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Développement d'une filière physico-chimique de traitement du lisier bovin.

Kombila, Dikenane (2013). Développement d'une filière physico-chimique de traitement du lisier bovin. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 186 p.

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Résumé

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L'élevage intensif est un secteur prospère en Amérique du Nord qui, en plus de consommer eau et énergie, apporte son lot de rejets potentiellement nocifs pour l'environnement. En effet, l'agrandissement des exploitations et la progression de l'élevage intensif entraînent des surplus de fertilisants par rapport à la demande locale. Le surplus de nutriments présents dans le lisier se retrouve dans la nature après épandage, ce qui altère la qualité des eaux souterraines, des eaux de surface, de l'air et des sols Au Canada, la gestion du lisier sous forme liquide tend à se développer parallèlement à l'agrandissement des exploitations. Sous la forme liquide, le lisier est plus facile à manipuler avec de la machinerie. La gestion du lisier sous forme liquide nécessite de grandes quantités d'eau généralement potable (eau de lavage). La dilution provoque une forte augmentation du volume du lisier. Il faut donc plus d'espace de stockage et plus de moyens de transport pour l'épandage. Au Québec, la quantité totale de lisier produite est de 25 Mt an-l. Il est donc pertinent de s'intéresser au traitement du lisier bovin. Le lisier a une valeur agronomique importante, car il constitue un engrais organo-minéral possédant d'excellentes qualité fertilisantes. La quasi-totalité du lisier produit sous forme liquide fait l'objet d'épandage au champ. Des quantités importantes de matières en suspension (MES), d'azote (N) et de phosphore (P) notamment, provoquent une diminution de l'oxygène disponible dans les cours d'eau. Les épisodes de contamination des étendues d'eau par des micro-algues toxiques, directement liées à l'eutrophisation des lacs, ne laissent pas les gouvernements indifférents face aux nouveaux défis qu'impose la gestion des cours d'eau. Le P est l'élément fertilisant qui pause le plus de problème. Dans certaines régions, l'apport de P au sol par épandage de lisier est trop important par rapport au besoin des cultures. Il faut donc transporter ces surplus vers des zones ayant des besoins en P, ce qui occasionne des coûts de transport élevés. Dans l'objectif de résoudre cette problématique qui devient un enjeu pour la santé humaine, plusieurs recherches tentent de mettre au point des technologies capables de diminuer la charge polluante du lisier sous forme liquide tout en conservant ses qualités fertilisantes. Quelques procédés ont fait leurs preuves avec le lisier porcin. Les trois principales catégories de traitements exploités, font appel a des procédés physiques, biologique et/ou physico chimique pouvant être combinés ou non. Toutefois, la plupart des technologies de traitement disponibles pour le lisier bovin sont actuellement en cours d'étude ou trop coûteuses pour être exploitées. La présente étude a pour objectif central la mise au point d'un procédé de séparation solide/liquide (SIL) du lisier bovin sous sa forme liquide. La problématique exige un procédé simple, se déroulant en deux ou trois étapes, il devra facilement s'adapter au fonctionnement de l'exploitation, ou être implanté à moindre coût, sur une installation de traitement existante. La filière étudiée consiste notamment en une séparation par tamisage, suivie d'une coagulation des MES par électrocoagulation en utilisant des électrodes de fer ou par ajout de polymères. Dans le cadre des présents essais, une ferme près de Québec, spécialisée dans la production de vaches génisses et laitières a servi de source d'échantillonnage. La première étape du procédé reposait sur un tamisage en séquence composé de deux tamis de maillage 3,0 et 0,5 mm. Un système de deux tamis superposés était placé sur un agitateur à secousses. Initialement, le lisier présentait une concentration moyenne de 8,6% solides totaux (ST). Après 15 min d'agitation sur un tamis à secousses, 59 ± 2% des solides ont été récupérés sur les tamis. Le solide ainsi récupéré, constitué principalement de litière (paille) et de résidus d'alimentation, présentait une siccité de 12 ± 1 % ST. L'étape suivante a consisté en la mise au point d'une procédure de coagulation/floculation des particules présentes dans la fraction liquide issue de l'étape de tamisage. Le polymère synthétique commercial Zetag 7654 a été sélectionné pour ses caractéristiques bien adaptées au lisier bovin. Il s'agit d'un polymère cationique de poids moléculaire élevé et de densité de charge très élevée. Au terme de l'étape précédente, le lisier récupéré (6 ± 1 % ST) a été dilué à 2% ST, puis mélangé au polymère dans une concentration de 20% (v/v) d'une solution à 1 g L-1. Après un temps d'agitation de 15 min, le mélange a été tamisé sur un tamis de 0,5 mm. L'étape de floculation a généré un liquide final ayant les caractéristiques suivantes: ST: 1,4 ± 0,3%; MES: 3,1 ± 1,1 g L-1; Ptot: 0,12 ± 0,01 g L-1 et N-NTK: 1,4 ± 0,1 g L-1. Les taux d'enlèvement des solides et des nutriments à partir du lisier brut sont de 92 ± 6% ST; 76 ± 3% Ptot et 57 ± 5% N- NTK. Cette filière de traitement a été évaluée en triplicata et en mode continu à l'échelle pilote. Parallèlement aux traitements effectués avec des polymères, des essais ont été menés sur l'emploi de l'électrocoagulation avec des électrodes de fer. Le lisier issu de la première étape de tamisage a été dilué pour atteindre une concentration de 2% ST. Par la suite, il a été placé dans une cellule d'électrolyse de 1,7 L de volume utile à l'intérieur de laquelle un courant ayant une intensité de 4 A traversait huit électrodes de fer et ce, pendant 30 min. Le lisier ainsi traité a ensuite subi une étape de décantation de 2 h. Les résultats ont montré que 70 à 75% des ST sont ainsi enlevés à partir du lisier dilué. Le liquide obtenu présentait des concentrations de 0,3 g MES L-1 et de 6,5% ST. Bien que prometteur, les simulations concernant les quantités de fer nécessaires pour l'exploitation d'un tel procédé à l'échelle industrielle montrent que le procédé serait trop coûteux selon les conditions actuelles du marché. En assumant que la majorité du P est associée aux particules présentes dans le lisier, il peut être déduit qu'une bonne partie de la problématique liée à l'épandage du lisier sur les terres surchargées en nutriments pourrait trouver une solution au travers de tels procédés. L'abaissement des coûts reste un facteur limitant pour certains paramètres déterminant de l'efficacité des technologies (coûts des matériaux et réactifs). Afin de limiter l'utilisation de grandes quantités d'eau, nécessaires à la dilution du lisier pré-tamisé, des essais en boucle (réutilisation du liquide final comme diluant avant l'étape de floculation) ont été menés au laboratoire, ainsi qu'à l'échelle pilote. L'un des objectifs du projet était également de remplacer le Zetag par un polymère organique naturel, afin d'éviter les limitations légales liées à l'utilisation des amendements issus de traitements utilisant des polymères synthétiques. Le chitosan, bien que coûteux, est un polymère organique naturel efficace. Les travaux réalisés contribuent à l'avancée des connaissances concernant la mise au point de procédés de traitement appliqués au lisier bovin. Ces derniers sont très peu nombreux contrairement à ceux appliqués au lisier porcin. Cette étude présente un nouveau regard en exploitant l'utilisation de polymères à grande échelle tout en offrant faibles coûts, efficacité de traitement et facilité de manipulation. Elle permet d'entrevoir le traitement du lisier bovin selon des approches jamais ou peu évaluées auparavant, à savoir: l'utilisation de l'électrocoagulation et de polymères comme coagulants sur un résidu d'exploitation agricole à forte charge organique et particulaire. L'approche est de plus novatrice qu'elle a démontré l'efficacité du chitosan comme agent floculant au sein d'une filière de séparation SIL du lisier bovin. Elle s'aligne avec une série de travaux très récents ou en cours dont l'objectif est l'établissement de technologies de traitement spécifiquement dédiés au lisier bovin.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Blais, Jean-François
Co-directeurs de mémoire/thèse: Mercier, Guy; Drogui, Patrick
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: traitement physico-chimique; lisier de bovin; séparation solide liquide; polymère synthétique; Zetag
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 25 févr. 2014 22:41
Dernière modification: 20 nov. 2015 19:41
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/2071

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