Bayard Et Gourdon (2010). Traitement Bio Des Déchets. TI

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    Traitement biologique des dé chets

    par   Ré my BAYARDMaı ˆ tre de conférences à l’Institut national des sciences appliquées (INSA) de Lyon Chercheur au laboratoire de génie civil et d’ingénierie environnementale (LGCIE) 

    et    Ré my GOURDONProfesseur à l’INSA d e Lyon Chercheur au LGCIE 

    1. Principaux dé chets concerné s  .....................................................   G 2 060v2 – 21.1 Déchets agricoles et agroalimentaires............... .................. ..............   — 21.2 Déchets ménagers et assimilés............. ................... .................. ........   — 3

    2. Mé tabolismes é nergé tiques et leurs incidences  ......................   — 32.1 Aspects théoriques.. ................... .................. .................. ................... .   — 32.2 Respiration aérobie ................. .................. .................. ................... ....   — 42.3 Respiration anaérobie et fermentations .................. .................. ........   — 42.4 Incidences pratiques ..........................................................................

      — 43. Compostage .....................................................................................   — 43.1 Objectifs et principe ...........................................................................   — 43.2 Aspects microbiologiquess................................................................   — 53.3 Paramètres importants et mise en œuvre du compostage........... ....   — 53.4 Quelques exemples de compostage de déchets ................. ..............   — 73.5 Évaluation de la qualité des produits. ................... .................. ..........   — 123.6 Prétrait ement mécanique et biolo gique des ordures ménagères

    résiduelles avant stockage ................. .................. ................... ...........   — 123.7 État de développement actuel ........................ .................. .................   — 14

    4. Mé thanisation..................................................................................   — 144.1 Objectifs et principe ...........................................................................   — 144.2 Aspects biochimiques et microbiologiques ......................................   — 144.3 Paramètres importants et mise en œuvre de la méthanisation........   — 154.4 Procédés pour déchets solides ou boueux.................... .................. ..   — 164.5 Caractérisation et utilisation des produits....................... ..................   — 164.6 État de développement actuel ........................ .................. .................   — 174.7 Digestion anaérobie de déchets ménagers ............................ ...........   — 184.8 Valorisation du biogaz de décharge......................... .................. ........   — 20

    5. Autres traitements  .........................................................................   — 215.1 Fermentations alcooliques .................................................................   — 215.2 Traitement de déchets industriels non agroalimentaires.......... ........   — 21

    Pour en savoir plus..................................................................................   Doc. G 2 060v2

    L e principe général des traitements biologiques est d’exploiter certaines acti- vités microbiennes en les stimulant de manière contrôlée afin soit de 

    réduire les nuisances potentielles des déchets (odeurs, risques sanitaires, carac- tère polluant au sens large du terme), soit de les  valoriser sous forme e ´ nerge ´ - tique ou sous forme matie ` re . De ce fait, les procédés biologiques sont en pra- tique généralement utilisés pour le   traitement de de ´ chets essentiellement organiques pre ´ sentant un caracte ` re biode ´ gradable   [1], à savoir notamment les déchets associés à l’exploitation ou à la consommation de la biomasse (sous- produits d’élevage, de cultures, d’industries agroalimentaires ; fraction orga- nique des ordures ménagères). Cependant, la versatilité et la diversité des micro-organismes sont telles que ce domaine d’application principal n’est pas exclusif d’autres applications à des déchets industriels organiques, voire miné- raux (boues d’hydrocarbures, résidus miniers, etc.), bien que le recours à des techniques physico-chimiques ou thermiques soit alors complémentaire ou concurrent d’un traitement biologique éventuel.

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    Cet article aborde uniquement le  traitement des de ´ chets solides ou boueux ,que nous définirons ici comme possédant un taux de matières sèches respecti- vement supérieur à 15 % de la masse brute pour les déchets dits « solides », et compris entre environ 3 et 15 % en masse pour les déchets dits « boueux ». Le cas des effluents liquides (eaux usées, effluents de procédés) ou gazeux, dont les traitements sont présentés par ailleurs dans ce volume, n’est donc pas dis- 

    cuté ici.Le document propose, dans un premier temps, un rapide tour d’horizon des 

    principaux types de déchets ou sous-produits susceptibles d’être traités par voie biologique, puis présente les différentes activités microbiennes (métabolis- mes) qu’il est envisageable de stimuler pour traiter ces déchets, c’est-à-dire pour réduire leur caractère polluant ou les valoriser. La présentation des diffé- rents types de métabolismes microbiens permet de mieux comprendre les inci- dences pratiques de ces aspects fondamentaux et, notamment, les intérêts et inconvénients respectifs des traitements biologiques aérobies et anaérobies,ainsi que les paramètres généraux de fonctionnement. Ainsi, le   compostage (traitement ae ´ robie)   est un traitement relativement rapide visant à une stabili- sation du déchet et à sa valorisation matière, alors que les  traitements anae ´ ro- bies (me ´ thanisation ou fermentations alcooliques) , souvent plus longs, permet- tent une valorisation énergétique.

    Les procédés de traitement biologique des déchets organiques sont des tech- niques robustes bien éprouvées en pratique dans leurs domaines d’application privilégiés. Ils n’exigent pas de technologies sophistiquées et sont donc relati- vement peu onéreux à mettre en œuvre. Cependant, un certain savoir-faire est nécessaire pour une mise en œuvre efficace et pérenne, notamment concernant la bonne adéquation entre les matériels techniques utilisés, les conditions opé- ratoires, le ou les déchets traités, le contexte socio-économique et technique, et les objectifs fixés au traitement.

    1. Principaux dé chetsconcerné s

    Le recours à des micro-organismes pour traiter un matériau quel-conque implique que ce matériau soit t ransformable par les micro-organismes considérés, c’est-à-dire que la matière qu’il contientpuisse être utilisée par les micro-organismes pour leur permettrede vivre à ses dépens. On parle généralement de « biodégradabi-lité » pour qualifier cette caractéristique. Les déchets organiques,issus de l’exploitation ou de la consommation notamment alimen-taire de la biomasse (constituée par la masse des organismesvivants et de leurs déchets associés), sont généralement biodégra-dables puisqu’ils sont constitués de molécules d’origine naturellesusceptibles de s’insérer dans les cycles biogéochimiques de lamatière. À  ce titre, ces déchets sont ceux qui se prêtent le mieux à

    des traitements biologiques.

    Ce sont des   dé chets essentiellement organiques   (teneur en car-bone de l’ordre de 40 à 50 % de la masse sèche)  d’origine vé gé taleou animale. Les déchets d’origine animale sont, en général, plusriches en azote (quelques pour-cent de la masse sèche) que ceuxd’origine végétale (généralement moins de 1 % de la massesèche), et souvent plus humides (souvent plus de 70 % de lamasse fraı ˆ che).

    Le tableau   1  présente les principaux déchets concernés par lestraitements biologiques et leurs tonnages respectifs, sur la basedes données de l’ADEME [1]. Signalons néanmoins que les

    tonnages estimés varient suivant les sources d’information en r ai-

    son de la définition variable de certains déchets et de leur originesectorielle.

    1.1 Dé chets agricoles et agroalimentaires

    Ils sont générés au niveau soit de la production agricole (éleva-ges et cultures), soit du stockage, du conditionnement et de latransformation des produits agricoles (industries agroalimentairesde 1re et 2e transformations).

    On estime qu’environ 275 Mt de   dé  jections animales   sont pro-duites annuellement par les élevages en France, la majorité en

    Tableau 1 – Chiffres clé s sur les dé chets organiquesconcerné s par les traitements biologiques   (d’après [1])

    Dé chets descollectivité s

      Dé chets des mé nages

    Dé chetsde l’agriculture

    et dela sylviculture

    14 Mt 28 Mt 370 Mt

    VoierieMarchés

    BouesDéchets verts

    (Encombrants)et déchets verts

    6 Mt

    Orduresménagères(sens strict)

    22 Mt

    ÉlevageCultureForêt...

    TRAITEMENT BIOLOGIQUE DES DÉCHETS ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

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    pâturages extérieurs. Les déjections produites en étables sont récu-pérées essentiellement sous forme de fumiers en mélange avec leslitières pailleuses (ce qui les rend pelletables, avec un taux dematières sèches MS supérieur à 15 % de la masse fraı ˆ che) ou delisiers (taux de MS inférieur à 10 % en masse, donc pompables).

    Les dé chets de culture   sont l’ensemble des parties végétales quine constituent pas la production végétale. On estime la production

    annuelle à environ 55 Mt en France, dont plus de la moitié estconstituée de pailles de céréales. Ces déchets relativement secs(taux de MS de l’ordre de 80 % en masse, voire supérieur) et pau-vres en azote (0,5 à 0,8 % des MS) se prêtent mal à un traitementbiologique tels qu’ils sont, mais peuvent être traités en mélangeavec des déchets plus humides, notamment d’origine animale (castypique des fumiers).

    De l’ordre de 40 Mt de   dé chets des industries agroalimentairessont générées annuel lement en France dans un contexte techniqueet socio-économique fort différent du contexte agricole, ce qui n’estpas sans influence dans le choix des traitements et les moyens sus-ceptibles d’être mis en œuvre : technicité plus importante, produc-tion plus concent rée des dé chets créant des contraintes environne-mentales et techniques plus sévères, besoins énergétiques sur lelieu de production des déchets, moyens financiers, techniques ethumains plus importants que dans le secteur agricole. On retrouve

    notamment les abattoirs et les industries laitières et fromagèrespour les déchets d’origine animale, et les industries vitivinicoles,les conserveries, les brasseries et l’industrie sucrière pour lesdéchets d’origine végétale. Notons que les industries qui exploitentla biomasse à des fins non alimentaires (filières du bois d’œuvre oude chauffe, industries textiles et papetières, industries du cuir, etc.)génèrent, du fait de l’utilisation de nombreux réactifs chimiques oude la nature même de la biomasse exploitée, des déchets dont letraitement biologique est plus difficile et pour lesquels le recoursà des techniques concurrentes est souvent envisagé (incinération,mise en décharge, valorisation de la matière après traitementschimiques).

    1.2 Dé chets mé nagers et assimilé s

    Sur les 46 millions de tonnes de  dé chets mé nagers et assimilé s(DMA) produits en France en 2002, les   ordures mé nage ` res   (OM)représentent 24,3 Mt/an, les déchets encombrants 1,3 Mt/an, lesrefus de traitement 3,6 Mt/an, les déchets verts 2,1 Mt/an et lesboues de station d’épuration 1,9 Mt/an. Les déchets d’entreprisescollectés avec les OM représentent 4,5 Mt/an [1].

    Parmi ces gisements de déchets, certains sont issus de la bio-masse et sont ainsi susceptibles d’être traités par voie biologique.

    1.2.1 Ordures mé nage ` res

    Les ordures ménagères (OM) sont issues de l’activité domestiquedes populations et des activités municipales et commerciales. Lafraction des OM susceptible d’être t raitée par voie biologique cor-respond à :

    – la fraction organique (hors plastiques) fermentescible des OM(fraction fermentescible des ordures ménagères, FFOM, égalementdénommée « biodéchets », constituée des déchets de cuisine dits

    « déchets putrescibles », mais aussi des papiers/cartons, soit envi-ron 60 % de la masse des OM) ;

    – certains déchets des espaces verts et des marchés.

    Le traitement biologique de ces déchets est possible, mais seheurte à des problèmes de tris, de débouchés des pr oduits traitéset de viabilité technico-économique par rapport aux techniquesconcurrentes notamment dans les grandes villes. À  l’heure actuelleen France, 1,6 Mt/an d’OM sont traitées par voie biologique, majo-ritairement par compostage (seulement 0,2 Mt/an traités parméthanisation dans deux unités), avec un recul du compostagesur OM brutes au profit du compostage sur biodéchets [2].

    1.2.2 Dé chets verts

    Principalement constitués de tontes de gazon, tailles d’arbustes,branchages et feuilles mortes, les déchets verts sont issus des acti-vités collectives de l’entretien des espaces verts publics et de l’acti-vité domestique de l’entretien des jardins, avec collecte par apportvolontaire en déchetteries. Collectés séparément des autres DMA,ils sont uniquement constitués de biomasse et sont donc parfaite-ment adaptés à un traitement biologique, bien que leur teneur par-fois élevée en lignine peut limiter leur biodégradabilité. Ils repré-sentent un gisement de 2,1 Mt/an. Depuis le milieu des années1990, le compostage de déchets verts s’est très fortement déve-loppé. En 20 02, 96 % des déchets verts traités le sont par compos-tage [2].

    1.2.3 Boues de station d’é puration des eaux usé es

    Les stations d’épuration des eaux résiduaires assurent le traite-ment des eaux usées urbaines et d’autres activités commercialeset industrielles [ 3]. Elles produisent des boues obtenues par décan-tation soit des eaux usées avant épuration (boues primaires), soitdes eaux traitées (boues secondaires). La production annuelle deboues est estimée, en France, à 1,9 Mt [4]. La caractérisation desboues fait l’objet de l’article   Lutte contre la pollution des eaux [G 1 450] des Techniques de l’Ingénieur. Les boues peuvent être

    traitées par voie biologique, seules (digestion anaérobie) ou enmélange avec d’autres sous-produits tels que des résidus l igneux(copeaux de bois par exemple permettant une meilleure aérationpour le compostage). La valorisation des boues (brutes ou aprèstraitement biologique) par épandage sur les sols est le principalmode de valorisation des boues, mais il soulève un certain nombrede questionnements relatifs au devenir des micropolluants (notam-ment les métaux) qui leurs sont associés. Cette pratique est régle-mentée par le décret du 8 décembre 1997 et l’arrêté du 8 janvier1998 qui interdisent l’épandage de boues n’ayant pas d’« intérêtpour les sols ou la nutrition des cultures et des plantations » etfixent des concentrations limites en éléments traces métalliques eten composés traces organiques à la fois dans la boue devant êtreépandue et dans le sol recevant l’épandage.

    2.   Mé tabolismes é nergé tiqueset leurs incidences

    2.1 Aspects thé oriques

    Le métabolisme énergétique de tous les êtres vivants repose surdes réactions d’oxydoréduction. Cela signifie que les organismesvivants retirent l’énergie nécessaire à leur vie en oxydant des subs-trats (qualifiés de donneurs d’électrons et de protons) et en r édui-sant un ou des accepteurs. L’énergie qu’ils retirent est proportion-nelle à la différence de potentiel entre le couple « donneur » et lecouple « accepteur ». Du fait des conditions d’environnement trèsvariées des différents biotopes de la planète, le monde microbienest très diversifié et ses capacités métaboliques très vastes. Denombreuses substances peuvent ainsi être utilisées par les micro-

    organismes comme substrats donneurs d’électrons et commeaccepteurs finals de ces électrons [5] [6].

    Lorsque les réactions d’oxydoréduction   peuvent se dérouler enl’absence de lumie ` re, les organismes compétents sont qualifiés dechimiotrophes. Ces micro-organismes, très nombreux et trèsdivers, sont à la base des principales agressions (biodégradations)microbiennes possibles sur un déchet, dès lors que sa fractionorganique est suffisante, biodisponible et biodégradable, ce quiest le cas des déchets de biomasse décrits précédemment (§ 1).

    Une substance quelconque (substrat ou donneur) ne peut êtreoxydée que si une autre substance (accepteur) peut, en se

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    réduisant, accepter les électrons arrachés à la première. Cela estthermodynamiquement possible si, dans les conditions du milieu,le potentiel du couple donneur est inférieur à celui du coupleaccepteur.

    2.2 Respiration aé robie

    Un accepteur très courant chez les organismes chimiotrophes estl’oxygène moléculaire O2. Le potentiel normal du couple O2 /2H2Oest de + 810 mV par rapport à l’électrode normale à hydrogène, cequi rend possible l’oxydation de très nombreux substrats. Les orga-nismes compétents sont qualifiés d’« aérobies ». Les organismesaérobies stricts ne peuvent se passer d’oxygène, alors que les orga-nismes aérobies facultatifs peuvent utiliser, en l’absence d’oxy-gène, d’autres accepteurs de remplacement. Par extension, les trai-tements biologiques qui utilisent des micro-organismes aérobiessont eux-mêmes appelés des « traitements aérobies ».

    2.3 Respiration anaé robieet fermentations

    D’autres substances minérales que l’oxygène ou des substancesorganiques peuvent être utilisées comme accepteurs finals d’élec-

    trons. On parle respectivement de «   respiration anaé robie   » et de«  fermentations  ».

    Exemple   : l’ion hydrogénocarbonate   HCO3− peut être réduit en

    CH4, l’ion sulfate   SO42− peut être réduit en H2S et l’acétate

    CH3COO- peut être réduit en éthanol CH3CH2OH.

    Les micro-organismes compétents sont dits « anaérobies stricts »s’ils sont incapables d’utiliser l’oxygène ou « anaérobies faculta-tifs » s’i ls peuvent utiliser l’oxygène lorsqu’il est présent. Notonsque, pour ces derniers, l’utilisation de l’oxygène est préférée (lors-qu’il est présent), car l’énergie récupérée est plus grande qu’avecles autres accepteurs à cause du potentiel élevé du couple O2 / 2H2O. Par extension, les traitements biologiques, qui utilisent desmicro-or ganismes anaérobies, sont eux-mêmes appelés des « traite-

    ments anaérobies ».

    2.4 Incidences pratiques

    Des considérations thermodynamiques simples montrent que lesmicro-organismes aérobies peuvent retirer, à partir d’un substratdonné, beaucoup plus d’énergie pour leur croissance que lesmicro-organismes anaérobies. Ainsi, si l’on considère commesubstrat modèle le glucose (sucre constitutif de nombreux glucidesde la biomasse), on peut écrire les réactions globales suivantespour le métabolisme aérobie (1) ou anaérobie (2) de cette molécule,où  D G ′   0 est la variation d’enthalpie libre standard à pH = 7 :

    C H O O CO H O G kJ mol6 12   06 2 2 26 6 6 160+ → + ′ = −( )∆   /   (1)

    C H O CH CO kJ mol06 12 6 4 2

    3 3 23→ + ′ = −

    ( )∆G    /   (2)

    De ce fait, la croissance des micro-organismes aérobies est géné-ralement plus rapide que celle des micro-organismes anaérobies,et les traitements biologiques aérobies sont donc eux-mêmes plusrapides que leurs concurrents anaérobies (il s’agit, bien évidem-ment, d’une considération très générale qui peut ne pas toujoursêtre vérifiée en fonction des procédés mis en œuvr e). D’autre part,du fait des grandes quantités d’énergie libérées par les métabolis-mes oxydatifs aérobies, l’activité microbienne aérobie est suscep-tible de céder de la chaleur au milieu traité qui peut ainsi s’échauf-fer comme c’est le cas lors du compostage. Il n’est donc pas

    nécessaire de chauffer un déchet en cours de compostage, alorsque cela est indispensable pour une méthanisation ou une fermen-tation alcoolique qui s’accompagne d’un dégagement de chaleurquasi nul. Les processus de biodégradation anaérobie s’accompa-gnent en effet d’une faible libération de chaleur. L’énergie présentedans le substrat initial se retrouve stockée dans l’un des produitsformés.

    Exemple : dans le cas de la mé thanisation du glucose (relation (2)),on observe que plus de 85 % ([160-23]/160) de l’énergie chimiquepotentielle du glucose se retrouve dans le méthane formé.

    De ce fait, les traitements biologiques anaérobies permettentd’envisager la valorisation énergétique d’un déchet organique entransformant une partie de sa matière en un produit plus faciled’emploi tel que le méthane ou l’éthanol.

    3. Compostage

    3.1 Objectifs et principe

    Le compostage est un traitement biologique de déchets orga-niques permettant de poursuivre un ou plusieurs des objectifssuivants :

    – stabilisation du déchet pour réduire les pollutions ou nuisan-ces associées à son évolution biologique ;

    – réduction de la masse du déchet ;– production d’un compost valorisable comme amendement

    organique des sols.

    La mise en œuvre du compostage comporte généralement deuxétapes biologiques (figure   1), auxquelles s’ajoutent des   pré traite-ments   et   posttraitements   éventuellement nécessaires (broyages,mélange avec d’autres produits, tris, etc.).

    La   premie ` re é tape  biologique, dite de « fermentation chaude »,répond aux deux premiers objectifs de stabilisation du déchet et

    de réduction de sa masse. Sa dénomination est en fait un abus delangage puisque le terme « fermentation » désigne en toute rigueurun processus microbiologique anaérobie comme indiqué au para-graphe 2.3. Au cours de cette étape, la matière organique la plus

    Figure 1 – É tapes biologiques du compostage, pouvant e ˆ trepré cé dé es et suivies de traitements mé caniques et/ou physico-chimiques divers

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    facilement biodégradable du déchet est oxydée par des micro-orga-nismes aérobies qui consomment de l’oxygène et libèrent de lachaleur. On assiste donc, si le déchet est suffisamment biodégra-dable et aéré et que les pertes thermiques sont   réduites (§ 3.3.1.3),à une élévation de la température qui peut atteindre 70

     

    C, voiredavantage. Pour de nombreux déchets de biomasse, on enregistreune dégradation d’environ 30 à 40 % de la masse qui s’accom-

    pagne d’une réduction d’environ 50 % du volume. La durée decette première étape varie de quelques jours à quelques semainesen fonction de la nature du déchet, des conditions opératoires(aération, etc.) et de contraintes diverses (dimensionnement del’installation, objectifs fixés…).

    À  l’ issue de cette étape, le déchet est beaucoup moins bioévolutif qu’avant traitement puisque sa fraction la plus biodégradable a étééliminée, et, en outre, les cellules indésirables  (micro-organismespathogènes, graines végétales) ont pu être détruites par effet ther-mique si la température a dépassé 60

     

    C pendant au moins 5 à24 heures. On obtient donc un déchet relativement st abilisé pou-vant être stocké ou val orisé dans des conditions plus acceptablesque le déchet de départ. Cependant, si l’objectif de productiond’un amendement organique (compost, voir § 3.5) est poursuivi, ilest nécessaire de modifier les caractéristiques de la matière orga-nique résiduelle pour lui conférer des propriétés proches de cellesde la matière humique. C’est l’objectif de la  seconde é tape  du trai-

    tement (figure 1). Celle-ci ne s’accompagne que d’une faible dégra-dation de matière et, de ce fait, les besoins en oxygène sont faibles(moins de 0,1 m3 d’air par minute et par tonne de matière sèche) etl’échauffement limité. La température en cours de maturation estdonc de l’ordre de 20 à 30

     

    C.

    Selon l’origine et la nature du déchet, des pré- et posttraitementspeuvent être nécessaires. C’est le cas des opérations d’affinagepour la préparation du produit maturé en vue de sa commercialisa-tion. Ces traitements visent principalement à éliminer par tri densi-métrique et/ou granulométrique les fracti ons grossières et les élé-ments indésirables tels que les cailloux mais aussi les métaux, lesmorceaux de verre et les matériaux plastiques.

    3.2 Aspects microbiologiques

    Le compostage se caractérise par la grande diversité des micro-organismes impliqués, constitués à la fois de bactéries (dont desactinomycètes) aérobies stri ctes et facultatives et de champignons(notamment des moisissures). Dans l’immense majorité des caspour les déchets de biomasse, les micro-organismes nécessaires àla biodégradation sont déjà présents dans le déchet lui-même et iln’est donc pas nécessaire d’envisager une inoculation par desmicro-organismes exogènes. Cependant, pour accélérer le démar-rage de la biodégradation en réduisant le temps de latence éven-tuellement nécessaire à l’adaptation des micro-or ganismes indigè-nes aux conditions opératoires du traitement, il peut être utiled’incorporer au déchet à traiter une certaine quantité (souvent 5 à10 % de la masse entrante) de compost mu ˆ r ou de matière orga-nique ayant déjà subi la première étape de fermentation chaudeafin de doper le déchet en biomasse active.

    Contrairement au cas de la digestion anaérobie, la connaissancedes aspects microbiologiques ou biochimiques du traitement nesont pas indispensables à une bonne maı ˆ trise du compostage. La

    plupart des micro-organismes impliqués sont en effet robustes etne s’organisent pas en une chaı̂ne trophique relativement fragilecomme c’est le cas en anaérobiose (voir § 4.1).

    Durant la première étape dite de « fermentation chaude », onassiste à une modification progressive de la population micro-bienne qui s’adapte à l’évolution des conditions de milieu. Ainsi,l’évolution de la température conduit au développement d’unepopulation de micro-organismes thermophiles dominants si la tem-pérature atteint puis dépasse 45

     

    C. Au début du traitement, lesbactéries mésophiles puis thermophiles sont prédominantes pourla dégradation des composés facilement biodégradables du déchet.Puis, lorsque ces composés ont été consommés et que l’élévation

    de température a éventuellement entraı ˆ né un certain assèchementdu déchet, les moisissur es et les actinomycètes deviennent prépon-dérants. Le développement de certains champignons peut éven-tuellement présenter des risques sanitaires, notamment pour lestravailleurs directement exposés, lors de la production ou de lamanutention du compost, aux spores fongiques ou bactériennesqui peuvent être véhiculées localement par envol de poussières

    lors de la manutention ou de l’aération du déchet ou ducompost [7] [8].

    3.3 Parame ` tres importants et miseen œuvre du compostage

    Les paramètres du compostage sont ceux pouvant influencerl’activité microbienne [9]. On peut distinguer deux catégories deparamètres, à savoir les paramètres de conduite du procédé et lesparamètres caractéristiques du déchet.

    Les   parame ` tres de conduite du procé dé   sont ceux qui, pour uncas de figure donné (un déchet donné dans une configuration don-née traité dans une installation donnée), permettent de contrôler oude suivre l’avancement du processus. Il s’agit essentiellement del’aé ration, de la   tempé rature et de la  teneur en eau. Ces trois para-mètres sont interdépendants, c’est-à-dire qu’il n’est pas possible de

    contrôler l’un d’entre eux sans affecter plus ou moins significative-ment au moins l’un des deux autres.

    Les   parame ` tres caracté ristiques du dé chet   à traiter ne peuvent,en revanche, pas être modifiés en cours de traitement et ne permet-tent donc pas de piloter le procédé. Il s’agit notamment de la   bio-dé gradabilité  et de la granulomé trie du dé chet, de son pH  et de sonrapport C/N/P (ratios des masses de carbone, azote et phosphoredans le déchet).

    3.3.1 Parame ` tres de conduite et techniquesde mise en œuvre

    3.3.1.1 Teneur en dioxyge ` ne

    Le contrôle des paramètres de conduite est surtout importantpour l’étape de fermentation chaude du compostage. Cette étapereposant sur des réactions de biodégradation aérobie, la teneur enoxygène est le premier paramètre à contrôler. Dans le cas dedéchets or ganiques solides ou boueux concernés par cet article, leprocessus de biodégradation consiste en la dégradation micro-bienne d’un matériau granulaire poreux. Les   micro-organismesdégradent les grains de déchet à partir de leurs surfaces externessur lesquelles ils se fixent (figure 2). Ces surfaces sont recouvertesd’une pellicule d’eau liée, plus ou moins épaisse et plus ou moinscontinue (en fonction de la teneur en eau du déchet), indispensableà l’activité microbienne. Les micro-organismes dégradant lamatière organique des grains solides du déchet utili sent l’oxygène

    CO2 + H2O

    O2

    Espace lacunaire parcouruspace lacunaire parcourud’un flux’un ux gazeux (aérationux (aération)Espace lacunaire parcourud’un flux gazeux (aération)

    Grain de déchet

    Eau liée

    Cellulemicrobienne

    Figure 2 – Repré sentation sché matique des processusde biodé gradation aé robie d’un dé chet organique granulaire lorsdu compostage

    ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––   TRAITEMENT BIOLOGIQUE DES DÉ CHETS

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    présent dans la phase gazeuse des espaces libres existants entreles grains (pores) et libèrent leurs produits de respiration(CO2   + H2O). Il est nécessaire que la teneur en O2   dans la phasegazeuse des pores soit au moins égale à 5 % volume/volume pourque les métabolismes de biodégradation aérobies se déroulent cor-rectement. L’activité microbienne tend à appauvrir la phase gazeuseen oxygène d’autant plus rapidement que le déchet est facilement

    biodégradable. Il est donc nécessaire, pour maintenir une activitémicrobienne aérobie optimale, de réoxygéner le déchet en l’aérant.

    3.3.1.2 Techniques d’aé ration

    Le renouvellement de l’oxygène au sein de la masse du déchetpeut s’effectuer sans intervention extérieure par convection natu-relle accentuée sous l’effet de dégagement de chaleur (évacuationde l’air chaud créant un appel d’air). Cependant, cette approche decompostage en tas ou en andains n’est envisageable que dans lescas où  le déchet est suffisamment poreux pour faciliter la circula-tion de l’air (porosité supérieure ou égale à 0,5 avec des pores inter-granulaires de l’ordre du centimètre au moins) et r elativement peubiodégradable pour que la consommation d’oxygène soit faible(inférieure à 0,1 m3 par minute et par t onne de matière sèche).

    Dans la plupart des cas pour les déchets de biomasse, il estnécessaire d’aérer le déchet par intervention extérieure. On peutprocéder :

    – soit par retournement(s) mécanique(s) périodique(s) ou continudu déchet ;

    – soit par aération forcée par aspiration ou insufflation d’air à tra-vers le déchet ;

    – soit par la combinaison des deux opérations.

    Dans le premier cas, la fréquence des  retournements  dépend dela biodégradabilité du déchet et de l’avancement du traitement.Pour un déchet bien biodégradable (déchets de cuisine, déjectionsanimales, etc.), un retournement quotidien, voire continu, peut êtrenécessaire pendant les premiers jours, puis l’intervalle de tempsentre deux retournements s’accroı ˆ t à mesure que la biodégradationavance et que les besoins en oxygène diminuent. Le retournementfavorise l’homogénéisation de la phase gazeuse, de la matière et dela température.

    Dans le cas de l’aé ration forcé e, le déchet est disposé sous formede tas ou d’andains soit sur une couche drainante, soit sur une

    base constituée de grilles permettant de forcer la circulation d’airpar aspiration ou insufflation à la base du tas ou de l’andain(figure 3).

    L’aspiration est recommandée en début de compostage pour lesdéchets susceptibles d’occasionner des nuisances olfactives, carelle permet de canaliser l’air et ainsi de le traiter si nécessaire (parexemple à l’aide d’un lit de compost mu ˆ r jouant le rôle de biofiltre,figure 3). Cependant, la circulation descendante de l’air aspiré tendà induire un compactage progressif de la masse de déchet suscep-tible d’occasionner la formation de chemins préférentiels à la circu-lation de l’air. Il est donc utile d’inverser le sens de circulation del’air au bout de quelques jours pour éviter ce phénomène. Leretournement périodique permet également de casser les cheminspréférentiels et d’assurer ainsi l’aération de l’ensemble de la

    matière. Le débit d’aération dépend à la fois de la biodégradabilitédu déchet et de l’état d’avancement de la biodégradation. Le suivide la température permet une bonne évaluation des besoins enoxygène car l’augmentation de température est liée à l’activitémicrobienne aérobie  qui a besoin d’un apport d’oxygène. On peutdonc réguler l’aération en fonction de l’évolution de la tempéra-ture, notamment dans les procédés à aération forcée. On augmente

    ainsi le débit d’air si la température tend à croı̂tre, et on  le baisse sila température tend à diminuer, en tenant compte toutefois del’inertie t hermique du système. En phase thermophile (températu-res supérieures à 45

     

    C), les débits d’aération recommandés sontde l’ordre de 1 m3 d’air par minute et par tonne de matièresèche [9]. Lorsque la température tend à décroı ˆtre de manière régu-lière, il faut réduire progressi vement le débit d’aération.

    Citons également les procédés de compostage en tube rotatif mis en œuvre en particulier pour le traitement des ordures ména-gères. La rotation continue du tube permet la fragmentation méca-nique des particules solides (temps de séjour de quelques jours)favorisant ainsi la biodégradation de la matière organique. Le confi-nement du déchet facilite le maintien de l’humidité et l’augmenta-tion de la température.

    3.3.1.3 Tempé rature

    La température du déchet traduit l’équilibre thermique qui secrée entre, d’une part, la production de chaleur due essentiellementà la biodégradation aérobie de la matière organique du dé chet et,d’autre part, l’ensemble des pertes thermiques. Ces pertes sontliées aux phénomènes de conduction (refroidissement de la massede déchet par dissipation de chaleur vers l’extérieur), de convection(entraı ˆnement d’air chaud par circulation liée à l’aération du déchet)et d’assèchement (l’évaporation de l’eau est un phénomène trèsendothermique).

    L’élévation de la température est souhaitée au cours de l’étape de« fermentation » chaude pour deux raisons.

    D’une part, les   vitesses de biodé gradation augmentent   demanière très significative avec la température. On considère sou-vent qu’une augmentation de 10

     

    C entraı ˆne le doublement de cesvitesses. Une température élevée permet donc d’accélérer considé-rablement le traitement biologique, avec toutes les conséquencespositives que cela entraı ˆne (pour un objectif de traitement donné,réduction de la durée du traitement permettant un dimensionne-ment plus modeste des réacteurs ou des plates-formes de compos-tage, qui entraı ˆne   des gains d’espace et/ou d’investissementimportants).

    D’autre part, l’élévation de température répond également àl’objectif  «  d’hygié nisation » du déchet visant à détruire les organis-mes indésirables éventuell ement initialement présents, tels que lesgermes pathogènes (déchets d’origine animale notamment) ou lesgraines végétales. Cet effet sanitaire est atteint si la températuredépasse 60

     

    C pendant au moins quelques heures (une journéeest souhaitable). Cependant, des températures trop élevées (supé-rieures à 80

     

    C) conduisent à un assèchement trop rapide dudéchet, modifient la population microbienne et donc l’ évolutionultérieure du déchet, et augmentent les risques de réactions chimi-ques non souhaitées pouvant conduire à la formation de produitsindésirables. Dans la plupart des cas, on cherche donc à favoriser

    l’élévation de la température sans toutef ois dépasser 75 à 80 

    C.Favoriser l’élévation de la température est possible en réduisant

    les pertes thermiques et en stimulant l’activité microbienne oxyda-tive aérobie. La réduction des pertes par conduction conditionne ledimensionnement des tas ou des andains (figure  3). On cherche àtravailler avec un faible rapport surface/volume puisque la dissipa-tion de chaleur a l ieu à la surface du tas.

    Typiquement, les tas ont une hauteur de 2 à 3 m sur une basede 3 à 5 m. Les andains sont des tas dont la longueur peutatteindre plusieurs centaines de mètres.

    Air

    Déchet solide

    granulaire

    Base drainante

    Couverture d’isolation

    (paille, compost…)

    Couverturelatéraleétanche

    Lit de compost mûrpour désodorisation

    Figure 3 – Repré sentation sché matique d’un dispositifde compostage en tas

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    En outre, il est possible de disposer à la surface du tas ou de

    l’andain une couverture isolante (généralement constituée de

    paille, de copeaux de bois, et/ou de compost mu ˆ r) dont le double

    objectif est la réduction de l’assèchement et des   pertes thermiques

    par conduction (figure  3). La réduction des autres types de pertes

    thermiques (par convection et assèchement) est plus probléma-tique car elle est en partie contradictoire avec   la recherche des

    conditions optimales pour l’activité microbienne aérobie. En effet,réduire les pertes par convection (entraı ˆ nement) revient à réduire

    l’aération et limite donc l’activité aérobie ; réduire les   pertes par

    assèchement peut conduire à limiter la teneur en eau et ainsi per-turber l’activité microbienne (voir ci-après). On comprend donc

    que les paramètres de conduite du procédé (aération, température,

    et teneur en eau) sont interdépendants et qu’il convient de recher-

    cher le meilleur compromis permettant d’optimiser le   traitement.

    C’est dans cette maı ˆ trise que réside une partie du savoir-faire dessociétés spécialisées dans le compostage. Généralement, la   tem-pé rature   est considérée comme le  parame ` tre de suivi  de l’avance-ment du traitement. Dans le cas d’un procédé utilisant une aéra-

    tion forcée, le débit d’air peut être conditionné par l’évolution de

    température (voir ci-dessus).

    3.3.1.4 Teneur en eau

    L’eau est indispensable à la vie telle que nous la connaissons, età ce titre une teneur en eau minimale de l’ordre de 50 % du poidsbrut est indispensable pour que le déchet à traiter puisse être lesiège d’une bonne activité microbienne. Cependant, un déchettrop humide devient difficile à aérer car sa porosité à l’air diminue(les pores intergranulaires se remplissent d’eau). La  teneur en eauoptimale dé pend de la nature du dé chet considé ré . Elle est généra-lement comprise entre 60 et 80 % du poids brut pour la plupart desdéchets de biomasse.

    Le   compostage d’un dé chet tre ` s humide   (teneur en eau supé-rieure à 80 %) impose l’apport d’un matériau visant d’une part àréduire la fraction en eau li bre (rôle « d’éponge ») et d’autre part àconférer au mélange une structure granulaire macroporeuse per-mettant de faciliter l’aération. Ce matériau est généralement quali-fié d’agent structurant   (granulométrie de 2 à 10 cm en général). Ils’agit souvent de copeaux et/ou de sciure de bois, de paille ou derafles de maı ¨s broyées grossièrement. Il faut alors prévoir une pre-

    mière étape de mélange en malaxeur de l’agent structurant et dudéchet en amont de l’étape biologique de « fermentation » chaude,puis une étape de criblage intervenant avant ou après l’étape dematuration afin de séparer l’agent structurant du compost. L’agentstructurant est alors recyclé en tête de procédé pour être à nouveaumélangé au déchet. Cette pratique présente l’avantage de permet-tre l’inoculation du déchet par les micro-organismes associés àl’agent structurant.

    L’activité microbienne aérobie conduit à la libération d’eau (pro-duit de la respiration aérobie des micro-organismes), mais l’éléva-tion de la température et l’aération au cours de l’étape de « f ermen-tation » chaude conduisent à un assèchement pouvant êtreimportant. Il convient donc de contrôler périodiquement l’humiditédu déchet en cours de traitement, et si nécessaire de procéder àdes ajouts d’eau pour maintenir l’humidité à son niveau jugéoptimal.

    3.3.2 Parame ` tres caracté ristiques du dé chet

    La nature et les caractéristiques du déchet ont bien évidemmentune influence sur la faisabilité du traitement et sur la définition desconditions opératoires. Il s’agit notamment de sa biodégradabilitéet de sa  granulomé trie, de son  pH  et de son   rapport C/N/P.

    & La   biodé gradabilité   du déchet conditionne directement l’activitémicrobienne et a donc un effet direct sur l’évolution de la tempéra-ture et sur les besoins en oxygène. Ce paramètre est lié à la struc-ture des molécules constituant la matière organique du déchet quiconditionne sa  biodé gradabilité   intrinse ` que   (biodégradabilité liée à

    la nature des molécules organiques). Pour les déchets de biomasse,la biodégradabilité intrinsèque augmente avec la teneur en sucreslibres et en hémicellulose ou amidon, et diminue avec la teneur encellulose et en lignine. Les déchets d’industries agroalimentaires,les déchets d’élevage et les déchets de cuisine sont ainsi générale-ment plus biodégradables que les déchets végétaux ligno-cellulosi-ques (broussailles, bois).

    & La   granulomé trie   conditionne l’accessibilité   de la matière auxmicro-organismes. Les micro-organismes effectuant la biodégrada-tion à partir de la surface des particules constituant le déchet(figure   2), l’augmentation de la surface spécifique du déchet parréduction de sa granulométrie améliore l’accessibilité de sesconstituants aux micro-organismes et favorise donc sa biodégrada-tion. Il est donc recommandé d’opérer le compostage avec undéchet dont la taille maximale des particules ne dépasse pas10 cm environ, ce qui peut contraindre à un broyage initial de cer-tains déchets (cas notamment de nombreux déchets verts). Cepen-dant, une granulométrie trop fine augmente la compacité du déchetet rend l’aération forcée plus difficile. On travaille donc générale-ment sur des déchets de granulométrie comprise entre 2 et 10 cmenviron.

    & Le pH  optimal pour l ’activité de la plupart des micro-organismesest aux alentours de la neutralité, ce qui est généralement le cas

    pour les déchets de biomasse. En cours de compostage, on enre-gistre en général une baisse du pH durant les premiers jours li éenotamment à la forte production de CO2 et de certains acides orga-niques, suivie d’une remontée progressive par suite de la libérationd’azote protéique, de la consommation des acides initialement libé-rés et de la plus faible production de CO2.

    & Le   rapport massique C/N/P   de la fraction biodégradable dudéchet est un paramètre important caractérisant la « valeur nutri-tive » du déchet. Les micro-organismes hétérotrophes consommentgrossièrement 20 à 30 fois plus de carbone que d’azote et environ100 fois plus de carbone de phosphore. Le rapport C/N/P optimalest donc de l’ordre de 100/(4 à 5)/1. Il s’agit cependant d’un ordrede grandeur indicatif, car la disponibilité réelle des sources de C,N et P dans le déchet devrait en toute rigueur être prise en compte.L’ajout d’un cosubstrat organique au déchet à traiter peut permettred’équilibrer les sources de carbone et d’azote assimilables par les

    micro-organismes. C’est le cas par exemple des déchets verts,riches en carbone organique mais pauvres en azote pour lesquelsl’ajout d’un co-substrat riche en azote et phosphore (par exempleboues de station d’épuration ou déchets d’origine animale) permet-tra l’obtention du rapport C/N/P optimal.

    3.4 Quelques exemples de compostagede dé chets

    3.4.1 Compostage de dé chets verts

    Les dé chets verts  correspondent aux déchets végétaux telsque les branches, broussailles, tontes de gazon, entretiensde massifs, feuilles, copeaux, souches et billes de bois

    issus des particuliers, des activités municipales ou bienprofessionnelles.

    La collecte des déchets est souvent multiple : apport volontairedans les déchetteries ou collecte par la commune ou une sociétéprivée.

    Le compostage de déchets verts fait généralement appel à destechniques relativement simples de compostage, tel que le procédéVégéterre développé par l’ADEME : fermentation chaude avecretournement, aération passive et humidification [10].

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    Exemple  : La plate-forme de compostage située sur la communede Décines (Rhône) est une installation de compostage de dé chetsverts, exploitée par la société  Multi-Service-Environnement. Le pro-cédé  VégécompostTM, proche du procédé  Végéterre, permet de trai-ter annuellement 24 000 tonnes de déchets verts générant 8 500 ton-nes de compost, 15 tonnes de matériaux inertes, 120 tonnes deplastiques, 5 tonnes de métaux et matériaux divers. Après broyage

    et criblage, les souches sont valorisées énergétiquement en tantque bois de chaufferie. Le procédé  décrit dans la figure   4   met enœuvre une étape de déchargement des camions et tri sélectifmanuel permettant d’éviter la présence d’impuretés dans le compost(élimination des indésirables, souches, métaux et cailloux). Ensuiteles déchets ligneux tels que les résidus de taille et branches sontmélangés avec les déchets verts plus fermentescibles et plus richesen azote tels que les résidus de tontes et les feuilles. Ce mélangepermet de garantir un rapport C/N optimal de l’ordre de 30. Cetteétape de mélange des déchets verts est suivie par l’étape de broyagemécanique ayant pour effet l’homogénéisation et la réduction duvolume de la matière, l’augmentation des surfaces d’échange etd’activité  pour les micro-organismes, et la réduction des cheminspréférentiels de circulation de l’air dans la matière. Les déchetsbroyés sont ensuite mis en andains (170 m de longueur et 3 m dehauteur maxi) pour effectuer la fermentation chaude pendant3,5 mois, avec aération passive par convection naturelle de l’air (aéra-tion forcée prévue courant 2009), arrosage par  sprinkler , et 5 retour-

    nements (soit 6 andains de fermentation chaude). Le bon déroule-ment du traitement est vérifié   par la mesure de la température,unique paramètre de suivi. La phase de maturation, effectuée endeux étapes et sans arrosage, est au minimum de 1 mois avant cri-blage et 1 mois au minimum après criblage du compost. Le criblagesur plusieurs mailles au choix permet d’obtenir plusieurs granulomé-tries de compost (0-12 mm, 0-20 mm, 0-30 mm, et 0-70 mm). Lerefus de criblage est recyclé  en tête de procédé  en tant qu’agentstructurant ayant également pour effet l’ensemencement de lamatière fraı̂che à  traiter.

    La fiche technique des plates-formes de compostage des déchetsverts en France est résumée dans le tableau 2.

    3.4.2 Cocompostage de boues d’é purationet de dé chets verts

    Les boues issues des stations d’épuration des eaux usées sonttypiquement des déchets organiques dont le compostage nécessitel’apport d’un coproduit ou cosubstrat organique permettant degarantir les conditions physico-chimiques optimales : porosité suf-fisante pour assurer l’aération de l’ensemble de la matière etbalance C/N. Sachant que les boues sont généralement riches enazote, l’incorporation de déchets végétaux d’origine agricole (rési-dus de culture, broussailles, etc.) permet d’une part d’augmenterle volume du compartiment gazeux et de faciliter l’apport d’oxy-gène (rô le d’agent structurant) et, d’autre part, un enrichissementen carbone organique.

    Exemple : la plate-forme de compostage de la société Leledy Com-post SAS, localisée sur la commune de Allériot (Saône-et-Loire), pro-duit du compost à partir d’un mélange de déchets verts d’origine agri-cole riches en fractions ligneuses (résidus de culture, branches,broussailles, etc.), de déchets d’origine animale (fumiers, fientes,etc.) et de boues de stations d’épuration d’eaux usées (figure  5 ). Lecocompostage de ce mélange permet d’optimiser le rapport carbone/ azote nécessaire à une bonne activité  microbienne [11]. Après récep-tion, sur la plate-forme, les déchets agricoles et les boues sont broyés,mélangés puis stockés pendant une semaine sous la forme d’andainsextérieurs (démarrage de la fermentation chaude, 45-70

     

    C). La fer-mentation chaude est poursuivie en silos-couloirs couverts sous aéra-tion forcée par aspiration pendant 2 à 4 semaines. L’aération est égale-ment optimisée par le brassage fréquent de la matière avec un

    brasseur vertical se déplaçant sur la longueur des 10 silos-couloirs.Avant rejet dans l’atmosphère, l’air aspiré  à   travers les déchets esttraité dans un biofiltre laveur. Suite à   la phase de maturation, le com-post frais est ensuite criblé  à   20 mm afin de séparer les élémentsgrossiers des éléments fins destinés à   la maturation. Les élémentsgrossiers sont réutilisés comme agent structurant en tête de la fer-mentation chaude. La maturation (10-45

     

    C) des éléments fins est réa-lisée en andains extérieurs sur une période comprise entre 1 et2 mois. Les lixiviats issus des silos-couloirs et de la plate-forme exté-rieure de maturation sont collectés par voie gravitaire et recueillis dansune lagune aérée. Le compost mûr est ensuite commercialisé sous lenom de « Phertyl », conforme à la norme NF U44-095 (2002).

    CO2 + H2O

    Refus(plastiques, métaux,cailloux, souches, etc.)

    CO2 + H2O

    CO2 + H2O

    Broyage

    Fermentation chaude(3,5 mois)

    Affinagecrible rotatif (mailles)

    Compost

    Tri manuel

    Maturation 1(> 1 mois)

    Déchetsverts

    Maturation 2(> 1 mois)

    Figure 4 – Diagramme synoptique du procé dé   Vé gé compostde compostage de dé chets verts dé veloppé  par la socié té   M.S.E.sur le site de Dé cines (Rho ˆ ne)

    Tableau 2 – Fiche technique gé né rale sur le compostagede dé chets verts

    Type de dé chets concerné s   Déchets végétaux, uniquement

    Capacité – De 5 000 à 25 000 t/an– Moyenne française : 10 000 t/anpar plate-forme

    Duré eDe 3 à 9 mois selon les conditionsd’aération + retournement et selonla saison

    Caracté ristiques

      Traitement de compostage extérieur

    simple et peu cou ˆ teux

    Dimension de la plate-forme   De 1 000 à 2 000 m2 pour 1 000 t/an

    Limitation

    – Durée– Surface nécessaire au traitement– Gestion des odeurs (cocompos-tage avec déchets alimentaires dé-conseillé)

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    La fiche technique sur le cocompostage des déchets verts et desboues de station d’épuration est donnée dans le tableau 3.

    3.4.3 Compostage des biodé chets

    Les   biodé chets   comprennent les déchets alimentaires, lesdéchets verts des ménages ou déchets de jardin, les papiers-car-tons, les déchets organiques issus des activités de restauration,cantines et supermarchés et collectés séparément.

    Le développement des plates-formes de compostage à partir debiodéchets r épond à la fois à l’objectif de production de compostde qualité et au souci d’une meilleure traçabilité des matières utili-sées en production agricole.

    Les installations de compostage de biodéchets sont générale-ment de taille réduite et traitent en moyenne environ 7 0 00 tonnesde matière humide par an. Leur conception varie suivant la typolo-gie des biodéchets collectés et traités :

    – cas 1 : déchets alimentaires uniquement ;– cas 2 : déchets alimentaires et de jardin ;– cas 3 : déchets alimentaires, de jardin et papiers-cartons ;– cas 4 : déchets de jardin uniquement.

    La majorité des installations de compostage de biodéchets existan-tes sont à l’origine des plates-formes de compostage de déchets verts.

    Les procédés mis en œuvre sont classés selon le mode de fer-

    mentation chaude mis en œuvre, la maturation étant généralementeffectuée en tas ou andains sur plate-forme de maturation :

    – les procédés statiques en tas, andains, silos-couloirs ou boxfermé, sans brassage mécanique régulier de la matière, avec ousans aération forcée ;

    – les procédés semi-statiques sur les mêmes configurations queprécédemment, mais avec un brassage mécanique hebdomadaire,avec ou sans aération forcée ;

    –   les procédés dyna miques avec tube rotatif réalisant la premièreétape du compostage (fermentation chaude) sur une courte durée del’ordre de 2 à 4 jours, avec aé ration forcée par ventilation du tube.

    La configuration la plus courante sur les sites français est le pro-cédé de compostage en condition semi-statique, c’est-à-dire avecretournement : compostage simple mais lent du type Végéterre [10]développé pour les déchets verts, mais utilisable également pourun mélange de biodéchets issus des déchets ménagers et dedéchets verts collectés dans les déchetteries.

    Les procédés avec aération forcée tendent à se développer car ilsprésentent le double i ntérêt d’une meilleure gestion des nuisancesolfactives et des gaz à effet de serre (par exemple, fermentationchaude en box fermé avec aération par insufflation ou aspiration,et traitement des odeurs sur biofiltres) et, d’autre part, la réductionde l’espace nécessaire au traitement (installation plus compacteavec temps de séjour plus court).

    Exemple   : le site de Riencourt-les-Bapaume   est une usine enmilieu rural de compostage de déchets verts provenant de déchette-ries et de biodéchets issus du tri sélectif à  la source des déchets decuisine (dont viandes et poissons), déchets de jardin et papiers-car-tons. En activité  depuis 1998 et gérée par le SIVOM de Bapaume, laplate-forme traite, selon le procédé   Siloda (tableau   4), environ6 000 tonnes de déchets par an, dont 5 000 tonnes de biodéchetspour une capacité  optimale de 7 000 tonnes par an. Réceptionnés,les déchets sont criblés sur un trommel puis stockés dans une cellule

    de stockage temporaire de 12 m3

    avant d’être   acheminés vers unhangar couvert de 3 000 m2 pour la fermentation chaude : lesdéchets sont placés dans une première travée de 37 m de longueuret 4 m de largeur. L’aération des déchets est effectuée par la base parune grille d’aération alimentée en air par un ventilateur dont le fonc-tionnement est asservi à  la mesure de la température dans le tas :une augmentation de la température déclenche la mise en route dela ventilation. Après une semaine de séjour dans la première travée,une roue pelleteuse se déplace sur toute la longueur permettant l’ar-rosage des déchets et leur transfert dans la seconde travée. Ainsi,les déchets séjournent 1 semaine dans les 4 travées que constituela zone couverte de fermentation chaude.

    Tableau 3 – Fiche technique sur le cocompostage

    de dé chets verts et de boues de station d’é puration

    Type de dé chets concerné s  Déchets végétaux et boues de sta-

    tion d’épuration

    Capacité    De 5 000 à 20 000 t/an

    Duré e  De 3 à 4 mois selon les conditions

    d’aération et selon la saison

    Caracté ristiques

    – Fermentation chaude en silos-couloirs couverts, avec aération for-cée et contrôlée + dispositif  debrassage de la matière– Maturation sur plate-forme exté-rieure

    Dimension de la plate-forme   De 1 000 à 2 000 m2 pour 1 000 t/an

    Limitation   – Durée– Surface nécessaire au traitement– Nécessité du traitement desémissions gazeuses pour éviter lesproblèmes d’odeurs– Qualité environnementale (pol-luants traces) et sanitaire du compost

    CO2 + H2O

    Déchetsverts

    CO2 + H2O

    CO2 + H2O

    Brassage

    Fermentation chaude 1Andains (1 sem.)

    crible rotatif (20 mm)

    Compost

    Broyage

    Fermentation chaude 2Silos-couloirs (2 à 4 sem.)

    Bouesd’épuration

    Maturation 2Andains (1 à 2 mois)

    Affinage

    Figure 5 – Diagramme synoptique du procé dé  de cocompostagede boues d’é puration et de dé chets verts dé veloppé   par LeledyCompost SAS a `   Allé riot (Sao ˆ ne-et-Loire)

    –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––   TRAITEMENT BIOLOGIQUE DES DÉ CHETS

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    À l’issue de cette première étape de fermentation chaude, le pro-duit ainsi obtenu est affiné   par tri magnétique (déferraillage) suivid’un crible rotatif de maille 20 mm permettant d’éliminer les é lé-ments grossiers et les fractions indésirables susceptibles d’êtreencore présentes dans la matière. Enfin, la maturation est réaliséesous la forme d’andains disposés sur la plate-forme de maturation àl’air libre pendant 3 mois environ conduisant à  la production annuellede 2 500 tonnes de compost. Le compost obtenu répond aux critèresdéfinis par la norme NF XU44-051 (2005) et aux exigences en termesde qualité   et traçabilité   du cahier des charges QUALORG (pro-gramme européen pour la qualité de la valorisation organique des bio-déchets) développé  par l’ADEME [12].

    3.4.4 Tri-compostage des dé chets mé nagerset assimilé s

    Le  tri-compostage   consiste à mettre en œuvre des opérationsmécaniques et biologiques en vue de la valorisation matièred’une partie des ordures ménagères traitées [13]. La composi-tion hétérogène des ordures et la présence de nombreux élé-ments indésirables (plastiques, piles, cailloux et autres inertes,morceaux de verre) pouvant nuire à la mise en œuvre du traite-ment biologique et la préparation d’un compost valorisableimpliquent la mise en œuvre d’opérations de tri sélectifs.

    Les opérations de tri mécanique les plus courantes sont :

    – les tris granulométriques sur cribleurs rotatifs ou grillesplanes ;

    – les tri s par rebond ou adhérence sur tapis sélectionneurs ;– les tris densimétriques sur tables densimétriques ;– les tris métalliques (overband   pour métaux f erreux et courant

    de Foucault pour aluminium).

    Selon le pr océdé mis en œuvre, ces opérations de tri mécaniquesont effectuées soit en amont, soit en aval des opérations biologi-ques, soi t les deux. Les opérations biologiques comprennent géné-ralement une étape de fermentation chaude, réalisée sous la formed’andains, de silos-couloirs ou bien en tube rotatif, et une étape dematuration.

    La valorisation agricole des produits en tant qu’amendementorganique reste souvent problématique principalement en raisondes piètres performances des opérations de tri, mises en évidenced’une part par la présence d’éléments solides indésirables et, d’au-tre part, par les fortes teneurs en éléments traces métalliques.Cependant, le développement des opérations de tri à la source decertaines fractions telles que les plastiques, les piles et le verreainsi que l’optimisation des opérations mécaniques de tri séparatif peuvent permettre d’obtenir un compost de qualité.

    3.4.4.1 Exemple de tri-compostage : usine de compostagede Launay-Lantic

    L’usine de tri-compostage de Launay Lantic à Étables-sur-mer(Côtes d’Armor), gérée par le SMITOM (Syndicat mixte de traite-ment des ordures ménagères) est exploitée par Veolia (tableau   5).Les déchets traités annuellement sont principalement des orduresménagères résiduelles (13 000 tonnes par an) issues de la collectesélective par apport volontaire des fractions solides valorisables(telles que le verre, papiers-cartons, flacons plastiques) et desdéchets organiques (5 000 tonnes par an) issus de l’i ndustrie agro-alimentaire. Le traitement des déchets est réalisé en quatre étapes :la réception dans une fosse de stockage temporaire, le traitementbiomécanique dans deux tubes rotatifs en parallèle, les opérationsd’affinage de la matière sortant du tube ( tris séparatifs) en vue de lapréparation de la matière pour la dernière étape de maturation. Lesynoptique de l’installation est présenté dans la figure 6.

    Aucune opération de tri n’est réalisée en amont : le mélange dedéchets est directement chargé dans les deux tubes rotatifs de 24 mde longueur et de 3,60 m de diamètre, avec aération contrôlée etvitesse de rotation de 1 tour par minute. Le temps de séjour estcompris entre 3 et 4 jours, suivant la saison et le flux de matière àtraiter. Couplé à l’aération contrôlée, le brassage mécanique vafavoriser la réduction de taille des particules solides et la biodégra-dation de la matière organique. À   la sortie du tube rotatif, lamatière est acheminée vers la zone d’affinage comprenant toutd’abord une phase de criblage sur crible rotatif de mailles de30 mm permettant d’écarter une majorité des éléments grossiers

    Tableau 4 – Fiche technique sur le compostage de bio-

    dé chets – installation de Bapaume, procé dé   Siloda

    Type de dé chets concerné sDéchets alimentaires + déchets vertsissus de la collecte à la source desbiodéchets

    Capacité    de 6 000 à 20 000 t/an

    Duré e  4 semaines de fermentation chaude

    et 3 mois de maturation

    Caracté ristiques

    – Fermentation chaude en silos-couloirs en bâtiment fermé, avecaération forcée et contrôlée + dispo-sitif de brassage de la matière– Maturation sur plate-forme exté-rieure

    Dimension de la plate-forme   500 m2 pour 1 000 t/an

    Limitation

    – Maintenance du matériel– Cou ˆ t

    – Peu évolutif – Nécessité du traitement desodeurs– Qualit é environnementale (pol-luants traces) et sanitaire du compost

    Tableau 5 – Fiche technique sur le tri-compostage

    d’ordures mé nage ` res – Usine de Lantic

    Type de dé chets concerné sOrdures ménagères résiduelles is-sues de l a collecte sélective après trià la source

    Capacité    de 10 000 à 30 000 t/an

    Duré e  De 2 à 4 jours dans un tube rotatif et

    3 mois minimum de maturation

    Caracté ristiques

    – Fermentation chaude en tube ro-tatif, avec aération forcée et bras-sage de la matière– Maturation sur plate-forme exté-rieure couverte

    Limitation

    – 50 % de refus à stocker en centrede stockage– coût et maintenance des disposi-tifs de tri (arrêts techniques possi-bles)

    – Qualité environnementale (pol-luants traces) et sanitaire du com-post– Nécessité du traitement desodeurs– Débouchés du compost à l’échellelocale

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    indésirables, suivie d’un tri magnétique des métaux ferreux. Lamatière subit ensuite une opération de tri balistique sur doublestapis sélectionneurs permettant d’écarter, par rebond/adhérence,les petits objets denses indésirables tels que les bouchons plasti-ques, les morceaux de verre, etc. La dernière étape de l’affinageest un criblage fin sur crible vibrant à mailles carrées de 10 mm per-mettant de séparer les petits éléments solides indésirables de lamatière organique. L’affinat ainsi généré est finalement maturésous hangar pendant au moins trois mois, seul ou en mélangeavec d’autres déchets organiques tels que algues vertes et déchetsverts.

    Ainsi, 30 % de la matière entrante est transformée en compost,20 % de la matière est biodégradée et les 50 % de refus sont stoc-

    kés dans le centre de stockage de déchets ultimes   situé sur lemême site.

    3.4.4.2 Exemple de tri-lombricompostage : usine de lombri-compostage de la Voulte-sur-Rho ˆ ne

    Le   lombricompostage  est une variante du compostage repo-sant sur l’utilisation de vers de terre (lombrics) pour consommeret dégrader la matière organique du déchet.

    Il peut s’utiliser :

    – soit en une étape unique de traitement ;– soit après une étape de fermentation chaude en substitution de

    l’étape classique de maturation.

    La première approche concerne essentiellement le domaine agri-cole car elle nécessite des surfaces relativement importantes (de

    l’ordre de 2,5 m

    2

     /m

    3

    de déchet). En effet, pour éviter un échauffe-ment du déchet (lié à l’activité microbienne de biodégradationaérobie) qui serait néfaste au développement des lombrics, il estnécessaire de travailler avec des tas ou andains présentant un rap-port surface/volume élevé. Typiquement, la hauteur   des tas ouandains ne dépasse pas 30 à 40 cm pour que la température restebien inférieure à 40

     

    C. La durée du traitement est variable en f onc-tion notamment de la nature du déchet, mais est généralement del’ordre de plusieurs semaines à plusieurs mois.

    La deuxième approche évite le problème de l’échauffement car lelombricompostage s’effectue après que la fraction l a plus biodégra-dable du déchet a été éliminée par une étape classique de

    fermentation chaude. Elle permet donc de tr availler dans des systè-mes plus compacts (rapport surface/volume faible). Le compostobtenu (lombricompost) est alors constitué par les excrémentsdes vers qui ingèrent et digèrent la matière organique résiduelle.On obtient ainsi de fait un produit plus calibré et donc plus facileà séparer par criblage des éléments indésirables pouvant se trou-ver dans le déchet.

    Cette approche a été suivie, par exemple, à   l’usine SOVADEClocalisée sur la commune de La Voulte-sur-Rhô ne (Ardèche) qui aeffectué le traitement des or dures ménagères du SITVOM Rhône-Eyrieux (25 000 habitants) de 1991 à 2000 par  un procédé de tri-lombricompostage dénommé « Naturba ». L’usine assurait le traite-ment des ordures ménagères issues d’une collecte non sélective.

    La figure   7   présente le synopsis du procédé. L’approche suivieconsistait à utiliser le lombricompostage comme étape de matura-tion de la matière organique après une étape de compostage (fer-mentation chaude). L’avantage potentiel par rapport à la maturationclassique est que le lombricompost, constitué par la matière ingé-rée, digérée et excrétée par les vers, est de fait bien calibrée et ainsiplus facile à séparer, par tamisage, des fractions  indésirables tel lesque les morceaux de verre ou de plastique.

    Les opérations de tri occupaient une place très importante dansle procédé (figure  7). La première étape est un t ri granulométriquesur grille tournante (trommel) de mailles de 160 mm. Les sacs-pou-belle sont ouverts par thermofusion à l’entrée du trommel grâce àdes résistances chauffantes. Les matériaux de   plus petite dimen-sion supérieure à 160 mm, constituant environ   15 % de la masseentrante, sont exclus du trommel et subissent   un tri manuel per-mettant de séparer des fractions recyclables   (cartons, métaux,

    pneus, bois, etc.). Le reste (85 % en masse) subit  un tri magnétiquepermettant de séparer les métaux ferreux, puis un tri densimétriquesur table à rebond/adhérence éliminant les matériaux durs tels quebouteilles, aérosols, piles, etc. Le déchet ainsi trié contient lamatière organique biodégradable mais aussi   de nombreux élé-ments indésirables comme des morceaux de films plastiques. Elleest traitée par compostage (fermentation chaude) dans un silo hori-zontal sous hangar ventilé, la matière étant aérée par retournementquotidien à l’aide d’un grappin qui permet de faire progresser ledéchet d’un bout à l’autre du silo, avec un temps de séjour moyend’un mois environ. La température atteint 70

     

    C, assurant unehygiénisation du déchet. Après cette phase, la matière est

    Refus 1

    Déchetsorganiques

    (IAA)

    CO2 + H2O

    Refus 2

    Refus 3

    CO2 + H2OAlgues vertesDéchets verts

    Tube rotatif 3 à 4 jours

    Compost

    Maturation > 3 mois

    Maille vibrante 10 mm

    Rebond/adhérence

    Trommel  30 mm   Tri magnétique Métauxferreux

    Ordures ménagèresrésiduelles

    (collecte sélective)

    Figure 6 – Diagramme synoptique de l’installation de tri-compostage de Launay-Lantic des ordures mé  nage ` res, SMITOM (É tables-sur-mer, Co ˆ ted’Armor)

    –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––   TRAITEMENT BIOLOGIQUE DES DÉ CHETS

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    humidifiée puis introduite dans des casiers verticaux dans lesquelsse développent des lombrics. Les casiers sont constitués de paroisen grillage métallique permettant une bonne aération du déchet. Lamatière fraı ˆche est apportée par le haut des casiers, la matière digé-rée étant récoltée par grattage de la grille basse des casiers. Letemps de séjour moyen de la matière dans les casiers est de8 semaines, la température de l’ordre de 30   C. La matière digéréesubit ensuite une série d’opérations de tri (tamisage, tris densimé-triques, tris magnétiques) pour obtenir in fine  le lombricompost.

    Selon la société SOVADEC, le bilan matière moyen de la filièreglobale (en % massique des déchets entrant) devait être le suivant :

    – lombricompost : 27 % ;– matière biodégradée : 25 % ;– matériaux r ecyclables (métaux ferreux, papiers-cartons, verre) :

    24 % ;– refus et autres matériaux : 24 %.

    La qualité insuffisante du lombricompost obtenu, entre autrescauses, a conduit à la fermeture de l’usine au moment de la liqui-dation judiciaire de la société SOVADEC [ 14]. Les problèmes ren-contrés concernaient principalement des défauts de conception etde nombreux dysfonctionnements de la chaı ˆne   de tri des orduresménagères issues d’une collecte non sélective, ne permettant pasde séparer avec suffisamment d’efficacité les fractions i ndésirables.Par ailleurs, la fragilité des populations lombriciennes et la mau-vaise quali té du produit final ont révélé la non-viabilité du procédémis en œuvre sur ordures ménagères brutes. Le lombricompostageest plus adapté au traitement de déchets verts ou de biodéchetsissus de la collecte sélective des déchets ménagers.

    3.5 É valuation de la qualité  des produits

    Le compost obtenu à l’issue de la chaı ˆne globale de traitementest un produit susceptible d’être utilisé comme amendement orga-nique des sols. Cependant, sa composition et ses caractéristiquesdépendent à la fois de la nature du ou des déchets traités ainsique des conditions opératoires du procédé de traitement.

    Les teneurs en humus, en fibres et en indésirables du compostsont des caractéristiques essentielles en vue de son utilisation agri-cole. L’humus a une forte capacité de rétention en eau et favorise laformation des complexes argilo-humiques qui sont à la base de lastructure en agrégats des sols. Les fibres permettent de conférer ausol une structure bien aérée favorisant la pénétration des racines etl’activité microbienne. L’apport aux sols d’un amendement orga-

    nique tel que le compost permet donc de réduire l’érosion et l’ap-pauvrissement des sols et d’améliorer leur qualité de support decroissance des végétaux. Quelle que soit sa qualité agronomique,le compost n’a cependant qu’une faible valeur marchande. Enoutre, il ne joue pas suffisamment le rôle d’engrais et l’apport denutriments minéraux complémentaires reste nécessaire pour descultures intensives.

    Des éléments, substances ou organismes indésirables peuventtoutefois être véhiculés par le compost. Le risque biologique lié à laprésence d’organismes ou de produits indésirables de leur métabo-lisme est relativement marginal si le traitement est correctementmené avec une phase de fermentation chaude garantissant unehygiénisation thermique. Cependant, le risque microbiologique aéro-porté reste encore relativement mal évalué, et des études récentesmontrent la présence, dans l’ambiance de travail d’une unité decompostage d’ordures m énagères, de spores de Aspergillus fumiga- tus   susceptibles d’engendrer des affections respiratoires [8] [9].

    La présence d’éléments indésirables est un problème importantpour les composts produits à partir de déchets complexes commeles ordures ménagères notamment. En cas de collecte non sélective,les opérations de tri en amont et en aval ne garantissent pas tou-jours l’absence, dans le compost, d’éléments fins tels que des mor-ceaux de verre ou de plastique qui, bien que leur impact environne-ment soit faible à nul, peuvent poser des problèmes à l’utilisation ounuire à l’image de marque du produit. La norme française NF U44-051 (2005) relative aux amendements organiques spécifie la qualitédes produits en termes de propriétés agronomiques classiques, entermes de matiè re organique (stabilité et nature ) et en termes de pré-sence de polluants : élément traces métalliques, composés tracesorganiques, micro-organismes pathogènes et inertes, impuretés tel-les que des fragments de plastiques, métaux et morceaux de verre.La norme française NF U 44-095 (2002) relative aux composts deboues issues du traitement des eaux fixe des limites de concentra-tions en divers métaux qui, par extension, peuvent être utilisées

    pour l’utilisation de divers composts sur des sols agricoles.

    3.6 Pré traitement mé caniqueet biologique des ordures mé nage ` resré siduelles avant stockage

    La directive européenne 1999/31/CE du 26 avril 1999 sur lestockage des déchets solides fixe de nouvelles règles de gestionintégrée des déchets avec l’apparition de la nécessité de mise enœuvre de traitements des ordures ménagères (OM) avant leurmise en décharge dans les centres de stockage de déchets non dan-gereux. Le prétraitement des ordures ménagères doit permettre deréduire d’une part les quantités de déchets stockés et, d’autre part,la fraction biodégradable contenue dans les déchets. Ainsi, les opé-rations de prétraitement des déchets conduisent à réduire significa-tivement les émissions liquides (lixiviats de décharge) et gazeuses

    (biogaz) issues du stockage des déchets ménagers. En effet, laréduction de la fraction dite « biodégradable » permet la minimisa-tion de l’acti vité biologique anaérobie responsable de la productionde dioxyde de carbone et de méthane. La stratégie de gestion desordures ménagères de la Communauté européenne vise à atteindreen 2016 une réduction de 65 % de la quantité de la fraction biodé-gradable des déchets stockés, pourcentage déterminé sur la basedes déchets produit s en 1995.

    Les conditions d’application de la directive européenne 1999/31/CEdépendent bien évidemment de la situation spécifique de chaque Étatmembre et des orientations nationales et régionales en termes degestion intégrée des OM. En effet, si certains États membres font

    Métaux ferreux

    CO2 + H2O

    Refus 2

    CO2 + H2O

    Refus 3

    Tri magnétique

    Trommel  160 mm

    Lombricompost(27 % masse entrante)

    Compostage (1 mois)

    Rebond/adhérence

    Tri manuel

    Ordures ménagères(collecte non sélective)

    Lombricompostage(6 semaines)

    Tris granulométriqueset densimétriques

    Refus 1(15 % masse

    entrante)

    Figure 7 – Diagramme synoptique du procé dé   Naturba de tri-lombricompostage des ordures mé nage ` res mis en servicepar Sovadec a `  La Voulte-sur-Rho ˆ ne (Arde ` che)

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    encore majoritairement appel à la « décharge », d’autres ont su met-tre en place d’autres stratégies telles que le traitement thermique(incinération), avec valorisation énergétique des déchets ou de certai-nes fractions de déchets en tant que dérivé énergétique (combusti-bles issus de déchets), le tri (à la source ou après collecte) et le recy-clage matière, le compostage, etc. Ces autres filières ont permis derestreindre le stockage aux déchets dits « ultimes », c’est-à-dire les

    déchets r ésiduels issus d’opérations de traitement jugées possiblesdans les conditions techniques et économiques de notre époque.

    Le traitement biologique des déchets avant leur mise endécharge ou prétraitement biologique (PTB) consiste à stabiliserpar voie biologique la matière organique dite « fermentescible ».Lorsque les procédés de stabilisation biologique sont intégrésdans les opérations de tri et de recyclage matière, on parle pluscommunément de prétraitement mécanique et biologique (PTMB)des déchets ménagers.

    Ces techniques de prétraitement des déchets avant enfouisse-ment ont initial ement été développées à l’échelle industrielle enAllemagne et en Autriche. L’objectif recherché n’est pas de produireun compost mais l’élimination du déchet, soit pour produire uncombustible secondaire qui sera incinéré pour une valorisationénergétique, soit pour produire un résidu solide débarrassé de samatière organiq