Contribution to the modelling of aggregation process and nutrient transfert in Technosols constructed with waste materials
Contribution à la modélisation des processus d'agrégation et de transfert d'éléments nutritifs dans les Technosols construits à partir de déchets
Résumé
Greening of urban spaces requires large amounts of arable soil which is a non-renewable resource. To preserve this resource, a strategy is proposed to build fertile Technosols from wastes and by-products by pedological engineering. The properties of Technosols are highly influenced by their constitutive technogenic materials. In order To create favourable mixtures of materials for urban plant growth a preliminary scientific analysis is required. The fertility of the mixtures and their evolution can be assessed by the study of the aggregation process and nutrients transfer during the first stage of pedogenesis.
An experimental model of constructed Technosol is proposed in this work. From this model a methodology is developed for the selection of eleven constitutive materials (e.g. bricks, compost made of sludge and green waste, concrete, demolition rubble, excavated earth materials, green wastes, paper mill sludge, sewage sludge, street sweeping wastes, track ballast). Each of these materials is representative of wastes deposits listed European wide and they are suitable candidates for the construction of fertile soils. The fertility of each pure material and of selected mixtures has been determined. Thereafter, experiments under controlled conditions enabled to assess the impact of different pedogenesis factors (e.g. anthropogenic, climatic and biological) involved in the definition of the fertility of constructed Technosols. The results demonstrate (i) the feasibility of the formulation of fertile constructed Technosols exclusively with two or three wastes presenting contrasted physico-chemical properties; and (ii) that the properties of selected mixtures can be modelled using the initial properties of their constitutive parent materials ; (iii) that during the first stage of pedogenesis of the mixtures, depending on parent materials nature and properties, stable aggregates can be formed, (iv) that nutrients transfer are highly dependent on organic matter nature and the process of particles mixing. The delivery of nutrients (e.g. phosphorus) seems to be related to the amounts and size of the formed aggregates and, consequently, to the established porosity.
The understanding of the functioning and evolution of Technosols constructed with waste materials provides new knowledge for the development of pedological engineering. The methodology of wastes selection and the mixing process developed in this work enables us to propose mixtures and constructed soils favourable to various uses. The evolution models of the mixtures developed in this work allow the prediction of the physico-chemical fertility of constructed Technosols.
The results acquired during this thesis are the main basis of a decision support tool for green spaces operators developed in the framework of the research program SITERRE-ADEME (2010-2015). The use of this decision support tool for plant biomass production, has to be associated with an expertise in soil construction
La végétalisation d'espaces en zone urbaine nécessite l'utilisation de grandes quantités de ressource naturelle terreuse. Pour préserver cette ressource non renouvelable, le génie pédologique propose une stratégie de construction de Technosols fertiles à partir du recyclage de déchets et sous-produits. Les propriétés des Technosols sont alors fortement influencées par les matériaux technogéniques qui les constituent. La formulation de mélanges performants pour la croissance des végétaux urbains passe par une analyse scientifique préalable. La fertilité des mélanges et leur évolution au cours du temps peuvent être appréciées par l'étude du processus d'agrégation et du transfert d'éléments nutritifs lors des stades précoces de la pédogenèse.
Le modèle expérimental de Technosol construit proposé dans la Thèse développe une méthodologie aboutissant à la sélection de 11 matériaux (ballasts, béton, boues de station d'épuration urbaine, briques, compost de boues et de déchets verts, déchets de balayage de rue, déchets de démolition, déchets verts, terres excavées de profondeur, sous produits papetiers) représentatifs des gisements de déchets recensés au niveau européen et compatibles avec la construction de sol fertile. Le potentiel fertile initial de chaque matériau pur et de certaines combinaisons de mélanges a été mesuré. Puis des expériences menées en conditions contrôlées ont permis d'évaluer l'effet de différents facteurs pédogénétiques (e.g. anthropique, climatique et biologique) sur les processus déterminant de la fertilité des Technosols construits. Les résultats indiquent (i) qu'il est possible de construire un Technosol fertile exclusivement à partir de deux ou trois déchets aux propriétés physico-chimiques complémentaires; (ii) que les propriétés des mélanges sélectionnés peuvent être modélisées à partir des propriétés initiales de leurs matériaux parents.(iii) que lors des premiers stades d'évolution pédogénétique des mélanges, des agrégats stables se forment en fonction de la nature et des propriétés des matériaux parents, (iv) que les transferts d'éléments nutritifs sont fortement dépendants de la nature des matières organiques et du procédé de mélange des particules entre elles. La libération d'éléments nutritifs (e.g. phosphore) serait liée à la taille et la quantité des agrégats formés et en corollaire à la mise en place d'une organisation porale.
Les connaissances acquises sur le fonctionnement et l'évolution des Technosols construits à partir de déchets apportent des connaissances nouvelles pour le génie pédologique. La méthode de choix de déchets ainsi que le procédé de formulation de mélanges développés dans ces travaux permettent d'obtenir des mélanges voire des sols construits performants par rapport à des usages attendus. Les modèles d'évolution des mélanges permettent de prédire au cours du temps la fertilité physico-chimique des Technosols construits.
Dans le cadre du programme SITERRE-ADEME (2010-2015), les résultats acquis constituent des bases incontournables dans le développement d'un outil d'aide à la décision pour les gestionnaires (e.g. collectivités, bureaux d'étude, entreprises) auquel doit être associée une expertise sur la construction de sol pour la production de biomasse végétale
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)