42èmes Journées de la Recherche Porcine – Paris, 2-3 février 2010 – pp Dimensionnement de systèmes biologiques pour le recyclage et la valorisation des effluents au sein des élevages de porcs Paul Robin Philippe Morand Daniel Cluzeau Anne-Marie Pourcher Bernadette Picot Aurélie Escande Jacques Haury Brigitte Landrain Mmes et Messieurs bonjour, Les résultats que je vais vous présenter ont été obtenus sur le dispositif que vous voyez ici en photo et que vous pouvez visiter sur la station expérimentale de Guernévez des Chambres d’Agriculture de Bretagne. Ils résultent d’un travail pluridisciplinaire. La conception et le mode de gestion pratiqués aujourd’hui ont été choisis à la suite des échanges entre ces disciplines. Ils montrent qu’il est possible de recycler les éléments excrétés par les porcs sur une surface plus faible que celle utilisée actuellement pour l’épandage. *** Trois personnes ont contribué à l’animation de ce travail qui ne sont pas dans les auteurs. Il s’agit de Marcel Bouché, INRA Montpellier, qui a introduit la lombrifiltration en France, Jean Callarec, des Chambres d’Agriculture de Bretagne, qui l’a adaptée à l’élevage porcin, et Michel Roustan, INSA Toulouse, qui, à travers des programmes franco-chinois, a entretenu les collaborations entre les équipes françaises impliquées ici, depuis 2003.

Introduction hausse de la population & diversification des besoins mêmes modes de production Introduction « empreinte écologique » Sociétés Élevages Cultures Ressources naturelles, minérales et organiques, flores et faunes, eaux, sols, airs, mers avec intensification écologique des recyclages Le concept d’empreinte écologique a été introduit pour traduire le fait qu’une personne vivant en ville mobilise pour son quotidien un espace beaucoup plus vaste que celui de la seule agglomération, que ce soit pour son alimentation, ses biens d’équipement, son énergie ou encore pour recevoir ses déchets. *** Lorsque la population augmente et qu’elle diversifie ses besoins, ce que l’on constate actuellement, les surfaces d’agglomération augmentent, celles dédiées aux activités industrielles et de transport aussi, les surfaces agricoles et les flux échangés avec les milieux naturels également. On conçoit aisément que cette évolution va s’arrêter, Que ce soit faute de ressources minérales ou biologiques, ou parce que les prélèvements et rejets dans les milieux naturels deviendront difficiles voire impossibles pour des raisons sociales, économiques ou environnementales. Par conséquent les sociétés doivent changer de trajectoire, de façon rapide et massive. Le modèle d’agriculture intensive permet de profiter au maximum d’un milieu naturel favorable ; dans les écosystèmes, les animaux jouent un rôle majeur dans le recyclage des végétaux ; les éleveurs ont montré leur capacité à évoluer rapidement au cours des dernières décennies ; nos résultats montrent que l’exploitation d’élevage peut minimiser ses échanges avec le milieu naturel et maximiser les recyclages entre animaux et végétaux, avec un flux d’azote de l’ordre de 8 tonnes par hectare et par an. Pour que maintenant des flux massifs de recyclage se mettent en place, il faut s’adapter au développement des échanges mondiaux de matières organiques non alimentaires et d’aliments du bétail dont la production occupe la majorité des territoires cultivés. Les filières animales responsables peuvent jouer un rôle dans ces échanges en garantissant la sécurité et la traçabilité des produits et en proposant des indicateurs d’efficience des intrants, de l’énergie, de la surface, favorables à une logique de recyclage. 2

Concept 4 : lagunage (macrophytes) 1 : élevage associer des ateliers a priori complémentaires eau = vecteur des nutriments entre ateliers 4 : lagunage (macrophytes) = forte croissance végétale recycler l’eau biomoniteurs 1 : élevage lisier frais avec chasse d’eau 3 : lombrifiltration (saprophytes) = production de matière organique 2 : tamisage = séparation physique Le concept sur lequel nous avons travaillé associe des ateliers a priori complémentaires qui produisent des solides et évaporent l’eau des déjections. L’eau s’est avérée être un bon vecteur des nutriments en excès, comme on le constate avec les marées vertes. L’originalité ici réside dans le recyclage de l’eau, afin d’éviter des fuites vers les milieux naturels, et l’usage de biomoniteurs, bioindicateurs et « espèces ingénieurs » pour piloter le système. *** La porcherie est équippée d’un système de chasse d’eau. L’intérêt du tamisage est qu’un marché des refus de séparation de phase est en train d’émerger. La lombrifiltration transforme rapidement l’ammoniac et les composés malodorants. Le lagunage à macrophytes permet d’exporter les nutriments dilués dans l’eau grâce à des croissances végétales énormes. Des dispositifs spécifiques illustrés, dans les petites photos, ont été utilisés pour le dimensionnement. 3

50 fois moins de surface qu’un épandage Dispositif expérimental 50 fois moins de surface qu’un épandage effluent brut Sp 30 truies chasse d’eau truies porcherie aliments refus de tamisage faeces épandage + maturation (lombrifiltration) (lombricompostage) lombriciens effluent lombrifiltré Sl tamis effluent tamisé St 4-5 m3/j boues décanteur D0 lombri-compost lagunes (L) et filtres plantés (FP) L1 FP2 L3 FP4 macrophytes L5 lagune tampon à niveau variable Le dispositif expérimental comporte plusieurs points d’échantillonnage des liquides. Le premier se situe à la sortie de la porcherie, *** le second après le tamis, Les fécès ont aussi été échantillonnés, Le lombrifiltre est conduit comme la porcherie, on apporte la soupe et on enlève les déjections, Celles-ci tombent dans un décanteur d’où elles sont reprises et apportées sur une deuxième partie du lombrifiltre, recevant moins d’eau, en vue de l’exportation du lombricompost. Le surnageant du décanteur est apporté sur une première lagune, Puis un filtre planté des phragmites, Une seconde lagune, Un second filtre planté de glycéries, Puis un bassin de stockage permettant d’accumuler l’eau en hiver pour compenser l’évaporation en été. Ces bassins produisent des macrophytes, jusqu’à 30 tonnes par hectare et par semaine, Puis l’eau est reprise pour alimenter la chasse d’eau, ce qui conduit à augmenter la concentration des éléments qui ne seraient pas exportés. Les dimensions sont données dans le texte. Sl points d’échantillonnage 4 4

N2 & matières organiques Recyclage des éléments sorties N2 & matières organiques sorties matières organiques & plantes entrées=sorties si stoechiométrie K >> P > N Ce graphique montre les résultats de concentrations en N, P, K aux différents point d’échantillonnage des liquides, à l’équilibre. Ainsi, on passe de 300 g d’azote par m3 en sortie de porcherie à 16 mg/L dans le bassin de stockage. *** On constate des teneurs en potassium 10 fois supérieures aux teneurs en azote. Cela ne correspond ni à la proportion des intrants, ni à celle d’un milieu naturel. C’est donc le recyclage qui conduit à une augmentation des concentrations des éléments difficiles à exporter (P, K). Ces concentrations augmentent durant quelques semaines après le démarrage du système, jusqu’à un palier, variable selon les saisons, où les sorties équilibrent les entrées. En effet, la teneur des plantes et des matières organiques augmente lorsque le milieu devient plus riche en ces éléments. C’est pourquoi le recyclage de l’eau permet d’augmenter l’exportation de tous les éléments. Nous n’avons pas observé de toxicité après 2 ans de fonctionnement. L’essentiel de l’exportation a lieu sous forme de matières organiques, dans la première partie du dispositif. Le reste a lieu sous forme de plantes mais aussi de matières organiques dans la deuxième partie. Le dimensionnement doit tenir compte du ralentissement végétatif en hiver. C’est pourquoi une modélisation dynamique est préférable pour adapter le système à chaque situation particulière. 5

Pathogènes et micropolluants hygiénisation poussée vigilance indispensable (recyclage) abattement important des perturbateurs endocriniens effet  station abattement important du lagunage effet différent des lagunes et des filtres plantés selon les indicateurs considérés Le graphique suivant illustre les dénombrements de trois indicateurs de contamination : coliformes, enterocoques, clostridium. Ils servent à évaluer la capacité du système à réduire d’éventuels pathogènes qui apparaîtraient en élevage. On constate que l’hygiénisation à l’aval du système est 1000 fois plus élevée que celle d’une station de traitement biologique, grâce au lagunage. *** L’effet des lagunes et des filtres plantés est différent selon l’indicateur considéré. Clostridium est réduit essentiellement au passage du premier filtre planté alors que les coliformes diminuent progressivement, probablement en relation avec un temps de résidence voisin de 5 jours pour chacun des 4 niveaux. L’effet estrogène est mesuré ici par l’effet global de tout le liquide sur des cultures de cellules sensibles aux estrogènes. On constate que l’effet est réduit d’un facteur 1000. Ainsi, si l’on veut utiliser les eaux du bassin pour de l’irrigation, le risque pour le milieu serait beaucoup plus faible qu’avec un liquide prélevé au niveau du décanteur, après un temps de séjour de quelques jours et seulement un traitement physique et un traitement biologique. De même pour les émissions gazeuses, on peut faire l’hypothèse qu’elles seront plus faibles qu’après un épandage de lisier en raison des très faibles concentrations dans les liquides apportés. Nous faisons l’hypothèse que l’ensemble de ces effets s’explique par la combinaison de zones aérobies et anaérobies au sein de tous les milieux, par une forte activité métabolique dans tous les compartiments, ainsi que par l’exposition au soleil dans les lagunes. C’est pourquoi nous considérons qu’il est important de combiner des milieux différents : ateliers organiques, eau libre, eau confinée, pour conserver ces propriétés. 6 6

Conclusions Le recyclage de l’eau améliore la capacité du système à exporter plus d’éléments (efficience des intrants) La combinaison d’ateliers saprophytes et macrophytes permet de réduire considérablement la surface de l’épandage, tout en protégeant mieux le milieu naturel Dans le milieu anthropisé à l’équilibre, les proportions des éléments (C, N, P, K) sont nécessairement différentes ; le dimensionnement doit considérer tous les intrants L’exportation est possible à condition de développer les échanges de matières organiques entre filières, notamment alimentaires et non-alimentaires ; cela suppose des spécifications + claires et une logistique mieux adaptée L’intensification du recyclage devrait s’accompagner d’une vigilance environnementale et sanitaire et d’une réactivité de la R&D accrues (systèmes + modèles) Voici donc les principales conclusions de ce travail. *** Tout d’abord l’importance du recyclage. Celui-ci augmente clairement la capacité du système à équilibrer entrées et sorties, Pour les conserver le plus longtemps possible dans le cycle anthropique. Deuxièmement, l’importance de combiner des ateliers différents. Au-delà des spécificités constatées ici, cette combinaison permet de remplir des fonctions biologiques complémentaires, sur une surface réduite par rapport à l’épandage, et de réduire ainsi les risques de fuites de nutriments ou de contaminants vers les milieux naturels. Toutefois, il faut s’attendre à des proportions entre éléments différentes de celles observées dans les écosystèmes, qui s’expliquent par la recherche d’un optimum biologique correspondant aux fonctions de production des agrosystèmes, en les augmentant grâce à quelques intrants qui compensent des ressources en quantité limitante (alors que dans un écosystème naturel, l’équilibre résulte des ressources locales). C’est pourquoi le dimensionnement doit considérer au moins l’eau et ces 4 éléments. Pour que ces systèmes puissent se développer et participer à un recyclage plus efficace des matières organiques, Une convergence des filières productrices et utilisatrices de matières organiques est nécessaire, Dans les domaines alimentaire et non-alimentaire, Cela suppose d’échanger des informations pour élaborer des spécifications plus claires, Une plus grande segmentation des produits et une logistique économe en énergie, à l’instar des flux interrégionaux d’aliments du bétail. Dans ces conditions, l’intensification du recyclage Devrait s’accompagner d’une vigilance sanitaire et environnementale accrue, car si les flux sont multipliés par 50, les questions demanderont des réactions de la recherche et développement plus rapides, Qui pourront être apportées par une mise en réseau des expérimentations « système » et par leur association à des modèles dynamiques. Je vous remercie de votre attention. 7 7