Valorisation des digestats de méthanisation en agriculture : effets sur les cycles biogéochimiques du carbone et de l'azote

Valorization of anaerobic digestates in agriculture : Effects on Carbon and Nitrogen biogeochimical cycles

• Auteur / Autrice : Amira Askri
• Direction : Sabine Houot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'Environnement
• Date : Soutenance le 09/04/2015
• Etablissement(s) : Paris, AgroParisTech
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Agriculture, alimentation, biologie, environnement, santé (Paris ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Écologie fonctionnelle et écotoxicologie des agroécosystèmes (2014-....)
• Jury : Président / Présidente : Claire Chenu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claire Chenu, Jean-Marie Paillat, Rémy Bayard, Bernard Nicolardot, Patricia Laville
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Marie Paillat, Rémy Bayard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Teneur en azote

Engrais et amendements

Prospection biogéochimique

Agriculture

Méthanisation

Déchets organiques -- Recyclage

Mots clés libres

Digestion anaérobie

Digestats de méthanisation

Cycles biogéochimiques du carbone et de l'azote

Gaz à effet de serre

Valeur fertilisante

Valeur amendante

Anaerobic digestion

Anaerobic digestates

Carbon and nitrogen biogeochemical cycles

Greenhouse gas

Fertilizing value

Amending value

Résumé

La digestion anaérobie est un mode de traitement biologique des déchets organiques qui se développe fortement en France. En plus de produire de l‟énergie, le digestat issu du procédé a des caractéristiques qui devraient lui conférer un potentiel agronomique intéressant. L‟objectif de ce travail était d‟étudier l‟effet d‟apport au sol de digestats de méthanisation sur les cycles biogéochimiques du C et du N, en particulier leur potentiel de stockage de C dans les sols et la disponibilité potentielle du N pour les plantes, ainsi que sur les émissions de N2O associées à leur apport. L‟accent a été mis sur la variation de ces effets avec le type de déchets entrants en digestion et les post-traitements subis après la digestion. Ces travaux ont reposé sur des expérimentations en laboratoire, un essai de courte durée au champ et la modélisation.Cinq types de digestat ont été utilisés, trois d‟origine agricole et deux issus du traitement de déchets urbains issus ou non de collecte sélective. Quatre digestats bruts sont issus de méthanisation par voie humide et subissent une séparation de phase produisant deux digestats : liquide et solide. Le dernier digestat est issu de méthanisation par voie sèche. Les deux digestats solides d‟origine urbaine subissent ensuite un compostage. Par ailleurs le séchage et l‟osmose inverse ont été testés sur 2 des filières agricoles.Les digestats d‟origine agricole ont les pouvoirs fertilisant et amendant les plus importants. Le post-traitement par séparation de phase permet de distinguer un produit solide destiné à entretenir les stocks de C du sol qui peut être amélioré encore par le compostage et un produit liquide qui a un pouvoir fertilisant plus important. Les digestats bruts, solides et liquides sont tous caractérisés par une fraction résiduelle de C facilement biodégradable variant de 23 à 91% de leur carbone, associée au C de la fraction extractible à l‟eau chaude des digestats. La stabilité du C des digestats augmente dans l‟ordre liquide<brut<solide. En prenant en compte la teneur en matière sèche des digestats, seuls les digestats bruts à teneur en MS>18%, solides et compostés ont un caractère amendant intéressant. Les digestats de méthanisation ont un fort pouvoir fertilisant azoté, essentiellement lié à la fraction de N ammoniacal présente initialement dans les digestats. Les C/N organiques relativement élevés génèrent des tendances à l‟organisation du N associées à la dégradation de la MO résiduelle des digestats.Un jeu de paramètres homogènes a pu être déterminé pour simuler avec le modèle CANTIS les cinétiques de minéralisation de C et de N après apport des digestats. Ce jeu de paramètres homogènes permet au modèle CANTIS de valider les relations entre le maintien du stock de C, la valeur fertilisante des digestats et leurs propriétés biochimiques.Les digestats bruts sont ceux pour lesquels les émissions de N2O après apport sont les plus fortes. Les post-traitements par séparation de phase et compostage diminuent ces émissions, les post-traitements par séchage ou osmose inverse les accentuent montrant la difficulté à associer intérêt agronomique maximal et absence d‟impacts environnementaux.Au champ, une forte perte d‟azote minéral est constatée après apport des digestats, sans doute liée à la volatilisation de l‟azote ammoniacal. Les digestats non compostés présentent des coefficients équivalent engrais compris entre 0.37 et 0.52 sans qu‟on ait pu mettre en évidence d‟effet de l‟origine des déchets traités et de la séparation de phase. En revanche le compostage diminue de plus de 80% l‟équivalence à l‟engrais azoté.

Anaerobic digestion is a biological treatment of organic wastes which is strongly developing in France. In addition to producing energy, anaerobic digestion produces a digestate that has interesting agronomic potential. The objective of this work was thus to study the effect of applying digestates to a soil on the biogeochemical cycles of C and N, particularly the C storage potential in soil and the availability of N for plants, as well as the N2O emissions. The variation of these effects with the type of digested inputs and with the post-treatments after digestion was also studied. These studies were based on laboratory experiments, a short-term field experiment and modeling.Five types of digestates were used: three of agricultural origin and two from urban wastes coming from separate collection or not. Four raw digestates were produced by wet anaerobic digestion and underwent phase separation producing thus two digestates: liquid and solid. The other digestate was produced by dry anaerobic digestion. The solid digestates from urban origin underwent composting also while the two digestates of agricultural origin underwent reverse osmosis and drying.The digestates produced from agricultural wastes have the higher fertilizer and amending potentials. The phase separation produced a solid product which can mostly be used to maintain soil C stocks and which can be further improved by composting and a liquid product that has a greater fertilizing potential. All digestates raw, solid and liquid are characterized by a residual fraction of readily biodegradable C ranging from 23 to 91% of their organic C and related to the C content of the hot water extractable fraction. The biological stability of the digestates increases in this order: liquid <raw<solid. Taking into account the dry matter (DM) content of the digestates, only the raw ones with DM>18%, the solid and the composted digestates have an interesting amending potential. The anaerobic digestates have also a high nitrogen fertilizer value, mainly related to the fraction of ammonia N initially present in the digestate; nevertheless, the high organic C/N ratios generate relatively high nitrogen organization associated with the degradation ofdigestate organic matter.A unique set of parameters was determined from the previous experimentations to simulate the C and N mineralization kinetics, after applying digestates to the soil, using the CANTIS model. This set of parameters was used to evaluate the relationship between the soil C stock and the fertilizer value of digestate and their biochemical properties.N2O emissions are higher from the raw digestates; but post-treatment by phase separation and composting reduce these emissions, while reverse osmosis and drying increase them showing thus the difficulty in associating agronomic interest and lack of environmental impacts at the same time.In the field, a high loss of mineral nitrogen is found after application of digestate, probably because of the volatilization of ammonia nitrogen. The non-composted digestates have fertilizer equivalence between 0.37 and 0.52; the origin of the digestate and phase separation didn‟t have effect on this parameter. On the other side, composting decreases by more than 80% the equivalence to nitrogen fertilizer.