Paramètres entrant en jeu dans le compostage
Les principaux paramètres qui influencent simultanément le compostage sont ceux qui agissent sur les conditions de vie des microorganismes :
|
|
Taux
d’O2 lacunaire
Les microorganismes aérobies consomment l’oxygène pour oxyder des composés organiques qui leur servent de nourriture. Le taux d’oxygène se définit comme le pourcentage d’oxygène dans l’air des « vides » du composte.
Ce taux dépend de :
ü de la granulométrie et de la forme des molécules organiques
ü de la quantité d’eau en présence
La masse de compost en fermentation apparaît très hétérogène à l’échelle microscopique et présente un micro système à 3 phases : Solide-liquide-gaz
Dans le cas de substrats pâteux ou liquides (lisiers) dans lesquels il n’existe pas d’espace lacunaire, on doit apporter de l’oxygène au milieu par agitation ou par bullage pour que les bactéries puissent dégrader la matière organique.
La masse liquide monte en température (activité microbienne aérobie). Ainsi, on voit qu’il est nécessaire pour tout procédé de compostage de prévoir un système qui maintienne l’aération, c’est-à-dire un apport d’oxygène par l’air ambiant (Air ambiant 21% O2, 0.03% CO2, le reste constitué de N2, gaz rares).
Relations
entre la structure du substrat et l’oxygène :
La masse de compost est composée de matière organique, d’eau, d’espaces lacunaires comme dans le sol, mais avec des particules contenant 50 à 99% de matière organique dans la matière sèche.
L’oxygène contenu dans l’air va se déplacer dans la masse en compostage sous l’effet de plusieurs facteurs :
ü du gradient de pression entre le compost et l’air atmosphérique
ü Du gradient de solubilisation de l’oxygène gazeux en oxygène dissout au passage du gaz dans le film liquide.
ü Du gradient de diffusion dans le film liquide jusqu’aux microorganismes qui le consomment en permanence pour dégrader le substrat.
La vitesse de compostage est conditionnée par la vitesse du transfert d’oxygène de l’espace lacunaire aux microorganismes.
L’équation du transfert est de type :
DM / dT+ -S*d*(do/dl) loi de FicK) p133
Les besoins des microorganismes aérobies évoluent en cours de fermentation :
ü Ils sont maximaux au démarrage du compostage, lors des premières phases de dégradation intense de la matière organique fermentescible.
ü La disparition de la fraction de matière organique fermentescible provoque une diminution des besoins d’oxygène jusqu’à la maturation du compost (où une faible consommation résiduelle est encore enregistrée).
Le stade d’évolution atteint par un compost est déterminé par la consommation d’oxygène par la masse organique qui est un paramètre direct de l’activité aérobie des microorganismes.
Relations entre l’oxygène et le gaz
carbonique
La dégradation d’un substrat carboné en milieu aérobie, conduit à :
ü une consommation d’oxygène
ü une production de gaz carbonique
Exemple :
Carbone organique + Oxygène gaz
carbonique + eau
C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O
Il y a corrélation inverse entre la diminution d’O2 par consommation et augmentation du CO2 par production.
L’aérobie est maintenu tant que le taux d’oxygène ne descend pas en dessous de 5% bien que la limite réelle soit inférieure à 1%.
Humidité
Les molécules d’eau sont présentes à la fois dans un film liquide autour des particules organiques et dans les espaces lacunaires (sous forme de vapeur d’eau). Il n’y a pas de relation proportionnelle stricte entre l’augmentation en eau et la diminution du volume gazeux de l’espace lacunaire.
Lors de compostage d’ordures ménagères, Jeris et Regan (1973) ont montré une relation entre la teneur en eau du substrat et le pourcentage d’espaces lacunaires.
Expérimentalement, une telle échelle comparative peut s’établir pour chaque type de déchets.
Plus le pourcentage d’espaces lacunaires est fort, plus la circulation de l’air est aisée : le compostage optimal dans les premières phases est obtenu pour des valeurs de 30 à 36% d’espaces lacunaires dans la masse.
Lors du compostage, la teneur en eau varie pour deux types de raisons :
ü La teneur augmente car il y a production d’eau par les microorganismes qui dégradent les matières organiques en présence d’oxygène.
Ca Hb Oc Nd + O2 CO2 + H2O
Matière
organique + oxygène gaz carbonique + eau
L’eau issue
du métabolisme des microorganismes est appelée eau métabolique pour la
distinguer de l’eau des substrats en début de compostage.
ü La teneur en eau à tendance à diminuer avec l’aération forcée ou lors du retournement, et de la montée de température qui entraînent des pertes sous forme de vapeur d’eau.
Le taux d’humidité optimal pour un substrat est déterminé par le taux maximal d’espaces lacunaires qui n’entraîne pas d’inhibition de l’activité des microorganismes. Ce qui compte, ce n’est pas la quantité totale d’eau mais sa disponibilité pour les microorganismes.
L’humidité relative mesure la disponibilité en eau dans les lacunes du substrat (pression partielle de vapeur d’eau dans le volume lacunaire par celui de l’eau pure dans les mêmes conditions de température et de pression).
Température
Processus exothermique : processus thermique qui entraîne la libération de l’énergie chimique stockée dans les liaisons des molécules organiques. Elle se fait
ü Soit par combustion ce qui constitue une libération brutale d’énergie sous forme de chaleur :
Produit Elément minéral.
ü Soit par libération progressive, c’est à dire par oxydations partielles :
Fermentation alcoolique CO2+chaleur
Sucres Alcools
+ résidus organiques
Températures optimales de croissance des bactéries
La principale source de chaleur provient de l’oxydation de la matière organique par les microorganismes aérobies. Il en existe plusieurs types :
ü Microorganismes psychrophiles avec : Température de croissance< 30°C et multiplication à 0°C
ü Microorganismes mésophiles avec : 30°C<Température optimale< 45°C.
ü Microorganismes thermophiles avec : Température optimale> 45°C.
Le débit de chaleur pendant la fermentation est un témoin direct de l’activité de la fermentation aérobie.
Température et substrat :
La température de compostage varie en fonction de la composition des substrats et de la nature des échanges thermiques ; c’est à dire en fonction de la fermentescibilité des aliments et du pouvoir calorifique des composés.
Soulignons de plus l’importance de la forme et du volume du tas : un gros tas impliquant par exemple une inertie thermique importante.
Récapitulons l’effet du pouvoir calorifique et de la fermentescibilité sur la température :
|
Substrat |
Pouvoir calorifique |
|
|
Fermentescibilité |
faible |
Fort |
|
Faible |
Températures moyennes atteintes lentement |
Températures moyennes fortes et atteintes
lentement |
|
Forte |
Températures moyennes atteintes rapidement |
Températures moyennes fortes et atteintes
rapidement |
Il existe trois mécanismes de base de transfert de la chaleur:
ü La conduction :Transfert de chaleur entre deux points par différence de température selon la loi de Fourier :
dQ=-K*dS*dT/dx
avec dQ= quantité élémentaire de chaleur qui
passe pendant le temps dt à travers une surface élémentaire dS en réponse à un
gradient de température dT sur une distance dx.
ü La convection : Mouvement de masse entre une zone chaude où de la chaleur est acceptée et une zone froide où de la chaleur est cédée.
Q= U*S*DT avec U comme thermique global et S comme surface perpendiculaire au transfert thermique.
ü La radiation qui est le mécanisme le plus important. Elle se caractérise par un échange de radiations électromagnétiques entre deux corps n’étant pas à la même température.
Propriétés thermiques du tas de compost :
Il existe deux critères facilement
mesurables et permettant de déterminer les propriétés thermiques du tas de
compost.
ü La chaleur spécifique du matériau composté, déterminée par calorimétrie.
ü La conductivité thermique, déterminée par placement d’un échantillon dans un tube conducteur.
Ces deux critères sont fortement corrélés avec le taux d’humidité et l’age du compost.
Le flux calorique dépend donc essentiellement de
ü La quantité de chaleur produite par unité de masse organique et par unité de temps.
ü La possibilité pour les calories d’être cédées à l’extérieur.
Un flux calorique élevé permet essentiellement :
ü Une bonne hygiénisation des substrats
ü Une vitesse de dégradation rapide.
ü Une humification active.
Notion de pH
La gamme de pH optimal du compostage est égale à la vie des microorganismes intervenant dans le processus. Le pH optimal est compris entre 6 et 8. Cependant les processus faisant intervenir massivement les champignons permettent une gamme de pH optimal plus large.
Il existe plusieurs processus de variation du pH de la matière organique au cours du compostage.
L’acidification peut résulter soit :
-De la production d’acides organiques à partir de glucides et de lipides selon la réaction :
Substrat
organique RCOOH (acide
organique) RCOO- + H+
-De la production de CO2 par dégradation aérobie qui se dissout dans l’eau.
CO2 + H2O HCO3-
+ H+
L’acidification du substrat peut être le fait du compostage de tourbes, de sciure ou de litières de conifères.
L’alcalinisation peut résulter de :
-La production ammoniacale à partir de la dégradation des amines selon la réaction
RNH2
NH3 + H2O NH4+ + OH-
-La libération des bases intégrées à la matière organique.
Relations pH/ microorganismes du compost :
La croissance des microorganismes du compost est fortement déterminée par le pH de celui-ci ; et ce malgré une certaine régulation interne du pH (qui s’avère insuffisante) et une certaine tolérance aux ions H+ (qui est fonction de la membrane cellulaire et de la perméabilité sélective).
Suivons maintenant l’évolution du pH au cours du compostage et les types de flore qui s’y développent.
-La phase I est une phase acidogénèse caractérisée par une production de CO2 et d’acides organiques qui entraînent une baisse du pH. La flore dominante est mésophile.
-La phase II est une phase d’alcalinisation avec une forte production d’ammoniac due à l’hydrolyse bactérienne de l’azote protéique et organique. La flore dominante est de type thermophile.
-La phase III est une phase de stabilisation du pH par une diminution des réactions en raison de la baisse du rapport C/N. En effet, une partie de l’azote a été perdue par volatilisation (sous forme ammoniacale) et une autre partie a été consommée par les microorganismes.
-La phase IV est une phase stable proche de la neutralité.
Rapport C/N
La phase de fermentation aérobie entraîne la consommation de 15 à 30 fois plus de carbone que d’azote. Cependant, le rapport C/N optimum doit être ramené aux fractions effectivement fermentescibles et au rapport C/N expliqué par les différentes méthodes.
Le carbone est généralement dosé par la méthode de Anne et l’azote par la méthode Kjeldahl (ou NTK).
On estime que les meilleures fermentations se déroulent pour un C/N compris entre 20 et 70 et que le C/N optimal se situe autour de 30 à 35 pour un substrat moyennement fermentescible.
Le rapport C/N des différents substrats décroît régulièrement au cours du temps pour se stabiliser autour de 10 à 18 mois. La diminution la plus rapide du rapport C/N intervient pour des sucres et des polysaccharides très fermentescibles alors que les celluloses et hémicelluloses en présentent une diminution beaucoup plus lente.
Une situation de carbone en excès se traduit par une vitesse de croissance fonction de la teneur en azote (considérée alors comme facteur limitant). Une situation d’azote en excès se traduit aussi par une vitesse de croissance fonction de la teneur en carbone.
Les substrats riches en carbone dégradable ayant un C/N optimum bas nécessitent un ajout de composés azotés sous forme organique alors que les composés riches en carbone peu dégradables nécessitent un ajout modéré de composés organiques.
Les autres rapports
Les autres macro-éléments sont rarement limitant.
ü Le phosphore a une teneur optimale N/P comprise entre 2 et 5 qui est fonction de la dégradabilité des matériaux.
ü Le potassium a une teneur optimale entre 0,2 % et 0,5% de la matière sèche.
ü Le soufre, le calcium, et le magnésium ont très rarement des teneurs limitant.