1UMR Sol Agronomie Spatialisation

UpR Risque environnemental lié au recyclage

Jean-Marie PaillatUPR CIRAD Recyclage et risquesUMR INRA/Agrocampus Sol Agro & hydro systèmes Spatialisation65 rue de St Brieuc, cs8421535042 RENNES Cedex 01

Compostage : Compostage : Processus & moyens de Processus & moyens de

contrôlecontrôle

Impact environnementalImpact environnemental

2

Introduction

Processus microbiologiques et physiques déterminant les émissions

gazeuses

Facteurs de contrôle Modélisation des émissions gazeuses

Plan

3

Introduction

Transferts de MO (Compost – Compostage)

Intérêts du compostage

Implications environnementales

4

systèmes d’élevage

aliments

systèmes de cultures

fertilisants

effluents

pollution pertes de fertilité des sols

lessivageérosion

demande

offre

TRANSFERTS

Problématique du transfert de MO

N

C

Compostage et environnement

5

Compost - compostage : définitionsQu’est-ce que le compostage ?

Qu’est-ce que le compost ?Produit organique plus ou moins stabiliséStockage de N et CDisponibilité de N à plus ou moins long terme

Manipulation aisée

Pas ou peu d’odeur

Hygiénisé si T°Variable selon produits mis en fermentationVariable selon la conduite du processA définir en fonction des utilisations (engrais/amendement)

Processus contrôlé de dégradation des constituants organiques d’origine végétale et animaleSuccession de communautés microbiennes (bactéries, champignons), en condition aérobie (principalement), entraînant une montée en température(Ménasseri, 2005, d’après Francou, 2003)

6

Intérêts du compostage

GESTION DE LA FERTILITE

STABILISATION DU

CARBONE

Intérêts du compostage attendus :- amélioration de la gestion des effluents (réduction de la pollution des eaux)- transferts de fertilité (efficacité agronomique)

Intérêts du compostage attendus :- immobilisation de carbone dans le sol (diminution de l’effet de serre)- contribution à la gestion des effluents (réduction de la pollution atmosphérique)

Echelles :- exploitation agricole (gestion individuelle)- territoire à travers les réseaux d’échanges (transferts entre exploitations)

Echelles :- pays (intérêt de la France pour la gestion du CO2 et autres gaz à effet de serre)- planétaire (Kyoto)

7

Problème : transfert de pollution ?

Pertes ?Impact à l’échelle locale :eutrophisationpollution des eaux

Emissions gazeuses

(d’après Gosse et Mérillot, 1996)

Impact à l’échelle globaleeffet de serrecouche d’ozone

CO2

CH4

N2ONOx

(Kroese, 1994 ; Houghton et al., 2001)http://www.ipcc.ch/ipccreports/assessments-reports.htm

Impact à l’échelle régionale :ozone troposphériqueacidificationpollution des nappes

CONOx

NH3

NO3

(Apsimon et al., 1987 Fangmeier et al., 1994)

H2O

8

(Morand, 2005)

9

Processus microbiologiques et physiques

Différentes phases

Transformation du carbone

Transformation de l’azote

Volatilisation

10

DECHETS ORGANIQUES

COMPOST JEUNE PREHUMIFIE

COMPOST MUR RICHE EN HUMUS

Phase de décompositionDégradation de la matière organique fraîche dominante

Phase de MaturationBiosynthèse de composés humiques

(Mustin, 1987)

Différentes phases

Durée de compostage(mois)

Tem

pér

atur

e (°

C)

620 4

0

25

50

75

Phase

mésophile

Phase

thermophile

Phase

refroidissementPhase

maturation

fermentation maturation

Dégradation MO peu réfractaires

Humification(stabilisation)

(Houot, 2005)

11

(Mustin, 1987)

Processus microbiens

12

(Gobat et al., 2003)

Processus physiques

13

Transformation du carboneOxydation des composés carbonés facilement dégradables :

C6H12O6 + 6O2 6 H2O + 6 CO2 + 2834 KJ/mole

CHON + O2 H2O + CO2 + NH3 + chaleur

Méthanisation (conditions anaérobies) :

C6H12O6 3 CH4 + 3 CO2 + 402 KJ/mole

Production d’acides organiques :

Glucides, lipides ... R-COOH R-COO- + H+

Attaques enzymatiques :Amidon, hémicellulose, cellulose ... Glucides ...

Eau métabolique

Emission de CO2

Production de chaleur

(Mustin, 1987)

Dissolution du CO2 dans l’eau :

CO2 + 2 H2O H-CO3- + H3O+

H-CO3- + H2O CO3 2- + H3O+

Acidification

14

(Mustin, 1987)

Biodégradabilité du C

15

(Mustin, 1987)

Chaleur = f(biodégradabilité)

16

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 1 2 3 4 5

température (°C)

temps (j)

A BC DE FG

H

(Paillat et al., 2005)

Température = f(biodégradabilité et microflore)

Fumier = flore

Mélasse = C biodégradable

Sciure = C moins biodégradable

17

0

10

20

30

40

50

60

70

80

18/2/03 14:00 20/2/03 14:00 22/2/03 14:00 24/2/03 14:00 26/2/03 14:00 28/2/03 14:00 2/3/03 14:00 4/3/03 14:00

Température (°C)

fond

haut

côté

cœur

(Paillat et al., 2005)

Température = f(porosité, convection)

18

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

50%

20% 30% 40% 50% 60% 70% 80%

Matière sèche

Matière brute

Linéaire (Matièresèche)

porosité à l'air (%)

pert

es d

e m

asse

(%

mas

se in

itial

e)

I

L

K

J

Pertes de MS = f(porosité, convection)

(Paillat et al., 2005)

19

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 7 14 21 28 35 42 49 56

CO

2-C

em

itte

d (

g k

g-1

TC

)

time (d)

G

H

B

F

D

E

CA

C+CC-

(Paillat et al., 2005)

Emission de CO2 = f(biodégradabilité C)

20

Transformation de l’azoteAmmonification des composés azotés :

R-NH2 NH3 + H2O NH4+ + OH-

(Mancinelli, 1992 ; van Faasen, 1993; Morand, 2002)

Dénitrification :

2 NO3- 2 NO2

- 2 NO N2O N2

Immobilisation :

CH2O + N-NH4 cellules + humus

CO(NH2)2 + 3 H2O HCO3- + 2 NH4

+ + OH-

Hydrolyse de l ’urée :

CHON + O2 H2O + CO2 + NH3 + chaleurDégradation de la matière organique :

Production d’ammonium

Alcalinisation

Nitrification :

NO3-NO2

- + 1/2 O2

NH4+ + H+ + O2 NO2

- + 5 H+NH2OH + H2O

N2O

Production de N2O et N2

Production de nitrate

21

N-NH4+

N2O

Potentiel d’oxydo-réduction réduit oxydé

N orgeffluent

N orgbiomasse

ammonification

NH3

volatilisation

assim

ilatio

n

réductionorganisation

fixation

émission

N-NO3-N-NO2

-

nitrification

nitritation

nitratation

solide

solution

gaz

atmosphère

interfaceliquide-solide

interfaceliquide-gaz

eaux lessivage et ruissellement

N

N2 NOx

dénitrification

NO

NH4+

fixé

22

Processus de volatilisation(Génermont, 1996)

NH4+ + H2O NH3aq + H3O+

KAN

NH4+ +

CO32-

NH3aq + HCO3-

NH4+ +

HCO3-

NH3aq + CO2aq + H2O

CO2 + 2 H2OH-CO3- + H3O+

H-CO3- + H2OCO3 2- + H3O+

KAC1

KAC2

NH3aq NH3g NH3aKHN KV

CO2aq CO2g CO2a

solutionInterface

liquide-gaz atmosphère

H2Oaq H2Og H2Oa

pH

pH

23

(Mustin, 1987)

pH

24

Facteurs de contrôle - modélisation

Facteurs influençant les émissions

Etude des émissions gazeuses

Modélisation

Moyens d’action

25

Facteurs influençant les émissions d’azote

Emission de N2O :

Emission de NH3 :

pH : NH4+ NH3aq

Température : NH4+ NH3aq

NH3aq NH3g

Azote disponible : NH4+

Convection : NH3g NH3a

NH3

Rapport C/N : immobilisation NH4+

Carbone biodégradable : immobilisation NH4+

O2 + T<45°C nitrification

NH3

Nitrification si C disponible + O2 + T<45°C(couches externes)

Dénitrification si C disponible + anoxie(fond, agrégats)

Si O2 limitant

Si C limitant

N2O

C biodégradable

N

disponibl

e

porosit

é

humidit

é

?

26

0

20

40

60

80

100

N disponible (%)

Oxygèneporosité (%)

C biodegradable (%)

humidité (%)

-

Fumier de volailles

Paille de blé

Lisier de porc

Fumier de bovins

compost

Etude des émissions gazeuses

Expé 2 en 2002lisier / fumier / pailleN disponible 0,54 à 0,87C biodégradable 0,53 à 0,61

Expé 3 en 2003lisier / paille / sciureN disponible 0,66 à 0,76C biodégradable 0,51 à 0,73

Expé 1 en 2002fumier de volailles / eauhumidité 50 vs 70 %porosité 0,25 à 0,70

Expé 4 en 2003lisier / paille / sciurehumidité 50 à 82 %porosité 0,51 à 0,70

Halle expérimentaleT °C

27

T°C

Etude des émissions (halle expérimentale)

Entrée d’air

Sortie d’air

CompostTempératuresCentrale

d’acquisition

Concentrations des gaz : N2O, CO2, NH3, CH4, H2O

Vitesse d’air

Cen

tral

e d’

acqu

isit

ion

Ordinateur

Air intérieurTempérature

hygrométrie Air

extérieur

28

Modélisation (Ajustement mathématique)

0 20 40 60

0

100

200

300

400

500

600

temps (j)Ém

issi

on c

umul

ée

(g N

-NH

3 k

g-1 N

tot

al)

(Kirchmann and Witter,1989)

tkS

tkR

SR eCMeCMM 11 00

(Bernal and Kirchmann,1992)

tkCMeCMM SStk

RR

00 1

0 20 40 60

0

100

200

300

400

500

Ém

issi

on c

umul

ée

(g C

-CO

2 k

g-1 C

tot

al)

temps (j)

4 paramètres à prédire pour N-NH3 :

M0CR ; M0CS ; kR ; kS

3 paramètres à prédire pour C-CO2 et H2O :

M0CR ; M0CS kS ; kR

29

Modélisation (Ajustement mathématique)

30

C (%)

0

20

40

60

80

100N disponible (%)

Oxygène -porosité (%)

biodegradable

Humidité (%)

N total / MSN soluble / MSN soluble / N totalN-NH4

+ / N total

C total / MSSoluble VS / MS(Hem + Cel VS) / MS

MSHumiditéEau/MSMS/eau

Porosité airDensité MBDensité MS

C/NC sol VS / N soluble

Variables explicatives

Modélisation (régression multiple)

paramètre = f(N disponible, C biodégradable, humidité, porosité)10 pour cinétiques cumulées12 pour cinétiques instantanées

31

Modélisation (Prédiction des émissions)

pred = 1,0228 obs

R 2 = 0,78

0

100

200

300

400

500

600

700

800

pred

icte

d da

ta

H2O

pred = 1,0356 obs

R2 = 0,84

0

100

200

300

400

500

600

700

800

pred

icte

d da

ta

CO2-C

pred = 0,9548 obs

R 2 = 0,87

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 100 200 300 400 500 600 700 800observed data

pred

icte

d da

ta

NH3-N

32

Modélisation (Prédiction des émissions)

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

N soluble/N total

Densité MS x 2

Soluble VS/MS

Eau/MS x 0.2

ADGKM

N-N

H3 (

g kg

-1 in

it. T

N)

N-N

H3 (

g kg

-1 in

it. T

N)

0

100

200

300

400

500

0 10 20 30 40 50 60

M

0

1

2

3

4

5

0 5 10 15 20

0

100

200

300

400

500

0 10 20 30 40 50 60

K

0

1

2

3

4

5

0 5 10 15 20

N-N

H3 (

g kg

-1 in

it. T

N h

-1)

N-N

H3 (

g kg

-1 in

it. T

N h

-1)

0

100

200

300

400

500

G

0

1

2

3

4

5

0

100

200

300

400

500

D

0

1

2

3

4

5

0

100

200

300

400

500

A

0

1

2

3

4

5

Time (d) Time (d)

33

Moyens d’action / situations types

Apport C : C/N, plutôt C biodégradable si C/N faibleSi produit sec : ajout d’eau et tassement pour limiter NH3

Si produit très humide : éviter le tassementCompostage en conditions très humides, C/N faibleMaintenir une couche aérée en surface suffisanteRisque d’émission de N2O et CH4 + absence d’hygiénisation

Tassement et apport d’eau suffisantEviter retournement et réduire la durée de compostage

Tassement, éviter l’aération (soufflage, retournement)

Solutions – risques associésObjectifsConservation N dans compost

Elimination N (forme N2)

Conservation C, effet sur structure du sol

Conservation de l’eau

Elimination d’eauApport de C biodégradable et retournementssuivis de tassement si C/N faible pour limiter NH3

Risque d’émission de N2O

34

MERCI