Impact des épandages des vinasses et des cendres de charbon sur les caractéristiques du sol

Les déchets issus de la fabrication d’éthanol et de production d’énergie électrique

La mêlasse, résidu de fabrication du sucre, non complètement épuisé en sucre, est déjà utilisée en petite quantité depuis belle lurette comme matière première pour la production de rhum industriel ou d’éthanol sur certaines propriétés sucrières à l’île Maurice, notamment à Médine, Beau Plan et plus récemment à Saint Aubin. Les déchets qui en résultent, notamment les vinasses, sont épandus dans les cultures cannières à un taux de 20 T/ha. Il y a cinq ans de cela, une entreprise, Alcodis Limitée, s’est aussi engagée à produire l’éthanol à partir de la mêlasse et dans un futur pas très lointain avec les 150 000 tonnes de mêlasse produite par l’ensemble de l’industrie sucrière mauricienne, cette entreprise compte générer environ 30 millions de litres d’éthanol annuellement. Cependant, pour chaque litre d’éthanol produit, il en résultera 13 litres de déchets (vinasses), ce qui signifie au total près de 400 000 tonnes de vinasses à disposer.
En ce qui concerne la production énergétique à partir de la bagasse comme énoncé dans le plan de réforme de l’industrie sucrière mauricienne , la bagasse fournit déjà presque 20% de l’énergie électrique du pays. En somme 45% de l’énergie électrique du pays est produit par l’industrie sucrière car A part la bagasse, les centrales thermiques associées à l’industrie sucrière utilisent le charbon durant la période d’entrecoupe.
Le plan de réforme de l‘industrie sucrière mauricienne prévoit une optimisation de l’efficacité de la bagasse afin de produire 600 Gwh d’électricité en 2015 contre 325 Gwh produits actuellement au niveau local. Au total les centrales thermiques de l’industrie sucrière devraient produire d’ici 2015, 1700 GWh d’électricité, en incluant l’énergie électrique provenant du charbon (Mauritius Chamber of Agriculture, 2005-2006). L’utilisation de la bagasse il faut le souligner permettra d’éviter l’importation de 440 000 tonnes de charbon.

La composition du sol

La fraction minérale et la phase gazeuse

Le sol possède une phase solide qui est constituée de fragments des minéraux composant la terre fine (<2mm) et de la matière organique. La partie minérale provient de la désagrégation physique et de l’altération chimique de la roche-mère. Les minéraux du sol peuvent être séparés par une analyse granulométrique recelant une fraction entre 2mm et 50 µm (sables), une fraction entre 50 et 2 µm (limons) et la fraction inférieure à 2 µm (argiles).
Les deux premières catégories sont relativement inertes contrairement aux argiles qui possèdent des surfaces spécifiques énormes (Ksiezopolska, 2002). Les sables grossiers diminuent la cohésion des terres et le sol devient alors poreux. Les sables fins ont des rôles variables en relation avec l’hétérogénéité de leur taille. Les limons ont tendance à réduire la perméabilité et à favoriser le tassement. Les argiles augmentent la cohésion, rendent le sol plastique et difficile à travailler (Gollany et al., 1991).
Le sol possède également une phase gazeuse qui est conditionnée par plusieurs phénomènes, notamment, les échanges des gazes avec l’atmosphère par diffusion moléculaire couplée à la volatilisation et à la dissolution, la respiration des organismes vivants, les échanges de gazes avec la solution du sol et les apports volontaires ou accidentels de diverses substances organiques volatiles. L’atmosphère du sol est contrôlée par deux gaz à l’état libre ou dissous : l’oxygène qui conditionne la respiration des racines et des organismes et qui intervient dans des réactions d’oxydation, et le dioxyde de carbone qui est essentiel aux organismes autotrophes pour leur synthèse organique (Chamayou et Legros, 1989). La teneur en oxygène de la phase gazeuse du sol joue un rôle déterminant dans de nombreux processus biologiques. L’oxygène a une influence directe sur la croissance racinaire et elle permet des biotransformations en milieu aérobique qui conduisent à la production de substances nutritives comme le nitrate et l’ortho phosphate (Calvet, 2003).

La matière organique du sol

Quant à la partie organique du sol, elle peut être distinguée en quatre groupes : la matière organique vivante qui englobe la totalité de la biomasse végétale et animale en activité, la matière organique fraîche qui regroupe les débris d’origine végétale ( résidus végétaux, exsudats) et d’origine animale ( déjections, cadavres), la matière organique transitoire qui se compose des substances organiques en cours d’évolution entre la matière organique fraîche et les substances humiques, et les matières humiques qui sont des composés organiques stabilisés. La matière organique vivante constitue le compartiment actif de la matière organique du sol car elle agit en fonction des caractéristiques physico-chimiques du milieu sur la matière organique fraîche et l’humus (Blaise et al., 1995).
La matière organique du sol influence les caractéristiques biologiques et physico-chimiques, ainsi que la bio disponibilité des éléments présents dans le sol tels que le N, P, K, S, Fe, Cu (Haynes et Swift, 1991). Elle joue de ce fait un rôle majeur dans l’apport des nutriments pour la croissance des cultures (Baldock et Skjemstad, 2000). La matière organique du sol est constituée des substances plus ou moins complexes et biodégradables : une grande partie correspond à des substances humiques (Tipping et Hurley, 1988) qui sont plutôt récalcitrantes à la dégradation, de moyennes molécules telles que les protéines, les polysaccharides, ainsi que les petites molécules telles que les carbohydrates, acides carboxyliques ou oxaliques aux dégradabilités variables.

L’apport des déchets aux sols

Le retour au sol des déchets a été pratiqué par l’homme depuis toujours. Il y a deux raisons pour expliquer cette pratique ancestrale : d’abord, la valeur fertilisante de ces déchets, et ensuite la capacité des sols à épurer les effluents en particulier liquides, ce qui permet de protéger les eaux profondes et de surface contre tout risque de pollution.
Cependant depuis les années 1990, la perception que ce retour au sol des déchets pollue l’environnement rend les agriculteurs de plus en plus réticents à continuer cette pratique.
En vérité, seules quelques pratiques abusives d’épandage (doses trop importantes par exemple, ou mauvaise qualité des produits épandus) ont réellement provoqué des cas de contamination des récoltes ou des eaux. A travers le monde, ce retour au sol reste néanmoins la pratique la plus logique pour beaucoup des déchets ou pour des produits issus du traitement des déchets. Le renforcement de la réglementation sur la protection de l’environnement devrait permettre de pérenniser ce recyclage agricole tout en préservant la qualité des sols récepteurs, des cultures et des eaux (Griand et al, 2005).
Les déchets épandus dans les champs agricoles proviennent d’abord de l’agriculture elle-même ou des industries qui en sont directement liées. En fonction de leur composition chimique, les déchets peuvent êtres apportés aux sols pour fournir des quantités d’éléments fertilisants équivalentes à une fertilisation minérale . Les boues des stations d’épuration sont principalement constituées des particules solides non retenues par le prétraitement en amont de la station d’épuration, des matières organiques non dégradées, des matières minérales et des microorganismes. Elles se présentent sous forme d’une ″soupe épaisse″ qui subit ensuite des traitements visant en particulier à réduire leur teneur en eau.

Impacts environnementaux des déchets

Le cadre réglementaire régissant l’épandage de déchets aux sols est assez strict. C’est le cas par exemple pour les boues d’épuration urbaines et déchets agroindustriels où le plan d’épandage, seuils de concentration des polluants traces inorganiques et organiques, flux maximum des polluants applicables aux sols, caractéristiques pédologiques des sols recevant les épandages, localisation des épandages par rapport aux eaux de surface doivent être pris en considération.

Présence des métaux lourds

Une réglementation pointue est nécessaire puisque les déchets renferment entre autres, des métaux lourds. En effet les produits résiduaires contiennent des concentrations variables des métaux lourds. Ces métaux lourds peuvent être tout aussi élevés dans les effluents d’élevage (Cu, Zn) ou dans les engrais minéraux (Cd dans les engrais phosphatés) que dans les déchets d’origine urbaine. Il faut de plus souligner que tous les éléments traces métalliques sont également présents naturellement dans les sols car ils proviennent de la roche mère à partir de laquelle le sol est formé (Baize, 1997). Les éléments traces métalliques s’accumulent dans le sol au fur et à mesure des épandages, leur spéciation pouvant changer en fonction des conditions physico-chimiques du milieu (Weber et Karczewska, 2004). En raison de leur accumulation dans les sols avec peu de possibilité de s’en débarrasser, les métaux lourds dans les déchets et aussi dans les sols ne peuvent dépasser un seuil sinon ces déchets deviennent inacceptables pour l’épandage aux sols. L’adsorption des métaux lourds par complexation à la surface des argiles retient fortement les métaux qui sont alors difficilement désorbés. Ils peuvent aussi être adsorbés par interactions électrostatiques qui sont moins efficaces puisque les cations ainsi retenus peuvent être facilement échangés et libérés dans la solution du sol, contribuant donc à la pollution des eaux de surface.

Présence de micro polluants organiques

Deux transformations physico-chimiques ont une influence marquée sur ce phénomène de rétention et de libération : la complexation par des ligands organiques et l’oxydoréduction. La première a tendance à accroître la solubilité des métaux et à favoriser leur maintient en Polluant Valeur limite dans les solution et donc, à permettre leur transport. La deuxième a une influence sur la répartition des métaux entre les phases liquide et solide (Deneux-Mustin et al., 2003) et ainsi une incidence sur le transport en solution des métaux lourds.
A part les métaux lourds, les déchets représentent, comme indiqué par Cameron et al., (1997), une source de micropolluants organiques dont des HPAs (Hydrocarbones Poly Aromatiques) et des BPCs (Biphényls Poly Chlorinées). Les HPAs et BPCs sont décrits par le United States Environment Protection Agency (USEPA, 1992) comme appartenant aux familles de micropolluants organiques les plus toxiques. Alors que les composés azotés ou phosphatés souvent présents dans les déchets peuvent avoir une origine intrinsèque au sol, les composés organiques xéno biotiques ont tous une origine extérieure au sol et sont liés aux activités anthropiques (Long, 2001). Le sol est capable de recevoir de nombreux composés organiques possédant des structures chimiques et des propriétés très variées. Les micropolluants organiques apportés au sol sont distribués dans les phases solide, liquide et gazeuse selon les caractéristiques des phénomènes de partition concernés. Le risque de leur transfert dans les eaux dépend de leur mobilité qui à son tour est plus ou moins influencée par leur rétention et par leur quantité présente dans le sol. La rétention des polluants organiques se fait dans un premier temps par l’adsorption sur des surfaces humiques ou argileux qui conduit à une rétention réversible, suivi de la stabilisation par réaction chimique ou piégeage physique qui entraîne à une rétention irréversible (Ilani et al. ,2005).

Table des matières

Chapitre 1 Problématique de la filière canne à sucre à l’île Maurice 
1.1 Introduction
1.2 Les déchets issus de la fabrication d’éthanol et de production d’énergie électrique
1.3 Les grands objectifs de l’étude
1.4 Bibliographies
Chapitre 2 Le système sol-eau-plante et l’épandage des déchets 
2.1 Le sol : une interface entre le monde minéral et organique
2.2 La composition du sol
2.2.1 La fraction minérale et la phase gazeuse
2.2.2 La matière organique du sol
2.3 Les sols de l’île Maurice
2.4 L’apport des déchets aux sols
2.5 Impacts environnementaux des déchets
2.5.1 Présence des métaux lourds
2.5.2 Présence de micro polluants organiques
2.5.3 Les éléments nutritifs comme polluants
2.6 Disponibilité des polluants par rapport aux plantes
2.7 Les déchets de l’industrie cannière mauricienne
2.7.1 Les Vinasses
2.7.1.1 La composition chimique
2.7.1.2 Les études réalisées sur les vinasses en particulier en culture cannière
2.7.1.3 L’impact de la vinasse sur la mobilisation des métaux lourds dans le sol
2.7.2 Les cendres volantes de charbon et de bagasse
2.7.2.1 Nature et composition chimique
2.7.2.2 Les études réalisées sur les cendres de charbon et de bagasse
2.8 Réglementation de l’épandage des déchets
2.9 Problématique et démarches adoptées
2.10 Bibliographies
Chapitre 3 Démarches expérimentales 
3.1 Les essais aux champs
3.2 Le plan d’expérience
3.3 Les cendres de charbon/bagasse
3.4 Les vinasses
3.5 Echantillonnage du sol
3.6 Analyses physico-chimiques des sols, cendres et vinasses
3.6.1 Humidité et masse sèche
3.6.2 pH du sol
3.6.3 Conductivité électrique (CE)
3.6.4 Granulométrie
3.6.5 Analyses des éléments majeurs et traces
3.6.6 Détermination des Hydrocarbones Polyaromatiques (HPAs) et des Biphényls Polychlorinées (HPCs) dans les cendres
3.7 Echantillonnage de la feuille de la canne à sucre (Diagnostic Foliaire)
3.8 Echantillonnage et préparation pour l’analyse des tiges, sommets et pailles de la canne à sucre
3.8.1 Dosage de N
3.8.2 Dosage de P
3.8.3 Dosage de K
3.8.4 Analyse de la feuille, tige, et paille pour les métaux lourds
3.9 Rendements en canne et en sucre des essais
3.10 Le dispositif expérimental en lysimètre
3.11 Étude de la matière organique dissoute (MOD) de la vinasse
3.11.1 Carbone organique dissout -incubation au laboratoire (Ile Maurice /Avignon)
3.11.2 Fractionnement de la vinasse par dialyse
3.11.3 Mesure de fluorescence
3.11.4 Complexation métallique
3.12 Etude d’adsorption des pesticides sur les cendres
3.12.1 Incubation à 4oC au réfrigérateur pour établir les isothermes d’adsorption
3.13 Bibliographies
Chapitre 4 Caractérisation des vinasses et des cendres de bagasse/charbon et leurs effets sur le sol
4.1 Caractéristiques des vinasses de distillerie à l’île Maurice
4.1.1 Eléments minéraux
4.1.2 Carbone organique total et carbone organique dissout
4.1.3 Conclusion
4.2 Caractéristiques des cendres de bagasse et de charbon des centrales thermiques à l’île Maurice
4.2.1 Eléments minéraux
4.2.2 Métaux lourds
4.2.3 Les micropolluants organiques
4.2.4 Conclusion
4.3 Eléments minéraux et métaux lourds dans les sols avant les essais aux champs
4.3.1 Éléments minéraux et métaux lourds
4.3.2 Conclusion
4.4 Impact des épandages des vinasses et des cendres de charbon sur les caractéristiques du sol
4.4.1 pH
4.4.2 Salinité
4.4.3 Carbone organique
4.4.4 Les bases échangeables
4.4.5 Les métaux lourds
4.5 Effets des cendres de charbon sur la sorption des herbicides atrazine et hexazinone
4.5.1 Les isothermes de sorption
4.5.2 Sorption de l’atrazine et d’hexazinone
4.5.3 Comparaison de sorptivité des différents adsorbants
4.6 Conclusion
4.7 Bibliographies
Chapitre 5 Effets des épandages de la vinasse et de la cendre de charbon sur la culture de la canne à sucre
5.1 Effet de la vinasse sur le rendement de la canne à sucre
5.2 Effet de la vinasse sur l’état nutritionnel NPK de la canne à sucre
5.3 Effet de la cendre de charbon sur le rendement de la canne à sucre
5.4 Effet de la cendre de charbon sur l’état nutritionnel NPK de la canne à sucre
5.5 Les métaux lourds
5.6 Conclusion
5.7 Bibliographies
Chapitre 6 Effets des épandages de la vinasse et de la cendre de bagasse sur la qualité des eaux
6.1 Conductivité électrique et pH de l’eau
6.2 Le nitrate et le phosphate dans les eaux de percolations
6.3 Effet sur la lixiviation des micropolluants organiques
6.4 Evolution du Carbone organique dissout (COD) de la vinasse
6.5 Matrice d’excitation-emission du spectre de fluorescence et la capacité de complexation avec Cu2+
6.6 Les métaux lourds dans les eaux
6.7 Conclusion
6.8 Bibliographies
Chapitre 7 Discussion générale et conclusion 
7.1 Problématique des déchets de l’industrie cannière de l’île Maurice
7.2 Épandage de la vinasse
7.3 Épandage de la cendre de charbon et de bagasse
7.4 Conclusion
7.5 Bibliographies
Annexes

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