Alternatives à l’épandage pour le recyclage des litières

Acceptation de la viande par le consommateur

Vingt taurillons Holstein ont été aléatoirement et également répartis en deux groupes (traitement et témoin) à un poids moyen de 334,3 kg et ont été nourris avec une ration contenant en moyenne 5 % de granulés de litière de volaille, pendant l’allotement et la finition (Jeremiah et Gibson, 2003). À la fin de la période de finition, tous les animaux ont été abattus, et la composition, les caractéristiques de cuisson, la palatabilité et l’acceptation par le consommateur de la viande obtenue ont été testées.
Les échantillons traités n’étaient pas distinguables des échantillons de contrôle pour la palatabilité et l’acceptation par le consommateur, indiquant que les suppléments de litière de volaille pouvaient être utilisés, lorsqu’ils sont autorisés, dans les rations des lots de bétail sans compromettre les qualités organoleptiques testées ici.

Détection de la litière de volaille dans les aliments destinés au bétail

La législation européenne permet l’ajout de certains additifs dans les ensilages destinés à l’alimentation animale, mais en quantité strictement définie. Des méthodes de contrôle ont donc été développées. Les additifs (urée, biuret et litière de volaille) présents dans l’ensilage de luzerne, qui correspondent à l’azote non protéique, ont été analysés en utilisant une technologie de spectroscopie dans le proche infrarouge (NIRS) et une sonde réfléchissante à distance en fibre optique. González-Martín et Hernández- Hierro (2008) ont montré que cette technique permettait de prédire la présence de litière de volaille avec une sensibilité de 100 %, et d’en quantifier la teneur avec un coefficient de corrélation de 0,925 et une erreur standard corrigée de 2,08 %.
Cette étude a permis la prédiction instantanée et simultanée de la présence d’urée, de biuret et de litière de volaille dans un ensilage de luzerne, en appliquant une fibre optique directement sur des échantillons de terrain.

Additifs pour la litière (L-carnitine)

Les veaux en croissance consomment des nutriments azotés en quantité excessive lorsqu’ils sont nourris avec des rations à base de litière de volaille, particulièrement riches en azote non protéique. Trente-neuf veaux Holstein en croissance (150,1 ± 5,5 kg) ont été utilisés pour déterminer les effets de l’ajout d’acide 3-hydroxy-4N-triméthylaminobutyrique (L-carnitine) sur leurs performances de croissance et sur différents métabolites sanguins et ruminaux (Bunting et al., 2002). Les veaux étaient allotés en fonction de leur poids vif, et nourris avec l’une des trois rations expérimentales suivantes:
ration de contrôle protéine à base de maïs, soja et coton,
ration litière de poulet de chair contenant 55 % de litière de poulet de chair, du maïs, du soja et du coton,
ration litière à laquelle on ajoute 250 ppm de L-carnitine (LP + C).
La consommation moyenne de MS, le gain moyen quotidien et l’indice de consommation sur 42 jours était plus élevés pour les veaux nourris avec la ration de contrôle que pour les veaux avec la ration de litière (avec et sans L-carnitine). Les animaux nourris avec un supplément de L-carnitine avaient un indice de consommation 8 % plus faible. Les résultats suggèrent que la supplémentation en L-carnitine pourrait améliorer les performances des veaux nourris avec des niveaux excessifs de matières azotées en diminuant l’indice de consommation. La L-carnitine améliore les concentrations de certains métabolites (ammoniac, urée) chez les ruminants en hyperammoniémie car soumis à des apports trop élevés d’azote non protéique.
En conclusion, la tendance actuelle est d’incorporer la litière de volaille à des compléments alimentaires type « urée à consommation lente », afin d’apporter de l’azote non protéique. Elle n’est plus utilisée seule car trop déséquilibrée, quelle que soit l’espèce cible. Aujourd’hui, elle est surtout incorporée aux aliments pour réduire le coût global de la ration et valoriser des fourrages pauvres. Enfin, si elle n’est pas traitée de façon appropriée, elle peut transmettre un nombre important d’agents pathogènes (notamment bactéries antibiorésistantes, helminthes…). Chez les ruminants, elle aurait également le potentiel de transmettre le prion de l’ESB si les volailles sont nourries avec des aliments contenant de la farine de viande et d’os contaminés. Enfin, elle contient des minéraux essentiels mais qui peuvent devenir toxiques s’ils sont consommés en excès (calcium chez les vaches laitières par exemple).

La litière, source d’énergies

L’épandage du fumier (voir III), peut poser des problèmes de pollution de l’eau et de l’air, notamment par le phosphore et l’azote qu’il contient. C’est pour cette raison que d’autres méthodes d’utilisation du fumier ont été testées, par exemple, son emploi comme combustible. En effet, les combustibles de biomasse sont considérés comme des énergies renouvelables qui n’affectent pas l’équilibre en CO2 de l’atmosphère.
Les technologies de destruction à haute température des déchets de volaille se différencient en fonction de l’atmosphère de réaction : la combustion implique la réaction des substrats avec du dioxygène ou de l’air ; la gazéification correspond à la conversion des déchets en présence d’agents gazéifiants comme H2 O, CO2 ou l’air en quantités stœchiométriques ; la pyrolyse implique la conversion des déchets sous une atmosphère inerte. Le choix de la technique dépend de l’utilisation souhaitée du produit ultime. Par exemple, la combustion d’effluents de volaille est plus adaptée pour produire de la vapeur ou de l’électricité. La pyrolyse peut produire du charbon activé. Et la gazéification des déchets de volaille peut produire un gaz combustible riche en H2, utilisable directement dans les moteurs à gaz, les turbines à gaz ou les piles à combustibles (Florin et al., 2009).
La combustion et la gazéification soulèvent néanmoins des difficultés pour l’environnement et la santé en raison des émissions de NOx, SOx, H2 S et HCl gazeux associées. Il est possible de réduire ces émissions en travaillant sur la conception des usines et leur fonctionnement, mais avec des conséquences importantes sur leur rentabilité.

Calorimétrie de la litière de volaille

Dávalos et al. (2002) ont déterminé le pouvoir calorifique (ou énergie massique) de la litière (poulet de chair, substrat non précisé) lors de la combustion en utilisant une bombe calorimétrique.
L’énergie massique de la litière sèche est de 14 447 kJ/kg ; cette valeur diminue lorsque le taux d’humidité de l’échantillon augmente. Le produit final obtenu après combustion contient un ensemble de solides inorganiques représentant approximativement 20 % de la masse initiale ; la normalité de la solution acide résiduelle est inférieure à 0,5 N (la solution acide est composée d’un mélange de HNO3, H2SO 4 et HCl) ; et la concentration de gaz libérés comme Cl2 et SO2 est respectivement d’environ 6 et 4 mg/kg de litière brûlée.
Une litière de volaille présentant un taux d’humidité inférieur à 9 % peut brûler sans ajout d’autre combustible. Frield et al. (2005) ont effectué l’analyse élémentaire de 154 échantillons issus de la base BIOBIB (base de données des biocombustibles), parmi lesquels se trouvait de la litière de volaille (groupe 9). Ils ont également mesuré à l’aide d’une bombe calorimétrique le pouvoir calorifique supérieur (PCS) et ont cherché une équation permettant de relier ces deux paramètres. L’équation produite est la suivante :
PCS = 3,55 C2 – 232 C – 2230 H + 51,2 C H + 131 N + 20600 Avec PCS en kJ/kg, et C, H et N en % massique de la biomasse sèche.
Soit pour le groupe 9, les valeurs mesurées étaient :
C=42,6%
H=5,7%
N=3,4%
Ceci correspond à une valeur estimée pour le pouvoir calorifique supérieur de 17 300 kJ/kg alors que la mesure expérimentale correspondante était de 15 974 kJ/kg.
Wilson (1972, dans Frield et al., 2005) avait proposé un modèle pour les déchets solides uniquement :
PCS = 140,96 C + 602,14 (H – O/8) + 39,82 S + 89,29 (H – O/8)/2 + 42,74 (O/2) – 10,40 N Soit pour le groupe 9 (O = 32,2 % S = 0,4 %), le PCS estimé serait alors de 7760 kJ/kg.
Les échantillons secs de litière de volaille ont un pouvoir calorifique classiquement évalué à 13 500 kJ/tonne, soit la moitié de celui du charbon (Abelha et al., 2003).
L’analyse des cendres obtenues lors de la combustion fournit également des renseignements intéressants. Faridullah et al. (2009) ont comparé les modifications des fractions métalliques (Cu, Mn, Zn, Pb et Ni) enregistrées dans les litières de poulet et de canard après incinération dans un four à moufles à des températures comprises entre 200 et 900 °C. L’incinération avant application sur les terres peut affecter les formes et les concentrations des oligoéléments du fait de la différence de température appliquée. La litière brûlée présentait de plus faibles concentrations en métaux solubles dans l’eau ou échangeables par rapport aux autres fractions, ce qui pourrait réduire le risque leur transfert depuis le sol vers les eaux de surface. Les concentrations métalliques totales comme celles des autres éléments (Ca, Mg et K) ont également été mesurées. Les résultats ont montré des concentrations métalliques totales globalement plus fortes avec l’augmentation de la température, avec des valeurs plus élevées dans les cendres de litière de poulet que dans celles de canard. Des températures plus hautes diminuaient significativement les niveaux de Mn, Zn et Ni solubles dans l’eau et augmentaient ceux de Cu et Pb. Une grande proportion de ces métaux se trouvait sous forme de carbonate ou résiduelle.
L’utilisation de la litière de volaille brûlée comme amendement pour le sol pourrait être économiquement rentable et permettrait un recyclage des effluents d’origine avicole notamment pour l’épandage sur des sols acides. Cette étude préliminaire a permis de fournir un aperçu de la spéciation des métaux dans les cendres de litière de poulet et de canard.
En conclusion, la litière de volaille a un pouvoir calorifique supérieur d’environ 13 500 kJ/t, valeur qui diminue quand le taux d’humidité croît. La combustion de la litière à différentes températures modifie le taux et la présentation de certains nutriments composant les cendres de la litière.

Combustion et co-combustion

La combustion et la co-combustion font partie des voies alternatives de recyclage du fumier de volaille . Elles ont le potentiel de fournir de la chaleur pour chauffer les bâtiments d’élevage d’une part, et des projets à grande échelle incluent la production d’électricité seule ou de chaleur et d’électricité d’autre part. Les systèmes modernes de combustion sont représentés par des usines à forte productivité, équipées de dispositifs de nettoyage complexe des gaz produits, qui génèrent de l’électricité et diminuent la quantité de déchets (cendres), limitant ainsi la pollution. Cinq usines principales de combustion de litière de volaille sont actuellement en activité dans le monde, dont 4 au Royaume- Uni et une aux Etats-Unis d’Amérique. L’usine Fibropower (à Eye, Royaume-Uni), par exemple, génère une production brute de 14 MWe. Elle fournit une production nette de 12,5 MWe à la ligne de 33 kV qui alimente le réseau local. La litière utilisée provenant d’un poulailler de poules reproductrices correspond à un mélange de copeaux de bois, paille et fientes de volailles. Les copeaux de bois et la paille améliorent le processus de combustion et permettent le contrôle du taux d’humidité. Le fort taux de calcium de la litière produit un effet auto-nettoyant et permet en conséquence de diminuer l’ajout de calcium comme agent nettoyant vis-à-vis des émissions de gaz. L’échappement d’odeurs est limité par l’utilisation de la pression négative. Le combustible est alimenté par une chaudière à travers un système de grille à gradins, qui garantit un temps de séjour du matériel de 2 s à 850 °C, tuant ainsi les agents pathogènes et empêchant les émissions olfactives. Le système est alimenté par deux grues automatiques qui mélangent la litière des fermes avant de l’acheminer dans les quatre élévateurs. Le combustible est ensuite déplacé vers le foyer par le système de grille à gradins. Après la combustion, un précipitateur électrostatique est utilisé pour limiter les émissions de poussière.
La litière de volaille a une température de fusion des cendres basse, ce qui pose problème lors de l’utilisation d’un système de grille de combustion conventionnelle (Kelleher et al., 2002). La technologie du lit fluidisé a donc été développée pour la construction d’usines électriques utilisant les déchets de volaille.

En chambre de combustion à lit fluidisé

L’avantage du lit fluidisé est qu’il génère un mélange homogène du matériel du lit, ce qui permet des taux de transfert de chaleur de bonne qualité entre les gaz et les solides, et facilite le contrôle de l’uniformité de la température. De plus, le retrait ou l’ajout de solides (par exemple, matériau du lit, catalyseurs et cendres) dans le réacteur est relativement aisé grâce à la fluidité du lit (Higman et Van der Burgt, 2003 dans Florin et al., 2009).
La chambre de combustion fonctionne de la façon suivante (figure 7) : l’air nécessaire à la combustion traverse le fond à tuyères et le lit composé d’un mélange de sable et de cendres pour pénétrer ensuite dans le foyer. Après addition du combustible (la litière de volaille), le mélange formant le lit est soumis à un tourbillonnement si fort qu’il acquiert les propriétés physiques d’un fluide. Le gaz de fumée et le lit fluidisé transmettent, par convection et par rayonnement, la chaleur dégagée par la combustion aux surfaces de chauffe de la chambre de combustion tourbillonnaire. Les particules solides sont séparées des gaz de fumée dans le cyclone situé en aval de la chambre de combustion et sont ensuite réintroduites dans cette dernière. Les gaz de fumée sont dirigés vers ce que l’on appelle le deuxième tirage, où ils cèdent leur chaleur aux surfaces de chauffe placées en aval (surchauffeur, réchauffeur d’eau d’alimentation et réchauffeur d’air). L’efficacité de la combustion peut être améliorée par l’introduction d’une partie de l’air secondaire dans le tirant d’air par étages et avec des turbulences (Münchener Rück Munich Re Group, 2004).
Figure 7 : schéma de la chambre de combustion à lit fluidisé. D’après Kelleher et al., 2002.
La co-combustion se définit comme la combustion d’un combustible renouvelable (la biomasse) associé à un combustible fossile ou primaire (charbon, gaz naturel, mazout, etc.) (Zhu et Lee, 2005). Les avantages de la combustion avec du gaz naturel sont : une diminution du coût des combustibles (la biomasse est moins chère que les combustibles fossiles), une réduction du volume déchets et donc de la pollution du sol, de l’eau et de l’air, et un abattement des émissions de CH4, NH3, H2S, des acides organiques volatils et autres composés chimiques car le stockage dure moins longtemps (Sweeten et al., 2003 dans Zhu et Lee, 2005).
La température axiale dans le lit et dans le tirant d’air comme la température radiale sont des indicateurs importants de la performance de combustion. Pour la litière neuve, la température atteint 865 °C dans le lit et demeure élevée dans le tirant d’air, ce qui indique que la combustion a lieu majoritairement à ce niveau. Pour le fumier, l’obtention de la combustion complète nécessite plus d’air secondaire. Les températures sont principalement affectées par la composition des produits (taux d’humidité et de cendres), le ratio en air secondaire et la concentration en combustible fossile.
L’efficacité de combustion du carbone varie surtout avec les taux d’humidité et de cendres dans les déchets, avec le ratio en air supplémentaire, le ratio en air secondaire et la hauteur d’injection de l’air secondaire.
Zhu et Lee (2005) ont étudié la co-combustion de litière de volaille, de fientes de volaille ou de sciure avec du gaz naturel dans une chambre de combustion à lit fluidisé. De même, Henihan et al. (2003) ont étudié la co-combustion d’un mélange de litière de volaille et de tourbe en quantités équivalentes en vue de l’installation d’une usine de combustion en Irlande. La co-combustion de la litière de volaille seule ou mélangée avec de la tourbe à hauteur de 50 % de son poids a été réussie en chambre de combustion à lit fluidisé, sous une atmosphère à bullage.
Le principal problème associé à la combustion de litière de volaille était le taux d’humidité qui influençait son admission dans la chambre de combustion. Si le taux d’humidité était supérieur à 25 %, la technique d’introduction par vis ne permettait pas un flux d’admission homogène pour conduire à une combustion stable. Cependant, lorsque le taux d’humidité était inférieur à 25 %, il n’était pas indispensable d’ajouter de la tourbe pour obtenir une combustion complète. La température semblait agir sur la diminution du carbone et des hydrocarbures non brûlés, libérés parmi les résidus.
L’efficacité de la combustion a été améliorée par l’introduction d’une partie de l’air secondaire dans le tirant d’air par étages et avec des turbulences. En effet, l’étagement de l’air améliorait la combustion en relançant la combustion des volatils libérés depuis les résidus dans la colonne de craquage. Les quantités de monoxyde de carbone (CO) formé diminuaient considérablement quand ces dispositions techniques étaient mises en oeuvre. Dans l’étude de Zhu et Lee (2005), les émissions de CO étaient affectées principalement par l’excès d’air. Quand ce dernier augmentait, les émissions de monoxyde de carbone diminuaient. L’efficacité de la récupération de chaleur de ce système de combustion pouvait atteindre 75 %, dont 70 % étaient récupérés par le premier échangeur de chaleur et 30 % par le second.
L’émission de NO x est considérée comme le résultat de l’oxydation de l’azote, des processus thermiques utilisés et des propriétés hydrodynamiques de la chambre de combustion. Plus le combustible contient d’azote et plus les émissions de NOx sont importantes. Celles-ci restaient très faibles (inférieures à 140 ppm) pour le mélange fumier-gaz naturel même si le matériel brûlé contenait des niveaux élevés d’azote. Pour le mélange fumier-tourbe , les quantités de NOx et de N2O formées dépendaient également des étages d’air secondaire et étaient plus faibles que les valeurs d’émissions autorisées avec l’étagement efficace de l’air secondaire. La quantité de SO2 formée était toujours faible car le taux de soufre du combustible utilisé était bas et que le calcium dans les cendres retenait le SO2 dans le mélange fumier/tourbe.
Des concentrations relativement importantes en potassium dans la litière et dans les cendres récoltées dans les cyclones ont été observées à cause de la paille utilisée comme substrat pour la litière. Une forte quantité de chlore dans les cyclones a aussi été mesurée.
Les métaux lourds avaient également tendance à augmenter dans les cyclones et les tests de lessivage réalisés avec les cendres des cyclones ont montré une légère tendance au lessivage (Abelha et al., 2003).
Le système d’utilisation des déchets par la chambre de combustion à lit fluidisé est une solution rentable et respectueuse de l’environnement pour traiter la litière de volaille et le fumier.
Le modèle de dispersion de la combustion tourbe-litière sur une unité proposée en Irlande prédisait que les niveaux d’émission seraient inférieurs aux standards de qualité de l’air. Ces résultats montrent que la co-combustion dans un lit fluidisé de litière de poulet et de tourbe ou de gaz naturel est non seulement possible mais que les émissions gazeuses subséquentes ne sont pas dangereuses.
Sondreal et al. (2001 dans Kelleher et al., 2002) ont conclu que le choix du combustible et du type de réacteur pour les nouvelles usines électriques, incluant la combustion de biomasse, est influencé par une combinaison de plus en plus complexe de facteurs interdépendants qui incluent :
les politiques gouvernementales actuelle et future portant sur la restructuration et la réglementation des usines et les incitations environnementales comme les taxes d’émission de carbone,
les facteurs économiques comme la proximité des centres de grande consommation, la stabilité du prix de l’électricité, le montant des capitaux investis dans les nouvelles technologies, les coûts des combustibles, les technologies existantes (méthodes de contrôle de l’environnement et risques-bénéfices impliqués lors de leur déploiement), ainsi que tout ce qui est dépendant des propriétés du combustible.