Suivi de maturation de composts mixtes par spectrométrie d'absorption et de fluorescence UV-visible

Monitoring of the maturation mixed composts by absorption and fluorescence spetrometry

• Auteur / Autrice : Madi Guirema Abaker
• Direction : Stéphane Mounier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et Géochimie
• Date : Soutenance le 15/12/2016
• Etablissement(s) : Toulon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mer et Sciences. ED 548 (Toulon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Processus de Transferts et d'Echanges dans l'Environnement (La Garde, Var) - Laboratoire chimie et environnement (LCE) (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Emna Ammar
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Mounier, Mariane Domeizel, Raphaël Bikanga, Hans-Rudolf Pfeifer, Florence Vouve

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie d'absorption

Spectroscopie de fluorescence

Compostage

Boues d'épuration

Mots clés libres

Co-compostage

CP/PARAFAC

Maturation

PLS

UV-Visible

Co-composting

CP/PARAFAC

Maturation

PLS

UV-Visible absorption

Résumé

Le recyclage des déchets organiques est une préoccupation environnementaleimportante tant du point de vue énergétique que du point de vue du réchauffement climatique.Le compostage permet la transformation d'un déchet en produit, le compost, mais permetaussi d'augmenter le stockage du carbone dans les sols. Parmi les déchets, les boues de stationd'épuration sont un type de déchet urbain organique problématique et grandissant. La teneurélevée en matières organiques des boues peut ainsi être valorisée grâce au co-compostageavec des déchets verts. En effet, de nombreuses modifications chimiques se produisent aucours du processus de maturation d’un compost transformant les molécules simples ensubstances humiques bénéfiques aux sols. Cependant, il n'existe pas encore, à ce jour, detechniques rapides et universelles permettant de prédire la stabilité et la maturité du compost.Il est, en effet, nécessaire, pour suivre l'évolution d'un compost, de mesurer un nombreimportant de paramètres biologiques (test de respirométrie, test de germination), physiques(pH, température,…) et chimiques (potentiel d'oxydo-réduction, capacité d’échange de cations(CEC),…). Ceci n'est pas économiquement viable et rarement fait sur les plates-formes decompostage.L’objectif de cette étude a donc été d’identifier quel(s) paramètre(s) pourrai(en)t êtreutilisé(s) pour suivre aisément, sur une plate-forme de compostage, l’évolution du compostsur le terrain. Pour cela, nous avons suivi un co-compostage de boues de station d’épurationau cours du processus de maturation dans des composteurs de particuliers (sur place et enserre) et dans l’andain (sur place) afin d’observer l’effet de la taille mais aussi l’effet desconditions climatiques sur le processus de compostage. Une méthode d’extraction simple etpeu coûteuse de la matière organique extractible à l’eau (WEOM) utilisant un percolateur àeau à température ambiante est proposée. Ces extraits à l'eau ont été caractérisés par différentsparamètres, tels que le carbone organique dissous (CODWEOM) et l’azote total (NTWEOM) oules acides gras volatils (AGVWEOM) mais aussi par différentes techniques spectrométriquesd'absorption UV-Visible et de fluorescence. Pour l’absorption, des indices nous informent surl'aromaticité (SUVA254 WEOM), la taille moléculaire (E2/E3 WEOM), le poids moléculaire (E4/E6WEOM) et sur les substitutions des composés organiques (EET/EBZ WEOM) de la matièreorganique. En ce qui concerne la fluorescence, les indices d'humification HLIF, Kalbitz WEOM,Milori WEOM, Ra,c WEOM et Zsolnay WEOM ont été utilisés pour étudier les propriétés de laWEOM. De plus, à partir des matrices d'excitation-émission de fluorescence, les composantsCP/PARAFAC ont été déterminés. Au total, ce sont 23 paramètres qui ont été suivis au coursdu compostage.Les résultats permettent de discriminer les indices les plus pertinents pouvant êtreutilisés sur le terrain. Ces indices sont le SUVA254 WEOM, ainsi que les indices de Kalbitz WEOMet de Milori WEOM. La spectrométrie est une technique pertinente pour le suivi du compost surle terrain. Il n'a pas été décelé d'influence de la météorologie pour les composteursparticuliers, mais bien un effet de taille pour certains paramètres.

The recycling of organic waste is a major environmental concern both from anenergetic perspective and the global warming. The composting allows the conversion of wasteinto a product, the compost, and also the increase of carbon storage in soils. Among thedifferent wastes, sewage sludges are a problematic and increasing organic urban waste. Thehigh level of organic matter in sludges can be valorized by co-composting with green waste.Indeed, many chemical changes occur in the compost maturation process, transforming thesimple molecules in humic substances which are beneficial for soils. However, there are notyet, rapid and universal techniques which could predict the stability and the maturity ofcompost. It is necessary to measure a large number of biological (respirometric test, test ofgermination), physical (pH, temperature,…) and chemical (redox potential, cation exchangecapacity (CEC),…) parameters in order to follow the compost evolution. These measurementsare expensive and are rarely done on the composting platforms.Our objective was therefore to determine which parameter(s) could be used to easilymonitor the compost on the platform. For that, we followed a co-composting of sewagesludges during the maturation process in private compost bins (platform and greenhouse) andin swath (platform) in order to observe the size effect and the climatic condition effect on thecomposting process. An easy and little expensive extraction method of the water extractibleorganic matter (WEOM), using a percolator with water at room temperature was proposed.These water extracts were characterized by various parameters, such as dissolved organiccarbon (DOC WEOM) and total nitrogen (TN WEOM) or the content of volatile fatty acids, butalso, by various spectroscopic technics such as UV-Visible absorption and fluorescence. ForUV-Visible absorption, indices provide data on the aromaticity (SUVA254 WEOM), themolecular size (E2/E3 WEOM), the molecular weight (E4/E6 WEOM) and the substitutions oforganic compounds (EET/EBZ WEOM) of organic matter. Regarding fluorescence, humificationindexes such as HLIF, Kalbitz WEOM, Milori WEOM, Ra,c WEOM and Zsolnay WEOM were used tostudy the properties of WEOM. In addition, from the excitation-emission fluorescencematrices, CP/PARAFAC components were determined. All in all, 23 parameters werefollowed during the composting.We were thus able to distiguish the most relevant indices that can be used on theplatform. These indices are the SUVA254 WEOM and indices of Kalbitz WEOM and Milori WEOM.The spectroscopy is a relevant technique for monitoring the compost in the field. No impactof climatic conditions was revealed for the private compost bins, but a size effect for someparameters was observed.