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1 UMR Sol Agronomie Spatialisation UpR Risque environnemental lié au recyclage Jean-Marie Paillat UPR CIRAD Recyclage et risques UMR INRA/Agrocampus Sol.

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1 1 UMR Sol Agronomie Spatialisation UpR Risque environnemental lié au recyclage Jean-Marie Paillat UPR CIRAD Recyclage et risques UMR INRA/Agrocampus Sol Agro & hydro systèmes Spatialisation 65 rue de St Brieuc, cs RENNES Cedex 01 Compostage : Processus & moyens de contrôle Impact environnemental

2 2 Introduction Processus microbiologiques et physiques déterminant les émissions gazeuses Facteurs de contrôle Modélisation des émissions gazeuses Plan

3 3 Introduction Transferts de MO (Compost – Compostage) Intérêts du compostage Implications environnementales

4 4 systèmes délevage aliments systèmes de cultures fertilisants effluents pollution pertes de fertilité des sols lessivage érosion demande offre TRANSFERTS Problématique du transfert de MO N C Compostage et environnement

5 5 Compost - compostage : définitions Quest-ce que le compostage ? Quest-ce que le compost ? Produit organique plus ou moins stabilisé Stockage de N et C Disponibilité de N à plus ou moins long terme Manipulation aisée Pas ou peu dodeur Hygiénisé si T° Variable selon produits mis en fermentation Variable selon la conduite du process A définir en fonction des utilisations (engrais/amendement) Processus contrôlé de dégradation des constituants organiques dorigine végétale et animale Succession de communautés microbiennes (bactéries, champignons), en condition aérobie (principalement), entraînant une montée en température (Ménasseri, 2005, daprès Francou, 2003)

6 6 Intérêts du compostage GESTION DE LA FERTILITE STABILISATION DU CARBONE Intérêts du compostage attendus : - amélioration de la gestion des effluents (réduction de la pollution des eaux) - transferts de fertilité (efficacité agronomique) Intérêts du compostage attendus : - immobilisation de carbone dans le sol (diminution de leffet de serre) - contribution à la gestion des effluents (réduction de la pollution atmosphérique) Echelles : - exploitation agricole (gestion individuelle) - territoire à travers les réseaux déchanges (transferts entre exploitations) Echelles : - pays (intérêt de la France pour la gestion du CO 2 et autres gaz à effet de serre) - planétaire (Kyoto)

7 7 Problème : transfert de pollution ? Pertes ? Impact à léchelle locale : eutrophisation pollution des eaux Emissions gazeuses (daprès Gosse et Mérillot, 1996) Impact à léchelle globale effet de serre couche dozone CO 2 CH 4 N 2 O NO x (Kroese, 1994 ; Houghton et al., 2001) reports.htm Impact à léchelle régionale : ozone troposphérique acidification pollution des nappes CO NO x NH 3 NO 3 (Apsimon et al., 1987 Fangmeier et al., 1994) H2OH2O

8 8 (Morand, 2005)

9 9 Processus microbiologiques et physiques Différentes phases Transformation du carbone Transformation de lazote Volatilisation

10 10 DECHETS ORGANIQUES COMPOST JEUNE PREHUMIFIE COMPOST MUR RICHE EN HUMUS Phase de décomposition Dégradation de la matière organique fraîche dominante Phase de Maturation Biosynthèse de composés humiques (Mustin, 1987) Différentes phases Durée de compostage(mois) Température (°C) Phase mésophile Phase thermophile Phase refroidissement Phase maturation fermentation maturation Dégradation MO peu réfractaires Humification (stabilisation) (Houot, 2005)

11 11 (Mustin, 1987) Processus microbiens

12 12 (Gobat et al., 2003) Processus physiques

13 13 Transformation du carbone Oxydation des composés carbonés facilement dégradables : C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6 H 2 O + 6 CO KJ/mole CHON + O 2 H 2 O + CO 2 + NH 3 + chaleur Méthanisation (conditions anaérobies) : C 6 H 12 O 6 3 CH CO KJ/mole Production dacides organiques : Glucides, lipides...R-COOH R-COO - + H + Attaques enzymatiques : Amidon, hémicellulose, cellulose...Glucides... Eau métabolique Emission de CO 2 Production de chaleur (Mustin, 1987) Dissolution du CO 2 dans leau : CO H 2 OH-CO H 3 O + H-CO H 2 OCO H 3 O + Acidification

14 14 (Mustin, 1987) Biodégradabilité du C

15 15 (Mustin, 1987) Chaleur = f(biodégradabilité)

16 16 (Paillat et al., 2005) Température = f(biodégradabilité et microflore) Fumier = flore Mélasse = C biodégradable Sciure = C moins biodégradable

17 17 (Paillat et al., 2005) Température = f(porosité, convection)

18 18 Pertes de MS = f(porosité, convection) (Paillat et al., 2005)

19 19 C+ C C- (Paillat et al., 2005) Emission de CO 2 = f(biodégradabilité C)

20 20 Transformation de lazote Ammonification des composés azotés : R-NH 2 NH 3 + H 2 O NH OH - (Mancinelli, 1992 ; van Faasen, 1993; Morand, 2002) Dénitrification : 2 NO NO NON2ON2ON2N2 Immobilisation : CH 2 O + N-NH 4 cellules + humus CO(NH 2 ) H 2 OHCO NH OH - Hydrolyse de l urée : CHON + O 2 H 2 O + CO 2 + NH 3 + chaleur Dégradation de la matière organique : Production dammonium Alcalinisation Nitrification : NO 3 - NO /2 O 2 NH H + + O 2 NO H + NH 2 OH + H 2 O N2ON2O Production de N 2 O et N 2 Production de nitrate

21 21 N-NH 4 + N2ON2O Potentiel doxydo-réduction réduitoxydé N org effluent N org biomasse ammonification NH 3 volatilisation assimilation réduction organisation fixation émission N-NO nitrification nitritation nitratation solide solution gaz atmosphère interface liquide-solide interface liquide-gaz eaux lessivage et ruissellement N N2N2 NO x dénitrification NO NH 4 + fixé

22 22 Processus de volatilisation (Génermont, 1996) NH H 2 O NH 3 aq + H 3 O + K AN NH CO 3 2- NH 3 aq + HCO 3 - NH HCO 3 - NH 3 aq + CO 2 aq + H 2 O CO H 2 OH-CO H 3 O + H-CO H 2 O CO H 3 O + K AC1 K AC2 NH 3 aq NH 3 gNH 3 a K HN KVKV CO 2 aq CO 2 gCO 2 a solution Interface liquide-gaz atmosphère H 2 Oaq H 2 OgH 2 Oa pH

23 23 (Mustin, 1987) pH

24 24 Facteurs de contrôle - modélisation Facteurs influençant les émissions Etude des émissions gazeuses Modélisation Moyens daction

25 25 Facteurs influençant les émissions dazote Emission de N 2 O : Emission de NH 3 : pH : NH 4 + NH 3 aq Température : NH 4 + NH 3 aq NH 3 aq NH 3 g Azote disponible : NH 4 + Convection : NH3g NH 3 a NH 3 Rapport C/N : immobilisation NH 4 + Carbone biodégradable : immobilisation NH 4 + O 2 + T<45°C nitrification NH 3 Nitrification si C disponible + O 2 + T<45°C (couches externes) Dénitrification si C disponible + anoxie (fond, agrégats) Si O 2 limitant Si C limitant N 2 O C biodégradable N disponible porosité humidité ?

26 N disponible(%) Oxygène porosité (%) C biodegradable (%) humidité (%) - Fumier de volailles Paille de blé Lisier de porc Fumier de bovins compost Etude des émissions gazeuses Expé 2 en 2002 lisier / fumier / paille N disponible 0,54 à 0,87 C biodégradable 0,53 à 0,61 Expé 3 en 2003 lisier / paille / sciure N disponible 0,66 à 0,76 C biodégradable 0,51 à 0,73 Expé 1 en 2002 fumier de volailles / eau humidité 50 vs 70 % porosité 0,25 à 0,70 Expé 4 en 2003 lisier / paille / sciure humidité 50 à 82 % porosité 0,51 à 0,70 Halle expérimentale T °C

27 27 T°C Etude des émissions (halle expérimentale) Entrée dair Sortie dair Compost Températures Centrale dacquisition Concentrations des gaz : N 2 O, CO 2, NH 3, CH 4, H 2 O Vitesse dair Centrale dacquisition Ordinateur Air intérieur Température hygrométrie Air extérieur

28 28 Modélisation (Ajustement mathématique) temps (j) Émission cumulée (g N-NH 3 kg -1 N total) (Kirchmann and Witter,1989) (Bernal and Kirchmann,1992) Émission cumulée (g C-CO 2 kg -1 C total) temps (j) 4 paramètres à prédire pour N-NH 3 : M 0 C R ; M 0 C S ; k R ; k S 3 paramètres à prédire pour C-CO 2 et H 2 O : M 0 C R ; M 0 C S k S ; k R

29 29 Modélisation (Ajustement mathématique)

30 30 C(%) N disponible (%) Oxygène - porosité (%) biodegradable Humidité (%) N total / MS N soluble / MS N soluble / N total N-NH 4 + / N total C total / MS Soluble VS / MS (Hem + Cel VS) / MS MS Humidité Eau/MS MS/eau Porosité air Densité MB Densité MS C/N C sol VS / N soluble Variables explicatives Modélisation (régression multiple) paramètre = f(N disponible, C biodégradable, humidité, porosité) 10 pour cinétiques cumulées 12 pour cinétiques instantanées

31 31 Modélisation (Prédiction des émissions)

32 32 Modélisation (Prédiction des émissions) N-NH 3 (g kg -1 init. TN) N-NH 3 (g kg -1 init. TN h -1 ) Time (d)

33 33 Moyens daction / situations types Apport C : C/N, plutôt C biodégradable si C/N faible Si produit sec : ajout deau et tassement pour limiter NH 3 Si produit très humide : éviter le tassement Compostage en conditions très humides, C/N faible Maintenir une couche aérée en surface suffisante Risque démission de N 2 O et CH 4 + absence dhygiénisation Tassement et apport deau suffisant Eviter retournement et réduire la durée de compostage Tassement, éviter laération (soufflage, retournement) Solutions – risques associés Objectifs Conservation N dans compost Elimination N (forme N 2 ) Conservation C, effet sur structure du sol Conservation de leau Elimination deau Apport de C biodégradable et retournements suivis de tassement si C/N faible pour limiter NH 3 Risque démission de N 2 O

34 34 MERCI


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