Reusable Perforated Plastic-Ball Bulking Agent for Decentralized Food Waste Composting: Maturity Validation, Nutrient Retention and Machine Learning-Based Process Interpretation

Chaque jour, des millions de tonnes de restes alimentaires sont jetées, finissant souvent dans des décharges où elles pourrissent sans air. Ce processus de décomposition libère de mauvaises odeurs et des gaz à effet de serre, tandis que les nutriments précieux contenus dans la nourriture sont perdus à jamais. Une meilleure façon de gérer ces déchets est le compostage, une méthode naturelle où des microbes décomposent la matière organique en un engrais riche pour le sol. Pour que cela fonctionne bien, le tas a besoin d'oxygène. Sans assez d'air, le processus stagne, le tas devient trop humide et compacté, et les bactéries bénéfiques ne peuvent pas faire leur travail. Traditionnellement, les gens mélangent des matériaux volumineux comme de la sciure de bois ou des copeaux de bois pour maintenir le tas meuble et aéré. Cependant, ces matériaux naturels se décomposent eux-mêmes pendant le processus, perdant ainsi leur capacité à retenir l'air et nécessitant un remplacement constant.

Des chercheurs cherchent une solution qui maintienne le tas ouvert sans disparaître. Ils s'intéressent également à l'utilisation de données pour comprendre exactement comment ces tas de compost changent au fil du temps, passant de simples suppositions à des prédictions précises. L'objectif est de transformer les déchets alimentaires à haute teneur en humidité en un produit stable, sûr et riche en nutriments rapidement, en particulier pour des endroits comme les écoles, les hôtels ou les quartiers qui génèrent des déchets quotidiennement mais manquent d'espace pour de grandes installations industrielles.

Dans un cadre de laboratoire contrôlé, un chercheur de l'Université MIT Art Design and Technology à Pune, en Inde, a testé une nouvelle approche à ce problème. L'étude s'est concentrée sur l'utilisation de billes de plastique réutilisables, plus précisément des billes perforées, comme substitut permanent aux copeaux de bois traditionnels. Ces billes de plastique agissent comme un échafaudage, créant de minuscules tunnels pour que l'air circule à travers les déchets alimentaires humides sans se décomposer elles-mêmes. Le chercheur a mélangé des déchets alimentaires collectés dans une cantine universitaire avec quelques additifs utiles : du biochar pour retenir les nutriments, de la chaux pour équilibrer l'acidité, de la poudre de neem pour contrôler les microbes indésirables, et du jaggery pour nourrir les bactéries. Pour voir quelle quantité d'échafaudage en plastique était nécessaire, quatre lots différents ont été préparés. Un lot ne contenait aucune bille de plastique, servant de témoin. Les trois autres lots contenaient 2 %, 4 % et 8 % de billes de plastique en poids, mélangées aux déchets alimentaires.

L'expérience s'est déroulée pendant trente jours à l'intérieur d'un réacteur métallique spécialement conçu qui pouvait contrôler la température et le flux d'air. La machine maintenait le tas chaud et fournissait de l'oxygène par cycles, imitant les conditions d'un système de compostage à grande échelle. Tout au long du mois, le chercheur a mesuré la température du tas, l'évolution de l'acidité et l'évolution de la composition chimique des déchets. La mesure clé du succès était le rapport carbone/azote, un indicateur standard pour savoir si le compost est prêt à l'emploi. Un rapport élevé signifie que le matériau est encore brut et instable, tandis qu'un rapport plus faible indique que le compost a mûri pour devenir un produit sûr, semblable à du sol.

Les résultats ont montré une différence claire entre les lots. Le tas témoin sans billes de plastique a eu du mal à rester chaud et n'a atteint qu'une température de pointe de 40 degrés Celsius. Il n'est jamais resté dans la zone de haute température assez longtemps pour désinfecter complètement les déchets ou les décomposer efficacement. À la fin du mois, ce tas n'était toujours pas totalement mature, avec un rapport carbone/azote qui restait trop élevé pour une utilisation sûre. En revanche, les lots avec des billes de plastique ont bien mieux performé. Le lot avec 8 % de billes de plastique a atteint une température de pointe de 58 degrés Celsius et est resté assez chaud pour tuer les agents pathogènes pendant onze jours. Cette chaleur a aidé les microbes à travailler plus vite, et le tas a mûri de manière significative plus tôt. Au dix-huitième jour, ce lot avait déjà atteint la plage cible de maturité, et au vingt-quatrième jour, il était totalement stable. Les autres lots avec 2 % et 4 % de plastique ont également montré une amélioration, mais le lot à 8 % a affiché la performance la plus constante.

Au-delà de la vitesse, les billes de plastique ont aidé le compost à conserver ses nutriments. Lorsque la matière organique se décompose, des éléments précieux comme le phosphore et le potassium peuvent facilement être lessivés ou s'échapper. L'étude a révélé que le lot avec 8 % de billes de plastique a retenu le plus de phosphore, conservant 45,65 % de celui-ci, contre seulement 24,44 % dans le lot témoin. Il a également conservé plus de potassium, retenant 22,96 % contre seulement 7,69 % dans le lot témoin. Cela signifie que le produit final était non seulement prêt à l'emploi plus tôt, mais qu'il était aussi plus riche en minéraux dont les plantes ont besoin pour croître. Le compost final du lot à 8 % a été classé comme étant de haute qualité, sûr pour l'agriculture et exempt de risques liés aux métaux lourds, tandis que le lot témoin est resté de qualité inférieure.

Pour comprendre exactement quels facteurs entraînaient ces changements, le chercheur a utilisé des modèles informatiques pour analyser les données. Un modèle a examiné toutes les mesures prises au cours du mois pour déterminer ce qui importait le plus. Il a découvert que la quantité d'azote dans le tas, le niveau d'acidité et la teneur en humidité étaient les principaux moteurs de la rapidité avec laquelle le compost mûrissait. Un autre modèle, conçu pour suivre les changements au fil du temps, a réussi à prédire comment le rapport carbone/azote diminuerait au fil des jours. Ces outils ont confirmé que les billes de plastique n'ajoutaient pas seulement du volume ; elles créaient un environnement où les bonnes réactions chimiques pouvaient se produire plus rapidement et plus de manière plus fiable.

L'étude suggère que l'utilisation de ces billes de plastique réutilisables pourrait être une solution pratique pour les systèmes de compostage décentralisés. Contraquirement à la sciure ou aux copeaux de bois, qui sont consommés et doivent être rachetés encore et encore, ces billes de plastique peuvent être retirées du compost fini et utilisées dans le lot suivant. Cela pourrait rendre le compostage plus efficace et moins coûteux pour les institutions qui génèrent beaucoup de déchets alimentaires chaque jour. Bien que l'expérience ait été menée à petite échelle en laboratoire, les résultats pointent vers une méthode qui accélère la décomposition des déchets, préserve les nutriments et produit un engrais de haute qualité sans nécessiter le remplacement constant des matériaux de structure. La recherche souligne qu'avec la bonne structure physique et un peu de compréhension basée sur les données, transformer les restes alimentaires en terre peut être plus rapide, plus propre et plus efficace qu'on ne le pensait auparavant.