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Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université d’Oran 1 Ahmed Ben Bella Faculté des Sciences Exactes et Appliquées Département de Chimie THESE Présentée par Madame Nadia RAMDANI Pour l’obtention du Diplôme de DOCTORAT Spécialité : Chimie Physique Transformation de la matière organique au cours du co-compostage de boues de station d’épuration et de déchets verts : Approche expérimentale pour une production durable de compost Soutenue le 29/04/2015 devant le Jury composé de : Année universitaire 2014-2015 Amine HARRANE Pr. Université d’Oran 1 A. Ben Bella Président Ahmed HAMOU Pr. Université d’Oran 1 A. Ben Bella Directeur de thèse Rachid MEGHABAR Pr. Université d’Oran 1 A. Ben Bella Examinateur Mohamed MAZOUR Pr. Centre Université d’Ain Témouchent Examinateur Mahmoud BENALI Pr. Université de Sidi Bel Abbès Examinateur Khaloufi BENABDELI Pr. Université de Mascara Examinateur

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Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique

Université d’Oran 1 Ahmed Ben Bella

Faculté des Sciences Exactes et Appliquées

Département de Chimie

T H E S E

Présentée par

Madame Nadia RAMDANI

Pour l’obtention du Diplôme de DOCTORAT

Spécialité : Chimie Physique

Transformation de la matière organique au cours du co-compostage de boues de

station d’épuration et de déchets verts :

Approche expérimentale pour une production durable de compost

Soutenue le 29/04/2015 devant le Jury composé de :

Année universitaire 2014-2015

Amine HARRANE Pr. Université d’Oran 1 A. Ben Bella Président

Ahmed HAMOU Pr. Université d’Oran 1 A. Ben Bella Directeur de thèse

Rachid MEGHABAR Pr. Université d’Oran 1 A. Ben Bella Examinateur

Mohamed MAZOUR Pr. Centre Université d’Ain Témouchent Examinateur

Mahmoud BENALI Pr. Université de Sidi Bel Abbès Examinateur

Khaloufi BENABDELI Pr. Université de Mascara Examinateur

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Transformation de la matière organique au cours du co-compostage de boues de station

d’épuration et de déchets verts : Approche expérimentale pour une production durable

de compost

Résumé

Les boues résiduaires des stations d’épuration urbaine ont une valeur agronomique

intéressante. Elles sont épandues comme amendement organique sur les terres agricoles. Cela

permet de réduire des dépenses dans l’exploitation et l’augmentation la qualité physique du

sol. Pour approfondir nos connaissances sur leur valorisation nous avons opté pour une plate-

forme de compostage.

Les exigences de qualité des composts nécessitent actuellement un nombre important de

caractérisations physico-chimiques et biologiques. Nos objectifs ont donc été d’étudier les

processus du compostage et de mettre au point une méthode simple et efficace de suivi de

l’évolution chimique et biologique des composts.

Notre étude a porté sur un compostage de six mois en andains constitués d’un mélange de

boues de station d’épuration urbaines et de déchets verts broyés. Les composts ont été

caractérisés par des paramètres physico-chimiques (analyses élémentaires, matières

organiques, substances humiques et lignine, Résonance Magnétique Nucléaire 13

C du solide)

et biologiques (dénombrement des micro-organismes) qui ont mis en évidence la

minéralisation et l’humification de la matière organique. La donnée établie à partir de

plusieurs composts a ensuite démontré l’efficacité de la Spectroscopie Infrarouge (IR) pour

distinguer les composts suivant leur maturité.

Enfin, pour fournir un produit utile pour le sol et minimiser ou supprimer tout risque de

contamination probable, il faut gérer d’une part la phase de dégradations ou de stabilisation

des composantes organiques, et s’assurer d’une bonne maturation du produit d’autre part. Un

test agronomique en utilisant le ray grass a été réalisé en vases de végétation dans le but de

confirmer l’absence d’une éventuelle toxicité du compost et la maturité du produit final.

Mots clefs : Boues, Station d’épuration, Déchets verts, Compostage, Valorisation,

Humification , Micro-organismes, Spectroscopie Infrarouge, RMN 13

C du solide, Maturité.

Organic matter transformation during co-composting of sewage sludge from wastewater

treatment plant and green waste:

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An experimental approach for sustainable compost

Abstract

The residual sewage sludge from waste water treatment plants have an interesting agronomic

value. They are spread as organic amendments in agricultural soils. This allows reduction in

exploitation costs and an increase in the physical quality of soils. For a better understanding

of the valorization and its benefits a composting plate form has been chosen for this purpose.

The requirements for composts quality necessitate an important number of physicochemical

and biological characterizations.

The objectives the investigation concern the study of compost processes in order to put up an

efficient and a simple method for chemical and biological follow up of composts. The

investigation was made on compost for a period of six months. The compost was a mixture of

sewage sludge from urban wastewater treatment plant and grounded green wastes.

The composts were characterized by physicochemical parameters (elementary analysis,

organic matters, humic and lignin substances; solid nuclear resonance of 13

Cas well as

biological parameters (micro- organisms counting) which had put into evidence the

mineralization and the humification of the organic matter.

The results established from many types of compost had shown the efficiency of infrared

spectroscopy (IR) in distinguishing the composts according to their maturity. Lastly, in order

to present a product benefic for the soil and minimizing or preventing any risk of

contamination, on one hand, the phase of degradation or stabilization of organic components

must be managed on the other hand; the maturation of the product must be guaranteed. An

agronomic test has been carried out using the ray grass in vegetation soil in order to confirm

the absence of eventual toxicity of the compost and the maturity of the final product

Keywords: Sewage sludge, wastewater plant, green waste, composting, valorization, micro-

organism counting, infrared spectroscopy, solid nuclear resonance of 13

C, maturity.

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Remerciements

Malgré les apparences, cette page est la plus difficile à rédiger. Comment dire en si peu de

mots, toute ma reconnaissance aux personnes qui m’ont toujours encouragée dans la

réalisation de ce travail…

Ce travail a été mené sous la direction de Monsieur Ahmed HAMOU, Professeur à

l’Université d’Oran, directeur du laboratoire d’études des sciences de l’environnement et des

matériaux. Je ne trouve de mots assez forts pour lui exprimer ma reconnaissance de m’avoir

permis de continuer ma thèse dans son laboratoire après avoir été abandonnée par mon

encadreur au risque de perdre mes travaux, fruits de longues années de labeur. C’est

pourquoi, je lui exprime ma profonde gratitude pour son soutien scientifique, ses qualités

humaines, sa sympathie, son bon cœur et sa gentillesse. J’ai appris de lui la persévérance

dans la recherche et la façon de mener une réflexion pour résoudre les problèmes

scientifiques. Il a encadré mon travail de telle manière qu’il m’a permis de prendre plus

confiance en moi. Je le remercie tout particulièrement pour la confiance qu’il a placée en

moi, dont j'espère avoir été à la hauteur et aussi pour la liberté d’action qu’il m’a accordée.

Cette étude a également été co-encadrée par Monsieur Rachid MEGHABAR, Professeur à

l’Université d’Oran, que je remercie infiniment pour son soutien scientifique et la confiance

qu’il m’a accordée pendant ce travail. Merci également pour ses qualités humaines et

l’apport autant scientifique qu’humain qu’il a su me transmettre.

Je voudrais remercier tout particulièrement Monsieur Amine HARRANE, Professeur à

l’Université d’Oran, d’avoir accepté d’être président du jury de cette thèse et pour l’intérêt

qu’il a bien voulu porter à notre travail.

J’exprime également mes sincères remerciements à Messieurs les professeurs, Mohamed

MAZOUR, Mahmoud BENALI et Khaloufi BENABDELI d’avoir accepté d’évaluer ma thèse

en tant que membres du jury. Je vous suis reconnaissante, à l’avance, pour m'avoir donné de

votre temps précieux et pour vos pertinents commentaires apportés sur cette thèse.

J’adresse également mes sincères remerciements à Monsieur Ferid RACHDI, Professeur à

l’Université de Montpellier2, Directeur de Recherche, CNRS de Laboratoire Charles

Coulomb, France. Pour le bon accueil à son laboratoire et pour son aide précieuse.

Mes sincères remerciements sont également destinés à Monsieur Maurice SANTELLI,

Professeur à l’Université de Provence, Aix-Marseille I, France, pour le bon accueil lors du

stage de ma première année au laboratoire d’Aix-Marseille I, lorsqu’il en était directeur.

Je tiens également à remercier Monsieur Yarub Al-DOURI, Professeur à l’Université de

Perlis, Malaysia. Pour son aide précieuse.

Mes sincères remerciements sont également destinés à Monsieur Abdelkader LOUSDAD,

Maitre de conférences à l’Université de Sidi Bel Abbes, que je remercie infiniment pour son

soutien scientifique, Merci également pour ses qualités humaines, sa sympathie et son bon

cœur.

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J’adresse un remerciement particulier, à mon ami Monsieur Mohamed ARGOUB qui a suivi

de près ce projet du début à la fin. Pour son écoute dans les moments difficiles. Pour ses

délicieux emails.

Les remerciements sont un exercice difficile. A chercher une diplomatique déférente, on en

oublie la sincérité du merci. Du simple lecteur aux personnes qui ont consacré de leur temps

et de leur énergie pour m’aider dans ce travail, à tous je voudrais adresser mes

remerciements.

Mes meilleurs sentiments sont adressés à mes collègues et à mes amis avec qui j’ai passé de

bons moments durant ces années de thèse.

A mon regretté père, Monsieur Abdelhafid RAMDANI qui m’a permis d’engager des études

universitaires et à mon regretté époux Mustapha AIT YALA qui, de son vivant m’a toujours

encouragé à pousser le plus loin possible mes études. Par ce travail, j’espère honorer leurs

mémoires.

Mes remerciements les plus chaleureux sont destinés à ma mère, mes sœurs pour leurs

soutiens et leurs encouragements ; qu’elles soient certaines de toute ma reconnaissance et de

tout mon amour. Evidemment, je n’oublie pas d’exprimer mes plus chaleureux sentiments et

mon amour à mes filles : Sarah, Ikram et Lamis dont l’esprit est toujours avec moi et

m’accompagne chaque seconde de ma vie et à qui j’offre cette thèse. Je vous aime tous.

Cette lettre étant avant tout une vague que je voudrais énorme de remerciements pour toutes

les personnes qui ont participé directement ou indirectement - ne serait ce que par des

encouragements - à la réalisation de cette thèse.

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Liste des acronymes

ADEME : Agence de l’environnement et la Maîtrise de l’Energie

AFNOR : Association Française de Normalisation

AF : Acides Fulviques

AH : Acides Humiques

AZOTE KJELDAHL : Représente la somme de l’azote organique et de l’azote ammoniacal

(NH4+)

C.E.C : Capacité d’Echange Cationique

DEHP : Di (2-éthylhexyl) phtalate

DO : Densité optique

EPA : Environmental Protection Agency, USA

ETM : Eléments Traces Métalliques

EQH : Equivalent habitant

FTIR : Spectroscopie Infrarouge à Transformée de Fourrier

HAP : Hydrocarbures aromatiques polycycliques

HPLC: High-performance liquid chromatography

MES : Matière Organique en suspension

MO : Matière Organique

MS : Matière Sèche

OMS : Organisation mondiale de la santé

PCB : Polychorobiphényls

STEP : Stations d’épuration eau polluées

UV : Spectrométrie Ultraviolet-Visible

13 C-NMR : Spectroscopie Résonance Magnétiques Nucléaire du Carbon 13.

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Table des matières

Introduction générale…………………………………………………………………………………

CHAPITRE I : Généralités sur le traitement des eaux usées………………………………………….

01

05

I.1. Définition…………………………………………………………………………………………. 06

I.2. Origine des eaux entrant en station d’épuration………………………………………………….. 06

I.2.1. Les rejets domestiques………………………………………………………………………… 06

I.2.2. Les rejets industriels…………………………………………………………………………... 06

I.2.3. Eaux de ruissellement………………………………………………………………………….

07

I.3. Les eaux usées : un réservoir de polluants ………………………………………………………. 08

I.3.1. Microorganisme………………………………………………………………………………... 08

I.3.2. Les bactéries…………………………………………………………………………………… 09

I.3.3. Les virus……………………………………………………………………………………….. 09

I.3.4. Les protozoaires……………………………………………………………………………….. 09

I.3.5. Les helminthes…………………………………………………………………………………. 10

I.4. Les matières en suspension (MES)………………………………………………………………... 10

I.5. Les éléments traces, minéraux ou organiques…………………………………………………….. 10

I.5.1. Les métaux lourds…………………………………………………………………………….. 11

I.5.2. Les éléments toxiques organiques…………………………………………………………….. 11

I.6. Les substances nutritives………………………………………………………………………….. 12

I.7. Les grandes étapes du traitement des eaux usées…………………………………………………. 12

I.8. Situation actuelle de la réutilisation des eaux usées en Algérie et perspectives pour l’irrigation…

13

CHAPITRE II : Composition et traitement des boues résiduaires…………………………………. 15

II.1. Composition des boues résiduaires………………………………………………………………. 16

II.1.1. Matière organique…………………………………………………………………………… 16

II.1.2. Eléments fertilisants…………………………………………………………………………. 16

II.1.3. Contaminant chimique inorganique et organique……………………………………………. 16

II.1.4. Les micro-organismes pathogènes…………………………………………………………... 17

II.2. Description des différentes filières de traitement et d’évacuation des boues…………………… 17

II.2.1. La stabilisation……………………………………………………………………………….. 18

II.2.2. Réduction de la teneur en eau des boues…………………………………………………….. 18

II.2.3. Les traitements d’hygiénistation…………………………………………………………….. 18

II.2.5. L’incinération………………………………………………………………………………... 19

II.2.6. Utilisation agricole des boues……………………………………………………………….. 20

II.2.6.1. Epandage direct des boues résiduaires…………………………………………………... 20

II.2.6.2. Utilisation des boues traitée………………………………………………………………

21

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CHAPITRE III : Présentation générale du compostage…………………………………………. 22

III.1. Objectifs du compostage…………………………………………………………………….. 24

III.1.1 Définition du compostage……………………………………………………………… 24

III.2. Avantages du compost……………………………………………………………………….. 24

III.3. Paramètres du compostage…………………………………………………………………… 26

III.3.1. pH………………………………………………………………………………………. 27

III.3.2. Température……………………………………………………………………………. 27

III.3.3. Teneur en humidité……………………………………………………………….......... 28

III.3.4. Composition des boues résiduaires……………………………………………………. 29

III.3.5. Teneur en Matière Organique Total……………………………………………………. 31

III.3.6. Apport d’oxygène………………………………………………………………………. 31

III.3.7. Granulométrie………………………………………………………………………….. 31

III.4. Les quatre phases du compostage…………………………………………………………… 33

III.5. Les micro-organiques du compost………………………………………………………….. 36

III.5.1. Les bactéries…………………………………………………………………………… 37

III.5.2. Les champignons……………………………………………………………………… 38

III.5.3. Les algues, les protozoaires et les animaux pluricellulaires…………………………... 40

III.6. Les différents procédés de compostage……………………………………………………… 41

III.6.1. Compostage en andains………………………………………………………………... 41

III.6.2. Compostage en récipients clos………………………………………………………… 42

III.6.3. Vermicompostage……………………………………………………………………... 43

III.7. Pourquoi composter ?.............................................................................................................. 44

III.8. Les différents composts……………………………………………………………………… 44

III.8.1. Les composts d’origine urbaine………………………………………………………. 44

III.8.2. Autres composts………………………………………………………………………. 45

III.9. Quels déchets composter ?....................................................................................................... 46

III.9.1. Les boues de station d’épuration……………………………………………………… 46

III.9.2. Les déchets verts……………………………………………………………………… 46

III.9.3. Les déchets ménagers………………………………………………………………… 46

III.10. Conditions réglementaires de l’utilisation des composts en agriculture……………………. 47

Chapitre IV : Caractéristique de la matière organique des composts et évolution au cours du

compostage……………………………………………………………………………………………….

49 IV.1. Aspects biochimiques du compostage……………………………………………………... 50

IV.2. Substances non humiques : structure et dégradation………………………………………. 50

IV.2.1. Les glucides……………………………………………………………………………. 50

IV.2.2. La lignine et le complexe lignocellulosique…………………………………………… 52

IV.2.3. Les protéines…………………………………………………………………………… 55

IV.2.4. Les lipides et ployesters lipidiques…………………………………………………….. 55

IV.2.5. Les tanins………………………………………………………………………………. 58

IV.3. Substances humiques………………………………………………………………………. 59

IV.4. Evolution de la matière organique………………………………………………………… 64

IV.4.1. Dégradation enzymatique de la lignine………………………………………………… 64

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IV.4.2. Minéralisation et humification…………………………………………………………. 67

CHAPITRE V : Maturité et la valeur Agronomique des composts……………………………….. 73

V.1. la maturité d’un compost…………………………………………………………………….. 74

V.2. Critères d’évaluation de la maturité d’un compost…………………………………………… 75

V.2.1. Stabilité biologique de la matière organique, une condition nécessaire de maturité……. 75

V.2.2. Indicateurs basés sur l’évolution physique, chimique et biologique des composts……… 75

V.2.2.1. Respirométrie……………………………………………………………………….. 76

V.2.2.2. Test d’auto échauffement…………………………………………………………… 77

V.2.2.3. Test Solvita…………. ………………………………………………………… 78

V.2.2.4. Caractéristiques physico-chimiques classiques……………………………………... 78

V.2.2.5.Rapport d’humification (AH/AF)…………………………………………………… 79

V.2.2.6. Autres critères relevés dans la littérature…………………………………………… 79

V.3. Effets physico-chimiques des composts sur les caractéristiques du sol………………………. 81

V.3.1. Evolution de la teneur en matière organique du sol : utilisation de modèles dynamique 82

V.4. Valorisation agronomique des composts par apport d’éléments fertilisants………………….. 84

V.4.1.Azote (N)………………………………………………………………………………. 85

V.4.2.Phosphore (P)………………………………………………………………………….. 86

V.4.3.Potassium (K)………………………………………………………………………….. 86

V.5. Valeurs agronomiques, tests sur plantes…………………………………………………. 87

V.5.1. Phyto-Toxicité………………………………………………………………………… 87

V.6. Amélioration des aspects biologiques des sols amendés…………………………………….. 88

V.7. Effets remédiant des amendements organiques………………………………………............ 88

V.8. Carbone organique du sol et effet de serre…………………………………………………… 89

V.9. Valeur azotée des composts………………………………………………………………….. 89

V.9.1. Généralités………………………………………………………………………………. 89

V.9.2. Méthodes d’évaluation de la valeur azotée……………………………………………. 91

V.9.3. Données sur les valeurs azotées des composts………………………………………… 92

V.10. Le compostage et son effet hygiéniste……………………………………………………… 94

V.11. Evolution et humification de la matière organique…………………………………………. 95

V.11.1. Résonance magnétique nucléaire (RMN)……………………………………………... 95

V.11.2. La spectroscopie UV- visible……………………………………………………......... 97

V.11.3. La spectroscopie infrarouge (IR)……………………………………………………….

98

Chapitre VI : Évolution de la disponibilité des micros polluants inorganiques et organiques

au cours du compostage…………………………………………………………………………………

99 VI.1. Micropolluants métalliques et organiques………………………………………………… 100

VI.1.1. Micro polluants inorganiques : Eléments traces métalliques (ETM)………………... 100

VI.2.Valeurs limites et admissibles des ETM du compost en agriculture……………………….. 100

VI.2.2. Détermination des concentrations en ETM dans le sol et les composts ……………. 103

VI.2.2.1 Extraction simple………………………………………………………………….. 104

VI.2.2.2 Extraction séquentielle « spéciation » des ETM…………………………………... 104

VI.3. Le compostage et les éléments traces métalliques………………………………………... 106

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VI.3.1 Le devenir des ETM lors du compostage…………………………………………… 108

VI.3.2 Devenir des ETM de boues et de compost dans le sol……………………………… 108

VI.4. Les polluants organiques détectés dans les déchets organiques et les co 109

VI.4.1. Propriétés des polluants organiques………………………………………………… 109

VI.4.2. Principaux polluants organiques détectés dans les déchets organiques et les composts……………………………………………………………………………………………

110

VI.5. La réglementation concernant les polluants organiques dans les composts……………… 116

VI.6. Le devenir des polluants organiques au cours du compostage…………………………… 117

VI.6.1. La dissipation des polluants organiques au cours du compostage………………… 119

VI.7. La minéralisation des polluants organiques au cours du compostage……………………. 122

VI.8. La formation des résidus liés au cours du compostage…………………………………… 126

VI.9. La sorption des polluants organiques sur la matière organique au cours du compostage…………………………………………………………………………………………….

127

Conclusion de l’étude bibliographique et objective de travail…………………………………...

130

PARTIE II : Techniques expérimentales…………………………………………………………. 131

Chapitre 1 : Descriptions des sites d’étude & matériels et méthodes analytiques………… 132

I. Introduction………………………………………………………………………………... 133

II. Matériels et Méthodes……………………………………………………………………. 133

II.1. Procédé de compostage expérimental……………………………………………….. 133

II.2. Echantillonnage des composts………………………………………………………. 134

III. Caractérisations physiques et chimiques…………………………………………………. 134

III.1.Mesure de la température…………………………………………………………….. 134

III.2.Mesure du pH………………………………………………………………………… 134

III.3.Humidité et matière sèche……………………………………………………………. 135

III.4.Carbone organique et matière organique…………………………………………….. 135

III.5.Taux de cendre……………………………………………………………………….. 135

III.6. Azote Total Kjeldahl, NTK, % MS………………………………………………….. 136

III.7. Rapport C/N…………………………………………………………………………. 136

III.8. Dosage des ions ammonium et nitrate………………………………………………. 136

III.9. Dosage de la conductivité électrique………………………………………………… 136

III.10.Teneur en acides humiques et fulviques……………………………………………. 137

III.11.Extraction de la lignine……………………………………………………………... 137

III.12. Extraction des métaux lourds………………………………………………………. 137

III.13. Spectroscopie UV – visible………………………………………………………… 138

III.14.Spectromètres infrarouge à transformée de Fourier……………………………….. 138

III.15. Résonance Magnétique Nucléaire 13C du solide…………………………………. 138

III.16. Tests de maturité utilisable sur plate-forme de compostage : Test d’auto

échauffement et Test Solvita……………………………………………………………………………...

139 III.16.1. Préparation des échantillons…………………………………………………… 139

III.16.2. Test d’auto-échauffement (Dewar)……………………………………………. 139

III.16.3. Test Solvita……………………………………………………………………. 139

III.16.4. Appréciation du manipulateur…………………………………………………. 140

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Chapitre 2 : Matériels et méthodes biologique & agronomique…………………………….

141

I. Introduction………………………………………………………………………. 142

II. Caractérisations biologiques…………………………………………………………….. 142

II.1. Dénombrements microbiens………………………………………………………. 142

II.2. Mesure de la respiration du compost……………………………………………… 142

III. Indice de germination, IG……………………………………………………………….. 143

IV. Détermination de la population de la faune au cours des opérations de compostage 143

IV.1. Méthode d’extraction………………………………………………………………. 143

IV.2.Tri et détermination des différentes espèces ………………………………………. 144

IV.3. Essai agronomique en vases de végétation………………………………………… 144

Conclusion et objectifs de notre travail……………………………………………………………..

146

Partie III : Résultats et discussions…………………………………………………………………. 148

Chapitre I : Evolution des caractéristiques physico-chimiques classiques au cours du

compostage……………………………………………………………………………………………

149

I.1. Décomposition et minéralisation aux différents stades du compostage……………………. 150

I.1.1.Humidité et température………………………………………………………………. 150

I.1.2. Evolution du pH………………………………………………………………………. 152

I.1.3. Matière organique (MO) et carbone organique total (COT)…………………………. 154

I.1.4. Analyses élémentaires………………………………………………………………… 155

I.1.4.1. Azote Total Kjeldhal (NTK)……………………………………………………... 155

I.1.4.2.Rapport C/N………………………………………………………………………. 155

I.1.4.3.Conductivité électrique…………………………………………………………… 155

Conclusion du Chapitre I……………………………………………………………………………..

156

Chapitre II : Caractérisation des substances humiques et de la matière organique des composts

par spectroscopie FTIR, UV Visible et RMN 13

C……………………………………………………...

157

II.1. Fractionnement humique………………………………………………………………….. 158

II.2. Fractionnement chimique de la lignine…………………………………………………… 159

II.3. Spectrométrie infrarouge………………………………………………………………….. 161

II.4. Spectroscopie UV – visible……………………………………………………………….. 169

II.5. Caractérisation par Résonance Magnétique Nucléaire……………………………………. 171

Conclusion du Chapitre II…………………………………………………………………………...

176

Chapitre III : Extraction séquentielle des métaux lourds au cours du compostage des boues d’épuration et de déchets verts……………………………………………………………...

177

III .1. Spéciation des métaux lourds au cours du compostage…………………………………... 178

Conclusion chapitre III………………………………………………………………………………

180

Chapitre IV : Activité de dégradation microbiologique au cours du processus de maturation

du compost………………………………………………………………………………………………

184

IV.1. Evolution des communautés microbiennes au cours du processus du compostage………….. 185

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IV.1.1. Aspect bactériologique des composts…………………………………………………... 185

IV.2. Respiration…………………………………………………………………………........... 186

Conclusion chapitre IV……………………………………………………………………………….

187

Chapitre V : Effet de l’ajout du compost sur le développement de deux plantes……………….. 189

V. Introduction……………………………………………………………………………………... 190

V.1. Effet de l’ajout du compost sur la croissance végétale de poids chiche et d’une variété de

l’orge……………………………………………………………………………………………………..

190 Conclusion de chapitre V ……………………………………………………………………………

196

Conclusion Générale…………………………………………………………………………………. 197

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Table des illustrations

Liste des Figures

Figures partie I :

Figure III-01: Processus de compostage……………………………………………………….. 25

Figure III-02: Courbe théorique d’évolution de la température et du pH au cours du

compostage d’après MUSTIN (1987)………………………………………………………….

35

Figure III-03 : Représentation schématique des principaux transferts de chaleur et de matière

au sein du compost………………………………………………………………………………

36

Figure III-04 : Les différents types de composts urbains……………………………………… 47

Figure IV-01: Structure de la cellulose : (a) Deux molécules de glucose liées par une liaison

β-1,4 glycosidique; (b) Liaisons hydrogène entre deux chaînes de cellulose; (c) Structure

fibrillaire de la cellulose (Extrait de KÖGEL- KNABNER, 2002)…………………………….

51

Figure IV-02: Exemple d’une unité d’hémicellulose : Arabino-4-O-méthyl-glucurono-xylane

(Extrait de KÖGEL- KNABNER, 2002)……………………………………………………….

52

Figure IV-03: Structure des précurseurs de la lignine. (I) : Alcool p-coumarylique ; (II) :

Alcool coniférylique ; (III) : Alcool sinapylique ; d’après KÖGEL-KNABNER (2002)……

53

Figure IV-04: Structure des liaisons principales dans la lignine (Extrait de KÖGEL-

KNABNER, 2002)……………………………………………………………………………..

53

Figure IV-05 : Modèle de lignine tridimensionnelle (Extrait de KÖGEL-KNABNER, 2002).. 54

Figure IV-06 : Modèle de lignine linéaire (Extrait de BANOUB ET DELMAS, 2003)………. 56

Figure IV-07 : Monomères et structure de la cutine (Extrait de KOLATTUKUDY, 1980)…... 56

Figure IV-08 : Modèle de la subérine de pomme de terre. Les connections indiquées sont

respectivement C : polysaccharide ; P : groupe phénolique et S : subérine (Extrait de

BERNARDS, 2002)……………………………………………………………………………..

57

Figure IV-09 : Unités de base de tanins hydrolysables : (a) acide gallique (b) acide ellagique

(Extrait de KOGEL- KNABER, 2002)………………………………………………………….

58

Figure IV-10: Structure des tanins condensés (Extrait de KOGEL-KNABER, 2002)…………

59

Figure IV-11: Modèle d’acides humiques d’après SCHULTEN & LEINWEBER (2000), les

éléments colorés sont : H (blanc), C (cyan), O (rouge), N (bleu) et S (jaune)………………….

62

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Figure IV-12: Modèle de structure des composés humiques (ANDREUX & MUNIER-

LAMY, 1994) ………………………………………………………………………………….

66

Figure IV-13: (a) Coupure par une lignine peroxydase de la structure non phénolique interne

arylglycérol-β-aryl éther de la lignine. (b) Coupure par un manganèse peroxydase de la

structure terminal arylglycérol-β-aryl éther de la lignine (Extrait de HAMMEL, 1997)……….

66

Figure IV-14 : Les quatre voies de l’humification (STEVENSON, 1994)……………………..

68

Figure IV-15 : Représentation schématique de la formation des substances humiques par la

théorie polyphénolique…………………………………………………………………………

70

Figure V-01 : Représentation du modèle de HENIN ET DUPUIS (1945) décrivant la

dynamique de la matière organique dans un sol………………………………………………...

84

Figure V-02 : Schéma simplifié du cycle de l’azote lié à un apport de compost……………….

90

Figure V-03: Classification des signaux en CPMAS d’un acide humique (Extrait de KOGEL-

KNABER, 2002)………………………………………………………………………………...

97

Figure VI-01: Distribution des pourcentages de dissipation (calculés à partir des

concentrations) pour les HAP, en fin de la phase thermophile (A) et en fin de compostage (B)

et pour les PCB, en fin de la phase thermophile (C) et en fin de compostage (D)……………..

121

Figures partie II :

Figure I-1 : Représentation du composteur; (a) le composteur et (b) les trous dans les parois

et dans le fond…………………………………………………………………………………...

132

Figure I-2 : Protocole général d’analyses physico-chimiques et biologiques………………… 145

Figures partie III :

Figure I-1: Evolution de la Température au cours du compostage………………………….. 151

Figure I-2 : Humidité mesurées à la surface et à 40 cm pendant 180 jours de compostage…. 152

Figure I-3: Evolution de pH au cours du compostage………………………………………..

153

Figure II-1 : Evolution des teneurs en lignine au cours du compostage………………………

159

Figure II-2: Spectres IRTF de Co-compost de déchets verts et des boues au début de

compostage………………………………………………………………………………………

164

Figure II-3: Spectres IRTF de Co-compost de déchets verts et des boues à 30 jours de

compostage………………………………………………………………………………………

165

Figure II-4: Spectres IRTF de Co-compost de déchets verts et des boues à 60 jours de

compostage………………………………………………………………………………………

166

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Figure II-5 : Spectres IRTF de Co-compost de déchets verts et des boues à 90 jours de

compostage………………………………………………………………………………………

167

Figure II-6 : Spectres IRTF de Co-compost de déchets verts et des boues à différents stades

de compostage…………………………………………………………………………………...

168

Figure II-7 : Spectre UV-visible de 09 composts de maturité différente……………………. 170

Figure II-8 : Spectres (a et b) RMN solide du 13

C de co-compost de déchets verts et des boues

durant le début et le 1er mois de compostage…………………………………………..

173

Figure II-9 : Spectres (c et d) RMN solide du 13

C de co-compost de déchets verts et des boues

pendant le 2ème

et 3ème

mois de compostage……………………………………………

174

Figure III-1 : Quantité totale des métaux lourds durant le Co-compostage des boues et des

déchets verts…………………………………………………………………………………….

178

Figure III-2 : Changement du pourcentage de fromes métalliques extractibles (X-KNO3

(Exchangeable) et X-H2O (Soluble) au cours du compostage………………………………

180

Figure III- a, b : Changement du pourcentage es fractions métalliques extractibles (X-NaOH,

X-EDTA et XHNO3) au cours de compostage (a: Zn; b:

Cu)……………………………………………………………………………………………….

181

Figure III- c, d : Changement du pourcentage es fractions métalliques extractibles (X-NaOH,

X-EDTA et XHNO3) au cours de compostage (c: Pb; d:

Cr)……………………………………………………………………………………………….

182

Figure III- e : Changement du pourcentage des fractions métalliques extractibles (X-NaOH,

X-EDTA et XHNO3) au cours de compostage (e:

Ni)………………………………………………………………………………………………..

183

Figure V-1: Effet de l’ajout du compost sur la croissance de la Hordeum vulgare…………... 194

Figure V-2: Effet de l’ajout du compost sur la croissance de la Cicer arietinum……………..

195

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Liste des Tableaux

Tableaux partie I :

Tableau III-01 : Température et durée d’exposition nécessaire à la destruction de pathogènes

(NOBLE & ROBERTS, 2003 ; LUCERO-RAMIREZ, 2000 ; GOLUEKE, 1991 dans DEPORTES,

1995)……………………………………………………………………………………………………

28

Tableau III-02 : Rapport C/N de divers substrats (MUSTIN, 1987 ; GOOTAS, 1959,

www.ademe.fr).......................................................................................................................................

30

Tableau III-03 : Paramètres de contrôle et de suivi du procédé……………………………………. 32

Tableau. III-04 : Classification des espèces en fonction des phases du compostage RYCKEBOER et al. (2003) ou HARUTA et al. (2005)………………………………………………

38

Tableau III-05: Différents types de champignons en phase de ralentissement……………………. 40

Tableau IV-01 : Principaux constituants susceptibles d’être présent dans les déchets d’origines

urbaines en fonction de la nature des déchets, et devenir au cours du compostage.

67

Tableau IV-02 : Quelques données bibliographiques concernant la distribution du carbone

organique dans les fractions humiques et fulviques pour différents composts…………………...

71

Tableau V-01 : Différentes méthodes d’évaluation de la maturité des composts……………….. 76

Tableau V-02 : Quelques valeurs des principaux indicateurs de maturité relevées dans la littérature

(les valeurs explicitement définies par les auteurs comme seuil de maturité sont

soulignées)…………………………………………………………………………………………….

80

Tableau V-03 : Rôles des éléments minéraux………………………………………………………. 85

Tableau VI-01: Teneurs et flux des éléments traces pour les boues et pour les sols en France selon

l’arrêté du 8 janvier 1998…………………………………………………………………...................

101

Tableau VI-02 : Valeurs limites dans les composts (mg/kg MS) destinés particulièrement à

l’épandage agricole selon le pays (AMLINGER, 2004)………………………………………………

102

Tableau VI-03 : Concentrations limites des éléments traces selon le type du sol, au dessus

desquelles l’application du compost est limitée ou interdite (mg/kg) (BRINTON, 2000)...................

102

Tableau VI-04 : Les différents procédures d’extractions séquentielles les plus utilisées………….. 105

Tableau VI-05 : Synthèses des effets des OPs fréquemment détectés dans les composts (World Health Organiszation, 1989, 1993, 1998 ; ALDRICH et DANIEL, 2003 ; Fiches

atoxicologiques de L’INRS)…………………………………………………………………………..

113

Tableau VI-06: Valeurs médianes et nombre d’observation (n) des teneurs en OPs dans différents

déchets organiques et composts trouvées dans la littérature………………………………………..

115

Tableau VI-07: Teneurs en pesticides détectés dans différents déchets organique et composts

trouvées dans la littérature……………………………………………………………………………. 116

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Tableau VI-08: Seuils et flux en polluants organiques dans les normes NFU 44-095 (AFNOR,

2008) pour les composts de boues et NFU 44-051 (AFNOR, 2006) pour les autres amendements

organiques……………………………………………………………………………………………..

117

Tableau VI-09: Seuils en OPS fixés par le document de travail de la future Digestive Européenne

sur les boues et les composts de boues (Européen Commission, 2000)………………………………

118

Tableau VI-10: Distribution des pourcentages de dissipation des PCD D/F, DEPH, LAS et NP au

cours du compostage (calculés à partir des concentrations, sauf pour deux études)……………… 121

Tableau VI-11 : Potentiels de minéralisation des 14

C –OP au cours d’incubation dans des

échantillons de compost prélevés à différents stades de compostage trouvés dans la

littérature……………………………………………………………………………………………

124

Tableau VI-12 : Potentiels de minéralisation, de formation de résidus liés et de volatilisation des 14

C-OP au cours de compostages selon la littérature.

125

Tableaux partie II :

Tableau I-1: Valeurs de l’indice de maturité du test d’auto-échauffement (DEWAR) en fonction de

la température maximale atteint (Tmax) (FCQAO, 1994)……………………………………… 139

Tableau I-2: Grille de détermination de l’indice de maturité Solvita®

en fonction des indices CO2 et

NH3 et interprétation (données du fabricant)…………………………………………………….. 139

Tableaux partie III :

Tableau I-1 : Evolution des paramètres physico-chimiques au cours du processus de

compostage…………………………………………………………………………………………… 150

Tableau I-2 : Evolution des pH au cours du processus de compostage……………………..........

153

Tableau II-1 : Extraction des acides humiques (AH) et fulviques (AF) au cours du

compostage…………………………………………………………………………………………… 158

Tableau II-2 : Absorbances UV - visible de 09 composts de maturités différentes ……………….

171

Tableau III-1: Teneurs en métaux lourds dans les valeurs limites pour la classe A de composts « qui ne comportement aucune restriction d’usage et de calsse B de compost qui peut être utilisé sur

les terres forestières et les cotés de la route et à d’autres fins d’aménagement paysager », selon

CCME de normalisation du Canada (1995)…………………………………..............................

179

Tableau IV-1 : Evolution des concentrations en micro-organismes au cours du compostage……..

185

Tableau IV-2: Mesure de la respiration des composts………………………………………………. 187

Tableau V-1: Propriétés physicochimiques du sol utilisé…………………………………………... 190

Tableau V-2 : Effet de l’ajout du compost sur le développement de deux plantes………………. 194

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Liste des photos

Photo V-1 : Vue de l’ensemble des pots……………………………………………………………. 191

Photo V-2 : Vue générale de la partie racinaire et aérienne de la plante (Hordeu vulgare) à

différents pourcentage de compost…………………………………………………………………… 191

Photo V-3 : Vue générale de la partie racinaire et aérienne de la plante (Cicer arietinum) à

différents pourcentage de compost…………………………………………………………………… 192

Photo V-4 : Effet du compost sur la croissance de la (Hordeum vulgare) et du (Cicer arietinum)………………………………………………………………………………………...........

193

Liste de légende

Légende II-1 : Classifications des signaux d’un acides fulviques et attribution des groupes

chimiques…………………………………………………………………………………………… 172

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1

Introduction générale

« Pécuchet fit creuser devant la cuisine un large trou et le disposa en trois compartiments,

où il fabriquerait des composts qui feraient pousser des tas de choses »

(Flaubert, Bouvard et Pécuchet, 1881)

L’eau est un bien précieux qui subit diverses pollutions et dégradations : les

écosystèmes et la santé des personnes en sont directement impactés. Les pollutions présentes

dans l’eau sont d’origines diverses : industrielle, domestique ou agricole (BASSOMPIERRE,

2007). Les chiffres publiés par l’Organisation Mondiale de la Santé (OMS) en 2006 révèlent

que chaque année 1.8 million de personnes dont 90 % d’enfants de moins de cinq ans, vivants

pour la plupart dans les pays en voie de développement, meurent de maladies diarrhéiques.

Or, à l’échelle mondiale, 88 % des maladies diarrhéiques sont imputables à la mauvaise

qualité de l’eau de boisson et à un assainissement insuffisant des eaux usées. L’eau est

devenue un enjeu stratégique mondial dont la gestion doit impérativement s’intégrer dans une

perspective politique de développement durable.

Certains affirment en effet qu’elle sera, au troisième millénaire, un enjeu de guerres

comme le pétrole l’a été et l’est encore aujourd’hui (GARCIA-ARMISEN, 2006). L’épuration

des eaux usées s’est donc imposée pour préserver la qualité des milieux naturels et notamment

les eaux de surface et souterraines. L’eau épurée est actuellement en majorité rejetée.

L’Algérie ne comptait, en 1999, que 45 stations d’épuration, réalisées depuis

l’indépendance dont 12 seulement en service en 2000 avec une capacité de traitement qui ne

dépassait pas 90 millions d’eau usée traitée. Ayant pris conscience de l’urgence en matière de

réalisation et de rénovation des réseaux d’assainissement et d’infrastructures d’épuration des

eaux usées, « un conseil des ministres a été réservé, en 2004, exclusivement à

l’assainissement », révèle Ahcene Aït Amara directeur de l'assainissement et de la protection

de l’environnement au ministère des Ressources en eau ». Depuis, le problème a été

sérieusement pris en charge. C’est ainsi qu’il a été décidé le lancement de 158 nouveaux

projets de réalisation d’infrastructures d’épuration, tous programmes confondus, pour un

montant global dépassant les 200 milliards de dinars. Ces projets ont été sanctionnés par la

réception de 134 stations d’épuration avec une capacité installée estimée à 12 millions EQH

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soit 800 hm3/an sur un volume d’eau rejeté estimé à 1,4 milliard m

3/an. Une bonne partie du

volume épuré est réutilisée pour l’irrigation.

Quelque soit le système d’épuration adopté, le traitement des eaux usées

s’accompagne d’une production de quantités de boues non négligeables dont il faut se

débarrasser. Plusieurs filières existent pour l’élimination de ces boues, mais le choix doit être

tributaire du coût d’installation, de l’origine de boues, de la valeur ajoutée du produit qui en

résulte et de l’impact que pourrait avoir la filière retenue sur l’environnement. La mise en

décharge (appelée aussi stockage) s’avère une technique peu valorisante et est légalement

interdite dans de nombreux pays (directive 1999/31/CE). L’incinération de boues a un coût

prohibitif et présente un risque lié à l’impact de gaz toxiques sur l’environnement tel que celui

de la dioxine (ADEME, 1999).

La valorisation énergétique (production de bio-gaz comme source de chaleur et

d’électricité) et la valorisation biologique ou agricole (production d’engrais et de compost)

constituent des technologies vertes permettant de transformer les boues en produits à haute

valeur ajoutée en minimisant les risques de pollution (PREVOT, 2000 ; ADEME, 2001 ;

AUBAIN et al., 2002). Le recyclage ou valorisation agricole des boues après compostage

contribue à une réintégration des éléments minéraux et organiques dans les sols, ce qui permet

de se rapprocher des cycles naturels. Néanmoins, l’épandage des composts obtenus ne doit

pas se faire sans s’être assuré de leur hygiénisation, de leur stabilisation et de leur maturité.

De plus, le compost de boues doit être exempt de phytotoxicité, avec des teneurs en métaux

lourds (Cu, Zn, Cd, Hg, Cr…) et des teneurs en micro-polluants organiques (phthalates, PCB,

HAP…) inférieures aux normes internationales en vigueur.

Le présent travail œuvre pour la détermination des conditions optimales de co-

compostage des boues résiduaire de la station d’épuration urbaines de la ville de Sidi Bel

Abbes l’ouest de l’Algérie et des déchets verts. Il contribuera ainsi à une meilleure

compréhension des phénomènes d’évolution de la matière organique au cours du co-

compostage, en particulier ceux de la fraction humique. La détermination du degré de

maturité du produit final sera abordée en utilisant différents indices physico-chimiques et

spectroscopiques en vue de déterminer les indices qui intègrent mieux les transformations du

substrat et qui reflètent la maturité réelle du produit final. Enfin, le devenir de différentes

fractions de micro polluants métalliques (Zn, Cu, Pb, Cu, Ni et Cd), susceptibles d’induire une

toxicité, a été suivi.

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La première approche de ce travail consiste à déterminer les conditions optimales de

compostage des boues résiduaires et des déchets verts. Le suivi des transformations des

déchets est effectué par les différentes méthodes d’analyses physico-chimiques et

d’évaluation de l’humification. Afin de mesurer le risque éco-toxicologique des boues, un

suivi analytique des contaminants métalliques et organiques a été effectué à différents stades

de compostage.

La deuxième approche de ce travail englobe une recherche sur les bio-transformations

structurelles des acides humiques et fulviques lors de l’humification due au processus de

compostage en se basant sur un ensemble de techniques diverses et complémentaires, telles

que l’analyse élémentaire , les analyses spectroscopiques (IR , UV et RMN 13

C ).

Nous présentons une recherche bibliographique et les travaux antérieurs effectués

dans ce domaine, domaine de la Chimie de l’Environnement, un domaine aussi vaste soit-il.

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PARTIE I

BIBLIOGRAPHIE ET TRAVAUX ANTERIEURS

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CHAPITRE I

Généralités sur le traitement des eaux usées

Les accroissements démographiques, économiques et urbains sont à l’origine de

différentes sources de pollution environnementale (pollution atmosphérique, pollution des

eaux de surfaces et profondes, pollution du sol, etc.), et ce, en particulier dans les pays en

développement moins préoccupés et moins sensibilisés par les risques sanitaires

concomitants. Parmi ces sources de pollution la production d’eaux usées souvent rejetées

dans le milieu récepteur (mer, rivières, sols) sans traitement préalable génère de nombreuses

maladies hydriques, Ce chapitre présent les différentes phases de traitement des eaux usées.

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I.1. Définition

Une eau usée, appelée encore eau résiduaire ou effluent est une eau qui a subi une

détérioration après usage. La pollution des eaux dans son sens le plus large est défini comme

« Tout changement défavorable des caractéristiques naturelles (biologiques ou physico-

chimiques) dont les causes sont directement ou indirectement en relation avec les activités

humaines ». (SIERRA LEGA, 2004).

L’épuration des eaux usées consiste à décanter les éléments polluants articulaires et à

extraire les éléments dissous qui sont transformés en matière sédimentable suite à un

traitement approprié. Ainsi, à la sortie de la station il en résulte d’une part une eau épurée

rejetée dans le milieu naturel, et d’autre part, il reste des sous-produits désignés sous le terme

de boues résiduaires (WERTHER et OGADA, 1999). Les divers procédés usés actuels

d’épuration des eaux usées entraînent une production plus ou moins importante de boues

résiduaires. La matière solide de ces résidus contient à la fois des éléments naturels

valorisantes et des composés toxiques en relation avec la nature des activités raccordées au

réseau d’assainissement, industrielles ou domestiques. L’épandage direct de ces boues se

heurte à de fortes résistances de l’opinion concernant les risques sanitaires éventuels

qu’implique cette pratique du fait de la présence d’agents pathogènes, d’éléments traces

métalliques et de composés organiques toxiques. Afin de préserver les productions agricoles

et l’environnement, l’innocuité des boues passe par le respect de normes d’épandage ou par

l’utilisation de produits dérivés de celles-ci par voie chimique ou biologique.

I.2. Origine des eaux entrant en station d’épuration

Les eaux usées telles qu’elles sont définies en introduction, ont trois origines possibles :

- Les eaux domestiques ;

- Les eaux industrielles ;

- Les eaux de ruissellement.

I.2.1. Les rejets domestiques

Les eaux usées d’origine domestique sont issues de l’utilisation de l’eau (potable dans la

majorité des cas) par les particuliers pour satisfaire tout usage ménager. Lorsque les

habitations sont en zone d’assainissement collectif, les eaux domestiques se retrouvent dans

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les égouts. Elles constituent l’essentiel de la pollution et se composent (BAUMONT et al,

2005) :

- Des eaux de cuisine, qui contiennent des matières minérales en suspension provenant

du lavage des légumes, des substances alimentaires à base de matières organiques,

(glucides, lipides protides), et des produits détergents ;

- Des eaux de buanderie, contenant principalement des détergents ;

- Des eaux de salle de bains, chargées en produits utilisés pour l’hygiène corporelle,

généralement de matières grasses hydrocarbonées ;

- Des eaux de vannes, provenant des sanitaires, très chargées en matières organiques

hydrocarbonées, composés azotés, phosphorés et en microorganismes. (CHOCAT,

1997, FRANCK, 2002).

I.2.2. Les rejets industriels

Tous les rejets résultant d’une utilisation de l’eau autre que domestique sont qualifiés

de rejets industriels. Cette définition concerne les rejets des usines, mais aussi les rejets

d’activités artisanales ou commerciales : blanchisserie, restaurant, laboratoire d’analyses

médicales, etc.

Les rejets industriels peuvent donc suivre trois voies d’assainissement :

- soit ils sont directement rejetés dans le réseau domestique ;

- soit ils sont prétraités puis rejetés dans le réseau domestique ;

- soit ils sont entièrement traités sur place et rejetés dans le milieu naturel. Ce

dernier cas ne nous intéresse pas dans le cadre de la réutilisation des eaux

usées épurées.

Dans le cas d’un rejet dans le réseau domestique, avec ou sans pré traitement, les

effluents industriels peuvent fortement modifier la composition des eaux usées. Cette

modification est très étroitement liée à l’activité industrielle concernée et peut prendre des

formes innombrables. (BAUMONT et al, 2005).

I.2.3. Eaux de ruissellement

Les eaux pluviales peuvent, elles aussi, constituer une source de pollution importante

des cours d’eau, notamment pendant les périodes orageuses. L’eau de pluie se charge

d’impuretés au contact de l’air (fumées industrielles), puis, en ruisselant, elles entraînent des

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résidus déposés sur les toits et les chaussées des villes (huiles de vidange, carburants, résidus

de pneus et métaux lourds. etc.) (BONTOUX, 1993).

Les eaux de pluie qui ruissellent sur les surfaces imperméabilisées, en général en zone

urbaine, sont collectées par un réseau qui peut-être le même que celui qui collecte les eaux

usées, ou non. On distingue donc :

- Les réseaux unitaires : un seul collecteur assure le transport des eaux usées et

pluviales. La qualité et le volume des eaux qui arrivent alors à la station d’épuration

sont très variables. Pour éviter qu’un débit supérieur à sa capacité n’arrive à la station

d’épuration, des ouvrages de déviation (réservoirs et déversoirs d’orage) sont répartis

sur le réseau ;

- Les réseaux séparatifs : deux réseaux sont mis en place, l’un pour collecter les eaux

usées, l’autre pour les eaux de ruissellement. En principe, seules les eaux usées

arrivent à la station d’épuration pour traitement,

- Les eaux de pluie ne sont pas traitées mais rejetées directement. La station ne doit

donc théoriquement recevoir qu’un effluent brut de qualité relativement régulière et de

débit bien déterminé (BAUMONT et al, 2005) :

I.3. Les eaux usées : un réservoir de polluants

La composition des eaux usées est extrêmement variable en fonction de leur origine

(industrielle, domestique, etc.). Elles peuvent contenir de nombreuses substances, sous forme

solide ou dissoute, ainsi que de nombreux micro-organismes. En fonction de leurs

caractéristiques physiques, chimiques, biologiques et du danger sanitaire qu’elles

représentent, ces substances peuvent être classées en quatre groupes : les microorganismes,

les matières en suspension, les éléments traces minéraux ou organiques, et les substances

nutritives (BAUMONT et al, 2005).

I.3.1. Les micro-organismes

Les eaux usées contiennent tous les microorganismes excrétés avec les matières

fécales. Cette flore entérique normale est accompagnée d'organismes pathogènes.

L’ensemble de ces organismes peut être classé en quatre grands groupes : les bactéries, les

virus, les protozoaires et les helminthes (BELAID, 2010).

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I.3.2. Les bactéries

Les bactéries sont des organismes unicellulaires simples et sans noyau. Leur taille est

comprise entre 0,1 et 10 μm. Le taux moyen de bactéries dans les fèces est d’environ 1012

bactéries/g (ASANO, 1998). Les bactéries sont les microorganismes les plus communément

rencontrés dans les eaux usées (TOZE, 1999). Les eaux usées urbaines contiennent environ

106

à 107

bactéries/100 ml dont la plupart sont des proteus et des entérobactéries, 103

à 104

streptocoques et 102

à 103

clostridiums. La concentration en bactéries pathogènes est de l'ordre

de 104

germes/l. Parmi les plus détectées sont retrouvées, les salmonelles, dont celles

responsables de la typhoïde, des paratyphoïdes et des troubles intestinaux. Les coliformes

thermotolérants sont des germes témoins de contamination fécale communément utilisés pour

contrôler la qualité relative d’une eau (BELAID, 2010).

I.3.3. Les virus

Ce sont des organismes infectieux de très petite taille (10 à 350 nm) qui se

reproduisent en infectant un organisme hôte. Les virus ne sont pas naturellement présents

dans l’intestin, contrairement aux bactéries. Ils sont présents soit intentionnellement (après

une vaccination contre la poliomyélite, par exemple), soit chez un individu infecté

accidentellement (BAUMONT et al, 2005). On estime leur concentration dans les eaux usées

urbaines comprise entre 103

et 104

particules par litre. Leur isolement et leur dénombrement

dans les eaux usées restent difficiles, ce qui conduit vraisemblablement à une sous estimation

de leur nombre réel. Les virus entériques sont ceux qui se multiplient dans le trajet intestinal.

Parmi les virus entériques humains les plus nombreux, nous nous citerons les entérovirus

(exemple : polio), les retrovirus, les adénovirus et le virus de l’Hépatite A. Il semble que les

virus soient plus résistants dans l’environnement que les bactéries (AULICINO et al, 1996).

I.3.4. Les protozoaires

Les protozoaires sont des organismes unicellulaires munis d’un noyau, plus complexes

et plus gros que les bactéries. La plupart des protozoaires pathogènes sont des organismes

parasites, c’est-à-dire qu’ils se développent aux dépens de leur hôte. Certains protozoaires

adoptent au cours de leur cycle vital une forme de résistance, appelée kyste qui peut être

véhiculé par les eaux résiduaires. Cette forme peut résister généralement aux procédés de

traitements des eaux usées (BAUMONT et al, 2005). Ainsi, selon les conditions du milieu,

ces organismes peuvent survivre plusieurs semaines voir même plusieurs années. En

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revanche, 10 à 30 kystes, est une dose suffisante pour causer des troubles sanitaires

(CAMPOS, 2008).

I.3.5. Les helminthes

Les helminthes sont des vers multicellulaires. Tout comme les protozoaires, ce sont

majoritairement des organismes parasites rencontrés dans les eaux résiduaires. Le nombre

d’œufs d’helminthes peut être évalué entre 10 et 103

germes/l (FABY et BRISSAUD, 1997).

Le stade infectieux de certains helminthes est l’organisme adulte ou larve, alors que pour

d’autres, ce sont les œufs. Les œufs et les larves sont résistants dans l’environnement et le

risque lié à leur présence est à considérer pour le traitement et la réutilisation des eaux

résiduaires. En effet, la persistance de ces organismes à différentes conditions

environnementales ainsi que leur résistance à la désinfection permet leur reproduction, ce qui

constitue leur risque potentiel (CAMPOS, 2008). Les helminthes pathogènes rencontrés dans

les eaux usées sont : Ascaris lumbricades, Oxyuris vermicularis, Trichuris trichuria, Taenia

saginata. L’analyse des risques sanitaires liés aux agents pathogènes susceptibles d’être

transportés par les eaux usées est le fondement des recommandations proposées par

l’Organisation Mondiale de la Santé en 1989 (OMS, 1989).

I.4. Les matières en suspension (MES)

Ce sont des matières biodégradables pour la plupart. Les micro-organismes sont le

plus souvent adsorbés à leur surface et sont ainsi « transportés » par les MES. Elles donnent

également à l’eau une apparence trouble, une mauvaise odeur. Cependant, elles peuvent avoir

un intérêt pour l’irrigation des cultures (BAUMONT et al, 2005). Les particules en

suspension peuvent, par définition, être éliminées par décantation. C’est une étape simple et

efficace pour réduire la charge organique et la teneur en germes pathogènes des eaux usées.

Toutefois, un traitement beaucoup plus poussé est généralement requis pour faire face aux

risques sanitaires (BELAID, 2010).

I.5. Les éléments traces, minéraux ou organiques

Les micro- polluants organiques et non organiques résultent d’une pollution multiple

et complexe. Les micro- polluants sont des éléments présents en quantité infinitésimale dans

les eaux usées. La voie de contamination principale, dans le cas d’une réutilisation des eaux

usées épurées, est l’ingestion. C’est la contamination par voie indirecte qui est généralement

préoccupante. Ainsi, certains micro- polluants, comme les métaux lourds ou les pesticides,

peuvent s’accumuler dans les tissus des êtres vivants, et notamment dans les plantes cultivées.

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Il peut donc y avoir une contamination de la chaîne alimentaire et une concentration de ces

polluants dans les organismes. La crispation actuelle de l’opinion publique à leur sujet, et le

manque de connaissances sur leurs effets à long terme incite à analyser avec soin la nature et

la présence de ces micro-polluants dans les eaux usées (BAUMONT et al, 2005).

I.5.1. Les métaux lourds

Les métaux lourds que l’on trouve dans les eaux usées urbaines sont extrêmement

nombreux (de l’ordre de quelques μg/l). Les plus abondants sont le fer, le zinc, le cuivre et le

plomb. Les autres métaux (manganèse, aluminium, chrome, arsenic, sélénium, mercure,

cadmium, molybdène, nickel, etc.) sont présents à l’état de traces. Leur origine est multiple:

ils proviennent « des produits consommés au sens large par la population, de la corrosion des

matériaux des réseaux de distribution d’eau et d’assainissement, des eaux pluviales dans le

cas de réseau unitaire, des activités de service (santé, automobile) et éventuellement de rejets

industriels » (CAUCHI et al, 1996). Les éléments cités dans la littérature comme étant les

plus dangereux sont le plomb (Pb), l’arsenic (As), le mercure (Hg), le cadmium (Cd) et le

nickel (Ni) (VILAGINES, 2003).

I.5.2. Les éléments toxiques organiques

Les micro-polluants d’origine organique sont extrêmement nombreux et variés, ce qui

rend difficile l’appréciation de leur dangerosité. Ils proviennent de l’utilisation domestique,

des rejets industriels et des eaux de ruissellement sur les terres agricoles, sur le réseau routier

etc. Parmi ces composés chimiques toxiques très persistants et qui ont une grande

lipophilicité, on peut citer les hydrocarbures polycycliques aromatiques, les alkylphénols,

chlorophénols, phtalates, les pesticides et les résidus pharmaceutiques actifs.

Certains composés ont un pouvoir de perturber les systèmes endocriniens tels que les

hydrocarbures polycycliques aromatiques et les alkylphénols (BELGIORNO et al, 2007). En

effet, plusieurs environnements aquatiques ont été pollués par ces composés en plus des autres

substances pharmaceutiques dont la principale source est les eaux usées (KIMURA et al,

2004). Il s’est avéré que les stations d’épuration sont des sources potentielles de ces produits

toxiques (BELGIORO et al, 2007 ; ANDREOZZI et al, 2003). Cependant, en raison de la

faible solubilité de ces éléments organiques, on les retrouvera concentrés dans les boues plutôt

que dans les eaux résiduaires (FAO, 2003).

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I.6. Les substances nutritives

Les nutriments se trouvent en grande quantité dans l’eau usée, et constituent un

paramètre de qualité important pour la valorisation de ces eaux en agriculture et en gestion

des paysages (HAMODA, 2004). Les éléments les plus fréquents dans les eaux usées sont

l’azote, le phosphore et parfois le potassium, le zinc, le bore et le soufre. Ces éléments se

trouvent en quantités appréciables, mais en proportions très variables que ce soit, dans les

eaux usées épurées ou brutes. En outre, la présence de matière organique sous différentes

formes dans l’eau usée (solides en suspension, éléments colloïdaux et matières dissoutes)

peut, par son effet à long terme sur la fertilité du sol, contribuer également à la stabilité

structurale du sol (FAO, 2003).

I.7. Les grandes étapes du traitement des eaux usées

La composition d’une eau usée est très diversifiée suivant son origine, chaque

installation est par conséquent conçue pour répondre à un besoin spécifique. Les technologies

utilisées se développent et se perfectionnent constamment par la recherche de technologies ou

de procédés nouveaux et par la mise en place de nombreux automatismes pouvant diminuer

efficacement la dégradation environnementale de ressources précieuses en eau et détruire les

agents pathogènes humains potentiels (PRESCOTT et al 2007 ; ECONOMOPOULOS, 2010 ;

TORSTEN et al., 2014).

Il existe plusieurs filières, mais le choix d’un procédé de traitement doit être adéquat

au point de vue climatique, des applications attendues et de l’investissement (ADEME, 1996;

WERTHER et OGADA, 1999; CEE, 2001). Ce procédé nécessite un ensemble cohérent de

traitements effectués après des pré-traitements tels que le dégrillage, le dessablage et le

dégraissage. Parmi ces cas, on trouve :

- Traitement primaire : Décantation simple ou renforcée par des additifs chimiques.

- Traitement secondaire :

- Traitement physico-chimique : c’est l’utilisation d’adjuvants chimiques afin

d’éliminer les matières restant en suspension. Ce traitement comporte une phase de

coagulation (agglomération des colloïdes par addition par exemple de sels de fer ou

d’aluminium), une phase de floculation et une phase de décantation pour assurer la

séparation solide-liquide avec injection d’agents floculants tels que le charbon actif.

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Ces traitements acceptent les variations brutales de charges polluantes, mais ils sont

coûteux en exploitation selon les adjuvants chimiques utilisés.

- Traitement biologique : c’est la biodégradation des matières organiques des eaux

usées par des bactéries aérobies ou anaérobies dans des systèmes suivants :

- Système intensif à cultures fixes tels que les lits bactériens et les disques

biologiques ou à cultures libres telles que les boues activées.

- Système extensif dont le plus répandu et le plus classique est le lagunage

surtout dans les pays à climat chaud et où le terrain est disponible à coût

raisonnable. Il consiste donc en un lent écoulement de l’affluent dans un ou

plusieurs réservoirs plus ou moins profonds.

- Traitement tertiaire ou les traitements complémentaires: désinfection, dénitrification,

déphosphoration.

I.8. Situation actuelle de la réutilisation des eaux usées en Algérie et perspectives

pour l’irrigation

Dans un avenir, en 2020, les eaux usées représenteront un volume très appréciable de

près de 2 milliards de m3, si la demande en eau est totalement satisfaite à cet horizon. Un tel

volume, une fois épuré, pour des considérations écologiques ou de protection des ressources

en eau, sera très apprécié quant à son utilisation pour l’agriculture ou l’industrie. La stratégie

du Ministère des Ressources en Eau dans le domaine de l’épuration est basée sur la protection

de la ressource hydrique, l’éradication des fosses septiques. Le confort et le bien-être des

citoyens, la protection du littoral conformément à la Convention de Barcelone et la

réutilisation des eaux usées épurées, notamment à des fins agricoles.

D’autant que l’Algérie, pays semi-aride, avait fait face à une sécheresse sans précédent

au point que « le gouvernement a pensé à importer de l’eau d’Europe pour faire face à la

crise », a révélé, le Ministère des Ressources en eau en marge de la rencontre sur la gestion

de l’eau en Algérie, organisée en octobre 2011 à Oran. Pour faire face à la rareté de l’eau et la

rendre disponible, l’Algérie a investi durant les dix dernières années 25 milliards de dollars.

Cependant, la disponibilité de l’eau n’était pas le seul défi de l’Algérie puisque la distribution

posait problème, 30 % de l’eau était perdue à cause de l’état défectueux des réseaux, de la

mauvaise gestion et du déficit en stations d’épuration. Pour rappel, l’Algérie ne comptait, en

1999, que 45 stations d’épuration, réalisées depuis l’indépendance dont 12 seulement en

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service en l’an 2000 avec une capacité de traitement ne dépassant pas 90 millions d’eau usée

traitée. Ayant pris conscience de l’urgence en matière de réalisation et de rénovation des

réseaux d’assainissement et d’infrastructures d’épuration des eaux usées, « un conseil des

ministres a été réservé, en 2004, exclusivement à l’assainissement », le problème a été

sérieusement pris en charge. C’est ainsi qu’il a été décidé au lancement de 158 projets neufs

de réalisation d’infrastructures d’épuration, tout programme confondu, pour un montant

global dépassant les 200 milliards de dinars. L’état des lieux concernant la réalisation des

STEP à été dresser par Monsieur le ministre en charge des ressources hydraulique et ce, par

devant le conseil de la nation en date du 19/12/ 2014. Et dont de larges extraits on été repris

par la presse national que nous reproduisons :

D’ici à 2020, non seulement le nombre de stations d’épuration des eaux usées (Step)

sera augmenté, mais il n’y aura plus de rejets en mer. C’est ce qu’a souligné le ministre des

Ressources en eau, Hocine Necib, jeudi dernier au Conseil de la nation, lors d’une séance de

questions orales. Le ministre a signalé, qu’en vertu de la convention de Barcelone qui interdit

la pollution de la mer Méditerranée, l’Algérie compte cesser définitivement le déversement

des eaux usées dans la mer à travers les oueds à l’horizon 2020. Necib a estimé que l’Algérie

a réalisé d’énormes progrès dans l’assainissement, le raccordement et le traitement des eaux

usées depuis 2000, rappelant que l’ONU a décrété que l’Algérie compte parmi les rares pays

africains ayant réussi à relever le défi du 7e millénaire concernant le traitement des eaux. « Le

programme des stations d’épuration avance bien. 165 fonctionnent actuellement et nous allons

dépasser les 200 à l’issue du programme 2010-2014 », indique-t-il. Il a, également, souligné

que le taux de raccordement au réseau d’assainissement atteint, aujourd’hui, 89% et il sera de

96% à la fin du programme 2015-2019. Un raccordement qui a nécessité une enveloppe

budgétaire de 900 milliards DA. Le nombre des Step, à partir de 2015, atteindra les 285

destinées au traitement de plus d’un milliard de mètres cubes d’eaux usées. Pour le moment,

49 stations sur les 165 sont chargées de l’épuration des eaux usées. « Nous avons lancé, avec

un bureau d’études américain, une étude pour un traitement tierce des eaux usées afin de les

exploiter dans l’irrigation. Nous pensons lancer l’opération au deuxième semestre 2015 »,

indique-t-il, précisant que les eaux usées bénéficient, pour le moment, d’un traitement

d’épuration secondaire. Le secteur ambitionne d’atteindre un taux de traitement des eaux entre

70 et 80% d’ici à 2016 contre 50% actuellement.

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CHAPITRE II

Composition et traitement des boues résiduaires

Quelque soit le système d’épuration adopté, le traitement des eaux usées

s’accompagne d’une production de quantités de boues non négligeables dont il faut se

débarrasser. Plusieurs filières existent pour l’élimination de ces boues, La mise en décharge

(appelée aussi stockage), L’incinération de boues a un coût prohibitif et présente un risque lié

à l’impact de gaz toxiques sur l’environnement tel que celui de la dioxine. La valorisation

énergétique (production de biogaz comme source de chaleur et d’électricité) et la valorisation

biologique ou agricole (production d’engrais et de compost). Ce chapitre présente les

différentes phases de traitement des boues.

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II.1. Composition des boues résiduaires

La composition exacte des boues varie en fonction de l’origine des eaux usées, de la

période, du mode de traitement et du conditionnement pratiqué dans la station d’épuration

(WERTHER et OGADA, 1999 ; JARDE et al., 2003 ; SINGH et al., 2004). Les boues

résiduaires représentent une matière première composée de différents éléments (matière

organique, éléments fertilisants (N et P), d’éléments traces métalliques, d’éléments traces

organiques et d’agents pathogènes).

II.1.1. Matière organique

La concentration en matière organique peut varier de 30 à 80 %. La matière organique

des boues est constituée de matières articulaires éliminées par gravité dans les boues

primaires, des lipides (6 à 19 % de la matière organique), des polysaccharides, des protéines

et des acides aminés (jusqu’à 33 % de la matière organique), de la lignine, ainsi que des

produits de métabolisation et des corps microbiens résultant des traitements biologiques

(digestion, stabilisation) (KAKI et al., 1986 ; INOUE et al., 1996 ; ADEME, 2001 ; JARDE

et al., 2003).

II.1.2. Eléments fertilisants

Les boues peuvent couvrir, en partie ou en totalité, les besoins des cultures en azote,

phosphore, magnésie, calcium et soufre ou peuvent aussi corriger des carences à l’exception

de celle en potassium (ZEBARTH et al., 2000 ; SU et al., 2004 ; WARMAN et al., 2005).

Les éléments en traces tels que le cuivre, le zinc, le chrome et le nickel présents dans les

boues sont aussi indispensables au développement des végétaux et des animaux.

II.1.3. Contaminant chimique inorganique et organique

Ces mêmes éléments traces métalliques (cuivre, le zinc, le chrome et le nickel)

indispensables au développement des végétaux et des animaux peuvent se révéler toxiques à

trop fortes doses (CHANG et al., 1992 ; CRIPPS et al., 1992). D’autres éléments tels que le

cadmium et plomb sont des toxiques potentiels. Ainsi, un polluant peut être défini comme un

élément ou un composé chimique ordinaire dont la nocivité n’apparaît qu’à partir d’une

certaine concentration. Aussi, dans les boues, une multitude de polluants organiques (HAP,

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Phtalates, PCB, etc) peut se trouver en concentrations de l’ordre de μg/kg MS (LEGA et al.,

1997; PEREZ et al., 2001).

La nature et la concentration des eaux usées en polluants organiques et inorganiques

sont très dépendantes des activités raccordées au réseau. La majorité des contaminations

chimiques vient des rejets industriels et dans la moindre mesure des rejets domestiques

(utilisation de solvants, déchets de bricolage...). Du fait de la décantation lors du traitement,

ces contaminants chimiques se retrouvent dans les boues à de très grandes concentrations par

rapport aux eaux usées (KLÖPFFER, 1996).

II.1.4. Les micro-organismes pathogènes

Les boues contiennent un nombre très important de microorganismes vivants qui

jouent un rôle essentiel dans les processus d’épuration. Seul une infime partie est pathogène

(virus, bactéries, protozoaires, champignons, helminthes, etc.) et provient en majorité des

excréments humains ou animaux (SAHLSTRÖM et al., 2004). La concentration d’une eau

usée en germes pathogènes dépend du secteur d’activité d’origine:

Les eaux provenant des abattoirs ou de toute industrie traitant de produits d’animaux

sont très largement contaminées (ECRIN, 2000). Ainsi, par mesure de précaution, et afin

d’éviter de propager la maladie de la vache folle, il est interdit d’utiliser les boues d’épuration

provenant des eaux usées des abattoirs ou des équarrissages pour fabriquer de la fumure ou du

compost. D’une façon générale, les boues doivent subir un pré traitement avant leur utilisation

en agriculture (GARREC et al., 2003 ; VELIS CA, 2010).

II.2. Description des différentes filières de traitement et d’évacuation des boues

La quasi-totalité des procédés d’épuration des eaux usées urbaines ou industrielles,

qu’ils soient biologiques ou physico-chimiques, conduit à la concentration des polluants sous

forme de résidu secondaire : les boues.

Les boues se présentent sous forme liquide (95 % d’eau en moyenne) avec une forte

charge en matière organique hautement fermentescible ainsi que des matières minérales. Ces

caractéristiques sont problématiques quelle que soit la destination des boues et imposent la

mise en place d’une filière de traitement.

Les procédés de traitement des boues peuvent varier suivant leurs natures et la taille de

la station d’épuration. Trois grands types de traitement sont à distinguer :

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- Des traitements de stabilisation, dont l’objectif est de réduire le pouvoir

fermentescible des boues afin de limiter ou d’annuler les nuisances olfactives,

- Des traitements de réduction de la teneur en eau des boues, visant (i) à diminuer

le volume de boues à stocker ou à épandre et/ou (ii) à améliorer leurs

caractéristiques physiques (tenue en tas notamment),

- Des traitements d’hygiénisation qui visent à éliminer la charge en

microorganismes pathogènes.

II.2.1. La stabilisation

Les traitements utilisés sont biologiques, chimiques ou thermiques. Ils s’appliquent aux

boues fraîches issues des traitements primaires, aux boues issues des traitements secondaires,

ou à l’ensemble des boues.

- La stabilisation biologique réduit la teneur des boues en matières fermentescibles.

Elle se fait soit :

* par voie aérobie (en présence d’oxygène) dans les bassins d’aération ou dans des

bassins de stabilisation aérobie, soit

* par voie anaérobie (absence d’oxygène) dans des digesteurs avec production de bio

gaz riche en méthane.

- La deuxième technique de stabilisation utilisée est le compostage qui est un procédé

particulier de stabilisation biologique aérobie. Il se réalise de préférence sur des boues déjà

déshydratées de façon à économiser l’approvisionnement en support de compostage.

- La troisième voie possible est la stabilisation chimique bloquant simplement

l’activité biologique et donc l’évolution de la boue, par adjonction d’une quantité importante

de chaux, élevant le pH au-delà d’une valeur de 12. Le chaulage suppose généralement une

déshydratation préalable des boues.

II.2.2. Réduction de la teneur en eau des boues

Pour réduire les volumes de boues, différents procédés sont mis en œuvre, comprenant

par ordre croissant d’efficacité et de coût, l’épaississement, la déshydratation et le séchage.

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- L’épaississement vise à augmenter la siccité des boues (teneur en matière sèche) sans

pour autant modifier le caractère liquide de la boue. Cet épaississement peut se faire

simplement par voie gravi taire dans un concentrateur ou par des moyens mécaniques

(égouttage, flottation ou centrifugation).

- La déshydratation qui correspond à une augmentation forte de siccité, modifie l’état

physique des boues passant de l’état liquide à l’état pâteux ou solide. Il existe deux

procédés principaux, le procédé filtre bande et le procédé filtre presse.

Dans le cas du procédé filtre bande, les boues sont déversées entre deux bandes continues

verticales de toiles synthétiques se déroulant entre deux rouleaux presseurs puis acheminées

vers une aire de stockage. Pour le deuxième procédé, le procédé filtre presse, les boues sont

injectées dans des filtres presses. Ces derniers sont pressés puis des « gâteaux de boues » sont

démoulés et vont rejoindre l’aire de stockage.

- Le séchage élimine l’eau en grande partie ou en totalité par évaporation, soit par voie

naturelle (lits de séchage), soit par voie thermique. La technique des lits de séchage se

réalise à l’air libre sur des boues liquides et combine l’évaporation naturelle et

drainage de l’eau libre à travers une couche filtrante de sable et de graviers. Le

séchage thermique permet une élimination de la quasi-totalité de l’eau (siccité

d’environ 95 %). Les boues sont pulvérulentes ou en granulés.

II.2.3. Les traitements d’hygiénistation

L’arrêté du 8 janvier 1998 sur l’épandage des boues d’épuration définit l’hygiénisation

comme un « traitement qui réduit à un niveau non détectable les agents pathogènes présents

dans les boues ». La plupart des boues épandues en France ne sont pas hygiénisées, la

maîtrise du risque sanitaire reposant de façon satisfaisante sur l’application de règles de

bonnes pratiques.

II.2.4. Elimination des boues en décharge contrôlée

La mise en décharge contrôlée consiste en un enfouissement des boues (souvent

mélangées avec les ordures ménagères) en tenant en compte de certaines conditions :

compactage des résidus, site étanche, récupération et traitement des jus de décharges

(lixiviats), équipement et gestion du site (El-FADEL et KHOURY, 2000 ; ALLEN, 2001 ;

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SARIGIANNIS, 2012). Les boues doivent être préalablement stabilisées et déshydratées

(humidité maximale de 70 %).

Cette solution a perdu progressivement de son intérêt et se retrouve actuellement

interdite pour des raisons financières (procédure de fermeture, etc.) et pour des problèmes

environnementaux tels que les odeurs nauséabondes, pullulation de moustiques, entraînement

d’éléments fertilisants (nitrates, phosphates) et de produits toxiques par les eaux superficielles

et contamination des nappes d’eaux souterraines. Les décharges ne doivent plus accepter que

des déchets qui ne peuvent plus être raisonnablement valorisés ou à caractère non

dépolluables ou dangereux appelés aussi déchets ultimes.

II.2.5. L’incinération

Elle réalise la destruction de la matière organique des déchets par combustion à haute

température (+ de 500 °C) produisant des fumées et des matières minérales résiduelles

nommées cendres. Dans l’objectif d’une valorisation énergétique des déchets, la chaleur

produite est récupérée sous forme de vapeur ou d’électricité pour le fonctionnement du four

lui même, pour le chauffage urbain ou industriel (PREVOT, 2000).

Cependant, malgré l’intérêt de ce procédé pour une réduction importante des volumes

de déchets, il présente des contraintes principalement liées à un investissement très coûteux.

Les boues seules ne sont pas auto combustibles, elles nécessitent des fours spéciaux et un

mélange avec d’autres déchets tels les déchets ménagers. L’élimination des cendres et des

mâchefers exigent une décharge contrôlée de classe 1 ou une unité d’inertage. Cette technique

reste aussi néfaste de point de vue écologique et environnemental puisqu’elle contribue en

plus du gaspillage de matières organiques utiles pour le sol à la diffusion de gaz très toxiques

(NO, NO2, CO, SO2, dioxine, etc.) (MININNI et al., 2004 ; NAMMARI et al., 2004) qui ont

fait l’objet de réglementations spécifiques.

II.2.6. Utilisation agricole des boues

La valorisation agricole des boues résiduaires peut être considérée comme le mode de

recyclage le plus adapté pour rééquilibrer les cycles bio géochimique (C, N, P, etc.), pour la

protection de l’environnement et d’un très grand intérêt économique. Elle vise à ménager les

ressources naturelles et à éviter tout gaspillage de matière organique dû à l’incinération ou à

l’enfouissement dans les décharges (LAMBKIN et al., 2004 ; BUSTAMANATE et al., 2012).

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Les boues résiduaires peuvent ainsi remplacer ou réduire l’utilisation excessive d’engrais

coûteux.

II.2.6.1. Epandage direct des boues résiduaires

A l’heure actuelle, l’épandage agricole des boues reste en Europe la principale filière

d’élimination. En 2002 environ 62 % des boues d’épuration domestiques étaient valorisés en

agriculture en France par ce biais. L’épandage de boues ne peut être pratiqué que si celles-ci

respectent le principe « d’intérêt agronomique » et soient exemptes de grandes teneurs en

polluants inorganiques ou organiques. L’application des boues doit suivre des règles

d’épandage décrites par l’arrêté du 08 janvier 1998. Cet arrêté impose des distances

minimales :

- D’épandage vis à vis des berges, des sources, des puits, des habitations en évitant une

percolation rapide vers les eaux superficielles ou souterraines ou tout ruissellement.

- D’isolement d’au moins 3 mètres vis-à-vis des routes et fossés.

Il interdit l’épandage :

- Sur des sols gelés, de forte pente

- Pendant les périodes de forte pluviosité et doit être en dehors des terres régulièrement

travaillées (maraîchages).

Il définit des délais minima :

- Avant la remise à l’herbe des animaux, et de cultures maraîchères.

- La durée du dépôt (inférieure à 48 heures), et seules sont entreposées les quantités de

boues nécessaires à la période d’épandage considérée.

Cependant, des problèmes et des obstacles économiques ou techniques à l’application

des règles d’épandage surgissent, ceux-ci comprennent les possibilités de stockage et de

transport, l’insuffisance ou l’inadéquation des techniques de stabilisation et de déshydratation.

D’autre part, du point de vue hygiénisation, la capacité d’épuration des sols est limitée dans

certaines conditions.

II.2.6.2. Utilisation des boues traitées

La réduction du pouvoir fermentescible des boues et leur hygiénisation des germes

pathogènes dépend des performances des procédés de stabilisation.

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Les techniques de stabilisation chimique par chaulage ou autres telles que le traitement aux

nitrites à pH acide, se basent sur un blocage de l’activité biologique. La stabilisation par

chaulage a connu un développement soutenu depuis plusieurs années en raison de son

efficacité vis à vis de la maîtrise des nuisances olfactives et de l’intérêt calcique des boues

chaulées pour les sols acides (KAISER, 1981 ; MENDEZ et al., 2011). Cependant, la

consommation en réactifs chimiques de ce procédé peut le rendre rédhibitoire par ce coût

ainsi que par la nécessité de prendre des précautions en termes d’hygiène et de sécurité.

Les procédés de stabilisation biologique sont des techniques relativement peu

onéreuses dans leur mise en œuvre. Le principe général des traitements biologiques est

d’exploiter certaines activités microbiennes en les stimulant de manière contrôlée afin de

réduire les nuisances potentielles des déchets (odeurs, caractère polluant au sens large du

terme) et de les valoriser sous forme énergétique ou sous forme de matériau.

La méthanisation ou digestion anaérobie poursuit le double objectif de valorisation

énergétique par récupération de méthane (CH4) et de stabilisation des déchets organiques.

Le compostage permet de poursuivre plusieurs objectifs en même temps : stabilisation

du déchet pour réduire les pollutions ou nuisances associées à son évolution biologique,

diminution du volume des boues due à la dégradation des composés organiques et au séchage

induit par la nature exothermique du procédé et production en fin d’un compost riche en

substances humiques valorisantes comme amendement organique des sols.

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CHAPITRE III

Présentation générale du compostage

Le terme de compost est un terme familier à chacun car la pratique du compostage est

ancestrale. Mais ce terme reste souvent assez flou et désigne pour beaucoup un matériau

organique en état de décomposition plus ou moins avancé destiné à un retour au sol. Pourtant

derrière cette appellation se cachent des produits aux caractéristiques apparemment variées,

allant des composts des particuliers faits dans leur jardin, aux composts d’ordures ménagères

fabriqués de manière industrielle. Ce chapitre présente les différentes phases d’élaboration

d’un compost, la diversité des déchets compo stables et les différentes utilisations possibles

des composts.

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III.1. Objectifs du compostage

La mise en décharge étant interdite pour de nombreux bio-déchets (sauf les déchets

ultimes), leur incinération est coûteuse et peu populaire, le compostage devient de plus en

plus une solution pratique et simple. Elle présente de nombreux avantages, le principal étant

la valorisation des déchets pour la production d’un amendement organique stable. En effet, le

champ d’application du compostage s’est élargi avec l’évolution des techniques de

compostage et la problématique de gestion collective des déchets ménagers. Cette filière

concerne tous les types de déchets organiques tels que les déchets verts, les bio-déchets

ménagers, les boues de stations d’épuration collectives ou industrielles, les déchets

agroalimentaires, les effluents d’élevage.

III.1.1 Définition du compostage

Il existe plusieurs définitions assez voisines du compostage (KAISER ,1981; DE

BERTOLDI et al., 1983; LECLERC, 2001) qui permettent de le définir de la manière

suivante :

« Le compostage est un processus contrôlé de dégradation des constituants organiques

d’origine végétale et animale, par une succession de communautés microbiennes évoluant en

condition aérobie, entraînant une montée en température, et conduisant à l’élaboration d’une

matière organique humiliée et stabilisée. Le produit ainsi obtenu est appelé compost ».

Le compostage est donc un processus de décomposition et de transformation

« contrôlées » de déchets organiques sous l’action de populations microbiennes diversifiées

évoluant en milieu aérobie (SHARMA et al., 1997 ; RASTOGI et al., 2011 ; PENG et al.,

2013 ). Des communautés différentes de micro-organismes se succèdent lors du compostage,

elles sont constituées majoritairement de bactéries, d’actinomycètes, de champignons (ou

Mycètes), de protozoaires ou d’algues (TUOMELA et al., 2000, HASSEN et al., 2001).

Le processus de compostage démarre donc généralement tout seul. Il reproduit en

accéléré les étapes de transformation des résidus végétaux en humus dans un sol :

« composter correspond donc essentiellement à la production des substances humiques stables

dans le produit final et à un recyclage d’une matière organique dont le trajet naturel a été

modifié (MUSTIN, 1987 ; INBAR et al., 1990; CIAVATTA et al. ; 1993; CHEFETZ et al.,

1998 a; OUATMANE, 2000). ».

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Par voix biochimique, le compostage est un processus continu au cours duquel

différentes réactions se produisent parallèlement et consécutivement. Dans les phases

biologiques, différentes enzymes permettent la biodégradation de macromolécules facilement

décomposables par des réactions de coupures et d’oxydations. Les phases finales font surtout

appel à des phénomènes de polymérisation et de polycondensation des molécules néoformées.

Grâce à ses caractéristiques chimiques, le compost peut assurer en même temps la fertilité et

l’équilibre du sol. Il combat efficacement l’érosion et le lessivage des éléments fertilisants en

reconstituant la structure de la terre grâce à sa composition en humus qui lui confère à la fois

la fonction d’amendement organique et d’engrais minéral (MAGDI et al., 2004 ; ZORPAS et

al., 2003 ; TATTI et al., 2012). Son apport régule l’humidité et l’alimentation en substances

nutritives de la plante (CEGARRA et al., 1993; WONG et al., 1999; OUEDRAOGO et al.,

2001).

Suivant leurs origines, les composts peuvent avoir des différences dans leur qualité

fertilisante, mais la caractéristique standard d’un compost proposées dans d’autres travaux

BRINTON (2000) ou SCOTLAND (2004). sont : un pH dans une marge de 7,0-8,5, une

humidité de 35-55 %, une teneur en matière organique supérieure à 25 %, une teneur en

azote total (Kjeldahl) de l’ordre de 8,1 Kg/tonne de matière fraîche, en calcium sous forme

d’oxyde (CaO 50 Kg/tonne de matière fraîche ), en potassium (K2O 6,7 Kg/tonne de matière

fraîche ), en phosphore (P2O5 3,4 Kg/tonne de matière fraîche), Magnésium (2 Kg/tonne de

matière fraîche) et Soufre (1 Kg/tonne de matière fraîche).

Figure III-01: Processus de compostage

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Le processus de compostage se réalise en plusieurs phases dont la première est la

fermentation : une dégradation rapide de la matière organique fraîche et facilement

biodégradable en molécules moins complexes comme les sucres ou les polymères. La seconde

phase, la maturation, plus lente correspond à la mise en jeu des processus d’humification.

III.2. Avantages du compost

Le compostage est une technique très ancienne visant à valoriser les déchets

organiques pour les réutiliser sous forme d’humus. Cette valorisation permet de boucler les

cycles naturels et d’améliorer la productivité du sol. L’épandage d’un amendement organique

laisse espérer des effets positifs sur le sol.

- L’amélioration de la structure et de la stabilité structurale du sol. En effet, parmi les

différents éléments minéraux présents dans le sol, les argiles s’associent à la matière

organique du sol (l’humus) et aux micro-organismes pour former, sous l'action stabilisatrice

du calcium, le complexe argilo-humique.

Sa structure en feuillet lui confère une puissante charge négative permettant à une certaine

quantité de cations libres de la solution du sol de s’y fixer (Ca2+

, K+, H+, Na

+ etc.). Le

complexe argilo-humique est ainsi un véritable réservoir d'éléments nutritifs pour la culture.

La formation d’agrégats stables rend ainsi le sol plus résistant à l’influence éolienne et

hydrique, par conséquent, moins soumis à l’érosion.

- La rétention d’eau et la porosité. L’eau disponible pour les végétaux grâce à l’utilisation

d’un compost correspond au double du volume d’eau pouvant être retenue par un sol minéral.

Ainsi en augmentant le taux d’humus du sol de 0,2 %, la quantité d’eau disponible pour la

plante croît de 0,5 % et la porosité du sol de 1%. L’amélioration de la porosité entraîne

également une meilleure aération du sol et ainsi le développement de l’activité biologique.

- L’influence sur la chimie du sol. Les substances basiques du compost et les substances

humiques sont bénéfiques contre l’acidification du sol et le stabilisent chimiquement. Une

revitalisation des sols fortement dégradés et un développement de la végétation sont favorisés.

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- L’effet phytosanitaire décrit la faculté fongicide du compost. D’une manière générale le

compost contient des substances donnant plus de vigueur aux végétaux et augmentant ainsi

leur résistance vis à vis de certains pathogènes.

III.3. Paramètres du compostage

Les conditions pour un bon développement des activités micro- biologiques doivent

être optimisées et leur suivi est indispensable pour évaluer la bonne conduite du compostage

et l’obtention d’un produit final de bonne qualité. Ces paramètres majeurs interviennent en

même temps au cours du compostage et non pas séparément (JIMENEZ et GARCIA, 1992 a ;

BERNAL et al., 1996).

Un procédé de compostage optimal correspond à une fermentation réalisée dans les

conditions les plus propices au développement de la flore bactérienne. Pour vérifier ces

conditions, les principaux paramètres à suivre pendant le procédé sont les suivants :

III.3.1. pH

Le pH des suspensions de solides (déchets, compost) varie entre 5 et 9. Une phase

acidogène se produit au début du processus de dégradation : production d’acides organiques et

de dioxyde de carbone (CO2) par les bactéries acidogènes, décomposeurs du matériel carbone

complexe, provoquant ainsi une diminution du pH initial. La seconde phase correspond à une

alcalinisation : hydrolyse bactérienne de l’azote avec production d’ammoniac (NH3) associée

à la dégradation de protéines et à la décomposition d’acides organiques (HAUG, 1993 ;

MUSTIN, 1987).

Le pH optimal se situe donc vers la neutralité en fonction de la nature du substrat

(DAMIEN, 2004). Le suivi du pH est un indicateur du degré de décomposition biologique et

biochimique. La première phase acidogène est difficilement observable comme l’indiquent les

études de CANET & POMARES (1995) ou celles de SANCHEZ-MONEDERO et al. (2001).

III.3.2. Température

Une température minimale est nécessaire à l’activité des micro-organismes et à la

dégradation. VENGLOVSKY et al., (2005) rapportent selon STENTIFORD (1996) qu’une

température supérieure à 55°C permet l’hygiénisation, entre 45 et 55°C, elle favorise la

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biodégradation et qu’entre 35 et 40°C elle améliore la diversité des micro-organismes. Une

température voisine de 20°C ou supérieure à 82°C inhibe, voire arrête cette activité

microbienne (LIANG et al., 2003).

Le suivi de la température est une mesure indirecte de l’intensité des dégradations. Il

renseigne également sur la qualité du processus de dégradation : un épuisement en oxygène

peut ainsi être décelé puis corrigé par des apports complémentaires (retournement). De plus,

ce suivi caractérise au début du processus la qualité du mélange. Les variations des montées

en température sont fonction de l’aération et de la composition du substrat. Le Tableau III-01

indique le type de bactéries détruites en fonction de la température atteinte lors du procédé.

Tableau III-01 : Température et durée d’exposition nécessaire à la destruction de

pathogènes (NOBLE & ROBERTS, 2003 ; LUCERO-RAMIREZ, 2000 ; GOLUEKE,

1991 dans DEPORTES, 1995).

Type de micro-organismes Température et durée nécessaire à sa

destruction

Ascaris lumbricoides 4h à 60 °C à 65 °C

Salmonella spp 15-20 min à 60° C ou 1h à 55 ° C

Escherichia coli 15-20 min à 60° C ou 1h à 55 ° C

Taenia saginata 5 min à 71 °C

Shigella spp 1h à 55 °C

Pour obtenir cette hygiénisation du compost, l’U.S.E.P.A (1994) recommande une

température de 55 °C au moins pendant 5 jours en compostage à l’air libre. Dans des

réacteurs, la température doit dépasser 60 °C pendant une semaine (ADEME, 1998). Les

conditions optimales pour une hygiénisation dépendent de la nature du procédé et de la durée

de maintien de la température (MARTENS, 2005). En pratique un produit est dit hygiénisé

après 15 jours à une température supérieure à 55 °C ou une semaine à 65 °C pour des

systèmes à l’air libre, ou 7 jours en aération forcée pour des températures supérieures à 60 °C

(W.R.A.P, 2004. Mais même avec une montée en température suffisante, il existe un risque

pour le compost de réinfection dû à l’action de certains pathogènes en état de latence

(HAMER, 2003).

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III.3.3. Teneur en humidité

La teneur en eau (H%) du substrat conditionne l’activité des micro-organismes. La

teneur optimale dépend de la densité du milieu, qui est fonction de l’état physique et de la

nature du substrat. Elle est sensible à deux phénomènes ayant des effets complémentaires :

d’une part, la dégradation de la matière organique provoquant une libération d’eau et d’autre

part, une évaporation de l’eau sous l’effet de l’énergie calorifique libérée par la fermentation.

La décomposition de la matière organique est inhibée si la teneur en eau baisse en

dessous de 20 %. Au contraire, si elle dépasse 70 %, l’eau commence à remplir les espaces

lacunaires des déchets et empêche les échanges d’oxygène, provoquant des conditions

favorables à l’anaérobiose. Selon certains auteurs (TIQUIA et al., 1998 ; HAUG, 1993 ;

MUSTIN, 1987) l’optimum de teneur en eau se situe entre 40 % et 60 %. En fin de procédé,

un produit sec ou presque facilite la finition mécanique du compost en évitant un colmatage

des équipements.

Le pH, la température et l’humidité sont des paramètres interdépendants et

difficilement dissociables. Les auteurs s’accordent pour donner des valeurs optimales de ces

paramètres. LIANG et al. (2003) étudient plus spécifiquement les effets de deux paramètres,

l’humidité et la température de dégradation des biodéchets. L’humidité semble être le

paramètre ayant la plus grande influence. Cela suggère un contrôle du procédé par l’humidité

et non comme habituellement par la température.

D’autres études insistent sur les valeurs de pH et de température au cours du procédé

ou sur le compost lui-même (SMARS et al., 2002 ; SUNDBERG et al., 2004). Ces paramètres

sont optimaux lorsqu’ils permettent une hygiénisation du produit, une vitesse de dégradation

rapide et une humidification suffisamment active. Ils sont fonction de la nature du substrat et

des conditions particulières de mise en œuvre du procédé.

III.3.4. Rapport Carbone/Azote

Les bactéries utilisent le carbone comme source d’énergie et l’azote comme source

protéique. Le procédé de compostage entraîne une décomposition de la M.O, donc une

consommation de l’azote et du carbone, correspondant à la diminution du rapport C/N. Ce

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rapport exprime la proportion entre le carbone et l’azote bio-disponible. Il dépend de la

composition intrinsèque du substrat à composter comme le montre le Tableau III-02.

Tableau III-02 : Rapport C/N de divers substrats

(MUSTIN, 1987; GOOTAS, 1959, www.ademe.fr)

Matière Rapport C/N

Urines 0.8

Gazon coupé 12

Tabac 13

Légumes 12-30

Ordures ménagères 25

Papiers-cartons 70

Branches arbres 70

Paille de blés 128

Sciure de bois 200

De nombreux auteurs déterminent des valeurs optimales de ce rapport C/N qui peut

varier de 107 à 18 en début de compostage. Par exemple, il se situe entre 25 et 45 pour les

ordures ménagères hétérogènes (SADAKA et al., 2003, BERNAL et al., 1998 a, EGGEN &

VERTHE, 2001), alors que le rapport minimum C/N des déchets verts est proche de 30. La

valeur de 35 ne doit pas être dépassée pour les déchets urbains, sinon les micro-organismes

passent par plus de cycles d’oxydation pour atteindre la valeur optimale dans le compost. De

même, si ce rapport est trop faible, une perte excessive en azote ammoniacal risque

d’entraîner une diminution du pH.

Il est donc important de connaître le rapport C/N initial des déchets afin de constituer

un mélange optimal en ajoutant la quantité d’éléments déficitaires pour assurer une

dégradation idéale et homogène sur l’ensemble du processus. De nombreux auteurs

déterminent des valeurs optimales de ce rapport C/N qui peut varier de 107 à 18 en début de

compostage. Par exemple, il se situe entre 25 et 45 pour les ordures ménagères hétérogènes

(SADAKA et al., 2003, BERNAL et al., 1998 a, EGGEN & VERTHE, 2001), alors que le

rapport minimum C/N des déchets verts est proche de 30. La valeur de 35 ne doit pas être

dépassée pour les déchets urbains, sinon les micro-organismes passent par plus de cycles

d’oxydation pour atteindre la valeur optimale dans le compost. De même, si ce rapport est

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trop faible, une perte excessive en azote ammoniacal risque d’entraîner une diminution du pH.

Il est donc important de connaître le rapport C/N initial des déchets afin de constituer un

mélange optimal en ajoutant la quantité d’éléments déficitaires pour assurer une dégradation

idéale et homogène sur l’ensemble du processus.

III.3.5. Teneur en Matière Organique Totale

La minéralisation du compost correspond à une diminution de la M.O.T au cours de la

dégradation biologique du substrat (HOUOT A, 2002). Cette diminution est variable et

dépend des conditions de réalisation du processus de dégradation mais également de la durée

du procédé. Les pertes en M.O.T au cours du procédé peuvent atteindre 20 à 60 % en poids

de la M.O.T initiale (IANNATTI et al, 1994 ; CANET & POMARES, 1995 ; ATKINSON et

al., 1996).

III.3.6. Apport d’oxygène

L’oxygène est utilisé par les micro-organismes comme un récepteur terminal

d’électrons lors de la respiration aérobie et de l’oxydation des substances organiques (Waas,

1996). La présence d’oxygène est indispensable au bon déroulement du compostage pour

maintenir les conditions aérobies nécessaires à une décomposition rapide et inodore. La teneur

en oxygène lacunaire représente le pourcentage d’oxygène dans l’air des vides entre les

particules de compost.

Ce taux est fonction de la granulométrie et de l’humidité des particules comme du

renouvellement de l’air des lacunes. Au fur et à mesure de la dégradation du substrat, le

besoin en oxygène diminue (MUSTIN, 1987 ; HAUG, 1993). Si la teneur en oxygène est trop

faible ou la masse à composter trop compacte, les conditions favorables à l’anaérobiose se

mettent en place. Ce type de fermentation aboutit à un produit stabilisé mais par le biais d’un

processus plus lent avec dégagement d’odeurs nauséabondes.

Les systèmes d’aération sont divers et variés : retournements mécaniques, aération

forcée ou pilotée, avec ou sans recirculation (BARI, 2001 ; ILLMER & SCHINNER, 1996).

L’apport d’oxygène réduit l’humidité initiale (si elle est trop forte), améliore l’homogénéité

du substrat et diminue une possible élévation de température.

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III.3.7. Granulométrie

La granulométrie est un facteur qui détermine la vitesse de biodégradabilité. Plus la

surface spécifique du substrat sera élevée, plus la zone de contact entre le substrat et les

micro-organismes, sera étendue et meilleure sera la fermentation. Une granulométrie trop fine

induit un espace poral trop réduit et diminue l’accès puis la circulation de l’air : « étouffement

» du compost. A contrario si la granulométrie est trop élevée, les apports en oxygène vont

dépasser les teneurs optimales, asséchant le compost, et la montée en température se réalisera

difficilement. La granulométrie du substrat évolue au cours du processus de dégradation par

fragmentation des agrégats vers des éléments fins. Elle peut être modifiée par l’emploi de

broyeur ou de cribleur.

L’identification des principaux paramètres physico-chimiques est nécessaire pour

optimiser puis améliorer l’efficacité du procédé. De la caractérisation physico-chimique du

substrat va découler le réajustement des conditions du procédé : ajout d’eau, fréquences des

retournements. Au cours du procédé, un contrôle des paramètres principaux permet non

seulement de connaître le stade de dégradation du compost mais aussi d’avoir une idée du bon

déroulement du processus.

Dans la pratique, les conditions de dégradation rapides et contrôlées dépendent du

système de fermentation employé. Le Tableau III-03 représente ces caractéristiques pour un

système classique en andain avec retournement mécanique.

Tableau III-03 : Paramètres de contrôle et de suivi du procédé

Paramètres Phase initiale Compost mur

Rapport C/N 20 à 40 10-15

Humidité % 40 à 65 35-45

Température (°C) <40

pH 5-8 7

Structurant (%) > 15

MO (%MS) 40-70 > 40

~ 1 en aération forcée

Granulométrie (cm) Dépend du criblage

3-10 sans aération forcée

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Il reste très difficile de définir avec précision les valeurs optimales pour chaque paramètre. En

effet, ceux-ci dépendent de la composition intrinsèque du substrat, variant en fonction des

conditions socio-économiques et du mode de vie de chaque pays. Ces paramètres s’équilibrent

au cours du procédé : le dépassement de la valeur de l’un sera compensé par la valeur de

l’autre. Certains paramètres comme la température, ou l’humidité sont également fonction de

la technologie du procédé. En pratique, il est nécessaire de trouver un compromis entre la

théorie et les contraintes de terrain.

III.4. Les quatre phases du compostage

Le compostage est accompagné de production de chaleur. Il est largement admis

depuis longtemps que la chaleur générée au sein du compost est essentiellement d’origine

biologique, c’est à dire due à l’activité microbienne (WAKSMAN et al., 1939). Des

oxydations chimiques exothermiques peuvent également prendre part à l’échauffement du

compost. Mais l’origine abiotique de l’échauffement est considérée négligeable devant

l’origine biologique, lorsque les températures n’atteignent pas des valeurs très convenables

pour l’activité microbienne dans un domaine dépassant les 80 °C (FINSTEIN & MORRIS

M.L. 1975; MILLER et al., 1989).

L’évolution de la température au sein du compost permet de définir quatre phases au

cours du compostage (Figure III-01). Ces phases sont largement décrites dans la littérature

(LECLERC, 2001).

- La phase mésophile est la phase initiale du compostage. Durant les premiers jours de

compostage, la présence de matières organiques facilement biodégradables entraîne une forte

activité microbienne (bactéries et champignons) générant une forte production de chaleur et

une montée rapide de la température au cœur du compost.

- Très vite la température atteint des valeurs de 60 °C jusqu’à 75 °C. Cette phase est

appelée phase thermophile car seuls les micro-organismes thermorésistants (essentiellement

des bactéries) peuvent survivre à ces hautes températures. Au cours de cette phase, une part

importante de matière organique est dégradée sous forme de CO2, et un assèchement du

compost lié à l’évaporation de l’eau est souvent observé.

- Lors de la phase thermophile, succède la phase de refroidissement. La diminution de la

quantité de matières organiques facilement dégradables provoque un ralentissement de

l’activité microbienne. La chaleur générée par la dégradation microbienne est alors inférieure

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aux pertes dues aux échanges surfaciques et à l’évaporation, entraînant un refroidissement du

compost. Cette phase de refroidissement peut être très progressive ou au contraire très rapide

en fonction des conditions climatiques ou de la taille du tas de compost par exemple. Au cours

de cette phase, des micro-organismes mésophiles recouvrent à nouveau le compost.

- Au cours de la dernière phase appelée phase de maturation, les processus

d’humification prédominent, ainsi que la dégradation lente des composés résistants. Cette

phase de maturation dure jusqu’à l’utilisation des composts.

Il faut noter que les deux premières phases qui sont en général des phases de

dégradation des matières organiques sont regroupées sous le nom de fermentation (du latin

fermentation signifiant altération), correspondant donc à une phase de dégradation

intensive de la matière organique. S’il s’agit effectivement de processus de dégradation de la

matière organique, il ne s’agit pas au sens strict d’une fermentation (métabolisme énergétique

au cours duquel le substrat est dégradé en anaérobiose), car par définition, le compost doit

évoluer en conditions aérobies. Mais par extension, le terme fermentation définit les

modifications chimiques du substrat liées à l’activité microbienne, tant en aérobiose qu’en

anaérobiose (Dictionnaire d’Agriculture – Conseil International de langue française, 1999).

Certains auteurs utilisent le terme de fermentation aérobie. Ce terme de fermentation est très

utilisé dans le milieu du compostage (SUGAHARA & IONOKO ,1981; HARADA et al.,

1981; GODIN P. 1981; IGLESIAS-JIMENEZ & PEREZ- GARCIA ,1989 ; SANTIS et al.,

2011 ; TIWARY et al., 2010).

Bien que globalement le compostage se fasse dans des conditions aérobies, plusieurs

travaux ont mis en évidence la présence possible de sites anaérobies durant la phase de

dégradation intensive (KIRCHMANN & WIDEN ,1994; BECK-FRIIS et al., 2000; HE et al.,

2000 ; SHRINIVAS et al., 2011). De tels sites peuvent s’expliquer par l’intense activité

microbienne consommatrice d’oxygène et génératrice de gaz carbonique combinée à un

manque d’aération du compost.

Il faut signaler que cette vision des quatre phases du compostage est avant tout une

vision théorique qui représente ce qui se passe au cœur du compost. L’évolution de

température au sein d’un compost dépend de la production interne de chaleur et des échanges

avec l’extérieur (BACH et al., 1987). Un tas de compost est un milieu hétérogène, qui a des

surfaces d’échange avec le milieu extérieur, des zones de tassement, et des gradients de

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température et d’humidité (MILLER et al., 1989; FERMOR ,1993). Pour réduire cette

hétérogénéité et favoriser la biodégradation, un travail du compost est souvent réalisé,

généralement durant la phase de dégradation: retournement, arrosage et criblage.

Ce travail entraîne fréquemment une reprise de l’activité microbienne, traduite par des

remontées de la température.

Figure III-02 : Courbe théorique d’évolution de la température et du pH

au cours du compostage d’après MUSTIN (1987)

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Figure III-03 : Représentation schématique des principaux transferts de chaleur et de

matière au sein du compost

III.5. Les micro-organismes du compost

Le compostage est une technique très ancienne et couramment utilisée, ce procédé est

l’une des biotechnologies les plus complexes qu’ils soient, en raison des changements d’états

physiques et biologiques innombrables durant le processus. Une bonne compréhension de ces

changements exige une étude précise des successions de communautés microbiennes

comprenant l’ensemble des micro-organismes présents y compris ceux qui sont en très faible

proportion. Selon certains travaux Selon HARUTA et al. (2005), la microbiologie du

compostage doit être étudiée au travers de divers aspects, comme par exemple, la composition

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et la succession des communautés pendant le processus, les micro-habitats, ainsi que les

fonctions des micro-organismes au sein de la communauté bactérienne (KOUTROULI et al.,

2009 ; REGUEIRO et al., 2013 ; SINGHANIA et al., 2013).

III.5.1. Les bactéries

Les bactéries sont toujours présentes et largement dominantes en qualité et quantité au

cours du compostage. Elles sont typiquement unicellulaires avec une taille de 0,5 à 3 μm. Par

leur petite taille, les bactéries ont un rapport surface/volume très élevé, leur permettant des

transferts rapides de substrats solubles à l’intérieur de la cellule, ce qui assure souvent leur

prédominance sur des micro-organismes de plus grandes dimensions comme les champignons

(TUOMELA et al., 2000). Un autre avantage des bactéries est la capacité, pour certaines

d’entre elles en particulier celles appartenant au genre Bacillus, de se protéger en produisant

des spores très résistantes à la chaleur, aux radiations et aux désinfections chimiques (HAUG,

1993). Les bactéries isolées dans les différents types de compost constituent une importante

diversité de genres et d’activités.

Depuis les années 1900, de nombreuses études micro biologiques ont rendu compte

des processus de compostage. Elles ont été passées en revue par certains auteurs FINSTEIN et

MORRIS en 1975. Plus récemment, RYCKEBOER et al. (2003) ou HARUTA et al. (2005)

ont compilé les différentes études pré-existantes et ont établi une liste des espèces isolées pour

chacune des phases du compostage en fonction de la température et du pH. Pendant la phase

mésophile, les bactéries isolées appartiennent à diverses familles, Sur le Tableau III-04 sont

regroupées les différentes bactéries intervenant à différentes phases du compostage et qui sont

responsables de la destruction des produits simples au cours des deux premières phases. Elles

sont majoritaires au cours de la première phase. Comme les bactéries, la majorité des

champignons sont mésophiles et se développent entre 5 °C et 37 °C.

Tableau III-04: Classification des espèces en fonction des phases du compostage

RYCKEBOER et al. (2003) ou HARUTA et al. (2005)

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Phase

mésophile

Alcaligenaceae, Alteromonadaceae, Bacillaceae, Burkholderiaceae,

Bradyhizobiaceae, Caryophanaceae, caulobacteraceae,

Cellulonadaceae, Clostridiaceae, Comamonadaceae,

Corynebacteriaceae, Enterobactériaceae, Flavobactériaceae,

Flexibacteraceae, Hyphomicrobiaceae, intrasporangiaceae,

Methylobactériaceae, Microbactériaceae, Micrococcaceae,

Moraxellaceae, Neisseriaceae, Nitrosomonadaceae, Nocardiaceae,

Nocardiopsaceae, Paenibacillaceae, Phyllobactériaceae,

Propionibacteriaceae, Psendomonadaceae, Pseudonocardiaceae,

Rhodobacteraceae, Sphingobacteriaceae, Sthphylococcaceae, et

Xanthomonadaceae.

Phase

thermophile

Micromonospororaceae, Streptommycetaceae,

Thermoactinomycetaceae, Thermomonosporaceae et

Streptosporangiaceae.

Phase de

maturation

Streptomyces et Nocadia.

Après cette phase de dégradation, et donc pendant la phase de maturation et de

ralentissement de l’activité, la diversité taxonomique microbienne augmente encore

(HARUTA et al., 2005 ; ERMANNO et al., 2011).

Parmi les bactéries un sous-groupe a une grande importance au sein du compost : les

actinomycètes. Ce sont des bactéries formant des filaments multicellulaires et agissants plus

tardivement que les autres. Ils apparaissent aussi bien lors de la phase thermophile que

pendant la phase de maturation du compostage (TUOMELA et al., 2000).

Les actinomycètes tolèrent des pH légèrement basiques mais leur croissance est lente.

Ils peuvent cependant dégrader la cellulose et la lignine comme certains champignons tout en

tolérant des températures et un pH plus élevés que les champignons. Ainsi, les actinomycètes

sont des agents essentiels de la lignocellulolyse pendant la phase thermophile, bien que leur

capacité de dégrader la cellulose et la lignine ne soit pas aussi étendue que celle des

champignons (TUOMELA et al., 2000). Les genres Streptomyces et Nocardia représentent

plus de 90 % de leur biomasse selon MUSTIN (1987).

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III.5.2. Les champignons

La température est l’un des plus importants facteurs affectant la croissance fongique

devant les sources de carbone et d’azote et le pH. Un niveau modérément élevé de l’azote est

nécessaire pour la croissance fongique bien que quelques champignons, dits de la pourriture

blanche, se développent à des taux d’azote bas. En effet, un milieu pauvre en azote est

souvent un préalable à la dégradation de lignine (DIX & WEBSTER, 1995 ; ZHANG et al.,

2010). Cependant, ces auteurs affirment qu’une carence en azote est un facteur limitant pour

la dégradation de la cellulose.

La plupart des champignons préfère un environnement acide mais tolère un large

éventail de pH, excepté les Basidiomycotina qui se développent moins bien au-dessus de pH

7,5. Les espèces de Coprinus sont les seules Basidiomycètes préférant un environnement

alcalin (DIX & WEBSTER, 1995 ; DEBNATH et al., 2013). La majorité des champignons est

mésophile et se développe entre 5 et 37 °C, avec une température optimale de 25 à 30 °C.

Cependant, le processus de compostage, engendrant des élévations de température

importantes, octroie une grande importance au petit groupe de champignons thermophiles

dans la biodégradation de la matière organique.

Les capacités ligninocellulolytiques de tous les champignons thermophiles ne sont pas

déterminées. Cependant, la plupart d’entres eux sont connus pour dégrader la lignine, la

cellulose ou les hémicelluloses (TUOMELA et al., 2000). Les plus importantes capacités de

dégradation de la lignine sont rencontrées chez Basidiomycotina (MOUCHACCA, 1997).

Ceux-ci sont mésophiles mais quelques-uns d’entres eux se développent à des

températures plus élevées. Par exemple, Phanerochaete chrysosporium qui est un

champignon de la pourriture blanche, ayant fait l’objet de nombreuses études pour ses

capacités de production d’enzymes actives dans la dégradation de la cellulose et de la lignine,

a des températures optimales de 36 à 40 °C avec des températures maximales de 46 à 49 °C

(MOUCHACCA, 1997 ; ELLIOTT et al., 2012). Le Tableau III-05 présente quelques

champignons intervenant à des températures et pH donnés pour dégrader la matière organique

(MO) surtout au cours de la phase de ralentissement.

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Tableau III-05: Différents types de champignons en phase de ralentissement

Champignons MO dégradée Température pH Références

Basidiomycotina Ligninc 5 C à 37

C

Sup à 7.5 Mouchacca, 1997

Phanerochatete

chrysosporium

Cellulose

lignine

36 C à 49

C

Sup à 7.5 Mouchacca, 1997

Basidiomycètes Ligninc 15 C à 40

C

acide Dix & Webster,

1995

Coprinus

(Basidiomycètes)

Cellulose,

hémicelluloses

15 C à 40

C

Milieu

alcalin

Dix & Webster,

1995

Petits groupes de

champignon

Ligninc,

cellulose,

hémicellulose

40 C à 75

C

acide Mouchacca, 1997,

Tuomocla et al.,

2000.

III.5.3. Les algues, les protozoaires et les animaux pluricellulaires

Il y a trois principaux types de micro-organismes, qu’on retrouve également dans le

compost, des algues, des protozoaires et des animaux pluricellulaires. Les algues se

développent en surface en présence de lumière. Le rôle des algues est mal connu, mais leur

importance dans l’évolution de la matière organique en milieu aérobie est sans doute faible

(MUSTIN, 1987). Les protozoaires bactériophages sont connus pour une action importante

sur le nombre de bactéries dans les sols. Des variations cycliques des populations prédateurs /

proies ont été observées (MUSTIN, 1987). Les animaux pluricellulaires présents dans les

composts appartiennent à différentes catégories. Par ordre de taille sont représentés les

microarthropodes (collemboles, acariens et myriapodes) et les nématodes (vers ronds) entre

0,2 et 4 mm, les larves d’insectes (autres que les collemboles) et les Annélides (vers de terre)

entre 4 et 80 mm et enfin les animaux supérieurs à 80 mm comme les mollusques (limaces,

escargots, etc.) et les crustacés notamment représentés par les cloportes. Beaucoup de ces

animaux pluricellulaires se nourrissent de débris végétaux et peuvent avoir un rôle important

dans l’homogénéisation des composts.

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III.6. Les différents procédés de compostage

Il existe une grande variété d’usines de compostage allant des plates formes les plus

simples, constituées uniquement d’une surface à l’air libre pour placer les andains et de

quelques engins (broyeurs, tracto- pelles), aux plates-formes les plus sophistiquées constituées

d’espaces abrités, d’appareils de contrôle continu de la température, de la teneur en oxygène,

de systèmes de ventilation, etc.

III.6.1. Compostage en andains

- Andains retournés

Le compostage en andains consiste à placer un mélange de matières premières dans de

longs tas étroits appelés andains remués ou tournés de façon régulière. Ces andains sont aérés

essentiellement par un mouvement passif ou naturel de l’air (convection et diffusion gazeuse).

Le taux d’échange avec l’air dépend de la porosité de l’andain. Ainsi, la taille de l’andain qui

peut être effectivement aéré de cette manière est déterminée par sa porosité. Un andain

composé de feuilles peut être bien plus grand qu’un andain humide contenant du fumier.

Quand l’andain est trop grand, des zones anaérobies peuvent alors apparaître à proximité du

centre et des odeurs sont libérées quand l’andain est retourné. Par contre, les petits andains

perdent rapidement de la chaleur et risquent de ne pas réussir à atteindre une température

suffisamment élevée pour permettre l’évaporation de l’eau et l’élimination des pathogènes et

des graines d’adventices.

Pour les compostages à petites et moyennes échelles, le retournement peut être effectué à

l’aide d’un chargeur frontal ou d’une pelle portée par un tracteur ou un tracto- pelle. Le

chargeur soulève les matériaux de l’andain et les déverse à nouveau, mélangeant ainsi les

matières et dépose le mélange sous forme d’un andain plus aéré. Le chargeur peut mélanger

les matières se trouvant à la base de l’andain avec celles du haut, formant ainsi un nouvel

andain à proximité de l’ancien. Il est très important de suivre un programme de retournement.

La fréquence de retournement est fonction du taux de décomposition, du taux d’humidité et de

la porosité des matériaux, ainsi que de la durée désirée de compostage. Comme le taux de

décomposition est plus important au début du processus, la fréquence de retournement

diminue au fur et à mesure que les andains mûrissent.

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- Andains aérés passivement

Avec la méthode des andains aérés passivement, de l’air sont fournis aux composts par

des tuyaux perforés, enfoncés dans l’andain, qui élimine la nécessité du retournement. Les

extrémités des tuyaux sont ouvertes et l’air circule ainsi dans les tuyaux et à travers l’andain

en raison de l’effet de tirage créé par les gaz chauds qui s’élèvent hors de l’andain.

- Tas statique aéré

La méthode du tas statique aéré utilise le système d’aération par tuyau mais est plus

avancée, car elle utilise un ventilateur pour fournir de l’air au compost. Le ventilateur offre un

contrôle direct du processus et permet de travailler avec des tas plus importants, sans

retournement après le début du compostage. L’air est aspiré ou soufflé à travers le tas. Le tas

n’étant pas retourné par la suite, la sélection et le mélange initial des matières premières sont

cruciaux afin d’éviter une mauvaise répartition de l’air et un compostage irrégulier. Le

mélange a également besoin d’une bonne structure afin de conserver sa porosité tout au long

de la période de compostage. Pour le compostage statique en tas, l’air peut être fourni de deux

façons: un système d’aspiration avec l’air aspiré à travers le tas ou un système de soufflage

grâce au ventilateur injectant de l’air dans le tas.

III.6.2. Compostage en récipients clos

Le compostage en récipient fait référence à un ensemble de méthodes qui confinent les

matières à composter dans un bâtiment, un container ou un récipient. Ces méthodes sont

basées sur l’aération forcée et des techniques de retournement mécanique qui visent à

accélérer le processus de compostage. De nombreuses méthodes combinent les techniques des

andains et des tas aérés dans le but de surmonter les faiblesses et exploiter les avantages de

chaque méthode.

- Compostage en casier

Le compostage en casier est peut être la méthode de compostage en récipient la plus

simple. Les matières sont contenues par des murs avec le plus souvent un toit. Les bâtiments

ou les silos permettent de stocker des quantités plus importantes de matériaux et d’utiliser

l’espace au sol de manière plus efficace que ne le font les tas indépendants. Les casiers

permettent aussi d’éliminer les problèmes climatiques, de maîtriser les odeurs et d’offrir un

meilleur contrôle de la température. Les méthodes de compostage en casier fonctionnent de la

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même façon que la méthode du tas statique aéré. Elles comprennent des procédés d’aération

forcée à la base du casier et un petit nombre, voire aucun retournement des matériaux. Un

mélange occasionnel des matières dans les casiers peut faire redémarrer le processus. Les

matières à composter peuvent être déplacées d’un casier à l’autre. La plupart des principes et

des conseils suggérés pour le tas aéré s’applique également au compostage en casier.

- Lits rectangulaires remués

Le système de lit remué est une combinaison des méthodes d’aération contrôlée et de

retournement périodique. Le compostage a lieu entre des murs qui forment de longs et étroits

couloirs appelés lits. Un rail ou une saignée en haut de chaque mur supporte et guide la

machine retournant le compost. Un chargeur place les matières premières à l’extrémité

frontale du lit. Au fur et à mesure que la machine avance sur les rails, le compost est retourné

et reposé à l’arrière.

- Silos

Une autre technique de compostage fait intervenir un récipient clos ressemblant à un

silo à déchargement par le bas. Le système d’aération à la base du silo souffle de l’air à

travers les matières à composter. L’air évacué peut être recueilli au sommet du silo de façon à

en traiter les odeurs. Cependant, l’empilement présente des problèmes au niveau de la

compaction, du contrôle de la température et de la circulation de l’air. Les matières n’étant

que très peu mélangées dans le silo, celles-ci doivent l’être préalablement à leur chargement

dans le silo.

- Tambours rotatifs

Ce système utilise un tambour horizontal rotatif pour mélanger, aérer et déplacer les

matières à travers le système. De l’air est fourni à partir de l’extrémité de déchargement et est

intégré aux matières alors que celles-ci sont remuées.

III.6.3. Vermicompostage

Le terme vermicompostage (ou lombricompostage) se réfère à l’utilisation de vers de

terre pour composter les résidus organiques. Les vers de terre peuvent consommer

pratiquement tous les types de matière organique et peuvent absorber l’équivalent de leur

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propre poids par jour, par exemple 1 kg de vers de terre peut consommer un kg de résidus

chaque jour. Les excréments (turricules) des vers de terre sont riches en nitrates, et en formes

disponibles de P, K, Ca et Mg. Le passage du sol à travers les vers de terre favorise la

croissance des bactéries et des actinomycètes.

Les actinomycètes se développent en présence de vers de terre et leur teneur dans les

déjections de vers de terre est six fois supérieure à celle du sol d’origine.

III.7. Pourquoi composter ?

Le compostage permet de transformer un matériau en fin de vie, le déchet, en un

produit utilisable, le compost. L’intérêt premier d’un compost est d’être un amendement

organique permettant d’améliorer la fertilité des sols. Par rapport à des déchets non compostés

le compostage présente un certain nombre d’autres avantages :

- Le compostage permet de réduire les masses et les volumes d’environ 50 % par

rapport aux déchets initiaux. Ces réductions sont dues à la minéralisation des

composés organiques, à la perte d’eau et à la modification de la porosité du milieu

(DAS & KEENER ,1997; EKLIND & KIRCHMANN , 2000a ; BERNAL et al.,

2009).

- La perte en matière organique entraîne une concentration des éléments minéraux

au sein du compost (KIRCHMANN & WIDEN ,1994 ; HAN et al., 2010 ;

PONSA et al., 2010).

- L’augmentation de la température permet la destruction des agents pathogènes.

D’autres facteurs qui restent à étudier pourraient intervenir (STENTIFORD ,1996;

SIDHU et al., 1999 ; LAKHTAR et al., 2010).

- L’action combinée de l’élévation de température et de la libération d’agents

inhibiteurs permet la destruction de graines d’adventices (WIART, 1997 cité par

LECLERC, 2001).

III.8 Les différents composts

En théorie, tout déchet organique biodégradable est compostable. Le travail réalisé

dans le cadre de ce mémoire ne portant que sur les composts d’origine urbaine.

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III.8.1. Les composts d’origine urbaine

Les composts d’origine urbaine ont fait l’objet de nombreuses études depuis une

cinquantaine d’années. La France produit environ 47 millions de tonnes de déchets

municipaux (ensemble des déchets collectés et traités sous la responsabilité des municipalités

et leurs groupements), dont environ la moitié est composée de composés biodégradables

(IFEN , 2002). La loi Lalonde de 1992 qui prévoyait l’interdiction de mise en décharge des

déchets dits non-ultimes (c’est à dire pouvant être traités par recyclage, valorisation

biologique, ou incinération), renforcée par les circulaires d’avril 1998 et de juin 2001 du

ministère de l’environnement et de l’aménagement du territoire, ont mis en avant le

compostage dans le traitement des déchets urbains. Toutefois, le développement du

compostage de déchets urbains est dépendant des débouchés qu’ont les composts, en

particulier en agriculture. L’obtention de composts de qualité (valeur agronomique avérée et

inoccuité) est donc nécessaire (KELESSIDIS et al., 2012).

L’efficacité des traitements des déchets urbains par compostage s’est

considérablement améliorée ces dernières années. Cette amélioration est due en partie à la

mise en place des collectes sélectives. Développées en France depuis une dizaine d’années,

les collectes sélectives multi matériaux concernent près d’un Français sur trois (ADEME

,2000). Ce tri en amont est accompagné d’une efficacité croissante des techniques et matériels

utilisés sur les plates-formes de compostage : amélioration du tri (table densimétrique,

aimantation et soufflerie) et amélioration des techniques de compostage (suivi continu de la

température, de l’humidité, etc.). L’engagement croissant des industriels et des exploitants

pour produire des composts de qualité, en s’appuyant sur une meilleure connaissance du

compostage, participe à cette amélioration (PIOTROWSKA et al., 2011).

III.8.2. Autres composts

- Les composts d’effluents d’élevage

Composter les effluents d’élevage est une pratique courante et ancienne. Le compost

obtenu à partir de fumier de bovins est le compost d’effluent d’élevage le plus courant, mais

des composts à partir de fumier d’ovins, de porcs et de volailles, et à partir de lisier de porcs

sont également réalisés (LECLERC, 2001 ; AVIANI et al., 2010).

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- Les composts de déchets industriels et agricoles

Il s’agit principalement du compostage de déchets de sucreries de la filière betteravière

pour les industries agro-alimentaires, et des déchets de papeteries pour l’industrie hors agro-

alimentaire.

III.9. Quels déchets composter ?

III.9.1. Les boues de station d’épuration

La boue est un mélange d’eau et de matières solides, séparé par des procédés naturels

ou artificiels des divers types d’eau qui le contiennent. Les boues de station d’épuration sont

issues du traitement des eaux usées domestiques ou industrielles. En effet, l’eau consommée

ou utilisée par l’homme à l’échelle domestique ou industrielle génère inévitablement des

déchets. Les eaux usées sont recueillies par les égouts et dirigées vers les stations d’épuration

afin d’être purifiées avant leur réintroduction dans le milieu naturel (FONTS et al., 2012).

Leur traitement dans les stations permet de séparer une eau épurée d’un résidu secondaire, les

boues, bien pourvu en matière organique, azote, phosphore ainsi qu’en oligo-éléments. Le

traitement des eaux usées permet d’éliminer, d’une part, la partie la plus facilement

dégradable de la matière organique et, d’autre part, les différents composés dont les eaux sont

chargées (débris alimentaires, graisses, fibres textiles et cellulosiques, savons, lessives et

détergents) avant leur réintroduction dans le cycle de l’eau .

III.9.2. Les déchets verts

Les déchets verts sont des déchets organiques issus de l’entretien des espaces verts,

des jardins privés, des serres, des terrains de sports etc. On désigne par déchets verts les

feuilles mortes, les tontes de gazon, les tailles de haies, d’arbustes, les résidus d’élagage.

III.9.3. Les déchets ménagers

Les déchets ménagers sont des déchets issus de l’activité domestique des ménages et

pris en compte par les collectes usuelles ou séparatives. Ces déchets peuvent être séparés en

deux sous catégories :

- La fraction résiduelle des déchets ménagers obtenue après séparation des papiers,

cartons, verres et emballages. Elle est également désignée par le terme « ordures ménagères

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grises » du fait de la couleur de la poubelle utilisée par les collectivités qui pratiquent ce type

de collecte sélective.

- La fraction fermentescible (putrescible) des ordures ménagères : déchets organiques

biodégradables, ou bio déchets (déchets de cuisine, fleurs, etc.), récupérés lors de collectes

sélectives visant à les isoler des autres composés non putrescibles. Les déchets verts des

jardins des particuliers sont souvent collectés avec cette fraction. Les déchets de marchés

constituent également cette catégorie. (Figure III-04).

Figure III-04 : Les différents types de composts urbains.

III.10. Conditions réglementaires de l’utilisation des composts en agriculture

Les composts sont essentiellement utilisés en agriculture, mais également pour la

revégétalisation des sites, ou comme support de culture. Pour être utilisés, les composts

doivent faire l’objet d’une procédure d’homologation, ou répondre aux critères de

spécification définis dans la norme 44-051 définissant les amendements organiques. Cette

norme est d’application obligatoire pour l’utilisation de ces produits, mais est très peu

contraignante en raison notamment de l’absence de critères d’innocuité (polluants et

pathogènes). Elle est actuellement en cours de révision. Les composts n’entrant pas dans le

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cadre de cette norme (composts de boues de station d’épuration par exemple) doivent être

utilisés dans le cadre d’un plan d’épandage (CHARTZOULAKIS et al., 2010).

L’utilisation des composts en agriculture biologique est possible, lorsque le besoin est

reconnu par l’organisme de contrôle. Les composts d’effluents d’élevage (sauf l’élevage

hors-sol), les composts de déchets verts et les composts de biodéchet peuvent être utilisés en

agriculture biologique. Cependant, ces derniers doivent avoir des teneurs très faibles en

métaux (LECLERC, 2001 ; MAGDICH et al., 2012 ; MECHRI et al., 2011).

En concluions le compostage des déchets urbains s’inscrit dans un contexte de gestion

de déchets urbains de plus en plus nombreux. C’est un mode de traitement des déchets qui

permet d’obtenir un produit utilisé principalement en tant qu’amendement organique en

agriculture. Il existe une grande diversité de composts, liée à la diversité de la nature des

déchets compostés, et à la diversité des procédés de compostage. La mise en place de collecte

sélective, l’amélioration des techniques de compostage utilisées, et la prise en considération

croissante des questions environnementales par les industriels, contribuent à améliorer la

qualité des composts. Cependant, le compostage ne constitue aujourd’hui qu’une faible part

du traitement des déchets d’origine urbaine. Le développement du compostage passe par une

amélioration des connaissances de la valeur agronomique des composts et de leur innocuité.

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Chapitre IV

Caractéristique de la matière organique des composts

et évolution au cours du compostage

Le compostage est un procédé biologique transformant les matières organiques des

déchets en matière organique humifiée. L’humification de la matière organique contribue à la

diminution de la biodégradabilité de la matière organique des composts, souvent appelée

stabilisation. Ce chapitre présente les différents composés organiques des matériaux à partir

desquels sont élaborés les composts urbains. Les données bibliographiques concernant

l’évolution des caractéristiques de la matière organique au cours du compostage de divers

matériaux, obtenues par des techniques issues du domaine de l’étude de la matière organique

du sol.

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IV.1. Aspects biochimiques du compostage

Au sein du compost, on distingue généralement les substances non-humiques et les

substances humiques. Les substances non-humiques sont des composés aux caractéristiques

chimiques reconnaissables dont la majorité provient des résidus de constituants organiques

végétaux, animaux ou microbiens, molécules retrouvées dans les boues et les déchets verts.

Ce sont les constituants de ces résidus organiques qui forment la matière organique du

compost. Ainsi, on peut distinguer des glucides, principalement la cellulose et les

hémicelluloses, ainsi que la lignine, constituants les plus abondants des plantes et donc des

déchets verts, mais aussi, les lipides, les protéines, les tanins, la cutine ou la subérine, etc.

Les substances humiques sont des composés organiques stables, impliqués dans de

nombreux processus au sein des composts et des sols par exemple désagrégation du sol,

nutrition des plantes, stabilisation du pH, mobilité et toxicité d’élément trace métallique,

disponibilité biologique , etc. Cependant, leur structure moléculaire est encore mal connue et

leur définition peu précise. Ces principaux constituants seront brièvement présentés.

IV.2. Substances non humiques : structure et dégradation

Une variété importante de composés organiques constitue, dans des proportions

variables, les matières initiales présentes dans les composts. Leurs structures, leurs rôles et

leurs métabolismes, au sein du compost, sont exposés ci-dessous.

IV.2.1. Les glucides

Les oses, monosaccharides ou « sucres simples » sont très présents dans les végétaux,

et donc dans les biodéchets (FRANCOU, 2003). Ces monosaccharides, facilement

métabolisables, sont dégradés en début de compostage (LYNCH, 1992). Les polysaccharides

constituent la forme principale des glucides dans la matière organique en décomposition

(STEVENSON, 1994). Ce sont des homopolymères, résultant de la condensation d’un grand

nombre de monosaccharides. Les polysaccharides d’origine végétale les plus abondants sont

la cellulose et les hémicelluloses.

La cellulose est le composé organique le plus abondant dans la biosphère, comportant

presque la moitié de la biomasse synthétisée par la fixation photosynthétique de CO2 (DENG

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& TABATABAI, 1994). Ce homopolymère linéaire est constitué de sous unités de D-glucose

(> 10000) liées entre elles par des ponts β-1,4 (Figure IV.01a) appelés liaisons glycosidiques.

L’arrangement régulier des groupes hydroxyles, le long des chaînes de cellulose,

conduit à la formation de liaisons hydrogène (Figures IV.01b) et, par conséquent, à une

structure fibrillaire (Figure IV.01c). Cette structure existe sous forme amorphe, ou sous forme

cristalline, plus résistante à la dégradation enzymatique et microbienne (Stevenson, 1994).

Figure IV-01: Structure de la cellulose : (a) Deux molécules de glucose liées par une liaison

β-1,4 glycosidique; (b) Liaisons hydrogène entre deux chaînes de cellulose; (c) Structure

fibrillaire de la cellulose (Extrait de KÖGEL- KNABNER, 2002)

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Les hémicelluloses sont des constituants végétaux qui accompagnent la cellulose dans

la constitution du bois. Mais contrairement à la cellulose, les hémicelluloses sont des

hétéropolysaccharides. En effet, elles sont constituées de divers monosaccharides incluant

principalement des hexoses tels que le glucose, le mannose et le galactose ainsi que des

pentoses tels que la xylose et l’arabinose (LYNCH, 1992). Les molécules d’hémicelluloses

sont plus ou moins ramifiées et présentent un degré de polymérisation plus faible que celui de

la cellulose (Figure IV.02).

Figure IV-02: Exemple d’une unité d’hémicellulose : Arabino-4-O-méthyl-glucurono-xylane

(Extrait de KÖGEL- KNABNER, 2002)

IV.2.2. La lignine et le complexe lignocellulosique

La ligninocellulose est un complexe formé de polymères de lignine, de cellulose et

d’hémicelluloses. Les fibres de cellulose peuvent être étroitement liées aux hémicelluloses et

à la lignine par des liaisons hydrogène ou des liaisons covalentes, ester ou éther (KOGEL-

KNABNER, 2002).

La lignine est une macromolécule complexe composée d’unités de type

phénylpropanoïde. Ce polymère aromatique participe à la rigidité de la paroi cellulaire et rend

les plantes plus résistantes à l’attaque des organismes pathogènes. Après les polysaccharides;

la lignine est le plus abondant biopolymère dans la nature (KOGEL-KNABNER, 2002 ;

TUOMELA et al., 2009).

Les trois unités primaires de la lignine sont l’alcool p-coumarylique, l’alcool

coniférylique et l’alcool sinapylique (Figure IV- 03). Le pourcentage de ces unités varie selon

les végétaux.

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Figure IV-03: Structure des précurseurs de la lignine. (I) : Alcool p-coumarylique ; (II) :

Alcool coniférylique ; (III) : Alcool sinapylique ; d’après KÖGEL-KNABNER (2002)

La lignine résulte de la polymérisation de sous-unités liées entre elles par trois liaisons

majeures : les liaisons arylglycérol-β-aryléther qui peuvent représenter jusqu’à 50 % des

liaisons et en moindre proportions les liaisons carbone - carbone et les liaisons

phénylcoumaranes (Figure IV-04).

Figure IV-04: Structure des liaisons principales dans la lignine (Extrait de KÖGEL-

KNABNER, 2002)

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La structure de la lignine n’est pas encore totalement résolue. Jusqu’à présent, la

lignine a été considérée uniquement comme une macromolécule tridimensionnelle (Figure IV-

05). Cependant, BANOUB & DELMAS (2003). Lui attribuent une structure linéaire (Figure

IV-06).

Figure IV-05 : Modèle de lignine tridimensionnelle (Extrait de KÖGEL-KNABNER, 2002)

Figure IV-06 : Modèle de lignine linéaire (Extrait de BANOUB ET DELMAS, 2003)

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IV.2.3. Les protéines

Les protéines peuvent avoir des rôles très divers (structure, transporteur, hormone,

enzyme, etc.) qui les a rendu ubiquistes dans le monde vivant et c’est pourquoi celles-ci sont

retrouvées dans les biodéchets. Les protéines jouent un rôle majeur dans la théorie

ligninoprotéique de formation des substances humiques (STEVENSON, 1994 ; JULIANA et

al., 2014). Où les composés aminés réagissent avec la lignine modifiée, mais aussi dans le cas

des réactions de Maillard dans lesquelles des glucides et des composés aminés se condensent

(MAILLARD, 1913).

IV.2.4. Les lipides et polyesters lipidiques

Comme les protéines, les lipides ont un rôle très important dans la nature et se

retrouvent ainsi dans les biodéchets et notamment dans les boues de station d’épuration

(DIGNAC et al., 1998). La dégradation de ces lipides est très variable, la plupart sont

rapidement dégradés pendant le compostage mais les plus complexes sont particulièrement

récalcitrants (FRANCOU, 2003). Les plantes synthétisent deux types de polymères insolubles

dérivés d’acides gras : la cutine et la subérine (appelé polyesters lipidiques). La cutine

compose la matrice macromoléculaire dans laquelle des cires et des lipides de faibles poids

moléculaires sont imbriqués pour former la cuticule. Celle-ci établit ainsi une barrière

imperméable entre la plante et son environnement, la protégeant de la dessiccation due à

l’atmosphère (KOGEL- KNABNER, 2002).

La cutine est un biopolymère insoluble d’acides carboxyliques, principalement

aliphatiques en C16 et C18, composé d’hydroxy et d’époxy acides (Figure IV-07). Le

composé majoritaire en C16 est un dihydroxy acide et ceux en C18 sont des l’ω-hydroxy

acide, le ω- hydroxy-9,10-époxy acide, le 9,10,18-trihydroxy acide et leurs analogues

insaturés (QUENEA et al., 2004). FRANKE et al. (2005). Expliquent que les ω-hydroxy

acides hydroxylés ou époxydés en positions secondaires, approximativement au milieu de la

chaîne, sont les composés majeurs déterminés après dépolymérisation par hydrolyse, mais que

la structure et la composition chimique de la fraction non hydrolysée est encore peu connue.

Cependant, GRACA et al. (2002). Ont identifié des glycérols au sein de la cutine qui

sembleraient jouer un rôle majeur dans sa structure polyesters.

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Figure IV-07 : Monomères et structure de la cutine (Extrait de KOLATTUKUDY, 1980)

La subérine a une structure plus complexe que la cutine. Elle est constituée de domaines

aliphatiques et aromatiques liés entre eux. Le domaine aromatique contient des acides

phénoliques tels que des acides p-coumarique et férulique (BERNARDS, 2002),

vraisemblablement impliqués dans la liaison du domaine aliphatique aux polysaccharides de

la paroi cellulaire végétale (KOGEL-KNABNER, 2002). Le domaine aliphatique de la

subérine est un polymère de polyesters, constitué principalement de ω-hydroxy-acides (C16 à

C28) et de α,ω-di acides (C16 à C26). Molina et al. (2006) rapportent que récemment, le

glycérol a été identifié comme composant majeur. De même, BERNARDS (2002) explique

que le modèle conceptuel, selon lequel le domaine aliphatique des tissus subérifiés est

représenté comme un réseau aléatoire d’acides gras modifiés et d’alcools polyestérifiés, a été

remplacé par un modèle comportant un réseau tridimensionnel lié par le glycérol. Ainsi, cet

auteur a établi un nouveau modèle pour la subérine (Figure IV-08) selon lequel un domaine

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polyphénolique basé sur l’acide hydrocinnamique - monolignol, enrobé dans la paroi

cellulaire primaire, est lié par covalence à un domaine polyaliphatique basé sur le glycérol et

localisé entre la paroi cellulaire primaire et le plasmalemme (membrane plasmique végétale).

Figure IV-08 : Modèle de la subérine de pomme de terre. Les connections indiquées sont

respectivement C : polysaccharide ; P : groupe phénolique et S : subérine (Extrait de

BERNARDS, 2002)

IV.2.5. Les tanins

Les tanins constituent un mécanisme de défense des plantes contre les pathogènes, les

herbivores et des conditions environnementales hostiles et peuvent donc se retrouver dans les

déchets verts. Les tanins ont des structures polyphénoliques et regroupent des composés de

structure et de masse molaire variables. Deux groupes de tanins peuvent être distingués : les

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tanins hydrolysables et les tanins non-hydrolysables ou condensés (proanthocyanidine et

phlorotanins).

Les tanins hydrolysables sont composés de deux types d’unités de base, à savoir un

glucide (la plupart du temps le D-glucose) et des acides phénoliques (Figure IV-09). Les

tanins hydrolysables sont un groupe hétérogène de macromolécules, partagées entre les

gallotanins pour lesquels le glucide est estérifié par l’acide gallique et les ellagitanins où le

glucide est estérifié par l’acide ellagique (KOGEL-KNABNER, 2002). La dégradation des

tanins est effectuée par l’hydrolyse de ces liaisons esters par des enzymes spécialisées : les

tannases (EC,3.1.1.20).

Figure IV-09 : Unités de base de tanins hydrolysables : (a) acide gallique (b) acide ellagique

(Extrait de KOGEL- KNABER, 2002)

Les tanins condensés sont des polymères de polyhydroxy-flavan-3-ol, liés la plupart

du temps par des liaisons entre C-4 et C-8 et sporadiquement entre C-4 et C-6 (Figure IV-10).

Les tanins condensés ne dépassent couramment pas les 10 unités, même si des polymères de

plus de 40 unités ont déjà été observés (KOGEL-KNABNER, 2002).

Cette classe de composés est caractérisée par une immense hétérogénéité due à la

présence de divers groupes fonctionnels.

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Figure IV-10: Structure des tanins condensés (Extrait de KOGEL-KNABER, 2002)

IV.3 : Substances humiques

Les substances humiques sont le résultat des processus d’humification. Le compostage

est classiquement associé au processus naturel d’humification observé pour la matière

organique du sol. Pour cette raison, l’étude des phénomènes d’humification ou de stabilisation

de la matière organique lors du compostage s’appuie sur la théorie générale de formation des

substances humiques (FRANCOU, 2003). L’humification est une transformation de la matière

organique pendant laquelle de nouvelles molécules sont élaborées par voie microbienne et

physico-chimique : les substances humiques. Généralement, on distingue dans ces substances:

les acides humiques (AH), fulviques (AF) et l’humine. Ces composés sont extraits par

différence de solubilité en milieu basique et acide. (CALACE et al., 2007). Seuls les acides

humiques et fulviques sont solubles en milieu basique, l’humine peut ainsi être isolée

facilement. En milieu acide, les acides humiques précipitent, contrairement aux acides

fulviques. Cette définition est strictement opérationnelle et n’a pas de réalité biologique

(QUENEA et al., 2004). En effet, même si les termes génériques d’acides humiques,

fulviques et d’humines couvrent la majeure fraction des substances humiques, la frontière qui

les sépare n’est chimiquement pas clairement identifiée (PICCOLO, 2002).

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La structure des ces trois fractions a fait l’objet de nombreuses recherches mais n’est

toujours pas résolue. Plusieurs études de leurs propriétés chimiques (analyses élémentaires C,

H, N et composition en groupements acides) ont montré une relative constance pour les acides

humiques et fulviques provenant de différents sols (KONONOVA, 1961). Ainsi, bien que

basées sur aucune compréhension moléculaire, quelques simples corrélations ont encouragé la

communauté scientifique à considérer les substances humiques comme une entité ayant ses

propres propriétés chimiques et pouvant être identifiées dans différents environnements,

plutôt que comme une complexe composition de composées non spécifiques (PICCOLO,

2002).

A partir de différentes observations (composition élémentaire, propriétés optiques,

propriétés électrophorétiques et poids moléculaire). KONONOVA (1961) a introduit alors

l’idée que les substances humiques correspondent à un système de polymères.

Historiquement, plusieurs raisons ont amené la communauté scientifique à penser que

les substances humiques avaient une structure polymérique, en dépit de l’absence de preuve

évidente. La première de ces raisons réside dans l’acceptation de la description polymérique

des macromolécules dans les cellules vivantes par STAUDINGER (1935). Il paraissait

commode de supposer que les substances humiques issues de ces substances étaient elles-

mêmes des polymères. Cependant, actuellement, la décomposition et la dégradation des

biopolymères dans les sols sont des processus bien acceptés. KONONOVA (1961). La

seconde raison réside dans les caractéristiques réfractaires des substances humiques (250 à

3000 ans) dans les sols pouvant être expliquées par une structure polymérique stable. De plus,

les hypothèses classiques de formation des substances humiques impliquant la condensation

entre acides aminés et composés issus de la dégradation de la lignine, tendent à envisager que

les substances humiques auraient une structure polymérique similaire à celle de la lignine

(WAKSMAN, 1936). De même, PICCOLO (2002) explique que d’autres hypothèses de

formation des substances humiques, comme la condensation de polyphénols ou les réactions

de Maillard, ont pu justifier le paradigme polymérique des substances humiques par le fait que

ces réactions de polymérisation se produisaient en laboratoire. Un autre aspect contribuant à

la vision polymérique des substances humiques est l’ensemble de leurs propriétés colloïdales

pouvant être assimilées à celles des polyélectrolytes (polymères de très haut poids

moléculaire) en milieu aqueux (VAN DIJK, 1971). La plupart des propriétés des

polyélectrolytes, telles que le processus de floculation et dispersion, ont aussi été observées

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pour les substances humiques (Piccolo, 2002). Ainsi, le principe de haut poids moléculaire a

pu être facilement transféré aux substances humiques.

Il subsiste, cependant, de nombreux débats sur le poids moléculaire des substances

humiques variant suivant les méthodes d’analyses utilisées (PICCOLO, 2002). De même, il a

été proposé de nombreuses théories sur la forme de ces substances: forme globulaire,

configuration linéaire flexible, polyélectrolyte sphérique, forme ellipsoïdale ou repliement

aléatoire de longues chaînes. GHOSH & SCHNITZER (1980) ont réconcilié les différents

concepts en mesurant la pression de surface et la viscosité de substances humiques à

différents pH et à différentes concentrations en sels. Leur comportement (non chargé à bas pH

et polyélectrolytes pour les hauts pH) a permis, sur la base de la théorie polymérique, de

montrer que la configuration macromoléculaire des substances humiques n’est pas unique,

mais varie suivant le pH, la force ionique et le milieu dans lesquels ces substances ont été

dissoutes. Ils ont proposé que les substances humiques soient représentées comme des

colloïdes sphériques à forte concentration, bas pH et haute force ionique, et comme des

polymères linéaires flexibles à concentration et force ionique basses et pH haut.

Bien que ce concept de réversibilité soit le plus largement adopté pour décrire les

substances humiques, ce modèle n’explique pas l’ensemble des comportements des

substances humiques. Ainsi, WERSHAW (1986, 1993) a proposé un modèle dans lequel les

substances humiques correspondent à un agrégat de nombreux composés amphiphiles issus de

la dégradation de polymères végétaux relativement inaltérés possédant des fonctions acides.

En résumé, il est actuellement généralement admis que les substances humiques ont

des structures analogues et sont formées de noyaux aromatiques oxydés, essentiellement des

acides carboxyliques et des acides phénoliques, liés par des chaînes aliphatiques et des

groupements acides et alcools. Le degré de polymérisation varie au sein des composés

humiques, mais PICCOLO (2002) rapporte que les nombreuses tentatives de mesure du poids

moléculaire des substances humiques ont abouti à des résultats présentant de très grandes

différences. Il est tout de même accepté que le poids moléculaire est plus élevé dans l’humine

que dans les acides humiques (10000 et 100000 Da) et les acides fulviques (1000 à 30000

Da). Il est aussi couramment admis que les acides fulviques possèdent davantage de

groupements carboxyliques et phénoliques (SCHULTEN & SCHNITZER, 1997).

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Parmi les modèles proposés, celui de SCHULTEN & LEINWEBER (2000) est

généralement préféré. Ces auteurs proposent une structure en trois dimensions des acides

humiques, basée sur un réseau formé de noyaux aromatiques (phénols, méthoxyphénols,

furanes, pyrroles et pyridine) et de chaînes aliphatiques (alcanes, alcènes, acides, esters)

comportant ainsi de nombreuses fonctions acides, alcools et esters (Figure IV-11). Dans ce

modèle, les acides humiques possèdent des « vides » pouvant piéger ou lier d’autres

composants organiques tels que des glucides, des protéines, des lipides ou des éléments

inorganiques.

Figure IV-11: Modèle d’acides humiques d’après SCHULTEN & LEINWEBER (2000), les

éléments colorés sont : H (blanc), C (cyan), O (rouge), N (bleu) et S (jaune)

Cependant, une autre théorie a été émise par WERSHAW (1986, 1993). Les

substances humiques seraient constituées d’unités de petites tailles formant des agrégats de

grandes tailles en solution aqueuse, maintenus ensemble par des liaisons hydrophobes et

hydrogène et présentant des propriétés similaires à celles des macromolécules. PICCOLO

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(1993) a ainsi estimé que la structure des substances humiques n’est pas polymérique mais

supramoléculaire, et correspond à l’assemblement de petites molécules par des liaisons faibles

(Van der Waals et π-π) en conformation de haut poids moléculaire. L’observation

microscopique des substances humiques semble confirmer cette hypothèse. La représentation

d’ANDREUX & MUNIER-LAMY (1994) permet de comparer la structure des acides

humiques et fulviques. Elle propose une structure globale des substances humiques avec un

noyau central aromatique sur lequel sont fixées des chaînes latérales aliphatiques ramifiées

(Figure IV-12).

Figure IV-12: Modèle de structure des composés humiques (ANDREUX & MUNIER-

LAMY, 1994)

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IV.4. Evolution de la matière organique

IV.4.1. Dégradations particulières

IV.4.1.1. Dégradation enzymatique des glucides

Le métabolisme des glucides existe sous forme de plusieurs voies. Les glucides sont

hydrolysés ou isomérisés en glucose (ou fructose), puis dégradés en pyruvate par la glycolyse,

la voie des pentoses phosphates ou, pour les bactéries, la voie d’Entner-Doudoroff. Le

pyruvate, est, suivant les conditions, fermenté en lactate ou éthanol. En aérobiose, il est

transformé en acétylCoA et oxaloacétate. Enfin, ces derniers rentrent dans le cycle de Krebs

qui libère du dioxyde de carbone et de l’eau. Le métabolisme des polysaccharides est

particulièrement important dans le compostage comprenant des déchets verts. La cellulose est

hydrolysée par un ensemble d’enzymes spécialisés : les cellulases. Ces enzymes hydrolysent

les polymères de cellulose en de petits oligosaccharides et en glucose, par l’intermédiaire de

trois types majeurs d’enzymes.

Les endo-1,4-β-glucanases (EC 3.2.1.91) ou carboxyméthyl-cellulases attaquent

aléatoirement le polymère de cellulose par endo-action. Les exo-β-1,4-glucanases (EC

3.2.1.91) ou cellobiohydrolases agissent en tant qu’exo-enzymes et opèrent à l’extrémité non-

réductrice de la chaîne de cellulose. Les β-glucosidases (EC 3.2.1.21) ou cellobiases,

hydrolysent les unités cellobiose (dimère de glucose) et les oligosaccharides en glucose. Ces

enzymes peuvent être libres, en particulier chez les micro-organismes aérobies, ou groupées

dans une même enzyme à plusieurs composants complexes, le cellulosome, chez les bactéries

cellulolytiques anaérobies (BAYER et al., 1998). Les mécanismes de dégradation

enzymatique des hémicelluloses sont similaires à ceux impliqués dans l’hydrolyse de la

cellulose avec notamment, l’intervention des xylanases et des mannases (SINSABAUGH et

al., 1991). Les produits de dégradation sont variés du fait de l’hétérogénéité même des

hémicelluloses.

IV.4.1.2. Dégradation enzymatique de la lignine

La lignine est un polymère récalcitrant à la dégradation. Les micro-organismes

principalement responsables de la biodégradation du complexe ligninocellulose sont les

champignons aérobies filamenteux parmi lesquels la classe des Basidiomycètes est le groupe

le plus actif (KIRK & FARRELL, 1987). En effet, seul un groupe limité de champignons de

la pourriture blanche est capable de la minéraliser totalement. Les autres champignons

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(pourriture brune et molle) induisent des modifications, mais ont une action de dégradation

limitée. Les champignons de la pourriture blanche (Basidiomycètes et Ascomycètes) sont les

agents les plus abondants de la dégradation de la lignine. Ces champignons dégradent la

lignine plus rapidement que n’importe quel autre organisme et sont responsables de la

majorité de la décomposition de la lignine dans la nature (TUOMELA et al., 2000).

Cependant, leur substrat de croissance n’est pas seulement la lignine, mais aussi la cellulose et

les hémicelluloses (KIRK & FARRELL, 1987; BLANCHETTE, 1995).

Les champignons de la pourriture brune constituent un groupe relativement restreint

de Basidiomycètes dégradant intensément la cellulose et les hémicelluloses, mais ne dégradant

pas la lignine totalement. Ces champignons modifient la lignine principalement par

déméthylations bien que des hydroxylations aromatiques limitées et des clivages de cycles se

produisent également. (KIRK & FARRELL, 1987). Les champignons de la pourriture molle

(Ascomycètes et Deutéromycètes) sont des agents de dégradation de la ligninocellulose plus

lents et moins agressifs que des champignons de la pourriture blanche et brune, et sont

probablement les moins importants quantitativement. Certaines bactéries, appartenant

notamment au groupe des Actinomycètes, peuvent aussi avoir un pourvoir limité de

dégradation de la lignine (TUOMELA et al., 2000). Cette dégradation de la lignine par les

champignons de la pourriture s’effectue par l’intermédiaire d’enzymes oxydatives. Par la

nature et la taille de la lignine, ces enzymes responsables de l’attaque initiale, doivent être

extracellulaires et peu spécifiques (KIRK & FARRELL, 1987).

Les laccases (EC1.10.3.2.) sont des métalloprotéines contenant des atomes de cuivre.

ces atomes de cuivre sont réduits lors de l’oxydation des substrats. D’après Bourbonnais &

Paice (1990), ces laccases catalysent l’oxydation d’un large spectre de composés phénoliques

(mono-, di- et polyphénols) et des amines aromatiques (anilines). Cette oxydation consiste en

un transfert d’électrons du substrat à l’oxygène en formant des molécules d’eau (HAMMEL,

1997). Après avoir reçu quatre électrons, la laccase réduit l’oxygène moléculaire en eau, et

retrouve son état natif. La perte d’un électron entraîne la formation de radicaux, pouvant

polymériser spontanément ou continuer à être dépolymérisés.

La lignine peroxydase (EC 1.11.1.14) ressemble à d’autres peroxydase, c’est-à-dire

qu’elle contient un hème ferrique et fonctionne par l’intermédiaire d’un cycle catalytique de

peroxydase typique (KIRK & FARRELL, 1987). L’enzyme est oxydée par H2O2 en un

intermédiaire déficient en deux électrons, puis revient à son état de repos en exécutant deux

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oxydations sur le substrat donneur. La lignine peroxydase génère des radicaux cations, des

réactions de clivage des liaisons Cα-Cβ (Figure IV- 13a) et l’ouverture de cycles. La lignine

peroxydase oxyde non seulement les substrats habituels des peroxydases tels que des phénols

et des anilines, mais également une variété de structures non phénoliques de lignine et

d’autres éthers aromatiques qui ressemblent à l’unité structurale de base de la lignine

(HAMMEL, 1997).

Les manganèses peroxydases (EC 1.11.1.13) sont aussi des hémoprotéines renfermant

du fer. Elles sont similaires aux peroxydases à la différence que Mn (ІІ) est obligatoirement le

donneur d’électron. Mn (ІІ) est oxydée en Mn (ІІІ). La réaction nécessite la présence d’acides

organiques chélateurs tels que le glycolate ou l’oxalate, stabilisant le manganèse (ІІІ) et

favorisant son dégagement de l’enzyme. Le manganèse (ІІ) peut ainsi agir à distance, éloigné

du site actif de l’enzyme. Le complexe manganèse (ІІІ) - acide organique oxyde, à son tour,

les composés phénoliques de la lignine (MESTER & FIELD, 1997). Cependant, ces

manganèse peroxydases n’ont pas un potentiel oxydant très important et ne peuvent, par

conséquent, pas attaquer les structures non phénoliques récalcitrantes qui prédominent dans la

lignine.

HAMMEL (1997) explique que le manganèse (ІІІ) chélaté oxyde ainsi les structures

phénoliques les plus réactives qui composent approximativement 10 % de la lignine. Ces

réactions ont comme conséquence un degré limité dans la ligninolyse, par la coupure de la

liaison Cα-Caryl et d’autres réactions dégradantes (Figure IV-13.b).

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Figure IV-13: (a) Coupure par une lignine peroxydase de la structure non phénolique interne

arylglycérol-β-aryl éther de la lignine. (b) Coupure par un manganèse peroxydase de la

structure terminal arylglycérol-β-aryl éther de la lignine (Extrait de HAMMEL, 1997)

Tableau IV-01 : Principaux constituants susceptibles d’être présent dans les déchets

d’origines urbaines en fonction de la nature des déchets, et devenir au cours du compostage.

Oses Cellulose Hémicellulose Lignine Protéines Lipides

Déchets verts Présents Très

présente

Très présentes Très

présentes

Présentes Très

présents

Biodéchets Très présents Très

présente

Très présentes Présentes Très

présentes

Très

présents

Papiers-cartons Très

présente

Présente Peu

présente

Absents Absents

Boues

résiduaires

Très présents Très

présente

Présente Peu

présente

Présentes Très

présents

Résistance face

à la

biodégradabilité

Très faible Faible Faible Forte Faible Variable

Devenir au

cours du

compostage

Dégradés et

synthétises(*)

Fortement

dégradée

Fortement

dégradée

Lentement

dégradée

Dégradée et

synthétisées

Dégradée et

synthétisées

*des polysaccharides peuvent également être synthétisés.

IV.4.2. Minéralisation et humification

La matière organique peut suivre deux voies : la minéralisation ou l’humification. La

minéralisation est une assimilation par les organismes du compost des composés organiques

comme source d’énergie et comme élément pour leur métabolisme, au cours de laquelle la

matière organique est transformée en composés minéraux (CO2, N2, etc.). La vitesse de

minéralisation est très fortement dépendante, d’une part, de la nature des composés

organiques et des facteurs environnementaux tels que l’aération ou l’humidité, de la

température, du pH et, d’autre part, de l’accessibilité aux micro-organismes de la matière

organique. La nature des composés organiques influe considérablement sur la vitesse de

minéralisation. Par exemple, la lignine n’est totalement minéralisée que par les champignons

de la pourriture blanche. La biodégradabilité de la matière organique diffère d’un composant à

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68

l’autre. Alors que les glucides et les composés azotés sont rapidement minéralisés (De

BERTOLDI et al., 1983), la lignine, la cutine, la subérine et les tanins condensés présentent

une résistance intrinsèque plus ou moins grande, liée à leur structure chimique qui réduit leur

biodégradabilité.

L’humification est l’ensemble des processus de transformation de la matière organique

engendrant la formation des substances humiques. Après plus de deux cents ans d’étude, les

mécanismes de leur synthèse ne sont toujours pas résolus. Les théories classiques de

l’humification présentent les processus d’humification soit comme des processus purement

biologiques, soit comme des processus biologiques suivis de processus purement chimiques

(STEVENSON, 1994). La Figure IV-14 schématise ainsi les quatre voies théoriques

classiques de formation des substances humiques.

Figure IV-14 : Les quatre voies de l’humification (STEVENSON, 1994)

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69

- La voie 1 est strictement chimique et est connue sous le nom de la réaction de Maillard.

Glucides réducteurs et acides aminés, sous produits du métabolisme microbien, se condensent

sans catalyse enzymatique et conduisent à des mélanoïdes de couleur brun.

- La voie 2 privilégie la formation de polyphénols par les micro-organsimes à partir de

composés non ligniques. L’oxydation enzymatique de ces polyphénols en quinones est suivie

d’une polymérisation produisant les substances humiques.

- Dans la voie 3, les acides et aldéhydes phénoliques, produits de la dégradation microbienne

de la lignine, sont convertis en quinones sous l’action d’enzymes. Ces quinones ensuite

polymérisent en présence ou absence de composés aminés et forment les substances

humiques.

- La voie 4 est appelée théorie ligno-protéique développée par WAKSMAN (1936). Les

composés aminés des micro-organismes réagissent avec les lignines modifiées. Les lignines

sont dégradées de façon incomplète, provoquant une perte des groupes méthoxyl (OCH3), la

génération d’O-hydroxyphénols, et l’oxydation des composés aliphatiques conduisant à la

formation de groupes COOH.

La théorie classique de synthèse des substances humiques, popularisée par Waksman,

présentant les substances humiques comme des lignines modifiées (voie 4) est devenue

obsolète pour de nombreux auteurs selon STEVENSON (1994). La majorité de la

communauté scientifique actuelle privilégie les mécanismes impliquant les voies 2 et 3, i.e.

les mécanismes impliquant des polyphénols et des quinones. Une schématisation de ces

théories est représentée par la Figure IV-15. Dans ce modèle, la première étape est la

réduction des macros molécules végétales, y compris la lignine, en leurs monomères. Certains

d’entres eux polymérisent sous l’action d’enzymes ou spontanément dans certaines conditions

et produisent des molécules plus complexes. L’ordre de formation des substances humiques,

dans ce cas, est : acides fulviques => acides humiques => humines (STEVENSON, 1994). Ce

modèle est l’inverse de celui impliquant la théorie ligno-protéique où la condensation des

résidus de lignine modifiée et de composés aminés, conduit à la formation d’acides humiques

qui se fragmentent en acides fulviques.

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70

Figure IV-15 : Représentation schématique de la formation des substances humiques par la

théorie polyphénolique

Pour résumer, différents types de réactions conduisent à la production de substances

humiques. Ainsi, une origine multiple est suspectée (STEVENSON, 1994), même si la voie

majeure de formation de ces substances semble être constituée par les réactions de

condensation impliquant des polyphénols et des quinones.

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71

Tableau IV-02 : Quelques données bibliographiques concernant la distribution du

carbone organique dans les fractions humiques et fulviques pour différents composts.

Référence Déchets principaux

compostés

Degré

d’évolutio

n

COT C-AH

%MS

C-AF

(Sugahara & lonoko,

1981)

Ordures ménagères initial 41 0.1 9.7

(Riffaldi et al., 1983) Ordures ménagéres

Effluents

Boues STEP

Avancé

Avancé

Avancé

18

32

27

1.4

4.5

2.5

2.3

2.8

3.8

(Saviozziet al .,1988)

Ordures ménagéres

Effluents

Initial

Stable

Déchets

Stable

30

21

39

36

0.6

2.4

2.1

4.2

2.1

1.3

2.7

2.4

(Roletto et al., 1985a)

Boues STEP

Effluents

Avancé

Avancé

28

31

3.0

2.7

0.9

2.1

(Forster et al., 1993)

Végétaux

Ordures ménagères

Ordures ménagères

Boues

6mois

9mois

18mois

4mois

33

25

15

31

7.9

6.8

4.2

2.1

1.9

2.4

0.7

1.9

(Kostov et al., 1994) Sciure de bois 3mois

6mois

43

42

1.3

1.5

1.6

1.4

(Adani et al., 1995)

Effluents

Ecorces

Boues STEP

Initial

2mois

5mois

--

--

44

36

34

43

25

6.2

8.4

9.4

20.5

11.5

1.5

1.4

2.1

2.5

1.5

(Bernal et al.,1998b) Boues industrie coton Initial

Moyen

Avancé

44

36

36

7.2

7.8

7.8

3.7

3.1

2.6

(Provenzano et al.,

1998)

Ordures ménagères

Ordures ménagères

Ordures ménagères

Ordures ménagères

3jours

15jours

2mois

1an

28

26

32

23

5.7

5.1

6.2

6.4

(Ouatmane et al.,2000)

Ordures ménagères

20jours

2mois

6mois

1an

45

35

23

15

1.0

1.4

3.6

3.1

10.2

7.6

5.0

1.7

(Eggen & Vethe;2001)

Biodéchets

Biodéchets (déchets

verts)

Biodéchets

Biodéchets (réacteur)

1mois

6mois

1an

2semaines

5semaines

30semaine

17

14

12

43

47

31

4.2

3.3

6.4

3.2

4.4

5.2

1.3

1.2

0.8

8.4

2.6

2.2

(Zaccheo et al., 2002) Ordures ménagères

6 mois

6 mois

24

21

7.2

2.1

1.9

4.0

Des modèles mathématiques peuvent être utilisés pour décrire les cinétiques de

minéralisation du carbone au cours des incubations (DJAKOVITCH ,1988; SAVIOZZI et al.,

1993; RIFFALDI et al., 1996). Les fonctions puissances (C=ktm) permettent de bons

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72

ajustements, mais les fonctions mathématiques les plus utilisées car les plus satisfaisantes

d’un point de vue phénoménologique sont celles faisant référence à des cinétiques d’ordre 1,

par exemple :

- Modèle à 1 compartiment : C = C0 (1-e-kt)

- Modèle à 2 compartiments : C = C0 (1-e-kt) + C1 (1-e-ht)

où C est la quantité de carbone minéralisé, C0 est la quantité de carbone potentiellement

minéralisable, et C1 est la quantité de carbone potentiellement minéralisable issue d’un

second compartiment plus résistant; les variables k et h désignant les coefficient de vitesse de

biodégradation. L’utilisation de telles fonctions permet par exemple d’estimer la taille du

compartiment labile (C0/C du compost), et les vitesses de dégradations (k, h).

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73

CHAPITRE V

Maturité et la valeur agronomique des composts

La notion de maturité est citée comme une donnée primordiale à connaître pour

optimiser l’utilisation des composts. Beaucoup d’études ont eu pour objet la recherche

d’indicateurs permettant d’évaluer rapidement et efficacement le degré de maturité des

composts. Mais le sens du terme de maturité reste souvent assez flou. La maturité est

considérée par certains auteurs comme un synonyme de stabilité biologique, alors que

d’autres considèrent qu’un compost est mûr dès lors qu’il ne présente plus aucun risque pour

la culture. La valeur agronomique des composts peut être définie comme l’aptitude des

composts à améliorer la fertilité du sol. Les composts sont en effet des produits riches en

matières organiques et également en composés minéraux (N, P, K, Mn, oligo-éléments,…) et

à ce titre sont susceptibles d’améliorer la fertilité du sol. Ce chapitre présente les effets des

composts sur les sols, en insistant particulièrement sur deux aspects de cette problématique :

la valeur amendante et la valeur azotée des composts. L’intérêt porté à ces deux

caractéristiques dépasse le cadre de l’augmentation de la fertilité des sols, puisqu’elles sont

impliquées dans des problématiques environnementales – lutte contre l’effet de serre

additionnel dans le cas du carbone et pollution des eaux dans le cas des nitrates.

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74

V.1. la maturité d’un compost

Dans la majorité des articles et travaux, la maturité n’est soit définie que de manière

implicite, soit non définie du tout. Seuls quelques auteurs donnent des définitions explicites et

parfois différentes de la maturité (HE et al., 1992; BECKER & KOTTER ,1995; WU et al.,

2000; HOUOT et al., 2001) La signification précise de la notion de maturité est importante

pour le choix des expériences à réaliser afin de l’évaluer. Dans la littérature, deux approches

peuvent être distinguées.

La première s’appuie sur la définition même de la maturité : un produit mûr est un

produit qui « a atteint son développement complet ». Or le compostage est la transformation

d’une matière organique très instable, c’est-à-dire fortement biodégradable, en une matière

organique stable, c’est à dire d’une biodégradabilité similaire à celle de la matière organique

d’un sol. Selon cette approche, Un compost est mûr si sa matière organique est stable,

cette condition étant nécessaire et suffisante. C’est à dire que : Tout compost stable est un

compost mûr. Le degré de maturité du compost est alors estimé par l’étude de la

biodégradabilité de sa matière organique (NICOLARDOT et al., 1982; IGLESIAS-JIMENEZ

& PEREZ-GARCIA ,1989; BECKER & KOTTER ,1995; ROBERTSON & MORGAN

,1995; HOUOT et al., 2001).

La seconde approche considère qu’un compost est mûr dès lors que son utilisation

n’entraîne pas de préjudice pour les plantes (RYNK, 2003). Partant de cette définition, les

auteurs font la différence entre un compost stable et un compost mûr. « Un compost est mûr

s’il a une matière organique stabilisée et s’il ne présente aucun effet inhibiteur pour les

plantes ».

La stabilité de la matière organique est alors une condition nécessaire mais non

suffisante. Dans cette situation le meilleur indicateur de maturité d’un compost est

l’estimation de son impact sur la plante (SPOHN ,1978; ZUCCONI et al., 1981; DE

BERTOLDI et al., 1983; NICOLARDOT et al., 1986; IANNOTTI et al., 1994;

AVNIMELECH et al., 1996; CHEFETZ et al., 1996) ; (HELFRICH et al., 1998; WU & MA

,2001 ; HOSSAIN et al., 2010).

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75

V.2. Critères d’évaluation de la maturité d’un compost

Il existe de nombreuses méthodes pour apprécier la maturité des composts. Le Tableau

V-01 présente ces différentes méthodes répertoriées dans la littérature.

V.2.1. Stabilité biologique de la matière organique, une condition nécessaire de

maturité

Quelle que soit l’approche considérée, un compost mûr doit obligatoirement avoir une

matière organique stable. Comme nous l’avons vu précédemment, la stabilité est l’opposée de

la biodégradabilité. La méthode de référence pour évaluer la stabilité d’un compost est le

suivi de l’activité respiratoire d’un sol auquel le compost est incorporé.

Cette activité respiratoire est généralement estimée par le dégagement de CO2 au cours

d’incubations à 25-30 °C de composts préalablement séchés et homogénéisés (ROBERTSON

& MORGAN ,1995; BERNAL et al., 1998c; GARCIA-GOMEZ et al., 2003). Les composts

immatures, riches en composés facilement biodégradables, entraîneront une minéralisation

rapide du carbone durant les premiers jours d’incubation. Ceci conduit à dire que des

incubations pour une période de 21 ou 7 jours peuvent être suffisantes pour évaluer le degré

de stabilisation des composts (MOREL et al., 1986). Les quantités de carbone minéralisé au

cours des incubations dépendent de l’origine des composts (procédé et déchets) et de l’âge

du compost. Pour des déchets urbains non compostés, 50 % du carbone peut être minéralisé

après 5 mois d’incubation, alors qu’une minéralisation de 17 % obtenue avec un compost

d’ordures ménagères âgé de 4 mois permet de considérer le compost mûr (MOREL et al.,

1986).

Pour une période de 70 jours d’incubation, dans d’autres travaux (BERNAL et al.,

1998b) il y a mesure des minéralisations de 40 % à 90 % du carbone initial pour des

composts de déchets ménagers échantillonnés en début de compostage et sont considérés

immatures, avec un pourcentage de 10 % à 40 % pour les mêmes composts échantillonnés en

fin de compostage et considérés mûrs. Dans d’autres travaux, il n’y a la mesure que d’une

minéralisation de 10 % du carbone apporté des déchets à base d’ordures ménagères et de

boues, pour une période de 70 jours d’incubation.

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76

Signalons cependant qu’aucune référence bibliographique fixant des niveaux de

stabilité n’a été trouvée. Les travaux mettent généralement en évidence les composts très

instables dont l’incorporation au sol entraîne une très forte augmentation de l’activité

microbienne et les composts très stables dont l’incorporation au sol ne modifie pas l’activité

microbienne. Les situations comprises entre ces deux extrêmes correspondent à une gamme

continue de stabilisation. Ces situations intermédiaires rendent difficile la comparaison de

résultats tirés d’études distinctes.

Tableau V-01 : Différentes méthodes d’évaluation de la maturité des composts

Tests Exemples de références

Physique

Température compost

Odeur

Couler

(HARADA et al., 1981 ; KAPETANIOS et al.,

1993)

(SUGAHARA et al., 1979 ; MOREL ,1982)

Chimique

PH

C/N

NO-3/NH

+2

Capacité d’échange cation.

AH/AF

Solvita

(AVNIMELECH et al.,1996)

(ROLETTO et al., 1995 a ; SAVIOZZI et al

,1988)

(FORSTER et al.,1993 ; SANCHEZ-

MONEDERO et al., 2001) SAHARINEN, 1998

(ROLETTO et al, 1985 a, SAVIOZZI et al,

1988)

(BRINTON& EVANS, 2000)(CHANGA et al,

2003)

Activité

microbienne

CO2 émis ou O2 consommé

Enzyme

Auto-échauffement

Solvita

(Adani et al, 1995)

(Forster et al, 1993 ;Kostov et al, 1998)

(Bidingmaier, 1993 ; Weppen et al, 1998)

(Brinton&Evans, 2000 ; Change et al, 2003)

Sur plantos

Gormination

Croissance

Croissance racinaire

(GARCIA et al, 1992 ; WU et al, 2000)

(GARCIA et al, 1992 ; HELFRCH et al, 1998)

(ZUCCONI et al, 1981 ; BRINTON & EVANS,

2000)

Analyse

spectrale

RMN-C13

Infrarouge

(DEIANA et al, 1990 ; CHEN, 2003)

(PROVENZANO et al, 1998 ; CHEN, 2003)

V.2.2. Indicateurs basés sur l’évolution physique, chimique et biologique des

composts

Le Tableau V-02 présente des résultats obtenus avec les différents indicateurs de

stabilité répertoriés dans la littérature sur des composts considérés mûrs ou immatures par les

auteurs, et les seuils de ces indicateurs fixés par certains auteurs pour définir les composts

mûrs ou au contraire immatures.

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77

V.2.2.1. Respirométrie

Les tests respirométriques sont basés sur l’activité respiratoire de la population

endogène du compost. Ils consistent à incuber du compost seul, ajusté à une humidité

optimale pour l’activité microbienne, et à suivre durant 3 à 10 jours la minéralisation du

carbone (FORSTER et al., 1993; IANNOTTI et al., 1994) ou la consommation de l’oxygène

(NICOLARDOT et al., 1986; 1994). Du fait de leur estimation directe de l’activité

microbienne, les méthodes respirométriques sont considérées comme étant les méthodes

d’évaluation de la maturité les plus fiables (RYNK, 2003). Le test AT4, qui fait l’objet d’un

projet de directive européenne, considère qu’un compost minéralisant moins de 10 mg d’O2

par kg de matière sèche en 4 jours est mûr. Selon (SCAGLIA et al., 2000), un compost mûr

consomme moins de 1g d’O2 par kg de matière organique en une heure. Un compost mûr

consomme moins de 1g d’O2 par kg de matière organique en un temps d’une heure.

V.2.2.2. Test d’auto échauffement

Une des conséquences de l’intense activité microbienne au cours du compostage est la

production de chaleur. Le degré de décomposition de la matière organique d’un compost peut

donc se traduire par son aptitude à l’auto échauffement. Le test d’auto échauffement est

apparu en Allemagne à la fin des années 70, et y est actuellement utilisé comme indicateur de

référence (BIDLINGMAIER ,1993 ; TAMIS et al., 2013). Il estime le niveau de stabilité de la

matière organique d’un compost à partir de la température maximale obtenue par auto-

échauffement d’un compost placé dans un vase isotherme DEWAR de 1.5L. Le test est réalisé

sur du compost dont l’humidité est ajustée à un niveau correspondant à l’activité microbienne

optimale. Un indice supérieur ou égal à quatre sur une échelle de cinq révèle un compost mûr

(FCQAO, 1994).

Ce test peut être considéré comme un test respirométrique (RYNK, 2003). Des

travaux récents ont montré la pertinence du test d’auto échauffement pour évaluer la maturité

des composts (BRINTON et al., 1995; KUHNER & SISHLER ,1996; LEIFELD et al., 2001).

(BECKER & KOTTER ,1995), au cours d’une étude sur divers composts urbains, et selon

d’autres (KOENIG & BARI ,2000), portant sur un compost de bio déchet élaboré en réacteur

de laboratoire, ont mis en évidence l’étroite corrélation entre les résultats de ce test et les

résultats donnés par les tests respirométriques. Bien que RYNK (2003) considère que « ce test

requiert un certain art », le test d’auto échauffement est un test facilement utilisable sur plate-

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78

forme de compostage et apparaît être le test le plus pratique pour déterminer la maturité d’un

compost (BUTLER et al., 2001).

V.2.2.3. Test Solvita

Il est basé sur la minéralisation du carbone et la volatilisation de l’ammoniac, il

existe un test de maturité commercialisé sous le nom de test Solvita (Woods Research

Management, USA). Ce test est réalisé sur du compost dont l’humidité est ajustée à un niveau

correspondant à l’activité microbienne optimale. Il combine une estimation de la

minéralisation du carbone et une estimation de la volatilisation de l’ammoniac du compost

placé dans un flacon hermétiquement fermé de 200 ml, grâce à deux indicateurs colorés, qui

renvoient à un indice global. Un indice supérieur à 6, sur une échelle de 1 à 8, caractérise un

compost mûr. Ce test récent est utilisé sur des plates-formes au Danemark et aux Etats-Unis.

Il fait l’objet de publications récentes et rares qui semblent montré qu’il est pertinent

surtout pour les composts ayant atteint un stade avancé de stabilité (SEEKINS ,1996;

BRINTON & EVANS, 2000) mais qu’il n’est pas toujours correctement corrélé au test

d’auto-échauffement (BRINTON & EVANS, 2000). Outre le niveau de stabilité qui est

évalué directement à partir du CO2 dégagé, l’éventuelle phyto-toxicité liée à la présence

d’ammonium est approchée grâce à l’estimation de l’ammoniac volatilisé (CHANGA et al.,

2003).

V.2.2.4. Caractéristiques physico-chimiques classiques

La grande majorité des travaux portant sur le compostage montre l’évolution des

caractéristiques physico-chimiques classiques des composts au cours du compostage. Les

caractéristiques pouvant être utilisées comme indicateurs de maturité sont le pH, la CEC (en

liaison directe avec le pH), le rapport C/N et le rapport N- NO3 -/N- NH4

+ (Tableau V-02).

Les pH acides sont caractéristiques des composts immatures alors que les composts

mûrs sont caractérisés par des pH compris entre 7 et 9 (ROLETTO et al., 1985b; FORSTER

et al., 1993; AVNIMELECH et al., 1996). Selon (IGLESIAS-JIMENEZ & PEREZ-GARCIA

,1989), Selon (105), une CEC (Capacité d’échange cationique) supérieure à 60 meq/100 g

de MO (Matière organique) est nécessaire pour pouvoir considérer le compost comme mûr.

Mais (SAHARINEN,1998) rapporte que la CEC ne peut pas être utilisée comme indicateur

de maturité des produits d’origine et de composition variées.

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79

Le rapport C/N est un indicateur très utilisé dans l’étude des composts. Le C/N

diminue au cours du compostage et (ROLETTO et al., 1985b) considèrent qu’une valeur

inférieure à 25 caractérise un compost mûr, alors que (IGLESIAS-JIMENEZ & PEREZ-

GARCIA ,1989), dans leur synthèse bibliographique, considèrent qu’un rapport inférieur à 20

et même 15 est préférable. Mais beaucoup d’auteurs considèrent que la valeur du C/N d’un

compost n’est pas suffisante pour déterminer sa maturité (MOREL et al., 1986 ; SAVIOZZI

et al., 1988; SERRA- WITTLING,1995). De plus, le C/N se stabilise avant que ne se stabilise

la matière organique du compost (CHEN, 1994).

Le rapport N-NO3-/N-NH4

+ est utilisé par certains auteurs comme indicateur de

maturité. L’apparition des nitrates dans le compost peut être un indicateur de maturité et

FINSTEIN (1985) (cité par (IGLESIAS-JIMENEZ & PEREZ-GARCIA,1989) définit le

concept de maturité en terme de nitrification, le compost étant considéré mûr quand des

quantités appréciables de nitrates apparaissent. Le rapport N-NO3-/N-NH4

+ est cependant peu

utilisé et les résultats trouvés sont très différents (voir Tableau V-02).

V.2.2.5. Rapport d’humification (AH/AF)

Le procédé de compostage étant un processus d’humification, des travaux se sont

logiquement orientés vers l’étude de cette matière organique humifiée. Le fractionnement

chimique de la matière organique (en acides fulviques, humiques et humine) a conduit

certains auteurs à calculer des indicateurs de maturité à partir des différentes fractions. Le plus

courant est le rapport de la fraction humique sur la fraction fulvique (CAH/CAF). Les études

montrent une augmentation significative de ce rapport au cours du compostage (SAVIOZZI et

al., 1988). Les résultats trouvés dans la littérature sont assez concordants avec des valeurs

inférieures à 1 pour des composts immatures, et supérieures à 1ou 3 pour les composts mûrs

(cf. Tableau V.02).

V.2.2.6. Autres critères relevés dans la littérature

Il existe des tests basiques simples pour déterminer la maturité des composts. La

stabilisation de la température du compost traduit la fin de phase de dégradation intensive

(HARADA et al., 1981; KAPETANIOS et al., 1993). L’absence d’odeurs déplaisantes

générées par l’émission de composés organiques volatiles lors de la phase de dégradation

intensive peut également être utilisée (IGLESIAS-JIMENEZ & PEREZ-GARCIA ,1989). Le

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80

changement de couleur des déchets au cours du compostage a conduit certains auteurs à

mettre en place des tests colorométriques, soit directement à partir des composts

(SUGAHARA et al., 1979), soit sur des solutions de composts (MOREL,1982). Mais ces

tests ne s’appliquent généralement que sur un produit donné et nécessitent le suivi de tout le

procédé de compostage. L’ensemble de ces tests simples apparaît trop peu généralisable et

trop peu précis pour constituer des indicateurs standards et fiables de maturité.

Il existe d’autres méthodes plus complexes et peu utilisées comme l’estimation des

lipides extractibles (DINEL et al., 1996) et le suivi de l’évolution de la biomasse microbienne

ou de l’activité enzymatique au cours du compostage (FORSTER et al., 1993; KOSTOV et

al., 1994). Les méthodes utilisant l’analyse spectrales sont également utilisées par certains

auteurs pour déterminer la maturité des composts (CHEN, 2003). Mais ces techniques sont

délicates ou assez lourdes et par conséquent ne peuvent servir d’outils pratiques pour

l’estimation de la maturité des composts.

Tableau V-02 : Quelques valeurs des principaux indicateurs de maturité relevées dans la

littérature (les valeurs explicitement définies par les auteurs comme seuil de maturité sont

soulignées)

Analyse Valeurs compost immature Valeurs compost mur Déchets Références

Respirométrie

16gC-CO2/kg MS en 3j (initial)

2.8g CO2/ kg MO/h

9 et 18 g/kg MO/h >15 g O2/kg MS en 7j

1.2 g O2/kg MS/h

0.9 et 1.5g/kg /j le 3j

1.3g/kg MS en 3j

1.2 g CO2/kg MO/h

<1 g O2 /kg MO/h <7 g O2/kg MS en 7j

<1 g O2/kg fraction volatile/h

<100 mg O2/kg MS/h 80 mg O2/kg MS/h

OM

OM

Boue OM

OM

Boue OM

(Forster et al, 1993)

(Iannotti et al, 1994)

(Adani et al, 1995)

(Lasaridi&Stentiford, 1998) (Nicolardot et al ,1986)

(Scaglia et al, 2000)

(Schumann et al, 1993) (Iannotti et al, 1994)

PH

6.2

6.7 5.6 à 7.6

5.7

7.9 à 8.6

6.6 à 7

7 (initial)

7(initial)

6.5

7.5

8 7.1 à 7.5

7.1 et 7.7

7.8

7.5 à 8.0

7 8.4

7.3 à 8

6.2 à 8.1 7.1

BIO

OM Boue+DV

OM

Fumier

DV

OM OM

BIO

Fumier DV

(Avnimelech et al, 1996)

(Bernal et al, 1998b) //

(Forster et al, 1993)

(Gagnon et al, 1997)

(Hartz&Giannini , 1998)

(Iannotti et al, 1994) (Iglesias-Jimenez& Alvarez, 1993)

(Kapetanios et al, 1993)

(N’Dayegamiye et al, 1997) (Roletto et al, 1985a)

NO3/NH4

<1 1.4 et 6.8

>1 >6.3

OM

OM OM

(Froster et al, 1993)

(Senesi (1989), cité par Serra-Wittling, 1995) (Sanchez-Monedero et al, 2001)

CEC >60meq/100g MS OM (Iglesias-Jimenez&Alvarez, 1993)

C/N solide

28.8 (initial)

19.3

11 à 31 20(initial)

16.3 et 20.9

15 à 26 22 (initial)

20.7 (initial)

8.74 (initial)

13.5

7.8

8.6 à 11.8 10.4

12.3 et 13.2

10 10

14.9

11.2

Fumier

OM

Boue +DV BIO

Fumier

OM OM

OM

Boue

(Adani et al, 1995)

(Iglesias-Jimenez&Alvarez, 1993)

// (Brinton& Evans, 2000)

(Forster et al, 1993)

(Gagnon et al, 1997) (Harada et al, 1981)

(Hirai et al, 1986)

//

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81

21.5 (initial)

20 (initial)

-

13.9 22 à 32

-

25 24 à 27

20 (initial)

83 (initial) -

-

20 19 à 25

17.9

12

<15-20

10.8 13 à 16

12 à 28

20.5 14 à 18

17

<25 Δ(C/N)= -40%

11.3

17 12.5 à 13.2

Boue + DV

OM

OM

OM BIO

Fumier

Fumier BIO

Fumier

DV OM

OM

Boue OM

//

(Iannotti et al, 1994)

(Iglesias-Jimenez& Perez-Garcia, 1989)

(Jadidi et al, 1995) (Kapetanios et al, 1993)

(N’Dayegamiye et al, 1997)

(Paré et al, 1998) (Pichler&Kogel-Knabner ,2000)

(Robertson & Morgan ,1995)

(Roletto et al, 1985b) (Saviozzi et al, 1988)

(Serra-Wittling, 1995)

(Schumann et al, 1993) (Sugahara&Ionoko , 1981)

AH/AF

- -

0.82

0 (initial)

-

-

0.1 à 0.3

3.3 et 7.5 1.9

1.1

3.1 à 4.8

>1

Δ(AH/AF)= 70%

0.9 à 1.8

OM OM

DV

Fumier

DV

OM

OM

(Forster et al, 1993) (Iglesias-Jimenez& Alvarez, 1993)

(Kostov et al, 1994)

(N’Dayegamiye et al, 1997)

(Roletto et al, 1985b)

(Sviozzi et al, 1988)

(Sugahara&Ionoko , 1981)

Auto- échauffement 2 >4

BIO (1994)

Solvita 4 >6 BIO (Brinton&Evans , 2000)

La valeur agronomique des composts peut être définie comme l’aptitude des composts

à améliorer la fertilité du sol. Les composts sont en effet des produits riches en matières

organiques et également en composés minéraux (N, P, K, Mn, oligo-éléments, etc.) et à ce

titre sont susceptibles d’améliorer la fertilité du sol (SOUMARE et al., 2003). Plusieurs

travaux ont d’ailleurs mis en évidence le gain qualitatif ou quantitatif occasionné par

l’application de compost sur un sol cultivé, en combinaison ou non avec un complément de

fertilisant minéral.

Cependant il est souvent difficile de voir si cette amélioration de la fertilité du sol est

due à la présence d’éléments minéraux fertilisants au sein du compost, à leur minéralisation

progressive, à l’amélioration des caractéristiques physiques du sol, etc.

V.3. Effets physico-chimiques des composts sur les caractéristiques du sol

De nombreuses études ont montré le rôle bénéfique du compost sur les qualités

physiques et chimiques des sols amendés. Par exemple, une amélioration des propriétés

physiques, une augmentation de la conductivité hydrique et une diminution de la densité des

sols ont été observées par WONG et al. (1999). De même, l’incorporation de compost au sol

s’avère efficace pour lutter contre la dégradation de la surface du sol (BRESSON et al.,

2001). PAGLIAI et al. (2004) ont montré que l’ajout de compost dans un sol améliore sa

porosité et sa structure. Les amendements en matière organique stable augmentent le pouvoir

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tampon et la capacité d’échange des sols, deux paramètres qui conditionnent la nutrition

minérale des plantes (MUSTIN, 1987). De plus, l’incorporation de composts permet de

réduire l’acidité du sol, et de diminuer ainsi les risques d’exportation des métaux vers la

plante (BOLAN et al., 2003).

La présence de micro-organismes divers dans le compost augmente l’activité

biologique du sol et permet un bon échange gazeux « sol air eau plant ». L’apport de compost

permettra au sol d’être plus poreux favorisant ainsi, les échanges gazeux et le développement

de nouvelles racines.

V.3.1. Evolution de la teneur en matière organique du sol : utilisation de modèles

dynamiques

L’évolution de la teneur en carbone du sol est un processus lent. Par conséquent son

étude en conditions réelles nécessite des expérimentations de longue durée, ce qui la rend

difficile et souvent limitée à des conditions pédo-climatiques données. L’utilisation de

modèles pour décrire la dynamique du carbone dans le sol s’avère donc indispensable

(BALESDENT et al., 2002).

● Modèle Hénin-Dupuis

La premier modèle de l’évolution de la matière organique d’un sol est celui établi par

(HENIN & DUPUIS,1945) (Figure V.1). Ce modèle ne considère qu’un seul compartiment de

la matière organique du sol, et utilise le coefficient isohomique K1, défini comme le taux de

matière organique d’une matière exogène apportée au sol contribuant à alimenter le stock de

matière organique du sol. L’évolution du taux de matière organique du sol est donnée par

l’équation suivante :

dy= (K1ω –K2y) dt Equation 1.1

Avec - ω : apport de matière organique exogène (T.ha-1

.an-1

)

- y : le taux de matière organique du sol (T.ha-1

)

- K1 : coefficient isohumique de la substance apportée, défini comme la proportion de la MO

apportée alimentant le stock de MO du sol.

- K2 : constante de destruction de la matière humique du sol (an-1

)

- Le temps t est exprimé en année.

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L’équation 1.1 s’intègre de la façon suivante :

Equation 1.2

La valeur de la constante d’intégration a est déterminée par la condition à la limite y(0)=y0

quant t=0 (taux de matière organique stable du sol initial) ;

Le coefficients k2 varie suivant le type de sol également suivant les conditions climatiques,

voisin de 0.02 dans les régions tempérés, il est de l’ordre de 0.03 sous climat méditerranéen

(Henin et dupuis, 1945 ; le Villio et al., 2001a).

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Figure V-01 : Représentation du modèle de HENIN ET DUPUIS (1945) décrivant la

dynamique de la matière organique dans un sol

V.4. Valorisation agronomique des composts par apport d’éléments fertilisants

Le premier intérêt des amendements organiques est donc une diminution de la part de

ces engrais lixiviables et leur remplacement par des déchets organiques valorisés. Les

applications de compost dans les sols améliorent durablement et efficacement la fertilité du

sol selon les travaux de GUITTONNY-LARCHEVEQUE, 2004 ; GASCO et al., 2013). De

même, cet auteur a montré que les amendements de composts favorisent le processus de

reforestation en améliorant la nutrition et la croissance des plantes, et surtout en augmentant

leur potentiel de survie en période de sécheresse.

La valorisation agronomique des composts est aussi souvent comprise comme étant

l’apport d’éléments fertilisants. Les substances organiques sont caractérisées par trois

éléments principaux: Carbone, Hydrogène et Oxygène représentant en masse plus de 90 % du

résidu sec des végétaux. Cependant, de nombreux autres éléments font partie des éléments

nutritifs majeurs pour les plantes. Ceux-ci sont classés en deux groupes: les macro- éléments

tels que l’azote, le phosphore, le potassium, le soufre, le calcium et le magnésium présents à

des proportions de quelques pour mille à quelques pour cent de la matière sèche et les

éléments nutritifs secondaires ou oligo-éléments (proportion inférieure à 0,1 % de la matière

sèche). Nous nous intéresserons plus particulièrement à trois d’entre eux: l’azote, le

phosphore et le potassium. Cependant, les rôles principaux des autres éléments nutritifs sont

résumés dans le Tableau V-03.

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Tableau V-03 : Rôles des éléments minéraux

Éléments Proportions Rôles

Macro-éléments

Calcium 1 à 2 % MS

Magnésium 0.1 à 0.7 % MS

Soufre 0.1 à 0.6 % MS

Sodium Taux variables

Chlore Taux variables

Silicium Taux variables

Oligo-éléments

Fer <0.1%

Cuivre <0.1%

Molybdène <0.1%

Zinc <0.1%

Bore <0.1%

Manganèse <0.1

Forme facilement des chélas, diminue la perméabilité cellulaire,

contole l’ouverture de canaux ioniques transmenbranaires,

active certaines enzymes, role de messager secondaire de

certaines enzymes hormones.

Constituant de la chorophylle, active de nombreuses enzymes

Constituant de composés organiques soufrés. Carence en S est

très sévère et provoque une chlorose (disparition de la

chlorophylle).

Rôle sur la pression osmotique (algues) mais pas toujours

indispensable (certaines plantes en C4 n’en exigent pas : mais,

sorgho, canne à sucre, etc.).

Rôle dans la turgescence cellulaire (avec K+), nécessaire à la

photosynthèse.

Inutile pour la plupart des plantes sauf pour les Graminées et

quelques autres végétaux.

Catalyseur biochimique : constituent des groupements

prosthétiques (hémes), constituent des protéines Fer-soufre.

Constituent de la cytochrome oxydase (fin de chaine

respiratoire), des phénol oxydases, de certains transporteurs

d’électrons (photosynthèse) et de la superoxyde dismutase

(destruction de l’ion superoxyde : très toxique).

Impliqué dans la réduction des nitrites et de l’azote

atmosphérique.

Cofacteur de plusieurs enzymes (phophatase alcaline,

carboxypeptidace…).

Contribue à l’intégrité de la paroi en stabilisent les chélats

calciques, rôle dans les transports.

Rôle dans diverses oxydo réductions.

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V.4.1.Azote (N)

L’azote est l’élément fondamental de la production végétale, le « pivot de la

fertilisation ». Sa disponibilité détermine le rendement. Il entre dans la composition de très

nombreux éléments essentiels à la vie cellulaire : acides aminés, acides nucléiques... Le cycle

de l’azote consiste en la transformation des formes de l’azote assuré par les microorganismes

du sol. L’azote minéral représente généralement moins de 5 % de l’azote total du sol et se

trouve sous forme de nitrate (NO3-) et d’ammonium (NH4

+) selon Robert (1996). L’azote

organique est minéralisé en NH4+ par ammonification, puis nitrifié en NO3

-.

L’ammonification est réalisée par des micro-organismes variés alors que la

nitrification n’est opérée que par certains micro-organismes plus spécifiques. L’azote minéral

(NO3- et NH4

+) est susceptible d’être ensuite assimilé par les plantes, ou immobilisé dans la

biomasse microbienne du sol.

La quasi-totalité de l’azote du sol est sous forme organique (MUSTIN, 1987).

Cependant, la matière sèche des composts de déchets municipaux pouvant contenir jusqu’à

0.15% d’azote minéral (NO3-et NH4

+) leur incorporation au sol peut entraîner une

augmentation immédiate de l’azote minéral du sol (ADEME, 2000), Par ailleurs, FORTUNA

et al. (2003) ont mis en évidence une augmentation du potentiel de minéralisation de l’azote

du sol après application de compost et l’ont expliqué par l’ajout d’azote fixé aux substances

humiques formées pendant le compostage.

V.4.2.Phosphore (P)

Les plantes prélèvent le phosphore sous forme d’ions H2PO4- et HPO4

2-. Le phosphore

intervient dans la constitution de certains éléments structuraux essentiels à la vie cellulaire

(acides nucléiques, phospholipides), dans les échanges d’énergie (phosphorylation d’un

composé organique) et dans de très nombreuses réactions métaboliques (réactivité de substrats

ou changement de conformation réactionnelle de coenzyme). La disponibilité du phosphore

apporté par le compost dépend de la nature du sol. En effet, le phosphore peut être immobilisé

par adsorption sur des oxydes de fer et d’aluminium ou précipité lorsqu’une grande quantité

est apportée. Un équilibre s’établit entre le phosphore minéralisé et le phosphore immobilisé,

entraînant des disponibilités du phosphore très variables selon le type de sol (nombre de sites

d’adsorption, pH).

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V.4.3.Potassium (K)

Le potassium est absorbé par les plantes sous la forme ionique (K+), très mobile,

dissout dans le liquide intracellulaire, où il s’accumule à des concentrations jusqu’à trois cents

fois supérieures à celles du milieu environnant. Son abondance et sa mobilité en font le cation

le plus important pour la création de la pression osmotique et donc de la turgescence

vacuolaire. Les flux de potassium jouent un rôle important dans le contrôle des mouvements

de cellules ou d’organes (ex. ouverture des stomates). De plus, il accompagne les anions dans

leur accumulation et leur migration, notamment les ions NO3

- jusqu’à leur réduction (racine

ou feuille). Les ions K+ s’échangent, aussi, facilement contre les ions H

+ émis par les pompes

à protons, leur permettant de fonctionner en continu. En plus de l’influence de son abondance,

s’ajoute un rôle d’activation de nombreuses enzymes et un rôle déterminant dans la synthèse

des protéines et des polysaccharides (accumulation d’aminoacides et d’oses lors de carence en

K). L’apport de potassium par le compost est généralement faible. CHEN et al. (1996) ont

mesuré une concentration variant de 4 g/kg de MS pour les composts de boues, ce qui peut

être limitant dans le cas d’un faible apport aux sols, jusqu’à 17 g/kg de MS pour les composts

de fumier.

Le compost de fumier est alors un bon fertilisant potassique et risque même de

présenter un excès pour les plantes et d’engendrer un déséquilibre K+/

Mg2+

. Mais à l’inverse

de l’azote et du phosphore, sa disponibilité est très grande, puisque pratiquement tout le

potassium est disponible (FRANCOU, 2003).

V.5. Valeurs agronomiques, tests sur plantes

V.5.1. Phyto-Toxicité

La stabilité du compost ne prend pas en compte automatiquement son action sur les

plantes. Les tests de phyto-toxicité sont les seuls moyens d’évaluer la toxicité liée à leur

incorporation au sol. En effet, les composts mûrs ne doivent pas présenter de substance

empêchant la germination des graines et la croissance des plantes. L’acide acétique est

probablement l’acide organique, libéré par les composts immatures, le plus préjudiciable bien

qu’il existe également d’autres composés (acétaldéhyde, éthanol, acétone, éthylène, etc.)

contribuant aux effets phytotoxiques (JIMENEZ & GARCIA, 1989). Des concentrations

élevées en sels et la libération d’acides organiques dans les composts sont également corrélées

à l’inhibition de la germination et de la croissance. Par conséquent, la phytotoxicité est

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souvent évaluée par l’étude de la germination ou par des tests de croissance (GARIGLIO et

al., 2002; SAEBO & FERRINI, 2006; SAID-PULLICINO et al., 2007), mais selon d’autres

auteurs EMINO & WARMAN (2004) conseillent de choisir les plantes avec soin. Un indice

de germination (GI) de 50 % est reconnu comme étant celui d’un compost sans effet

phytotoxique (CHIKAE et al., 2007).

V.6. Amélioration des aspects biologiques des sols amendés

Plusieurs travaux ont montré que les activités enzymatiques sont stimulées par l’ajout

d’amendements organiques dans les sols (SERRA-WITTLING et al., 1996; CRECCHIO et

al., 2004). PASCUAL et al. (1998) ont montré qu’un amendement organique suffisamment

important dans un sol semi-aride augmente significativement les activités enzymatiques

pendant au moins 360 jours. En revanche, l’ajout d’amendements organiques immatures

produit l’effet inverse i.e. une diminution initiale de ces activités.

L’addition de compost mature dans un sol améliore la qualité du sol et favorise le

développement végétal, mais réduit aussi le nombre de maladies occasionnées par les

pathogènes issus des sols (ERHART et al., 1999; COTXARRERA et al., 2002).

V.7. Effets remédiant des amendements organiques

L’addition d’amendements organiques permet une remédiation de sols pollués, en

luttant notamment contre la toxicité saline (TEJADA et al., 2006). De même, GUITTONNY-

LARCHEVEQUE (2004) a montré que l’épandage de compost est capable de diminuer, à

court terme, le possible stress toxique qu’exercent le nickel (Ni) et le zinc (Cr) sur les

végétaux dans un sol pollué. En effet, même si l’apport de compost constitue une source

exogène d’éléments traces métalliques (ETM), il constitue un milieu nutritif pour les racines

des végétaux (humus) plus dilué en Ni et Cr que le milieu naturel au préalable contaminé en

ces deux éléments.

En ce qui concerne les polluants organiques, le compostage permet aussi une

remédiation de sols contaminés en augmentant la photo-dégradation de pesticides comme

l’Irgarol (AMINE-KHODJA et al., 2006). en minéralisant des explosifs, tels que le TNT

présent dans le sol d’usines de fabrication ou de démantèlement (BREITUNG et al., 1996,

BRUNS-NAGEL et al., 1998), ou en dépolluant un sol contaminé par du pétrole : raffinerie,

désert Koweïtien (AL- DAHER et al., 1998). SEMPLE et al. (2001) ont expliqué que les

résultats de l’utilisation de composts pour le traitement de sols pollués dépendent de plusieurs

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89

facteurs, notamment la biodisponibilité et la biodégradabilité du polluant organique. Chaque

pollution est donc à étudier individuellement.

V.8. Carbone organique du sol et effet de serre

Dans le cadre de la lutte contre l’effet de serre additionnel, l’incorporation dans les

sols de produits contenant des matières organiques stabilisées semble être une solution

raisonnable. En effet, le compost à des matières non traitées (boues de station d’épuration)

augmente la stabilisation du carbone. En 2004, environ 1.73 million de tonnes de compost ont

été produites en France (ADEME, 2006). Cependant, le CO2 n’est pas le seul gaz à effet de

serre à prendre en considération dans le cadre de l’utilisation de compost. Le méthane (CH4)

et le protoxyde d’azote ou oxyde nitreux (N2O) sont des molécules beaucoup plus efficaces

que le CO2 pour augmenter l’effet de serre. Le N2O libéré par la nitrification ou la

dénitrification au sein du compost a un effet positif sur le réchauffement global de la même

façon que le CH4 produit par l’élevage de bétails ou le compostage de déchets organiques. En

effet, le méthane est produit lors de la dégradation des lipides solubles, des hydrates de

carbone et des acides organiques en conditions anaérobies (HUSTED, 1993). Ces deux gaz

sont susceptibles d’être émis au cours du compostage. Même en cas de procédé avec aération

forcée, l’apparition de micro- sites anaérobies responsable de la qualité de gaz produite,

notamment pour les andains ou des zones anaérobies peuvent difficile d’établir un contact

précis de l’effet du compostage sur l’émission de gaz à effet de serre, car les travaux sont

récents et peu nombreux.

V.9. Valeur azotée des composts

Nous appelons ici valeur azotée, l’aptitude des composts à fournir de l’azote aux plantes.

Cette fourniture peut être immédiate dans le cas de composts riches en azote minéral, ou à

plus long terme du fait de la minéralisation de la matière organique du compost dans le sol.

La connaissance de la valeur azotée des composts constitue une demande majeure de la part

des agriculteurs (FRANCOU & HOUOT, 2000).

V.9.1. Généralités

● Cycle de l’azote

L’azote du sol est essentiellement sous forme organique. L’azote minéral du sol représente

généralement moins de 5 % de l’azote total du sol et se trouve sous forme de nitrates (NO3 -)

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et d’ammonium (NH4+) (1996). Les transformations de l’azote sont assurées par les

microorganismes du sol (Figure V-02).

Figure V-02: Schéma simplifié du cycle de l’azote lié à un apport de compost

L’azote organique est minéralisé en NH4 +

(ammonification), puis nitrifié en NO3- .

L’ammonification est réalisée par des micro-organismes variés alors que la nitrification est

réalisée par des micro-organismes plus spécifiques, les nitrosomas et les nitrobacters. L’azote

minéral (NO3 - et NH4

+) est susceptible d’être assimilé par les plantes, ou immobilisé dans

la biomasse microbienne du sol. En cas de présence d’ammonium et de nitrates dans le sol,

c’est l’ammonium qui est préférentiellement utilisé par les micro-organismes du sol alors que

les nitrates sont préférentiellement incorporés par la culture (JANSSON et al., 1955;

BROADBENT & TYLER,1962).

Dans un sol sans plante, lorsque la minéralisation brute est plus forte que

l’immobilisation brute, on observe une minéralisation nette de l’azote. A l’inverse

l’immobilisation nette correspondant au cas où l’immobilisation brute est plus forte que la

minéralisation brute. Une forte immobilisation de l’azote peut être observée dans le cas de

l’incorporation au sol d’un produit riche en carbone facilement dégradable, les

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microorganismes puisant dans les réserves minérales l’azote indispensable à leur

développement. Bien que consommant préférentiellement l’azote ammoniacal, une

organisation rapide de l’azote nitrique est observée lorsque la présence d’un excès de carbone

dans le sol est conjointe à une absence d’ammonium (RICE & TIEDJE ,1989; RECOUS et

al., 1990).

- Nitrates et environnement

L’azote constitue un élément nutritif de base des plantes qui l’utilisent principalement

sous forme de nitrates (NO3-). Ceci a conduit à une utilisation massive d’engrais chimiques

visant à fournir aux cultures des conditions azotées optimales de développement. Les nitrates

ne sont pas adsorbés sur les surfaces des argiles du sol, entraînant des pertes par ruissellement

vers les eaux superficielles, et des pertes par drainage vers les nappes d’eau souterraines. Or la

présence de nitrates dans l’eau constitue une pollution : risque environnemental

(eutrophisation des eaux superficielles), et risque sanitaire (altération du transfert d’oxygène

vers les cellules pour les nourrissons).

A l’inverse des engrais minéraux qui permettent d’évaluer de manière précise les

doses à apporter aux cultures, l’incorporation au sol d’amendements organiques est suivie

d’une minéralisation de l’azote dépendant des doses apportées. L’évaluation des quantités

d’amendements organiques à apporter pour satisfaire le besoin des plantes et limiter les

risques de lessivage sont difficiles à estimer (CHAUSSOD et al., 1997). En effet la

minéralisation de l’azote de l’amendement organique dépend des caractéristiques du produit

et des conditions pédo-climatiques. La connaissance de la disponibilité de l’azote dans les

amendements organiques apparaît essentielle afin d’assurer une gestion agri-

environnementale correcte de l’azote (KANAL & KULDKEPP ,1993; IGLESIAS-JIMENEZ

& ALVAREZ ,1993; LI et al., 1997; MAMO et al., 1999).

V.9.2. Méthodes d’évaluation de la valeur azotée

Pour apprécier la valeur azotée d’un compost il existe trois types d’expériences basées

sur la mesure de l’azote dans le sol et parfois sur l’exportation de l’azote vers les plantes, dans

des conditions de plein champ ou au laboratoire. Les expérimentations en présence de plantes

au champ permettent d’apprécier les effets des apports de compost sur la dynamique de

l’azote du sol, sur sa biodisponibilité et sur la croissance des plantes en conditions similaires

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aux pratiques agricoles (KANAL & KULDKEPP ,1993; SANCHEZ et al., 1997; GAGNON

et al., 1997; ABAD BERJON et al., 1997; MAMO et al., 1999; ERIKSEN et al., 1999;

HOUOT et al., 2003).

Les expérimentations avec plantes et en pot permettent également de voir les effets sur

les plantes. Elles nécessitent la mise en place d’expérimentations moins lourdes et plus

rapides que les expérimentations de terrain, mais s’éloignent des pratiques agricoles

(IGLESIAS-JIMENEZ & ALVAREZ ,1993; ALLIEVI et al., 1993; ASTIER et al., 1994;

BRINTON & EVANS, 2000) .

Les expérimentations au laboratoire sans plante avec des mélanges contenant du sol et

du compost placés en incubations en conditions contrôlées s’éloignent des conditions réelles

d’utilisation mais offrent une plus grande facilité de réalisation (STANFORD et al., 1974;

BELOSO et al., 1993; CHENEBY et al., 1994; HADAS & PORTNOY ,1994; SIKORA &

YAKOVCHENKO.V ,1996; IAKIMENKO et al., 1996; ERIKSEN et al., 1999).

De l’azote isotopiquement marqué (N15) est également utilisé dans un certain nombre

d’études sur la dynamique de l’azote dans le sol. Un tel traceur permet d’estimer les quantités

brutes d’azote immobilisé et minéralisé par la biomasse, ou assimilé par les plantes (JEDIDI

et al., 1995; CRIPPA & ZACCHEO ,1995; SIKORA & ENKIRI, 2001; AMBUS et al., 2002)

ou d’étudier le « priming effect » lié à l’incorporation au sol d’une matière exogène (WOODS

et al., 1987).

Il existe un certain nombre de modèles simulant les transformations de l’azote dans le

sol, généralement conjointement au carbone. Les modèles NCSOIL, CERES, CANTIS par

exemple permettent de simuler le turnover de l’azote et du carbone à partir de plusieurs

compartiments (produit incorporé, biomasse microbienne, matière organique active et stable

du sol) (HADAS & PORTNOY ,1994; CORBEELS et al., 1999). Des modèles comme

LIXIM (MARY et al., 1999; TRINSOUTROT et al., 2000) et DAISY (GERKE et al., 1999)

servent à simuler minéralisation de l’azote et son lessivage.

V.9.3. Données sur les valeurs azotées des composts

La matière sèche des composts pouvant contenir jusqu’à 0.4% d’azote minéral (HIRAI

et al., 1986), leur incorporation au sol peut entraîner une augmentation immédiate de l’azote

minéral du sol. Plus le compost est stabilisé plus cet apport initial est important, du fait de

l’augmentation de la teneur en azote minéral avec l’âge du compost (Robertson & Morgan

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,1995). Dans le cas d’un mélange contenant 2 % d’un compost de boue, (BERNAL et al.,

1998a) constatent un apport immédiat en azote minéral de 75 mgN.kg-1

de sol pour un

compost mûr (soit approximativement 300 kg N.ha-1

), de 25 mgN.kg-1

de sol pour un compost

en fin de phase de dégradation intensive (100 kg N.ha-1

) . Avec un mélange à 1.5 %,

(BELOSO et al., 1993) obtient un enrichissement immédiat de 30 mgN.kg-1

de sol (120 kg

N.ha-1

).

Mais la valeur azotée d’un compost est avant tout définie par l’intensité de

minéralisation de son azote après incorporation au sol. Deux comportements distincts sont

généralement observés après l’incorporation de compost dans le sol: soit une minéralisation

progressive du compost entraînant une lente augmentation de l’azote minéral du sol après leur

incoporation au sol (BELOSO et al., 1993; HADAS & PORTNOY ,1994; ROBERTSON &

MORGAN ,1995; SIKORA & YAKOVCHENKO.V,1996; N’DAYEGAMIYE et al., 1997;

HARTZ & GIANNINI ,1998; SHI & NORTON, 2000), soit une immobilisation nette de

l’azote du sol pouvant atteindre -50 mg.kg-1

de sol (JEDIDI et al., 1995 ; SIKORA &

YAKOVCHENKO.V ,1996 ; BERNAL et al., 1998a ; ERIKSEN et al., 1999 ; FRANCOU et

al., 1999).

Quelques rares travaux mentionnent une minéralisation rapide de l’azote du sol après

un apport de compost. C’est le cas de (DE HAAN ,1981) qui considère qu’aucun arrière-effet

n’est observé dans le cas de composts d’ordures ménagères et de (N. DAYEGAMIYE et al.,

1997) qui observent une minéralisation rapide et exponentielle (200 mg.kg-1

de sol après 20

jours d’incubations) dans le cas d’un compost de fumier épandu à très forte dose (75 %

massique).

Le lien entre l’état de stabilité de la matière organique et la disponibilité de l’azote a

été mis en évidence par quelques travaux, montrant que le potentiel de minéralisation diminue

et la teneur en azote minéral initial augmente lorsque qu’augmente l’âge du compost

(ROBERTSON & MORGAN ,1995; N. DAYEGAMIYE et al., 1997; HARTZ & GIANNINI

,1998; BERNAL et al., 1998a). Ceci s’explique par l’humification de la matière organique au

cours du compostage qui rend la matière organique plus résistante à la biodégradation

(IGLESIAS-JIMENEZ & ALVAREZ ,1993). L’immobilisation de l’azote est attribuable à un

manque de stabilité du compost (JEDIDI et al., 1995). La présence d’un substrat carboné

facilement dégradable stimule l’activité microbienne, entraînant alors une forte assimilation

de l’azote par la microflore du sol.

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Les conséquences de l’apport de composts sur les exportations par les plantes ont

également été étudiées. Mais les résultats relevés dans la littérature sont variables. Des gains

quantitatifs et qualitatifs pour les cultures ont souvent été mis en évidence, essentiellement

lorsque le compost est combiné à un fertilisant minéral (MAYS et al., 1973; DE BERTOLDI

et al., 1983; GAGNON et al., 1997; ABAD BERJON et al., 1997; SOUMARE et al., 2003;

MARTINEZ et al., 2003). A l’inverse, (PETERSEN, 2003) ne constate qu’un très faible effet

sur le rendement suite à l’utilisation d’un compost d’ordures ménagères, par rapport à un

fumier ou une boue. Il semble que les gains observés ne soient pas dus à l’azote, et des

travaux montrent une déficience en azote pour les plantes après l’application de composts

(SIMS ,1990; SIKORA & ENKIRI , 2001). Le prélèvement de l’azote par les plantes dépend

du type de compost appliqué et de la dose d’application (JELLUM et al., 1995; ERIKSEN et

al., 1999). La quantité d’azote prélevé par les plantes augmente linéairement avec la quantité

d’azote minéral dans le sol (IGLESIAS- JIMENEZ & ALVAREZ,1993). (HOUOT et al.,

2003) observent que moins de 10 % de l’azote des composts est exporté vers les plantes dans

le cas d’un apport au champ de composts d’origines urbaines à des doses agronomiques.

V.10. Le compostage et son effet hygiéniste

Dans le cadre de la valorisation agricole de compost de boues ou contenant des boues

résiduaires, certaines utilisations nécessitent une hygiénisation préalable. On retrouve dans les

boues une très grande variété d’organismes (bactéries, virus, parasites). La quasi-totalité de

ces organismes se trouve initialement dans les eaux usées admises et traitées en usine. Leur

nature et leur forte affinité pour les matières particulaires contribuent à leur concentration

dans les boues. Si la charge microbienne est relativement élevée, la majeure partie des

microorganismes est non pathogène. Cependant, il est nécessaire de s’assurer de l’innocuité

des composts contenant des boues. Les données bibliographiques indiquent que le

compostage (dégradation aérobie thermophile) est un procédé considéré comme très efficace

en termes d’hygiénisation pour de multiples raisons : la température atteinte, la durée du

traitement, le développement d’une flore saprophyte rentrant en compétition avec les

populations pathogènes, et la stabilisation durable de la matière organique.

Le compostage à partir d’un mélange contenant des boues de station d’épuration est un

procédé qui permet de détruire les agents pathogènes, notamment par la biais de l’élévation de

température (DEPORTES et al., 1998, ROS et al., 2006). MEEKINGS et al. (1996) ont

montré que Ascaris lumbricoïdes, un parasite de l’homme et des animaux, qui se développe

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dans les intestins et se transmet par les excréments humains infectés contenant des œufs, est

détruit pendant le processus de compostage. De même, (PEREIRANETO et al., 1986) ont

affirmé qu’une élévation de la température du compost à 58 – 65 °C pendant 10 à 15 jours a

permis de réduire de manière significative le nombre de micro-organismes pathogènes. Parmi

ces derniers, les streptocoques fécaux sont des plus résistants au compostage. Les bactéries

Escherichia coli et Salmonella sont, elles, plus sensibles aux élévations de température.

Certaines bactéries sont, de surcroît, sensibles aux antibiotiques émis lors du

compostage (EL-ABAGY & EL-ZANFALY, 1984 ; CALLEJAS et al., 2013). Il faut aussi

noter que le processus de maturation est essentiel pour favoriser la compétition entre les

pathogènes et la biomasse totale du compost. En effet, les sources de carbone facilement

dégradables dans un compost mature sont réduites, permettant une compétition intense avec

les autres micro-organismes du compost. SIDHU et al. (2001) ont suggéré que la micro-flore

bactérienne « indigène » jouerait un rôle majeur dans la répression de croissance des

Salmonella.

Cependant, il est à noter qu’il subsiste un risque de croissance de novo de pathogènes

si les sources d’énergie sont disponibles. (SIDHU et al., 2001) ont montré que le compost

présente des risques de croissance de novo potentielle des micro-organismes pathogènes et

que la détermination de la maturité n’est pas un facteur suffisant de garantie de l’absence de

risque sanitaire. Un risque de développement de pathogènes dans les parties périphériques des

andains existe, notamment, dans le cas de compostage en piles statiques.

V.11. Evolution et humification de la matière organique

Les principales techniques utilisées aujourd’hui pour étudier la stabilisation des

composts au cours du compostage sont la résonance magnétique nucléaire (RMN), la

spectroscopie UV- visible, le proche infrarouge (SPIR), infrarouge (IR) et la pyrolyse couplée

à un spectromètre de masse.

V.11.1. Résonance magnétique nucléaire (RMN)

La spectroscopie de résonance magnétique nucléaire représente l’approche

expérimentale la plus puissante pour collecter directement des informations sur les structures

et les conformations des squelettes carbonés des substances humiques. La RMN possède la

particularité de sonder l’environnement local d’un noyau choisi à travers la caractérisation des

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interactions influençant la relaxation. Grâce aux mouvements browniens des molécules, les

interactions dans les liquides se réduisent principalement au couplage scalaire de sorte qu’un

spectre RMN liquide est généralement composé de pics extrêmement fins et, conséquent, il

est possible de distinguer les différents groupes d’atomes au sein de la molécule. Cependant,

la RMN des solides n’en est pas encore à ce niveau de haute résolution. En effet, la rigidité du

réseau cristallin accentue fortement l’influence sur la relaxation d’interactions d’origines

diverses.

Ainsi le caractère anisotrope des interactions génère des élargissements de raies de

résonance. La technique la plus souvent utilisée pour éliminer, ou tout au moins réduire ces

élargissements consiste à mettre l’échantillon en rotation à l’angle magique (angle de 54,7°

par rapport au champ magnétique statique). Dans le cas du 13

C (spin ½), les contributions des

couplages scalaires et dipolaires sont noyées dans l’élargissement dû à l’anisotropie de

déplacement chimique. L’observation des atomes de carbone est rendue possible grâce à la

technique de polarisation croisée (CPMAS) qui consiste à transférer l’aimantation d’un noyau

abondant tel que 1H vers le noyau peu abondant tel que

13C. L’inconvénient majeur de

l’utilisation de la RMN pour l’étude des matières organiques provient des problèmes induits

par les composés paramagnétiques (CONTE et al., 2004). Un spectre peut être subdivisé en

régions correspondant spécifiquement à un type de structure carbonée comme l’indique

l’exemple de la Figure V-03.

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Figure V-03 : Classifications des signaux en CPMAS d’un acide humique (Extrait de

KOGEL-KNABER, 2002)

V.11.2. La spectroscopie UV- visible

Le principe de la spectroscopie UV-visible repose sur des transitions électroniques, i.e.

le passage d’un électron d’une orbitale stable vers une orbitale instable, engendrées par

l’absorption de radiations électromagnétiques dans les régions UV (200 - 400 nm) et visible

(400-800 nm). Dans le cas des composés organiques, ces transitions électroniques

correspondent à des changements d’orbitales moléculaires de groupes fonctionnels

spécifiques (chromophores). Ainsi, les spectres d’absorption d’un composé peuvent être

utilisés pour sa caractérisation. La spectroscopie UV- visible a ainsi été utilisée par de

nombreux auteurs pour caractériser les substances humiques (SWIFT, 1996; THOMSEN et

al., 2002; DOMEIZEL et al., 2004; ZBYTNIEWSKI & BUSZEWSKI, 2005).

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V.11.3. La spectroscopie infrarouge (IR)

L’IR mesure des intensités d’absorption de radiations électromagnétiques dans les

régions infrarouge (2500 - 25000 nm). Le principe repose sur les variations d’énergie de

vibration et de rotation. L’IR a suscité beaucoup d’intérêt dans le cadre de l’étude des

substances humiques (SANCHEZ-MONEDERO et al., 2002; REVEILLE et al., 2003) grâce

à l’utilisation de spectromètres à transformés de Fourier. Une revue a notamment été conduite

par CHEN (2003) sur l’application de l’IR, complétée par des analyses RMN, dans la

détermination de la maturité des composts.

La pyrolyse analytique consiste en une dégradation thermique, entre 650 °C et 750 °C,

des matières organiques en absence d’oxygène. Couplée à un chromatographe en phase

gazeuse et à un spectromètre de masse (pyrolyse-CG/SM), elle permet la caractérisation de

nombreuses macromolécules organiques. Sur les pyrochromatogrammes les différents pics

correspondent aux composés produits lors de la pyrolyse. Cette technique permet une

approche semi-quantitative (DIGNAC,1998). Mais selon CHEN (2003) les résultats de la

pyrolyse ne sont pas représentatifs de l’échantillon du fait de leur forte sensibilité à la

présence des composés les plus volatils, comme les composés lipidiques. L’utilisation de cette

technique à l’étude des composts est récente et encore peu développée.

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CHAPITRE VI

Évolution de la disponibilité des micros polluants

inorganiques et organiques au cours du compostage

Ce chapitre vise à apporter des éléments d’information permettant d’évaluer et de

modéliser la disponibilité des éléments traces métalliques au cours du compostage et dans les

composts matures afin de contribuer à l’évaluation des risques liés au recyclage des composts

sur les sols agricoles. Pour cela, plusieurs molécules cibles ont été choisies. La

caractérisation de leurs concentrations et de leur spéciation lors des phases clefs du procédé

de compostage et dans les composts matures a été effectuée, avec la quantification de la

proportion minéralisée, des formes disponibles et des résidus liés formés au cours du

compostage.

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VI.1. Micropolluants métalliques et organiques

VI.1.1. Micro polluants inorganiques : Eléments traces métalliques (ETM)

Dans le cas des éléments traces métalliques, il faut différencier la part qui résulte de la

contamination d’origine humaine liée aux activités minières et industrielles et la part

naturelle, qui provient de la dégradation des roches ou des émissions volcaniques. Les

métaux provenant d’apports anthropiques sont présents sous des formes chimiques assez

réactives et entraînent de ce fait des risques très supérieurs aux métaux d’origine naturelle qui

sont le plus souvent immobilisés sous des formes relativement inertes (KHALIS et al., 1997 ;

CAUSSY et al., 2003 ; SEKHAR et al., 2004).

Les boues résiduaires ne sont qu’une source de risques parmi d’autres. La présence des

métaux dans les boues résiduaires provient de la phase de séparation liquide-solide par

décantation due à une rétention par adsorption sur la matière organique, à la formation de

complexe insoluble entre cette dernière et la fraction minérale et à la précipitation

d’hydroxydes métalliques à partir d’un certain pH (GUIBAUD et al., 2003 ; KARVELAS et

al., 2003). Les teneurs des métaux dans les boues montrent toujours un niveau plus élevé que

celui des eaux usées entrant dans l’unité d’épuration (FARS, 1994 ; KARVELAS et al.,

2003).

Ainsi, pour préserver les teneurs naturelles du sol en ETM lors de l’utilisation de

boues en agriculture, des réglementations ont été mises en place (Tableau VI-01) car,

incorporés au sol, les ETM contenus dans les boues peuvent être absorbés par les plantes et

s’incorporer ainsi dans la chaîne alimentaire ou bien migrer vers les nappes d’eau souterraines

(MORENO et al., 1996 ; WONG et al., 1996 ; GOVE et al., 2001).

VI.2. Valeurs limites et admissibles des ETM du compost en agriculture

Actuellement, les concentrations maximales autorisées tendent à prescrire des niveaux

encore plus bas pour le compost de boues résiduaires ou pour d’autres amendements à

destination usage agricole. Le tableau VI-01 rassemble les teneurs et flux des éléments traces

pour les boues et les sols en France.

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Tableau VI-01: Teneurs et flux des éléments traces pour les boues et pour les sols en France

selon l’arrêté du 8 janvier 1998

ETM

Teneurs dans les boues Teneurs dans le sol

Valeur limites

(mg/Kg MS)

Flux maximum

cumulé en ans

(g/m2)

Valeurs limites

(mg/Kg MS)

Flux maximum

(g/ha/an)

Cd 20*

0.03*

2 15

Cr 1000 1.5 150 1200

Cu 1000 1.5 100 1200

Hg 10 0.015 1 12

Ni 200 0.3 50 300

pb 800 1.5 100 900

Zn 3000 4.5 300 3000

Cr+Cu+Ni+Zn 4000 6 - 4000

* 10 mg/k g MS à compter du 1er janvier 2004

** 0,015 g/m2 à compter du 1er Janvier 2001

Le tableau VI-02 rassemble les valeurs limites statutaires ou arbitraires dans les

composts décidées dans plusieurs pays. Par ailleurs, d’autres normes ont été définies à partir

de certaines propriétés physico-chimiques ainsi que du fond géochimique des sols

susceptibles de recevoir ces épandages. Pour l’Algérie aucune norme en termes d’épandage de

boues ou de compost n’existe actuellement.

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Tableau VI- 02 : Valeurs limites dans les composts (mg/kg MS) destinés particulièrement à

l’épandage agricole selon le pays (AMLINGER, 2004)

Les teneurs limites selon le type du sol dans certains pays sont présentés dans le tableau VI-

03.

Pays Règlement Cd Cr Cu Hg Ni Pb Zn

Autriche

Classe A.

« décret »

Usage

agricole

0.7 70 70 0.4 25 45 200

Jardin 1 70 150 0.7 60 120 500

Classe B

aménagement de

paysage

3 250 500 3 100 200 1800

Allemagne Assurance qualité

RALGZ-QAS

volontaire

1.5 100 100 1 50 150 400

France NF U44 061

Préprojet (2004)

1 120 300 2 60 180 600

Italie 1ere

classe, Projet

de décret MBTC

3 300 3 100 280 1000

Espagne

Classe AA, projet

décret de catalogue

2 250 300 2 100 150 400

Classe A, Projet

décret de catalogne

2 100 100 1 60 150 400

Suisse (N°814.013 :

1986/Révisé 2001)

1 100 100 1 30 120 400

UK Compost déchets

ménagères (Ec Reg

2092/91)

0.7 70 70 0.4 25 45 200

Canada CCME (1993) 3 210 100 0.8 60 150 500

USA

EPA CFR 40/503 :

Boue

39 1500 17 420 300 2800

Compost qualité

Rodale

4 100 300 0.5 50 150 400

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103

Tableau VI- 03 : Concentrations limites des éléments traces selon le type du sol, au dessus

desquelles l’application du compost est limitée ou interdite (mg/kg) (BRINTON, 2000).

Pays Type

sol

Cd pb Cr Cr Hg Ni Zn

Allemagne a

Argile 1.5 100 100 60 1 70 200

Limon 1 70 60 40 0.5 50 150

Sable 0.4 40 30 20 0.1 15 60

Hollande b

0.4

+0.007

(T+ 3H)

50+T+

H

50+2T

15+0.6

(T+H)

0.2+

0.0017

(2T+H)

10+T

50

+1.5

(2T+H)

Italie 1.0 50 50 75 1.0 50 150

Canada d 4 100 - - 1 36 370

a Ministère allemand de l’environnement (1998);

b Bavnick (1989) : T = argile %; H = Humus %

c Conseil canadien de Ministère de l’environnement (1998).

Cependant, ces considérations sur les teneurs totales en métaux lourds ne donnent

aucune indication sur leur comportement réel dans le sol du fait de leur solubilité, de leur

mobilité et de leur biodisponibilité pour les plantes et pour l’environnement (PETRUZZELLI,

1989; HORN et al., 2003).

VI.2.2. Détermination des concentrations en ETM dans le sol et les composts

Les techniques chimiques admettent que l’absorption d’un métal peut être simulée par

sa faculté à passer en solution en utilisant un extractant bien défini. Elle est fonction de la

solution d’extraction (nature et concentration), des conditions opératoires suivies (rapport

sol/solution, durée et mode d’agitation, température, méthode de centrifugation et de

filtration, etc.), de la matrice étudiée, de l’élément en question et de son état chimique dans la

matrice. (HOODA et ALLOWAY, 1993; GOMEZ ARIZA et al., 2000 ; SHIOWATANA et

al., 2001). Les techniques d’extraction appliquées sont basées sur deux démarches soit par

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104

utilisation d’un seul réactif soit par des extractions séquentielles avec une série de réactifs ou

« spéciation » (RAURET et al., 1998).

VI.2.2.1 Extraction simple

Dans les procédures avec un seul extractant, seule la fraction potentiellement

disponible aux plantes est ciblée. Différents réactifs d’extraction ont été utilisés, soit des

complexants (EDTA, DPTA, etc.) soit des sels (MgCl2, BaCl2, CaCl2, KNO3, NaNO3, etc.) ou

des acides dilués (HCl dilué, CH3COOH, ..) (URE, 1996). Plusieurs chercheurs ont démontré

que les teneurs extraites par ces électrolytes présentent une bonne corrélation avec la quantité

assimilée par les plantes tests (HE ET SINGH, 1995 ; RADA, 1996 ; BOUKHARS, 1997).

Cependant, l’utilisation d’extractants seuls ne peut être utile que pour évaluer la

biodisponibilté de l’ETM, et elle ne fournit pas les informations nécessaires pour comprendre

les mécanismes responsables des augmentations ou des diminutions de l’extractabilité de

l’ETM.

VI.2.2.2 Extraction séquentielle « spéciation » des ETM

Par l’emploi d’une procédure séquentielle, les ETM présents dans le sol peuvent se

distribuer dans les différentes fractions suivant leur solubilité et leur mobilité, définissant ainsi

leur spéciation (RAURET, 1998). La spéciation est la caractérisation de la répartition d’un

élément dans les différents compartiments du sol et de l’état chimique dans lequel il se trouve

dans ces différents compartiments (ionique, complexé, lié par covalence, etc). Dans les

schémas séquentiels, l’utilisation des extractants avec une capacité d’extraction croissante

peut être intéressante pour déterminer les distributions chimiques des ETM. Les réactifs sont

choisis en fonction de leur sélectivité vis-à-vis de certaines formes physico-chimiques

particulières (GOMEZ ARIZA et al., 2000 ; MENDEZ et al., 2014). Ainsi, on peut accéder à

la compréhension de la transformation des différentes formes et des mécanismes de

biodisponibilté et mobilité dans le sol. Plusieurs protocoles d’extraction sélective ont été mis

au point dans de nombreux travaux qui comprennent généralement cinq à six fractions

(Tableau VI- 04).

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Tableau VI-04 : Les différents procédures d’extractions séquentielles les plus utilisés

Référence Extractant utilisé Forme extraite

Tessier et al.1979

Gomez Aziza et al.2000

Mg Cl2 1 M pH 7

NaOAc 1 M pH 5 HOPc

NH2OH HCl 0.04 M 25 %HOPc

H2O2 8.8M HNO3/NH4 OAc

HF/HClO4

Echangeable

Liée aux carbonates

Oxydes de Fe et Mn

Liée à la matière organique

et aux sulfures

Résiduelles, phase de silicate

Sposito et al. 1982

Sims et Sklin ; 1991

Pichtel et Anderson, 1997

KNO3 (0.5M)

H2O distillée

NaOH (0.5 M)

EDTA (0.05M)

HNO3 (4M)

Echangeable

Soluble

Liée à la matière organique

Liée aux carbonates

Liée aux sulfures

Elenbogen et al.1993

Granato et al, 1993

H2O distillée

KNO3 (1M)

Na4 P2O7 (0.5M)

EDTA (0.1 M)

HNO3 (1M)

HNO3 concentré

H2O

NaNO3 0.1M

KNO3 (0.1M)

MgCl2 1 M CaCl2 0.05mol. l-1

Ca(NO3)2 0.1M

NH4OAC 1M pH=7

Soluble

Facilement échangeable

Liée à la matière organique

Liée aux carbonates

Liée aux sulfures

Résiduelle

Soluble

Echangeable

Ure et al. 1993

HOAc 0.5M

HOAc/NaOAc 1M pH=5

NH2OH.HCl 0.04 M

Dans l’acide acétique ou nitrique

NH4OX

Ditionite, citrate ou bicarbonate de

sodium

H2O2

NaOCl

Liée aux carbonates

Oxydes et hydroxydes de Fe et

Mn

Liée à la matière organique

Rauret et al (1989)

Ramos et al (1994)

MgCl2 1M

NaOAc/HOAc Ph 5

NH2OH.HCl 0.1 mol l-1

Ac. Acétique

(25% )

H2O2 (30%) pH=2 avec HNO3

HClO4 + HNO3

Echangeable

Liée aux carbonates

Oxydes de Fe et Mn

Liée à la matière organique et

aux sulfures

Résiduelle

Rauret (1998)

Bacon et al (2005)

Procédure BCR, Stantard

CE

HOAc, 0.11 M

NH2 OH.HCl 0.1 mol l-1

(pH=2 with

HNO3)

H2O2 8.8 mol. l-1

(pH=2-3 avec HNO3)

Soluble

Réductible

Oxydable

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VI.3. Le compostage et les éléments traces métalliques

La détermination de la biodisponibilité des métaux dans le compos et les variations de

distribution de ceux-ci générées par les changements des propriétés physico-chimiques lors du

compostage sont importantes pour la qualité agronomique du produit final (PETRUZZELLI,

1989 ; PLANQUART et al., 1999 ; HSU et LO., 1999). Les éléments traces métalliques

contenus dans les composts font l’objet d’une double prescription par la norme NF U 44- 051,

en termes de concentration et de flux apportés au sol par période de 10 ans.

VI.3.1 Le devenir des ETM lors du compostage

Plusieurs auteurs ont rapporté une réduction des concentrations en métaux solubles

dans les composts matures des déchets municipaux. LEITA ET DE NOBILI (1991) ont

montré une grande diminution de la fraction soluble de Pb et Zn durant les premiers jours du

compostage de déchets municipaux qui peut être reliée à une décomposition des substances

non-humiques solubles (polysaccharides, peptides et acides aminés, etc.) représentant plus de

90 % du carbone soluble de ce compost. PARE et al. (1999) ont démontré qu’au cours du co-

compostage de biosolides et de déchets municipaux, les formes résiduelles de certains métaux

(Zn, Cr, Cu, et Pb) augmentent respectivement de 145 ; 124 ; 73,6 et 26,3 %. Alors que celle

du Ni reste relativement constante et que celle du Co diminue de 60 %. Ils ont observé que la

diminution des fractions des métaux facilement extractibles et échangeables (Cr, Ni, et Zn) est

reliée à une augmentation de la concentration de groupements carboxyles COO-. Ainsi, ils

suggèrent une diminution de l’extractabilité et l’échangeabilité des métaux due à l’association

des ions métalliques avec des groupements carboxylates de la matière organique.

ECHAB et al. (1998) ont démontré que le traitement des boues par compostage a un

effet notable sur la diminution de la fraction échangeable extractible par CaCl2 pour les

éléments tels que Pb, Cu, Zn, Cd. Ces auteurs ont attribué ces variations à une complexation

des métaux aux substances humiques néoformées. Toutefois, cette distribution est réversible

pour certains métaux comme le Zn et le Cd qui présentent une réaugmentation de

l’extractabilité au cours de la maturation des composts.

ZORPAS et al. (2003) ont mis en évidence de fortes teneurs de Cr et Cu dans les

fractions organiques et résiduelles dans des boues résiduaires non compostées, alors que

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moins de 2 % des métaux soient présents dans la fraction échangeable et carbonates. Dans ces

mêmes boues, environ 83 % du Pb est lié à la fraction réductible et résiduelle et seuls le Zn et

le Ni présentent des quantités significatives dans toutes les fractions (autre qu’échangeable).

Ces auteurs montrent que le compostage de ces déchets n’affecte pas la distribution

d’éléments tels que Cd, Fe et Zn, alors qu’une immobilisation du Cr est observée à partir des

fractions réductible et organique en faveur de la fraction résiduelle et que le Pb passe de la

fraction réductible à la fraction résiduelle. Le Cu est apparemment transféré des fractions

organiques aux autres fractions, la fraction résiduelle et la fraction échangeable en particulier.

Ces auteurs ont expliqué que les changements produits au cours du compostage sont le

résultat de nombreux phénomènes :

- Dans la phase thermophile de compostage les fractions échangeables et carbonates sont

principalement affectées suite au changement du pH du milieu. Ce changement de pH est

attribué à une formation éventuelle d’acide acétique ou d’autres acides lors de la

décomposition de la matière organique des boues et à la variation de la teneur en ammonium

liée à l’action des bactéries protéolytiques (ZORPAS et al., 2000 ; ZORPAS et al., 2011).

- Des conditions toxiques et anoxiques en liaison avec la formation d’acide acétique et

d’ammonium (153) et ayant une grande influence sur la fraction réductible et organique.

Ces conditions mettent en évidence le rôle de la biomasse microbienne qui a été

examiné dans nombreuses études pour sa capacité d’absorbance (DE SILONIZ et al., 2002).

Ainsi, les différentes variétés d’activité microbienne et surtout celles de la phase thermophile

contribuent aux modifications chimiques ou physiques, en particulier celles concernant

l’augmentation des surfaces d’adsorption qui conduisent au changement de la distribution des

métaux dans les différents compartiments du compost.

La distribution des métaux dans les différentes fractions varie très significativement

d’une étude à l’autre en fonction des propriétés chimiques de la matrice étudiée, de son

origine, de l’élément en question, de la nature des extractants utilisés, de leur succession et

des paramètres expérimentaux de la méthode d’extraction utilisée.

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VI.3.2 Devenir des ETM de boues et de compost dans le sol

Face au même risque d’accumulation des ETM dans le sol réglementé par le USEPA

Clean Water Act 503 Regulations, USEPA, (1993) et par l’arrêté du 8 janvier 1998,

l’épandage de compost de boues ou des boues elles-mêmes reste très dépendant de la

spéciation des ETM, des quantités, ainsi que des changements physico-chimiques et

biologiques entraînés dans le sol suite à l’application de ces résidus organiques.

Si l’impact des ETM issus des composts de boues ou des boues elles-mêmes sur le sol

est bien référencé, peu de travaux portent sur la spéciation comparative entre composts de

boues et boues initiales. SPOSITO et al. (1982) montrent que l’accumulation des métaux

lourds est inférieure dans les parcelles de sol qui reçoivent des boues liquides que celles qui

reçoivent du compost de ces boues et ils expliquent ce phénomène par une probable réduction

de la densité de la structure du sol suite à une application du compost de boues. Pour un même

apport de métaux lourds, l’application de compost de boues introduit une grande quantité de

solides organiques induisant une diminution importante de la densité de structure du sol.

SPOSITO et al. (1984) montrent aussi par ailleurs que dans des sols traités par un

compost de boues, les fractions fines des sols et principalement celles extractibles à l’EDTA

et à l’acide nitrique sont les plus sujettes à l’augmentation en ETM. Ils ont conclu à la

formation de carbonates des ETM étudiés présents dans la fraction EDTA suite à une

minéralisation progressive de la matière organique appliquée au sol. SIMS ET KLINE (1991)

et PICHTEL ET ANDERSON (1997) confirment que l’application du compost de boues

résiduaires dans des sols entraîne une augmentation des teneurs totales en ETM surtout dans

leurs fractions extractibles à la soude NaOH et à l’EDTA. TESSIER ET AL. (1979)

suggèrent que les métaux lourds puissent être liés à différentes formes de matières organiques

qui peuvent être dégradées sous des conditions oxydantes entraînant une libération de ces

métaux lourds sous des formes solubles.

Lors de l’application d’un compost de boues dans un sol, PICHTEL ET ANDERSON

(1997) constatent une réduction de la production d’avoine et expliquent ces variations par

une augmentation de la fraction bio disponible des éléments Cu, Pb, Zn. Cependant, d’autres

auteurs refusent l’argument d’une minéralisation lente des matières organiques dans les boues

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qui pourrait libérer les métaux lourds sous des formes solubles. A l’opposé, ils suggèrent que

le résidu de décomposition des boues peut potentiellement maintenir la solubilité à un niveau

très bas (MCBRIDE, 1995). L’apport de matières organiques et surtout en substances

humique par le compost peut augmenter la quantité d’ETM fixés à la phase solide en

fournissant des sites supplémentaires (HARTER ET NAIDU, 1995; MURPHY ET

ZACHARA, 1994; KAEMERER et al., 1999; HALIM et al., 2003).

Selon PETRUZZELLI et al. (1994) relatent que, suite à une expérience de sorption et

une caractérisation analytique de l’extrait des boues résiduaires par spectroscopie infrarouge

et chromatographie HPLC, certains composés organiques dérivés des boues sont adsorbés sur

le sol en premier, et fournissent ainsi de nouveaux sites aux métaux lourds, contribuant par la

suite à une augmentation de la capacité d’absorption du sol. Selon d’autres travaux Logan et

CHANEY (1983) mentionnent que la capacité d’adsorption des boues peut excéder celle du

sol surtout celle d’un sol chargé en métaux lourds, LOGAN et al. (1997) suggère que la

contamination potentielle par les ETM apportés au sol par un compost de boues peut être

déterminée par leur biodisponibilité dans le sol, et que celle-ci, à son tour, est déterminée par

les formes chimiques de l’élément présentes dans le compost. TAYLOR et al. (1995)

remarquent que les teneurs en ETM dans les fractions soluble et échangeable mises en jeu

sont très faibles (< 1 % du total) quelles que soient les quantités apportées. PICHTEL et

ANDERSON (1997) montrent d’après des modèles de régressions multiples, que la fraction

KNO3+H20 n’est pas la seule fraction potentiellement bio-disponible, une partie infime des

autres fractions NaOH ; EDTA et HNO3 peuvent être aussi bio disponibles.

Ces auteurs proposent d’utiliser une démarche combinée fractionnement des métaux /

modèles de régression pour une prédiction de la bio-disponibilité de certains métaux lourds

dans les sols traités au compost de boues. D’autres recherches montrent que l’addition

d’autres paramètres physico-chimiques de la matrice dans ces modèles s’avère nécessaire

pour améliorer les équations de régression, parmi ceux-ci sont retenus la teneur en matière

organique, le pH, la teneur en oxydes de fer, etc. (TSADILAS et al., 1995).

VI.4. Les polluants organiques détectés dans les déchets organiques et les composts

VI.4.1. Propriétés des polluants organiques

Les polluants organiques sont des substances organiques communément définies à

partir de quatre propriétés (protocole internationale d’Aarhus ratifié le 24 juin 1998) : i) la

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toxicité, ii) la persistance dans l’environnement, iii) le potentiel de bio-accumulation dans les

tissus vivants et l’augmentation des concentrations le long de la chaîne alimentaire, iv) le

transport sur de longues distances, loin du lieu d’émission. La prise de conscience de la

généralisation des problèmes de contamination par des polluants organiques s’est traduite par

l’établissement de « listes prioritaires » des substances dangereuses à surveiller. C’est par

exemple la « liste noire » de la Directive de l’Union Européenne n°76/464/CEE de 1976 qui

regroupe 132 OPs et qui vise à limiter les rejets et les émissions de ces polluants. Cette liste a

été traduite en droit français dans la circulaire n°90-55 du 18 mai 1990. Par mi les 132 OPs de

cette liste, on trouve des composés tels les poly (chlorodibenzo-dioxines) et-furanes

(PCDD/Fs), les polychlorobiphényles (PCB), les hydrocarbures aromatiques polycycliques

(HAP), ainsi que 40 pesticides. Par ailleurs, de nouvelles classes de composés toxiques ou

persistants s’ajoutent périodiquement pour le suivi de la qualité de l’environnement, c’est le

cas par exemple des retardateurs de flamme polybromés (BRF) (JANSSON et al., 1987).

Cependant, en plus de la seule considération de la toxicité aigüe, les effets

carcinogènes, les potentiels de perturbation du système hormonal, de la reproduction, ou

encore du système nerveux commencent à être pris en compte (BRÄNDLI, 2006). C’est le cas

par exemple des polluants dits « émergeants », tels les nonylphénols, les phtalates et les

résidus de médicaments, dont la pollution diffuse dans l’environnement peut poser des

problèmes de santé publique sur le long terme.

VI.4.2. Principaux polluants organiques détectés dans les déchets organiques et

les composts

Les déchets organiques soumis à des procédés de compostage et les composts finaux

peuvent être contaminés par des OPs suivant plusieurs voies de contamination : l’air

(déposition atmosphérique), l’eau (rejet des substances dans les eaux usées et sorption de ces

substances sur les boues de station d’épuration pendant le traitement des eaux), ou par

application directe (application de pesticides sur des couverts végétaux devenant des déchets

verts, administration de médicaments vétérinaires au bétail). Bien que certains composés

considérés comme OPs soient présents dans l’environnement à l’état naturel, leur origine est

principalement anthropique (SCHAUER et al., 2003). Les principaux OPs détectés dans les

composts sont présentés ici, une synthèse de leurs effets étant proposée dans le Tableau VI-

05.

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111

- Les polychorobiphényls (PCB) sont formés par la substitution de 1 à 10 atomes de chlore

sur la structure biphényle. Ils sont caractérisés par une faible volatilité, une haute stabilité

thermique et une forte résistance à l’oxydation. Il s’agit des produits de synthèse de

fabrication industrielle qui ont commencé à être utilisés dans les années 1930 dans les encres

d’imprimerie, dans les peintures, en tant qu’isolants dans les transformateurs électriques

(BORJA et al., 2005). Bien que leur production industrielle ait été arrêtée dans les années

1980, ils sont toujours détectés dans l’environnement et l’élimination des anciens résidus

demeure un problème non entièrement résolu (BARRIUSO et al., 1996).

- Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) constituent un groupe de composés

comportant plusieurs noyaux benzéniques fusionnés entre eux. Ces composés peuvent être

émis naturellement (feux de forêt, éruptions volcaniques) mais la principale source d’émission

provient des activités humaines (combustion à haute température, produits pétroliers,

combustion des carburants des véhicules et de chauffage).

- Les polychlorodibenzo-dioxines (PCDD) et polychlorodibenzo-furanes (PCDF) sont

deux groupes de composés possédant trois cycles aromatiques, oxygénés et chlorés. Ces

composés ont en commun la propriété d’être très stables chimiquement, très peu solubles dans

l’eau, fortement lipophiles, entraînant leur bioaccumulation dans la chaîne alimentaire

(LEMIERE et al., 2008). Ils ne sont pas intentionnellement produits mais peuvent se former

lors de phénomènes thermiques à partir de produits organiques chlorés (incinération de

déchets, agglomération de minerai, aciérie électrique, industrie papetière).

- Les retardateurs de flamme bromés (BFR) forment un groupe varié de composés

organiques bromés utilisés pour prévenir la combustion et/ou retarder la propagation des

flammes dans une large gamme de produits industriels ou de consommation (appareils

électriques et électroniques, véhicules, éclairage et câblage, textiles, matériaux d’isolation). Ils

se caractérisent par un fort potentiel de bioaccumulation (DE WIT, 2002).

- Les alkylbenzènes sulfonates linéaires (LAS) sont des surfactants anioniques caractérisés

par des propriétés à la fois hydrophiles et hydrophobes. Leur structure comprend un noyau

benzénique portant un groupement sulfonate (partie hydrophile) et une chaîne aliphatique

(partie hydrophobe). Les LAS sont les surfactants anioniques les plus utilisés au monde dans

les détergents et les produits de nettoyage. Ils sont également utilisés comme émulsifiants et

entrent notamment dans la composition des engrais et des pesticides (JENSEN, 1999).

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- Les nonylphénols éthoxylates (NPE) et leur produit de dégradation, le nonylphénol (NP),

sont des surfactants anioniques comportant des propriétés hydrophiles et hydrophobes. Leur

structure comprend un noyau benzénique portant un groupement phénol (partie hydrophile) et

une chaîne aliphatique (partie hydrophobe). Ils entrent dans la composition des détergents,

cosmétiques, émulsifiants, lubrifiants et pesticides (SOARES et al., 2008).

- Les phtalates sont des composés constitués d’un noyau benzénique portant deux

groupements carboxylates dont la taille de la chaîne alkyle peut varier. Le plus couramment

utilisé d’entre eux est le di (2-éthylhexyl) phtalate (DEHP). Ils sont utilisés comme additifs

assouplissants dans les matières plastiques (en particulier dans le polychlorure de vinyle,

PVC). Ils peuvent également entrer dans la composition des peintures, colles et encres.

- Les pesticides regroupent les composés qui sont utilisés pour contrôler le développement

d’organismes nuisibles pour les cultures comme les insectes (insecticides), les champignons

(fongicides) ou les plantes adventices (herbicides). Ils sont également utilisés en milieu

urbain. Plus de 2000 substances actives sont connues et plus de 600 sont couramment utilisées

(TOMLIN, 1997).

Par ailleurs, de nombreux autres OPs ont déjà été détectés dans les déchets organiques

et les composts. Les produits pharmaceutiques, les produits de soins personnels (hormones,

résidus de médicaments, cosmétiques) et les résidus de médicaments vétérinaires en sont

quelques exemples (HARRISON et al., 2006 ; KINNEY et al., 2006).

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113

Tableau VI-05 : Synthèses des effets des OPs fréquemment détectés dans les

composts (World HealthOrganization, 1989, 1993,1998 ; ALDRICH

et DANIEL, 2003 ; Fiches toxicologiques de l’INRS)

Polluant

organique

Toxicité aiguë Toxicité chronique Cancérogène Perturbateur

endocrinien

PCB

Forte

Irritation des voix respiratoires

Effet sur le sang, le foie et le système

gastro-intestinal.

Effet sur la reproduction.

Oui

Supposé

HAP

Modérée

Effet sur le foie, le sang

Oui pour certains

HAP (ex .benzo (a)

pyrène)

Non

PCDD/F

Forte

Effet sur le système immunitaire, le

système nerveux et la reproduction

Oui

Supposé

Retardateurs de

flamme bromés

Modérée

Effet sur le foie, la rate, les ganglions

lymphatiques, l’estomac, la thyroïde.

Non

Oui (fonction

thyroïdienne)

LAS

Faible

Effet sur le rein, le foie, le système

gastro-intestinal

Non

Non

Nonylphénols

Modérée

Effet sur le foie, le rein

Effet promoteur

supposé

Oui (fonction

de

reproduction)

Phtalates Faible Effet sur le foie, le rein, les testicules

Supposé Supposé

(fonction de

reproduction)

PCB, polycholobiphényls ; HAP, hydrocarbures aromatiques polycycliques ; PCDD/F,

polychlorodibenzo-dioxines et –furanes ; LAS, alkylbenzènessulfonates linéaires.

VI.4.2. Teneurs en polluants organiques dans les déchets organiques et les

composts

Les tableaux VI-03, VI-05 présentent des exemples de teneurs en OPs et en pesticides

trouvées dans la littérature pour certains déchets organiques et composts. Les teneurs en HAP,

PCB et PCDD/F sont assez bien renseignées dans tous les types de substrats organiques. Les

boues de station d’épuration et les feuilles sont les déchets organiques présentant les teneurs

les plus élevées pour ces OPs. On observe un abattement des teneurs dans les composts finaux

par rapport aux teneurs en OPs des déchets organiques initiaux. Concernant les polluants «

émergeants », les teneurs dans les boues de station d’épuration et les composts de boues

commencent à être référencées, mais aucune étude n’a été trouvée pour les déchets verts, les

ordures ménagères et les composts réalisés à partir de ces déchets organiques.

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114

Les déchets verts sont cependant susceptibles de présenter des teneurs élevées en

surfactants (NP et LAS) car ces substances sont fréquemment utilisées dans la composition

des produits phytosanitaires. Bien que leur toxicité soit moindre que celle des HAP, PCB et

PCDD/F, les niveaux de détection des phtalates, NP et LAS dans les déchets organiques sont

beaucoup plus élevés (de l’ordre du mg kg-1 MS) et demeurent élevés dans les composts

finaux.

L’étude des teneurs en pesticides dans les substrats organiques est difficile en raison

de la grande diversité des produits phytosanitaires et les niveaux de détections sont très

variables. D’une façon générale, les herbicides et les insecticides sont plus fréquemment

détectés que les fongicides. Le 2,3,4-T, le 2,4-D, l’atrazine, le glyphosate et son métabolite

l’acide aminométhyl phosphonique (AMPA) et le métolachor sont les herbicides dont les

niveaux de détections sont les plus élevés. Parmi les insecticides détectés, le carbaryl et le

chlordane présentent les plus fortes concentrations.

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115

Tableau VI-06: Valeurs médianes et nombre d’observation (n) des teneurs en OPs dans

différents déchets organiques et composts trouvées dans la littérature

Substrats organiques

Référencesa Déchets

verts

[2] ; [4]

Boues

[1] ; [2] ; [5]

Biodéchets

[4]

Composts

de déchets

verts

[2] ; [4]

Composts

de boues

[2] ; [3]

Composts de

biodéchets

[4]

Herbicides

2,3,4-T

2 ,4D

Aminotriaole

Alachlor

Atraine

Dichlobénil

Diuron

Glyphosate

MCPA

788

1040

ND

749

4610

14

1

120

1

1150

268

304

3030

13

ND

NDb

6665

ND

Métabolite

AMPA :

1023

16.1-18.5

ND

Métolachlor

Oxadiazon

Terbutryn

trifluralin

1060

ND

1

142

ND

972

ND

156

10.5-11.5

ND

1

ND

Insecticides

Aldrin

Alpha-BHC

gamma-BHC

carbaryl

chlordane

alpha-chlordane

chlorpyrifos

4 ;4-DDD

4.4-DDE

4,4-DDT

diazinon

ND

2

4

22500

526

8

6

10

64

14 ; 52

47

991

0.13-12 ; 54

240 ; 2800

7 ; 360

2 ; 310

8 ; 120

2.9 ; 3.3

ND

ND

1

11000

400

6

5

8

4 ; 51

1 ; 81

16

0.13

240

7

2

8

dieldrin

endosulfan i

endosulfan ii

endosulfan sulfate

endrin

endrin ketone

endrin aldehyde

heptachlor

heptachlor epoxide

konofos

lindane

malathion

methoxychlor

paclobutrazol

parathion

9 ; 10

ND

5

ND

ND

ND

9

22

11

495

314

9 ; 314

2

235

280

0.00

2.1-3.4

7

2 ; 14

6

0.2

1 ;120

1 ; 95

21-98

ND

8 ;12

ND

ND

ND

ND

ND

ND

15

5

314

169

6 ; 507

1

104

3

2

2

7

2

6

1

0

8

8

ND

permethrin 55.3

(moyenne,

n=24) °

primicarb

toxopane

vamidothion

2

ND

170

6 ND

ND

170

ND

°moyenne ou valeur unique ; bƩ 7PCB ; Penta-bromodiphénylèthers ;

bƩ 9HAP ; bƩ 15

PCDD/F HAP, hydrocarbures aromatiques polycycliques ; PCB, polychlorodibenzo-dioxines

et furanes ; LAS, alkylbenzènes sulfonates linéaires.

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116

Tableau VI-07: Teneurs en pesticides détectés dans différents déchets organique et compost trouvées dans la littérature

Substrat

Organique

µg/kg MS

µg/kg MS

µg/kg MS

DEHP

µg/kg MS

LAS

µg/kg MS

Retardateurs

de Flamme

µg/kg MS

Références

Ecorces 421 (n=18) 5 (n=20) 0.8 (n=4) Brandli et al, 2005

Tontes 9 (n=39) 0.8 (n=36) Brandli et al, 2005

Branches 10 (n=12) 0.5 (n=12) Brandli et al, 2005

Déchets

verts

1803 (n=31) 16 (n=41) 2.5 (n=12) Brandli et al, 2005

Feuilles 4710 (n=13) 37 (n=29) 3.4 (n=28) Brandli et al, 2005

Ordures

ménagères

635 (n=69) 15 (n=82) 2.2 (n=9) Brandli et al, 2005

Biodéchets 15b (n=8) 0.4 (n=9) Brandli et al, 2005

Boues

d’épuration

41390 (n=14)

11792a (n=31)

1500a (n=107)

6688 (n=12)

71 (n=14)

30b (n=87)

88b (n=11)

46a (n=1)

12.0 f (n=52)

40.4 (n=14)

67300(n=15)

8000a (n=1)

2700a (n=20)

21400 (n=5)

181000(n=8)

710500(n=8)

3335000a (n=1)

16500q (n=1)

10q;b

(n=20)

130q,d

(n=50)

Stevens et al, 2003

Litz, 2002

Nylund et al, 1992

Carlen et al, 2002

Carlen et al, 2002

Fromme et al, 2002

Petrovic et Barcelo, 2000

Bright et Healey,2003

Abad et al;2005

Kinney et al, 2006

Berset et Holzer,1999

Bago et al, 2005

Gibson et al, 2005

Stevens et al, 2001

La guardia et al, 2001

Composts de

déchets verts

1715 (n=23) 31 (n=33) 84 (n=28) Brandli et al, 2005

Composts de

boues verts

1150e (n=28) 18

b (n=28)

1640b (n=1)

89000(n=30)

14200 (n=3)

5710q (n=1)

33400 (n=3)

Abad et al, 2005

La guadia et al, 2001

Pakou et al, 2009

Composts

d’ordures

ménagères

1915 (n=78) 9.6 (n=124) 1300(n=51) Brandli et al, 2005

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117

VI.5. La réglementation concernant les polluants organiques dans les composts.

Les normes d’application obligatoire NFU 44-095, relative aux composts de boues

(AFNOR, 2002), et NFU 44-051 (AFNOR, 2006), relative aux amendements organiques,

garantissent une certaine innocuité des composts en fixant des teneurs maximales en polluants

organiques HAP et PCB (Tableau VI-08) ; des teneurs limites pour 9 éléments traces

métalliques, en inertes et en impuretés sont également réglementées.

Tableau VI-08: Seuils et flux en polluants organiques dans les normes NFU 44-095

(AFNOR, 2008) pour les composts de boues et NFU 44-051 (AFNOR, 2006)

pour les autres amendements organiques.

Flux limites

annuels

moyens sur

10 ans

g ha-1

an-1

Teneurs limites

Mg kg-1

MS

HAP Fluoranthène

Benzo(b)fluoranthène

Benzo(a)pyrène

6

4

2

4

2.5

1.5

Pour la norme NFU 44-095 Seulement :

PCB Somme de 7 PCB

(28+52+101+118+138+153+180) 1.2 0.8

HAP, hydrocarbures aromatiques polycyclique, PCB, polychorobiphényls.

Au niveau européen, le document de travail de la future Directive Européenne sur les

boues et les composts de boues (European Commission, 2000) prévoit d’élargir les OPs

réglementés à certains polluants « émergeants » (tensioactifs, plastifiants) mais également aux

composés organiques halogénés et PCDD/F (Tableau VI-09).

Par contre, aucun seuil règlementaire en OPs n’est prévu dans le document de travail

de la future Directive Européenne sur les bio déchets et composts de bio déchets (European

Commission, 2001).

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118

Tableau VI-09: Seuils en OPS fixés par le document de travail de la future Direstive

Européenne sur les boues et les composts de boues (Europe an Commission, 2000)

Teneurs limites mg/kg

-1 MS

AOX (Somme des composès organiques halogénés)

500

LAS

2600

DEHP

100

NPE

(nonylphénol et les éthoxylates de nonylphénol à 1 ou 2

groupements groupements éthoxy).

50

Somme de 9 HPA

(acenapthène + phenanthrène + fluorène, flouranthène +

pyrène + benzo (b+j+k) fluoranthène + benzo(a)pyrène +

benzo(ghl)perylène + indeno(1,2 ,3-c, d)pyrène)

6

Somme de 7PCB

(28+52+101+118+138+153+180)

0.8

PCDD/F

100 ng TE a Kg

-1 MS

VI.6. Le devenir des polluants organiques au cours du compostage

Au cours du compostage, les OPs sont susceptibles d’être transformés en métabolites,

minéralisés, volatilisés, lixiviés et sorbés sur la matière organique (MICHEL et al., 1995), en

fonction de l’évolution des propriétés de la matière organique, de l’activité microbienne

(HADERLEIN et al., 2006) et des propriétés spécifiques des OPs (HARTLIEB et al., 2003).

La sorption des OPs sur la matière organique peut potentiellement réduire la disponibilité des

OPs vis-à-vis des microorganismes dégradants.

Cette diminution de la disponibilité peut s’accentuer lors de la formation de résidus

non extractibles (résidus liés) qui restent présents dans le compost après extraction par les

techniques usuelles (BARRIUSO et al., 2008). La différenciation des trois processus de

minéralisation, volatilisation et formation de résidus liés n’est pas possible avec des

techniques classiques d’analyse (chromatographie, par exemple), cela nécessite l’utilisation de

polluants radiomarqués au 14

C. Dans de nombreuses études n’utilisant pas de 14

C-OPs, le

terme de « dégradation » est employé pour faire référence à la diminution des quantités des

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119

OPs extraites au cours du compostage. Le terme de « dissipation » est préféré ici : il fait

référence à la fois à la volatilisation, la minéralisation, la lixiviation et la formation de résidus

liés alors que le terme de « dégradation » fait référence aux transformations chimiques,

physiques ou biologiques des OPs en métabolites.

VI.6.1. La dissipation des polluants organiques au cours du compostage

Des références récentes apparaissent dans la littérature sur la dissipation des OPs au

cours du compostage (sans utilisation de 14

C). Les études portant sur l’évolution des HAP,

PCB, PCDD/F, phtalates, LAS et NP au cours du compostage (avec des substrats organiques

seulement, i.e. sans sol) ont été recherchées et analysées pour cette synthèse bibliographique.

Ces données portent sur tous les types de composts, sur des expériences de

compostage conduites en pilotes ou en plates formes, sur l’évolution réelle des OPs ou celle

de déchets organiques artificiellement contaminés.

Les études ne présentant pas de façon suffisamment claire les conditions de

compostage, celles pour les quelles le compostage n’a pas réussi (e.g. une température ne

dépassant pas 45°C pendant la phase thermophile, conditions anaérobies) et celles pour

lesquelles les données sont reportées dans des graphiques sans commentaires détaillés dans le

texte ne sont pas considérées. Cette sélection réduit les 25 références initialement trouvées à

16. Dans ces études, la dissipation des OPs peut être exprimée sur la base de l’évolution de la

concentration en OP, faisant référence à la différence entre la concentration initiale et finale

en OP. Il faut souligner que dans ce cas, lorsque la dégradation de la matière organique est

plus rapide que la dissipation du OP, la concentration en OP augmente au cours du

compostage, le pourcentage de dissipation est alors négatif. Dans quelques études, le

pourcentage de dissipation des OPs fait référence à la différence entre les quantités initiale et

finale en OP (la diminution de la masse de matière organique au cours du compostage est

prise en compte).

Enfin, en considérant l’évolution de la température reportée dans chaque étude, le

pourcentage de dissipation des OPs est attribué à la phase thermophile ou à la totalité du

compostage. Dans la plupart des cas, la dissipation des HAP est observée (Figure VI-01, A et

B). La dissipation médiane est seulement négative pour le benzo[k] fluoranthène à la fin du

compostage (- 2 %) et varie de 10 % pour le chrysène, à 100 % pour l’acénaphthène et le

dibenzo[a,h]anthracène. Les pourcentages de dissipation sont généralement plus élevés

lorsque l’on considère la totalité du compostage plutôt que la seule phase thermophile. Moins

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120

de références portent sur le devenir des PCDD/F et PCB au cours du compostage. Pour ces

OPs, les concentrations augmentent fréquemment au cours du compostage car la matière

organique est dégradée plus rapidement (Figure VI-01 et Tableau VI-10). Pour le LAS, la

valeur médiane de dissipation au cours du compostage est de 85% à la fin de la phase

thermophile. La dissipation est de 87 % pour le NP, 62 % pour le DEHP et 46 % pour le

DEHP à la fin du compostage.

Dans la plupart des cas, les concentrations en OPs diminuent au cours du compostage,

l’intensité de la dissipation variant avec la nature des OPs. Cependant, la distinction entre les

différents processus de minéralisation, volatilisation et formation de résidus liés nécessite

l’utilisation de 14

C. De plus, il serait intéressant de disposer de plus d’information sur

l’influence des paramètres de compostage, comme la température, sur le devenir des OPs.

Source: Amir et al., 2005b ; Beauchamp et al. , 2002 ; Brändli et al., 2007 ; Gibson et al. , 2007;

Lazzari et al., 2000 ;Oleszczuk, 2006 ; Oleszczuk, 2007, Hafidi et al., 2008 ; Hua et al., 2008.

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121

Figure VI-01: Distribution des pourcentages de dissipation (calculés à partir des

concentrations) pour les HAP, en fin de la phase thermophile (A) et en fin de compostage (B)

et pour les PCB, en fin de la phase thermophile (C) et en fin de compostage (D).

Les 2 extrémités des boîtes correspondent aux 25ème

et 75ème

percentiles, et les barres

verticales à droite et à gauche correspondent aux 10ème

et 90ème

percentiles. Le trait plein dans

les boites correspond à la médiane, le trait pointillé à la moyenne. Les points correspondent à

des valeurs extrêmes.

Tableau VI-10 : Distribution des pourcentages de dissipation des PCD D/F, DEPH, LAS et

NP au cours du compostage (calculés à partir des concentrations, sauf pour deux études)

Phase thermophile Totalité du compostage

Références

Polluant

organique

Du

rée

du

co

mp

ost

ag

e

No

mb

re d

’éch

an

till

on

No

mb

re d

e d

étec

tio

ns

Dissipation des OP

en concentration

Du

rée

du

co

mp

ost

ag

e

No

mb

re d

’éch

an

till

on

No

mb

re d

e d

étec

tio

ns

Dissipation des OP

en concentration

médiane

(minimum,

maximum)

Mo

yen

ne

(ou

vale

ur

un

iqu

e)

médiane

(minimum,

maximum

Mo

yen

ne

(ou

vale

ur

un

iqu

e)

jour-1 % % jour-1 % %

TCDD

OCDD

PCDD PCDD

/PCDF TCDF

OCDF

PCDF

56-77 2 2 -40 -40

77 1 1 (-125 ; 45) -451

77 1 1 -438

77 1 1 -71

77 1 1 -50

77 1 1 -48

Hackett et al., 1991

Krauss et al., 1994

DEHP

Phtalates

DEHP

49 1 1 31

25 7 7 96

89

(69 ; 99 )

85-180 5 5 62 (18 ; 94) 58

85 2 2 46

46

(34 ; 58 )

Amir et al., 2005a

Gibson et al., 2007

Marttinen et al., 2004

Moeller and Reed,2003

LAS LAS 30-60 5 5 85(77 ; 99) 85 Pakou et al., 2009

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122

VI.7. La minéralisation des polluants organiques au cours du compostage

La détection des quantités de CO2 dégagées par la minéralisation des OPs par rapport

aux quantités dégagées par la minéralisation la matière organique au cours du compostage

nécessite l’utilisation de radio-isotopes. Le marquage des OPs au 14

C permet de suivre

l’évolution de leur minéralisation à de très faibles teneurs, en piégeant le 14

C- CO2 dégagé

dans de la soude et en dosant la concentration de radioactivité par scintillation en milieu

liquide. Peu d’études portent sur les potentiels de minéralisation des OPs au cours du

compostage et celles qui ont été trouvées concernent uniquement certains HAP et pesticides.

Elles mettent en jeu deux méthodes : la première est l’incubation de 14

C-OPs et de composts

prélevés à différents stades de compostage, la seconde est la contamination artificielle de

déchets organiques initiaux avec des 14

C-OPs et la réalisation du compostage des déchets

organiques.

Les potentiels de minéralisation des HAP (anthracène, fluoranthène, pyrène, benzo

[a]anthracène, benzo [a]pyrène, benzo [a,h]anthracène) sont supérieurs lors d’incubations de

composts prélevés en phase de maturation que lors d’incubations de composts prélevés aux

autres phases du compostage (Tableau VI-11). Les champignons de la pourriture blanche

isolés dans les composts pendant les phases de refroidissement et de maturation sont connus

pour détenir l’équipement enzymatique nécessaire à la dégradation d’une large gamme de

OPs, incluant les HAP (HAMMEL, 1995). Selon HADERLEIN et al. (2006), des bactéries

seraient plutôt responsables de la minéralisation des HAP au cours du compostage. Seuls le

phénanthrène présente des potentiels de minéralisation très hétérogènes, variant de 2 % à 73

% du 14C initial, en fonction du type de compost et de sa phase de prélèvement. Par ailleurs,

les températures thermophiles semblent limiter la dégradation des HAP par rapport aux

températures mésophiles. En phase de maturation, les potentiels de minéralisation maximum

de l’anthracène s’élève à 50 % du 14

C initial, 74 % pour le fluoranthène, plus de 60 % pour le

pyrène, 45 % pour le benzo [a] anthracène, 29 % pour le benzo [a] pyrène, et 13 % pour le

dibenzo[a,h]anthracène. Concernant les pesticides ou leurs métabolites étudiés (2,4-D, 2,4-

dichlorophénol, 2-chlorophénol), les potentiels de minéralisation observés lors d’incubation

dans des composts sont assez faibles (52 %, 20 % et 20 % du 14

C initial, respectivement).

Lors des expériences de compostage avec suivi de la minéralisation des 14

C-OPs

ajoutés en début de compostage, les potentiels de minéralisation du pyrène et du 2,4-D sont

identiques aux potentiels trouvés par incubation (Tableau-VI.12). Pour les autres pesticides

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123

étudiés (diazinon, pendiméthalin, simazine, atrazine, carbaryl) les potentiels de minéralisation

sont globalement faibles (< 15 % du 14

C initial).

Ces études révèlent une réelle capacité d’épuration de certains OPs comme les HAP

lors du traitement des déchets organiques par compostage. La biodégradation des OPs

semblent principalement réalisée par co-métabolisme, ce qui signifie que les microorganismes

ne retirent aucun bénéfice (source d’énergie ou de matière) du métabolisme des OPs. Les

réactions de dégradation des OPs sont catalysées par des enzymes synthétisées par les

microorganismes en présence d’un substrat permettant leur croissance, comme la matière

organique subissant le compostage (BARKER et al., 2002 ; KOCAMEMI et ÇEÇEN, 2009).

La composition du substrat organique est donc susceptible d’influencer le développement de

populations microbiennes adaptées à sa dégradation et dont l’équipement enzymatique

influence à son tour les potentialités de dégradation des OPs. Aucune référence mettant en

évidence le développement de communautés microbiennes utilisant les OPs comme seule

source de C et d’énergie (métabolisme spécifique) au cours du compostage n’a été trouvée

dans la littérature. Par ailleurs, aucune donnée ne semble disponible concernant les potentiels

de minéralisation des OPs « émergeants » au cours du compostage. Ces OPs présentent

pourtant de très forts potentiels de dissipation qu’il serait intéressant de caractériser.

Tableau VI-11 : Potentiels de minéralisation des 14

C –OP au cours d’incubation dans des

échantillons de compost prélevés à différents stades de compostage trouvés dans la littérature.

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124

Polluant

organique

Type de

compost

Phase du compostage

choisie pour le

prélèvement du

compost incubé

Température

d’incubation

Duré

e

Minéralisatio

n du 14

C-OP

Réf

c jours % 14

c initial

anthracène

Ordures

ménagères

thermophile

maturation

5 semaines à 50 C.1

semaine de transition, 4

semaines à 22 C

22

70

70

12 ± 4 C

50 ± 15

[1]

phénanthène déchets

verts

thermophile

de refroidissement

22

60

22

60

111

111

111

111

17

1.5

8

1.5

[2]

phénanthréne

biodéchets

Boues et

déchets

verts

Ordures

ménagères

thermophile

maturation thermophile

maturation

thermophile

maturation

12 jours à 60 C ,30

jours à 28 C.

28

28

12 jours à 60 C, 30

jours à 28 C.

28

28

12 jours à 60 C, 30

jours à 28 C.

28

28

42

42

32

42

42

32

42

42

32

9

73

64

60

68

71

2

2

50

[3]

fluoranthène déchets

verts non précisé 22 et 60 91 < 4 [2]

HA

P

biodéchets

boues et

dechets

verts

ordures

ménagères

thermophile

maturation thermophile

maturation

thermophile

maturation

12 jours à 60 C ,30

jours à 28 C.

28

28

12 jours à 60 C, 30

jours à 28 C.

28

28

12 jours à 60 C, 30

jours à 28 C.

28

28

42

42

140

42

42

140

42

42

140

0

5

63

0

2

68

0

0

74

[3]

pyrène déchets

verts

mésophile

thermophile

maturation

ambiante

ambiante

55

Ambiante

>90

>90

>90

>90

> 50

> 50

> 0

> 60

[4]

dibenzo(a,n)-

anthracène

thermophile

maturation

5 semaines à 50 C, 1

semaine de transition, 4

semaines à 22 C.

22

70

70

0.4 ± 0.1

13 ± 7

[1]

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125

Tableau VI-12. Potentiels de minéralisation, de formation de résidus liés et de volatilisation

des 14

C-OP au cours de compostages selon la littérature.

Polluant

organique

Déchets

organiques

compostés

Gestion de la

température

Durée Minéralisat

ion du 14 C-

OP

Formation

de résidus

liés

Volatilisa

tion

Référ

ences

jours % 14 C initial

HA

P

Phénanthrène

pyrène

boues (+

palettes)

biodéchets (+

déchets verts)

Accompagngnement a

Accompagngnement a

18

370

1

60

16

24

[1]

[2]

Pes

tici

de

2.4-D

Diazinon

Pendiméthalin

simizine

déchets verts

déchets verts

déchets verts

biodéchets (+

déchets verts)

déchets verts

Profil imposé

Stable à 55°C

Profil imposé

50

50

54

48

18

11

20

32

0

0

3

[3]

[4]

Non précise

Accompagngnement a

50

200

13

8

65

64

[5]

[2]

atrazine Stable à 37°C 160 4 [6]

carbaryl boues (+

palettes)

Accompagngnement a 18 4 86 [1]

a les parois extérieures des pilotes sont chauffées en fonction de la température interne du

compost [1] RACKE ET FRINK, 1989 ; [2] HARTLIEB et al., 2003; [3] ; MICHEL et al.,

1995 ; [4] MICHEL et al., 1997 ; [5] MICHEL et al., 1996 ; [6] RAO et al., 1995.

benzo(a)-

anthracène

thermophile

maturation

5 semaines à 50 C, 1

semaine de transition, 4

semaines à 22 C.

22

70

70

4 ± 2

45 ± 17

[1]

benzo(a)-

pyrène

biodéchets

boues et

dechets

verts

ordures

ménagères

thermophile

maturation thermophile

maturation

thermophile

maturation

12 jours à 60 C ,30

jours à 28 C.

28

12 jours à 60 C, 30

jours à 28 C.

28

12 jours à 60 C, 30

jours à 28 C.

28

42

140

42

140

42

140

0

4

0

4

1

29

[3]

benzo(a)-

pyrène

thermophile

maturation

5 semaines à 50 C, 1

semaine de transition, 4

semaines à 22 C.

22

70

70

0.4±0.1

13 ± 7

[1]

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126

VI- 8. La formation des résidus liés au cours du compostage

La formation de résidus liés est également très peu étudiée au cours du compostage.

Deux études ont été trouvées concernant les HAP, montrant un faible potentiel de formation

de résidus liés pour ce groupe de OPs (Tableau VI-12). Pour les pesticides, les potentiels de

formation des résidus liés sont très variables, de 20 % du 14C initial pour le 2,4-D à 86 %

pour le carbaryl.

La formation de résidus liés a été beaucoup plus étudiée dans les sols, et certains

mécanismes mettant en jeu la matière organique du sol peuvent être transposés dans le cadre

du compostage. Les résidus liés peuvent tout d’abord être formés par stabilisation physique

des OPs. Il s’agit d’un piégeage des OPs dans la nano-porosité des composés humiques de la

matière organique d’où les molécules peuvent difficilement échapper par diffusion

moléculaire, ce qui réduit ou supprime leur mobilité (CALVET et al., 2005). Les résidus liés

peuvent également se former par stabilisation chimique faisant intervenir des liaisons qui

s’établissent à la suite de réactions de conjugaison avec la matière organique (KÄSTNER et

al., 1999 ; CALVET et al., 2005). (KÄSTNER et al., 1999 ; CALVET et al., 2005). Comme

la stabilisation physique, la stabilisation chimique est précédée par la sorption qui amène les

molécules au contact des surfaces adsorbantes pastel-00546943, version 1-15 Dec 2010 de la

matière organique. Par ailleurs, de nombreux résultats expérimentaux montrent l’existence

d’une relation directe entre l’activité microbienne et le taux de formation des résidus liés.

(BENOIT et BARRIUSO, 1997 ; KÄSTNER et al., 1999 ; VESSIGAUD et al., 2007 ;

BARRIUSO et al., 2008). Bien que les mécanismes ne soient pas totalement compris,

plusieurs hypothèses ont été proposées. Les 14

C-OPs (BARRIUSO et al., 2008) ou le 14

C-CO2

issu de la minéralisation des 14

C-OPs (BARRIUSO et al., 2008) pourraient être incorporés à

la biomasse microbienne en phase de croissance.

La présence d’une activité microbienne importante favorise la diffusion d’enzymes

extracellulaires dans le milieu susceptibles de catalyser les réactions chimiques d’oxydation

entre la matière organique et les 14

C-OPs (KÄSTNER et al., 1999) . De plus, les

microorganismes dégradent les 14

C-OPs en métabolites qui peuvent être plus réactifs que les

molécules mères (notamment pour les HAP), présentant un fort potentiel pour former des

résidus liés (KÄSTNER et al., 1999) et des propriétés moléculaires plus favorable à la

diffusion dans la nano-porosité (VESSIGAUD et al., 2007).

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127

Plusieurs facteurs agissent sur les mécanismes impliqués dans la stabilisation des OPs

sous forme de résidus liés. En premier lieu, la nature du OP à une forte influence, certains

groupes chimiques ont été identifiés comme très réactifs (aniline, phénol). La nature de la

matière organique influence également le potentiel de formation des résidus liés. Pour certains

OPs, la matière organique non humifiée montre plus d’affinité pour la formation de résidus

liés que la matière organique humifiée (BARRIUSO et al., 2008). Le potentiel de formation

de résidus liés serait donc plus important en début de compostage qu’en fin de procédé. Enfin,

un dernier facteur agissant sur la formation des résidus liés serait la nature de la microflore

présente. VESSIGAUD et al. (2007) montrent qu’en présence d’une microflore dégradante

non spécifique dans les sols, la formation de résidus liés est beaucoup plus importante qu’en

présence d’une microflore dégradante spécifique. La première aboutirait à des dégradations

partielles et l’accumulation de métabolites formant des résidus liés alors que la seconde serait

plus efficace pour assurer la minéralisation complète des OPs.

VI.9. La sorption des polluants organiques sur la matière organique au cours du

compostage

BENOIT et al. (1996) ont montré que la sorption de certains pesticides sur un compost

mature était plus importante que sur des déchets organiques initiaux. Il a été proposé que la

lignine, présente en plus forte proportion dans le compost mature par rapport aux déchets

organiques initiaux, soit responsable de cette plus forte capacité de sorption. Elle semble en

effet avoir des propriétés de sorption supérieures à la cellulose (XING et al., 1994). Dans une

autre étude, VERGE-LEVIEL (2001) a comparé les propriétés de sorption de trois HAP et

deux pesticides sur des composts prélevés en phase thermophile ou en phase de maturation.

Des variations des propriétés de sorption au cours du compostage ont été mises en évidence

sans relation claire avec les caractéristiques des OPs, le type de compost et le degré de

maturité.

L’évolution des propriétés de sorption des OPs au cours du compostage, et les effets

potentiels de cette sorption sur la disponibilité des OPs vis-à-vis des microflores dégradantes

restent peu étudiés dans la littérature.

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128

Conclusion de l’étude bibliographique et objectifs de travail

La synthèse bibliographique que nous avons travaillée a montré qu’un grand nombre

d’études préconisent la valorisation des boues de station d’épuration et des déchets verts par

la technique du co-compostage permettant de produire un amendement organique riche en

matière organique stable et humifiée. Ce procédé aérobie se déroule suivant deux phases

principales. La première est caractérisée par une forte activité biologique en début de

compostage, engendrant une forte minéralisation des matières organiques et une élévation de

la température. La seconde est une phase de maturation pendant laquelle les processus

d’humification engendrent une stabilisation de la matière organique. La voie naturelle de

valorisation par compostage comporte de nombreux avantages notamment la réduction des

volumes de déchets, l’hygiénisation et la stabilisation de la matière organique.

L’incorporation de compost aux sols s’avère efficace pour lutter contre la dégradation de la

surface des sols et améliorer sa porosité et sa structure. Les applications de compost dans les

sols permettent également une diminution de l’apport des engrais minéraux lixiviables.

Elle concerne aussi les aspects biochimiques du compostage. Les composés

organiques potentiellement retrouvés dans les composts de boues de station d’épuration et de

déchets verts sont ainsi distingués en substances non-humiques et substances humiques. Les

substances non-humiques sont décrites à travers la composition chimique des glucides

notamment les polysaccharides (cellulose et hémicelluloses), la lignine, le complexe

lignocellulosique, les lipides, les protéines, les tanins et les polyesters lipidiques (la cutine et

la subérine). Les substances humiques sont des composés organiques stables, impliqués dans

de nombreux processus au sein des composts et dont la structure moléculaire est mal connue.

Le compostage entraîne la minéralisation ou l’humification des matières organiques,

l’humification se faisant à partir de quatre voies théoriques de formation.

La suite de la synthèse bibliographique s’est focalisée sur le concept de qualité des

composts et notamment sur la maturité des matières organiques. Dans ce but, une description

non exhaustive des différentes techniques d’étude de la stabilisation des matières organiques

(RMN, spectroscopie UV, IR) ainsi que des critères d’évaluation de la maturité des composts

a été effectuée.

Cependant, il est primordial de connaître l’état et la qualité des composts utilisés

comme amendement dans le cadre d’une bonne gestion de ces amendements organiques. En

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129

effet, des composts immatures peuvent produire des effets néfastes tels que des déficiences en

N pour les plantes ou des effets phytotoxiques lors de leur application aux sols. Il existe donc

de nombreuses méthodes chimiques et biologiques d’évaluation de la stabilité, de la maturité

et du pouvoir amendant des composts.

Le premier objectif de ce travail a été d’entreprendre d’explorer les mécanismes

physico-chimiques et biologiques impliqués dans le compostage de boues de station

d’épuration et de déchets verts. Ainsi, les paramètres physico-chimiques tels que la

température, l’humidité, le pH, le carbone, l’azote, le rapport C/N, les teneurs en matières

organiques, en acides humiques et fulviques, d’autre part les spectres obtenus en

spectroscopie UV - visible et en Résonance Magnétique Nucléaire 13C du solide et, enfin, des

paramètres biologiques tels que l’étude des communautés microbiennes.

Le second objectif a été de proposer et d’expérimenter un nouvel outil d’évaluation de

la qualité des composts synthétisant l’information issue des différents paramètres utilisés.

Nous aborderons en premier.

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130

PARTIE II

TECHNIQUES EXPERIMENTALES

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131

Chapitre 1

Descriptions des sites d’étude &

Matériels et méthodes analytiques

La réalisation de l’analyse bibliographique a permis d’effectuer une base de données,

facilitant l’accès à l’information et à son exploitation. Des dysfonctionnements dans les

procédés de compostage sont apparus à l’issue de cette analyse permettant de sélectionner

des indicateurs performants pour les évaluer. Ces derniers devront être validés sur des sites

afin de considérer les conditions spécifiques de chacun. La méthodologie d’expertise est un

outil de vérification du fonctionnement de la filière compostage. Elle engendre des mesures

correctives pour perfectionner celle-ci et améliorer la qualité et la quantité du produit : le

compost. Ce chapitre présente l’axe logique de réflexion, qui a fait naître les indicateurs de

performance et mène également à la description des sites d’application de cette méthodologie

élaborée, se base sur le suivi de paramètres pertinents et rationnels de déchets en phase de

traitement. Les déchets entrant dans la chaîne se transforment au cours du procédé, en

compost.

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132

I. Introduction

Cette étude s’est focalisée sur le compostage des boues de station d’épuration issues

du traitement des eaux usées de la ville de Sidi Bel Abbes. Ce compostage nécessite l’ajout

initial d’un substrat carboné structurant : les déchets verts composés de (Paille de blé, Fumier,

Sciure de bois, Feuilles mortes). Le procédé de compostage étudié dans un composteur en

bois de dimension (1.5 m3) en mélangeant 60 % des boues et 40 % de déchets verts. Au cours

du processus, nous avons suivi les différents paramètres physico-chimiques qui influencent la

qualité et la maturité d’un compost, ainsi que le devenir de certains métaux lourds (Cu, Zn,

Pb, Ni).

II. Matériels et Méthodes

II.1. Procédé de compostage expérimental

Cette étude a été exécutée pendant une période de neuf mois, les boues d’épuration on

été recueillie de la station d’épuration de traitement aérobie de la ville de Sidi Bel Abbes

(Ouest -Algérie). Les boues épaisse à 60 % on été mélange avec des déchets verts à 40%

(Paille de blé 10 %, Fumier 10 %, Sciure de bois10 %, Feuilles mortes10 %), dans un

composteur en bois de (1.5 m3) de volume, Pour aérer le mélange un brassage est effectué

tout les 15 jours.

Une présentation du composteur fabriqué est fournie dans la Figure I-1.

a

b

Figure I-1 : Représentation du composteur; (a) le composteur et (b) les trous dans les parois et

dans le fond

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133

II.2. Echantillonnage des composts

L’échantillonnage est réalisé par quartage d’après la norme U44-101 durant tout les

mois de compostage. Des prélèvements élémentaires sont réalisés lors du retournement de

l’andain si celui-ci coïncide avec la date de prélèvement, ou en plusieurs endroits d’une

tranchée transversale à l’andain. Ces prélèvements élémentaires sont réunis en un échantillon

global d’une masse d’environ 01 kg, homogénéisée par mélange. Constituant l’échantillon

pour laboratoire. Une partie de l’échantillon est stockée en chambre froide avant analyses sur

produits frais. Le reste est séché à l’air pour les différentes analyses sur produit sec.

III. Caractérisations physiques et chimiques

Les échantillons de compost utilisés pour les analyses physico-chimiques ont été

tamisés à 20 mm, puis broyés à 1 mm.

III.1. Mesure de la température

Avant le prélèvement d’un compost, la température est mesurée à l’aide d’un

thermomètre électronique équipé d’une sonde de pénétration.

III.2. Mesure du pH

Dans un bécher, 10 g de compost tamisé ont été mélangés à 100 mL d’eau distillée. La

mesure du pH est effectuée après dix minutes d’homogénéisation à température ambiante à

l’aide d’un pH mètre Metrohm.

III.3. Humidité et matière sèche

L’humidité (H%) doit être déterminé le plus rapidement possible, pour limiter les

pertes par évaporation. Immédiatement après l’échantillonnage, une partie aliquote de chacun

des composts tamisés à 20 mm a été séchée dans une étuve à 105 °C. L’ensemble est pesé

avant et après passage à l’étuve. Le séchage est considéré comme complet lorsque la masse

est constante (environ 48 heures). La matière sèche (MS%) est le taux complémentaire du

degré d’humidité.

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134

H% = 100 -% MS

Soit

- Mo : masse de l’échantillon brute (g)

- M1 : masse de l’échantillon après passage à l’étuve (g)

- % MS : pourcentage de matière sèche contenu dans l’échantillon

- % H : pourcentage d’humidité contenu dans l’échantillon.

III.4. Carbone organique et matière organique

La matière organique, qui renferme en moyenne 58 % de carbone, est estimée à partir

du carbone organique déterminé par la méthode de WALKLEY ET BLACK décrite par

Nelson et Sommers. Le carbone d’1 g de compost est oxydé en présence de 20 ml d’acide

sulfurique par 10 ml de bichromate de potassium K2Cr2O7 N. Après agitation puis un repos de

30 minutes, la réaction est arrêtée avec 200 ml d’eau distillée, 10 ml de chlorure de baryum

BaCl2 et 5 ml d’acide orthophosphorique H3PO4. On titre l’excès de bichromate de potassium

par le sulfate ferreux FeSO4 0,5 N en présence de quelques gouttes de diphénylamine jusqu’à

l’obtention d’une couleur vert- clair. Le carbone organique est converti en matière organique

en le multipliant par le facteur 1.724.

III.5. Taux de cendre

Le taux de cendres et le taux de décomposition sont calculés après calcination

d’échantillon sec à 550 °C (l6h).

III.6. Azote Total Kjeldahl, NTK, % MS

L’azote NTK, somme de l’azote ammoniacal et de l’azote organique, est mesuré selon

la norme AFNOR ISO 11261, juin 1995 et selon BARRENA et al., (2010). Les échantillons

séchés à 105 °C sont minéralisés dans un « minéralisateur » pendant 1 heure à 180 °C puis

pendant 2 heures à 360 °C en milieu acide et en présence d’un catalyseur (K2SO4 et Se). Les

résidus obtenus après digestion sont distillés après neutralisation de l’excès d’acide par la

lessive de soude 30 %.

Le distillat est récupéré dans un erlenmeyer avec de l’acide chlorhydrique (0.1M). Le

dosage réalisé avec de la soude (0.1M) et du rouge de méthyle permet de déterminer les

teneurs en azote de l’échantillon. Les masses d’échantillons analysées sont faibles de l’ordre

de 0.1g. Les essais ont déterminé la quantité d’échantillon, la mieux adaptée, en fonction du

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135

stade de maturation. Cette masse s’échelonne entre 0.1 à 1g. Plus la quantité d’échantillon est

importante, plus la durée de minéralisation devra être longue. Pour une quantité 0.1g, la durée

de minéralisation est d’une heure à 180 °C et de deux heures à 360 °C. La teneur en azote

NTK est exprimée à ± 0,1mg N-NTK/ Kg Ms.

Avec

- Vo : Volume de la solution de soude utilisé pour l’essai à blanc (mL)

- V1 : Volume de la solution de soude utilisé pour le dosage de l’échantillon (mL)

- C : Concentration de la solution de soude utilisée lors du titrage (mol/L)

- M : Masse de la prise d’essai (g).

III.7. Rapport C/N

L’évolution du rapport C/N est souvent considérée comme indicateur d’une bonne

dégradation d’un substrat organique solide au cours de la fermentation. Ce rapport C/N est

calculé à partir des valeurs de Corg mesuré par oxydation et de la quantité d’azote N mesurée

par la méthode NTK.

III.8. Dosage des ions ammonium et nitrate

L’azote minéral (ammoniums et nitrates) a été déterminé par la méthode d’extraction

au chlorure de calcium. Les ions ammoniums de 10 g de compost sont déplacés par agitation

une heure avec 100 ml de solution aqueuse de CaCl2 à 0.01 M, puis 50 ml du filtrat sont

prélevés dans un tube contenant 0.5 g d’oxyde de magnésium MgO pour réduire NH4+

en

NH3. Le mélange est distillé à la vapeur d’eau et l’ammoniac est récupéré dans un Erlenmeyer

contenant 10 ml d’H3BO3 (l’acide borique en excès piège l’ammoniac et ne réagit pas avec lui

car il est faible) et trois gouttes d’un indicateur coloré mixte (rouge de méthyle - bleu de

méthylène), jusqu’à l’obtention d’un volume de 75 ml. Ce volume est titré par une solution

d’acide sulfurique (H2SO4 5.10-3

M) jusqu’au virage de l’indicateur coloré du vert au violet.

Pour le dosage des nitrates, aux 50 ml restants de filtrat, 0.5 g d’alliage de Devarda, alliage

d’aluminium et de manganèse, est ajouté. L’aluminium réduit les ions nitrates en ammoniac :

8 Al + 3 NO3- + 18 H2O —> 8 Al (OH)3 + 3 NH3 + 3 OH

-

Le mélange est distillé puis titré.

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136

III.9. Dosage de la conductivité électrique

La conductivité électrique donne une indication sur la teneur en électrolytes

hydrosolubles (salinité) et a été mesurée sur un extrait aqueux de sol (1/5 p/v) moyennant un

conductimètre à électrode. Elle est effectuée après une demi-heure d’agitation et 5 min de

repos.

III.10. Teneur en acides humiques et fulviques

Les acides humiques (AH) et fulviques (AF) sont extraits par agitation à l’aide d’un

agitateur rotatif, durant 2 heures à partir de 10 g de compost additionnés à 100 mL de NaOH

0.1 M dans des flacons Erlenmeyer de 250 mL. Cette fraction soluble en milieu alcalin

(AH+AF) est récupérée par centrifugation à 2500 rpm durant 25 min. La solution est alors

acidifiée à pH 1 par ajout d’acide chlorhydrique HCl 6M. Après une nuit à + 4 °C, la fraction

soluble en milieu acide (AF) d’acides fulviques est séparée de la fraction insoluble d’acides

humiques (AH) par centrifugation à 10000 rpm durant 10 min. Les deux fractions sont

séchées dans une étuve à 105 °C pendant 48 heures.

III.11. Extraction de la lignine

Le fractionnement réalisé est adapté de la méthode de QUOC LAM et al. (2001). La

lignine et les hémicelluloses sont extraites par dissolution dans un mélange acide acétique -

acide formique - eau (50-30-20 v/v). Le rapport solide / liquide est de 1/12 soit 60 mL pour 5

g de compost. La première étape consiste en une imprégnation de 30 minutes à 50°C dans le

milieu réactionnel, puis 1 heure à 107 °C (point azéotropique d’ébullition du mélange acides /

eau). La fraction soluble est alors recueillie après filtration (filtre Whatman en fibre de verre).

Les acides utilisés sont séparés, par distillation, de la lignine et des hémicelluloses constituant

le résidu. L’addition d’eau à ce résidu mène à la précipitation de la lignine tandis que les

hémicelluloses restent en solution. Une centrifugation de 10 minutes à 10 000 rpm permet de

séparer les deux biopolymères. La lignine est ensuite lavée à l’eau bi-distillée jusqu’à un pH

neutre puis séchée à 105 °C pendant 48 heures.

III.12. Extraction des métaux lourds

L’extraction sélective des fractions des métaux lourds a été réalisée selon un protocole

mis en point par Sposito : 1) KN03 (0,05M, 16 h) « fraction échangeable » ; 2) H20 (distillée,

2h, 3fois) « fraction soluble », (1+2) = fraction labile; 3) NaOH (0,5M, 16h) « fraction

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137

organique »; 4) EDTA (0,05M, 6h) « formes précipitées inorganiques (carbonates..) », (3 +

4) = fractions moyennement labiles; 5) HN03 (4M, 16h à 80 °C) « fractions plus résistantes »,

forme extractible = 1 +2+ 3+4+5. Les concentrations totales sont dosées selon AFNOR N°

131-51 modifiée.

Forme non extractible = concentration totale - forme extractible.

III.13. Spectroscopie UV - visible

L’analyse par spectroscopie UV- visible a été réalisée dans l’appareil « Perkinelmer

Lambra 800 ». 0.06 g de compost dans le compartiment du solide. Plusieurs absorbances

spécifiques (280, 475 et 665 nm) permettent de calculer trois rapports : Q2/6 (DO280/

DO665), Q4/6 (DO475/DO665) et Q2/4 (DO280/DO475), utilisés dans la littérature pour

décrire les matières organiques (SWIFT, 1996; ZBYTNIEWSKI & BUSZEWSKI, 2005).

III.14. Spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier

L’analyse par spectroscopie FTIR a été réalisée sur des pastilles de 2 mg de

l’échantillon sec à chaque stade de compostage avec 400 mg de bromure de potassium (KBr),

en utilisant un spectrophotomètre FTIR Perkin Elmer 1600 à une fréquence allant de 400 cm-1

à 4000 cm-1

et avec une vitesse de 16 nms-1.

III.15. Résonance Magnétique Nucléaire 13

C du solide

Les spectres haute résolution ont été réalisés sur le spectromètre Bruker DSX 400 kHz

du Spectropole (Université Montpellier II). Les spectres 13C CP/MAS sont enregistrés à la

fréquence de 100,7 MHz avec découplage du proton. Environ 100 mg de compost sont placés

dans une sonde de 7 mm inclinée à l’angle magique (angle de 54.7° par rapport au champ

magnétique statique) tournant à 6 kHz. Les paramètres d’acquisition utilisés pour un

enregistrement optimal sont une impulsion de 90° pour le proton de durée 2.8 μs, un délai de

répétition de 3 s, un nombre d’acquisition de 5000, et enfin un temps de contact de 2 ms.

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138

III.16. Tests de maturité utilisables sur plate-forme de compostage : Test d’auto

échauffement et Test Solvita

III.16.1. Préparation des échantillons

Les tests de maturité ont été réalisés sur tous les composts échantillonnés à 3, 4, et 6

mois de compostage.

Les deux tests sont réalisés sur des composts frais (non secs) préparés de manière

identique. Les échantillons sont tamisés à 10 mm. Leur humidité est ajustée par le test dit « de

la poignée » (FCQAO, 1994). Ce test consiste à presser l’échantillon de compost dans la

main. Si l’échantillon s’effrite de lui même lorsque le manipulateur ouvre la main, le compost

est trop sec et doit être humidifié. L’échantillon est à la bonne humidité quand il s’effrite sous

une légère pression du pouce. S’il est seulement déformé et ne s’effrite pas lors de la légère

pression, il est trop humide et doit être séché. Une fois l’humidité ajustée, une mise à

l’équilibre de deux jours à température ambiante est préconisée.

III.16.2. Test d’auto-échauffement (Dewar)

Ce test est décrit par une norme allemande (FCQAO, 1994). Un vase DEWAR de 1.5

L (10 cm de diamètre intérieur) est complètement rempli par l’échantillon de compost sans

tassement actif (simple tassement par son propre poids en tapotant la base du vase). Le vase

ouvert à son sommet contenant l’échantillon est placé dans une chambre thermostatée (20 ±1

°C). La température à l’intérieur du vase est mesurée par un thermomètre dont le capteur est

situé à 20 cm sous la surface du compost. La durée du test est de 10 jours. La température

maximale atteinte (Tmax) permet d’attribuer le degré de maturité du compost (Tableau I.1).

Cet indice varie de I (température maximale supérieure à 60 °C) pour un compost assimilé à

de la matière brute, à V (température maximale inférieure à 30 °C) pour un compost considéré

comme mûr et fini. Les indices de II (entre 50 et 60 °C), III (entre 40 et 50 °C) et IV (entre 30

et 40 °C) correspondent aux situations intermédiaires.

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139

Tableau I-1: Valeurs de l’indice de maturité du test d’auto-échauffement (DEWAR) en

fonction de la température maximale atteint (Tmax)(FCQAO, 1994)

Compost frais Compost fini

Tmax (°C) 60-70 50-60 40-50 30-40 <30

Rotting degree(Indice Dewar) I II III IV V

III.16.3. Test Solvita®

Le test Solvita® est utilisé en suivant les recommandations du fabricant (Woods End

®

Research Laboratory, USA). L’échantillon est préparé dans les mêmes conditions que pour le

test d’auto-échauffement. L’échantillon de compost est placé dans un récipient

hermétiquement fermé (100 mL d’échantillon dans un récipient de 250 mL) contenant deux

indicateurs colorés. Un indicateur sert à mesurer le carbone minéralisé et vire en fonction de

l’intensité de dégagement de CO2. L’autre sert à mesurer l’ammonium volatilisé et vire en

fonction de l’intensité de dégagement de NH3. Le récipient est placé dans une chambre

thermostatée (20±1 °C) durant 4 heures. Les deux indicateurs colorés sont « lus » après 4

heures et comparés à deux gammes d’intensité de couleur notées de 1 à 8 pour le dioxyde de

carbone et de 1 à 5 pour l’ammonium. La compilation de ces deux nombres donne un indice

de maturité compris entre 1 pour le compost frais à 8 pour le compost mûr (Tableau I.2).

Tableau I-2 : Grille de détermination de l’indice de maturité Solvita®

en fonction des indices

CO2 et NH3 et interprétation (données du fabricant)

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140

III.16.4. Appréciation du manipulateur

La variabilité introduite lors de la lecture du test Solvita a été approchée. Sept

composts de stabilité différente (notés de 1 à 7) ont été testés. En fin de test, les indicateurs

colorés ont été soumis à l’appréciation de plusieurs personnes différentes.

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141

Chapitre 2

Matériels et méthodes

biologique & agronomique

Il est primordial de connaitre les mécanismes de décomposition, de minéralisation et

d’humification impliqués pendant le compostage se traduit par des changements notables et

mesurables. Les activités microbiennes, à la base des ces transformations, subissent, elles

aussi, de fortes modifications au cours de ces processus. Cette évolution se traduit par des

modifications des communautés microbiennes présentes et actives. En effet il est aussi de

connaître l’état et la qualité des composts utilisés comme amendement dans le cadre d’une

bonne gestion de ces amendements organiques lors de leur application aux sols.

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142

I. Introduction

Cependant, il est primordial de connaître l’état et la qualité des composts utilisés

comme amendement dans le cadre d’une bonne gestion de ces amendements organiques. En

effet, des composts immatures peuvent produire des effets néfastes tels que des déficiences en

N pour les plantes ou des effets phytotoxiques lors de leur application aux sols. Il existe donc

de nombreuses méthodes microbiologiques d’évaluation de la stabilité, de la maturité et du

pouvoir amendant des composts.

II. Caractérisations biologiques

L’ensemble des échantillons de compost utilisés pour les analyses biologiques était

tamisé à 20 mm et gardé à 4 °C avant d’être analysé.

II.1. Dénombrements microbiens

L’extraction des micro-organismes est effectuée à partir de 5 g de compost, 45 mL de

tampon phosphate 0.1 M, pH 7. Le mélange est homogénéisé 30 min à 30 °C. Des dilutions

en série sont ensuite réalisées à partir d’eau physiologique stérile (NaCl 0.85 %). Pour le

dénombrement de la flore mésophile aérobie totale, les dilutions 10-4

, 10-5

et 10-6

sont utilisées

pour ensemencer des milieux PCA1

sur boîte de Pétri à partir de 0,1 mL de chaque dilution.

Le dénombrement des actinomycètes est effectué à partir de 0,1 mL des dilutions 10-2

, 10-3

et

10-4

en utilisant le milieu de Pochon et Tardieux2 et de 0,1 mL des dilutions 10

-2, 10

-3 et 10

-4

(10 min à 80 °C) en utilisant un milieu sélectif et après 10 min à 80 °C pour les bactéries

sporulantes aérobies 3

. L’ensemencement pour le dénombrement les levures et les moisissures

est réalisé en milieu PDA4 liquide avec 1 mL de solution d’extraction à partir des dilutions 10

-

1, 10

-2 et 10

-3 et pour le dénombrement de la salmonelle est réalisé en milieu sulfite bismuth

agar , L’ensemble des boîtes est incubé à 30 °C et les lectures sont réalisées à 24 h ou 48 h

pour les levures et moisissures, 3 jours pour les mésophile aérobie totale, bactéries sporulées

aérobie, la salmonelle et 5 jours pour les actinomycètes. Les différentes manipulations sont

réalisées le plus près possible d’une flamme à l’abri des courants d’air pour éviter les

contaminations.

II.2. Mesure de la respiration du compost

La respiration a été mesurée à partir de la consommation de dioxygène par les

microorganismes du compost. Pour cela, 10 g de compost sont humidifiés à 60 % et placés

dans un flacon de 1 L contenant 125 g d’anneaux de Raschig (cylindre de céramique creux) et

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143

un bécher contenant 50 mL de soude 0.5 N. Les anneaux de Raschig permettent d’augmenter

la surface d’échanges gazeux. La soude piège le dioxyde de carbone présent initialement dans

le flacon et celui dégagé au cours de la respiration. Le compost est incubé 24 h à 20 °C. Le

système Oxitop® Control mesure en continu la pression dans le flacon et permet de calculer

une consommation d’O2. Les résultats sont exprimés en mg d’O2 consommé par heure et par g

de MS.

III. Indice de germination, IG

La phytotoxicité est une particularité des composts qui permet d’évaluer leur maturité.

Dans ce but l’effet des extraits aqueux des composts sur la germination des graines de pois

chiche (Cicer arietinum) et de l’orge (Hordeum vulgare) a été mesuré par le pourcentage de

germination défini par IG, l’indice de germination est déterminée par le protocole suivant.

L’extrait de compost est préparé selon la méthode, (MATHEUR et al. 1993): une proportion

2/20 (M / V) (compost (g de matière sèche) / eau distillée (ml)). Le mélange compost / eau

distillée est placé dans un agitateur électrique à électrique à 125 tr / min pendant 1 heure. Ce

mélange est ensuite centrifugé à 10000 tpm pendant 15 min. Le surnageant est filtré 2 fois sur

papier filtre de diamètre 0.8 micromètre. Deux millilitres de filtrat avec 1 ml d’eau distillée

est pulvérisé dans les boites de pétri contenant du papier filtre. Dix graines de (Cicer

arietinum) et de (Hordeum vulgare) sont trempées dans l’eau distillée pendant 1 heure et

mises à germer dans les boîtes de pétri contenant du papier filtre. Les boîtes témoins reçoivent

5 ml d’eau distillée. Les graines ont été distribuées dans les boîtes de pétri et incubées à la

température ambiante (28 °C) dans l’obscurité pendant 4 jours.

IV. Détermination de la population de la faune au cours des opérations de compostage

IV.1. Méthode d’extraction

Pour l’extraction des animaux contenus dans les échantillons prélevés, on a utilisé la

méthode de Berlèse -Tullgren qui a pour principe de déclencher la fuite des animaux en les

stimulants par l’élévation de la température et l’éclairement qui provoquent leur desséchement

(Presson, 1971). Cette méthode consiste à placer un échantillon du compost sur un tamis à

larges mailles posé sur un entonnoir qui lui-même est placé sur un erlèn Meyer contenant de

l’alcool à 70 °C. Pour accélérer la fuite des animaux, nous mettons une lampe de 70 watt à

une distance de 20 cm au dessus de l’entonnoir et laisser agir 48 heures pour récolter toute la

faune qui existait dans l’échantillon du compost et qui a migrée vers le bas de l’erlèn Meyer

(GOBAT et al., 2003).

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IV.2.Tri et détermination des différentes espèces

Les espèces de grande taille (mille pattes, ver de terre, etc.), visible à l’œil nu, ont été

identifiées directement sur les différents substrats de compostage. Cependant la plupart des

animaux n’étant pas facilement reconnaissables à l’œil nu, une loupe binoculaire a été utilisée

pour pouvoir les différencier après extraction de l’alcool. La différenciation des différentes

ordres ou groupes de faune est surtout basée sur des critères clés de détermination, à savoir

les caractères morphologiques, le nombre de pattes, la forme des yeux, etc.

IV.3. Essai agronomique en vases de végétation

Notre essai a pour objectif de comparer la qualité des différents composts obtenus

entre eux et avec le sol cultural de l’INRA. La qualité a été évaluée à travers la production des

biomasses racinaire et aérienne. La réalisation de l’essai a requis l’utilisation des éléments

suivants à savoir :

- Un site expérimental : l’enceinte de la serre de l’INRA.

- Des pots de culture contenant 3 kilogramme de sol.

- Un matériel végétal : deux (2) espèces ont été utilisées, le pois chiche et l’orge.

Le protocole général d’analyses physiques, chimiques et biologiques est schématisé dans la

Figure II-1 ci-jointe :

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145

Échantillons de compost

Tamisage 20 mm

Caractérisation biologique Matière sèche Caractérisation physico-chimique

Mesure du pH

Conservation à 4°C Lyophilisation, broyage

-Mesure de la respiration - Teneur en matière organique

-Dénombrements microbiens - Analyses élémentaires C et N

- Dosages des ions ammonium et nitrate

- Analyses du phosphore organique et minéral

- Fractionnement biochimique:

- Teneur en acides humiques et fulviques

- Teneur en lignine

- Spectroscopie UV

- Spectroscopie Proche Infra Rouge

- Résonance Magnétique Nucléaire 13

C.

Figure II-1 : Protocole général d’analyses physico-chimiques et biologiques

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146

Conclusion et objectifs de notre travail

Cette synthèse bibliographique a montré qu’un grand nombre d’études préconisent la

valorisation des boues de station d’épuration et des déchets verts par la technique du co-

compostage permettant de produire un amendement organique riche en matière organique

stable et humifiée. Ce procédé aérobie se déroule suivant deux phases principales :

* La première est caractérisée par une forte activité biologique en début de

compostage, engendrant une forte minéralisation des matières organiques et une

élévation de la température.

* La seconde est une phase de maturation pendant laquelle les processus

d’humification engendrent une stabilisation de la matière organique. La voie naturelle

de valorisation par compostage comporte de nombreux avantages notamment la

réduction des volumes de déchets, l’hygiénisation et la stabilisation de la matière

organique. L’incorporation de compost aux sols s’avère efficace pour lutter contre la

dégradation de la surface des sols et améliorer sa porosité et sa structure. Les

applications de compost dans les sols permettent également une diminution de l’apport

des engrais minéraux lixiviables.

Elle concerne aussi les aspects biochimiques du compostage. Les composés

organiques potentiellement retrouvés dans les composts de boues de station d’épuration et de

déchets verts sont ainsi distingués en substances non-humiques et substances humiques. Les

substances non-humiques sont décrites à travers la composition chimique des glucides

notamment les polysaccharides (cellulose et hémicelluloses), la lignine, le complexe

lignocellulosique, les lipides, les protéines, les tanins et les polyesters lipidiques (la cutine et

la subérine). Les substances humiques sont des composés organiques stables, impliqués dans

de nombreux processus au sein des composts et dont la structure moléculaire est mal connue.

Le compostage entraîne la minéralisation ou l’humification des matières organiques,

l’humification se faisant à partir de quatre voies théoriques de formation.

La suite de la synthèse bibliographique s’est basée sur le concept de la qualité des

composts et notamment sur la maturité des matières organiques. Dans ce but, une description

non exhaustive des différentes techniques d’étude de la stabilisation des matières organiques

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147

(analyse spectrale telles que la RMN, la spectroscopie UV et IR) ainsi que des critères

d’évaluation de la maturité des composts a été effectuée.

Cependant, il est primordial de connaître l’état et la qualité des composts utilisés

²comme amendement dans le cadre d’une bonne gestion de ces amendements organiques. En

effet, des composts immatures peuvent produire des effets néfastes tels que des déficiences en

azote pour les plantes ou des effets phyto-toxiques lors de leur application aux sols. Il existe

donc de nombreuses méthodes chimiques et biologiques d’évaluation de la stabilité, de la

maturité et du pouvoir amendant des composts.

Le premier objectif de ce travail a été d’entreprendre et d’explorer les mécanismes

physico-chimiques et biologiques impliqués dans le compostage de boues de station

d’épuration et de déchets verts. Ainsi, les paramètres physico-chimiques tels que la

température, l’humidité, le pH, le carbone, l’azote, le rapport C/N, les teneurs en matières

organiques, en acides humiques et fulviques, et d’autre part l’analyse spectrale UV-vis et

RMN 13

C du solide et, enfin, les paramètres biologiques telle que l’étude des communautés

microbiennes.

Le second objectif a été de proposer et d’expérimenter un nouvel outil d’évaluation de

la qualité des composts synthétisant l’information issue des différents paramètres utilisés.

Nous aborderons dans un premier temps.

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Partie III : Résultats et discussions

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Chapitre I

Evolution des caractéristiques physico-chimiques

classiques au cours du compostage

Ce chapitre présente l’évolution des paramètres physico-chimiques au cours du compostage

de déchets verts et de boues de station d’épuration. Il fait état des relations établies entre des

paramètres classiques tels que température, humidité, pH, carbone, azote, rapport C/N et la

conductivité électrique.

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I.1. Décomposition et minéralisation aux différents stades du compostage

Une étude de l’évolution de plusieurs paramètres chimiques conventionnels :

humidité, pH, CE, NTK, COT, C/N, DEC, NH4+, NO3

- et teneur en MO a été effectuée à partir

des composts (180 jours de maturation). Les résultats sont présentés dans le (Tableau I-1).

Tableau I-1 : Evolution des paramètres physico-chimiques au cours du processus de

compostage

Paramètres 0 jour 30 jours 60 jours 90 jours 120 jours 150 jours 180 jours

Humidité 53.8 ± 0.3 42.2 ± 0.2 39.4 ± 0.1 36.7 ± 0.1 35.2 ± 0.05 33.1 ± 0.2 32. 3 ± 0.2

pH 7.4 ± 0.05 7.3 ± 0.1 7.1 ± 0.1 7.6 ± 0.1 7.4 ± 0.2 7.8 ± 0.3 7.7 ± 0.3

E.C (mS cm-1

) 2.2 ± 0.1 1.8 ± 0.1 1.8 ± 0.05 1.8 ± 0.05 1.7 ± 0.1 1.8 ± 0.05 1.8 ± 0.05

TOC % (1) 35.5 ± 0.6 36.6 ± 0.1 41 ± 1.09 42 ± 1 35.2 ± 0.1 29.3 ± 0.1 29.1 ± 0.1

TKN % (1) 1.3 ± 0.1 1.4 ± 0.2 1.7 ± 0.05 1.9 ± 0.1 1.9 ± 0.3 1.9 ± 0.2 1.9 ± 0.2

MO % 52.2± 2.0 52.1± 3.0 50.0± 3.2 50.5± 4.2 48.9± 2.2 46.4± 2.2 42.8± 2.4

Ash (g kg-1

) 32.8 ± 0.2 34.3 ± 1.02 36.3 ± 2.2 42.4 ±0.5 46.2 ± 0.4 50.5 ± 1.1 51.5 ± 1.1

C/N 27.3 26.1 24.5 22.7 18.7 15.4 15.1

Dec % (1) - 6.5 14.3 33.6 43.6 62.1 61.1

N-NH+

4 (mg g-1

) (1) 2.5 ± 0.1 2.3 ± 0.1 2.6 ± 0.1 1.9 ± 0.1 1.3 ± 0.1 1.2 ± 0.1 1.1 ± 0.1

N-NO-3 (mg g

-1) (1) 2.7 ± 0.1 2.5 ± 0.05 1.5 ± 0.1 1.6 ± 0.3 0.9 ± 0.2 0.6 ± 0.2 0.6 ± 0.2

Mg total (g kg-1

) 2.5 ± 0.1 2.6 ± 0.05 2.8 ± 0.1 2.8 ± 0.3 3.1 ± 0.2 3.5 ± 0.2 3.3 ± 0.2

K total (g kg-1

) 13.6 ± 0.1 9.9 ± 0.1 8.7 ± 0.2 8.7 ± 0.2 9.7 ± 0.5 9.6 ± 0.1 9.1 ± 0.01

P total (g kg-1

) 2.3 ± 0.1 2.2 ± 0.05 2.5 ± 0.1 1.9 ±0.05 1.9 ± 0.1 2.1 ± 0.2 2.2 ± 0.2

Mn total (mg kg-1

) 48.6 ± 0.05 50.6 ± 0.5 50.6 ± 0.5 78.8 ±0.6 79.8 ± 2 60.3 ± 0.8 56.1 ± 0.8

Fe total (mg kg-1

) 4875 ± 3.6 4777 ± 2.6 3058 ± 1.5 3703 ±1.5 4057 ± 0.5 4464 ± 1 4304 ± 1

(1) : Résultats exprimés par rapport à la matière sèche.

M. O = Matière organique ; DEC = Taux de décomposition, NTK = Azote total kjeldahl

I.1.1. Humidité et température

L’humidité mesurée dans le mélange initial est comprise entre 53 % et 54 %, la teneur

en eau reste élevée pendant le premier mois. L’humidité optimale pour le compostage, c’est-à-

dire celle permettant l’activité microbienne optimale, est généralement située entre 50 % et 70

%, en fonction des déchets compostés (JERIS & REGAN ,1973a ; RICHARD et al., 2002).

Celle-ci diminue ensuite très fortement pour atteindre 32.3 % après 180 jours (Tableau I-1),

cette diminution relative est voisine de 33 % pour la majorité des composts, et traduit une

modification des caractéristiques physiques du milieu, comme le pouvoir de rétention

intrinsèque des matériaux ou la porosité du milieu. Cette modification de la porosité, traduite

par une augmentation de la densité apparente au cours du compostage, correspond aux

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151

résultats d’études antérieures (MICHEL et al., 1996; DAS & KEENER ,1997; RICHARD et

al., 2002).

CANET & POMARES (1995) ont mesuré de semblables chutes de l’humidité de 60 à

21 % en 90 jours de compostage, selon FRANCOU (2003), une partie de l’énergie calorifique

dégagée lors du processus de compostage provoque cette évaporation de l’eau entraînant un

assèchement des matières. En effet, les températures des composts analysés présentent un

maximum de 54 à 69 °C à 8 jours, puis diminuent jusqu’à 180 jours pour atteindre 35 à 28 °C

(Figure I.1). JIMENEZ & GARCIA (1989) ont montré également que la température dans un

compost en andain augmente pendant les premiers jours, jusqu’à 60 ou 70 °C, puis diminue

graduellement pour atteindre une température constante.

L’évolution de la température (Figure I-1), traduit une bonne évolution du processus

de compostage, par succession de deux phases d’activité microbiologique :

- Phase de stabilisation: caractérisée par une élévation de la température jusqu’à une

température maximale de 69 °C, et correspond à la dégradation des composés organiques

simples.

- Phase de maturation: caractérisée par une diminution de la température et correspond à la

dégradation des molécules lignocellulosiques, et au processus d’humification.

Figure I-1: Evolution de la Température au cours du compostage

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152

Il est aussi à noter que les températures sont plus élevées à l’intérieur de composteur

qu’en surface avec des différences de 10 à 15 °C (Figure I-2). De même, l’humidité,

initialement identique dans le mélange, diminue plus fortement en surface. Ceci peut

s’expliquer par de plus importants échanges gazeux et thermiques avec l’extérieur à la surface

de composteur.

Figure I-2 : Humidité mesurées à la surface et à 40 cm pendant 180 jours de compostage.

I.1.2. Evolution du pH

Pour l’ensemble des composts, le pH augmente au cours du compostage (Tableau I-2,

Figure I-3). Dès 3 semaines, tous les pH sont supérieurs à 7 et atteignent des valeurs

comprises entre 7 à 7.8 après 12 semaines.

Cette augmentation générale du pH entre l’état initial et un état de compostage avancé est

conforme aux données de la littérature. Plusieurs études ont en effet montré que les composts

soumis à de bonnes conditions d’oxygénation ont des pH qui atteignent rapidement des

valeurs voisines de 8 (MICHEL & REDDY ,1998); (EKLIND & KIRCHMANN , 2000b;

SANCHEZ-MONEDERO et al., 2001).

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153

Notons également qu’aucune acidification du milieu en début de procédé n’apparaît, à

l’inverse des résultats trouvés lors de certains travaux précédents (FORSTER et al., 1993). Or

l’acidification du milieu est imputable à une oxydation incomplète de la matière organique

conduisant à la production d’acides gras organiques en conditions anaérobies. Cela confirme

que notre essai s’est déroulé dans des conditions d’aération satisfaisantes. Les boues de

stations d’épuration contiennent une part importante de lipides expliquant leurs faibles pH

initiaux. La disparition des acides gras pourrait ainsi expliquer l’augmentation du pH pendant

le compostage. l’hypothèse fait par (CAYUELA et al., 2006) et TANG et al. (2004) que les

ions ammonium NH4+

libérés pendant le processus contribueraient aussi à l’augmentation du

pH.

Tableau I-2 : Evolution des pH au cours du processus de compostage

Temps

(jours)

0 8 12 18 30 45 50 65 90 100 120 160 180 200 240 280

pH 7.1 6.9 7.1 7.3 7.2 7.1 7.2 7.4 7.6 7.8 7.6 7.8 7.8 7.6 7.5 7.5

Figure I-3: Evolution de pH au cours du compostage

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280

4

6

8

pH

Temps (jours)

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154

I.1.3. Matière organique (MO) et carbone organique total (COT)

Les résultats obtenus avec les taux de matières organiques diminuent au cours du

compostage, passant de 52.3 % à 42.8 % de la matière sèche à la fin du processus (Tableau

I.1). Le carbone organique diminue également en passant de 35.5 % à 29.3 % en 180 jours de

compostage. Nous avons remarque que deux périodes distinctes. Une première phase est

comprise entre 0 et 47 jours pendant laquelle MO et COT affichent de fortes diminutions

passant respectivement de 52.3 à 42.8 % et de 35.5 à 29.3 % de la matière sèche. La seconde

phase, entre 47 et 180 jours, présente une stabilisation de MO et COT avec respectivement

42.8 et 29.3 % de la matière sèche.

Ces diminutions de MO et COT sont caractéristiques de la dégradation des matières

organiques. En effet, ces diminutions, pendant le compostage, ont souvent été rapportées et

assimilées à la minéralisation des matières organiques par les micro-organismes (BERNAL et

al., 1998; LAOS et al., 2002; GRIGATTI et al., 2004).

A l’exception de cette perte de COT s’explique principalement par la minéralisation de

la matière organique en CO2, cette diminution de teneurs en COT montre que le carbone

disparait dans des proportions plus importantes que la matière sèche totale. La perte de

carbone sous forme d’acides gras volatiles est possible. Cependant, il a été montré que les

acides gras volatiles représentent moins de 10 % du COT, cette proportion n’étant atteinte que

dans les cas de conditions anaérobies, et s’accompagnant d’une acidification du milieu

(BECK-FRIIS & SMARS, 2003). Or les pH élevés qui ont été mesurés sur les composts

mettent en évidence des conditions aérobies (Tableau I-2).

De telles teneurs en MO et COT sont courants dans la littérature de MENA et al.

(2003), HUANG et al. (2004) et HERNANDEZ et al. (2006) ont attribué la diminution du

taux de matières organiques à une minéralisation microbienne de la matière organique des

boues, étant donné la nature ligno-cellulosique des déchets verts qui sont dégradés beaucoup

plus lentement. HERNANDEZ et al. (2006) ont effectivement montré qu’une augmentation

de la proportion de boues dans le mélange initial boues - déchets verts, intensifie la

minéralisation.

Dans le cas de cette étude, la première phase de diminution des matières organiques

peut être attribuée à une importante dégradation et à une minéralisation des matières

organiques entre 4 et 47 jours alors que la seconde phase, caractérisée par une stabilisation de

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155

ces deux paramètres, indique, au contraire, un ralentissement de la minéralisation et le début

de la phase de maturation.

I.1.4. Analyses élémentaires

I.1.4.1. Azote Total Kjeldhal (NTK)

La teneur en azote organique présente une augmentation entre 0 et 180 jours avec

respectivement 1.3 et 1.9 % de la matière sèche (Tableau I-1). Cet effet est dû à sa

concentration, engendrée par la forte dégradation des composés carbonés réduisant la masse

totale de compost (BERNAL et al., 1998). N rapporté à la masse sèche du mélange initial

diminue au cours du compostage comme l’a rapporté FRANCOU (2003). Du fait de cette

concentration de l’azote et de la minéralisation du carbone.

I.1.4.2.Rapport C/N

Les rapports C/N diminuent pour tous les composts au cours du compostage (Tableau I-1)

avec des valeurs comprises entre 27.3 et 15.4. Cette diminution du C/N, principalement au

cours de compostage, figure dans de nombreuses études (KAPETANIOS et al., 1993;

IGLESIAS-JIMENEZ & ALVAREZ ,1993; IANNOTTI et al., 1994; BERNAL et al., 1998b;

BRINTON & EVANS ,2000), cette diminution est classiquement observée et est liée au

degré de maturité. HUANG et al. (2006) ont rapporté que les modifications du rapport C/N

reflètent la décomposition et la stabilisation des matières organiques. Après 3 mois de

compostage, il n’y a plus de différence importante entre les composts. De plus, le C/N

présente la même tendance que COT et MO avec deux phases distinctes. Les 40 premiers

jours sont caractérisés par une diminution du rapport C/N de 27.3 à 26.1 traduisant une

décomposition soutenue de la matière organique. Le reste du processus se distingue par une

phase de stabilisation, traduisant un ralentissement de la minéralisation et indiquant le début

de la phase de maturation.

I.1.4.3.Conductivité électrique

Les composts présentant une diminution de leurs conductivité est marquée en début de

compostage entre 0 et 1 mois (Tableau I-1), ces composts sont ceux qui perdent le plus de

matière durant l’expérimentation, la conductivité du compost est fortement dépendante de son

contenu en nutriments, et il est probable que l’humification de la matière organique du

compost augmente la force des liaisons entre les cations minéraux et les complexes

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156

organiques stables, causant ainsi une diminution de la conductivité mesurée dans les extraits

(AVNIMELECH et al., 1996). Cependant, on observe que le compost final ne dépasse pas la

limite de la valeur de la salinité de 3 mS.cm-1

à utiliser dans de bons engrais (SOUMARE et

al. 2003). La conductivité est très variable selon le compost, même si elle a une tendance

naturelle à diminuer avec la progression de la maturité (SAID-PULLICINO et al. (2007).

Conclusion du Chapitre I

Ce premier chapitre avait pour but de présenter les caractéristiques physico-chimiques

classiquement mesurées sur les composts, au cours du compostage. Cette caractérisation

physico- chimique montre une variabilité importante des résultats. On observe des différences

importantes des caractéristiques physico-chimiques des mélanges initiaux et les composts, dus

aux proportions des différents déchets. Ces caractéristiques évoluent rapidement en début

de compostage et se stabilisent vite au cours du compostage. L’influence des

retournements a également été mise en évidence au cours de cette première étape de

caractérisation des composts. Une fréquence de retournements accrue provoque une

minéralisation plus importante de la matière organique.

Les résultats obtenus ont montré que le compostage s’est effectué en conditions aérobies

satisfaisantes (minéralisation importante de la matière organique, pas d’acidification du

milieu). Cette première caractérisation était nécessaire pour réaliser une typologie des

composts. Une caractérisation plus fine des matières organiques des composts s’avère

indispensable, afin de voir notamment comment celles-ci évoluent au cours du compostage en

fonction des déchets compostés et du procédé de compostage. Les deux chapitres suivants

sont consacrés à cette étude de la matière organique.

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157

Chapitre II

Caractérisation des substances humiques et de la

matière organique des composts par spectroscopie

FTIR, UV Visible et RMN 13C

Les paramètres chimiques classiques décrits ci-dessus ne pouvant nous éclairer sur

les modifications subies par la matière organique pendant la seconde phase du procédé,

phase de stabilisation et de ralentissement de la minéralisation, d’autres analyses chimiques

et spectroscopiques ont été développées dans ce chapitre telles qu’un fractionnement

chimique de la lignine, des acides humiques et fulviques, Par conséquent, le rapport

d’humification RH (AH/AF) traduit une différence d’extractibilité des composés organiques,

et non un réel degré d’humification de la matière organique.

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158

II.1. Fractionnement humique

Le fractionnement chimique des acides humiques et fulviques a permis de suivre

l’évolution de l’humification des matières organiques pendant le compostage. Les résultats de

ces analyses, pour les composts durant le compostage, sont présentés par le (Tableau II-1)

Tableau II-1 : Extraction des acides humiques (AH) et fulviques (AF) au cours du

compostage

Temps (jour) 0 30 60 90 120 150 180

Acide Humique

(g kg-1

MS)

29.5 ± 1.3 30.6 ± 0.5 36.5 ± 0.6 39.3 ± 0.6 40.6 ± 0.4 39.9 ± 0.7 39.9 ± 0.7

Acide Fulvique

(g kg-1

MS)

32.1 ± 1 23.2 ± 1.4 23.8 ± 2.05 17.7± 1.02 11.3 ± 0.4 11.2 ± 0.3 11.2 ± 0.3

Lignine (g kg-1

) 305.8 ± 1 287.4 ± 4.5 298.7 ± 0.3 275.6± 3.7 271.1± 0.5 270 ± 1 270 ± 1

Cellulose

(g kg-1

)

74.5 ± 1.3 68 ± 1 52.4 ± 0.6 54 ± 2 46.1 ± 0.6 45.1 ± 0.3 45.1 ± 0.3

Hémicellulose

(g kg-1

)

132.1± 1.9 131.3 ± 0.3 120.2 ± 1.2 78 ± 1.7 67.3 ± 1.3 66.1 ± 0.6 66.1 ± 0.6

Les substances humiques constituent la fraction principale de la matière organique en

raison de leur effet sur l’écologie des sols, sur la structure, la fertilité, et la croissance de

plantes (HUANG et al., 2006). Une grande partie des matières organiques présentes dans le

mélange initial est minéralisée pendant le compostage, mais les matières organiques

résiduelles sont transformées en nouvelles matières organiques, telles que les substances

humiques produites par les processus d’humification (CAMPITELLI et al., 2006).

On observe une tendance à la diminution les teneurs en acides fulviques, avec des

valeurs de 32.1 à 11.2 g/kg-1

de MS à respectivement 0 et 180 jours de compostage. A

l’inverse, les teneurs en acides humiques augmentent avec des valeurs de 29.5 à 39.9 g/kg-1

de MS (Tableau II.1). Plusieurs études ont montré que l’augmentation de AH est un indicateur

du degré d’humification des matières organiques et donc du degré de maturité des composts

(VEEKEN et al., 2000; HUANG et al., 2006). (HUANG et al., 2006) ont aussi expliqué que

l’humification des matières organiques se produit principalement à travers la fraction AH et

peu à travers la fraction AF. Ainsi, le rapport AH/AF a souvent été proposé comme indicateur

des processus d’humification et comme indice de maturité (SANCHEZ-MONEDERO et al.,

1999, TOMATI et al., 2000). Pour JOURAIPHY et al. (2005), Dans notre travail, l’évolution

de la fraction AH est le bilan d’une part de la synthèse de réelles substances humiques et

d’autre part de la transformation de biomolécules, l’augmentation du rapport AH/AF provient

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159

de la formation d’AH par la polymérisation d’AF ou par la dégradation de substances non

humiques de la fraction AF, suivie par la formation de structures humiques polycondensées

AH.

II.2. Fractionnement chimique de la lignine

Le fractionnement chimique des composts que nous avons réalisée est issue de la

méthode de QUOC LAM et al., (2001) permettant d’isoler la lignine des autres polymères

organiques contenue dans les déchets verts (cellulose et hémicelluloses). Les résultats sont

présentés dans le (Tableau II-1, Figure II-1). La teneur en lignine présente une diminution

significative (WILCOXON-MANN-WHITNEY : p < 0,001) pendant le temps de compostage

avec des valeurs de 305.8 à 270.1 g.kg-1

MS. Cette diminution a été corrélée à l’augmentation

des acides humiques. Ces résultats semblent signifier que les processus d’humification, au

cœur de la stabilisation des matières organiques lors du compostage, correspondent en partie à

une transformation de la lignine en acides humiques.

Figure II-1 : Evolution des teneurs en lignine au cours du compostage.

On peut donc supposer que la fraction lignine correspond effectivement à des

composés ligniques (plus quelques cutines, (DJAKOVITCH, 1988). Bien que considérée

comme réfractaire à la biodégradation, il semble donc que les microorganismes du compost

sont capables de dégrader des quantités importantes de lignine. Il apparaît donc que la

résistance de la lignine face à la biodégradation ne soit pas aussi grande que celle qu’on lui

attribue habituellement. La dégradation de la lignine se fait dès le début du compostage. Elle

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160

est due à l’activité des champignons et actimomycètes thermophiles, qui sont les seuls à

pouvoir dégrader la lignine (REID ,1995; TUOMELA et al., 2000). Des conditions aérobies

étant nécessaires à de tels micro-organismes, ces résultats confirment à nouveau que le

compostage au laboratoire s’est fait dans de bonnes conditions d’oxygénation. La fraction

soluble diminue nettement durant les quatre semaines de compostage, du fait de la

minéralisation de composés facilement utilisables par les microorganismes, comme des

sucres, des lipides, et des protéines (PICHLER & KÖGEL-KNABNER, 2000).

Cette dégradation de composés plus complexes peut conduire à des composés

organiques intermédiaires qui contribuent au maintien de la fraction soluble. La lignine par

exemple n’est que partiellement oxydée et dépolymérisée par les champignons bruns

(KÖGEL-KNABER, 2002). La constance de la fraction soluble traduirait donc des transferts

des composés des compartiments organiques plus complexes vers le compartiment soluble

selon des flux similaires au flux de dégradation du compartiment soluble. Une autre

explication, qui du reste peut renforcer la précédente, réside dans le caractère moins

facilement biodégradable des composés solubles d’origine microbienne par rapport à ceux

d’origine végétale, utilisés préférentiellement comme source d’énergie par les micro-

organismes (LICHTFOUSE et al., 1998; PASCUAL et al., 1999). (BONNEAU &

SOUCHEIR,1979) font état de travaux montrant que la biodégradation de glucose,

d’hémicellulose et de la cellulose conduit à la formation de résidus stables directement

associés à l’activité microbienne.

La diminution de l’hémicellulose est plus marquée en début de compostage comme le

montre les résultats (Tableau II-1) sur les composts qui ont été suivis dès le début du

compostage, ne représente que 305.8 à 270. g.kg-1

. Ces données sont concordantes avec les

références trouvées. Les déchets verts sont un mélange de produits végétaux ayant des

compositions biochimiques variables. La lignine est prédominante dans les écorces, pouvant

atteindre 60 % de la MOT alors que dans les feuilles et le bois on trouve en général des

teneurs en lignine comprises entre 5 et 40 % et des teneurs en cellulose de 10 à 50 %.

L’apport de déchets verts a pour conséquence une forte stimulation de l’activité microbienne.

La proportion en cellulose diminue pour l’ensemble des composts. En fin

d’expérimentation les proportions de cellulose sont comprises entre 74.5 et 45.1 g.kg-1

. Ceci

va dans le même sens que le travail d’ (EKLIND & KIRCHMANN , 2000a) qui mesurent des

dégradations de cellulose dans des proportions variables suivant que les ordures ménagères

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161

sont mélangées avec des pailles. Les différences de vitesses de dégradation de la cellulose

peuvent s’expliquer par la du fait de la minéralisation de composés facilement utilisables par

les microorganismes, comme des sucres, des lipides, et des protéines (PICHLER & KÖGEL-

KNABNER, 2000), puis reste à un niveau à peu près constant. (INBAR et al., 1989) et

(MÜLLER W. et al., ) observent une évolution similaire lors d’études portant respectivement

sur le compostage d’un fumier de bovins et sur le compostage d’ordures ménagères plus

boues. La dégradation de composés plus complexes peut conduire à des composés organiques

intermédiaires qui contribuent au maintien de la fraction soluble. La lignine par exemple n’est

que partiellement oxydée et dépolymérisée par les champignons bruns (KÖGEL-KNABER,

2002) disponibilité de l’azote dans les mélanges (ABDELHAFID et al., 2000).

Cette dégradation, mise en évidence par la diminution de la proportion de cellulose,

cause la libération de composés moins complexes donc plus solubles. Cependant la forte

présence de composés solubles montre que le processus de fermentation n’a pas été conduit à

son terme. Ceci s’explique par le caractère strictement anaérobie des bactéries méthanogènes,

que des traces d’oxygène suffisent à tuer (PELMONT, 1993). Du fait de la présence

importante de composés solubles, et bien que très pauvre en cellulose, ce compost reste

fortement biodégradable lorsqu’il est incorporé au sol en conditions optimales de l’activité de

la microflore du sol.

II.3. Spectrométrie infrarouge

Le dépouillement et l’interprétation de spectres infrarouges d’échantillons constitués

d’une grande variété de composés doivent être faits avec une grande prudence. En effet, le

nombre de composés et donc de liaisons atomiques susceptibles de vibrer dans la gamme de

longueur d’onde du moyen infrarouge est très important dans le cas de tels matériaux. La

disparition d’un pic peut être due à une disparition effective d’un composé, au recouvrement

du pic attendu par une bande voisine, ou encore à la présence d’autres composés gênant la

vibration de la liaison à la fréquence attendue. L’interprétation des différents spectres obtenus

repose sur des hypothèses basées à la fois sur des données bibliographiques et sur les données

acquises lors des fractionnements cités précédemment.

L’évolution de l’absorbance FTIR de structures humiques a été suivie par

l’établissement des rapports entre les principaux pics d’absorption à différents stades de

compostage (04, 30, 60 et 90 jours).

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162

Au cours du compostage, les spectres ont montré une diminution de l’absorbance 3423

cm-1

et 2922 cm-1

(OH phénols) est vraisemblablement du à l’absorption importante de

composés aliphatiques (O-H, N-H) à 3400 cm-1

. L’intensité de la bande à 1640 cm-1

(C=C

aromatiques) peut être attribuée à la présence importante de composées aromatique (lignines,

tanins) ainsi qu’a à la présence de composé azoté (amines primaire et amides), étant donnée

les résultats du fractionnement biochimique.

L’analyse des différents composts met en évidence la part d’absorption imputable à la

faction minérale. Les carbonates sont responsables de la moitié environ de l’absorption à 1418

cm-1

, et de la totalité de l’absorption à 872 cm-1

. A 1050 cm-1

, la fraction minérale (silice) est

responsable de l’absorption. Ceci met en évidence la présence non négligeable de silice dans

les déchets verts collectés.

Entre 1 et 3 mois de compostage, Les bandes d’absorption située entre 1418 cm-1

et

1013 cm-1

qui étaient bien visibles. Cela traduit la dégradation des nombreux composés

aliphatiques, mais aussi phénoliques susceptibles de vibrer dans cette région. Plus

spécifiquement, l’importante diminution de la bande située à 1050 cm-1

(C-C, C-O) reste

assez importante à 12 semaines correspond à la dégradation des polysaccharides. Cela

correspond à la dégradation de la cellulose observée lors du fractionnement biochimique.

Ceci montre l’évolution d’une matière organique riche en composés aliphatiques vers

une matière organique plus riche en composés aromatiques et est cohérent avec les différences

de stabilisation de la matière organique observées sur ces composts (Figure II-5, 6, 7).

Cependant il est impossible de dire s’il s’agit d’une création de composés aromatiques, d’une

résistance plus importante des composés aromatiques entraînant leur concentration dans la

matière organique, ou d’une combinaison de ces deux processus.

L’intensité de l’ensemble des pics diminue (dans des proportions variables) entre 1 et

3 mois de compostage malgré la quantité de matière sèche analysée supérieure dans le cas des

composts à 3 mois. Cela traduit soit une dégradation de l’ensemble des composés, des sucres

simples à la lignine, soit la création de composés plus complexes ayant pour effet d’empêcher

la vibration de certaines liaisons.

Les matériaux aliphatiques et les glucides ont diminué alors que les groupes

aromatiques et azotés reflétant une biosynthèse des substances humiques (acides humiques et

fulviques), Ces changements, indiquant les micros organismes en utilisée les structures

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163

peptidiques et les hydrates de carbone tels que les polysaccharides, cellulose et

l’hémicellulose dans leurs besoins énergétique, à la suite de la disparition des éléments les

plus facilement dégradés.

Le spectre IR présente deux pics distincts à 528 et 466 cm-1

en raison de di-para-

substitué cycle aromatique.

Au bout de 12 semaines de compostage (Figure II-5). On observe une atténuation des

différences liées aux proportions initiales des déchets verts. Ces résultats vont dans le sens des

expérimentations de (SUGAHARA & IONOKO, 1981) sur les substances humiques des

composts, qui constatent que les différences entre composts s’estompent lorsqu’ils se

stabilisent. Cette vision est également partagée par (OUATMANE et al., 2000) qui montrent

que lorsqu’un compost atteint un certain niveau de stabilité, il devient un mélange homogène

dont les caractéristiques sont indépendantes de la nature des déchets compostés.

Par conséquent, tous ces changements physico-chimiques et caractéristiques

spectroscopiques (Figure II-2, 3, 4 et 5) sont similaires aux résultats d’autres études et

pourrait s’expliquer par la stabilité et la maturité du produit final (ECHAB et al, 1998; HSU

et Lo, 1999; OUATMANE et al, 2000).

Les analyses en infrarouge montrent que des composés aliphatiques sont toujours bien

présents, même après 3 mois de compostage pour l’ensemble des composts (Figure II-5). Ceci

confirme les résultats obtenus lors des fractionnements montrant le maintien de composés

solubles, conjointement à une stabilisation biologique des composts, pendant toute la durée de

compostage. Ces composés aliphatiques pourraient être d’origine microbienne, ce qui pourrait

expliquer leur relative résistance face la biodégradation (PELMONT ,1993; LICHTFOUSE et

al., 1998) et expliquer la stabilisation des composts au cours du compostage.

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164

C:\Program Files\OPUS_65\MEAS\Ech N°1'.1 Ech N°1' Instrument type and / or accessory 26/05/2011

3296

.43

2922

.53

2853

.71

1640

.40

1418

.90

1242

.05

1013

.39

871.

23

794.

16

707.

9768

7.34

528.

54

466.

0542

3.26

500100015002000250030003500

Wavenumber cm-1

7580

8590

9510

0

Tran

smitt

ance

[%]

Seite 1 von 1

Figure II-2 : Spectres IRTF de Co-compost de déchets verts et des boues au début de compostage.

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165

C:\Program Files\OPUS_65\MEAS\Ech N°2'.0 Ech N°2' Instrument type and / or accessory 26/05/2011

3295

.15

2922

.46

2855

.80

1640

.08

1418

.08

1240

.84

1013

.51

872.

00

793.

80

708.

5567

5.29

526.

61

463.

92

500100015002000250030003500

Wavenumber cm-1

7580

8590

9510

0

Tran

smitt

ance

[%]

Seite 1 von 1

Figure II-3 : Spectres IRTF de Co-compost de déchets verts et des boues à 30 jours de compostage.

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166

C:\Program Files\OPUS_65\MEAS\Ech N°3'.0 Ech N°3' Instrument type and / or accessory 26/05/2011

3386

.83

1640

.18

1421

.33

996.

18

873.

48

788.

76

687.

19

597.

86

525.

46

462.

3141

7.75

500100015002000250030003500

Wavenumber cm-1

7580

8590

9510

0

Tran

smitt

ance

[%]

Seite 1 von 1

Figure II-4 : Spectres IRTF de Co-compost de déchets verts et des boues à 60 jours de compostage.

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167

C:\Program Files\OPUS_65\MEAS\Ech N°4'.0 Ech N°4' Instrument type and / or accessory 26/05/2011

3370

.41

1638

.00

1419

.98

994.

43

869.

93

776.

65

687.

78

521.

31

458.

2842

0.30

500100015002000250030003500

Wavenumber cm-1

6070

8090

100

Tran

smitt

ance

[%]

Seite 1 von 1

Figure II-5 : Spectres IRTF de Co-compost de déchets verts et des boues à 90 jours de compostage.

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168

Figure II-6 : Spectres IRTF de Co-compost de déchets verts et des boues à différents stades de compostage.

T06 d

T30 d

T90 d

T60 d

C:\Program Files\OPUS_65\MEAS\Ech N°1'.1 Ech N°1' Instrument type and / or accessory

C:\Program Files\OPUS_65\MEAS\Ech N°2'.0 Ech N°2' Instrument type and / or accessory

C:\Program Files\OPUS_65\MEAS\Ech N°3'.0 Ech N°3' Instrument type and / or accessory

C:\Program Files\OPUS_65\MEAS\Ech N°4'.0 Ech N°4' Instrument type and / or accessory

26/05/2011

26/05/2011

26/05/2011

26/05/2011

338

6.83

337

0.41

329

6.43

329

5.15

292

2.53

292

2.46

285

5.80

285

3.71

164

0.40

164

0.18

164

0.08

163

8.00

142

1.33

141

9.98

141

8.90

141

8.08

124

2.05

124

0.84

101

3.51

101

3.39

996

.18

994

.43

873

.48

872

.00

871

.23

869

.93

794

.16

793

.80

788

.76

776

.65

708

.55

707

.97

687

.78

687

.34

687

.19

675

.29

597

.86

528

.54

526

.61

525

.46

521

.31

466

.05

463

.92

462

.31

458

.28

423

.26

420

.30

417

.75

500100015002000250030003500

Wavenumber cm-1

60

70

80

90

10

0

Tra

nsm

itta

nce

[%

]

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169

II.4. Spectroscopie UV – visible

La spectroscopie UV - visible est une technique utilisée pour caractériser les

substances humiques. L’absorption des radiations électromagnétiques dans les régions UV

(200 - 400 nm) et visible (400 - 800 nm) est associée à des transitions électroniques dues à

l’excitation d’un électron d’une orbitale stable vers une orbitale instable.

Dans les composés organiques, ces transitions électroniques correspondent à des

changements d’orbitales moléculaires de groupes fonctionnels spécifiques (chromophores).

Ainsi, les spectres d’absorption d’un composé peuvent être utilisés pour son identification.

Pour ROBERTS & CASERIO (1968), la transition d’un électron d’un état fondamental à un

état électronique excité est accompagnée de variations vibrationnelles et rotationnelles au sein

de la molécule, rendant ainsi les absorptions dues aux excitations électroniques, relativement

larges et donnant des spectres de bandes et non des spectres de raies. Les substances

humiques présentent ainsi des pics d’absorption relativement larges, ce qui empêche

l’identification d’un composé particulier au sein d’un mélange complexe.

Les spectres d’absorption des substances humiques consistant en une augmentation de

l’absorption corrélée à la diminution des longueurs d’onde. Les spectres présentés sur la

(Figure II-7), et effectués à partir des différents composts, correspondent entièrement à la

description de SWIFT (1996). L’allure de ces spectres est expliquée par le fait que ceux-ci

correspondent à la somme de nombreux chromophores.

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170

200 300 400 500 600 7000,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4 j

18 j

30 j

54 j

76 j

86 j

91 j

160j

210j

Densité o

ptiq

ue

Longueur d'onde (nm)

Figure II-7 : Spectre UV-visible de 09 composts de maturité différente.

Des légères variations d’absorption correspondant à des fractions de substances

humiques, peuvent être mesurées. SWIFT (1996) et STEVENSON (1994) ont utilisé Q4/Q6,

comme indice d’humification, dans le cadre de l’étude d’un échantillon de substances

humiques, avec un rapport inférieur à 5 assigné aux acides humiques et supérieur à 5 pour les

acides fulviques. Suivant le même principe, ZBYTNIEWSKI & BUSZEWSKI (2005) ont

relevé trois régions principales à l’intérieur des spectres d’extraits alcalins de composts. La

région 260 - 280 nm correspond à la lignine et aux quinones. Les matières en début de

transformation.

Les absorbances entre 460 et 480 nm répondent aux matières organiques en début

d’humification et la région 600 - 670 nm correspond à des matières fortement humifiées et

condensées avec d’abondants groupes aromatiques. Ces rapports ont été calculés pour des

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171

différents composts et les résultats sont exprimés dans le (Tableau II-2). Les diminutions des

rapports Q2/Q6 et Q4/Q6 entre 4 et 210 jours montrent une augmentation des matières

organiques fortement humifiées au sein du compost et révèlent donc clairement l’humification

des matières organiques.

Tableau II-2 : Absorbances UV - visible de 09 composts de maturités différentes

Temps

(jours)

Abs 280nm Abs 285nm Abs 475nm Abs 665nm Q2/Q6 Q4/Q6 Q2/Q4

4 j 0.844 0.831 0.045 0.001 844 45 18.75

18 j 1.045 1.024 0.088 0.015 69.96 5.86 11.87

30 j 1.249 1.245 0.115 0.022 56.77 8.40 8.69

54 j 1.462 1.406 0.185 0.028 52.21 6.60 7.90

76 j 1.661 1.623 0.221 0.035 47.43 6.31 7.51

86 j 1.893 1.848 0.295 0.049 38.63 6.02 6.41

91 j 2.152 2.063 0.345 0.058 37.10 5.94 6.23

160 j 2.310 2.294 0.412 0.062 37.25 6.64 5.60

210 j 2.541 2.523 0.456 0.085 29.89 5.36 5.57

Selon CHIN et al. (1994), l’absorbance à 285 nm est une mesure approximative du

degré d’aromaticité des matières organiques dissoutes et, selon SENESI et al. (1989),

l’humification est décrite par le degré de polycondensation des structures aromatiques. Dans

cette optique, KALBITZ (2001) a utilisé l’absorption à 285 nm des matières organiques

dissoutes pour estimer le degré d’humification d’un sol en fonction de sa profondeur. Cet

auteur a assimilé une augmentation de l’absorbance à une plus importante humification. Ceci

se vérifie pour les matières organiques dissoutes de compost avec une augmentation de

l’absorbance à 285 nm de 0.831 à 2.523 entre 4 à 210 jours de compostage et donc suivant la

progression de la maturité.

II.5. Caractérisation par Résonance Magnétique Nucléaire

II.5.1. Caractérisations des mécanismes du compostage

La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) 13

C du solide est une technique

spectroscopique puissante permettant d’étudier l’état de la matière organique plus

profondément (KOGEL KNABNER, 1997). Cette technique a connu son essor avec la mise

au point des techniques de polarisation croisée (CPMAS) et de rotation à l’angle magique

(angle de 54,7° par rapport au champ magnétique statique) permettant de résoudre les spectres

RMN beaucoup plus précisément. La caractérisation de la structure carbonée des composts à

différents stade de compostage a été effectuée par RMN 13

C dans le but d’approfondir la

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172

connaissance des mécanismes impliqués dans le processus de compostage. Un exemple de

l’évolution de ces spectres à travers le temps de compostage est représenté par la (Figure II.8).

La déconvolution des spectres à généré plusieurs pics correspondant à des

conformations différentes du carbone. Les résonances exprimées en déplacement chimiques

(ppm) ont été assignées à des structures chimiques grâce à plusieurs études sur les matières

organiques des composts et des sols (INBAR et al., 1991 ; VINCESLAS-AKPA & LOPUET,

1997 ; ALMENDROS et al., 2000). Ainsi, les déplacements chimiques de RMN sont attribués

chimiques : Calkyle (0-45 ppm), CO-alkyle (45-110 ppm), Caromatique (110-145 ppm), C phénolique

(145-165 ppm) et Ccarbonyle & carboxyle (165-200 ppm).

Les acides humiques présentent généralement une résonance similaire dans les

spectres RMN 13

C, mais les intensités des résonances ont changé de manière significative au

cours de compostage (Figure II-9). La distribution du carbone change de manière significative

au cours du compostage (légende II-1).

Légende II-1 : Classifications des signaux d’un acides fulviques et attribution des groupes

chimiques.

Signal (ppm) Attribution des groupes chimiques

22.9 ; 29.8 ; 32 ; 36.4 Paraffinic (alkyl-C)

55 Methoxyl, N-alkyl-C

61- 63 Amino acids

72 alcoholic

102.5 Anomeric carbons of polysaccharide or

tannin structures, acetal and ketal

carbons

110-130 Unsubstituted aromatic C

130-145 Carbon-substituted aromatic carbons

145-160 Oxyen or nitrogen substituted aromatic

carbons

160-200 Carboxylate, ester or amide

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173

N-

Aromatic(phenolic) Aromatic

Paraffinic(alkyl-C)

OH OR R

AlcoholicRC-OHRC-OR

Methoxyl, N-alkyl-C

OCH3

R-C-C-RAmideR-C

O

N-

CarboxylR-C

O

OH Paraffinic(alkyl-C)

R-C-R-C

R-C

O

R

Ketone

CarboxylR-C

O

OH

AmideR-C

O

N-

Aromatic(phenolic)

OH OR

R

Aromatic

AlcoholicRC-OHRC-OR

Methoxyl, N-alkyl-C

OCH3

Paraffinic(alkyl-C)R-C-R-C

(a) (b)

Figure II-8 : Spectres (a et b) RMN solide du 13

C de co-compost de déchets verts et des boues durant le début et le 1er

mois de compostage

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174

AlcoholicRC-OHRC-OR

Methoxyl, N-alkyl-C

OCH3

Paraffinic(alkyl-C)R-C-R-C

R-C

O

R

Ketone

CarboxylR-C

O

OH

AmideR-C

O

N-

Aromatic

Methoxyl, N-alkyl-C

OCH3

Paraffinic(alkyl-C)R-C-R-C

Aromatic(phenolic) Aromatic

OH OR R

AmideR-C

O

N-

CarboxylR-C

O

OH

R

AlcoholicRC-OHRC-OR

(C) (d)

Figure II-9 : Spectres (c et d) RMN solide du 13

C de co-compost de déchets verts et des boues pendant le 2ème

et 3ème

mois de compostage

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Le signal principal à 30 ppm est de caractéristiques (CH2) n d’acides gras (16, 20). Les

carbones aliphatiques substitués par un oxygène et d’azote sont habituellement observées

dans la région de 50 ppm. Le signal important autour de 57 ppm est principalement produit

par des groupes méthoxyles d’éthers aromatiques (22). On observe des amino acides autour

d’un signal de 63 ppm. Des glucides apparaissent à 74 ppm. Dans la région autour de 102.5,

105 ppm qui correspond à des carbones polysaccharides et les tannins.

Des signaux des carbones aromatiques non substitué à 118 et à 130 ppm, des carbones

aromatiques de carbone substitués apparaissent autour de 134 et 144 ppm. Le signal à 150

ppm est principalement produite par l’éther aromatique et/ ou N-substitué atomes de carbone

aromatique. Les résonances élevées à 174 et 184 ppm peuvent survenir à partir des groupes

carboxyliques et de l’amide.

Au cours de compostage, le groupe aliphatique montre une diminution significative de

la résonance dans l’intervalle de 15- 40 ppm qui correspond à longues chaines aliphatiques.

Ces carbones aliphatiques substitués présentent une résonance élevée, et qui sont

principalement attribuable à des groupes méthoxyles d’éthers aromatiques environ à 50 ppm.

En parallèle les dernières structures sont très résistantes à la dégradation microbienne par

rapport à d’autre groupe alkyle. Le carbone carboxylique montre une diminution au cours de

la phase de stabilisation (1 mois) et a augmente ensuite au cours de la phase de maturation.

La diminution de la résonance dans le carboxyle la zone au cours de la phase de stabilisation

peut provenir de l’intense dégradation des lipides. L’augmentation ultérieure durant la phase

de maturation est probablement liée à l’augmentation de la proportion de sous-unités

benzoïque.

Ces résultats sont en accord avec ceux de Garcia et al. Traiter l’ensemble de ces

résultats montre la composition hétérogène des acides humiques extrait de la boue

d’épuration. Il ya une forte contribution des lipides à longue chaîne et structures récalcitrants

aromatiques éthérifiés, à côté de structures peptidiques et des glucides. En fait, les boues

d’épuration proviennent de différents déchets liquides, qui ont subi la dégradation

microbienne au cours du traitement dans l’installation de traitement des eaux usées. Donc, ils

sont composés principalement de résidus d’algues mortes, des champignons et des bactéries

entraînant des peptides et la présence de la chaîne lipidique, Outre matériau récalcitrantes à la

dégradation microbienne comme les structures éthérifiés résistantes.

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176

Pendant le compostage, la multiplication des populations microbiennes utilisent

facilement les composés aliphatiques dégradables, des molécules essentiellement lipidiques et

peptidiques, comme une source d’énergie. Dans les structures parallèles, aromatiques,

principalement ceux qui sont substitués par phénolique, et méthoxylique des groupes

fonctionnels carboxyliques ont montré une augmentation pendant le compostage. Les

résultats obtenus indiquer que la durée de compostage, la matière de départ et surtout

facilement composés dégradables tels que des chaînes latérales aliphatiques liés à des

polymères peuvent être oxydés, conduisant à la production de structures aromatiques plus

fortement fonctionnalisées qui contiennent une grande proportion de carboxyle et carbonyle

méthoxyles hydroxyles. Ces structures résistantes sont donc conservés à faire partie des

acides humiques nouvellement formés. La survenue d’éthers aliphatiques Ainsi, ces résultats

sont cohérents avec l’augmentation du degré de polymérisation et aromaticité pendant le

compostage résultant du processus d’humification.

Conclusion chapitre II

Les modifications structurelles des acides humiques extraites d’un mélange de boues

d’épuration et des déchets verts pendant le compostage ont été suivis en utilisant diverses

techniques analytiques (Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier, Spectre UV-

visible et 13

C-RMN). Les résultats obtenus indiquent que la matière de départ est un mélange

hétérogène de structures aromatiques éthérifiés portant lipidique à longue chaîne périphérique,

des structures peptidiques et des glucides. Au cours du compostage, par le développement de

l’activité microbienne intense, la dégradation oxydative principalement de composés

facilement accessibles survient comme celui de chaînes latérales aliphatiques lipidique et des

structures peptidiques. Cela conduit à la production de très oxydé et polycondensée

macromolécules aromatiques. Ces derniers composés, comme les biopolymères résistants a la

décomposition microbienne, sont conservés pour faire formés une partie des acides humiques

formés. Ces résultats montrent que l’humification se produit au cours du compostage, par

conséquent, la stabilité et la maturation du produit final.

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177

Chapitre III

Extraction séquentielle des métaux lourds au

cours du compostage des boues d’épuration et de

déchets verts

L’utilisation agricole du compost des boues n’implique pas seulement la

détermination de son degré de stabilité et de maturité, il est nécessaire de déterminer son

contenu en éléments traces métalliques (ETM) puisque se sont des éléments non

biodégradables et qui ont tendance à s’accumuler le long des chaînes alimentaires. De plus,

les teneurs totales ne donnent pas des informations suffisantes sur leur mobilité et leur

comportement dans l’environnement, ce sont les formes chimiques qui déterminent leur

biodisponibilité dans le système sol-plante. Ce chapitre a pour objectif le suivi de l’évolution

des teneurs totales et formes chimiques des ETM au cours du compostage du mélange boues-

déchets verts.

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178

III .1. Spéciation des métaux lourds au cours du compostage

Le compostage peut se concentrer ou diluer les métaux lourds présents dans les boues

d’épuration (LAZZARI et al, 2000; ZORPAS et al., 2003). L’analyse des ETM dans le

mélange boues- déchets verts à différents stades de compostage a montré des teneurs totales

faibles en Zn, Cr, Cu, Pb et Ni. Ces teneurs présentent une diminution au cours du

compostage (Figure III-1) attribuée à un lessivage de ces métaux suite à leur libération par

décomposition de structure organiques durant la phase thermophile. Les teneurs totales se

stabilisent en phase de maturation et à fin de compostage, ce qui indique que le compostage a

contribué à une élimination des formes les plus labiles des métaux et leur passage vers des

formes plus stable. Bien que certains auteurs suggèrent que lorsque les concentrations de

métaux toxiques potentiels d’un compost sont élevés, la lixiviation des métaux associés avec

du compost est préoccupante (HSU ET LO, 2001).

Figure III-1 : Quantité totale des métaux lourds durant le Co-compostage

des boues et des déchets verts.

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179

Une comparaison entre la somme des teneurs de cinq formes chimiques des ETM et

les teneurs totales AFNOR indique que 70 à 80 % sont sous formes non extractibles liés

principalement aux silicates et nommée fraction résiduelle.

La teneur totale en métal du compost final était inférieure à celui des valeurs des

boues qui n’ont pas de restrictions d’utilisation et qui sont considérés comme fertilisants des

sols de bonne qualité selon la normalisation du Conseil canadien des ministres de

l’Environnement (Tableau III-1) [CCME., 1993; en tant que recommandation disponible

pour] compost de boues, ainsi que des valeurs obtenues pour d’autres composts de boues

(ZORPAS et al., 2003).

Tableau III-1: Teneurs en métaux lourds dans les valeurs limites pour la classe A de

composts « qui ne comportent aucune restriction d’usage » et de classe B de compost « qui

peut être utilisé sur les terres forestières et les côtés de la route et à d’autres fins

d'aménagement paysager », selon CCME de normalisation du Canada (1995).

Métal

Compost finale

(mg kg-1

)

Les valeurs limites

Class A (mg kg-1

)

Les valeurs limites

Class B (mg kg-1

)

Zn 202

500

1850

Cr

98.4 210 1060

Cu

54.2 100 757

Ni 23.2

62 180

Pb

108 150 500

Cd

nd* 3 20

* nd : non- dectectable.

- Classe A : compost (qui ne comporte aucune restriction à l’utilisation).

- Classe B : compost (qui peut être utilisé sur les terres forestières et des routes et à d'autres

fins d'aménagement paysager).

En outre, la plus grande proportion de métal a été trouvé associée à la fraction résiduelle (70-

80 %) et les fractions les plus résistantes à l’extraction X-NaOH, X-EDTA, X-HNO3 (12-29

%). Cela indique que les métaux étaient sous des formes plus stables et peuvent par

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180

conséquent être considérée comme disponible pour absorption par les plantes. A moins de 2

% de métaux ont été liés à des fractions bio disponibles X-(KNO3+H2O).

Un bon coefficient de corrélation (R= 0.99**) a été trouvé, à chaque étape de

compostage entre la quantité totale de métal et de montants totaux extraits par extraction

séquentielle, malgré ce dernier est environ 4 fois plus faible que la précédente où le métal et

l’étape de compostage. Pour assurer le suivi de la distribution des métaux au cours du

compostage, chaque fraction métallique a été signalée à % du total des montants extractibles.

% De métal extractible totale = (X-fraction /total métallique extractible) x100

(X-fraction = quantité de métal sous forme KNO3 ou X-H2O, ou X-NaOH ou X-EDTA ou X-

HNO3).

(Total en métal extractible = X-KNO3+ X-H2O+ X-NaOH+ X-EDTA + X-HNO3).

Au cours de compostage nous observons, les formes mobiles X-KNO3 et X-H2O des

métaux Zn, Cu et Cr ont une tendance à diminuer (Figure III-2).

Figure III-2 : Changement du pourcentage de fromes métalliques extractibles (X-KNO3

(Exchangeable) et X-H2O (Soluble) au cours du compostage

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181

Pour les fractions mobilisables (Figure II- a, b) , de Cu et Zn au cours de compostage il y a

une diminution de la fraction X-NaOH avec une augmentation de X-EDTA, et les formes X-

HNO3. Les changements ont été plus importants dans le cas de Cu.

(a)

(b)

Figure III- a, b : Changement du pourcentage des fractions métalliques extractibles (X-

NaOH, X-EDTA et XHNO3) au cours de compostage (a: Zn; b: Cu).

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182

Pour le Pb présenté une augmentation de X-HNO3 avec une diminution de X-NaOH et X-

EDTA formes solubles. Le Cr présente une diminution significative de la fraction de X-HNO3

et une augmentation sous la forme d’EDTA et NaOH (Figure III- c, d).

(c)

(d)

Figure III- c, d : Changement du pourcentage des fractions métalliques extractibles (X-

NaOH, X-EDTA et XHNO3) au cours de compostage (c: Pb; d: Cr)

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183

Ni montre une diminution de deux forme organique X-HNO3 et NaOH avec une

augmentation de la forme carbonate EDTA. En fait, au cours de la phase thermophile du

compostage, la décomposition de structures organiques conduit à une libération des métaux

Pb et Ni de leur formes organiques. Ces métaux présentent plus d’affinité aux structures

sulfures et carbonates, alors que le Zn et plus particulièrement, le Cu présentent plus d’affinité

aux fractions organique et carbonates.

(e)

Figure III- e : Changement du pourcentage des fractions métalliques extractibles (X-NaOH,

X-EDTA et XHNO3) au cours de compostage (e: Ni).

Conclusion chapitre III

L’analyse des ETM dans le mélange boues-déchets verts à différents stades de

compostage a montré des teneurs totales faibles en Zn, Cu, Cr, Pb et Ni. Ces teneurs

présentent une diminution au cours du compostage attribuée à un lessivage de ces métaux

suite à leur libération par décomposition de structures organiques durant la phase thermophile.

Les teneurs totales se stabilisent en phase de maturation et à fin de compostage, ce qui indique

que le compostage a contribué à une élimination des formes les plus labiles des métaux et leur

passage vers des formes plus stables. Les teneurs totales en ETM dans le compost sont

inférieures aux normes internationales dans le compost des boues acceptable pour un usage

agricole.

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Chapitre IV

Activité de dégradation microbiologique au

cours du processus de maturation du compost

Les mécanismes de décomposition, de minéralisation et d’humification impliqués pendant le

compostage se traduisent par des changements notables et mesurables d’éléments chimiques.

Les activités microbiennes, à la base des ces transformations, subissent, elles aussi, de fortes

modifications au cours de ces processus. Cette évolution se traduit par des modifications des

communautés microbiennes présentes et actives à travers les processus successifs et/ou

simultanés de minéralisation et d’humification. C’est l’objective de ce chapitre qui s’attache

à déterminer l’évolution les communautés microbiennes au cours du processus de

compostage.

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IV.1. Evolution des communautés microbiennes au cours du processus du compostage

IV.1.1. Aspect bactériologique des composts

Dans le processus de compostage, les micro-organismes jouent un rôle clef. La

présence de certaines espèces reflète les qualités d’un compost mature (RYCKEBOER et al.,

2003). Le suivi des successions microbiennes au cours de l’évolution du compost apparaît

donc essentiel à la compréhension des phénomènes liés à l’intervention des micro-organismes

dans la transformation de la matière organique.

Dans ce but, un dénombrement du micro-organisme a été effectué au cours du

compostage de boues de stations d’épuration mélangées à des déchets verts, les résultats sont

représentés dans le (Tableau IV-1).

Tableau IV-1 : Evolution des concentrations en micro-organismes au cours du compostage

Echantillon Levures et

moisissures

CFU. g-1

/MS

Mésophile

Aérobie Totale

CFU. g-1

/MS

Bacilles

aérobies

sporulées

CFU. g-1

/MS

Actinomycètes

CFU. g-1

/MS

Salmonella sp

CFU. g-1

/MS

0 jour 2.7 x 106 5.8 x 10

6 4.4 x 10

6 3.2 x 10

4 Presence

30 jours 5.6 x 106 4.6 x 10

6 5.6 x 10

4 5.7 x 10

4 Presence

60 jours 5.2 x 105 9.9 x 10

5 5.5 x 10

5 1.8 x 10

6 Absent

90 jours 4.1 x 105 2.1 x 10

4 2.9 x 10

3 4.4 x 10

5 Absent

120 jours < 10 < 10 5.2 x 102 69 x 10

3 Absent

150 jours < 10 < 10 3.5 x 102 1.1 x 10

2 Absent

180 jours < 10 < 10 3.5 x 102 1.1 x 10

2 Absent

CFU : Colony Formed Unit.

Au cours du processus de compostage, les levures et moisissures diminue

considérablement, les résultats sont représenté dans le (Tableau IV-1), puisqu’elle passe de

2.7 106 à <10 UFC.g

-1.MS. En revanche, les populations de bactéries sporulées varient de 4.4

x 106 à 3.5x 10

2. Une importante population : 5.8.10

6 UFC.g

-1. MS est observé à 0 jours

pendant la phase bio-oxydante exothermique où la température engendrée par les activités

métaboliques est la plus élevée. Les conditions défavorables à de nombreux types de bactéries

sporulantes provoquent, alors, leur passage sous forme résistante sous forme de spores, le

nombre de bactéries sporulées diminue jusqu’à le nombre <10.

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Les communautés actinomycétales n’apparaissent en importante quantité que lorsque

les conditions de leur développement sont réunies, après la phase thermophile et lorsque le pH

atteint des valeurs légèrement basiques. Au vu des résultats, on remarquer une augmentation

de cette populations bactérienne filamenteuse d’actinomycètes similaires du 3.2 x 104 à 1.8 x

106 entre 0 et 60 jours, est mesurée lorsque l’humidité diminue après 31 jours, suivie d’une

diminution jusqu’au terme du processus, comme l’ont rapporté FINSTEIN & MORRIS

(1975) et RYCKEBOER et al. (2003). Ces auteurs ont expliqué que ces micro-organismes,

pendant cette phase dégradent activement la cellulose et les hémicelluloses présentes. Les

mêmes tendances ont été observées par DE BERTOLDI et al. (1983) pour les actinomycètes

et les champignons ligninolytiques dans le compost. Ces auteurs ont expliqué ces aspects

biologiques par des conditions plus adéquates à l’égard de ces deux groupes de micro-

organismes pendant la phase de maturation du compost (température, humidité et pH), mais

aussi par la présence prédominante de substrats tels que la cellulose et la lignine.

Les Salmonelles sont de bons indicateurs d’une pollution fécale, Leur nombre s’avère

important au début du cycle de compostage puis ils disparaissent à la fin du cycle.

IV.2. Respiration

L’étude des successions microbiennes explique une partie des mécanismes impliqués

dans le compostage. L’étude des activités microbiennes peuvent également permettre

d’appréhender la dynamique des différentes modifications biochimiques.

Pour DE BERTOLDI et al. (1983), le compostage est un processus biologique de

transformation des matières organiques, en présence de quantités appropriées d’air et d’eau,

en un produit humifié et pendant lequel les activités microbiennes sont essentielles à la

minéralisation des composés organiques. La mesure d’activité microbienne la plus étudiée

dans les composts est la respiration. Cette mesure reflète l’activité globale des micro-

organismes au sein d’un compost. La respiration exprimée par la quantité de O2 consommée

est souvent utilisée comme indice de stabilité des composts (ADANI et al., 2006; BOULTER-

BITZER et al., 2006). Des mesures de respiration ont été effectuées sur les composts de

différents prélèvements. Les résultats sont présentés dans le Tableau IV-2.

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Tableau IV-2 : Mesure de la respiration des composts

Temps jour Compost

mg O2.h-1

.g-1

MS

7 36.5 ± 0.85

15 23.4 ± 0.55

30 21.7 ± 0.51

45 18.2 ± 0.67

60 12.7 ± 0.48

90 04.2 ± 0.64

120 3.30 ± 0.72

150 1.50 ± 0.44

160 0.50 ± 0.65

Les teneurs en O2 présentent des valeurs très variables pendant le compostage.une

diminution de la respiration pendant le compostage. En effet, on observe deux phases

distinctes se succèdent avec une consommation d’O2 élevée entre 7 et 30 jours (36.5 à 23.4

mg O2.h-1

.g-1

MS) suivie d’une respiration inférieure à 20 mg O2.h-1

.g-1

MS jusqu’à

maturation. En accord avec Adani et al. (2006), cette diminution de la respiration est

caractéristique de l’avancement du processus de compostage et de l’augmentation du degré de

maturité.

Conclusion chapitre IV

L’étude microbiologique du compostage apporte de nombreuses informations sur les

populations microbiennes présentes et leurs profils métaboliques. Les différentes populations

se succèdent en fonction des conditions du milieu et des ressources disponibles. Ces

changements sont notamment marqués par les modifications des profils métaboliques

distinguant les composts de moins de deux mois de ceux qui sont plus avancés dans le

processus de maturation. L’étude de l’utilisation des substrats, permettant de mieux distinguer

les stades de compostage, nécessite encore de profondes caractérisations et de nombreux

essais.

Il serait ainsi possible de déterminer précisément quels types de micro-organismes

singularisent les groupes de composts « jeunes » avant 50 jours, des composts les plus

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matures. Une étude plus précise sur un nombre plus grand de stades de compostage

permettrait d’affiner nos conclusions. Ainsi par exemple, le dosage du CO2, en plus de la

mesure de la consommation d’O2, donnerait des indications sur la quantité de carbone

minéralisé par rapport à l’oxygène consommé. Ceci montrerait peut être que certains

métabolites secondaires s’accumulent dans les composts en phase de maturation, provoquant

ainsi la diminution de la consommation d’O2.

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Chapitre V

Effet de l’ajout du compost sur le développement

de deux plantes

Le compost susceptible d’augmenter considérablement la croissance des plantes. Nous avons

voulu chiffrer dans ce chapitre le taux d’amélioration de croissance en utilisant deux plantes,

courantes en région méditerranéennes de familles différentes et dont les besoins en eau et en

nutriments ne sont pas les mêmes.

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V. Introduction

Dans le but d’estimer la valeur fertilisante du compost et d’évaluer son impact sur le

sol et le produit végétal, il a été procédé à des expérimentations sous serre. Ces dernières ont

été réalisées sur un sol de type sableux et sur deux cultures.

Le compost susceptible d’augmenter considérablement la croissance des plantes. Nous

avons voulu, dans un premier temps, chiffrer le taux d’amélioration de croissance en utilisant

deux plantes, courantes en région de Sidi bel Abbes, de familles différentes et dont les besoins

en eau et en nutriments ne sont pas les mêmes.

D’une part une variété de L’orge commune (Hordeum vulgare) est une céréale à

paille, plante herbacée annuelle de la famille des poacées. Elle est la plus ancienne céréale

cultivée bien adaptée au climat méditerranéen du fait de sa rusticité, d’autre part, une plante

annuelle commune le pois chiche (Cicer arietinum) est une plante de la famille des fabacées

(ou légumineuses), voisine du petit pois mais d’un genre botanique différent. Il est cultivé

aussi dans les régions méditerranéennes dont il est originaire et produit une graine comestible.

Le sol utilisé est un sol de la région qui présente les caractéristiques suivantes

(Tableau V-1).

Tableau V-1 : Propriétés physicochimiques du sol utilisé

Granulométrie % Matière

organique

% Bases échangeable (meq/100g)

Terre fine 0 Matière organique 0.7 Calcium 6.3

Argile 4.8 Carbone organique 0.41 Mg 0.2

Limon fin 2.7 Azote total 0.05 Na 0.3

Limon grossier 0.8 Phosphore total 2.39 k 0.15

Sable fin 66.6 Phosphore

assimilable

0.04 Capacité

d’échange

7

Sable grossier 24.5 pH 7.53

Calcaire total 0.8 Salinité 0.1

V.1. Effet de l’ajout du compost sur la croissance végétale de poids chiche et d’une

variété de l’orge

Les photos V-2 et V-3 montrent clairement l’effet positif du compost sur la croissance

de la hauteur de deux plantes (Cicer arietinum) et (Hordeum vulgare), autre que la couleur

vive des plantes en présence du compost qui traduit une meilleur disponibilité de l’azote

(Photo V-1), la biomasse aérienne comme la biomasse racinaire sont significativement plus

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élevées dans les pots contenant du compost avec un pourcentage plus élevé que dans les pots

qui en sont dépourvus.

Photo V-1 : Vue de l’ensemble des pots

Photo V- 2 : Vue générale de la partie racinaire et aériennes de la plante (Hordeu vulgare ) à

différents pourcentage de compost.

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Photo V-3 : Vue générale de la partie racinaire et aérienne de la plante (Cicer arietinum) à

différents pourcentage de compost.

Sans compost Avec compost

Hordeu vulgare

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193

Photo V-4 : Effet du compost sur la croissance de la (Hordeum vulgare) et du

(Cicer arietinum)

Le Tableau V-2 représente l’effet du compost sur la longueur et le poids sec total de deux

plantes en fonction de la dose appliquée. On constate que les rendements augmentent de

façon croissante avec l’apport du compost.

La hauteur des plantes qui ont poussée en présence du compost à 75% est en moyenne 35.12

cm dans la plante (Hordeum vulgare), alors qu’il ne dépasse pas les 26.52 cm pour les

témoins sol (0 % du compost). Comme on observer plus on rajoute du compost au sol plus la

croissance est plus marquée pour les deux parties aériennes et racinaires les résultats sont

représentés dans le (Tableau V-2, Photo V-2). Par contre pour la plante (Cicer arietinum) la

poussée en présence du compost à 75% est en moyenne de 28.30 cm et pour les témoins qu’il

ne dépasse pas les 24.10 cm (Tableau V-2, Photo V-3).

Cicer arietinum

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Tableau V-2 : Effet de l’ajout du compost sur le développement de deux plantes

Composition du

mélange (Compost/sol)

Longueur (cm) Poids sec

total (g)

__________________________________________

Partie aérienne Racinaire Partie aérienne

Racines

(Hordeum vulgare)

75% compost+ 25% sol 35.12 26.35 2.20 3.52

50% compost+ 50% sol 31.50 26.10 1.90 2.40

25% compost+ 75% sol 30.10 22.80 1.02 1.10

100% sol (témoin) 26.52 20.70 0.80 0.72

(Cicer arietinum)

75% compost+ 25% sol 28.30 25.40 2.66 2.74

50% compost+ 50% sol 26.55 24.10 1.69 0.99

25% compost+ 75% sol 24.75 21.50 1.09 1.20

100% sol (témoin) 24.10 22.45 0.97 0.77

Le poids sec total des plantes de la partie racinaire qui ont poussée en présence du compost à

75% est en moyenne 3.52g, alors qu’il ne dépasse pas les 0.72g pour les témoins pour la

plante (Hordeum vulgare).

Figure V-1: Effet de l’ajout du compost sur la croissance de la Hordeum vulgare

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195

On remarque également que pour la plante (Cicer arietinum) le poids sec total en présence du

compost à 75% est de 2.74g et de 0.77g pour les témoins sol sans compost. Le compost a

donc favorisé considérablement la croissance des deux plantes. Cette augmentation est plus

marquée pour les parties racinaires que pour les parties aériennes.

Figure V-2: Effet de l’ajout du compost sur la croissance de la Cicer arietinum

Les résultats illustrés dans la Figure V-2 permettent de préciser l’effet du compost sur la

croissance de la Cicer arietinums sur le sol amendé en compost (25, 50 et 75 %). De même

nous avons remarqué que les rendements les plus importants sont obtenus avec le traitement

(75 % du compost), ce qui laisse penser que cette dose demeure satisfaisante pour améliorer la

productivité du sol.

L’efficacité de l’ajout du compost à des cultures à été ici clairement démontrée. Cet impact

sur la croissance a été également observé avec d’autre types de compost (ALVAREZ et al.,

1995 ; WONG et al., 1999). EL HANAFI SEBTI (2006) a montré que l’ajout d’un compost

fabriqué à partir de déchets de thé a eu des effets positifs sur le rendement de la tomate : la

biomasse végétale, le nombre de fruits et le poids des racines ont été augmentés par rapport

aux témoins. Par ailleurs, LEE et al. (2003) ont étudié la croissance de la laitue (Lactura

satira) en présence d’un compost à différentes concentrations, dans le meilleur cas ils ont

obtenu une croissance de la plante 2 à 3 fois plus importante en présence du compost par

rapport aux témoins au bout de 6 semaines d’expérience.

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Conclusion de chapitre V

Les résultats obtenus à travers les essais agronomiques ont montré que le compost

peut être considéré comme un amendement organique qui permet d’améliorer les propriétés

physiques et chimiques des sols et par conséquent les rendements des cultures. Du rythme de

diffusion des nutriments et la capacité de rétention d’eau. De même nous avons remarqué que

l’amélioration des rendements des deux cultures. Cette évolution conduit à une stabilisation

du produit fini que l’on peut valoriser en agriculture. Par ailleurs: Hordeum vulgare et Cicer

arietinum est proportionnellement liée à la dose du compost. En effet, l’incorporation d’une

dose de 75 % s’avère être la meilleure alternative pour atteindre les meilleurs rendements.

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Conclusion Générale

L’objectif de ce travail est de faire sortir les boues de station d’épuration de leur

réputation de déchets pour en faire un produit utilisable en agriculture par sa valorisation en

un compost, sain, sans danger pour la santé et l’environnement et contenant une matière

organique régénérée. Notre étude s’est focalisée sur un procédé de compostage particulier, le

co-compostage des boues de station d’épuration et des déchets verts. En effet, ces deux types

de déchets représentent une lourde charge pour l’ensemble des collectivités territoriales. En

plus du coût engendré par la purification des eaux usées, le stockage des boues qui en

résultent et la collecte des déchets verts constituent, ainsi que la valorisation de ces déchets,

un fardeau financier pour les collectivités, mais aussi un problème environnemental majeur.

Le compostage est une filière de recyclage prometteuse qui, à partir de ces boues, peut

fournir un produit de qualité et d’aspect acceptable par le marché tant du point de vue

économique que psychologique du fait de l’hygienisation et de la stabilisation (CCME, 1996;

BRINTON, 2000). Le compostage est le résultat de l’action de nombreux mécanismes

chimiques et biologiques conduisant à des modifications de la composition et des structures

chimiques qui permettent l’obtention d’une matière organique mature et stable. La valeur

fertilisante du produit est un des premiers critères pour l’agriculteur. Ainsi, la qualité

agronomique du compost des boues étudiées en tant qu’engrais a été recherchée.

Le concept de maturité des composts et les méthodes de son évaluation ont été ainsi

définis et discutés au cours de ce travail. Cette étude a notamment été focalisée sur les

processus de minéralisation et d’humification des matières organiques. Ces processus

biochimiques successifs et parfois simultanés transforment un mélange initial de déchets

constitués de matière organique instable et très active en un produit final contenant une

matière organique homogène, stable et mature. Ils ont été examinés à l’aide d’un ensemble de

méthodes chimiques et biologiques en utilisant des composts en andains d’âges et d’états

d’avancement différents. Les méthodes ont tout d’abord confirmé l’existence des deux phases

au sein du compostage : une première phase bio-oxydante suivie d’une phase de maturation.

Les résultats des analyses physico-chimiques préliminaires ont démontré que leurs

teneurs en Azote, Phosphore, Potassium, Calcium, Magnésium sont de l’ordre des valeurs

observées dans différentes études pour d’autres composts des boues utilisés comme engrais.

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198

Un autre avantage des produits issus des boues est leur comportement d’engrais organique

phosphaté et azoté à action retardée ou progressive et dont la minéralisation dans le sol serait

en équilibre avec le besoin des plantes, ce qui permet de réduire le risque de pollution par ces

éléments (BOUSELHAJ, 1996). Dans le cas de l’azote, ce critère est renforcé au cours du

compostage grâce à une forte immobilisation de l’azote N-inorganique surtout nitrique

potentiellement lessivable (POWLSON, 1993) par une forme organique associée aux

constituants microbiens ou aux structures humiques formées principalement dans la phase de

maturation. Pour le phosphore, la quantité potentiellement disponible représente toujours

environ 25 % du phosphore total.

Les diminutions des paramètres MO et C/N en début de compostage ont montré une

forte minéralisation des matières organiques pendant les deux premiers mois de compostage.

Durant les périodes, ces maxima correspondant à une élévation de la température au sein des

andains mesurés après 8 jours de compostage. La RMN 13C du solide a aussi indiqué que,

pendant les deux premiers mois de compostage intervenait une intense minéralisation

caractérisée par une diminution drastique de l’intensité des pics à 35 et 40 ppm. Ces pics

assignés aux CH2 des protéines et des lipides, constituants majeurs des boues de stations

d’épuration, semblent indiquer que les micro-organismes utilisent alors préférentiellement les

constituants les plus facilement métabolisables. A l’inverse, les pics caractéristiques des

matières plus récalcitrantes telles que les composés aromatiques et phénoliques ont eu

tendance proportionnellement à augmenter pendant la même période. Les dénombrements

microbiens ont montré que la première période du compostage est dominée par une

microflore bactérienne et que l’apparition massive de la microflore fongique et des

actinomycètes ne se produit qu’après un mois.

La RMN a aussi montré que même si les teneurs en CO-alkyle augmentent légèrement

pendant le compostage, les polysaccharides caractéristiques de ce type de carbone tels que la

cellulose et les hémicelluloses subissent de fortes modifications. Les deux pics spécifiques de

la cellulose cristalline et amorphe ont présenté une diminution, traduisant une dégradation de

ce polymère. De plus, la proportion de cellulose présentant le degré d’organisation le plus

élevé a augmenté entre 4 et 146 jours de compostage, la forme amorphe (plus facile à

dégrader) diminuant plus vite que la forme cristalline. Par ailleurs, les hémicelluloses

subissent également des modifications. Celles-ci sont symbolisées par la diminution des

signaux à 21 ppm et à 173 ppm correspondant aux méthyles et aux carboxyles des

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groupements acétyl des hémicelluloses. Les mesures par RMN témoignent des modifications

et des dégradations subies par les polysaccharides pendant le compostage. Ces modifications

coïncident avec les augmentations de populations de la microflore fongique et des

actinomycètes se produisant après un mois de compostage.

Les intenses minéralisations en début de compostage diminuent le volume des déchets

initiaux, mais un deuxième processus est responsable des qualités du compost final :

l’humification. Cette transformation des matières organiques s’intensifie lorsque les

phénomènes de minéralisation se réduisent après 1 à 2 mois de compostage, comme l’a

montré la stabilisation des valeurs de MO et du rapport C/N après 57 jours. L’augmentation

des teneurs en AH a également montré que ces composés ont tendance à se former

massivement à partir de deux mois de compostage après la phase de minéralisation intense.

De même, la diminution des AF et l’augmentation conséquente du rapport AH/AF ont semblé

indiquer une condensation des substances humiques.

Les spectres obtenus à différents stades de compostage ont montré une même allure

générale. Les principales variations observées sont une diminution de l’absorbance des

composés aliphatiques liés aux lipides, polysaccharides et amides et une augmentation de

l’absorbance des structures aromatiques éthérifiées dans le compost mature. La diminution du

caractère aliphatique et l’augmentation de l’aromaticité ont été démontrés aussi par de

nombreux auteurs sur d’autres systèmes de compostage. La qualité d’amendement d’un

compost est liée en principe à cette aromaticité des structures organiques qui influe sur la

structure et texture du sol (RIVEROA et al., 2004; SPACCINI et al., 2002). RMN 13C du

solide a montré un accroissement de l’aromaticité à travers l’augmentation des Caromatique et

des Cphénolique et la diminution des Calkyl. Cet indice d’aromaticité procurant une vision globale

de l’évolution des composés aromatiques a permis de caractériser l’humification à partir de

leur accumulation. De même, bien que la teneur en lignine estimée par RMN évolue très peu

pendant le compostage.

Parmi les critères environnementaux, la teneur en éléments traces métalliques d’un

produit destiné à l’agriculture est soumise à législation du fait du risque toxique qu’ils

peuvent représenter. Ainsi, pour obtenir un compost de qualité, il est donc indispensable de

contrôler en amont la concentration en éléments traces dans les boues à composter. Pour les

boues étudiées, les teneurs en éléments traces Zn, Cr, Cu, Pb et Ni du compost sont

inférieures quelque soit le stade de compostage aux teneurs données pour des composts

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200

qualifiés. Cependant, si les teneurs totales ne donnent aucune indication sur la mobilité ou la

biodisponibilité de ces éléments traces, l’utilisation d’une méthode d’extraction séquentielle

fournit des informations sur cette mobilité potentielle en fonction des formes chimiques des

éléments traces. Les résultats d’une extraction séquentielle appliquée sur le compost des

boues à différents stades de traitement et l’application des modèles de régression linéaire sur

ceux-ci montrent en fait que les concentrations totales des éléments traces observées ne

peuvent pas préjuger des quantités biodisponibles à partir de ce compost. En général, moins

de 2 % des teneurs des métaux lourds étudiés (% /teneur totale en élément) peuvent être

potentiellement bio-disponibles (fraction « échangeable + soluble »).

Le changement de la distribution métallique entre les différentes fractions peut être

considéré comme très faible par rapport à ce qui serait attendu dans un système

biologiquement et chimiquement très actif comme le compostage. Ceci est principalement dû

au fait qu’une grande proportion des teneurs totales est en majorité liée à des formes

chimiques inertes ou très stables et qu’en plus ces teneurs totales sont très faibles. Les teneurs

potentiellement mobiles étant très négligeables, on peut écarter toute possibilité de

contamination métallique suite à l’application du compost au sol, même à long terme. Ainsi,

dans le cas du compost des boues étudiées, les teneurs en éléments traces et leurs formes

chimiques ne restreignent pas son usage agricole.

En conclusion, pour fournir un produit utile pour le sol et minimiser ou supprimer tout

risque de contamination probable, il faut gérer d’une part la phase de dégradations ou de

stabilisation des composantes organiques, et s’assurer d’une bonne maturation du produit

d’autre part. Un test agronomique en utilisant le ray grass a été réalisé en vases de végétation

dans le but de confirmer l’absence d’une éventuelle toxicité du compost et la maturité du

produit final (PASCUAL et al., 1997). Les résultats obtenus n’ont montré aucun effet

dépressif. A l’opposé en augmentant la dose du compost appliquée au sol, on constate une

augmentation significative de la production végétale soit dans la partie aérienne ou soit dans

la partie racinaire.

A la lumière de l’ensemble des résultats, la maturation d’un compost semble

clairement dirigée vers l’élaboration d’une matière organique humifiée. Cependant,

l’obtention d’un produit utilisable en agriculture, sans danger pour la santé ou pour

l’environnement, requiert de posséder des méthodes permettant sa caractérisation. En résumé,

pour l’obtention d’un compost mature, à haute valeur agronomique, il faut chercher à

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influencer l’aromatisation du produit au cours du compostage en contrôlant les conditions de

déroulement du processus de compostage, et le choix des mélanges de matières premières

destinées à composter (MADEJON et al. 2001 ; SPACCINI et al. 2002 ; RIVERO et al.

2004).

Finalement, les donnés acquises dans ce travail ne doivent pas rester limitées à un

cadre de recherche universitaire. La résolution des problèmes liés aux boues et les projets de

valorisation de celles-ci ne pourraient réussir sans un transfert d’information à l’extérieur pour

sensibiliser le public qui devra distinguer clairement entre les boues brutes issues des stations

qui sont des déchets et les produits issus des mêmes boues hygiénisées et/ou compostées qui

respectent des normes de qualité et qui sont une véritable matière première fertilisante et

amendant.

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