PROJET PHOSPH OR Développement de procédés de recyclage du phosphore sous une forme valorisable en agriculture. David Achat et Christian Morel

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1 PROJET PHOSPH OR Développement de procédés de recyclage du phosphore sous une forme valorisable en agriculture TÂCHE 6 «ANALYSE DE LA VALEUR FERTILISANTE PHOSPHATÉE DE PRODUITS DE RECYCLAGE» David Achat et Christian Morel UMR 1391 ISPA, Centre de Recherches INRA de Bordeaux 1

2 Valeur fertilisante phosphatée des produits résiduaires organiques: définition La valeur fertilisante phosphatée d un produit exprime la phytodisponibilité du P d un produit en % de la phytodisponibilité du P d une forme de référence. La forme de référence est un engrais phosphaté soluble dans l eau et le citrate d ammonium (superphosphates, ammonium phosphates ). La valeur fertilisante phosphatée = le coefficient d équivalenceengrais La valeur fertilisante phosphatée est utilisée pour raisonner/calculer l application d un produit sur la base de sa teneur totale en P Exemple: l épandage de 50 kg P/ha d un produit avec un Keq-TSP de 50% apporte l équivalent de 25 kg P/ha de TSP 2

3 Le contexte des travaux réalisés sur la valeur fertilisante phosphatée des produits résiduaires organiques Diversité et hétérogénéité des produits résiduaires organiques épandus en agriculture Evolution continuelle des filières, des procédés de traitement Manque de références actualisées sur le devenir du phosphore des produits organiques dans les sols agricoles Insuffisance des outils de prévision à prendre en compte de larges gammes de produits et la nature complexe et dynamique des processus impliqués au cours de leur évolution dans le sol 3

4 Valeur fertilisante phosphatée des produits résiduaires organiques. Exemple évaluation au champ de boues-step Δstock[Pi(dissous+diffusibles 1an )] Essai d Ensisheim (68) (coll. Schaub (ARAA), N. Valentin (Mission recyclage agricole 68)) Superphosphate Boue biologique Boue biologique chaulée A même bilan, la biodisponibilité du P des boues est équivalente à celle du triple superphosphate VF(P-BCh & P-BOUE)) long terme = 100% Résultats confortés par la littérature Mais information impossible à obtenir pour tous les produits résiduaires organiques4 4

5 Valeur fertilisante phosphatée des produits résiduaires organiques. Evaluation à court terme Synthèse des études en pots de culture avec utilisation du traçage isotopique (Zhang, 1991; Frossard et al., 1992; 1996; Guivarch, 2001; Linèes et Morel, 2001) Triple superphosphate 100 Boues de STEP biologique (18) physico-chimique (6) 88 5 digestion (16) compostage (5) O.M. grises compostage (2) 84 Biodéchets compostage 54 Fumiers bovins (4) 76 8 Litières porcs (5) sur paille ou copeaux 99 8 Lisiers porcs refus de tamisage (2) 86 2 boues (2) 97 5 Déjections volailles (2) Pas de références de la VFP pour les produits de recyclage extraits par différents procédés de lisiers ou d effluents de fromagerie 5

6 Objectifs tâche 6 «ANALYSE DE LA VALEUR FERTILISANTE PHOSPHATÉE DE PRODUITS DE RECYCLAGE» 1. Déterminer, dans un sol, la biodisponibilité du P contenu dans différents produits de recyclage en comparaison de celle du TSP. Établir la valeur fertilisante phosphatée (Keq-TSP) de ces produits. 2. Etudier des modifications de la solubilité et mobilité des ions phosphate pour une gamme large de sols cultivés (ph compris entre 5 et 8) 6

7 Démarche expérimentale tâche 6 «ANALYSE DE LA VALEUR FERTILISANTE PHOSPHATÉE DE PRODUITS DE RECYCLAGE» Utilisation d une démarche expérimentale mise au point sur l étude des engrais phosphatés, des boues, de composts urbains Etude de systèmes de plus en plus complexes : Analyse de la composition des produits seuls évaluation à court terme de la disponibilité du P pour les plantes-tests lors de culture en pots pendant 2 à 3 mois en utilisant le traçage isotopique. Modifications solubilité et mobilité du P du sol: incubations sol+produit pendant 28 j (28 C) 7

8 1)tâche 6 Phosph Or: «ANALYSE DE LA VALEUR FERTILISANTE PHOSPHATÉE DE PRODUITS DE RECYCLAGE» Les produits de recyclage étudiés : - 1 produit obtenu par bioprécipitation (BioP) du P présent dans un effluent de fromagerie (fourni par le Laboratoire d Ingénieries des Systèmes Biologiques et des Procédés (LISBP) de l INSA Toulouse) - 4 produits de recyclage (PP-1 à PP-4) de P obtenus par précipitation du P présent dans du lisier de porc: séparation solide/liquide, acidification puis ajout de MgO (produits fournis par IRSTEA-Rennes) 3 composés phosphatés chimiquement purs : Triple Superphosphate (CaH 2 PO 4, qualité commerciale) hydroxyapatite (HA: Ca 5 (PO 4 ) 3 OH) struvite (ST: NH 4 MgPO 4.6H 2 O) 8

9 Essai Produits issus du pilote de laboratoire IRSTEA-Rennes : Tableau I : conditions opératoires (Source A-C Santellani et M-L Daumer ph de consigne Température C Agitation (t.min -1 ) N:P initial Volume soutiré (ml) PP PP PP-3 8 (7.5) PP

10 MÉTHODES Évaluation de la phytodisponibilité à court terme du P des produits Détermination de la solubilité et de la mobilité du P 10

11 Phytodisponibilité à court terme du P des produits Cultures de graminées prairiales en pots pendant 2 à 3 mois (3-4 coupes) avec solution nutritive complète sauf P. Traitements : sol témoin; sol + produits testés; sol + formes chimiques connues (3) Mesure des quantités de 31 P et de 32 P dans les parties aériennes récoltées (4) P prélevé de: P phytodisponible du sol: P sol De l apport: P apport Sol sans apport de P (1) Traçage isotopique du P du sol par des ions 32 PO4 (2) Apport de 50 mg P kg -1 sol sous forme: de produits de recyclage De TSP, HA et ST 11 11

12 Modifications solubilité et mobilité du P en fonction du ph du sol Incubations sol, seul ou avec produit, dans des conditions standardisées (28 C et 75% humidité), répétées 3 fois: un sol (8 produits + témoin) pendant 1, 2, 5, 12, 28, 57 and 89 jours 7 sols (8 produits + témoin) pendant 28 j; sols avec ph variable 1) Détermination de la solubilité et de la mobilité du P du sol après apport des produits; 2) Calcul de la variation relative de solubilité et de la mobilité (ΔE/E%) par la méthode des cinétiques de dilution isotopique des ions phosphate 3) Comparaison avec les trois composés chimiques purs dans une gamme de sols avec un ph variable 12

13 Détermination de la solubilité et de la mobilité du P Expériences sur suspensions de sol: cinétique de dilution isotopique des ions phosphate (Fardeau et al. 1991) Quantité brute (Pr) d ions P transférés entre le sol et la solution d une suspension par diffusion 1. À t=0, introduction de R ( 32 PO 4 ) MARQUAGE DES IONS P EN SOLUTION Suspension de sol (1g:10ml) à l état stationnaire 2. Echantillonnage de la suspension de sol après différentes durées d échange isotopique: DILUTION ISOTOPIQUE DES IONS P EN SOLUTION 5. VALEUR EXPERIMENTALE DE Pr: application du principe de dilution isotopique (identité de composition isotopique) et état stationnaire 3. FILTRATION 4. COMPTAGE DES IONS 32 PO 4 EN SOLUTION ( r ) (R-r)/Pr = r/qw Avec Qw=Cp V/M Valeur E= Pr+ Qw 4. DOSAGE DES IONS P EN SOLUTION (Cp) 13

14 RÉSULTATS Objectif 1: Déterminer, dans un sol, la phytodisponibilité du P contenu dans différents produits de recyclage en comparaison de celle du TSP. Établir la valeur fertilisante phosphatée (Keq-TSP) de ces produits. 14

15 Composition des produits de recyclage Teneur en P total : 12% BioP, 8-12 % «PP-1 à PP-4» À plus de 98% le P est sous forme inorganique 2% de P soluble pour BioP et la totalité de P est mobile en quelques jours 0.1% soluble pour PP-1 à PP-4 et P peu mobile BioP PP-1 à 4 Carbone : 17% 2-3% Azote : 3,4% 1-4% Potassium : 0,2% 1-2% Calcium : 24% 3-8% Magnésium : 0,3% 23-26% Soufre : 0,2% 0,3-1,5% 15

16 Biomasse (g/pot) Phytodisponibilité à court terme du P des produits Sol de ph=6.5 et de teneur P-Olsen= 14 mg P/kg sol (31 mg P 2 O 5 /kg sol) (coll. D. Hanocq CRAB) Effets des traitements sur la biomasse récoltée de parties aériennes * * * * * * * SOL SEUL BioP PP-1 PP-2 PP-3 PP-4 TSP HA ST * : différence significative entre le «sol + produit» et sol seul Sol déficient en phosphore augmentation significative de biomasse biomasse avec tous les traitements Résultats NS entre produits de recyclage, TSP et struvite Résultats HA proche du témoin «sol seul» 16

17 Teneur (mg-p/g MS) Phytodisponibilité à court terme du P des produits Sol de ph=6.5 et de teneur P-Olsen= 14 mg P/kg sol (31 mg P 2 O 5 /kg sol) (coll. D. Hanocq, CRAB) Effets des produits sur la teneur P des parties aériennes récoltées SOL SEUL BioP PP-1 PP-2 PP-3 PP-4 TSP HA ST Sol déficient en phosphore augmentation significative de la teneur P de la teneur P avec tous les traitements Résultats NS entre produits de recyclage, TSP et struvite hydroxyapatite proche du témoin Séminaire de «fin sol de projet, seul 23» Janvier

18 Phytodisponibilité à court terme du P des produits P prélevé du sol (mg P/kg=) Sol de ph=6.5 et de teneur P-Olsen= 14 mg P/kg sol (31 mg P 2 O 5 /kg sol) (coll. D. Hanocq, CRAB) Effets des produits sur le prélèvement de phosphore du sol (résultats cumulés des 3 coupes récoltées pendant 2 mois de culture) % % +113% +68% % SOL SEUL BioP PP-1 PP-2 PP-3 PP-4 TSP HA ST Interaction significative de l apport de P sur la quantité du P prélevé du sol expliquée par l augmentation de la biomasse racinaire; elle dépend du produit. 18

19 Contribution du P apporté à la nutrition P (%) Phytodisponibilité à court terme du P des produits Sol de ph=6.5 et de teneur P-Olsen= 14 mg P/kg sol (31 mg P 2 O 5 /kg sol) (coll. D. Hanocq, CRAB) Contribution du P des produits à la nutrition phosphatée (Pdff%) Indicateur de phytodisponibilité : Pdff% Contribution du P apporté au prélèvement total de P par la plante P issu apport Pdff% = 100 P total BioP PP-1 PP-2 PP-3 PP-4 TSP HA ST Pdff% NS différente entre produits de recyclage, struvite et TSP VFPmoyenne «P-extrait lisier par procédés chimiques» = 91% du TSP VFP du P-extrait effluent fromagerie par procédé microbien» = 85% du TSP VFP hydroxyapatite = 22% du TSP VFP struvite = 111% du TSP 19

20 Phytodisponibilité à court terme du P des produits et variation solubilité/mobilité des ions phosphate Est-il possible de connaître la phytodisponibilité du P des produits de recyclage sans plante? Principe: mettre en relation la contribution du produit à la nutrition phosphatée (Pdff%) et la contribution du P du produit aux (ions P dissous et mobiles, désigné par E): incubations mélange(sol+50 mg P/kg sol produit) puis utilisation du traçage isotopique 40% ΔE/E% 30% 20% 10% y = 1.13x R² = 0.80 Pdff% 0% 0% 10% 20% 30% 40% IRSTEA LISBP TSP HA ST Témoin La variation relative des ions P dissous et mobiles est étroitement corrélée au Pdff% Résultat en accord avec: Morel et Fardeau (1990) avec engrais Guivarch (2001) sur les boues de STEP, Cabeza et al. avec produits de recyclage extraits d eau usées et boues Nanzer et al sur les cendres de boues 20

21 RÉSULTATS Objectif 2: Etudier les modifications de la solubilité et mobilité des ions phosphate pour une gamme de sols cultivés couvrant une gamme large de ph (entre 5 et 8) 21

22 Modifications solubilité et mobilité du P en fonction du ph du sol Objectif 2: Etudier l effet du ph du sol sur la solubilité et la mobilité des produits réactions de dissolution de l hydroxyapatite Ca 5 (PO 4 ) 3 OH + 6H + 5Ca H 2 PO OH - (K s = ) Hypothèse de travail: si apatite présente dans BioP, alors la (solubilité+mobilité) du P de ce produit varie avec l acidité du sol. Pas d information sur l effet ph avec produit contenant struvite 22

23 Modifications solubilité et mobilité du P en fonction du ph du sol: les sols (coll. T. Morvan, D. Hanocq, Y. Lambert) Localité Le Trévoux Podzol Trémuson Plangenoual Pluneret Pouldreuzic PG-Folleville Département Argile (< 2 µm) % limons (2/50µm) % sables (50/2000 µm) % C organique g/kg ph EAU SOL CALCAIRE (CACO3) TOTAL g/kg <1 <1 <1 <1 <1 <1 31 P-OLSEN mg P/kg P2O5-OLSEN mg P2O5/kg Ptotal-HF SOL mgp/kg P2O5total-HF SOL mg P205/kg Al-ammonium oxalate mmole Al/kg Fe-ammonium oxalate mmole Fe/kg (Al+Fe)ammonium oxalate mmole (Al+Fe)/kg

24 Modifications solubilité et mobilité du P apporté. Exemple des 50 mg P-TSP/kg sol (après 28j incubation à 28 C) Plangenoual (22) Podzol landais (33) Folleville (78) Tremuson (22) Variation ions P en solution (mg P/g sol) mg P-TSP Pouldreuzic (29) Pluneret (56) 0.10 R² = Le Trévoux (29) Al_oxalate ammonium acide (g/100g)) Réactions des ions phosphates est expliquée essentiellement par la teneur en P extrait oxalate ammonium acide ( oxyhydroxides d aluminium) 24

25 Modifications solubilité et mobilité du P des produits (mg P/kg sol) en relation avec variation solubilité et mobilité du TSP (mg P/kg sol) Extraction par précipitation chimique du P-lisier ST solubilité + mobilité P PP-4 solubilité + mobilité P Solubilité 1.00 y = 0.97x R² = y = 0.97x R² = 0.97 Solubilité TSP TSP solubilité + mobilité du P des produits obtenus par précipitation chimique est équivalente à celle du TSP et ST pour les 7 sols étudiés Efficacité relative = 100% 25

26 Modifications solubilité et mobilité du P: comparaison BioP au TSP et HA Efficaité relative TSP % Procédé de bioprécipitation d un effluent de fromagerie TSP BioP HA ph_h2o solubilité + mobilité du P-BioP équivalente à celle de HA (varie avec ph du sol) 26

27 Bilan: les acquis de cette tâche 6 Les produits obtenus par traitement chimique de lisiers de porc ont une phytodisponibilité à court terme du P et une solubilité/mobilité équivalente à celle du TSP et struvite dans un sol de ph=6.5. La solubilité/mobilité de ces produits ne dépend pas du ph du sol. Le produit obtenu par bioprécipitation d un effluent de fromagerie a, dans un sol légèrement acide, une phytodisponibilité à court terme de 85% du P supérieure à HA (22%). La solubilité/mobilité BioP varie avec le ph du sol de manière similaire à HA. 27

28 Merci et n oubliez pas PHOSPHORUS week 2014 Montpellier, the place to be 28

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