Émissions (II) : Comment minimiser les émissions de gaz à effet de serre et d'ammoniac dans les élevages de porcs ?

Le taux de transfert des gaz de la phase liquide vers l'atmosphère est proportionnel à la différence entre la concentration dans la phase liquide et la concentration qu'elle aurait si elle était en équilibre avec la phase gazeuse. La concentration d'équilibre est celle pour laquelle il n'y a pas de transfert, c'est-à-dire pas d'émissions. Un gaz peu soluble (faible concentration d'équilibre, par exemple CH₄) aura tendance à s'échapper rapidement vers la phase gazeuse, alors que dans le cas contraire (par exemple NH₃), il peut maintenir des concentrations élevées dans le liquide sans émissions.

Tout l'azote ammoniacal n'est pas sous forme de NH₃, mais principalement sous forme de NH4+ non volatilisable. Lorsque le pH ou la température diminue, une plus grande quantité d'azote se trouve sous la forme de NH4+ et une plus grande quantité d'azote ammoniacal (somme de NH₃ et de NH₄+) reste dans le milieu liquide. Si la concentration de NH₃ dans la phase gazeuse au-dessus du lisier augmente au-delà des valeurs habituelles dans l'atmosphère, il en va de même pour la concentration d'équilibre dans le liquide. Ainsi, pour un pH de 7, une température de 20 ^oC et une concentration de 50 ppm de NH3 dans la phase gazeuse au-dessus du lisier, la concentration d'équilibre de l'azote ammoniacal dans le liquide est de 5 260 mg N/L, alors que cette concentration est de 540 mg N/L à un pH de 8. Pour éviter les émissions et maintenir des concentrations plus élevées dans le milieu liquide, il est préférable d'avoir un pH de 7 plutôt que de 8, et encore mieux si le pH est inférieur à 7. Plus la concentration de NH₃ dans la couche d'air au-dessus de la surface du lisier est faible (concentration moyenne dans l'atmosphère terrestre de 1 à 5 ppb), plus la concentration d'équilibre est faible et plus l'émission est rapide. C'est le cas du vent ou d'autres phénomènes de dispersion des gaz. Couvrir le bassin, même légèrement, pour le protéger de la dispersion ou pour diminuer la surface d'échange liquide/gaz, aura un effet sur la réduction des émissions de NH₃. Ce n'est pas le cas pour le CH₄, qui s'échappera dans l'atmosphère en toutes circonstances, à moins que la couverture du bassin ne soit complètement étanche.

Les émissions de CH₄ dépendent du temps pendant lequel les micro-organismes anaérobies décomposent la matière organique, dont l'activité augmente avec la température. La figure montre les facteurs d'émission de CH₄ selon le Manuel 2019 du GIEC (Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat) pour le climat tempéré et le climat chaud, qu'il soit humide ou sec. Le climat tempéré correspond à des températures moyennes annuelles comprises entre 15 ^oC et 25 ^oC, et le climat chaud à des températures plus élevées. Le manuel du GIEC indique que pour estimer les émissions dans les fosses sous la caillebotis, il convient de prendre en compte les conditions environnementales dans les locaux de vie des animaux, un environnement chaud et humide, et non les conditions extérieures. Ce dernier point a été prouvé expérimentalement. Le simple fait d'évacuer le lisier des bâtiments d'élevage dès que possible vers un bassin extérieur permet de réduire les émissions, par exemple de 57 % à 24 % dans le cas d'un stockage de 3 mois (voir figure).

Pour éviter les émissions de NH₃, différentes techniques peuvent être appliquées par ordre de priorité :

1. Améliorer les régimes alimentaires et la digestibilité des protéines et des acides aminés. Plus l'efficacité alimentaire est élevée, plus la concentration d'azote dans le lisier est faible et plus les taux de transfert sont bas.
2. Retirer le lisier des fosses des bâtiments d'élevage dès que possible, tous les jours plutôt que toutes les semaines, et toutes les 6 heures plutôt que toutes les 24 heures. Bien que le manuel du GIEC estime les valeurs moyennes d'émission d'azote à 25 % (fourchette de 15 à 30 %) de l'azote excrété pour les fosses sous caillebotis, et à 48 % (15 à 60 %) pour les fosses extérieures sans croûte naturelle, le bassin permet de couvrir et d'éviter les émissions (jusqu'à 3 à 12 % selon le manuel du GIEC), ce qui n'est pas réalisable dans les fosses. Il empêche également les animaux de respirer de l'ammoniac, ce qui est bénéfique pour la santé et la production.
3. Couvrir les bassins extérieurs avec une bâche ou un autre matériau qui réduit la surface de contact entre la surface du lisier stocké et l'atmosphère. Par exemple, des pièces flottantes solides qui se combinent les unes aux autres pour former une tesselle complète à la surface du lisier. La couverture de la station d'épuration par une membrane imperméable empêchera également l'émission de CH₄, un gaz qui s'accumule sous la membrane et qui doit être brûlé périodiquement dans une torche ou une chaudière, ou pour une utilisation énergétique, afin d'éviter que la membrane ne se rompe en raison d'une surpression. Cette surpression ne sera jamais due au NH₃, car lorsque les concentrations d'équilibre entre les phases liquide et gazeuse sont atteintes, son émission s'arrête.
4. Réduire le pH du lisier à des valeurs inférieures à 7 en ajoutant de l'acide et en utilisant des équipements spécialement conçus à cet effet. Il existe également des équipements permettant d'acidifier la cuve de transport du lisier et la cuve d'épandage agricole afin d'éviter la perte de NH₃ lors de l'épandage.

Pour éviter les émissions de CH₄, les techniques suivantes peuvent être appliquées :

1. Améliorer la digestibilité des régimes alimentaires et éviter les pertes d'aliments dans le lisier. Bien qu'il n'y ait pas encore d'informations corroborantes, une meilleure efficacité de l'alimentation animale devrait impliquer un potentiel énergétique plus faible des solides volatils (SV) dans le lisier et, par conséquent, une valeur plus faible de leur potentiel d’émission B₀.
2. Retirer le lisier des fosses à lisier des bâtiments dès que possible. Comme le montre la figure, cette pratique a un effet important sur la réduction des émissions de CH₄.
3. Adopter une séparation solide/liquide dès que possible après l'enlèvement du lisier des bâtiments. La fraction solide empilée a des émissions de l'ordre de 4-5% de B₀ selon le GIEC, pour les solides volatils qu'elle contient, et la fraction liquide émettra selon la valeur correspondante dans la figure, mais pour une concentration de SV plus faible et donc des émissions plus faibles.
4. Recouvrir le bassin extérieur d'une membrane imperméable pour empêcher les émissions dans l'atmosphère. Un tel bassin doit être conçu de manière à ne jamais être complètement vidé, afin que l'air n'y pénètre pas, et doit comprendre des mécanismes de sécurité pour éviter la surpression et une torchère pour brûler périodiquement le gaz accumulé. Une meilleure alternative consiste à utiliser le gaz comme combustible pour les chaudières.
5. Prévoir une unité de production de biogaz, individuelle ou collective, avec une utilisation énergétique du gaz. Le lisier doit être introduit dans l'installation le plus tôt possible afin d'utiliser tout son potentiel énergétique. Le bassin du digestat doit être couvert pour éviter les émissions de NH₃, car la concentration d'azote ammoniacal est plus élevée que celle du lisier d'origine, en raison de la décomposition des protéines.