Les ordures ménagères et la pollution des milieux

1 et 2.

3. Une pollution est une modification défavorable d'un milieu (eau, air, sol) due à l'introduction par l'être humain de substances ou d'énergie qui le rendent nuisible pour la santé, les êtres vivants ou les usages. Le lixiviat est le liquide chargé de polluants qui s'écoule d'un tas de déchets, formé par l'eau de pluie qui traverse les déchets et par les jus de décomposition. Le compostage est la transformation contrôlée, en présence d'oxygène, de la matière organique par des micro-organismes en un produit stable, le compost, utilisable pour amender le sol.

1. Total : $260 + 32 + 40 + 12 + 8 + 20 + 28 = 400$ t/j, ce qui correspond bien à l'énoncé. Pourcentages $= \frac{\text{masse}}{400} \times 100$ :

La somme des pourcentages est $65 + 8 + 10 + 3 + 2 + 5 + 7 = 100$ %.

2. Recyclables : $32 + 40 + 12 + 8 = 92$ t/j, soit $\frac{92}{400} \times 100 = 23$ % (ou $8 + 10 + 3 + 2 = 23$ %).

3. Masse de compost : $260 \times 0{,}4 = 104$ t/j. Les 156 t/j restants (260 − 104) sont perdus, essentiellement sous forme de $\text{CO}_2$ et de vapeur d'eau, à cause de la respiration des micro-organismes et de la chaleur.

4. Si des piles, du verre, des plastiques ou des médicaments sont mélangés aux déchets organiques, le compost contient des métaux lourds et des corps étrangers. Épandu sur un champ, il polluerait le sol et les cultures et le métal pourrait entrer dans la chaîne alimentaire. Il faut donc séparer les matières organiques des autres déchets dès la source (dans le foyer ou au marché). Les matières organiques et recyclables représentent ensemble $65 + 23 = 88$ % du total : un bon tri permettrait en théorie de détourner une très grande part des déchets de la décharge.

1. Phase de montée : la température passe de 22 °C (jour 0) à 55 °C (jour 4). Phase chaude : elle atteint un maximum de 66 °C au jour 7, puis reste au-dessus de 55 °C jusqu'au jour 18 environ (63 °C au jour 12 ; par interpolation entre 63 °C au jour 12 et 52 °C au jour 20, on passe sous 55 °C vers le jour 18), soit une durée d'environ deux semaines à plus de 55 °C. Phase de refroidissement et de maturation : elle diminue ensuite à 52 °C (jour 20), 40 °C (jour 30), 30 °C (jour 45), puis 25 °C au jour 60, valeur proche de la température de l'air (22 °C) : le tas ne chauffe plus, le compost est stable.

2. Les bactéries et les champignons décomposeurs respirent : ils oxydent la matière organique avec le dioxygène de l'air et libèrent du dioxyde de carbone, de l'eau et de l'énergie. Une partie seulement de cette énergie est stockée dans l'ATP ; le reste est dissipé sous forme de chaleur. Comme le tas est volumineux et isolant, la chaleur s'y accumule et la température monte. Quand la matière facilement dégradable est épuisée, l'activité des micro-organismes diminue et la température redescend.

3. Perte de masse : $\frac{2\,000 - 900}{2\,000} \times 100 = 55$ %. Le tas ne conserve que 45 % de sa masse. Cette perte correspond à la minéralisation : le carbone de la matière organique est rejeté sous forme de $\text{CO}_2$ par la respiration, et une partie de l'eau est évaporée par la chaleur ; ces produits gazeux quittent le tas.

4. Le tas A est bien aéré : son taux de dioxygène (15 %) reste proche de celui de l'air, la respiration aérobie est active, d'où une température élevée (64 °C) et peu d'odeurs. Le tas B est tassé : le dioxygène (3 %) y est presque épuisé, le milieu est anaérobie. Les micro-organismes réalisent des fermentations anaérobies, qui libèrent peu d'énergie (donc peu de chaleur : 38 °C seulement) et produisent des composés malodorants (acides organiques, ammoniac, sulfure d'hydrogène) ainsi qu'un jus noirâtre (lixiviat). L'aération (retournement) est donc une condition indispensable d'un bon compostage.

5. Maintenir plus de 55 °C pendant plusieurs jours détruit la plupart des germes pathogènes (bactéries, œufs de parasites) et des graines de mauvaises herbes : le compost est hygiénisé et peut être utilisé sans danger comme amendement, par exemple au potager.

1. Tous les paramètres sont maximaux à 50 m de la décharge (nitrates 95 mg/L, ammonium 14,5 mg/L, conductivité 3 900 µS/cm, 1 200 coliformes fécaux par 100 mL, plomb 38 µg/L), puis ils diminuent régulièrement quand la distance augmente. À 1 000 m, on retrouve des valeurs proches de celles du témoin : 18 contre 12 mg/L pour les nitrates, 0,1 contre 0,05 mg/L pour l'ammonium, 720 contre 640 µS/cm pour la conductivité, 0 coliforme, 1 µg/L de plomb. Par exemple, les nitrates diminuent de $\frac{95 - 18}{95} \times 100 \approx 81$ % entre 50 m et 1 000 m.

2. La nappe s'écoule de l'amont vers l'aval : le puits témoin, situé en amont, n'est pas influencé par la décharge. Il donne les valeurs naturelles de l'eau de la nappe. À 50 m en aval, les nitrates sont environ 8 fois plus élevés ($\frac{95}{12} \approx 7{,}9$), la conductivité environ 6 fois ($\frac{3\,900}{640} \approx 6{,}1$), le plomb 38 fois, et des coliformes fécaux apparaissent alors qu'il n'y en a pas dans le témoin. Ces écarts s'expliquent par l'infiltration de lixiviat, chargé en matière organique azotée, en sels dissous, en métaux lourds et en micro-organismes d'origine fécale. La décharge est donc la source de la pollution.

3. Nitrates ($\le 50$ mg/L), plomb ($\le 10$ µg/L), coliformes (0). Témoin : 12 mg/L, 1 µg/L, 0 : conforme. 50 m : 95 mg/L, 38 µg/L, 1 200 : aucune valeur respectée. 200 m : 62 mg/L, 12 µg/L, 150 : aucune. 500 m : 34 mg/L et 3 µg/L respectent la limite, mais 8 coliformes par 100 mL : non conforme (germes). 1 000 m : 18 mg/L, 1 µg/L, 0 : conforme. Seuls le témoin et le puits à 1 000 m respectent les trois valeurs. Même quand la chimie est correcte, la présence de coliformes fécaux rend l'eau impropre à la boisson sans traitement, car elle indique une contamination fécale et un risque de pathogènes.

4. En s'éloignant, le lixiviat est dilué par l'eau de la nappe. Le sol joue aussi un rôle de filtre, même s'il est sableux : les particules d'argile et la matière organique qu'il contient retiennent (adsorbent) une partie des métaux et de l'ammonium, les bactéries sont filtrées et meurent dans un milieu qui leur est défavorable, et les micro-organismes du sol dégradent une partie de la matière organique. L'ammonium diminue beaucoup plus que les nitrates (divisé par $\frac{14{,}5}{0{,}1} = 145$ contre $\frac{95}{18} \approx 5{,}3$ pour les nitrates), car il est retenu par le sol et en partie transformé en nitrates par des bactéries (nitrification). Cette auto-épuration a des limites : elle ne protège pas les puits proches, et la zone polluée s'étend avec le temps.

5. Trois mesures parmi d'autres : (i) choisir un site à sol imperméable, loin des nappes et des puits, et imperméabiliser le fond (argile et membrane) ; (ii) collecter et traiter les lixiviats par un réseau de drains et un bassin ; (iii) trier à la source pour exclure piles et autres déchets dangereux, et installer des piézomètres pour surveiller la nappe. On peut aussi fermer et réhabiliter les décharges sauvages et établir un périmètre de protection autour des puits.

1. Les pourcentages totalisent 100 : « Autres gaz » $= 100 - (\text{CH}_4 + \text{CO}_2 + \text{N}_2 + \text{O}_2)$. 1 semaine : $100 - 99 = 1$ % ; 6 mois : $100 - 97 = 3$ % ; 3 ans : $100 - 98 = 2$ % ; 15 ans : $100 - 98 = 2$ %.

2. Le dioxygène passe de 15 % (1 semaine) à 1 % (6 mois) puis 0 : il est consommé par la respiration des micro-organismes aérobies, qui produit du $\text{CO}_2$ ; les fermentations de la matière organique en produisent aussi, ce qui explique que le $\text{CO}_2$ monte à 20 % puis 70 %. Le diazote diminue de 64 % à 3 % : c'était l'azote de l'air emprisonné au moment de l'enfouissement, qui est ensuite dilué et chassé par les gaz produits. Quand l'oxygène a disparu, le milieu est anaérobie : des archées méthanogènes s'installent et produisent du méthane, qui passe de 0 % à 12 % (6 mois) puis 55 % (3 ans) et se stabilise autour de 52 % (15 ans) ; le $\text{CO}_2$ redescend à 40-43 % et se maintient. La décharge évolue donc d'un milieu aérobie vers un milieu anaérobie producteur de méthane.

3. Le méthane est inflammable et explosif entre 5 et 15 % dans l'air : un gaz qui s'accumule dans un local voisin peut provoquer un incendie ou une explosion. Rejeté dans l'air, le méthane est un gaz à effet de serre, à masse égale bien plus actif que le dioxyde de carbone : il contribue au réchauffement climatique. Les « autres gaz » comme le sulfure d'hydrogène sont toxiques et malodorants : nuisances pour les riverains.

4. Volume de méthane : $600 \times 0{,}52 = 312$ m³ par heure. Énergie thermique : $312 \times 10 = 3\,120$ kWh par heure. Énergie électrique : $3\,120 \times 0{,}35 = 1\,092$ kWh par heure, soit $1\,092 \times 24 = 26\,208$ kWh par jour et $26\,208 \times 365 = 9\,565\,920$ kWh par an. Nombre de foyers : $\frac{9\,565\,920}{2\,500} \approx 3\,826$ foyers.

5. En brûlant le méthane en torchère ($\text{CH}_4 + 2\,\text{O}_2 \longrightarrow \text{CO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}$), on le transforme en $\text{CO}_2$ et en eau. On supprime le risque d'explosion et une grande partie des odeurs, et on réduit l'effet de serre, puisque le $\text{CO}_2$ est un gaz à effet de serre moins puissant que le méthane à masse égale. Ce gaz carbonique provient de matière organique récemment fabriquée par la photosynthèse, contrairement au carbone d'un combustible fossile.

1. Facteurs : phytoplancton / eau $= \frac{4}{0{,}02} = 200$ ; zooplancton / phytoplancton $= \frac{20}{4} = 5$ ; petits poissons / zooplancton $= \frac{90}{20} = 4{,}5$ ; grands poissons / petits poissons $= \frac{810}{90} = 9$. Entre l'eau et les grands poissons : $\frac{810}{0{,}02} = 40\,500$ fois.

2. La bioaccumulation est l'accumulation d'une substance dans un organisme au cours de sa vie, parce que l'entrée dépasse la sortie : ici, le phytoplancton contient 200 fois plus de mercure que l'eau qui l'entoure. La bioamplification est l'augmentation de la concentration d'un maillon à l'autre de la chaîne alimentaire : la concentration passe de 4 à 20, 90 puis 810 µg/kg à chaque niveau, soit un facteur supérieur à 1 à chaque étape.

3. Le mercure est un élément chimique : il ne peut pas être décomposé par les décomposeurs (non biodégradable). Il se fixe sur les protéines des tissus (en particulier sous forme de méthylmercure, produit par des bactéries des sédiments, très facilement absorbé) et il est éliminé très lentement. Un prédateur mange de nombreuses proies, dont chacune contient du mercure : il absorbe donc beaucoup plus de mercure qu'il n'en élimine. Plus on monte dans la chaîne, plus la concentration est élevée.

4. Seuls les grands poissons carnassiers (810 µg/kg, soit $\frac{810}{500} = 1{,}62$ fois le seuil) dépassent 500 µg/kg ; les petits poissons (90) le respectent. Un consommateur régulier de grands poissons de cette lagune s'expose à une intoxication chronique, par exemple des troubles neurologiques ; le risque est particulièrement important pour les enfants et les femmes enceintes. Il faut donc surveiller la qualité des poissons pêchés et limiter la consommation des grands prédateurs.

5. Le mercure se trouve dans certains néons et ampoules fluocompactes, des thermomètres cassés et des piles anciennes. Il faut les collecter séparément des ordures ménagères et les confier à une filière de traitement des déchets dangereux, pour ne pas les envoyer dans une décharge où le ruissellement et le lixiviat les entraîneraient vers les eaux.

1. Le dioxygène dissous passe de 8,6 mg/L en amont à 1,8 mg/L à R + 100 m (soit une baisse de $\frac{8{,}6 - 1{,}8}{8{,}6} \times 100 \approx 79$ %), atteint un minimum de 1,2 mg/L à R + 5 km, puis remonte à 4,0 mg/L à R + 15 km et 6,8 mg/L à R + 30 km. La DBO$_5$ suit l'évolution inverse : elle passe de 2 mg/L en amont à un maximum de 46 mg/L à R + 100 m (23 fois plus), puis diminue à 28, 10 puis 4 mg/L à R + 30 km.

2. Le lixiviat est très riche en matière organique biodégradable, comme le montre la DBO$_5$ de la rivière, qui passe de 2 mg/L en amont à 46 mg/L juste après le rejet. Pour la dégrader, les bactéries aérobies respirent et consomment le dioxygène dissous plus vite que la rivière ne le renouvelle par échange avec l'air : sa concentration chute. Le dioxygène est donc consommé au niveau du rejet, ce qui explique le déficit en oxygène.

3. Les nitrates (8 puis 24 et 31 mg/L) et les phosphates (0,05 puis 1,1 mg/L, soit 22 fois plus) augmentent fortement après le rejet : ce sont des nutriments des algues. La chlorophylle a, stable à 3-4 µg/L à l'amont et à R + 100 m, atteint 40 µg/L à R + 5 km et un maximum de 135 µg/L à R + 15 km (45 fois la valeur d'amont) : il y a prolifération d'algues, avec un décalage dû au temps que mettent les algues à se multiplier pendant que l'eau s'écoule vers l'aval. Les phosphates (0,6 puis 0,2 mg/L à R + 15 km et R + 30 km) et les nitrates (26 puis 14 mg/L) diminuent ensuite, car les algues les consomment et que l'eau se dilue. L'enchaînement est : apport de nutriments, prolifération d'algues, mort des algues, décomposition par des bactéries aérobies qui consomment le dioxygène, manque d'oxygène : c'est l'eutrophisation.

4. Plus on s'éloigne du rejet, plus la rivière se purifie : la matière organique est dégradée par les micro-organismes (la DBO$_5$ baisse de 46 à 4 mg/L), une partie de la charge sédimente, le lixiviat est dilué par des affluents, et le dioxygène est renouvelé par les échanges avec l'air (surtout dans les zones agitées) et par la photosynthèse des algues. C'est l'auto-épuration. À R + 30 km, le dioxygène (6,8 mg/L) se rapproche de la valeur amont (8,6 mg/L).

5. Le document 2 montre une succession d'indicateurs biologiques. Les larves d'éphémères et de plécoptères et les poissons exigeants en oxygène sont sensibles à la pollution : leur présence en amont indique une eau bien oxygénée et peu polluée. Les vers tubifex et les larves de chironomes rouges tolèrent les eaux pauvres en oxygène et chargées en matière organique : leur présence seule à R + 100 m et R + 5 km indique une forte pollution organique. Le retour des éphémères et des petits poissons à R + 30 km confirme la reprise de la qualité de l'eau. À R + 15 km, les poissons morts au lever du jour s'expliquent ainsi : les mesures ont été faites en début d'après-midi, quand la photosynthèse des algues produit du dioxygène ; la nuit, les algues cessent de photosynthétiser mais continuent de respirer, comme les bactéries qui décomposent les algues mortes, donc le dioxygène chute sous le seuil vital des poissons.

6. (i) Supprimer la décharge sauvage et la remplacer par une décharge contrôlée avec drains, étanchéité et traitement des lixiviats. (ii) Traiter les rejets avant leur arrivée à la rivière (bassin de décantation, lagunage). (iii) Réduire les apports de nutriments et de matière organique par le tri à la source et le compostage des déchets organiques, et surveiller la rivière (dioxygène, DBO$_5$, nutriments, indicateurs biologiques).

1. Scénarios A et B : tout est enfoui, soit 250 t/j, c'est-à-dire $250 \times 365 = 91\,250$ t par an. Scénario C : masse recyclée $= 0{,}5 \times 55 = 27{,}5$ t/j ; masse compostée $= 0{,}7 \times 150 = 105$ t/j ; reste enfoui $= 250 - 27{,}5 - 105 = 117{,}5$ t/j, soit $117{,}5 \times 365 = 42\,887{,}5$ t par an (environ 42 900 t). C'est $\frac{117{,}5}{250} \times 100 = 47$ % de la masse totale : la réduction est de 53 %, soit $91\,250 - 42\,887{,}5 = 48\,362{,}5$ t de moins par an.

2. Compost : $0{,}4 \times 105 = 42$ t par jour.

3. Le scénario A est le plus polluant : le lixiviat s'infiltre vers la nappe et les oueds, le biogaz (méthane, gaz à effet de serre, explosif) est libéré dans l'air, et rien n'est valorisé ; ses « avantages » (aucun investissement) sont payés par des coûts sanitaires et environnementaux. Le scénario B limite les pollutions du sol, de l'eau et de l'air grâce à l'étanchéité, aux drains et au captage du biogaz, mais il enfouit toute la masse. Le scénario C enfouit 53 % de déchets en moins, produit du compost et des matériaux recyclés, et comme moins de matière organique est enfouie, il y a moins de lixiviat et de biogaz à gérer.

4. Je recommande le scénario C, car il réduit le plus les pollutions et valorise les déchets (compost, recyclage, biogaz) : c'est le plus proche de la hiérarchie « réduire, réutiliser, recycler, valoriser, éliminer ». Il exige un investissement (centre de tri, plateforme de compostage, décharge contrôlée) et le tri par les habitants : sans éducation, collecte séparée et débouchés pour le compost et les matériaux recyclés, il échoue. Il reste un déchet ultime (47 %) à enfouir : la décharge contrôlée reste nécessaire, avec captage du biogaz et traitement des lixiviats. En attendant, le scénario B est un minimum acceptable ; le scénario A doit être abandonné.