Hiérarchie des facteurs déterminant les émissions gazeuses au cours du compostage

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Le compostage d’effluents d’élevage en France

Gisements d’effluents d’élevages

Les gisements d’effluents d’élevage sont rappelés par FranceAgriMer (2012) pour la France métropolitaine et par la MVAD (www.mvad-reunion.org) pour la Réunion.
La production annuelle en France est estimée à 90 millions de tonnes pour les fumiers et 180 millions de tonnes pour les lisiers pour un cheptel s’élevant à 293 millions d’animaux (environ 300 000 élevages). La répartition des cheptels est hétérogène. FranceAgriMer (2012) estime qu’un tiers de la production de fumiers est concentrée dans l’Ouest de la France. Burton et Turner (2003) rappellent que les déjections animales sont trop liquides pour être compostées directement. Il convient donc d’ajouter au gisement d’effluents celui des biomasses lignocellulosiques.
Le gisement de résidus de culture s’élève ainsi à 75 millions de tonnes par an Oudart D., 2013. Modélisation de la stabilisation de la matière organique et des émissions gazeuses au cours du compostage d’effluents d’élevage tandis que la production forestière de BIBE (bois industrie – bois énergie ; diamètre de 7 à 20 cm) est voisine de 68 millions de mètres cubes par an, celle de MB (menus bois ; diamètre inférieur à 7 cm) est de 13 millions de mètres cubes et les productions de BIBE et MB sont respectivement de 547 et 236 millions de mètres cubes par an pour les peupleraies. Les chiffres du compostage industriel paraissent dérisoires en regard de ces productions.
L’ADEME (2012a) indique l’existence de 680 sites de compostage industriel en 2005 pour une production annuelle voisine de 5 millions de tonnes. Le potentiel de développement du compostage des effluents d’élevage en France est donc tout à fait considérable pour autant que les procédés fournissent des produits répondant aux besoins des filières de culture alimentaire et non-alimentaire. Pour contribuer également aux enjeux de la durabilité (réductions des fuites gazeuses polluantes, réduction de l’épuisement des ressources naturelles, amélioration de l’efficience des intrants, durabilité économique et sociétale) une attention particulière doit être accordée à la logistique et notamment l’intermodalité, compte tenu des masses à transporter et des contrastes considérables de l’impact environnemental entre différents modes de transport.
Pour autant, la perspective d’exploitation de ce potentiel reste faible. A l’échelle européenne, l’importance du compostage fait l’objet de programmes internationaux depuis 1979 (De Bertoldi et al., 1987) mais le Grenelle de l’Environnement récent rappelle que ce procédé est toujours peu employé en regard de son développement potentiel pour les déchets organiques d’origine urbaine (ADEME, 2012a). La FAO a sollicité une publication (Misra et al., 2005) afin de lever des difficultés techniques et apporter une information jugée souvent insuffisante pour améliorer le recyclage des matières organiques des exploitations agricoles, notamment dans les pays en développement où la production agricole doit nourrir une population croissante. Le compostage y est ciblé en raison de sa capacité à s’adapter à une grande diversité de contextes (taille d’exploitation, niveau d’équipement, disponibilité de la main d’oeuvre) et de l’existence de savoir-faire traditionnels d’usage des matières organiques solides.
Le point d’achoppement de ces ambitions est probablement la disponibilité d’un service de conseil, qui soit en mesure d’optimiser une situation existante de productions et d’usages des matières organiques, en minimisant les investissements matériels et les coûts de logistique et en mutualisant les compétences existantes (Charnay, 2005 ; ADEME, 2010).
La Réunion présente à ce titre un site favorable à l’expérimentation de tels services et filières.
Les gisements sont indiqués sur le site internet Mission de Valorisation Agricole des Déchets Oudart D., 2013. Modélisation de la stabilisation de la matière organique et des émissions gazeuses au cours du compostage d’effluents d’élevage (www.mvad-reunion.org) et par Chabalier et al. (2006). La production est voisine de 690 000 tonnes de lisier et 64 000 tonnes de fumier par an. La production de bagasse donne une idée de la production de biomasse. Elle s’élève à 569 000 tonnes par an. Sa combustion donne lieu à 18 000 tonnes par an de cendres dépourvues d’azote. La production de composts est également faible (6 700 tonnes de déchets verts par an). Les besoins agronomiques des différentes cultures, les caractéristiques principales des composts et leurs usages agronomiques, les règles d’usages des MO, les risques pour la santé, les filières végétales et animales, les pollutions, la biodiversité ont été revus en détails par Chabalier et al. (2006). La Réunion présente une diversité de contextes pédoclimatiques intéressante qui permet d’aborder conjointement trois problématiques : (i) spécifications des produits en fonction des cultures, des climats, des sols et des équipements d’épandage (Mustin, 1987) ; (ii) volumes de production en fonction des filières agricoles ; (iii) logistique pour optimiser la production, le stockage et l’approvisionnement des utilisateurs. La stabilisation rapide des matières organiques après leur production est un enjeu environnemental important compte tenu des risques climatique et sismique plus élevés qu’en France métropolitaine qui pèsent sur le stockage des matières organiques fraîches.

Intérêts du compostage

Le compostage des matières solides est probablement pratiqué depuis les débuts de l’agriculture et de l’élevage car les processus de compostage se mettent en place naturellement dès que l’on regroupe des matières organiques solides. Ces processus ont pour conséquence de transformer des matières organiques réactives et potentiellement dangereuses pour la santé en matières organiques proches de celles des sols (stabilisation), de détruire les pathogènes, graines d’adventices, résidus de produits d’hygiène ou médicamenteux (hygiénisation), de désodoriser les matières organiques excrétées (nuisances) et de concentrer les éléments nutritifs (perte de matière sèche et d’eau par rapport aux déjections ou résidus végétaux frais).
Haug (1980) présente les effets de différents procédés de compostage sur ces différents points. L’intérêt des composts pour les sols en termes de conservation de la fertilité à long terme, de teneur en matière organique et de lutte contre l’érosion, de propriétés physiques et hydriques est rappelé par Bruntland (1987) et souligné dans la plupart des synthèses sur le compostage (par ex. Yulipriyanto, 2001 ; Albrecht, 2007 ; Bernal et al., 2009).
Lorsqu’il est comparé à d’autres procédés industriels de traitement des déchets, l’intérêt du compostage se heurte à la complexité de sa maîtrise technique, au faible coût de valorisation des produits organiques dans les zones d’élevage ou urbaines en excédent de matières organiques, ainsi qu’aux limites économiques liées au coûts d’investissement dans des plateformes de compostage et de fonctionnement associés à la manutention et au transport des substrats et des produits (Haug, 1980 ; Bernal et al., 2009). Pratiquement, il s’avère intéressant essentiellement dans les situations de compostage domestique d’une part (désodorisation, hygiénisation, stockage et stabilisation des MO), d’autre part dans les exploitations agricoles en agriculture biologique (interdiction d’usage des fertilisants minéraux).
Son usage industriel est actuellement associé à une problématique d’élimination des déchets, les producteurs de MO n’étant dans la situation de vendre leurs coproduits à l’acheteur le plus offrant. Une part des coûts associés au procédé de compostage est alors prise en charge au titre du traitement des déchets. Le compostage des fumiers est reconnu comme une technique pouvant être mise en oeuvre pour traiter les produits animaux : éliminer une part de l’azote excrété (CORPEN, 2003) ; hygiéniser des déchets (Aubert, 2006 ; Das et al., 2002). Le compostage peut être mis en oeuvre simplement pour sécher et réduire la masse de MO avant transport. Ainsi le cocompostage des boues de stations de traitement des eaux résiduaires ou des déchets verts est fréquemment mis en oeuvre pour faciliter leur usage agricole (Dinis, 2010 ; Andersen et al., 2010). Barone et Arikan (2007) analysent le devenir de produits plastiques fabriqués à partir de plumes. Said-Pullicino et al. (2010) analysent l’intérêt d’apports de compost dans la remédiation de sols industriels. Dans ces derniers cas, les composts s’éloignent des produits type issus des matières organiques de l’agriculture et de l’élevage. Le développement de filières non-alimentaires permet de limiter les risques associés à l’usage répété de ces produits (principe de précaution et responsabilité du producteur de déchets). A grande échelle, il conviendrait d’en analyser les conséquences sur l’accumulation éventuelle de xénobiotiques dans les chaines alimentaires de l’écosystème.

Le compostage des effluents d’élevage : un procédé de traitement parmi d’autres

La Figure 3 illustre comment le compostage s’inscrit dans un système de traitement des déchets organiques, entre des filières de collecte et de valorisation des produits, en complément de systèmes associés au traitement des liquides ou des gaz. On distingue en simplifiant les procédés anaérobies plutôt destinés aux liquides et à la production de biogaz et d’énergie et les procédés aérobies plutôt destinés aux solides et à la réduction de masse avant transport et valorisation (Burton et Turner, 2003). Cette distinction peut être plus poussée en distinguant les procédés biologiques des procédés physiques ou chimiques et en caractérisant des filières à partir des équipements mis en oeuvre pour transformer les MO initiales.
La problématique scientifique relève dans ces cas de l’optimisation d’un ensemble de procédés, l’optimum de l’ensemble pouvant s’éloigner de l’optimum des procédés pris isolément (Rousseau et al., 2008 ; Sidelko et al., 2010).
Figure 3. Insertion du compostage dans un projet de recyclage des déchets organiques (d’après ADEME, 2010)
Avec l’augmentation des préoccupations environnementales des sociétés occidentales, on peut s’attendre à ce que l’optimisation ait besoin d’intégrer des indicateurs de performance environnementale, avec différentes pondérations en fonctions des attentes des acteurs locaux et de l’évolution de ces attentes au fil des années. La plasticité offerte par les procédés de compostage sur une plate-forme donnée (durées, mélanges, origines des substrats, destination des produits) présente de ce point de vue un intérêt stratégique à condition d’être en mesure de suivre l’évolution des besoins en MO, de fournir des produits adaptés à des usages spécifiques, de maîtriser les pertes gazeuses polluantes, les émissions de particules et les nuisances olfactives, de dialoguer avec les acteurs locaux pour intégrer l’évolution de leurs attentes et communiquer sur les résultats obtenus.

Le compost : normes et usages

Usages des composts

Le principal usage du compostage est observé en élevage, dans le cas des effluents solides (fumiers plus ou moins secs) produits à partir des déjections collectées en mélange avec des résidus végétaux (Burton et Turner, 2003). Le compostage facilite le stockage et l’épandage des fumiers tout en conservant les éléments fertilisant. Un des principaux enjeux scientifiques de l’usage des composts est la définition des critères techniques permettant de choisir la nature des composts et de formuler les quantités à épandre en fonction du contexte d’usage et des objectifs recherchés. Ceux discutés dans la littérature sur les indices de maturité comprennent : l’inocuité et l’absence de phytotoxicité, le caractère aérobie, l’absence d’odeurs putrides et d’attraction des insectes, l’absence de compétition pour l’azote avec les plantes (Haug, 1993 ; Bernal et al., 2009). L’inocuité des produits est un des principaux enjeux de la normalisation des amendements organiques (NF U44-051, AFNOR, 2006). Une faible émission d’odeurs et d’ammoniac à l’épandage est nécessaire pour faciliter l’usage des composts. Albrecht (2007) ajoute les caractéristiques biochimiques qui permettent de rapprocher les composts de la MO des sols. Ces caractéristiques ne sont néanmoins pas suffisantes pour anticiper les effets des MO sur les cultures en fonction des sites.
Des doses croissantes par unité de surface sont utilisées lorsque l’objectif est la fertilisation d’une culture, la séquestration du carbone, la remédiation d’un sol artificialisé, la constitution d’un substrat horticole. Pour la fertilisation de la canne à sucre l’apport de compost peut varier de 15 à 30 tonnes de produit brut/ha (Chabalier et al., 2006). Lorsque l’objectif est de reconstituer un sol, par exemple dans le cas de la végétalisation d’anciennes décharges, la recommandation technique peut atteindre 800 m3 de compost/ha (ADEME, 2012b). En cas d’usage à forte dose, la salinité et les autres critères physico-chimiques (pH, réserve hydrique, etc.) doivent être pris en compte si des plantes sensibles sont installées.
Figure 4. Minéralisation de différentes MO et fourniture au sol de C et N ; d’après Chabalier et al. (2006)
La capacité à fertiliser d’un compost diminue avec sa vitesse de minéralisation dans le sol.
L’ISB caractérisé en France métropolitaine peut être applicable pour le calcul de la fertilisation à la Réunion malgré des conditions climatiques plus chaudes (0,4 à 0,8 pour les composts, Figure 4 ; Chabalier et al., 2006). Sa valeur augmente avec la durée de compostage et la proportion de substrats ligneux dans le mélange initial. Le coefficient équivalent-engrais renseigne sur la proportion d’éléments fertilisant (N, P, K, etc.) utilisables dans l’année par les cultures. Il est généralement supérieur à 50% pour l’azote des effluents animaux frais (fumiers et lisiers de porcs et volailles mais inférieur à 20% pour les produits compostés (Chabalier et al., 2006). Les valeurs sont supérieures à 60% pour le phosphore et le potassium.

Cadre réglementaire

Le cadre réglementaire qui s’applique aux sites industriels de production de composts est précisé par l’ADEME (ADEME, 2010) pour les aspects environnementaux et sanitaires (les aspects associés à l’emploi de salariés ne sont pas abordés). Ce guide indique les sources de droit : communautaires, directives et règlements, français : constitution, lois, codes, arrêtés, circulaires). Il rappelle la nécessité d’actualiser ces informations au moment de concrétiser un nouveau projet.
La problématique scientifique associée à la règlementation sur les déjections animales et les matières organiques produites en agriculture est détaillée par Langlais (2001) et résumée par Langlais (2003). Elle ne peut se limiter aux seules opérations de transformation des MO. Elle doit considérer en outre l’origine des MO, leurs usages agricoles et les dommages éventuels à l’environnement ou à des tiers. Il s’agit de déterminer dans quelles conditions une matière organique est qualifiée de « produit » ou de « déchet » (Figure 5) et pour chacune de ces catégories comment définir les responsabilités des acteurs publics et privés en cas de dommages occasionnés par la production ou l’usage de ces matières. Elle rappelle la définition d’un déchet :  » tout résidu d’un processus de production, de transformation ou d’utilisation, toute substance, matériau, produit ou plus généralement, tout bien meuble abandonné ou que son détenteur destine à l’abandon. » L’application de cette définition à des processus vivants n’est pas triviale. Dans le cas des animaux, leur métabolisme excrète par exemple de l’urée et du dioxyde de carbone. Lorsque la première est collectée dans des fosses à lisier en vue de la valorisation agricole de l’azote excrété pour améliorer les rendements, la loi considère ce composé comme un déchet. Lorsque le second est rejeté par les voies respiratoires et dilué vers l’atmosphère, la loi ne le considère pas comme un polluant dont il faudrait réduire l’émission mais comme un gaz à effet de serre « biogénique », c’est-à-dire qui participe naturellement au recyclage des éléments. Ainsi les notions de seuil, de procédé de production, d’impact sur la santé humaine ou sur l’environnement sont au coeur des débats publics sur les évolutions législatives.

Table des matières

Introduction
Chapitre 1 : Étude bibliographique
1.1. Le compostage en général
1.1.1 Définition du compostage
1.1.2 Déroulement du compostage
1.1.3 Les paramètres du compostage
1.1.3.1 Diversité des paramètres
1.1.3.2 Température
1.1.3.3 Porosité libre à l’air
1.1.3.4 Humidité
1.1.3.5 Caractéristiques thermiques
1.1.3.6 Caractéristiques biochimiques
1.1.3.7 Effet global des paramètres sur la stabilisation de la matière
1.1.3.8 Effet global des paramètres sur les émissions gazeuses
1.2. Le compostage d’effluents d’élevage en France
1.2.1 Gisements d’effluents d’élevages
1.2.2 Intérêts du compostage
1.2.3 Le compostage des effluents d’élevage : un procédé de traitement parmi d’autres
1.2.4 Le compost : normes et usages
1.2.4.1 Usages des composts
1.2.4.2 Cadre réglementaire
1.3. Transformations de la matière organique et émissions gazeuses au cours du compostage
1.3.1 Successions de populations microbiennes
1.3.2 Stabilisation de la matière organique
1.3.3 Transformations et pertes gazeuses de l’azote
1.4. Etat de l’art de la modélisation
1.4.1 Les objectifs de modélisation
1.4.2 Les différentes approches de modélisation
1.5. Conclusion : besoin de connaissances complémentaires pour prédire les
émissions gazeuses et la stabilisation de la MO lors du compostage en andain
Chapitre 2 : Hiérarchie des facteurs déterminant les émissions gazeuses au cours du compostage
2.1. Introduction
2.2. Présentation du jeu de données initial
2.2.1 Principes
2.2.2 Matériels et méthodes
2.2.2.1 Choix des constituants
2.2.2.2 Organisation des expérimentations
2.2.2.3 Dispositif expérimental et mesure des émissions gazeuses
2.2.2.4 Calcul des émissions gazeuses
2.2.3 Résultats expérimentaux
2.2.4 Questions en suspens à l’issue de ces expérimentations
2.3. Répétabilité du dispositif expérimental et du procédé de compostage
2.3.1 Démarche expérimentale
2.3.2 Matériels et méthodes
2.3.2.1 Matériaux utilisés et mise en tas
2.3.2.2 Echantillonnage et analyses
2.3.2.3 Mesure des émissions gazeuses
2.3.2.4 Evaluation de la répétabilité du dispositif expérimental
2.3.3 Résultats et discussions
2.3.3.1 Cinétiques de température
2.3.3.2 Cinétiques d’émissions gazeuses
2.3.3.3 Bilans massiques
2.3.3.4 Stabilisation de la matière organique
2.3.3.5 Volume et porosité
2.3.4 Conclusion
2.4. Variabilité des cinétiques d’émissions ammoniacales au cours du compostage (adapté de Oudart et al., 2010)
2.4.1 Introduction
2.4.2 Materials and methods
2.4.2.1 Model of ammonia emission
2.4.2.2 Simulations
2.4.3 Results
2.4.3.1 Simple effects
2.4.3.2 Combined effects
2.4.4 Discussion
2.4.4.1 Physical characteristics have more impact than biochemical characteristics
2.4.4.2 Macroporosity should be reduced, when nitrogen availability is high, to avoid high ammonia emission
2.4.5 Conclusion
2.5. Conclusions : répétabilité du compostage, hiérarchie des caractéristiques initiales sur les émissions, conséquences pour la modélisation
Chapitre 3 : Effet des pratiques de compostage en conditions représentatives d’une ferme commerciale
3.1. Introduction
3.2. Matériels et méthodes
3.2.1 Site de compostage
3.2.2 Situations de compostage étudiées
3.2.2.1 Choix des pratiques de gestion
3.2.2.2 Mise en place des andains
3.2.3 Dispositif expérimental de mesure des émissions gazeuses
3.2.4 Echantillonnage et analyses
3.2.5 Calcul des émissions gazeuses
3.2.6 Analyse statistique des pertes gazeuses
3.3. Résultats
3.3.1 Effets du tassement et de l’humectation sur les pertes d’eau et de MS
3.3.2 Effets du tassement, du retournement et de l’ajout d’eau sur les températures
3.3.3 Effets du tassement et de l’humectation sur les émissions de GES et d’ammoniac
3.3.4 Reproductibilité intermédiaire du processus de compostage
3.4. Discussion et conclusion : utilisation de modèles pour prédire l’effet d’un changement des pratiques de compostage
Chapitre 4 : Modélisation dynamique du compostage
4.1. Introduction
4.2. Enjeux de représentation
4.2.1 Prédire les spécifications du compost final
4.2.2 Prédire l’impact d’un changement de procédé sur l’atmosphère
4.2.3 Prédire les effets du climat
4.2.4 Conclusion : structure globale du modèle et démarche de modélisation
4.3. Module biodégradation
4.3.1 Objectifs du module et structure globale
4.3.2 Equations du module
4.4. Modules thermique et porosité
4.4.1 Objectifs de représentation et structure globale
4.4.2 Equations des modules thermique et porosité
4.4.2.1 Production de chaleur biologique et vaporisation de l’eau
4.4.2.2 Equilibre thermique et bilan de chaleur sensible
4.4.2.3 Calcul du débit d’air
4.4.2.4 Porosité et volumes d’eau, d’air et de MS
4.4.2.5 Oxygénation
4.5. Module azote
4.5.1 Objectifs et structure globale du module
4.5.2 Equations du module
4.5.2.1 Croissances microbiennes
4.5.2.2 Emission ammoniacale
4.5.2.3 Dénitrification et émissions de N2 et N2O
4.6. Elaboration du compost final
4.7. Initialisation du modèle
4.7.1 Fractionnement de la matière organique
4.7.2 Fractionnement de l’azote
4.8. Conclusion
Chapitre 5 : Calibration du modèle
5.1. Introduction
5.2. Méthodes de calibration
5.2.1 Paramètres issus de la littérature
5.2.2 Paramètres issus de la calibration basée sur les expérimentations
5.2.2.1 Paramètres indépendants de la situation de compostage
5.2.2.2 Paramètres dépendant du substrat et de la géométrie de l’andain
5.2.3 Présentation des résultats
5.3. Résultats de la calibration pour les 11 tas
5.3.1 Comparaison des données expérimentales et simulées
5.3.1.1 Emissions de CO2 et de H2O
5.3.1.2 Cinétiques de température
5.3.1.3 Emissions azotées
5.3.2 Discussions sur les valeurs des paramètres calibrés
5.3.2.1 Module biodégradation
5.3.2.2 Modules thermique et porosité
5.3.2.3 Module azote
5.4. Conclusions
5.4.1 Un modèle qui a été calibré en première approche
5.4.2 Un modèle qui, calibré en première approche, représente correctement les processus et leur dynamique
5.4.3 Des points importants à maîtriser pour assurer une représentativité du modèle et donc sa justesse
5.4.4 Des points importants pour renseigner sur des contraintes de qualité du compost et du compostage
5.4.5 Un modèle pour la prédiction des dynamiques et pour une aide à l’exploitant ?
Chapitre 6 : Analyse du modèle
6.1. Introduction
6.2. Les originalités du modèle développé
6.3. Influence des processus sur le déroulement du procédé
6.3.1 Limitation de l’apport d’oxygène
6.3.1.1 Connaissances apportées
6.3.1.2 Recommandations opérationnelles
6.3.2 Modulation de l’activité microbienne et maîtrise de la température interne
6.3.2.1 Connaissances apportées
6.3.2.2 Recommandations opérationnelles
6.3.3 Capacité d’évaporation de l’eau
6.3.3.1 Connaissances apportées
6.3.3.2 Recommandations opérationnelles
6.3.4 Volatilisation ammoniacale
6.3.4.1 Connaissances apportées
6.3.4.2 Recommandations opérationnelles
6.4. Conclusion : conditions pour améliorer les prédictions du modèle
Conclusion générale
Références bibliographiques
Annexes
Résumé

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