CHAPITRE 5 ÉTUDE DE LA BIODÉGRADATION DE LA...

CHAPITRE 5 :

ÉTUDE DE LA BIODÉGRADATION DE LA MATIÈRE ORGANIQUE DANS LES MIOM

Chapitre 5 : Etude de la biodégradation de la matière organique dans les MIOM

SOMMAIRE

1 Introduction .....................................................................................199

2 Matériels et méthode.......................................................................200 2.1 Contexte et objectifs de cette étude ............................................. 200 2.2 Protocole expérimental ................................................................. 201

2.2.1 Principe .......................................................................................... 201 2.2.2 Dispositif expérimental...................................................................... 202

2.3 Expérimentation ........................................................................... 203 2.3.1 Nature et origine des MIOM testés ...................................................... 203 2.3.2 Nature des expérimentations ............................................................. 204 2.3.3 Mode opératoire............................................................................... 204

3 Résultats et discussion ..................................................................206 3.1 Résultats du test........................................................................... 206

3.1.1 Suivi du test.................................................................................... 206 3.1.2 Variation de la pression dans les jarres................................................ 206 3.1.3 Quantité d’oxygène consommée......................................................... 209 3.1.4 Quantité de CO2 piégée dans la soude ................................................. 210

3.1.4.1 Dosage de la soude ............................................................... 210 3.1.4.2 Résultat du dosage................................................................ 211

3.1.5 Estimation du pourcentage de matière organique consommée ................ 212 3.2 Synthèse ....................................................................................... 213

4 Conclusion.......................................................................................215

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1 Introduction

Les mâchefers contiennent une fraction de matière organique plus ou moins importante (de 1 à 5%) selon la nature des ordures ménagères et la technologie du four utilisé. Le carbone organique est principalement présent sur le solide, à hauteur de 94%, sous forme de lignine et de cellulose (Pavasars, 2001). Quilici (2001) a analysé après extraction par fluide supercritique et extraction au soxhlet les espèces organiques solubles (environ 6%) majoritaires et présentent au sein des mâchefers, celles-ci sont : des paraffines, des acides carboxyliques, des phtalates, des HAP et des stéroïdes. La plupart des industriels et des scientifiques (Flehoc & al., 2000) s’entendent pour affirmer que le CO2 atmosphérique (0,036% dans l’air) suffirait à réaliser la réaction de carbonatation des MIOM. Cependant, l’hypothèse de libération du CO2 au sein du mâchefer par oxydation des imbrûlés en surface du tas et par biodégradation aérobie de ces mêmes imbrûlés en profondeur n’est pas à écarter (Pascual & al, 1994, Dugenest & al 1997). Peu d’études se sont intéressées aux rôles des micro-organismes dans la maturation des mâchefers. Dugenest (1997) précise tout de même que le milieu que représente la mâchefer rassemble des conditions favorables au développement de bactéries : eau, température, matière organique. La présence de métaux peut même favoriser préférentiellement la croissance de certaines colonies de bactéries. Dugenest & al. (1997) ont d’ailleurs montré que l’évolution de la matière organique au cours des quatre premiers mois de maturation est principalement régie par des mécanismes biotiques. Ceci a été révélé par un dégagement important de CO2 au cours d’une maturation artificielle dans une enceinte close. Par la suite, après analyse de la population bactérienne présente au sein du mâchefer et de la matière organique résiduelle, ils ont montré que les micro-organismes ne disposaient plus de substrat organique facilement dégradable et que la matière organique n’évoluait quasiment plus. Cependant, les résultats de ces expérimentations n’ont jamais été reliés directement à la possibilité de carbonatation des MIOM à partir du CO2 libéré. Cela constitue le principal objectif de nos expériences.

Pour déterminer l’origine du CO2 entrant en jeu dans la réaction de carbonatation et ainsi mieux comprendre les mécanismes de cette réaction, des tests de respiration ont été réalisés sur des mâchefers.

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2 Matériels et méthode

2.1 Contexte et objectifs de cette étude Les résultats obtenus à partir de la maturation expérimentale des MIOM dans le pilote 2 nous ont amené à nous poser des questions quant au rôle de la matière organique contenue dans les MIOM sur la carbonatation de ces matériaux. En effet, dans le chapitre 3 nous avons vu qu’à la fin de l’étude sur les MIOM A et B, seul 1% de la quantité des mâchefers avait pu se carbonater au vu du volume d’air ayant traversé les pilotes. De ce fait, nous n’avons pas noté d’évolution significative des matériaux. Or, sur tas réel, il est souvent observé, au bout de trois mois, une stabilisation des MIOM avec une baisse significative du pH et une immobilisation des métaux lourds. Au vu de ces constatations et du volume de dioxyde de carbone nécessaire pour une carbonatation maximale, nous pouvons penser que la matière organique présente dans le matériau peut jouer un rôle prépondérant dans le processus de carbonatation, par la formation de CO2 lors de sa dégradation. Pour répondre à cette interrogation, nous avons réalisé un test, inspiré d’une méthode d’évaluation pour étudier la biodégradabilité de substances organiques dans les sols et sédiments en conditions aérobies. Ce type de tests est utilisé pour mesurer l’activité respiratoire aérobie sur échantillons solides disposés dans des microcosmes d’incubation. Il doit donc pouvoir fournir des informations sur la biodégradabilité intrinsèque à l’air de la matière organique contenue dans les échantillons de mâchefers dont le taux d’humidité a été initialement déterminé et à température constante. Au travers de cette étude, notre intérêt n’est pas d’ordre biologique. Nous ne souhaitions pas caractériser les micro-organismes responsables de la biodégradation de la matière organique. Les objectifs se situent à plusieurs niveaux :

Vérifier qu’il existe effectivement une activité bactérienne permettant la dégradation de la matière organique

Quantifier la production de dioxyde de carbone associée à cette dégradation

Démontrer que le dioxyde de carbone produit est susceptible de participer à la carbonatation in situ du MIOM

Observer le processus dans le cas d’un MIOM déjà carbonaté Comparer les processus sur les deux MIOM étudiés en fonction de leur contexte physico-chimique

Estimer les paramètres limitant dans le cas d’un scénario réel de maturation des MIOM (pH, température…)

200


2.2 Protocole expérimental

2.2.1 Principe Le test est réalisé avec un appareil commercial OxiTop® OC 110. Dans un récipient étanche (une jarre) est placé un échantillon de MIOM. Si cet échantillon contient des micro-organismes, ils peuvent utiliser la matière organique présente dans le MIOM pour leur métabolisme énergétique. Si tel est le cas, il y aura consommation d’oxygène, d’où le terme de «respiration», et libération de dioxyde de carbone. Cet appareil est conçu pour suivre la baisse de pression consécutive à la consommation d’oxygène en milieu clos. Si l’on veut attribuer la dépression uniquement à la consommation d’oxygène, il y a lieu de piéger le CO2 formé (mole à mole). Cela est réalisé par l’introduction d’une quantité de soude (NaOH) dans le récipient qui permettra sa mise en solution sous forme de carbonates, selon la réaction :

CO2 (gaz) + 2 NaOH (liq) → Na2CO3 (dissous) + H2O

A pH>9, le carbonate de sodium formé est entièrement soluble. Il faut s’assurer que la quantité de soude est suffisante pour que la réaction avec le CO2 soit rapide et complète. Le dosage chimique des carbonates, corrélé aux consommations d’oxygène permettra de réaliser un bilan matière sur le carbone organique dégradé. Lien entre la variation de pression et la variation du nombre de moles de gaz: (En considérant les gaz présents comme des gaz parfaits)

MMVTRm

VTRnP

..... ∆

=∆

=∆

∆p = variation de pression, ∆n.= variation du nombre de mole, R = constante des gaz parfaits, T = température en kelvin, V = volume, ∆m = variation de masse, MM = masse molaire.

201


Equation pour calculer la consommation d’oxygène Hypothèse: Seul l’oxygène est consommé et tout le dioxyde de carbone formé est piégé.

PMSmVl

TROMMMSkgmgO ∆××=

)(.)()(/ 2

2

MS : Matière Sèche, MM(O2) : Masse Molaire oxygène, Vl : Volume de gaz disponible dans le flacon, R : constante des gaz parfaits, T : température en Kelvin, m(MS) : masse de matière sèche placée dans le flacon, ∆P : variation de pression en mbar.

nO2 / kg (MS) = mg O2 / kg (MS) / MM (O2)

nO2 / kg (MS): nombre de moles d’oxygène consommé par kg de matière sèche

Volume de gaz disponible :

Vl = Vf – V(NaOH) – V(MS)

Vf: volume du flacon vide en L, V(NaOH) : volume occupé par la soude ainsi que le récipient qui contient la soude , V(MS) : volume occupé par le MIOM (en tenant compte de la porosité). Par conséquent, à partir du dispositif expérimental et des relations ci-dessus, il est possible d’estimer la consommation d’oxygène et donc la production de dioxyde de carbone qui doit être identique en nombre de moles.

2.2.2 Dispositif expérimental Le dispositif est représenté sur la Figure 1. Une masse d’environ 100g de MIOM humide est placée dans une jarre en verre de 1L. Un bécher de 50 mL contenant de la soude est placé sur une nacelle à l’intérieur de la jarre pour piéger le dioxyde de carbone produit. Le couvercle est maintenu par 4 clips. Le manchon en caoutchouc est toujours présent mais uniquement pour assurer l’étanchéité avec la tête OXITOP. Les têtes OXITOP enregistrent les variations de pression pendant l’intervalle de temps désiré. Les têtes OXITOP sont généralement programmées en mesure de pression car cette fonction permet d’ouvrir les jarres en cours d’expérience pour éviter que l’oxygène ne devienne limitant et/ou pour renouveler la soude.

202


Les données sont ensuite collectées grâce à un système infrarouge sur l’appareil OXITOP OC 110 puis transférées sur un fichier Excel.

Tête OXITOP

Manchon caoutchouc

100 g échantillon brut humide

Bécher contenant la solution de soude Nacelle

Couvercle Clip

Figure 1: Dispositif de maturation du mâchefer

2.3 Expérimentation

2.3.1 Nature et origine des MIOM testés Le test de respiration a été réalisé sur les MIOM A et B initiaux et carbonatés artificiellement dans le pilote 2 sous CO2 pur. Les MIOM ont été préalablement conservés en condition anaérobie dans une chambre froide à 4°C afin de limiter leur évolution. Les caractéristiques physico-chimiques des deux matériaux sont détaillées dans le chapitre 2. L’hétérogénéité granulométrique des MIOM et leur taux d’humidité naturelle ont été conservés pour se rapprocher le plus possible des conditions réelles.

203


La teneur en eau et le pH naturels des MIOM A et B sont reportés dans le Tableau 1. Nous rappelons que les teneurs moyennes en carbone organique dans les MIOM A et B sont respectivement de 1,1% et 1,2%.

A initial A carbonaté B initial B carbonaté Hr 17,4% 16% 24% 22% pH 11,3 9,7 11,4 9,3

Tableau 1: Taux d’humidité et pH naturel des MIOM A et B

2.3.2 Nature des expérimentations Afin de mieux comprendre les mécanismes de carbonatation tout en conservant l’aspect comparatif, quatre séries d’expériences ont été réalisées, et ce pour les deux mâchefers (Tableau 2). La première et la deuxième série correspondent aux MIOM initiaux et carbonatés artificiellement. Afin d’amplifier les réactions de biodégradation de la matière organique, et au cas où la matière organique présente dans les matériaux serait peu ou pas accessible, deux autres séries ont été ajoutées. La troisième et la quatrième série correspondent également aux MIOM initiaux et carbonatés mais dans lesquels du glucose a été ajouté en tant que nutriment pour les micro-organismes. Par ailleurs, le test est également réalisé sur un témoin. Celui-ci est composé d’une jarre sans échantillon de MIOM mais contenant une solution de soude. La quantité et la concentration de la soude sont identiques à celles utilisées pour les quatre séries d’expériences. Cependant, au cours d’une étape de mise au point des tests, la concentration de soude nécessaire s’est avérée être différente pour les MIOM initiaux et les MIOM carbonatés. Par conséquent, deux témoins sont réalisés avec deux concentrations de soude différentes.

MIOM A MIOM B Série 1: MIOM initial A B

Série 2: MIOM carbonaté AC BC Série 3: MIOM initial + glucose A + MO B + MO

Série 4: MIOM carbonaté + glucose AC + MO BC + MO

Tableau 2: Identification des quatre séries d’expérimentation

2.3.3 Mode opératoire Le test de respiration doit être réalisé dans des conditions proches de la réalité, c’est-à-dire en milieu aérobie. Par conséquent, il faut toujours un volume d’air suffisant afin que l’oxygène soit disponible pendant toute la durée du test. Par

204


ailleurs, le contenant du MIOM doit être adapté à l’échantillon afin de s’assurer d’une diffusion maximale de l’oxygène dans le MIOM. Les jarres utilisées sont préalablement nettoyées à l’alcool puis à l’eau permutée. Une masse d’échantillon de 100g de MIOM humide a été choisie. Les 100g sont introduits dans les jarres. L’épaisseur du lit de MIOM placé dans la jarre est d’environ 3 cm. Ainsi, on s’assure de la bonne diffusion de l’oxygène à l’intérieur de l’échantillon. Pour les séries 3 et 4, 2g de glucose en poudre (C6H12O6, 2H2O) sont ajoutés et homogénéisés avec le MIOM. Afin de piéger le CO2 formé, un bécher contenant 30ml de soude est introduit dans chaque jarre. Pour les deux séries avec le MIOM initial, la concentration de la soude est de 0,1M et pour celles avec le MIOM carbonaté la concentration de la soude est de 1M. Les deux jarres témoin (sans MIOM) sont également expérimentées avec dans l’une, de la soude à 0,1M et dans l’autre de la soude à 1M. Au total, 12 jarres sont expérimentées : les deux témoins, les séries 1 et 2 sont tripliquées et les séries 3 et 4 sont dupliquées. L’ensemble des jarres est placé dans une enceinte thermostatée à 30°C où la respiration est suivie sur une durée de 3 semaines. En fin d’expérience, tous les béchers de soude sont récupérés pour analyse de la quantité de CO2 piégé. La soude est alors titrée par l’acide chlorhydrique par pHmétrie. La dépression dans les jarres est suivie quotidiennement afin de s’assurer que la quantité d’oxygène est toujours suffisante. Si tel n’est pas le cas, les jarres sont ouvertes afin de renouveler l’air dans l’enceinte.

205


3 Résultats et discussion

3.1 Résultats du test

3.1.1 Suivi du test Le matériel utilisé permet de suivre la variation de pression (∆P) dans les jarres qui est directement proportionnelle à la quantité d’oxygène consommé. La pression initiale dans les jarres est la pression atmosphérique soit 1013 hPa. Par conséquent, le pourcentage d’oxygène dans l’air étant de 20,9%, la pression partielle de l’oxygène est de 210 hPa. Le dioxyde de carbone étant piégé par la soude, la diminution de pression dans la jarre ne peut être attribuée qu’à la disparition de l’oxygène. De ce fait, si la pression diminue de 210 hPa, cela signifie qu’il n’y a plus d’oxygène dans la jarre. Il est alors nécessaire d’ouvrir les jarres afin de renouveler l’air dès que la diminution de pression se rapproche de cette valeur. Le nombre de renouvellement d’air dans les jarres en fonction de la série d’expérience est présenté dans le Tableau 3.

Série Nombre d'ouvertures Série Nombre d'ouverturesA 2 B 2

AC 2 BC 2A+MO 3 B+MO 4

AC+MO 2 BC+MO 4

Tableau 3: Nombre de renouvellement de l’air dans les jarres en fonction de la série d’expérience

3.1.2 Variation de la pression dans les jarres Les mesures d’abaissement de pression dans les jarres en fonction du temps pour les 4 séries d’expériences réalisées sont présentées sur la Figure 2 pour le MIOM A et sur la Figure 3 pour le MIOM B.

206


207

-450

-400

-350

-300

-250

-200

-150

-100

-50

00 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000

Temps (min)

Var

iatio

n de

pre

ssio

n (h

Pa)

A

AC

A+ MO

AC+MO

Figure 2: Courbes de variation de pression pour le MIOM A

-800

-700

-600

-500

-400

-300

-200

-100

00 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000

Temps (min)

Var

iatio

n de

pre

ssio

n (h

Pa)

BC

B

B+MO

BC+MO

Figure 3: Courbes de variation de pression pour le MIOM B

Les petits décrochements observés sur les courbes peuvent être dus à des variations de température ponctuelles dans l’enceinte thermostatée lors des relevés de pression ou lors de l’ouverture des jarres. Nous considérons que ces légères variations n’ont pas d’incidences majeures sur les résultats.


La Figure 4 présente les ∆P maximum atteintes à la fin du test de respiration pour les quatre séries d’expériences. Les résultats présentés sont les valeurs médianes des réplicats. Pour rappel : série 1 : MIOM initiaux, série 2 : MIOM carbonatés, série 3 : MIOM initiaux + glucose, série 4 : MIOM carbonatés + glucose

-800

-700

-600

-500

-400

-300

-200

-100

01 2 3 4

Nature du MIOM

Var

iatio

n de

pre

ssio

n (h

Pa)

MIOM A MIOM Bsérie 1 série 2 série 3 série 4

Figure 4: Variations de pression atteintes à la fin du test pour les MIOM A et B

D’une manière générale, quelque soit la série d’expériences, nous observons une diminution de la pression dans les jarres. Ces variations de pression montrent qu’il y a bien une activité biologique au sein du mâchefer puisqu’il y a un abaissement significatif de la pression, ce qui permet d’affirmer qu’il y a consommation d’oxygène. Pour les séries sans ajout de glucose, la diminution de pression semble être plus marquée pour les MIOM carbonatés artificiellement : -116 hPa contre -75,5 hPa pour le MIOM A et -79 hPa contre -55 hPa pour le MIOM B. Cet écart peut être attribué à un effet de pH. En effet, le pH des MIOM initiaux est proche de 11 alors que celui des MIOM carbonatés est proche de 9,5. Nous pouvons alors penser que les conditions de pH du MIOM carbonaté sont plus favorables au développement des micro-organismes, car elles sont plus proches de la neutralité. Nous notons cependant que l’activité biologique est non négligeable à pH=11. Pour les séries avec ajout de glucose, le même effet est observé pour le MIOM B (713 hPa contre 393 hPa). En revanche, pour le MIOM A, nous observons l’effet

208


inverse au bout des 3 semaines de test. Mais si l’on s’attarde sur les courbes (Figure 2), nous voyons que la pente de la courbe pour AC+MO est quasi constante tout au long de l’expérience alors que pour A+MO, la pente est très forte au début du test puis elle diminue jusqu’à être inférieure à celle de AC+MO. Nous pouvons alors penser que si l’expérience avait continué, le ∆P aurait été supérieure au ∆P du MIOM initial. C’est par ailleurs, le phénomène que nous avions observé lors d’un test préliminaire qui nous a permis de mettre au point les conditions opératoires. Cet effet inverse peut être attribué au fait que les MIOM étaient conservés en chambre froide. Il se peut que les micro-organismes aient eu un temps d’acclimatation plus important avant de pouvoir se développer. Maintenant, si l’on compare les résultats obtenus avec les MIOM seuls et les MIOM avec ajout de glucose, nous voyons que le fait d’ajouter de la matière organique augmente considérablement l’activité des micro-organismes et donc la consommation d’oxygène. Cet effet peut s’expliquer par le fait que la matière organique biodégradable est accessible plus facilement.

3.1.3 Quantité d’oxygène consommée Afin de déterminer la quantité d’oxygène consommée, il est nécessaire de connaître le volume d’O2 contenu dans la jarre. Comme nous l’avons vu dans le paragraphe 2.2.1, le volume de gaz disponible Vl est déterminé par la relation : Vl = Vf – V(NaOH) – V(MS) Dans notre cas, le volume de la jarre vide est Vf = 960 ml. Nous avons travaillé avec des échantillons de 100g de MIOM humide dont le volume a été déterminé expérimentalement : V(MS) =53 ml. Le volume de soude introduit est de 30 ml et le volume du porte bécher est estimé à 10ml ; donc V(NaOH) est de 40 ml. Le volume disponible à l’air est donc: Vl = 960 – 53 – 40 = 867 ml, ce qui, dans les conditions de pression indiquées et à 30°C, correspond à un nombre de moles d’oxygène de 7,4.10-3. Le Figure 5 nous renseigne sur les quantités d’oxygène, en volume et en moles, qui ont été consommées au cours des trois semaines pour les MIOM A et B. Ces quantités d’oxygène ont été déterminées par corrélation avec les variations de pression dans les jarres et la pression partielle initiale d’ O2 qui est de 210 hPa.

209


MIOM ∆P (hPa)V O2

consommé (ml)

n O2

consomméMIOM ∆P (hPa)

V O2

consommé (ml)

n O2

consommé

A -75,5 65 2,9*10-3 B -55 48 2,1*10-3

AC -116 101 4,5*10-3 BC -79 68 3,1*10-3

A+MO -397 344 1,5*10-2 B+MO -297 257 1,1*10-2

AC+MO -361,5 313 1,4*10-2 BC+MO -713 618 2,8*10-2

Figure 5:oxygène consommé par les MIOM A et B

Ces données sont nécessaires pour effectuer la comparaison avec les quantités de CO2 piégé dans la soude. En effet, pour une mole d’oxygène consommée, une mole de dioxyde de carbone est formée. Par conséquent, nous connaissons la quantité de CO2 formé. Ceci nous permettra par la suite de préciser si tout le CO2 produit a été piégé par la soude ou s’il a été auto-consommé par le mâchefer.

3.1.4 Quantité de CO2 piégée dans la soude Au terme des 3 semaines de test, les solutions de soude contenues dans les béchers sont transvasées dans des flacons clos. Celles-ci sont dosées le jour même afin d’éviter une nouvelle carbonatation par le CO2 atmosphérique et ainsi éviter de fausser les résultats.

3.1.4.1 Dosage de la soude

Le dosage acido-basique a été réalisé par pHmétrie. Les solutions de soude de concentration 0,1 M sont titrées par de l’acide chlorhydrique 0,1M et 0,01M et les solutions de soude de concentration 1M sont titrées par de l’acide chlorhydrique 1M et 0,1M. Les solutions de soude ont été dosées avec deux concentrations d’acide différentes afin d’obtenir le maximum de précision près du point d’équivalence. La Figure 6 représente une courbe de dosage type. Lors du dosage par l’acide chlorhydrique, nous avons les réactions suivantes :

OH- + H3O+ 2 H2O (1) CO3

2- + H3O+ HCO3- + H2O (2)

HCO3- + H3O+ CO2 aqueux + H2O (3)

La première équivalence correspond à la neutralisation des OH- excédentaires et aux ions carbonates: réactions (1) et (2). La deuxième équivalence correspond à la neutralisation des ions hydrogéno-carbonates: réaction (3).

210


Par conséquent, le volume de HCl qui correspond au dosage de CO2 piégé sous forme de carbonates est:

V= volume équivalent 2 – volume équivalent 1 Donc, n CO2 dissous = CHCl * V, avec CHCl : concentration de HCl

0

2

4

6

8

10

12

0 5 10 15 20 25 30 35 40Volume HCl (ml)

pH

Volume équivalent 1 Volume équivalent 2

CO32-

HCO3- CO2 dissous

Figure 6: Courbe type de neutralisation de NaOH par HCl

3.1.4.2 Résultat du dosage

L’air est constitué de 0,036% de CO2. Dans les jarres de 1L, le volume d’air disponible est de 867ml ce qui correspond à un volume de CO2 de 0,31ml soit 1,39.10-5 moles. Par conséquent, si l’on tient compte du nombre d’ouverture des jarres, qui se trouve être de 2 ou 4 suivant la série d’expérience réalisée, le nombre de mole de CO2 atmosphérique piégeable par la soude est compris entre 2,78. 10-5 et 5,57.10-5 moles. Nous tiendrons compte de ces valeurs en tant que termes correctifs. Le Tableau 4 nous renseigne sur les quantités de CO2 qui ont été piégées dans la soude (CO2 formé et CO2 atmosphérique). Nous voyons que la quantité de CO2 piégée est bien supérieure à la quantité de CO2 présente dans l’atmosphère dans le cas des essais avec les MIOM carbonatés, ce qui montre bien qu’il y a eu production de CO2 à partir de la matière organique présente dans le MIOM ou ajoutée artificiellement. Les résultats montrent également que pour les deux MIOM initiaux sans ajout de nutriment, le nombre de moles de dioxyde de carbone piégé est du même ordre de grandeur que les quantités de CO2 introduites par l’air. Il est évident que le CO2

211


produit par la dégradation de la matière organique a été fixé sur ces MIOM non carbonatés.

MIOMnCO2 piégé par

NaOH MIOM

nCO2 piégé par NaOH

A 7,4*10-5 B 4,3*10-5

AC 4,4*10-3 BC 1,2*10-2

A+MO 2,4*10-4 B+MO 1,1*10-4

AC+MO 1,5*10-2 BC+MO 2,6*10-2

Tableau 4: quantité de CO2 formé et piégé par la soude

3.1.5 Estimation du pourcentage de matière organique consommée

Le Tableau 5 présente le pourcentage de carbone organique consommé dans le MIOM d’après le rapport entre le CO2 formé et le CO2 libérable par le MIOM. La quantité de CO2 libérable, pour les séries 1 et 2, est obtenue à partir de la teneur en carbone organique présente, dans le MIOM sur matériau sec. Pour les séries 3 et 4, il faut également tenir compte des 2g de glucose de formule C6H12O6, 2H2O. La quantité de CO2 réellement formée est égale à la quantité d’ O2 consommée.

MIOMn CO2

formé

n CO2

libérable par le MIOM

% n C consommé MIOM

n CO2

formé

n CO2

libérable par le MIOM

% n C consommé

A 2,9*10-3 7,6*10-2 3,9 B 2,1*10-3 7,6*10-2 2,8AC 4,5*10-3 7,7*10-2 5,8 BC 3,1*10-3 7,7*10-2 4,0

A+MO 1,5*10-2 1,3*10-1 11,7 B+MO 1,1*10-2 1,3*10-1 8,8AC+MO 1,4*10-2 1,3*10-1 10,6 BC+MO 2,8*10-2 1,3*10-1 20,8

Tableau 5: pourcentage de matière organique consommée

Les résultats montrent qu’une fraction de la matière organique présente dans les mâchefers est facilement biodégradable en conditions aérobies. En effet, en 3 semaines de test, 3 à 6% du carbone organique total sont dégradés par les micro-organismes, pour les MIOM sans ajout de nutriment. En revanche, lors de l’ajout de glucose, la matière organique consommée peut atteindre 20%. Cela montre que l’accès à la matière organique contenue dans les MIOM est un facteur limitant pour le développement des micro-organismes. Nous notons, cependant, que la consommation en oxygène semble se poursuivre bien au-delà des 21 jours de test puisque aucun palier n’a été atteint pour les quatre séries d’expérience. Les résultats montrent également que le taux de matière organique consommé par les MIOM carbonatés semble être supérieur à celui des MIOM initiaux. Nous

212


pouvons expliquer cela par les conditions de pH des MIOM carbonatés (pH proche de 9) qui sont plus favorables au développement des bactéries. Une des conséquences de la carbonatation étant l’abaissement de pH, ce constat nous amène alors à penser que l’oxydation de la matière organique par les micro-organismes devrait s’accélérer au cours de la maturation puisque les conditions de pH seront plus convenables pour le développement des bactéries.

3.2 Synthèse La Figure 7 compare la quantité de CO2, calculée à partir de la consommation d’O2, à la quantité de CO2 mesuré par dosage dans la soude (CO2 piégé moins CO2 atmosphérique).

0,0E+00

2,0E-03

4,0E-03

6,0E-03

8,0E-03

1,0E-02

1,2E-02

1,4E-02

1,6E-02

A AC A+MO AC+MO

Nom

bre

de m

oles

de

CO

2

CO2 mesuré CO2 calculé

0,0E+00

4,0E-03

8,0E-03

1,2E-02

1,6E-02

2,0E-02

2,4E-02

2,8E-02

3,2E-02

B BC B+MO BC+MO

Nom

bre

de m

oles

de

CO

2

CO2 mesuré CO2 calculé

Figure 7: CO2 calculé / CO2 mesuré

Les «bilans matière» comparatifs ci-dessus permettent une interprétation relativement évidente.

- Concernant les MIOM initiaux (A, B, A+MO et B+MO), les résultats sont très nets. Tout le CO2 produit par la dégradation de la matière organique est consommé par les mâchefers eux-mêmes. La quantité de dioxyde de carbone piégée par la soude est infime et correspond quantitativement à celle provenant de l’air introduit dans les jarres.

- Pour les MIOM carbonatés (AC, AC+MO et BC+MO), le dioxyde de carbone formé n’est pas retenu. Il est libéré dans la phase gazeuse, puis entièrement transformé en carbonates dans la solution de soude. Ces trois expériences montrent une très bonne cohérence dans les bilans matière : tout le CO2 provenant de la matière organique se retrouve quantitativement dans la soude.

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- Nous n’avons pas d’explication sur le comportement étonnant du MIOM B carbonaté (BC). Dans ce dernier cas, il y a plus de CO2 dans la soude qu’il n’a pu s’en former d’après la consommation d’oxygène, ce qui paraît aberrant. Si l’on rapporte ces résultats à 1 kg de MIOM sec, l’autoproduction de CO2 est la suivante, en 3 semaines et à 30°C : MIOM A : environ 0,8L MIOM B : environ 0,6L Les écarts observés sur les résultats des deux mâchefers peuvent être attribués au fait que les MIOM ont des pH et des taux d’humidité différents. Il se peut également que la matière organique ne se présente pas sous la même forme dans les deux MIOM et que la nature des micro-organismes puisse différer d’un MIOM à l’autre. Le but de cette expérience n’étant pas la caractérisation des bactéries ou de la matière organique, ces deux derniers points ne peuvent être vérifiés. Maintenant, si l’on regarde les quantités de dioxyde de carbone libérable par les deux MIOM, nous voyons qu’elles sont de l’ordre de 7,6.10-2 moles pour 100g de MIOM humide. Par conséquent, 1kg de matériau sec est capable d’auto-produire environ 20 litres de CO2 à partir de la matière organique résiduelle (environ 1% dans nos échantillons). Or, les résultats de carbonatation artificielle dans le pilote 2 ont montré que les quantités maximales de CO2 que les MIOM pouvaient absorbés étaient de 8L pour le MIOM A et 18L pour le MIOM B. Ceci montre que ces deux mâchefers possèdent une quantité de matière organique suffisante pour permettre leur auto-carbonatation, même en dehors de toute réaction avec le dioxyde de carbone atmosphérique.

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4 Conclusion

Les résultats de cette étude de respiration des MIOM permettent de tirer les conclusions suivantes :

une activité bactérienne est bien présente au sein du mâchefer, ce qui permet de dégrader la matière organique avec auto-production et auto-consommation du CO2 en isotherme à 30°C

l’activité bactérienne permet de consommer environ 3% du carbone organique présent en trois semaines

la quantification du dioxyde de carbone piégé dans la soude permet de montrer que la majeure partie du CO2 produit par le mâchefer participe à sa carbonatation

plus il y a de nutriment pour les micro-organismes, plus la production de CO2 est importante

la quantité de CO2 obtenue par biodégradation de la matière organique présente naturellement au sein du mâchefer est largement suffisante pour carbonaté tout le MIOM (il peut y avoir jusqu’à 3 fois le quantité nécessaire)

Il n’y a pas de différences majeures entre les deux MIOM étudiés, dans les conditions de nos expériences. Cela peut paraître normal, dans la mesure où leur taux de carbone organique est sensiblement identique. Le paramètre température n’a pas été étudié, mais il serait intéressant d’en suivre l’influence sur l’activité des micro-organismes et sur leur développement au sein du mâchefer. Cela permettrait d’évaluer les possibilités d’auto-carbonatation des MIOM en conditions de stockage réel où la température peut dépasser 70°C pendant les premiers mois de maturation. Par ailleurs, le rôle du pH reste à préciser, car même si à des pH très basiques (>11) l’activité bactérienne est toujours présente, celle-ci peut être amoindrie. Enfin, il est probable que le taux d’humidité du MIOM et sa granulométrie soient des facteurs limitants la biodisponibilité de la matière organique résiduelle. Par conséquent, il semble évident que l’oxydation de la matière organique joue un rôle majeur dans la carbonatation des MIOM et qu’une partie importante de la source du CO2 intervenant dans le processus de maturation peut provenir du CO2 organique généré par le mâchefer.

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CHAPITRE 5 ÉTUDE DE LA BIODÉGRADATION DE LA...

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