Cette thèse de doctorat vise à consolider, développer et appliquer nos connaissances sur la modélisation du compostage, dans le but de fournir des informations, des outils et des perspectives accessibles et utilisables pour les chercheurs et les décideurs. L'espoir est que les travaux développés tout au long de cette thèse puissent aider à optimiser les procédés de compostage, notamment en réduisant les émissions de gaz à effet de serre (GES) et en améliorant le recyclage des nutriments. A ce titre, la thèse est divisée en trois phases : (1) la phase 1 est une consolidation et un développement des notions fondamentales de la modélisation du compostage, (2) suivie de la phase 2, où la modélisation de la perte de nutriments et des émissions de GES est étudiée, (3) avec la phase 3 qui est axée sur la manière d'assurer que ce travail puisse être utilisé par les décideurs et acteurs dans le milieu de compostage. Dans la première phase, une revue complète et systématique de l'ensemble de la littérature sur la modélisation du compostage a été entreprise (chapitre 2), cherchant à fournir une meilleure compréhension du travail qui a été fait et sur la direction des travaux futurs. Ceci a été suivi d'une étudie détaillée des approches de modélisation cinétique actuelles, notamment par rapport aux facteurs de corrections cinétiques appliqués à travers le domaine (chapitre 3). La phase 2 s'est ensuite focalisée sur les notions spécifiques relatives aux émissions de GES et aux pertes de nutriments lors du compostage, et à la modélisation de ces phénomènes. Cette thèse présente les réacteurs expérimentaux et le plan conçu pour suivre et évaluer le processus de compostage (chapitre 4), ainsi que le modèle de compostage compréhensif développé pour prédire avec précision les émissions et la transformation des nutriments pendant le compostage (chapitre 5). Enfin, la phase 3 visait à rendre ces informations facilement et largement utilisables. Cela a commencé par une évaluation des meilleures pratiques pour développer des modèles et des systèmes d'aide à la décision pour la prise de décision environnementale (chapitre 6), suivi par le développement de nouvelles approches de modélisation cinétique simples (chapitre 7), culminant avec le développement, l'ajustement paramétrique et la validation d'un modèle de compostage parcimonieux (chapitre 8). Grâce à ce travail, une base consolidée de l'état actuel de la modélisation du compostage a été développée, suivie par l'exploration et le développement de connaissances et d'outils à la fois fondamentaux et applicables. / This PhD thesis aims consolidating, developing, and applying our knowledge on composting modelling, with the goal of providing accessible and usable information, tools, and perspectives for researchers and decision-makers alike. The hope is that the work developed throughout this dissertation can help in optimizing composting, notably by reducing greenhouse gas (GHG) emissions and improving nutrient recycling. As such, the thesis is divided into three phases: (1) phase 1 is a consolidation and development of the fundamentals of composting modelling, (2) followed by phase 2, where the modelling of nutrient loss and GHG emissions is investigated, (3) with phase 3 focusing on how to ensure that this work can be used by decision-makers. In the first phase, a comprehensive and systematic review of the entirety of the literature on composting modelling was undertaken (chapter 2), seeking to provide a better understanding on the work that has been done and guidance on where future work should focus and how it should be approached. This review then raised some interesting questions regarding modelling approaches, notably regarding modelling of composting kinetics, which was studied in detail through the evaluation of current modelling approaches (chapter 3). Phase 2 then focused on the specific notions relating to GHG emissions and nutrient loss during composting, and how to model these phenomena. This section starts with a presentation of the experimental reactors and plan designed to monitor and evaluate the composting process (chapter 4), followed by the comprehensive composting model developed to accurately predict emissions and nutrient transformation during composting (chapter 5). Finally, phase 3 aimed to make this information easily and widely usable, especially for decision-makers. This started with a review on the best practices to develop models and decision support systems for environmental decision-making (chapter 6), followed by the development of novel simple kinetic modelling approaches (chapter 7), culminating with the development, calibration, and validation of a parsimonious composting model (chapter 8). Through this work, a consolidated basis of the current state on composting modelling has been developed, followed-up by the exploration and development of both fundamental and applicable knowledge and tools.

Thèses (M.A.)--Université de Sherbrooke (Canada), 1997. / Titre de l'écran-titre (visionné le 20 juin 2006). Publié aussi en version papier.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Sciences des agroressources : Toulouse, INPT : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 200 réf.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Sciences agronomiques : Toulouse, INPT : 2005. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 166 réf.

L’utilisation massive des antibiotiques contribue à leur accumulation dans les boues des stations d’épurations. L’application directe des boues est parmi les sources de dissémination des antibiotiques et des gènes de résistance aux antibiotiques. Le compostage et la méthanisation sont parmi les bioprocédés de traitement des boues qui permettent d’éliminer ou réduire les teneurs de certains antibiotiques. Dans ce travail, une boue primaire de la STEP de Marrakech a été contaminée par trois familles d’antibiotiques (macrolides, tétracyclines, fluoroquinolones) pour conduire 4 essais de compostage à différentes doses (dont un essai témoin) et un essai deméthanisation en mode semi-continu. Les résultats du compostage ont montré que l’augmentation des concentrations d’antibiotiques retarde la dégradation de la matière organique et affecte le ratioC/N. De même, la phase thermophile est perturbée, retardée et réduite dans le temps. Pour la méthanisation, une concentration unique et réaliste a été testée. Dans ces conditions, aucun effet sur la production du biogaz ou sur la dégradation de la matière organique n’a été observé. Afin de suivre la dissipation des trois familles d’antibiotiques utilisées au cours du compostage et de la méthanisation, une approche analytique basée sur l’extraction accélérée par solvant (ASE) suivie par l’application d’une méthode des ajouts dosés avant quantification par chromatographie liquide couplée à de la spectrométrie de masse en tandem (UPLC-MS/MS) a du être mise en point. Le compostage et la méthanisation permettent de réduire significativement les concentrations des molécules parents appartenant à la famille des macrolides et des tétracyclines. Par contre,l’élimination des fluoroquinolones est non-significative et ne dépasse pas 30%. Au cours du compostage, la dissipation des macrolides se fait en phase de stabilisation tandis que la phase de maturation est impliquée dans la dissipation des tétracyclines. Les concentrations encirprofloxacine (fluoroquinolone) semblent légèrement évoluer au cours du procédé probablement en raison d’une adsorption/désorption sur le co-substrat lignocellulosique utilisé. Concernant la méthanisation, l’élimination des macrolides et des tétracyclines est significative durant la stabilisation du procédé mais n’atteinds pas les rendements observés lors du compostage. Ladiminution des concentrations des molécules parents est probablement accompagnée par une biotransformation des antibiotiques sous forme de métabolites qui à ce stade ne sont pas connus.La question de la rémanence de certaines molécules comme les fluoroquinolones, interpelle quand au risque d’antibiorésistance. Ainsi, la valorisation des composts/digestats comme amendements organiques des sols dois à terme conduire à une réflexion concernant la réglementation qui inclus la présence de molécule de la classe des antibiotiques.

Dans un contexte interdisciplinaire, l'étude a consisté à évaluer le niveau de robustesse de procédés pilotes de biofiltration appliqués au traitement d'un effluent caractéristique des émissions de compostage de boues d'épuration, soumis à des fluctuations de charge transitoires, répétées, et d'intensité croissante. L'impact de ces perturbations a été examiné à deux niveaux, par la mesure de la résultante fonctionnelle de dégradation d'une part, et par la caractérisation de la structure génétique de la communauté bactérienne totale d'autre part. La mise en relation de ces deux composantes a fait l'objet d'une attention particulière. / The study aimed to evaluate the robustness capacity of pilot-scale biofilters applied to the treatment of sludge-composting emissions. The biofilters were submitted to repeated periodic fluctuations (shock loads) of increasing intensity. Their response was evaluated at two levels: functional resistance and resilience in terms of removal efficiency, and molecular characterization of the bacterial community structure. The objective was to establish the potential links between these two components.

Le compostage permet de valoriser des résidus organiques frais en une matière organique stabilisée, soit l’humus. Cette étude a optimisé le cocompostage des résidus de ferme et agroalimentaires, avec de la paille de soya ou des écorces et en a étudié les produits; le compost et le lixiviat. L’évolution du compost a été suivie dans le temps, et après tamisage. Le lixiviat à des teneurs en NEPE1KLou NEPL3KL (avec E = engrais minéral; L = engrais du lixiviat) a été comparé à la dose optimale d’engrais minéraux en NEPEKE, ou en absence de fertilisation pour le maïs sucré. Les composts tamisés étaient de qualité. Le plastique provenant des emballages et étiquetages a été mesuré en quantité. La paille de soya a produit un bon compost. Pour un sol amendé en compost à l’automne, les traitements de lixiviat ont donné le même rendement que les traitements non fertilisé ou fertilisé avec des engrais minéraux.

Le compostage constitue un phénomène simple qui nécessite cependant un savoir-faire important puisque la réaction biologique est orientée par le contrôle de certains paramètres (température, oxygène, humidité) faisant intervenir de nombreux phénomènes couplés. Face à la complexité des mécanismes à étudier et dans le but d'optimiser le procédé industriel, l'utilisation d'un modèle de compostage semble donc pertinente afin de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu, d'identifier les effets des couplages entre les mécanismes et mettre en avant certains facteurs clés ou encore comparer différents scénarios. L'état de l'art des modèles de compostage montre qu'aujourd'hui, malgré le nombre important de modèles de compostage, il n'en existe aucun capable de prédire, avec une formulation en temps et en espace, la température, la concentration des gaz (oxygène, dioxyde de carbone, diazote, …), la teneur en eau, les transferts entre phase, la dégradation du substrat, et prenant en compte les modifications d'aération. Le développement d'un nouveau modèle a donc été nécessaire pour pouvoir prédire l'évolution de ces variables et étudier leur couplage dans le procédé. Pour cela, la technique de moyenne volumique, appliquée aux équations à l'échelle du pore, a été utilisée et a permis d'obtenir un modèle de compostage à l'échelle de Darcy. Ce modèle prend en compte une phase gazeuse, une phase liquide et une phase solide. La phase gazeuse comprend quatre espèces : oxygène, dioxyde de carbone, azote, et vapeur d'eau. Dans la phase liquide, seule l'eau est considérée. Le séchage est intégré au modèle sous la forme d'un terme d'échange entre les phases gazeuse et liquide. Enfin, un modèle biologique, inclus dans le modèle de compostage, permet de prendre en compte la dégradation du substrat. Celui-ci est divisé en trois fractions : rapidement biodégradable, lentement biodégradable et inerte. Les deux premières fractions sont solubilisées, fournissant une fraction rapidement hydrolysable. Cette fraction est supposée directement consommée par les bactéries. En compostage, procédé aérobie, la dégradation de la matière organique est associée à une consommation d'oxygène et production de dioxyde de carbone, d'eau et de chaleur. L'hypothèse d'équilibre local thermique et chimique a été supposée ici. Cependant, pour l'eau, les 2 approches (Equilibre Local (EL) et Non-Equilibre Local (NEL)) ont été testées numériquement. Les résultats ont montré que lorsque σ, le coefficient d'échange de masse entre la phase gaz et la phase liquide pour l'eau, est compris dans l'intervalle [1, 4], les approches EL et NEL sont équivalentes, avec des temps de calcul moindres pour le cas NEL. Ainsi, pour toutes les simulations, une écriture NEL a été adoptée avec une valeur de σ de 2.5. Des tests ont ensuite permis de montrer la consistance du modèle. Au vu du nombre important de paramètres, une analyse de sensibilité a ensuite été réalisée afin de déterminer quels sont les paramètres qui ont l'impact le plus important sur le procédé. Ainsi, l'analyse a mis en évidence qu'il faut être prudent quant aux valeurs utilisées pour la capacité calorifique, un coefficient de l'isotherme de sorption, de nombreux paramètres du modèles biologiques (ksH, krH, µmax, Xa,0, Tmax, Topt, Xi,0, Xrb,0) et la porosité. Enfin, les résultats fournis par le modèle ont été comparés aux résultats expérimentaux obtenus à l'échelle pilote 1/1000 en usant des conditions opératoires identiques. Les essais de compostage réels ont été réalisés par Veolia Environnement Recherches et Innovation sur un mélange de biodéchets des ménages et de déchets verts... / Composting may look like a simple process. However, it requires an important expertise, as the biological response is governed by the control parameters (temperature, oxygen, moisture content), involving many coupled phenomena. Given the complexity of the studied mechanisms and in order to optimize the process, using a composting model seems relevant to understand the mechanisms involved, identify the effects of coupling between these mechanisms, highlight some key factors or compare different scenarios, in order to optimize the industrial process. The state of the art of composting models in the literature shows that today, despite the large number of composting models, there is none that can predict, with a formulation in time and space, temperature, concentration of gases (oxygen, carbon dioxide, nitrogen, ...), moisture content, transfers between phases, degradation of the substrate, and take into account the changes in aeration. The development of a new model was therefore necessary to predict the evolution of these variables and study their coupling in the process. The technique of volume averaging applied to the pore scale equations has led to a composting model at the Darcy-scale. This model takes into account a gas phase, a liquid phase and a solid phase. The gas phase includes four species: oxygen, carbon dioxide, nitrogen and water vapor. In the liquid phase, only water is considered. Drying is integrated into the model as an exchange term between gas and liquid phases. Finally, the biological model, included in the composting model, allows to take into account the degradation of the substrate. It is divided into three fractions: readily hydrolysable, slowly hydrolysable and inert. The first two fractions are hydrolized, providing a readily assimilable soluble fraction. It is this fraction that is directly consumed by bacteria. In a composting process, degradation of organic matter is associated with oxygen consumption and production of carbon dioxyde, water and heat. The assumption of thermal and chemical local equilibrium was assumed in this work. However, for water, the two approaches (Local Equilibrium (LE) and Local Non-Equilibrium (LNE)) have been numerically tested. The results showed that when , the water mass exchange coefficient between gas and liquid phases, ranges from 1 to 4 s-1, the LE and LNE approaches are equivalent, with less computing time for the LNE case. Thus, for all future simulations, it was decided to adopt a LNE approach with a value of equal to 2.5 s-1. Tests were then carried out to show the consistency of the model. Given the large number of parameters, a sensitivity analysis was performed to determine the parameters that have the greatest impact on the process. This analysis showed that one must be cautious about the values used for the heat capacity, a coefficient of the sorption isotherm, many parameters from the biological model (ksH, krH, μmax, Xa,0, Tmax, Topt, Xi,0, Xrb,0) and porosity, because these are the parameters that affect mainly the process. Finally, the results provided by the model were compared with experimental results obtained at a pilot scale of 1/1000 using identical operating conditions. The composting experiments were carried out by Veolia Environment Research and Innovation with a mixture of household biowaste and green waste. The results on the 1/1000 scale pilot showed that the model is good at capturing the average change in temperature and concentration during the process. The temperature at the central point in particular is very well reproduced by the model. The same applies to the assessment of organic matter degradation. Simulations at industrial scale (1/1) have also been carried out. They have given promising results.

La prise de conscience de l'importance de la gestion des déchets et de la préservation des ressources a conduit de plus en plus d'acteurs du monde agricole à s'intéresser au compostage comme mode de traitement d'effluents d'élevage ou de boues de stations d'épuration. Les filières d'utilisation de ces substrats, épandage, compostage ou autre, doivent donc être comparées. On sait en effet que l'agriculture est responsable d'une part importante des émissions d'ammoniac (NH3) et de protoxyde d'azote (N2O) et ainsi, indirectement ou directement, de l'augmentation de la concentration de N2O dans l'atmosphère. Trois séries d'expérimentations ont été menées respectivement sur des mélanges d'écorces de peuplier et de fientes de poules pondeuses, sur du fumier de poulet sans ou avec additifs et sur un mélange de paille et de boues de station d'épuration rurale, en parallèle avec un nouveau mélange d'écorces et de fientes. La première a permis de mesurer les émissions de gaz azotés d'un andain (25 m3) en cours de compostage. Elles étaient de 50% environ de l'azote initial sous forme N- NH3 et de moins de 1% sous forme N-N2O. La production de N2O était associée à des activités de nitrification/dénitrification et avait principalement lieu en phase de maturation. La seconde a révélé, pour du compostage de courte durée (1,5 mois) et en taille expérimentale (2 m3), les conditions dans lesquelles les émissions de NH3 et de N2O étaient les plus fortes ou les plus faibles et lesquelles favorisaient l'activité de dénitrification des micro-organismes. L'augmentation du rapport carbone/azote et l'addition de composés ou microorganismes adéquats font passer les pertes en NNH3 de 55 à 7% de l'azote initial. Leur effet sur la libération de N2O (0,2-0,9%) dépend de nombreux facteurs. La troisième a montré que les andains de compostage (10 et 25 m3) devaient être considérés comme des écosystèmes à part entière composés de différents compartiments (grossièrement entrée, fond, sortie et croûte) où les populations microbiennes s'organisent différemment, l'entrée étant productrice de N2O, le fond et la sortie, producteurs, en équilibre ou consommateurs suivant les moments. La taille de l'andain en expérimentation est donc une donnée capitale pour considérer les résultats comme représentatifs de la réalité.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Sciences agronomiques : Toulouse, INPT : 2005. Reproduction de : Thèse doctorat : Sciences agronomiques : Faculté des sciences Semlalia : 2005. / Thèse soutenue en co-tutelle. Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 52 réf.