Présentation des processus de compostage mis en jeu

1. Le processus de compostage

1.1 Définition générale

Le compostage, aussi appelé digestion aérobie, est un procédé biologique de dégradation de la matière organique. Dans sa thèse, Remy Albrecht précise cette définition en citant le travail de Francou et définit le compostage comme "un processus contrôlé de dégradation des constitutants organiques d'origine végétale et animale, par une succession de communautés microbiennes évoluant en conditions aérobies, entraînant une montée en température et conduisant à l'élaboration d'une matière organique humifiée et stabilisée. Le produit ainsi obtenu est appelé compost".

Le processus de compostage peut être vu comme une intensification du processus naturel d'humification des résidus organiques en substances humiques (Albrecht, 2007).

 

1.2 Mécanisme réactionnel et paramètres d'intérêt

  • Mécanisme réactionnel

 

Schéma simplifié du mécanisme réactionnel mis en jeu lors du compostage
(Source : présentation de G.Debenest, Travaux de F.Hénon, A.Pujol, 2015)

La dégradation de la matière organique lors du compostage se traduit d'abord par une hydrolyse, puis par une dégradation biochimique des composés lysés. Ces réactions entrainent la formation de CO2, de chaleur et d'eau. L'étape d'hydrolyse dépend essentiellement des caractéristiques physico-chimiques de l'andain (porosité, humidité, granulométrie).

On distingue deux phases au cours du processus de compostage.

La phase de stabilisation est une phase dite thermophile du fait de la montée en température importante qui peut atteindre 80°C. Lors de cette phase, les bactéries décomposent la matière organique facilement biodégradable comme les sucres solubles ou les protéines et dégradent progressivement les matières plus réfractaires comme la cellulose. Cette phase dure environ 1 mois.

La phase de maturation est dite mésophile. La température dans l'andain diminue progressivement et la maturation se fait pour des températures autour de 20-30°C. La microflore composée de bactéries et de champignons (essentiels pour dégrader la lignine notamment) transforment les composés présents dans le compost en substance humiques stables.
Cette phase peut être plus ou moins longue. Elle peut être suivie d'une période de finition, comme nous avons choisi de le faire. En effet, on considère que la maturation touche à sa fin lorsque le compost ne présente plus d'effet phytotoxiques. Or, cela ne dépend pas que du temps accordé à cette phase. Plusieurs facteurs entrent en compte et les tenants et aboutissants sont encore mal maîtrisés. L'innocuité du compost vis-à-vis des plantes est déterminée par des tests.

Le processus de compostage s'accompagne d'une consommation de dioxygène importante qu'il faudra pourvoir afin de rester en conditions aérobies. L'apparition de zones anaérobies lorsque l'O2 n'est pas disponible en quantité suffisante est à l'origine d'émissions de méthane et de dihydrogène de soufre.

La granulométrie du substrat et son évolution va donc également jouer un rôle lors de l'étape de dégradation microbienne car elle influence la porosité de l'andain et par conséquent son aération. Les processus physiques existants au sein de l'andain (évolution de la porosité, phénomènes de diffusion de l'O2, variations de températures) sont toutefois difficiles à contrôler et à modéliser.

 

  • Paramètres d'intérêt :

Plusieurs paramètres sont intéressant à mesurer lors du suivi du processus de compostage, notamment le taux de dioxygène lacunaire, la température, l'humidité, le pH ou le rapport C/N. Au cours du compostage, le pH varie peu et n'est en général pas un bon indicateur à lui seul de l'évolution du processus.

Le taux de dioxygène et l'humidité sont des paramètres important à contrôler, puisqu'ils jouent un rôle direct sur la vitesse de dégradation de la matière organique par la flore microbienne. Toutefois ils ne permettent pas un suivi de l'état d'avancement du compostage.

Le suivi de la température permet de suivre l'évolution du processus et notamment d'avoir une idée du passage en phase de maturation (la phase mésophile).

Le rapport C/N enfin est intéressant à mesurer. En effet, ce rapport diminue au cours du compostage et un faible rapport C/N est caractéristique d'un compost mature. D'une manière générale, le rapport C/N d'un compost est comparé au rapport C/N des sols humiques, environ égal à 10. Certains auteurs considèrent qu'un compost peu être mûr à partir de rapport C/N inférieurs à 20.
Comme expliqué plus haut, il reste important de vérifier par des tests que le compost considéré comme mature n'est pas phytotoxique avant de mettre fin au processus.

 

2. Aspects biochimiques du compostage d'un mélange boues et déchets verts et population microbienne

Le processus de compostage est dû à l'activité microbienne dans l'andain. Les populations intervenant vont avoir des caractéristiques différentes, des métabolismes aux cinétiques différentes et vont décomposer des molécules différentes.

Le substrat initial du compostage est constitué de composés variés, en proportions variables. Les principaux sont les glucides, la lignine, les protéines et les lipides, auxquels nous nous intéressons maintenant. Connaître davantage la structure des molécules présentées ci-dessous permettra notamment de quantifier les quantités de matière rapidement biodégradable, lentement biodégradable et inerte présente initialement lors de notre modélisation. Les informations sont issues du travail d'Albrecht. 

Les glucides (sucres) font références aux monosaccharides (on parle aussi d'oses ou de "sucres simples") et aux polysaccharides, polymères d'oses.
Les sucres simples sont très présents chez les végétaux et sont rapidement dégradés au cours du compostage. Les polysaccharides d'origine végétale sont essentiellement la cellulose (polymérisation importante, composé très abondant) et les hémicelluloses (hétéropolysaccharide, degré de polymérisation moins important).
La cellulose a une structure fibrillaire, plus difficile à dégrader. De plus la cellulose est associée aux  hémicelluloses dans les végétaux, rendant le complexe moléculaire formé d'autant plus difficile à dégrader.

La lignine est un polymère aromatique très résistant à la dégradation. Dans les végétaux, on observe la formation d'un complexe ligninocellulosique, formé de polymères de lignine, de cellulose et d'hémicellulose. Ce complexe est aussi difficilement biodégradable.

Les protéines sont généralement rapidement hydrolysées en acide aminés.

Les lipides se retrouvent dans les biodéchets et notamment dans les boues de station d'épuration. Leur dégradation est très variable, mais la plupart sont rapidement biodégradés lors du compostage. Les plus complexes et les polyesters lipidiques (comme la cutine) sont eux particulièrement récalcitrants.

 

Les trois principales populations microbiennes intervenant sont présentées ci-après :

 

 

 

Présentation des 3 grandes populations impliquées dans le processus de compostage
(Source : Présentation de M. Barret, 2014)

 

 

 

 

Les actinomycètes et les champignons sont les populations essentielles à la dégradation de la lignine lors du compostage. Elles font la spécificité de ce processus par rapport à la digestion anaérobie qui ne dégradent pas la lignine. Les actinomycètes, du fait de leur croissance lente, interviennent plus tardivement que les autres bactéries. De même, les champignons sont en fait majoritairement mésophiles, mais la montée en température donne une grande importance au groupe de champignon thermophile. Cela explique que la lignine commence à être dégrader à la fin de la phase thermophile, et l'est davantage au cours de la phase de maturation mésophile.

 

Bibliographie

Albrecht Remy, Co-compostage de boues de station d'épuration et de déchets verts : Nouvelle méthodologie du suivi des transformations de la matière organique, 2007

Barret M., Compostage, présentation dans le cadre du module Agriculture Biologique et Compost à l' ENSAT, 2014.

Debenest G., Présentation dans le cadre de l'enseignement Génie de l'Environnement, basé sur les travaux de F.Hénon, A.Pujol, 2015