Matières organiques exogènes issues de l’élevage et de la ville en milieu tropical : apport de la spectrométrie proche infrarouge pour leur orientation d'usages agronomiques et/ou énergétiques

par Nantenaina Volamahefa Rabetokotany

Thèse de doctorat en Géosciences


  • Résumé

    Comme dans les pays du Nord riches, il y a également une augmentation de la production de déchets organiques dans les pays du Sud moins avancés. Connues sous l'appellation de Matières Organiques Exogènes (MOEx), les déchets organiques peuvent être valorisables comme engrais ou amendement pour les sols agricoles ou bien une nouvelle source de biomasse pour la production d'énergie. L'utilisation raisonnée d'une MOEx exige toutefois une connaissance scientifique approfondie de leur nature et de leurs impacts sur l'environnement. Des analyses conventionnelles en laboratoire et des expérimentations doivent être effectués pour maîtriser leur structure complexe liée à leurs propriétés physiques, chimiques et biochimiques. Celles-ci sont généralement longues et onéreuses. Dans notre étude, la spectroscopie proche infrarouge (SPIR) a été choisie comme une alternative aux méthodes classiques pour la caractérisation de ces MOEx en milieu tropical humide. Les objectifs de notre travail sont (1) de montrer que la SPIR est une méthode appropriée pour la prédiction des caractéristiques de MOEx, (2) pour caractériser les MOEx en termes de leur potentiel agronomique et leur potentiel énergétique et (3) pour élaborer une typologie, construite à partir des données prédites par la SPIR, qui prend en compte quelques impacts négatifs liés à l'utilisation des MOEx. L'ensemble des données a inclus plus de 2000 échantillons de MOEx couvrant une large gamme de MOEx fraîches ou transformées issues de l'élevage, de la ville et des agroindustries. Le spectre SPIR de chaque EOM a été acquis. En plus des caractérisations classiques de laboratoire (les dosages de carbone, azote, phosphore, potassium, etc.), d'autres expérimentations ont été conduites en vue d’évaluer (1) les potentiels « positifs » des MOEx : (i) suivi de la minéralisation du carbone et de l'azote mesurée dans des conditions contrôlées pour une valorisation agronomique, (ii) détermination du pouvoir calorifique et du potentiel méthanogène pour une valorisation énergétique ; et (2) les potentiels « négatifs » des MOEx : (i) dénitrification potentielle et (ii) phytotoxicité en présence d’éléments trace métallique. Pour élaborer la typologie, la méthode SIRIS (Système d'Ingration des Risques par Interaction des Scores) a été appliquée pour formaliser les étapes d'une procédure logique menant à une classification des MOEx selon l'objectif de l'orientation de recyclage. La diversité des MOEx est illustrée à titre d'exemple par une large gamme des teneurs en (i) C (de 2 à 64 gC.100g-1MS), (ii) N (de 0,2 à 14gN.100g-1MS), (iii) P total (0,01 à 16gP.100g-1MS), K total (0,04 à 30 gK.100g-1MS). En prenant en compte l'ensemble des MOEx, les étalonnages des modèles SPIR sont acceptables pour la prédiction des teneurs en C, en N, en P et en K. Pour les potentiels « positifs » des MOEx (1) suivant les types de MOEx 102 à 955 kgMO.t-1MOEx pourraient être stockées dans le sol pour le maintien de la fertilité, (2) les pouvoirs calorifiques des MOEx varient de 7 à 28 MJ.kg-1MS et les potentiels méthanogènes vont de 69 à 488 NmlCH4.g-1MO. Quant aux potentiels négatifs, que ce soit pour les émissions de N2O ou pour la phytotoxicité des ETM, une forte interaction entre les propriétés du sol (pH, texture, …) avec les MOEx masque souvent certains effets. La méthode SIRIS a permis de classifier les MOEx selon un processus simple basé sur le classement de critères et de scores d'auto-pénalisation. Cette approche est intéressante en l'absence de données précises qui sont souvent difficiles à obtenir. L'aide des prédictions par la SPIR nous a été utile pour cette démarche d'orientation de la valorisation agronomique et/ou énergétique des MOEx. Des approches socio-économiques devraient compléter notre étude pour aboutir à l'orientation finale de valorisation des MOEx.

  • Titre traduit

    Agricultural and urban exogenous organic matter (EOM) in tropical area : The help of Near Infrared Spectroscopy (NIRS) for better orientate their valorization between soil fertilization and energy production


  • Résumé

    As observed in northern/rich countries, there is an increase in the production of organic wastes in southern/less advanced countries. So called, Exogenous Organic Matter (EOM), they can be a valuable fertilizer or amendment for agricultural soils or a new supply for energy production. The safe utilisation of EOM requires an in-depth scientific knowledge of their nature and impacts on the environment. Laboratory analysis and experiments have to be carried out in order to know their complex structure related to their physical, chemical and biochemical properties. These techniques represent a relatively high cost and are time consuming. In this study, the near infrared spectroscopy (NIRS) was chosen as an alternative to classical methods for laboratory characterisations of tropical EOM. The objectives of this study are (1) to show that NIRS is a suitable method for predicting EOM characteristics (2) to characterize EOM in terms of their agronomic potential and/or energetic potential, and (3) to elaborate a typology, build with predicted parameters by NIRS, taking into account some environmental impacts of the different utilisations of EOM.The dataset included more than 2000 EOM samples covering a broad range of fresh and transformed organic materials. Each EOM was scanned using a NIR spectrometer from 1100nm to 2500nm. In addition to the classical laboratory characterisations (dosages of total carbon, nitrogen, phosphorus, potassium), other experiments have been carried out: (1) for “positive” potentials: (i) C and N mineralization measured in controlled conditions (for an agronomic use), (ii) determination of High Heating Value and Biochemical Methane Potential (for an energetic use) and (2) for “negative” potential or risk: phytotoxicity assessment due to trace elements, and the determination of potential nitrous oxide emission. To elaborate the typology, the SIRIS method (System of Integration of Risk with Interaction of Scores) was carried out in order to formalize the steps of a logical procedure, leading to a decision according to objective of the recycling orientation.Diversity of EOM is illustrated by the variability of (i) C contents (from 2 to 64 gC.100g-1DM); (ii) N contents (from 0.2 to 14gN.100g-1DM); (iii) total P contents (from 0.01 to 16gP.100g-1DM),(iv) total K contents (from 0.04 to 30 gK.100g-1DM). When taking into account all EOM without regarding their nature, acceptable predictive models were obtained with NIRS calibration for estimating C, N, total P and total K contents for EOM.“Positive” potential assessment provided information about (1) remaining organic carbon might be stocked into soil after applying EOM (from 102 to 955 kg.t-1TOM) (2) High Heating Value of EOM when recycling as a supply of small scale combustion or thermo chemical conversion (from 7 to 28 MJ.kg-1DM), (3) Biochemical Methane Potential after EOM anaerobic digestion (from 69 to 488 NmlCH4.g-1TOM). Both “negative” potential which took into account phytotoxicity due to trace elements and nitrous oxide emissions were highly interacted on the soil properties (pH, texture). The SIRIS method appeared to be an efficient decision-making tool in this study. It made it possible to classify the EOM according to a simple process based on the ranking of criteria and a self-penalization scoring system. This approach can be used in the absence of accurate, reliable data, which are often difficult to obtain. The help of NIR prediction was useful for better orientate the EOM valorization between soil fertilization and energy production. Further concern will be focused on socio-economical approach in order to complete the final destination of EOM re-use.


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  • Détails : 1 vol. (226 f.)
  • Annexes : Bibliographie f. 207-226

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