et ADMAN respectivement.

BIO et ADBIO ont des teneurs plus faibles en N que les deux substrats précédents (respectivement 28.1 et 26.7 gN. Kg-1 MO). Ces deux substrats présentent une distribution similaire de N dans les fractions, à l’exception de SOLnd et HEM qui semblent complémentaires (0 et 27% de Nt dans BIO et 35 et 0% de Nt dans ADBIO respectivement).

Respectivement 80 et 83 % de Nt est contenu dans les fractions particulaires pour BIO et ADBIO.

En comparant l’état initial au produit final (tf), on remarque que la quantité d’azote total dégradé est variable selon les substrats et est respectivement de 51, 64, 32 et 3 % de l’azote initial pour MAN, ADMAN, BIO et ADBIO. L’essentiel des pertes (85 et 94% du Nt dégradé) provient des fractions SOLH2O et SOLnd pour MAN et ADMAN respectivement.

Doublet et al. (2011) observent aussi, lors du compostage de boues d’épuration, que les fractions qui contribuent le plus aux pertes azotées sont les fractions SOLH2O, SOLnd et HEM. L’azote de SOLH2O est dégradé de manière plus intensive pour ADMAN que pour MAN. Pour BIO, l’essentiel des pertes azotées semblent provenir de HEM et CEL. De plus, la fraction azotée SOLnd semble alimentée par ces deux fractions. Peu d’azote a été dégradé pour ADBIO, mais un transfert semble avoir eu lieu de SOLnd vers HEM (Figure 11 d).

Lorsque l’on s’intéresse aux cinétiques de dégradation de l’azote, on remarque une perte rapide de N entre t0 et t1 liée à la fraction SOLH2O sur les trois substrats présentant une perte significative de N, qui pourrait être le bilan d’une volatilisation de l’azote ammoniacal présent dans ce compartiment de matière et d’une minéralisation de l’azote organique soluble facilement biodégradable. Entre t2 et t3 pour MAN et t1 et t2 pour ADMAN, on observe une augmentation de l’azote total qui n’est pas explicable par des mécanismes biologiques et semble donc plutôt liée à des erreurs analytiques cumulées lors des calculs des bilans massiques. Il semble que la quantité d’azote total est été sous-estimée à t1 et t2 pour MAN et à t2 pour ADMAN. Une hypothèse d’explication est que l’hétérogénéité entre les cellules

63 respirométriques au début de la biodégradation ait influencé plus fortement la dégradation initiale de l’azote que celle de la MO totale.

A partir de ces résultats, il semble que l’évolution des formes solubles à l’eau de l’azote soit un mécanisme déterminant des pertes azotées. Il est probable que la chute importante des quantités de N soluble à l’eau dans les premières heures de biodégradation soit liée à une volatilisation de l’azote ammoniacal et/ou une assimilation des composés facilement biodégradable par les microorganismes. Les pertes d’azote dans les fractions organiques particulaires restent modérées mais compatibles avec des hypothèses de simple hydrolyse alimentant la fraction soluble à l’eau. Le placement des substrats immédiatement à 40°C pourrait induire un biais sur les tranformations de l’azote par rapport à des situations réelles de compostage dans lesquelles l’auto-échauffement est progressif. Une étude des formes de l’azote soluble à l’eau aurait probablement permis de comprendre plus précisément les mécanismes impliqués dans la biodégradation de l’azote. Celles-ci ont donc été étudiées plus précisément en conditions réelles de compostage pour MAN et ADMAN dans le chapitre 2.2.1.

64

Figure 11 : Evolution des fractions azotées au cours de la biodégradation. (a) : Fumier MAN ; (b) : Digestat de fumier ADMAN ; (c) : Biodéchet BIO ; (d) : Digestat de biodéchets ADBIO

020406080100120 CO2 (mmol/h/kgMOi)

0 5 10 15 20 25 30 35

010203040

Temps (Jours)

Fractions N(gN/kg MOi)

(a) LIC

CEL HEM SOLnd SOLH2O CO2

020406080100120 CO2 (mmol/h/kgMOi)

0 5 10 15 20 25 30 35

010203040

Temps (Jours)

Fractions N(gN/kg MOi)

(b)

020406080100120 CO2 (mmol/h/kgMOi)

0 5 10 15 20 25 30 35

010203040

Temps (Jours)

Fractions N(gN/kg MOi)

(c)

020406080100120 CO2 (mmol/h/kgMOi)

0 5 10 15 20 25 30 35

010203040

Temps (Jours)

Fractions N(gN/kg MOi)

(d)

65

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