Etude et compréhension des processus de biodégradation. Estimation de la biodégradabilité des matrices organiques solides

To develop composting as a way to recycle waste, the method of preparing the initial material and the management of the reactions occurring during the process have to be optimized to ensure a good compost quality and to minimize the odour nuisance that the process can produce. This requires a better understanding of the individual processes involved, especially that of biodegradation which represents the heart of waste treatment. In this context, the objectives of this PhD work were (i), to identify an experimental method to study biological processes and estimate the biodegradability of wastes, (ii) to test this method as a tool to follow the biological stabilisation of wastes during composting and to compare results with those from other existing techniques and (iii) to better understand the biological processes by means of studying the organic matter transformations during the respirometric tests. The bibliography identified the respirometric method as the most suitable for the work as set out in this thesis. The system identified was tested and modified in order to control the working conditions (temperature, moisture level and aeration) and by the coupling with a pycnometer, it allowed us to follow the evolution of the matter free air space throughout the respirometric experiments. The study showed the importance of mixing material during respirometric tests to enable complete biodegradation of the substrates. Often this operation induced the restart of oxygen consumption, that confirmed the continuing the presence of some residual organic matter. Therefore, the modelling of these profiles was difficult and it was necessary to use an experimental method to determine the initial biodegradable organic matter fractions. The study of 4 samples collected after 0, 5, 12 and 21 days of composting by respirometry proved the suitability of this method to follow the biological stabilisation due to the composting treatment. These results appeared more pertinent that those of auto-thermal and SOLVITA tests. To study biological processes and to identify a experimental fractionation of the organic matter, a mixing of sludge and pine bark chips was characterized in the beginning, during and at the end of its degradation using respirometry and bio-physic-chemical analyses. In addition to the characterization of global substrates (by chemical oxygen demand, carbon and organic matter contents) their soluble and non soluble fractions were also studied. This fractionation allowed the minimization of the volume effect of the inert matter and led to the identification of at least 3 phases of biodegradation. Specific analyses of the soluble fraction (pH; conductivity; liquid respirometry; sugars, protein and amino-acids contents; resin fractionation coupling with spectroscopy and spectrofluorimetry) enabled a more detailed characterization of the composition of the substrate and its evolution during the respirometry. All these resultants helped to identify a fractionation of the organic matter into 4 parts. The liquid respirometry was revealed as a promising tool to evaluate the stability of composting wastes. The fractionation proposed was used to simulate the respirometric profile. The modeling results confirmed the need to optimize the biological model to produce real kinetic parameters. / La pérennisation de la filière de compostage nécessite une meilleure gestion de ce traitement pour qu'il conduise à des composts de qualité et que peu de nuisances lui soit associées. En particulier, une connaissance approfondie des transformations de la matière organique durant sa biodégradation et la détermination de la biodégradabilité des matrices en amont, au cours et en aval du compostage, pourraient aider à ajuster au mieux les paramètres expérimentaux. Pour y parvenir, le travail de thèse avait pour objectifs (i) d'identifier une méthode expérimentale, (ii) de tester cette méthode comme outil de suivi d'un traitement par compostage et de la positionner par rapport à d'autres techniques et (iii)de mieux comprendre, à l'aide de cette méthode, les processus de biodégradation à travers l'étude des transformations de la matière organique lors de sa biodégradation. Une synthèse bibliographique a permis d'identifier un dispositif respirométrique permettant de répondre aux objectifs de la thèse. Cet outil a été testé puis amélioré et associé à un pycnomètre à air qui a permis de mesurer l'e taux de l'espace vide des matrices en cours de respirométrie, aidant ainsi à caractériser les conditions d'aération du milieu. L'application de retournements de matière s'est traduite la plupart du temps par des reprises de consommation d'oxygène, prouvant la présence de matière organique biodégradable résiduelle. Il est donc nécessaire de réaliser des retournements jusqu'à ce qu'ils soient sans influence pour quantifier l'ensemble de la matière organique biodégradable. Dès lors la modélisation des profils respirométriques a été difficile et la nécessité d'une estimation expérimentale des fractions de biodégradabilité variable en la matière est apparue. La caractérisation d'un mélange boue/structurant prélevé en cours de compostage a mis en évidence la possibilité de suivre la station biologique de cette matrice, ceci de façon plus sensible et pertinente qu'avec les tests d'auto-échauffement et de SOLVITA. Pour étudier les processus de biodégradation et proposer un fractionnement expérimental de la matière organique, un mélange boue/structurant a été caractérisé par des analyses bio-physico-chimiques durant son étude en respirométrie. En plus de l'analyse des matrices globales ses fractions hydrosolubles et non solubles ont été étudiées selon les paramètres DCO, CT et MO. Ceci a permis une étude plus complète et pertinente, en limitant l'effet de masse lié à la matière inerte. Un fractionnement de la matière selon 3 classes de biodégradabilité variable a ainsi pu être proposé. Une analyse spécifique de la fraction SOL (pH, conductivité, respirométrie liquide, glucides, protéines, acides aminés, fractionnement sur résine couplé à la spectroscopie et à la fluorimétrie) a permis de caractériser plus précisément la composition de la matière, et son évolution durant la respirométrie. 4 périodes de biodégradation ont ainsi pu être identifiées. La mesure de respirométrie liquide s'est révélée une analyse prometteuse pour juger de la stabilité des matrices en compostage. L'utilisation du fractionnement proposé avec le modèle biologique actuel a pour sa part mis en avant l'intérêt existant à optimiser le modèle pour assurer la justesse de paramètres cinétiques ainsi déterminés.

Auteurs du document :

Berthe, L.

Mots clés :

DECHET ORGANIQUE, COMPOSTAGE, BIODEGRADABILITE, RESPIROMETRIE, FRACTIONNEMENT, MATIERE ORGANIQUE, MODELISATION, ORGANIC WASTES, COMPOSTING, BIODEGRADABILITY, FRACTIONATION, ORGANIC MATTER, MODELLING, RESPIROMETRY

Date :

2007

Format :

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Source :

18320

Langue :

Inconnu

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Date de dépôt: 2007-06-26 - Tous les documents et informations contenus dans la base CemOA Publications sont protégés en vertu du droit de propriété intellectuelle, en particulier par le droit d'auteur. La personne consultant la base CemOA Publications peut visualiser, reproduire, ou stocker des copies des publications, à condition que l'information soit seulement pour son usage personnel et non commercial. L'utilisation des travaux universitaires est soumise à autorisation préalable de leurs auteurs. Toute information relative au signalement d'une publication contenue dans CemOA Publications doit inclure la citation bibliographique usuelle : Nom du ou des auteurs, titre et source du document, date et URL de la notice (dc_identifier).

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