Brevet FR2648309A1 — publié le 19901221

"Procédé de traitement des lisiers de porcherie ainsi qu'installation permettant la mise oeuvre de ce procédé" La présente invention a pour objet un procédé de traitement des lisiers de porcherie. La production nationale porcine avoisine 26,5 millions de têtes par an, ce qui représente un cheptel permanent de 11 millions de porcs. En fonction de son mode d'alimentation, chaque porc produit environ 1 m3 de lisier au cours de sa vie. Les porcs sont en fait beaucoup plus polluants que les êtres humains : chaque animal génère en effet une charge équivalente à 5 habitants. L'épuration d'une telle pollution est techniquement compliquée et ce, d'autant plus, que l'on observe une grande disparité et une importante atomisation des élevages. I1 est cependant bien connu que le lisier de porc, qui est constitué par un mélange de matières organiques et minérales plus ou moins diluées, possède une valeur fertilisante très intéressante. Cette propriété se trouve notamment confirmée par le tableau ci-dessous qui indique les concentrations moyennes des principaux éléments présents dans le lisier de porc Désignation Maxi Moyenne Mini % matière sèche 11,26 7,43 3,60 % minéraux 2,76 1,94 1,12 % matière organique 8,54 5,50 2,46 % N total 0,74 0,55 0,37 % N-NH4 0,43 0,33 0,23 % P2 OS 0,64 0,40 0,15 % K20 0,51 0,39 0,27 Compte tenu de cette composition, la destination la plus fréquente des lisiers de porc est 1 'é- pandage sur les sols, l'azote ammoniacal étant essentielleent oxydé en nitrate et absorbé sous cette forme par les plantes suivant le cycle 2NH nitrosornonas + 3 2 > 2N02- + 2H20 + 4H+ 2NH 2N02- nitrobacter + 2 > 2NO3- 2NO2 Un tel épandage sur les sols n'est cependant pas sans présenter de nombreux inconvénients La charge polluante du lisier de porcherie peut être représentée par les valeurs moyennes suivantes obtenues à partir d'un mélange provenant de différents élevages en tenant compte de critères tels la taille d'exploitation, le temps de stockage ou le type de production DCO (demande chimique en oxygène) en mg d'O2 /1 : 29 663 DB05 (demande biologique en oxygène) en mg d'02/l : 8 750 pH : 7,06 Conductivité en pS/cm2 : 39 866 DCO Indice de biodégrabilité ( 0B05 : 3s45 02 dissous Ces mesures, en particulier l'indice de biodégradabilité (représentant le rapport de la quantité d'oxygène nécessaire pour transformer les molécules présentes dans le lisier en eau et en gaz carbonique à la quantité d'oxygène consommée pendant cinq jours par les bactéries présentes dans le lisier) prouvent bien que l'on est en présence de conditions permettant d'envisager une épuration biologique. Cependant, et malgré l'importance des matières organiques, cette possibilité se trouve freinée par la forte valeur de la conductivité qui est directement liée à la quantité de sels dissous ; il est en effet bien connu que ces derniers induisent des variations de la pression osmotique qui freinent le développement des bactéries de la flore banale permettant d'obtenir des réactions à cinétique normale. Cette caractéristique, liée à la faible teneur des lisiers en oxygène dissous, limite ainsi le développement des bactéries habituelles et participe à la mise en placedes bactéries anaérobies (donc à cinétique lente) induisant des fermentations appartenant au groupe des fermentations putrides produisant des substances très volatiles et olfactives dont le seuil de perception est parfois inférieur à la ppm. Cette nuisance pour l'environnement est particulièrement gênante lors des chutes de pression atmosphérique créant alors un déséquilibre entre les pressions internes et externes et provoquant ainsi un relargage plus important des gaz dissous. Cet inconvénient fait que l'épandage des lisiers est soumis à des normes limitantes voire contraignantes pour les éleveurs : il est notamment interdit d'épandre des lisiers pendant les mois d'été. Par ailleurs, il est généralement admis que, pour se trouver dans les conditions idéales pour une épuration biologique, le rapport C/N/P doit être égal à 100/5/1. Par convention, le facteur C qui représente le carbone organique total est assimilé à la DB05, ce qui, en considérant la valeur moyenne de la DBO5 dans des lisiers de porcherie pourrait s'écrire DBO5 - N - P 8 750 mg 437 mg 88 mg Or, dans le cas d'un lisier de porcherie moyen, ces valeurs deviennent en réalité DBO5 - N - P 8 750 mg 3 330 mg 1 778 mg Ces valeurs correspondent à un rapport C/N/P égal à 100/38/20, ce qui signifie que, par rapport aux valeurs idéales, les lisiers de porcs contiennent environ 7,5 fois trop d'azote et 20 fois trop de phosphore. Cette forte teneur en azote entraîne la formation de quantité importante de nitrates très solubles et se fixant plus ou moins bien dans les sols et qui, lors de fortes précipitations, se trouvent entraînés et stockés dans les nappes sous-jacentes, rendant l'eau impropre à la consommation domestique ; ces fortes quantités de nitrates présentent également l'inconvénient d'avoir un effet fertilisant de nature à modifier la flore des cours d'eau en aidant l'im plantation de végétaux et réduisant d'autant la disponibilité en oxygène, ce qui provoque la disparition de certains poissons : il s'agit là du phénomène bien connu d'eutrophisation, qui, dans le cas de réserves fermées telles que les lacs, peut rapidement aboutir à leur transformation en tourbières. La présence d'un excès de phosphore n'est pas non plus sans inconvénient, même si elle est moins gênante que la présence de nitrates : en effet, sous l'action de fortes précipitations, il se produit un léger lessivage des phosphates qui se trouvent stockés et relargués dans le temps, ce qui représente un effet dynamisant sur la pousse des végétaux. I1 convient, par ailleurs, de mentionner que les lisiers présentent également des quantités relativement importantes de potasse dont la solubilité est comparable à celle des nitrates, et qui, par conséquent, induisent les mêmes problèmes. La présente invention a pour objet de remédier aux inconvénients susmentionnés, en proposant un procédé nouveau de traitement des lisiers de porcheries n'entraînant aucune contrainte pour les éleveurs, et en étant sans danger pour l'environnement mais permettant de tirer profit d'une manière économiquement acceptable de leur valeur fertilisante. Ce procédé est caractérisé en ce que l'on ajoute un agent coagulant à un lisier à traiter, de préférence âgé de moins de cinq jours pour éviter la mise en route du processus naturel de transformation de l'azote en nitrates sous l'action des bactéries présentes dans le lisier, on sépare la phase concrète et la phase liquide ainsi obtenue et on stocke la phase concrète en vue d'un épandage ultérieur. On s'est, en effet, aperçu en étudiant les relations existant entre la masse volumique et les concentrations des différentes valeurs fertilisantes du lisier que l'on pouvait envisager, malgré la solubilité importante de l'azote et de la potasse, de séparer ce dernier en une phase liquide représentant à peu près 80 % du volume initial et une phase concrète représentant à peu près 20 % en volume, tout en conservant dans cette dernière phase, une proportion intéressante de la valeur fertilisante. On peut, en effet, ainsi obtenir une phase concrète contenant, par rapport aux valeurs initiales - 59 % de la DBO5 - 80 % de la DCO - 80 % du phosphore, - 25 % de l'azote ammoniacal et organique. Ce résultat est particulièrement intéressant étant donné qu'il permet d'obtenir, sous un volume réduit (environ 20 8 du volume initial) une fraction utile au développement des cultures et pouvant être stockée sans investissement lourd et utilisée à volonté en fonction de la pluviosité des besoins des plantes. On parvient, ainsi, à diminuer dans une large mesure le cout de l'épandage. Selon l'invention, le coagulant choisi doit être susceptible de créer dans le lisier un réseau protéique ; des essais satisfaisants ont pu être effectués en utilisant du polychlorure d'alumine ; on choisit cependant, de préférence, un agent coagulant biodégradable à haut poids moléculaire, tel que par exemple un polyacrylamide. L'importante polarité de la fonction amide par sa capacité d'interaction sur les liaisons de Van Der Waats, permet un pontage entre les matières en suspension et oblige ainsi leur séparation de la phase dissoute. Le choix de cet agent coagulant, qui est généralement utilisé en une quantité de l'ordre de 10 ppm ne doit, cependant, être en aucune façon considéré comme étant limitatif de l'invention. Malgré ses avantages, le procédé susmentionné ne permet pas de remédier à tous les inconvénients liés à l'épandage traditionnel des lisiers, notamment au problème d'odeur. De plus, la phase dissoute présente les valeurs suivantes DBO5 - N - P 3 587 mg 2 497 mg 355 mg et donc un rapport C/N/P de 100/69/10, correspondant à une quantité d'azote beaucrup trop importante. Compte ltenu de sa charge pollyante, la phase liquide ne peut, bien entendu, être rejetée directement à l'égout. Pour améliorer ces conditions, et selon une caractéristique préférentielle de l'invention, avant la séparation des phases, on fait subir au lisier un traitement d'activation préalable permettant de transformer une partie de l'azote ammoniacal en azote organique, notamment sous forme de protéines par augmentation de la biomasse ceci afin d'augmenter l'efficacité de l'agent coagulant et d'agir continuellement sur les quantités d'azote dissous. Selon une autre caractéristique de l'invention, ce traitement d'activation préalable est mis en oeuvre en présence d'oxygène et de bactéries à cinétique rapide aptes à favoriser un processus de dégradation par voie aérobie tout en bloquant le processus de nitrification. L'addition au lisier de bactéries en présence d'oxygène permet, en effet, de modifier les équilibres de départ en fonction du bilan suivant Substrat + oxygène t > biomasse + produits de + H2 O + CO2 degradation I1 est clair que cette réaction peut entre ner une augmentation rapide de la biomasse de formule générale 5 7 2 et suivant le rendement des bactéries une fabrication de protéines importante ; cette réaction se poursuit tant que le substrat ne présente pas de facteurs limitants. Le nombre de bactéries est, en effet, en moyenne multiplié par deux toutes les vingt minutes. Cette modification, en transformant une partie de l'azote ammoniacal en protéines, permet de préparer le terrain à une meilleure efficacité du coagulant (liaisons de Van Der Waals). En effet, elle permet également en diminuant le développement des réactions anaérobies environ 20 fois plus lentes que les réactions aérobies, d'intervenir fortement sur le développement d'odeurs dont la quantité produite dépend de la place laissée disponible aux fermentations anaérobies. Cependant, dans ce processus d'activation préalable, ces deux types de réaction se trouvent obligatoirement en concurrence directe : en effet, le choix des bactéries et de la quantité d'oxygène mise en oeuvre doit tenir compte de la volonté de retarder la production de nitrates par Nitrosomas et Nitrobacter. Diriger les réactions vers une voie aérobie stricte est, par conséquent dangereux. Conformément à l'invention, la formation d'odeurs nauséabondes lors de l'épandage est, par ailleurs, freinée par la transformation d'une grande partie des celluloses, éléments essentiels du lisier selon l'équation suivante Il est en effet connu que, pour qu'un lisier ne sente pas mauvais trop longtemps, il faut qu'il pénètre rapidement dans le sol ; or, la vitesse de pénétration est une fonction directe de la taille des particules. I1 est par suite essentiel de transformer la cellulose qui se trouve sous forme de grains ou de paille. I1 convient, par ailleurs, de noter que l'on connaît des produits tels que par exemple le dicyandiamide qui sont susceptibles d'inhiber les Nitrosomas et les Nitrobacters responsables de la nitrification l'emploi de cette molécule n'est, cependant, pas économiquement intéressant, et, peut conduire à l'empoi- sonnement d'autres bactéries ; il peut cependant être envisagé en cas d'accident. Comme il a déjà été indiqué, le procédé objet de l'invention conduit non seulement à l'obtention de la phase concrète ayant les caractéristiques susmentionnée, mais également à l'obtention d'une phase liquide pouvant être représentée par les données suiv.intes : DC0 (demande chimique en oxygène) en mg d'02/l : 1 400 DB05 (demande biologique en oxygène) en mg d'02/i : 400 pH : 4 Teneur en NH4 en g/l : 1,05 Teneur en P205 en mg/l 75 Teneur en K20 en mg/l : 135 constituant une amélioration très sensible du rendement épuratoire. Le rapport C/N/P correspondant à cette phase est égal à 100/262/33, mais peut être modifié très sensiblement en agissant sur le temps de travail des bactéries sur le lisier lors du traitement d'activation. Ce liquide n'est bien entendu pas totalement épuré et ne peut donc pas être rejeté directement dans un milieu récepteur ; il peut néanmoins, après étude du sol, servir de liquide d'arrosage : en effet, la charge polluante correspondant à la DBO5 est divisée par 20 par rapport à sa valeur initiale dans le lisier, et, ce liquide ne contient normalement pas de nitrates, et, la quantité d'azote ammoniacal a été notablement réduite par rapport à sa valeur initiale. Comme il a déjà été indiqué, il est essentiel pour obtenir ces résultats de traiter des lisiers âgés de moins de cinq jours. Pour rejeter directement un liquide dans un cours d'eau, l'Administration réclame l'obtention d'un niveau de charges tel que le niveau E correspondant a: DCO : 90 mg/l DBO5 : 30 mg/l MES (teneur en matières en suspension) : 30 mg/l L'invention prévoit également de faire subir à la phase liquide un traitement complémentaire permettant de satisfaire à ces obligations. Dans ce but, et selon une autre caractéristique de l'invention, on filtre la phase liquide sur un lit bactérien à culture fixée notamment formé par un mélange de bactéries et d'une composition support constituée par environ une partie de fixateur à forte surface spécifique, par exemple de lithothamme 150 p pour environ 2 parties d'une source carbonée disponible, notamment de sphaignes blondes ou de tourbe permettant de ramener le rapport C/N/P aux environ de 100/5/1. De tels filtres bactériens, dans lesquels l'effluent est susceptible de passer et de se décharger, sont constitués par des supports ayant des surfaces spécifiques très importantes pouvant aller jusqu'à 40 m2/g et, un très grand nombre de cavités dans lesquelles les bactéries peuvent se fixer pour transformer le carbone (qui se trouve sous une forme rapidement assimilable), et éliminer l'azote par assimilation et augmentation de biomasse ; on obtient ainsi une excellente épuration. Le respect des quantités de source carbonée, notamment de tourbe à ajouter, est extrêmement important étant donné que c'est ainsi que l'on pallie la faible capacité de percolation du lithothamme conséquemment à sa granulométrie. De plus, ce carbone participe à la production de biomasse permettant ainsi d'obtenir, après un certain temps, un compost pouvant également être épandu sur les sols au moment souhaité par le paysan. Il convient, par ailleurs, de préciser que les lits à tourbe sont, en général, peu efficaces après 40 cm de profondeur ; deux filières peuvent donc être utilisées dont une distribution en profondeur en utilisant un contre-courant d'oxygène sous forme d'air comprimé. L'invention se rapporte également à une installation permettant la mise en oeuvre du procédé susmentionné. Selon l'invention, cette installation est caractérisée en ce qu'elle comporte un bac de traitement d'activation préalable, une pompe permettant de transférer le lisier activé vers une cuve de séparation des phases ainsi qu'une pompe, notamment de type péristaltique d'alimentation de la cuve de séparation des phases en agent coagulant, et, le cas échéant, un filtre bactérien à culture fixée. Conformément à l'invention, et, en fonction de la taille de l'élevage et du type de bâtiment, on peut effectuer le traitement d'activation préalable directement dans les pré-fosses au-dessus desquelles les porcs sont élevés, en y ajoutant les bactéries nécessaires, et, d'associer ces pré-fosses à des fosses dans lesquelles de l'air peut être insufflé à l'aide d'un compresseur. De telles fosses doivent avoir un temps de stockage maximum de cinq jours afin d'éviter la mise en route du processus de nitrification. Pour ne pas risquer de favoriser des réactions de type anaérobie en fond de fosse, il est préférable d'utiliser un compresseur plutôt qu'un aérateur de surface qui aurait un mauvais coefficient de transfert d'O2 (O2/kW consommé). Selon une autre caractéristique de l'invention, la cuve de séparation des phases comporte une partie supérieure essentiellement cylindrique définissant une chambre de mélange du lisier activé et de l'agent coagulant, et une partie inférieure tronconique à l'extrémité de laquelle on peut soutirer la phase concrète. Cette cuve doit, bien entendu, avoir un volume utile en relation avec le temps nécessaire à la sédimentation. Il est difficile de prévoir une installation travaillant en continu compte tenu du fait que la séparation de phases est rapide et peut s'effectuer dans une cuve de plusieurs mètres cubes. Lors du dimensionnement de l'installation, il est également nécessaire de tenir compte de la quantité de phase liquide produite de façon à ce que le filtre bactérien à culture fixée soit arrosé en continu ; le cycle de traitement par ce filtre est en effet très long à se remettre en route si celui-ci est arrêté. Selon une autre caractéristique de l'invention, il est également prévu un by-pass permettant de ramener une partie du liquide sortant du lit bactérien à culture fixée vers la cuve de séparation des phases. En conclusion, le procédé et l'installation de traitement des lisiers de porcheries conformes à l'invention sont fondés sur les transformations des qualités originelles de ces lisiers sous l'action de bactéries et d'enzymes préparant le milieu à la séparation des phases. La phase liquide, très peu chargée, peut être facilement épurée sur un filtre à bactéries fixées, tandis que la destination de la phase concrète reste l'épandage, en particulier, grâce à sa teneur élevée en matière fertilisante. Les caractéristiques du procédé et de l'installation qui font l'objet de l'invention seront décrites plus en détail en se référant à la figure annexée qui est un schéma de cette installation. Selon la figure, le traitement du lisier est amorcé diretement dans les pré-fosses 1 au-dessus desquelles sont élevés les porcs P grâce à l'incorporation à ce niveau, et selon la flèche a, de bactéries de nature à orienter les transformations biologiques produites au sein du lisier vers des réactions mixtes aérobies/anaérobies/anoxiques à cinétique relativement rapide. On peut ainsi augmenter la biomasse, et donc la teneur des lisiers en protéines, au dépend de l'azote ammoniacal de façon à améliorer l'efficacité de la réaction de coagulation ultérieure. Le lisier 1 provenant de ces pré-fosses est ensuite pompé par une pompe 2 et introduit selon la flèche b dans une fosse 3 dans laquelle de l'air est insufflé par le bas selon la flèche c à l'aide d'un compresseur 4 dans le but de favoriser les réactions aérobies au dépend des réactions anaérobies, et par suite empêcher, au maximum, la formation d'odeurs gênantes. Il est impératif que le temrs de séjour du lisier dans la pré-fosse 1 et dans la fosse 3 d'activation préalable soit inférieur à cinq jours, c'est-àdire à la durée nécessaire pour la mise en oeuvre des réactions de nitrification. Le lisier activé provenant de la fosse 3 est ensuite pompé selon la flèche d par la pompe 8 pour être introduit dans une cuve de séparation 5 comportant une partie supérieure 50 cylindrique et une partie inférieure 51 de forme tronconique. La partie supérieure cylindrique 50 définit une chambre dans laquelle le lisier activé 3 est mélangé à un agent coagulant introduit selon la flèche e au moyen d'une pompe peristaltique 7 ; on observe quasi immédiatement la séparation du lisier en une phase inférieure concrète A occupant environ 20 % du volute initial et une phase supérieure liquide B occupant environ 80 4 de ce volume. La phase concrète A peut directement etre sou tirée à la partie inférieure de la partie tronconique 51 selon la flèche f pour être stockée en vue de son épandage sur le sol. Cette opération peut être effectuée au moment choisi par l'agriculteur, c'est-à-dire par temps sec et quand les cultures ont besoin d'apports. L'invention permet donc, en fait de gérer l'époque de l'épandage, ce c.i est particulièrement intéressant, d'une part, psur l'agriculteur et, d'autre part, pour éviter les risques d'eutrophisation et de pollution des cours d'eau et des nappes phréatiques. La phase liquide B est quant à elle soutirée selon la flèche g pour être épurée sur un filtre bactérien à culture fixée 6 avant de ressortir selon la flèche h en pouvant être directement rejetée à l'égout de manière satisfaisant aux -ormes en vigueur. Une conduite de by-pass i permet de ramener une partie du liquide épuré sortant du lit ba-térien 6 selon la flèche h dans la chambre de traiteront 50. Le support du lit bactérien à culture fixée 6 constitue également un compost susceptible d'être épandu sur le sol. REVENDICATIONS 1*) Procédé de traitement des lisiers de porcherie caractérisé en ce que l'on ajoute à un lisier à traiter, de préférence âgé de moins de cinq jours, un agent coagulant, on sépare la phase concrète et la phase liquide ainsi obtenue et on stocke la phase concrète en vue d'un épandage ultérieur. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on utilise un agent coagulant biodégradable à haut poids moléculaire, notamment un polyacrylamide ou un copolymère dérivé de l'acrylamie.. 3 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, avant la séparation des phases, on fait subir au lisier un traitement d'activation préalable permettant de transformer une partie de l'azote ammoniacal en azote organique, notamment sous forme de protéines par augmentation de la biomasse. 4) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on met en oeuvre le traitement d'activation préalable en présence d'oxygène et de bactéries à cinétique rapide aptes à favoriser un processus de dégradation par voie aérobie tout en bloquant le processus de nitrification. 5*) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on filtre la phase liquide sur un lit bactérien à culture fixée avant de la rejeter directement au réseau. 6 ) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le lit bactérien à culture fixée est formé par un mélange de bactéries et d'une composition support constituée par environ une partie de fixateur à forte surface spécifique pour environ deux parties d'une source carbonée. 7 ) Installation permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle comporte un bac (1, 3) de traitement d'activation préalable, une pompe (2) permettant de transférer le lisier activé vers une cuve de séparation des phases (5) ainsi qu'une pompe (7), notamment de type péristaltique d'alimentation de la cuve de séparation des phases (5) en agent coagulant, et, le cas échéant, un filtre bactérien à culture fixée (6). 8) Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce que le bac de traitement préalable est constitué par l'association d'une pré-fosse au dessus de laquelle les porcs (P) sont élevés et d'une fosse (3) dans laquelle de l'air peut être insufflé à l'aide d'un compresseur (4). 9 ) Installation selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisée en ce que la cuve de séparation des phases (5) comporte une partie supérieure (50) essentiellement cylindrique définissant une chambre de mélange du lisier activé et de l'agent coagulant, et une partie inférieure tronconique (51) à l'extrémité de laquelle on peut soutirer la phase concrète (A). 10') Installation selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisée en ce qu'elle comporte un by-pass (i) permettant de ramener une partie du liquide sortant du lit bactérien à culture fixée (6) vers la cuve de séparation des phases (5).