EFFETS DU TRAITEMENT DES DÉJECTIONS PORCINES SUR LES ÉMISSIONS DE GAZ À EFFET DE SERRE

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1 EFFETS DU TRAITEMENT DES DÉJECTIONS PORCINES SUR LES ÉMISSIONS DE GAZ À EFFET DE SERRE Stéphane Godbout, Ph. D., agronome, ingénieur Chercheur scientifique Institut de recherche et de développement en agroenvironnement (IRDA) Collaborateurs : Alfred Marquis, Ph. D., agronome, ingénieur Jean-Pierre Larouche, chimiste Roch Joncas, M. Sc., agronome, ingénieur M. Stéphane Godbout œuvre comme chercheur à l Institut de recherche et de développement en agroenvironnement (IRDA). Dans le cadre de ses travaux de recherche sur la réduction des émissions gazeuses, il a mis sur pied une unité mobile pour mesurer les émissions gazeuses des bâtiments porcins. Il a également travaillé aux mesures des gaz à effet de serre provenant du traitement des lisiers.

2 EFFETS DU TRAITEMENT DES DÉJECTIONS PORCINES SUR LES ÉMISSIONS DE GAZ À EFFET DE SERRE INTRODUCTION La production agricole est une industrie importante pour le Québec. Les productions ayant des impacts économiques et environnementaux importants sont, sans nul doute, les productions animales. Au Québec, les trois plus grandes productions animales sont la vache laitière, le porc et la volaille. Les productions animales ont comme particularité de produire des déjections devant être disposées ou valorisées. La disposition ou la valorisation sont dépendantes des caractéristiques des déjections et ces dernières sont très variables, imposant des attentions particulières lors de la disposition ou de la valorisation. Ces caractéristiques des déjections ne sont pas constantes puisqu elles dépendent de l animal, de l alimentation et de la gestion globale de l élevage. La production porcine représente plus de emplois directs et indirects et a connu une croissance importante au cours des dernières années. Cependant, le type de gestion des déjections, le mode de production et la concentration des élevages en font une des productions ayant le plus grand potentiel de dommages environnementaux aux yeux de la population. D une part, la production porcine est en expansion et est confrontée à une problématique de surplus de phosphore dans plusieurs régions du Québec et, d autre part, le pays désire réduire considérablement ses émissions de gaz à effet de serre. Est-ce que tout cela est compatible? GESTION DES LISIERS ET GAZ À EFFET DE SERRE Gestion des lisiers Actuellement, selon le Centre de développement du porc du Québec (CDPQ, 1999), plus de 90 % des unités animales porcines sont élevées dans des systèmes de production gérant les déjections sous forme liquide. Certaines productions laitières ont opté pour ce type de gestion des déjections. Cette gestion, dans un contexte d un contrôle sanitaire élevé, est pratique et peu coûteuse. Cependant, tous les éléments fertilisants du lisier se retrouvent dans un même 2

3 contenu et sont parfois difficiles à gérer, surtout dans un contexte de surplus. De façon générale, actuellement les lisiers sont disposés traditionnellement, soit entreposés dans des réservoirs et épandus comme fertilisant sur les terres à des moments propices pour les cultures. Ce contexte de surplus deviendra vraiment réel lorsque la nouvelle norme basée sur le bilan du phosphore entrera pleinement en vigueur. Cette nouvelle législation signifie, pour plusieurs producteurs, une gestion d un surplus important de déjections. Selon Magnan (2001), le respect de la nouvelle législation impliquerait l achat de superficies de terre importantes (pour certains producteurs, cela pourrait jusqu à tripler leur superficie) et parfois ces surfaces ne sont pas disponibles. Donc, l introduction d une nouvelle norme basée sur le phosphore poussera plusieurs producteurs vers le traitement complet de ces surplus. Il existe, soit à l échelle laboratoire, pilote ou démonstration, une soixantaine de technologies de traitement des lisiers. Ces technologies sont plus ou moins lourdes et peuvent répondre à différents besoins, d un traitement complet pour un rejet dans l environnement à un traitement partiel ou une simple stabilisation. Ces technologies sont basées sur différents principes. Dans le cas de traitements complets, les plus populaires sont les systèmes de traitement aérobies et anaérobies. Dans le cadre de l approche aérobie, ces systèmes sont couplés, le plus souvent en aval, à une unité de séparation. Malgré des avancements importants au cours des dernières années, peu de traitements sont vraiment rendus à un stade commercial à grande échelle. Gaz à effet de serre Comme plusieurs le savent, le réchauffement climatique est un problème d actualité. En 1997, à Kyoto au Japon, plusieurs pays se sont engagés à réduire leurs émissions de gaz à effet de serre de 5,2 % par rapport au niveau de 1990 et à les inventorier sur une base régulière. Le dioxyde de carbone (CO 2 ), le méthane (CH 4 ) et l oxyde nitreux (N 2 O) comptent parmi les gaz à effet de serre dont les concentrations ont connu d importantes augmentations au cours des dernières années et une grande priorité doit être accordée à leurs estimations (IPCC, 1996). Dans le cadre d une gestion standard sous forme liquide, les lisiers, une fois sortis du bâtiment, sont entreposés dans un réservoir généralement non couvert. Ce réservoir, genre de digesteur anaérobie d efficacité relative, produit des gaz à effet de serre. Le gaz alors produit serait 3

4 principalement du CH 4. Par la suite, les lisiers sont épandus. Lors de l épandage, il y a également un risque élevé d émissions de gaz à effet de serre. En cours d épandage, les principaux gaz à effet de serre émis sont le N 2 O et le CH 4. Dans un contexte de traitement, ce scénario est différent et varie selon les technologies utilisées. Souvent, les installations d élevage utilisant un traitement n entreposent pas le lisier brut; il est en général traité en continu. Les fractions solides et liquides résultantes sont souvent compostées ou entreposées. Dans cette nouvelle approche, les sources d émissions sont localisées à l unité de traitement même et à l entreposage des fractions résultantes. À l entreposage, la fraction liquide traitée est souvent stable et n émet plus de gaz. Cependant, si la fraction solide est compostée, il en résultera des gaz à effet de serre. ÉMISSIONS DE GES PROVENANT DES SYSTÈMES DE TRAITEMENT DE LISIER En situation aérobie Description Le traitement aérobie peut se faire par aération de surface ou injection d air en profondeur, favorisant ainsi le développement d une flore aérobie. L oxygène introduit permet une activité microbienne et enzymatique capable d oxyder la matière organique (Buelna et autres, 1993). Ce type de dégradation a l avantage de diminuer très fortement les émissions d odeurs de la fraction liquide. Selon les types de procédés, au cours de l aération, il peut y avoir des pertes gazeuses dans l atmosphère telles que du NH 4 + (désorption), du NO X et du N 2 O. Les émissions de gaz à effet de serre provenant de ce type de traitement sont principalement le CO 2 et le N 2 O. Cependant, ces systèmes de digestion génèrent souvent une fraction solide pouvant être compostée. Afin d estimer les émissions provenant d un procédé de type complet, certaines hypothèses doivent être posées. Par exemple : une séparation en pré-fosse à l aide d un séparateur mécanique à vis; une proportion de 77 % de la masse de solide volatil dans les solides totaux du lisier; un compostage de la phase solide. 4

5 Dans le présent cas, puisqu elle est mécanique, la séparation n entraîne pas d émissions de gaz à effet de serre reliée au lisier. Puis, la partie liquide est acheminée dans un bioréacteur aérobie. Pour un lisier d engraissement de 4,5 % de matière sèche (cette dernière influence beaucoup les émissions) séparé à la pré-fosse, posons que les fractions solides et liquides ont les caractéristiques présentées au tableau 1 après la séparation. Tableau 1 : Caractéristiques des phases solide et liquide après séparation à l aide d un séparateur à vis à la pré-fosse de 1 kg de lisier d engraissement de 4,5 % de matière sèche. Paramètres Fraction solide Fraction liquide Masse (kg) 0,08 0,92 Teneur en matière sèche (%) 30 3 Solides totaux (kg) 0,024 0,0276 Solides volatils (kg) 0,019 0,021 Azote total (kg) 0,002 0,002 À partir de ces données, il est possible d estimer les différentes émissions de gaz à effet de serre générées par un système de traitement avec séparation mécanique suivie d une digestion aérobie de la phase liquide avec compostage de la phase solide. Émissions reliées à la gestion de la phase liquide Dans le cas présent, la production de CH 4 peut être exprimée par l équation suivante : Production de CH 4 = Ceff 1 x kg de CH 4 /kg s.v. x kg de s.v. 2 /kg de lisier [1] Où 1 Ceff = un coefficient d efficacité de transformation (IPCC, 1997); 2 s.v. = les solides volatils. 0,001 x 0,30 kg CH4/kg s.v. x 0,021 kg s.v./kg de lisier = 0, kg CH 4 /kg de lisier brut La production de CO 2 peut être exprimée de la même façon. Cependant, dans la littérature, il n existe pas d information précise concernant le Ceff pour la production de CO 2 en aérobie. Ce 5

6 coefficient, qui pourrait atteindre 100 % dans le potentiel de transformation des solides volatils, est utilisé et transformé en CO 2. Dans le présent cas, posons un coefficient de 90 % : 0,9 x 0,45 x 0,021 = 0,0085 kg CO 2 /kg de lisier La production de N 2 O est basée sur l azote total présent dans le lisier et s exprime en fonction de l équation: Kg d azote/kg de lisier x 1,57 kg N 2 O/kg de N x Ceff [2] Où Ceff est fonction du type de traitement. Pour la digestion aérobie, posons ce facteur égal à 0,02 (IPCC, 1997). Donc, dans notre cas, les émissions de N 2 O pour la phase liquide sont : 0,002 kg N/kg de lisier x 1,57 kg N 2 O/kg N x 0,02 = 0, kg N 2 O/kg de lisier Émissions reliées à la phase solide Le compostage entraîne la génération de gaz à effet de serre. Puisqu il y a une possibilité de réaction anaérobie, il y aura probablement formation de CH 4. En reprenant l équation [1] et en l adaptant au cas du compostage, il est possible d évaluer cette émission : 0,005 x 0,30 kg CH 4 /kg s.v. x 0,019 kg s.v./kg de lisier = 0, kg CH 4 /kg de lisier brut La production de CO 2 peut être exprimée de la même façon, sauf que la valeur du Ceff dans le cas du compostage de la fraction solide de porc n est pas vraiment connue. Dans un ensemble de solide volatil, il y a du carbone disponible pour la formation de CO 2. Posons un Ceff de 90 % puisque, dans le cas du lisier de porc, le carbone est assez facilement transformable. 0,9 x 0,45 x 0,019 = 0,0077 kg CO 2 /kg de lisier Finalement, il est également possible d évaluer la production de N 2 O par l équation [2] adaptée au compostage (IPCC, 1997) : 6

7 0,002 kg N/kg de lisier x 1,57 kg N 2 O/kg N x 0,02 = 0, kg N 2 O/kg de lisier Tableau 2 : Émissions de gaz à effet de serre provenant de la digestion aérobie complète du lisier de porc et du compostage de la phase solide. Description CH 4 CO 2 N 2 O Équivalent CO 2 (kg/kg de lisier) Digestion 0, ,0085 0, ,028 Compostage 0, ,0077 0, ,028 Total 0, ,0162 0, ,056 En situation anaérobie Les traitements anaérobies sont des traitements où les microorganismes se développent en l absence d oxygène libre. Dans la digestion anaérobie des matières organiques, il y a trois phases successives : l hydrolyse, l acidogénèse et la méthanogénèse, où différentes populations bactériennes entrent en jeu. Le traitement anaérobie, tel que popularisé depuis longtemps, est le procédé mésophile (30 à 35 o C). Mais il existe aujourd hui d autres procédés fonctionnant à des températures plus basses. Ces procédés permettent une croissance des bactéries spécifiques à la méthanogénèse. Donc, le principal gaz à effet de serre issu de ces procédés est le méthane (CH 4 ). Cependant, dans un traitement complet de type industriel, ce gaz est valorisé et ne devrait pas être pris en considération dans l évaluation des émissions de gaz à effet de serre. En posant que les systèmes anaérobies ne nécessitent pas de séparation en aval et que la fraction solide générée est négligeable, il est possible d évaluer le potentiel maximal d émissions de gaz à effet de serre s il n y a pas de système de traitement de l air. Le présent calcul pose que les émissions de CH 4 et de CO 2 sont respectivement de 0,30 kg et de 0,45 kg par kg de solide volatil. Pour le porc, la quantité de solide volatil est basée sur une valeur de 0,04 kg par kg de lisier brut (IPCC, 1997). 0,04 kg s.v./kg de lisier x 0,30 kg CH 4 /kg s.v. x 0,8 (peut varier de %) = 0,0096 kg CH 4 /kg lisier 7

8 0,04 kg s.v./kg de lisier x 0,45 kg CO 2 /kg s.v. x 0,8 (varie de %) = 0,0144 kg CO 2 /kg lisier 0,004 kg N/kg de lisier x 1,57 kg N 2 O/kg N x 0,001 = 0, kg N 2 O/kg lisier Donc, une digestion complète entraînerait une production de 0,0096 kg de CH 4 et de 0,0144 kg de CO 2 par kg de lisier brut. La quantité de N 2 O est considérée nulle. Le tableau 3 résume ces valeurs pour la digestion anaérobie. Tableau 3 : Émissions de gaz à effet de serre provenant de la digestion anaérobie complète du lisier de porc. Description CH 4 CO 2 N 2 O Équivalent CO 2 (kg/kg de lisier) Digestion 0,0096 0,0144 0, ,218 Digestion avec valorisation 0 0,0144 0, ,0164 DISCUSSION SUR LES IMPACTS DU TRAITEMENT SUR LES ÉMISSIONS GAZEUSES À EFFET DE SERRE Puisque le Canada vise une réduction des émissions de gaz à effet de serre, toute implantation de systèmes de traitement ne devrait pas occasionner de hausse d émission. Afin de percevoir la différence entre une chaîne de traitement et la gestion standard, il faut calculer les émissions de gaz à effet sous des conditions similaires. Donc, en utilisant les mêmes caractéristiques que pour les calculs réalisés dans la section précédente, les émissions reliées à la gestion standard du lisier peuvent être calculées en utilisant des équations similaires. 0,04 kg s.v./kg de lisier x 0,30 kg CH 4 /kg s.v. x 0,39 = 0,004 kg CH 4 /kg de lisier 0,04 kg s.v./kg de lisier x 0,45 kg CO 2 /kg s.v. x 0,39 = 0,007 kg CO 2 /kg de lisier 0,004 kg N/kg de lisier x 1,57 kg N 2 O/kg N x 0,001 = 0, kg N 2 O/kg de lisier Le tableau 4 regroupe les différentes valeurs calculées précédemment. Ce tableau illustre, compte tenu des approximations, que la valeur d émission totale équivalent CO 2 émise en gestion standard des lisiers est similaire à celle émise par un système de traitement complet par 8

9 un système aérobie et compostage. Donc, ce type de gestion n entraîne pas d augmentation, et ce, même si les rejets gazeux ne sont pas traités. Dans un contexte de réduction, si l air du réacteur aérobie est traité, le système aérobie-compostage pourrait permettre une réduction globale des émissions de gaz à effet de serre. Le traitement des lisiers par digestion anaérobie occasionne une augmentation des émissions de gaz à effet de serre. Donc, dans le contexte actuel, les traitements anaérobies ne sont admissibles que lorsque les rejets gazeux sont traités. Si le traitement des rejets gazeux est efficace, ce mode de traitement pourrait également être bénéfique pour réduire les émissions de gaz à effet de serre. Ce type de traitement génère du CH 4 et ce gaz a un certain intérêt économique. Par conséquent, à partir d un certain volume, la récupération de ce gaz peut être économiquement intéressante. Les systèmes de traitement ont un avantage sur la gestion standard puisqu ils regroupent en un seul point les émissions et facilitent ainsi le traitement des rejets gazeux. Tableau 4 : Émissions de gaz à effet de serre en fonction de différentes gestions. Description CH 4 CO 2 N 2 O Équivalent CO 2 (kg/kg de lisier) Traitement aérobie avec compostage phase solide 0, ,0162 0, ,056 Traitement anaérobie 0,0096 0,0144 0, ,218 Traitement anaérobie et 0 0,0144 0, ,0164 valorisation du CH 4 Gestion standard avec entreposage standard 0,004 0,0162 0, ,0606 En supposant que le surplus de de m 3 de lisier produit au Québec, actuellement géré de façon standard, soit entièrement traité, cela pourrait permettre de réduire les émissions. En 9

10 équivalent CO 2, la gestion standard de ce de m 3 génère tonnes de gaz à effet de serre. Si ce volume en surplus était entièrement traité par un système aérobie-compostage sans traitement de l air, les émissions seraient de tonnes équivalent CO 2. Par contre, l air pouvant être en partie traité, il serait facile d abaisser ces émissions à une valeur près de tonnes. Un traitement anaérobie avec récupération complète du CH 4, réduirait les émissions à tonnes d équivalent CO 2. Par conséquent, le seul fait de traiter uniquement les surplus pourrait permettre au Québec de réduire ses émissions de tonnes d équivalent CO 2. RECHERCHES RÉALISÉES AU QUÉBEC Au Québec présentement, il y a en cours différents projets de quantification des émissions de gaz à effet de serre provenant de l agriculture et des chaînes de traitements complets des lisiers, comme par exemple une quantification plus précise des émissions pour le compostage de la phase solide après séparation. Ces projets, le plus souvent en collaboration avec des chercheurs des autres provinces, visent à estimer les différentes sources de gaz à effet de serre. Ces projets estiment, entre autres, les émissions provenant de l entreposage, des bâtiments, de l épandage et de quelques systèmes de traitement. Actuellement, l Institut de recherche et de développement en agroenvironnement (IRDA) et l Université Laval tentent d estimer les productions des gaz à effet de serre lorsqu il y a traitement comparativement à une gestion liquide standard sous nos conditions. Aussi, certains de ces projets visent à mettre sur pied des modèles capables de quantifier le plus précisément possible les sources et permettre ainsi aux dirigeants de cibler et de quantifier les actions de mitigation. Cependant, au moment d écrire ces lignes, il est trop tôt pour présenter des résultats. CONCLUSION Les productions animales au Québec génèrent un important volume de déjections. Pour la production porcine, une partie de ces déjections devra être traitée puisque, dans certaines régions, les producteurs ont des surplus. 10

11 Ces surplus, dans un avenir rapproché, seront traités par des unités de traitement utilisant différentes technologies. En ce moment, les plus populaires semblent être celles basées sur l aérobie et l anaérobie. Ces technologies sont agencées dans des séquences de toutes sortes afin de former une chaîne de traitement complet. Certaines méthodes de calcul permettent d évaluer les émissions de gaz à effet de serre selon certains critères. Plusieurs valeurs, comme les calculs le démontrent, sont des approximations très grossières et parfois purement hypothétiques. Donc, des efforts de recherche devront être consentis afin de déterminer tous ces facteurs sous nos conditions climatiques. Ceci permettrait d évaluer plus justement la contribution de l agriculture québécoise aux émissions de gaz à effet de serre. Toutefois, selon des calculs préliminaires, il semble que la gestion, avec une chaîne regroupant un réacteur aérobie et une unité de compostage sans traitement des rejets gazeux, ne produit pas plus de gaz à effet de serre que la gestion standard des lisiers. Donc, un traitement des rejets gazeux de ce type de chaîne entraînerait une réduction totale des émissions de gaz à effet de serre. Les mêmes calculs ont démontré que les traitements anaérobies augmentent les émissions de gaz à effet de serre si les rejets gazeux ne sont pas récupérés ou traités. Dans ce cas, un traitement du rejet gazeux semble incontournable. Cependant, ce type de traitement a l avantage de produire un gaz (CH 4 ) ayant un potentiel économique intéressant. Donc un traitement anaérobie devrait être conçu pour utiliser le potentiel du CH 4. Dans les deux cas de traitement, il faut souligner que s il y a épandage des phases liquides traitées, celles-ci n émettront pratiquement pas de gaz puisqu elles sont stabilisées. C est un avantage majeur sur la gestion standard. Finalement, peu importe le système de traitement adopté, il serait avantageux de mesurer les émissions et de prévoir des modes de réduction ou de récupération de celles-ci. Ainsi, globalement, le Québec pourrait réduire ses émissions de gaz à effet de serre provenant des productions agricoles. 11

12 RÉFÉRENCES BUELNA, G., P. CAOUETTE et S. PIGEON Désodorisation des lisiers : Étude comparative des principales technologies existantes à l'aide des bilans et selon une approche intégrée. Sciences et techniques de l'eau. Vol. 26, n o 4 : CDPQ Coup d œil sur la production porcine. Centre de développement du porc du Québec inc. IPCC Guidelines for national greenhouse gaz inventories. Intergovernmental Panel on Climate Change. IPCC Climate Change : The science of Climate Change. Intergovernmental Panel on Climate Change. MAGNAN, J Production porcine et environnement : harmonie ou contradiction, 22 e colloque sur la production porcine, CRAAQ WAMEGNI, J Revue de littérature et proposition de la recherche : Modélisation des gaz à effet de serre par les productions porcines et bovines. 12

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