Production d'Engrais Phosphatés : Méthodes, Enjeux et Alternatives Durables

Le phosphore est un nutriment essentiel pour le développement des plantes, jouant un rôle crucial dans la croissance des racines, la floraison, la fructification et la résistance aux maladies. Il est absorbé par les plantes sous forme d'ions phosphates via leur système racinaire, principalement pendant la phase végétative. Cependant, le phosphore est peu abondant dans les roches et absent de l'atmosphère, ce qui en fait une ressource géologique non renouvelable. Les réserves mondiales sont estimées entre 100 et 250 ans [Pellerin et al 2014, p 24]. Sa disponibilité dans les sols est variable et il est facilement adsorbé sur la phase solide du sol ou immobilisé par l'activité biologique, ce qui rend ses échanges très lents et sa mobilité faible. Pour garantir la productivité agricole et la sécurité alimentaire, l'utilisation d'engrais minéraux phosphatés s'est intensifiée depuis les années 1950. Cependant, ces engrais proviennent de l'extraction minière et du traitement chimique de roches phosphatées, des processus polluants dont les réserves sont finies et inégalement réparties, soulevant des questions d'équité de répartition et de durabilité.

Matières Premières et Sources Géologiques

La roche phosphatée (RP) est la matière première utilisée dans la fabrication de la plupart des engrais phosphatés sur le marché. Les gisements naturels de phosphate de calcium, à partir desquels sont tirés les engrais minéraux phosphatés, se trouvent principalement en Chine, aux États-Unis, en Russie, au Moyen-Orient et au Maghreb. On distingue deux types principaux d'origine pour ces gisements :

• Sédimentaire (75 % des ressources) : formés par la précipitation des phosphates au fond de mers peu profondes, un processus au cours duquel le plancton joue un rôle important.
• Igné (23 % des ressources) : résultant de l'intrusion de magma au sein de roches cristallines.

Les teneurs des minerais de phosphate sont généralement exprimées en P2O5 ou en PTC, sachant que 1 % de P2O5 équivaut à 2,19 % de PTC.

Le Maroc est un acteur majeur dans ce domaine, concentrant à lui seul 70 % des ressources mondiales. Ses réserves de phosphates ont une origine sédimentaire et contiennent naturellement des impuretés comme le cadmium, l'arsenic et l'uranium. L'Union Européenne est quant à elle quasiment dépourvue de gisements et importe la quasi-totalité de ses phosphates, principalement d'Afrique du Nord et du Proche Orient.

Extraction Minière des Phosphates

La production minière de phosphates représente un enjeu économique et géopolitique majeur. En 2025, la production mondiale totale devrait atteindre 250 millions de tonnes.

• Maroc : La principale exploitation minière se situe à Khouribga, avec une capacité de production de 28 millions de tonnes par an et des réserves de 35 milliards de tonnes. Le minerai est acheminé sous forme de pulpe via un minéralduc souterrain de 187 km jusqu'à l'usine de Jorf Lasfar. D'autres sites comme Youssoufia et Benguérir exploitent le gisement de Gantour. Le site de Boucraâ, au Sahara Occidental, transporte son minerai via un convoyeur de 102 km jusqu'au port de Laâyoune.
• États-Unis : Itafos a acquis la mine de Rasmussen Ridge dans l'Idaho, avec une capacité de production de 2 millions de tonnes par an. La production est intégrée de la mine à la fabrication d'engrais, en passant par celle d'acide phosphorique.
• Russie : Le groupe PhosAgro exploite le dépôt de Khibiny dans la péninsule de Kola. L'exploitation est majoritairement souterraine, produisant de l'apatite phosphocalcique et de la néphéline. Eurochem exploite également la mine de Kovdorskiy pour le minerai de fer et l'apatite.
• Jordanie : Jordan Phosphate Mines exploite 4 mines, avec une production de 11,454 millions de tonnes en 2023. Une partie est exportée, le reste étant transformé en engrais à Aqaba.
• Arabie Saoudite : Le complexe de Waad Al Shammal, alimenté par la mine de Al Khabra, a porté la capacité de production du pays à 11,6 millions de tonnes par an pour 2020.
• Tunisie : La Compagnie des Phosphates de Gafsa (CPG) exploite le gisement à l'aide de 8 mines à ciel ouvert. Une partie du minerai présente une bonne solubilité permettant une utilisation directe comme engrais. La plus grande partie est soit exportée, soit transformée en acide phosphorique et engrais phosphatés.
• Union Européenne : La seule mine de phosphates en activité est située en Finlande, à Siilinjärvi, exploitée par Yara.

Méthodes de Production d'Engrais Phosphatés Minéraux

La fabrication des engrais phosphatés implique des procédés chimiques pour solubiliser le phosphore contenu dans les roches phosphatées, le rendant ainsi assimilable par les plantes. Ces procédés sont bien connus et impliquent généralement l'attaque des phosphates naturels par des acides minéraux.

Production de Superphosphates Simples (SSP)

Le Superphosphate Simple (SSP) est un engrais riche en phosphore, favorisé par de nombreux fabricants d'engrais en raison de son rôle crucial dans la germination et la fructification des plantes. Il est constitué principalement d'un mélange de phosphate monocalcique et de sulfate de calcium.

Les étapes principales de sa fabrication comprennent :

1. Concassage : Les roches phosphatées sont d'abord concassées en poudre fine à l'aide d'un concasseur à mâchoires. Cette pulvérisation permet un mélange complet avec les matières acides liquides et facilite la granulation ultérieure.
2. Mélange et Acidification : La poudre de roche phosphatée est mélangée uniformément avec de l'acide sulfurique concentré (ou de l'acide nitrique). Ce mélange est ensuite transporté dans une salle fermée où la réaction chimique s'effectue pleinement, formant le matériau nécessaire en 3 à 4 heures.
3. Vieillissement : Le matériau acidifié contient une humidité de 50 à 60 %. Il subit un processus de maturation, ou vieillissement, pendant plusieurs jours, où la réaction se poursuit lentement.
4. Broyage Supplémentaire et Granulation : Pour la fabrication de granulés, les matériaux vieillissants sont déchiquetés à nouveau pour obtenir une poudre très fine, ce qui améliore l'effet de granulation. Différents types de granulateurs peuvent être utilisés :
   • Granulateur à disque : Pour une production à petite échelle (1 à 6 t/h).
   • Granulateur à tambour : Pour une production à grande échelle (1 à 30 t/h), nécessitant ensuite séchage et refroidissement en raison de l'humidité élevée (environ 20 %) après granulation humide.
   • Granulateur à double rouleau : Pour une granulation à sec à moindre coût, ne nécessitant pas de séchage ni de refroidissement supplémentaires.
5. Criblage : Un crible rotatif est utilisé pour tamiser les granulés et ne conserver que ceux ayant la taille requise.
6. Emballage : L'engrais est ensuite emballé pour faciliter le stockage, le transport et l'utilisation, souvent avec des équipements d'emballage automatiques.

La fabrication d'une tonne de superphosphate simple nécessite environ 710 kg de phosphate naturel à 63 % de PTC et 370 kg de H2SO4 à 100 %. La réaction entre le phosphate naturel et les acides dure entre 20 minutes et 1 heure sur une bande transporteuse. Les gaz fluorés dégagés sont captés et l'HF est éliminé par lavage à l'eau. La production mondiale de SSP est de 2,071 millions de tonnes de P2O5 en 2022.

Production de Superphosphates Triples (TSP)

Le Superphosphate Triple (TSP) est un autre engrais phosphaté populaire, obtenu par la réaction de la roche phosphatée avec de l'acide phosphorique, utilisant le procédé de Dorr-Oliver. Le TSP 47 protégé est un engrais riche en phosphore qui stimule la croissance des racines et est utilisé pour les cultures de céréales, maïs, pomme de terre, etc. Son principal avantage est sa solubilité dans l'eau.

Production de Phosphates d'Ammonium (MAP et DAP)

Les phosphates d'ammonium, tels que le mono- et le di-ammonium phosphate (MAP, DAP), sont des choix d'engrais populaires en raison de leur économie et de leur forte teneur en éléments nutritifs. Ils sont obtenus par neutralisation de l'acide phosphorique par l'ammoniac.

• DAP (Phosphate d'ammonium diammonique) (NH4)2HPO4 : C'est la principale source de P2O5 de l'agriculture mondiale, particulièrement chinoise. Il contient 18 % N - 46 % P2O5 - 0 % K2O. La production mondiale a atteint 15,405 millions de tonnes de P2O5 en 2022. La consommation pour une tonne de DAP 18-46-0 est de 145 kg d'ammoniac, 1,91 tonne de phosphate à 63 % de PTC, 475 kg de soufre et 1,35 tonne d'acide phosphorique à 40 % de P2O5.
• MAP (Phosphate d'ammonium monoammonique) NH4H2PO4 : C'est le phosphate solide le plus concentré disponible sur le marché (11 % N - 52 % P2O5 - 0 % K2O). La production mondiale a été de 14,793 millions de tonnes de P2O5 en 2022.

Attaque Nitrique des Phosphates Naturels

Une autre méthode consiste à utiliser l'attaque nitrique des phosphates naturels. Cette approche vise à éviter l'utilisation du soufre et le rejet de phosphogypse, et à obtenir directement un engrais NP. La difficulté réside dans la production de nitrate de calcium, un composé très hygroscopique. Cet engrais est utilisé dans le nord de l'Europe, sur des sols acides et froids, comme engrais de démarrage.

Production d'Acide Phosphorique

L'acide phosphorique faible (40-55%) est produit par la réaction de roche phosphatée avec de l'acide sulfurique, via un procédé humide. L'acide phosphorique obtenu est ensuite utilisé dans la production d'une série d'engrais liquides ou solides, notamment les superphosphates et les phosphates d'ammonium. Aux États-Unis, Mosaic détient 58 % des capacités de production d'acide phosphorique du pays avec 4 usines. Le minerai du gisement de Khouribga est traité sur le site de Jorf-Lasfar pour produire 2,7 millions de tonnes par an d'acide phosphorique pour l'OCP.

Problématiques Liées à la Fabrication des Engrais Chimiques

La fabrication d'engrais phosphatés présente plusieurs défis et inconvénients :

• Coût et Complexité : Les attaques complètes des phosphates par des acides minéraux, bien que connues, peuvent être délicates à mettre en œuvre et coûteuses.
• Contraintes de Qualité : La réactivité du phosphate et un faible rapport phosphore sur calcium peuvent entraîner une consommation excessive d'agents attaquants coûteux.
• Impuretés : La présence de magnésium peut générer des composés collants qui gênent la fabrication. Les chlorures dans le phosphate de départ posent également problème.
• Pollution Gazeuse : Des composés gazeux corrosifs, comme les dérivés fluorés, sont dégagés pendant les réactions d'attaque et doivent être éliminés par lavage et neutralisation.
• Efficacité Agronomique : Les procédés d'attaque partielle, bien que plus économiques, peuvent donner des produits d'une efficacité agronomique moindre, voire moins efficaces que les phosphates de départ en application directe. Des problèmes de délitement des granules ont été constatés avec les phosphates granulés issus de ces procédés.

L'Importance de la Solubilisation du Phosphore

La solubilisation du phosphate est essentielle car le phosphore est naturellement présent dans les sols sous des formes peu disponibles pour les plantes. En effet, il forme une liaison forte avec le calcium à partir d'un pH de 7, et avec le fer et l'aluminium dans les sols acides. Le phosphore est difficilement lessivable, ce qui diminue le risque de pertes par érosion mais impose son incorporation dans le sol. Seul le phosphore inclus dans la matière organique est incorporé par les vers de terre.

Phospho-compostage pour une meilleure solubilisation

Une méthode efficace pour solubiliser le phosphore et le rendre plus disponible est le phospho-compostage. Cette technique combine la décomposition de la matière organique avec l'ajout de phosphate naturel (PN). L'objectif est d'exploiter les acides organiques et les substances humiques produits lors de la décomposition pour attaquer le PN et libérer le phosphore.

Le processus implique :

• Mélange : Le phosphate naturel est mélangé à divers déchets organiques comme le fumier, la paille, les résidus de récolte, les composts ruraux et urbains, et d'autres déchets animaux.
• Décomposition : Au cours de la décomposition de la matière organique par les micro-organismes (bactéries, champignons, actinomycètes), des acides organiques (acides citrique, lactique, oxalique, succinique, fumarique, tartrique) et des substances humiques sont produits.
• Attaque du PN : Ces acides réagissent avec le PN, ce qui améliore sa solubilisation et rend le phosphore plus disponible pour les plantes.
• Ratio C/N : Un ratio carbone sur azote (C/N) de 30-35 est optimal pour une décomposition efficace et la production d'acides organiques. L'ajout d'urine peut ajuster le C/N.
• Micro-organismes : L'inoculation avec des micro-organismes solubilisateurs de phosphate (MSP) comme Bacillus megaterium, B. circulans, B. subtilis, Pseudomonas striata, Aspergillus awamori, Penicillium bilaii, P. Trichoderma sp. peut grandement améliorer le processus.

L'efficacité du phospho-compostage dépend de divers facteurs tels que le type de phosphate naturel (les PN à faible réactivité sont moins efficaces), le rapport PN/matière organique, la durée du compostage et l'activité microbienne. Des études ont montré que le phosphore du PN de Gafsa et de l'Hyperphos (issus de roches phosphatées) peut être solubilisé à des degrés significatifs. L'utilisation d'un mélange de PN et de phosphogypse (déchet de la production d'acide phosphorique) peut également être envisagée.

Utilisation de Micro-organismes Solubilisateurs de Phosphate (MSP)

Les micro-organismes solubilisateurs de phosphate (MSP) sont des bactéries et des champignons qui ont la capacité de libérer le phosphore des composés inorganiques ou organiques du sol, le rendant ainsi disponible pour les plantes.

Ils agissent par différents mécanismes :

• Production d'Acides Organiques : Les MSP produisent des acides organiques et des enzymes qui solubilisent les phosphates minéraux, en particulier les phosphates de calcium dans les sols neutres à alcalins, et les phosphates de fer et d'aluminium dans les sols acides.
• Chélation : Certains acides organiques peuvent chélater des cations comme le calcium, le fer et l'aluminium, libérant ainsi le phosphore.
• Enzymes : La phosphatase et la phytase sont des enzymes produites par les MSP qui hydrolysent les composés phosphorés organiques, libérant ainsi le phosphore inorganique.

Les MSP les plus couramment étudiés incluent des bactéries comme Bacillus megaterium, B. circulans, B. subtilis, Pseudomonas striata et des champignons comme Aspergillus awamori, Penicillium bilaii, P. Trichoderma sp.. L'inoculation des semences ou l'application directe de ces micro-organismes au sol peut améliorer la disponibilité du phosphore et augmenter les rendements des cultures.

Mycorhizes à Arbuscules (MA)

Les mycorhizes à arbuscules (MA) sont des associations symbiotiques entre les racines des plantes et des champignons. Ces champignons forment un réseau de filaments (hyphes) qui s'étendent dans le sol et augmentent considérablement la surface d'exploration des racines, améliorant ainsi l'absorption du phosphore et d'autres nutriments peu mobiles.

• Mécanisme : Les hyphes fongiques sont plus fins que les poils racinaires et peuvent accéder à des micropores du sol inaccessibles aux racines. Ils sont également capables de solubiliser des formes de phosphore difficilement disponibles.
• Espèces : Les espèces de MA les plus courantes sont Glomus fasciculatum, G. mosseae, G. tenue et Gigaspora margarita.
• Application : Les inoculums de MA peuvent être appliqués au champ sous les graines, sur la végétation ou les cultures transplantées, ou dans les lits de pépinière.

Les mycorhizes sont particulièrement efficaces dans les sols pauvres en phosphore et peuvent réduire la dépendance aux engrais phosphatés minéraux.

Engrais à Attaque Partielle et Combinés

Pour pallier les inconvénients des attaques complètes et obtenir des produits plus économiques, des procédés d'attaque partielle ont été développés. Ces procédés utilisent seulement une partie de l'agent attaquant nécessaire pour une attaque totale. Cependant, comme mentionné précédemment, leur efficacité agronomique peut être moindre.

Une autre approche consiste à combiner le phosphate naturel avec des engrais phosphatés hydrosolubles (SSP ou TSP) ou avec du soufre élémentaire.

• Mélange PN-SSP/TSP : Le mélange de PN avec des engrais solubles peut augmenter l'efficacité du PN appliqué. Des études ont montré que de tels mélanges peuvent être aussi efficaces que le SSP seul, en particulier dans les sols acides. Le mélange PN-SSP tend à être économiquement plus avantageux que le SSP pur.
• PN + Soufre (Biosuper) : L'ajout de soufre élémentaire au phosphate naturel, combiné à l'action de bactéries oxydant le soufre (Thiobacillus spp.), peut générer de l'acide sulfurique in situ dans le sol, ce qui améliore la solubilisation du PN. Ce type de produit est parfois appelé « biosuper ». L'efficacité de ces mélanges dépend de facteurs tels que le type de PN, la réactivité du PN, la taille des particules de soufre, le type de culture et les conditions environnementales du sol. Un rapport PN/S plus faible peut être nécessaire pour une efficacité optimale. L'inoculation avec des Thiobacillus spp. peut accélérer le processus.

Enjeux Environnementaux et Géopolitiques

L'usage massif des engrais minéraux phosphatés, s'il a permis d'augmenter les rendements agricoles et d'assurer la sécurité alimentaire, pose de sérieux problèmes environnementaux et géopolitiques.

• Ressource Finie et Inégalement Répartie : Les roches phosphatées sont une ressource non renouvelable et leurs réserves sont finies. Le pic d'extraction de ces roches devrait être atteint vers le milieu du siècle, entraînant une augmentation probable du prix des engrais et des risques de tensions géopolitiques.
• Impact Environnemental de l'Extraction : Les activités minières pour extraire le phosphate des roches ont un fort impact environnemental.
• Pollution des Sols : Les phosphates naturels contiennent à l'état de traces des impuretés comme le cadmium, l'arsenic et l'uranium. Le cadmium, en particulier, pose des problèmes de pollution car il se retrouve dans le phosphogypse (un déchet de la production d'acide phosphorique) et dans les engrais, risquant une accumulation à long terme dans les sols agricoles. L'Union Européenne prévoit d'ailleurs de réglementer la teneur en cadmium dans les engrais phosphatés.
• Pollution de l'Eau : Le phosphore non assimilé par les plantes peut se retrouver dans l'environnement par lixiviation, érosion et ruissellement, contribuant à l'eutrophisation des cours d'eau.
• Signature Anthropogénique : Des études ont montré que la moitié de la fertilité actuelle en phosphore des sols agricoles provient du recours aux engrais minéraux. Cette "signature anthropogénique" du phosphore est très variable selon les régions. Les pays d'Europe de l'Ouest et d'Amérique du Nord ont vu leurs signatures fortement augmenter dès les années 1950, tandis que celles des pays d'Asie continuent de croître en raison d'un recours toujours important aux engrais minéraux phosphatés. Les pays d'Afrique et d'Océanie montrent des signatures inférieures, témoignant d'un recours plus faible aux engrais minéraux au cours de leur développement.

Vers des Alternatives Durables et une Gestion Équitable

La dépendance aux engrais minéraux phosphatés n'est pas durable, d'où la nécessité de développer des alternatives et des stratégies de gestion plus équitables.

Recyclage du Phosphore

Le recyclage du phosphore constitue un enjeu crucial, à la fois pour lutter contre la pollution et pour préserver les ressources non renouvelables.

• Effluents d'Élevage et Compost : L'épandage de composts et de digestats apporte du phosphore au sol, mais aussi du carbone, améliorant l'absorption des éléments nutritifs et diminuant les coûts. Le phosphore inclus dans la matière organique est incorporé dans le sol par les vers de terre.
• Boues de Stations d'Épuration : Les stations d'épuration des eaux produisent davantage de phosphore que ce dont l'agriculture a besoin. Bien que l'utilisation directe des boues d'épuration soit actuellement interdite en raison des risques de pollution par des molécules organiques (PCB, hormones, médicaments, etc.) et des métaux lourds, de nombreux projets de recherche étudient les possibilités de recycler le phosphore présent dans ces boues. Des congrès, comme celui organisé par le FiBL, ont présenté différentes méthodes pour y parvenir.
• Farines de Viande et d'Os, Fumier de Volaille Séché : Ces matières premières indigènes sont de bonnes sources de phosphore pour l'agriculture biologique où le phosphore désagrégé avec de l'acide (comme le superphosphate triple) est interdit.

Pratiques Agroécologiques

Dans les pays ayant accumulé des stocks importants de phosphore disponible (comme la France), il est nécessaire de réduire massivement l'usage des engrais minéraux phosphatés.

• Cultures Capables de Mobiliser le Phosphore : L'absence d'apport d'engrais n'entraîne pas nécessairement une baisse de rendement car les cultures sont capables de mobiliser le phosphore disponible accumulé dans les sols. Certaines espèces cultivées, comme le lupin blanc ou le sarrasin, peuvent mobiliser le phosphore fortement lié à la phase solide des sols et ainsi augmenter sa disponibilité pour les cultures suivantes.
• Protection de la Fertilité Acquise : Il est urgent de préserver la fertilité acquise en phosphore des sols en limitant l'érosion des sols (par exemple avec des couverts végétaux ou le retour des haies dans les paysages agricoles) et en favorisant le recyclage des matières organiques.
• Systèmes de Polyculture Élevage Diversifiés : Le développement de ces systèmes est une clé de la transition agroécologique.
• Retour au Sol des Effluents Urbains : En complément du recyclage des boues d'épuration, d'autres effluents urbains peuvent être valorisés pour leur contenu en phosphore.

Équité de Répartition des Ressources

L'étude des signatures anthropogéniques du phosphore souligne des questions d'équité de répartition des ressources. Les pays ayant très tôt intensifié leur agriculture, comme l'Europe de l'Ouest ou l'Amérique du Nord, ont fortement enrichi leurs sols en phosphore disponible. Il est désormais nécessaire pour ces pays de protéger et de valoriser cette fertilité acquise. À l'inverse, les pays d'Afrique ont eu peu recours aux engrais minéraux phosphatés, et beaucoup de leurs sols sont très déficients en phosphate, ce qui limite leur production agricole et alimentaire. Il est donc crucial d'assurer une meilleure répartition des ressources et des technologies durables.

Utilisation et Dosage des Engrais Phosphatés

L'utilisation de l'engrais phosphaté doit être soigneusement adaptée aux besoins spécifiques des cultures et à l'état du sol. L'épandage permet une diffusion uniforme sur de grandes surfaces, mais une application localisée directement près des racines des plantes peut améliorer l'assimilation. Le dosage des engrais phosphorés dépendra principalement du type de culture et des résultats d'une analyse préalable du sol. Un surdosage peut entraîner des carences en d'autres nutriments essentiels comme le potassium, le calcium ou certains oligo-éléments.

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