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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
Séminaire de fin de projet, 23 Janvier 2014
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
Séminaire de fin de projet, 23 Janvier 2014
2
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
Séminaire de fin de projet, 23 Janvier 2014
3
Valeur fertilisante phosphatée des produits résiduaires
organiques. Exemple évaluation au champ de boues-STEP
Δstock[Pi(dissous+diffusibles1an)]
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
Séminaire de fin de projet, 23 Janvier 2014
résiduaires organiques4
4
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)
digestion (16)
compostage (5)
92
88
71
73
O.M. grises
Biodéchets
compostage (2)
compostage
84
54
Fumiers bovins (4)
Litières porcs (5)
Lisiers porcs
Déjections volailles (2)
sur paille ou copeaux
refus de tamisage (2)
boues (2)
16
5
20
18
76
8
99
86
97
8
2
5
87
15
Pas de références de la VFP pour les produits de recyclage extraits par
différents procédés
de lisiers ou d’effluents de fromagerie
Séminaire de fin de projet, 23 Janvier 2014
5
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)
Séminaire de fin de projet, 23 Janvier 2014
6
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)
Séminaire de fin de projet, 23 Janvier 2014
7
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 (CaH2PO4, qualité commerciale)
 hydroxyapatite (HA: Ca5(PO4)3OH)
 struvite (ST: NH4MgPO4.6H2O)
Séminaire de fin de projet, 23 Janvier 2014
8
Produits issus du pilote de laboratoire IRSTEA-Rennes :
Tableau I : conditions opératoires (Source A-C Santellani et M-L
Daumer
Essai
pH de
consigne
Température °C
Agitation
(t.min-1)
N:P
initial
Volume
soutiré
(mL)
PP-1
8
20
200
0.7
400
PP-2
8
15
200
0.6
400
PP-3
8 (7.5)
15
200
0.7
1000
PP-4
8
15
250
1.3
400
Séminaire de fin de projet, 23 Janvier 2014
9
MÉTHODES
Évaluation de la phytodisponibilité
à court terme du P des produits
Détermination de la solubilité et
de la mobilité du P
Séminaire de fin de projet, 23 Janvier 2014
10
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 31P
et de 32P dans les parties
aériennes récoltées
Sol sans
apport
de P
(1) Traçage isotopique du P du
sol par des ions 32PO4
(4) P prélevé de:
 P phytodisponible du sol: Psol
 De l’apport: Papport
(2) Apport de 50 mg P kg -1 sol
sous forme:
 de produits de recyclage
 De TSP, HA et ST
Séminaire de fin de projet, 23 Janvier 2014
11 11
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
Séminaire de fin de projet, 23 Janvier 2014
12
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
2. Echantillonnage de la suspension de sol après
1. À t=0, introduction de R
différentes durées d’échange isotopique:
DILUTION ISOTOPIQUE DES IONS P EN
SOLUTION
(32PO
4)
MARQUAGE DES IONS P EN SOLUTION
Suspension de sol (1g:10ml) à
l ’état stationnaire
5. VALEUR EXPERIMENTALE DE Pr:
application du principe de dilution isotopique
(identité de composition isotopique) et état
stationnaire
3. FILTRATION
4. COMPTAGE DES IONS
32PO
4
EN SOLUTION ( r )
(R-r)/Pr = r/Qw
Avec Qw=Cp V/M
Valeur E= Pr+ Qw
4. DOSAGE DES IONS P
ENfin
SOLUTION
(Cp)
Séminaire de
de projet,
23 Janvier 2014
13
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.
Séminaire de fin de projet, 23 Janvier 2014
14
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%
Azote :
3,4%
1-4%
Potassium :
0,2%
1-2%
Calcium :
24%
3-8%
2-3%
Magnésium : 0,3%
23-26%
Soufre :
0,3-1,5%
0,2%
Séminaire de fin de projet, 23 Janvier 2014
15
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 P2O5/kg sol) (coll. D. Hanocq CRAB)
Effets des traitements sur la biomasse récoltée de parties aériennes
7.00
Biomasse (g/pot)
6.00
5.00
*
*
*
*
*
*
*
4.00
3.00
2.00
1.00
0.00
SOL BioP PP-1 PP-2 PP-3 PP-4 TSP
SEUL
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
Séminaire«
desol
fin deseul
projet,»
23 Janvier 2014
16
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 P2O5/kg sol) (coll. D. Hanocq, CRAB)
Effets des produits sur la teneur P des parties aériennes récoltées
2.5
Teneur (mg-P/g MS)
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
SOL BioP PP-1 PP-2 PP-3 PP-4
SEUL




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
Séminaire de
de projet,
hydroxyapatite proche du témoin
« fin
sol
seul 23
» Janvier 2014
17
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 P2O5/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)
+112%
P prélevé du sol (mg P/kg=)
10.0
9.0
+113%
+101%
8.0
+68%
7.0
6.0
+32%
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0.0
SOL BioP
SEUL
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.
Séminaire de fin de projet, 23 Janvier 2014
18
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 P2O5/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
Contribution du P apporté à la
nutrition P (%)
35.00
30.00
25.00
20.00
15.00
10.00
5.00
0.00
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
Séminaire de fin de projet, 23 Janvier 2014
VFP struvite = 111% du TSP
19
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%
IRSTEA
LISBP
TSP
HA
ST
Témoin
20%
10%
y = 1.13x
R² = 0.80
0%
0%
10%
20%
Pdff%
30%
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. 2013 sur les cendres de boues
40%
Séminaire de fin de projet, 23 Janvier 2014
20
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)
Séminaire de fin de projet, 23 Janvier 2014
21
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
Ca5(PO4)3OH + 6H+  5Ca2+ + 3H2PO4- + OH- (Ks=2.2 10-59)
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
Séminaire de fin de projet, 23 Janvier 2014
22
Modifications solubilité et mobilité du P en fonction du pH du sol:
les sols (coll. T. Morvan, D. Hanocq, Y. Lambert)
Localité
Département
Le Trévoux
Podzol
Trémuson Plangenoual
Pluneret
Pouldreuzic PG-Folleville
29
33
22
22
56
29
78
Argile (< 2 µm)
%
21.6
7.3
15.5
14.8
18
20.8
28.7
limons (2/50µm)
%
42.2
5.2
63.2
41.5
22.5
42.3
60.3
sables (50/2000 µm)
%
36.2
87.5
21.3
43.7
59.5
36.9
11
C organique
g/kg
50.9
31.5
16
16.6
27.7
26.5
14.3
5.2
5.2
5.4
6.3
6.4
6.5
8.1
CALCAIRE (CACO3) TOTAL g/kg
<1
<1
<1
<1
<1
<1
31
P-OLSEN
mg P/kg
4
10
18
12
16
14
8
P2O5-OLSEN
mg P2O5/kg
9
22
42
28
36
31
19
Ptotal-HF SOL
mgP/kg
773
231
594
760
978
865
502
P2O5total-HF SOL
mg P205/kg
1770
530
1360
1740
2240
1980
1150
Al-ammonium oxalate mMole Al/kg
233
45
57
48
117
89
53
Fe-ammonium oxalate mMole Fe/kg
96.4
11.3
76.9
72.9
87.1
89.2
28.0
(Al+Fe)ammonium
oxalate
329.0
56.5
133.5
121.1
204.1
178.5
80.5
pH EAU SOL -
mMole
(Al+Fe)/kg
Séminaire de fin de projet, 23 Janvier 2014
23
Modifications solubilité et mobilité du P apporté.
Exemple des 50 mg P-TSP/kg sol (après 28j incubation à 28 C)
Variation ions P en solution (mg P/g sol)
Plangenoual (22)10.00
Podzol landais (33)
Folleville (78)
Tremuson (22)
50 mg P-TSP
Pouldreuzic (29)
1.00
Pluneret (56)
0.10
R² = 0.8851
Le Trévoux (29)
0.01
0
0.2
0.4
0.6
0.8
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)
Séminaire de fin de projet, 23 Janvier 2014
24
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
solubilité +
mobilité P
100.00
100.00
ST
10.00
Solubilité
solubilité +
mobilité P
PP-4
10.00
1.00
y = 0.97x
R² = 0.97
1.00
y = 0.97x
R² = 0.99
Solubilité
0.10
0.10
TSP
0.01
0.01
0.10
1.00
10.00
100.00
TSP
0.01
0.01
0.10
1.00
10.00
100.00
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%
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25
Modifications solubilité et mobilité du P: comparaison
BioP au TSP et HA
Procédé de bioprécipitation d’un effluent de fromagerie
Efficaité relative TSP %
140
120
TSP
100
80
BioP
60
40
HA
20
0
4.5
5
5.5
6
6.5
7
7.5
8
8.5
pH_H2O
solubilité + mobilité du P-BioP équivalente à celle de HA (varie avec pH du sol)
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26
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.
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27
Merci et n’oubliez pas
PHOSPHORUS week
2014
Montpellier, the place to be
…
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28
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