Description de la digestion anaérobie

DIMINUER L’EMPREINTE ÉCOLOGIQUE DES FERMES BOVINES AU CANADA À L’AIDE DE LA BIOMÉTHANISATION

La production de déjections animales par les bovins de boucherie est une source d’ inquiétude pour l’environnement à cause des éléments contenus dans les déjections qui peuvent se retrouver dans l’environnement en l’absence d’un contrôle adéquat. Le type de gestion de cette production et les marges bénéficiaires que ces derniers peuvent utiliser pour investir sur le plan agroenvironnemental réduisent les solutions applicables, particulièrement dans l ‘est du Canada. Cette revue de littérature dresse un portrait des installations d’élevage dans le domaine du bovin de boucherie que l’on retrouve au Canada et des types de gestion des fumiers qui sont utilisés. La biométhanisation est une nouvelle approche environnementale qui permettrait aux productions agricoles de stabiliser les matières organiques tout en produisant du méthane qui peut être utilisé comme source d’énergie renouvelable.

L’utilisation des déjections de bovin de boucherie comme fertilisant ainsi que divers procédés de biométhanisation sont décrits dans ce chapitre. La majorité des élevages de bovin de boucherie au Canada sont sous une gestion solide des fumiers. La biométhanisation des matières organiques sous une texture solide comporte des avantages sur la biométhanisation sous texture liquide. Elle exige par exemple des volumes de réservoir plus faibles, moins d’énergie pour contrôler la température du traitement, des coûts de manutention des substrats et digestats réduits et peu d’énergie requise pour mélanger les substrats. Elle peut aussi être utilisée sur des fermes d’élevage sur litière (Schiifer, Lehto et Teye, 2006). Plusieurs modèles ont été développés afin de prédire la production de méthane et sont décrits dans ce chapitre. Ils permettent de contribuer à faire avancer les connaissances et la compréhension du procédé. Un modèle est proposé dans ce chapitre afin de décrire le traitement des matières organiques en deux étapes sous une texture solide.

Au Canada, les installations d’élevage ayant une gestion des fumiers sous forme solide ou semi-solide représentent 93,9 % des cheptels bovin (Statistique Canada, 2003). L’industrialisation des productions agricoles a permis aux fermes de répondre à la demande croissante de denrées alimentaires causée par une population mondiale croissante et une mondialisation des marchés. L’ intensification des élevages et des cultures représentent une demande plus élevée en éléments nutritifs et entraîne un accroissement des pertes d’azote, de phosphore et de matières solides en suspension vers les eaux superficielles ou souterraines. En 2001, 40 % des exploitations élevant du bétail en Alberta et en Saskatchewan n’ étaient munies d’ aucune installation d’ entreposage des fumiers (Statistique Canada, 2003). Au Québec, en 2007, seulement 36 % des entreprises bovines possédaient une structure étanche pour entreposer les déjections animales (BPR, 2008).

La production de fumier peut accroître les risques de contamination de l’eau si ces substances ne font pas l’objet d’une bonne gestion, un problème exacerbé par 1′ utilisation croissante de 1′ épandage des boues sur les terres agricoles selon Chambers et al. (2008). Le ruissellement qui se produit à partir d’amas de fumier laissés aux champs et d’installations de stockage non étanches entraîne le rejet direct de contaminants dans les eaux de surface et les eaux souterraines (gouvernement du Québec, 2008). L’azote, le phosphore et les métaux lourds sont les principaux contaminants inorganiques présents dans les fumiers qui peuvent affecter la qualité des eaux de surface et des eaux souterraines. Les bactéries pathogènes, tout comme les autres éléments contenus dans les matières organiques d’origines animales, peuvent être disséminées dans 1′ environnement par la voie de 1 ‘air, du sol, de 1 ‘eau ou de l’eau du sol. Les impacts des activités agricoles sur l’environnement se réalisent à deux échelles différentes : une échelle locale (environnement de la ferme, bassin versant, lacs et cours d’eau) et une échelle globale par les différentes émissions polluantes associées aux GES. Sur une échelle locale, les différentes émissions de nutriments, de microorganismes pathogènes sont des problèmes parfois difficiles à contrôler pour les producteurs agricoles. Cette activité émet de façon directe ou indirecte différents polluants dans 1′ air, le sol, 1′ eau et 1′ eau du sol en plus de prélever une partie des nutriments contenus dans le sol sous la forme organique ou minérale.

La digestion anaérobie est une forme de production d’ énergie renouvelable qui possède des avantages environnementaux sur les autres formes de productions d’énergie. Bien qu’elle puisse être utilisée pour produire du méthane à partir d’une culture énergétique, elle utilise en majeure partie des déchets agricoles tels que les déjections animales, le fumier et les litières. Les effets positifs de ce type de traitement sont d’ augmenter le bilan énergétique tout en recyclant les résidus des récoltes et les autres déchets organiques. Ce type de production permet un recyclage des nutriments et un retour de ceux-ci comme fertilisant organique dans les champs cultivés. L’utilisation de la biométhanisation comme traitement du fumier de bovin de boucherie dans une perspective de production d’énergie renouvelable est une avenue intéressante pour ces producteurs qui font face à des marges de profit souvent faibles où peu de solutions environnementales existent pour leur type de production au Québec. Certains chercheurs voient dans la digestion anaérobie de déchets contenant une grande proportion de matériel lignocellulosique une façon de maintenir une proportion importante de la fraction humique du sol qui est un élément crucial pour la productivité à long terme des sols agricoles (Svensson, 2005). L’idée de réduire les effets négatifs de la dégradation des matières organiques sans contrôle et sans récupération des énergies potentielles libérées lors des processus de dégradation a été une motivation de départ pour plusieurs projets européens. La digestion anaérobie est considérée comme l’une des plus efficaces dans le traitement de déchets organiques pour réduire les GES (Ayalon, Avnimelech et Shechter, 2000; Batool et Chuadhry, 2009; Comejo et Wilkie, 2010).

La production bovine au Canada

On retrouve la production bovine au Canada dans toutes les provmces et cette production se présente sous différents types de fermes selon la définition de Statistique Canada : 1) des fermes d’élevage de bovins laitiers et de production laitière, 2) des fermes d’élevage de bovins de boucherie y compris l’exploitation de parcs d’engraissement, et 3) des fermes mixtes où on y fait l’élevage de bovin laitier et de boucherie (Statistique Canada, 2013). Selon Statistique Canada (2012), au 1er janvier 2012, les éleveurs de bovins canadiens avaient un peu plus de 12,5 millions de bovins dans leur ferme sur 95 105 fermes de bovins et veaux. Les producteurs de bovins de boucherie représentaient environ 85 %du nombre total de fermes d’élevage de bovins au Canada. Les provinces de l’Ouest possédaient 31,6 % du total des exploitations d’engraissement et représentaient 76,8 % des stocks de bovins dans les exploitations d’engraissement au pays.

Le 1er janvier 2012, 16 270 fermes ont déclaré des bovins laitiers et 85,6% d’ entre elles se trouvaient dans l ‘ Est du pays. Les fermes laitières spécialisées représentaient 88,0 % de toutes les fermes produisant des produits laitiers. Le nombre d’exploitations laitières qui ont également produit des veaux de boucherie était de 1155 le 1er janvier 2012 et les fermes avaient en moyenne 132 têtes de bétail, ce qui représente une augmentation du nombre de têtes par ferme de 97,0 % depuis 1976. La figure 1.1 a été réalisée à partir des données de Statistique Canada (2013) pour les années 1976, 1986, 1996 et 2006.

Cette figure permet de visualiser la diminution du nombre de têtes de bovin représentées dans les classes de ferme de plus petite taille (1 à 32, 33 à 77, et 78 à 122 animaux) qui passent de 55 % des animaux possédés en 1976 à 23,4 % des animaux possédés en 2006 alors que les classes de fermes de plus grande taille ( 273 à 527, 528 à 1127, et 1128 et plus) passent de 20,5 % des animaux possédés à 52,3 % pour, respectivement, les mêmes années alors que les classes se situant entre ces deux groupes n’ont à peu près pas changé pour ces mêmes années (24,5 à 24,3 %) (Statistique Canada, 2013). Cette figure démontre une tendance à la concentration d’un plus grand nombre d’arùmaux possédé pour des fermes de plus grande taille au détriment des fermes de plus petite taille de façon générale au Canada. Au Canada, 16,3% des arùmaux de ferme se trouvaient dans des régions à forte densité arùmale. Ces régions avaient plus de 70 unités arùmales au kilomètre carré de territoire agricole. La population arùmale de bovin la plus nombreuse située dans les régions à forte densité animale était celle des bovins de bouchetie en Alberta, des bovins laitiers au Québec et des bovins laitiers en Ontario (Statistique Canada, 2003).

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Table des matières

AVANT-PROPOS
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES ABRÉVIATIONS, SIGLES ET ACRONYMES
RÉSUMÉ
ABSTRACT
CHAPITRE 1 DIMINUER L’EMPREINTE ÉCOLOGIQUE DES FERMES BOVINES AU CANADA À L’AIDE DE LA BIOMÉTHANIS ATION
1.1 Résumé
1.2 Introduction
1.3 La production bovine au Canada
1.4 La gestion des déjections animales au Canada
1.5 Les éléments contenus dans les déj ections animales
1.5.1 Les éléments inorganiques
1.5.2 Les éléments organiques
1.6 L’usage des déj ections animales et l’ environnement
1.6. 1 Les effets sur le so1..
1.6.2 Les effets sur l’eau
1.6. 3 Les effets sur 1′ air
1.7 Les nouvelles approches environnementales
1.8 Description de la digestion anaérobie
1.8.1 Consortium bactérien
1.8.2 La température du traitement
1.8. 3 Les procédés pour traiter les fumiers de bovins
1.9 Les modèles
1.9.1 Les équations stoechiométriques
1.9.2 Le modèle de Eastman et Furguson (1981)
1.9.3 Le modèle de Pavlostathis et Gosset (1986)
1.9.4 Le modèle de Angelidaki et al., (1999)
1.9.5 Le modèle« Anaerobie Digestion Model » (ADM1)
1.9.6 Modèle proposé pour le traitement de déchets solides en deux étapes81
1.10 Conclusion
CHAPITRE II ESSAI DE DÉMARRAGE D’UN DIGESTEUR ANAÉROBIE PSYCHROTROPHE À L’AIDE DE LIQUIDE DU RUMEN DE BOVIN ET D’ORIGNAL ET SUIVI DES BACTÉRIES PATHOGÈNES CONTENUS DANS LE SUBSTRAT
2.1 Résumé
2.2 Introduction
2.3 Objectifs spécifiques
2.4 Matériel et méthodes
2.4.1 Description des digesteurs
2.4.2 Essai 1 : Adaptation des populations microbiennes impliquées dans la digestion anaérobie en condit ion psychrotrophe
2.4. 3 Essai 2 : Effet du gel ( -20 °C) sur les microorganismes pathogènes dans les déjections de bovin de boucherie
2.4.4 Analyses des substrats
2.4.5 Rendement en bio gaz des digesteurs anaérobies
2.4.6 Statistique
2.2.5 Résultats et discussion
2.5.1 Les paramèt res physico-chimiques (essai 1)
2.5.2 La production de biogaz
2.5.3 Évolution du pH et des AGV dans les digesteurs anaérobies
2.5.4 Les microorganismes pathogènes (essai 1)
2.5.5 Les microorganismes pathogènes (essai 2)
2.6 Conclusion du chapitre II.
CHAPITRE III ESSAIS DE DIGESTION ANAÉROBIE À UNE TEMPÉRATURE PSYCHROTROPHE EN PROCÉDÉ DISCONTINU À DEUX ÉTAPES COMME STRATÉGIE DE DÉMARRAGE
3.1 Résumé
3.2 Introduction
3.3 Objectifs spécifiques
3.4 Matériel et méthodes
3.4.1 Description des digesteurs
3.4.2 Digestion anaérobie à une et deux étapes
3.4.3 Analyses des substrats
3.4.4 Production de bio gaz et de méthane
3.4.5 Statistique
3.5 Résultats et discussion
3.5.1 Les paramètres physico-chimiques
3.5.2 La production de méthane
3.5.3 La demande chimique en oxygène
3.5.4 Évolution des AGV et du pH
3.5.5 Les microorganismes pathogènes
3.6 Conclusion du chapitre III
CHAPITRE IV LE POTENTIEL BIOMÉTHANIER DE TROIS TYPES DE LITIÈRES AVEC UN INOCULUM NON ADAPTÉ: INFLUENCE DES PARAMÈTRES PHYSICO-CHIMIQUES À UNE TEMPÉRATURE PSYCHROTROPHE DE 20 °C
4.1 Résumé
4.2 Introduction
4.3 Objectifs spécifiques
4.4 Matériel et méthodes
4.4.1 Description du dispositif expérimental..
4.4.2 Échantillonnage et analyse chimique
4.4.3 Statistique
4.5 Résultats et discussions
4.5.1 Les paramètres physico-chimiques
4.5.2 La production de méthane
4.5.3 Le contenu en fibre lignocellulosique
4.6 Conclusion
CHAPITRE V CONCLUSION GÉNÉRALE DE LA THÈSE ET RETOUR SUR LES QUATRE EXPÉRIENCES
BIBLIOGRAPHIE