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Un système septique modifié pour gerer efficacement les eaux usées de ferme laitière /

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(1)

UN SYSTÈME SEPTIQUE MODIFIÉ POUR GERER EFFICACEMENT LES EAUX USÉES DE FERME LAITIÈRE.

Par Sophie Morin

Cette thèse est soumise

à

la faculté des études graduées et post-doctorales en parti des exigences pour l'obtention du diplôme de Maîtrise

en Science

Département de Génie des Bioressources

Campus Macdonald

Université McGili

(2)

1+1

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Ottawa ON K1A ON4 Canada

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Conformément

à

la loi canadienne sur la protection de la vie privée, quelques formulaires secondaires ont été enlevés de cette thèse.

Bien que ces formulaires aient inclus dans la pagination, il n'y aura aucun contenu manquant.

(3)

RÉSUMÉ

SOPHIE MORIN

M. Sc. Génie des Bioressources

UN SYSTÈME SEPTIQUE MODIFIÉ POUR GERER EFFICACEMENT LES EAUX USÉES DE FERME LAITIÈRE.

En 2001, le ministère de l'Environnement du Québec a modifié son règlement de gestion des matières résiduelles qui oblige maintenant les fermes laitières

à

traiter leurs eaux usées afin d'empêcher la contamination des cours d'eau. Cependant, pour de petites exploitations laitières qui possèdent moins de 60 vaches, les technologies conventionnelles disponibles pour être conforme

à

cette nouvelle réglementation entraînent des investissements d'au moins de $15 000.

L'objectif de ce projet de maîtrise était donc de mettre au point un système qui utilise une technologie durable et qui a un coût abordable pour le traitement et l'élimination des eaux usées de ferme laitière. De plus, ce système permettrait la réutilisation,

à

la ferme, des nutriments et de l'eau. Avec l'aide des résultats de la recherche effectuée par Urgel Delisle et Ass., le nouveau système a été installé en modifiant les systèmes septiques existants de deux fermes laitières qui possèdent entre 40 et 50 vaches. Les modifications du système sont en fait, l'ajout d'une trappe

à

graisse et

à

sédiments avant la fosse septique et l'établissement d'un champ d'épuration de 0,45ha de pâturage ou de terre cultivée, après la fosse septique.

Le système septique modifié de chaque ferme a été surveillé pendant une période de trois ans, ce qui a demandé d'examiner le système pour en vérifier l'obstruction en creusant pour atteindre les tuyaux du champ après

(4)

d'échantillonner et mesurer les eaux usées pour en établir la charge

annuelle de nutriments et aussi pouvoir comparer la qualité de l'eau avec

l'eau de drainage du champ d'épuration et du champ contrôle voisin.

Les eaux usées produites par les fermes ont une charge nutritive

moyenne de 60 kilogramme TN/ha/an, de 50 kg TP/ha/an et de 80 kg

TK/ha/an. Le volume moyen d'eaux usées envoyé au champ d'épuration,

entre 16 et 19 mm/mois, n'a pas saturé le sol puisque aucun signe

d'argilisation/gleyification (réduction d'oxydes de fer) n'a été observé lors

de l'excavation des tuyaux du champ. En général, le pH du sol a diminué

quand les eaux usées entrent dans le champ d'épuration, alors que les

concentrations de NH4-N, de K et de Ca ont augmenté. Par contre, la

salinité du sol est basse

«4

dS m-

1)

sur ces fermes. La concentration en P

du sol est demeurée inchangée pour une des fermes, mais pour l'autre, il

y avait accumulation rapide et significative en profondeur (20-60 cm).

L'accumulation de matières grasses

à l'intérieur des conduits du champ

sur une des fermes est le résultat de déversement de lait impropre

à

la

consommation dans le système, d'une vidange trop tardive de la trappe

à

graisse et sédiments et de l'absence d'un adoucisseur d'eau qui

augmente l'efficacité des savons. Le gras s'est donc déversé dans la

fosse septique nuisant au bon fonctionnement du système. La qualité des

eaux de drainage était semblable tant pour le champ d'épuration du

système septique modifié que pour le champ adjacent qui servait de

contrôle.

La modification du système en place a coûté environ

$4 400 ,

l'efficacité

de ce nouveau système est prouvé pour le traitement des eaux usées de

ferme laitière dans le cas de nos deux fermes. Donc, le concept est une

solution réalisable pour la ferme québécoise typique.

(5)

ABSTRACT

SOPHIE MORIN

M. Sc.

Bioresource Engineering

A MODIFIED SEPTIC SYSTEM TO EFFECTIVEL Y MANAGE DAIRY

FARM MILK HOUSE WASTEWATER.

ln 2001, the Quebec Ministry of Environment modified its waste

management regulation and obliged dairy farms to treat their milk house

wastewaters to prevent contamination of water courses. For small dairy

farms with fewer than 60 cows, conventional technologies implied an

investment of at least $15 000 to comply with the new regulation.

The objective of this master's project was therefore to develop a low cost

and sustainable technology for the treatment and disposai of milk house

wastewaters that would permit on-farm recycling of nutrients and water.

With the help of the research results of Urgel Delisle and Ass., the new

system was done by modifying existing septic tank systems on two dairy

farms with 40-50 cows by installing a sediment and milk fat trap before the

septic tank, and building a drained 0.45ha seepage field in a pasture or

cropped field, after the septic tank.

The modified septic tank system on each farm was monitored during a

three year period, which involved checking the system for clogging by

digging out sections of sewer pipes after two years of operation;

measuring and sampling milk house wastewaters to establish the annual

nutrient load, and comparing the water quality in drainage from the

seepage field to that of a nearby control field.

(6)

The milk house wastewaters produced by the farms led to an average

nutrient load of 60kg TN/ha/y, 50kg TP/ha/y and 80 kg TK/ha/y. The

average volume of wastewater applied to the seepage field, between 16

and 19mm/month, did not saturate the soil as no sign of gleying (reduction

of iron oxides) was observed when excavating the sewer pipes. In general,

soil pH decreased when milk house wastewater entered the seepage field,

while the NH

4

-N, K and Ca concentrations increased. However, soil

salinity was low «4 dS m-

1)

on these farms. The soil P concentration was

unchanged on one farm, but there was rapid and significant accumulation

of P in the 20-60 cm depth of the soil profile on the second farm. The

accumulation of milk fat inside the sewer pipes on one farm resulted from

the disposai of wasted milk into the septic system, the absence of a water

softener and the fact that this fat was not regularly removed from the trap.

The milk fat was then flowed into the septic tank harming the correct

operation of the system. Drainage water quality was similar from the

seepage field of the modified septic tank system as an adjacent control

field.

The low cost of system modification, about $4 400 Can., and the treatment

efficiency achieved meant that the concept is feasible and offers a suitable

solution for small dairy farms.

(7)

REMERCIEMENTS

J'aimerais

tout

d'abord

remercier

deux

familles

d'agriculteurs

extraordinaires, la famille Bulow et la famille Gascon qui ont su croire en

notre projet et mettre l'épaule à la roue lorsque nous en avions besoin.

Merci pour les repas partagés et les belles conversations!

À ma directrice de thèse, Dr. Suzelle F. Barrington, un gros merci pour

son appui et sa compréhension soutenue durant ces années, pour ses

excellents conseils, son ouverture d'esprit et sa façon unique de

transmettre son savoir. Je suis et resterai fière d'être une de ses

étudiantes.

Merci au Dr. Joann Whalen ma co-directrice de thèse. Ses conseils, sa

coopération et ses encouragements ont été appréciés. Merci d'avoir si

gentiment et si souvent accepté de me donner accès aux instruments et

aux services d'étudiants pour des analyses. Je n'oublierai pas le Dr. Jose

Martinez, directeur de recherche, Cemagref, France, pour ses

recommandations et son aide durant son séjour avec nous et pour avoir

continué par la suite.

Je suis reconnaissante envers mes camarades étudiants: Mari Shin,

Inamullah Ali et Bijaya Adhiraki qui m'ont aidé tout au long de mon projet

tant au laboratoire que sur le terrain. Je voudrais également souligner la

contribution de Xing Jun Lin, merci d'avoir accepté de partager ta

connaissance et pour tout ton travail.

A mes deux plus fidèles amis Jean-Pierre Bourgault et Joumana Abou

Nohra pour leurs judicieux conseils, les heures de révision et les soirées

qui remontent le moral. Je serai toujours là pour vous!

Merci à mon grand frère qui m'a toujours aidée à me surpasser!

Papa, Maman, merci pour votre support financier mais, surtout merci

d'être toujours là quand j'en ai besoin.

À

l'homme de ma vie, Philippe qui a fait beaucoup de sacrifice durant ces

années, sans toi toute cette belle aventure aurait été beaucoup plus

courte et moins fructueuse. Merci de toujours me soutenir, de partager ma

vie, mes rêves et mes projets!

Annabelle et Pénélope,

à

qui je désire dédier cette thèse puisqu'elles ont

été une source inépuisable d'énergie lorsque j'en avais besoin. Les filles

(8)

Cette étude a reçu du financement du Conseil de Développement Agricole du Québec (CDAQ) pour le projet 2058 : Le traitement des eaux de laiterie par champ d'épuration modifié.

(9)

FORMAT DE LA THÈSE

La thèse qui suit est conforme au format manuscrit qui a été approuvé par la Faculté des Études Graduées et de la recherche, Université McGiII. Cette thèse suit les conditions émises sous la section «thesis preparation and submission guidelines », section 1, {( Thesis preparation », partie C.,

«

Manuscript-based thesis »

CONTRIBUTION DES AUTEURS

Les auteurs des articles scientifiques sont:

Premier article (chapitre trois) : S. Morin, S. Barrington,

J.

Whalen and

J.

Martinez. (Cet article a été présenté pour sa publication au journal

«

Canadian Bioresource Engineering}) en juin 2006.)

Deuxième article (chapitre quatre) : Morin, S., Whalen, J.K., Barrington, S. and Lin, X. 2006. Soil nutrient load and drain water quality in seepage fields receiving milk house wastewater. Water, Air and Soil Pollution, Novembre 30, 2006, ISSN 0049-6979.

(10)

TABLE DES MATIÈRES

RÉSUMÉ ... 1

ABSTRACT ... 111

REMERCiEMENTS ... V FORMAT DE LA THÈSE ... VII CONTRIBUTION DES AUTEURS ... VII TABLE DES MATIÈRES ... VIII LISTE DES TABLEAUX ...

X

LISTE DES FIGURES ... XI 1. Introduction ...

1

1.1. Mise en situation ... 1 1.2. Objectif général ... 3 1.3. Objectif scientifique ... 5 1.4. Limite de l'étude ... 6 2. Revue de la

documentation ... 7

2.1. Sources et volume d'eaux usées de ferme laitière ...

la

2.2. Constitution des eaux usées de ferme laitière ... 13

2.3. Technique de décontamination ... 15

2.3.1. Aj out des eaux de lavage au fumier solide ... 16

2.3.2. Acheminement vers les égouts municipaux ... 17

2.3.3. Purot ... 17

2.3.4. Unité de digestion ... 19

2.3.5.

Osmose inverse ... ; ...

19

2.3.6. Réacteur chimique ou floculateur ... 19

2.3.7. Marais filtrant ... 21

2.3.8. Fosse Septique ... 21

2.3.9. Réservoir de décantation de type trappe à gras ... 22

2.3.10. Tranchée d'infiltration ... 23

2.3.11. Biofiltre aérobie sur lit organique ... 23

2.3.12. Filtre végétal ... 24

2.3.13. Le sol comme élément épurateur de surface ou souterrain ... 25

A. Élément épurateur de surface ou filtre cultural ... 27

B. Élément épurateur souterrain ou champ d'épuration ... 28

2.3.14. Les systèmes de traitement conventionnel de type aérobie ... 31

2.3.15. Les traitements anaérobies ... 32

Texte de liaison ... 34

3. A modified septic system for the treatment of dairy farm milk house wastewaters ... 36

(11)

3.1. Methodology ... 38

3.1.1. The experimental farms and their sep tic installation ... 38

3.1.2. Monitoring the modified. system ... 40

3.1.3. Monitoring the seepage fields for clogging ... 41

3.1.4. Analytical procedures ... 41

3.2. Results and discussion ... 42

3.2.1. The nutrient load ... 42

3.2.2. Clogging of seepage system ... 44

3.2.3. Water contamination by the modified seepage field ... 45

3.2.4. The cost of modifying the septic tank - seepage system ... 46

3.3. Summary ... 46

Texte de liaison ... 59

4. Soil nutrient load from milk house wastewater treated by a modified seepage field ... 61

4.1. Methodology ... 63

4.1.1. Experimental farms and their septic tank-seepage field systems ... 63

4.1.2. Volume of milk house wastewater, sample collection and analysis ... 65

4.1.3. Soil sampling and analysis ... 66

4.2. Statistical Analysis ... 67

4.3. Results and discussion ... 68

4.3.1. Soil parameters in the seepage field ... 69

4.3.2. Drainage water quality in the seepage field ... 72

4.4. Conclusions ... 73

5. Conclusion ... 88

(12)

LISTE DES TABLEAUX

Tableau 2.1. Concentration des paramètres avant et après le captage des

eaux du premier rinçage des équipements ... 12

Tableau 2.2. Longueurs des tranchées calculées

à

partir du drainage du sol ... 25

Tableau 2.3. Restrictions d'utilisation du sol pour le traitement des déchets agricoles (Vallière, 1986) ... 27

Table 3.1. Contaminant loading of milk house wastewaters ... 47

Table 3.2. Description of the two dairy experimental farms ... 48

Table 3.3. Monthly production of wastewater ... 49

Table 3.4a. Monthly characteristics of milk house wastewaters on Farm MH-1 ...

50

Table 3.4b. Monthly characteristics of milk house wastewaters on Farm MH-2 ... 51

Table 3.5. Annual wastewater nutrient loading ... 52

Table 3.6a. Characteristics of the milk fat collected in the trap on Farm MH-1 ... 52

Table 3.6b. Characteristics of the sediments collected in the trap on Farm MH-2 ... 52

Table 3.7. Quality of the drainage waters ... 53

Table 3.8. Cost of modifying the septic tank - seepage field system ... 53

Table 4.1. Description of the two dairy experimental farms ... 75

Table 4.2a. Milk house wastewater characteristics for Farm MH-1 ... 76

Table 4.2b. Milk house wastewater characteristics for Farm MH-2 ... 77

Table 4.3. Annual nutrient load in milk house wastewater entering the seepage fields of two dairy farms, estimated from the monthly nutrient load and volume of milk house wastewater produced on dairy farms . ... 78

Table 4.4a. Changes in soil properties (0-20 cm depth) along a transect (top to bottom of slope) in the seepage field on Farm MH-1 ... 79

Table 4.4b. Changes in soil properties (20-40 cm depth) along a transect (top to bottom of slope) in the seepage field on Farm MH-1 ... 80

Table 4.4c. Changes in soil properties (40-60 cm depth) along a transect (top to bottom of slope) in the seepage field on Farm MH-1 ... 81

Table 4.5a. Changes in soil properties (0-20 cm depth) along a transect (top to bottom of slope) in the seepage field on Farm MH-2 ... 82

Table 4.5b. Changes in soil properties (20-40 cm depth) along a transect (top to bottom of slope) in the seepage field on Farm MH-2 ... 83

Table 4.5c. Changes in soil properties (40-60 cm depth) along a transect (top to bottom of si ope) in the seepage field on Farm MH-2 ... 84

Table 4.6. Quality of the drainage waters collected from the outlet of the seepage field and a nearby field (control system) ... 85

(13)

LISTE DES FIGURES

Figure 2.2. Trois types d'aménagement de ferme avec Purot (Vallière, 1986) 18 Figure 2.3. Floculateur de Premier Tech Environnement 20

Figure 2.4. Plan d'une fosse septique 22

Figure 3.1 a. Description of the sediment and grease trap 54 Figure 3.1b. Typical trap and septic tank installation on both dairy farms 54 Figure 3.2a. Experimental seepage field on Farm MH-l. 55 Figure 3.2a. Experimental seepage field on Farm MH-2. 55 Figure 3.3a. Content of sediment and milk fat trap on Farm MH-1, showing fat

accumulation. The wastewaters are white in colour, because oftheir low

sediment content. 56

Figure 3.3b. Content of sediment and milk fat trap on Farm MH-2, showing no fat accumulation. The wastewaters were stirred before taking the picture,

indicating the level of accumulated sediment. 56

Figure 3.4. No soil discoloration (gley formation) was observed around the sewer

pipes. 57

Figure 3.5a. Considerable amount ofmilk fat accumulated in si de the sewer pipes

after two years of operation on Farm MH -1. 57

Figure 3.5b. Limited amount of matter accumulated inside the sewer pipes after

two years of operation on Farm MH-2. 58

Figure 4.1 a. Description of the sediment and grease trap 86 Figure 4.1 b. Typical trap and septic tank installation on both dairy farms 86 Figure 4.2a. Schematic of sewer pipe and subsurface drainage in the

(14)

1. Introduction

1.1. Mise en situation

Au Québec, la ferme laitière moyenne possède un troupeau d'une cinquantaine de vaches en production et gère généralement ses fumiers sous forme solide. Les règlements et pratiques en vigueur font en sorte que plusieurs fermes laitières ayant fait construire leur plate-forme à fumier avant 2001 n'ont pas prévu d'espace d'entreposage pour leurs eaux usées de laiterie. De même, plusieurs autres fermes laitières avec moins de 35 unités animales (25 vaches et moins) ne sont pas obligées, par la loi, de posséder un entrepôt

à

fumier étanche et donc n'ont pas forcément un système d'entreposage des eaux usées de laiterie.

Annuellement, la ferme laitière moyenne du Québec génère un volume d'eaux usées de laiterie d'environ 270

à

370 m3, en fonction de son

système de lavage de lactoduc (Urgel Delisle et Ass., 1992 et 1994). Ces eaux transportent généralement plusieurs éléments nutritifs tels que le phosphore et l'azote qui possèdent un certain potentiel polluant. Donc, l'élimination des eaux usées des fermes laitières du Québec peut être problématique d'un point de vue environnemental.

Le ministère de l'Environnement du Québec (MENV) exige depuis juillet 2001 que les eaux usées de laiterie soient traitées, ou entreposées, et éliminées par épandage sur des terres en culture. Ainsi, toute exploitation laitière construite depuis cette décision doit rencontrer ces exigences. Cela implique aussi que tout producteur laitier qui demande une autorisation pour agrandir ou simplement pour modifier son exploitation, construite avant juillet 2001, doit se conformer à cette nouvelle directive. De plus, les producteurs laitiers ayant des exploitations de moins de 35 unités animales (25 vaches et moins), s'ils font face

à

une plainte, devront eux aussi se conformer à la directive du Ministère. Donc, environ 25 %

(15)

Les producteurs qui n'ont pas un espace d'entreposage adéquat pour recevoir un volume important d'eaux usées de laiterie devront alors recourir

à

un système de traitement, ajouter un ouvrage d'entreposage adéquat ou tout simplement reconstruire leur plate-forme

à

fumier.

Étant donné que le coût de construction d'un nouvel ouvrage ou de la modification d'un ouvrage existant est très dispendieux, les producteurs auront tendance à choisir un système de traitement des eaux usées de laiterie. Actuellement, il n'existe aucun système de traitement des eaux usées de laiterie qui est économique et qui valorisent les nutriments contenus dans ces eaux. En effet, les systèmes présentement offerts exigent un investissement de plus de 15 000

$

et la plupart ne sont pas approuvés au Québec. Plusieurs traitements comme l'osmose inverse et la fermentation anaérobie ont été implantés aux États-Unis pour des grosses exploitations, mais ces traitements n'ont pas été validés au Québec. Les marais filtrants semblent être une avenue intéressante et plusieurs recherches sur ce type de traitement sont présentement en cours, entre autres, au Collège d'Alfred du l'université de Guelph en Ontario. Cette solution est probablement des plus acceptables pour traiter les eaux usées de laiterie, mais son coût de construction est élevé, elle nécessite beaucoup d'espace et, en tenant compte de nos conditions climatiques, elle aura tendance à s'assécher en été et à geler en hiver. De plus, les marais filtrants ne valorisent pas ni n'éliminent les nutriments, ils ne font qu'accumuler ceux-ci dans le marais, ce qui pourrait limiter leur durée de vie et entraîner des risques de contamination des nappes en cas de fuite.

(16)

1.2. Objectif général

Afin de répondre aux besoins de la ferme laitière moyenne du Québec, il faut donc se tourner vers une solution efficace, peu coûteuse et qui a fait ses preuves au Québec. Un système de traitement des eaux usées comprenant une fosse septique et un champ d'épuration est un système abordable, présentement utilisé dans quelques fermes. Par contre, le champ d'épuration, construit conventionnellement, a toujours eu tendance

à

se colmater avec le temps et

à

surcharger le sol d'éléments minéraux et de bactéries. De plus, les eaux usées de laiterie apportent deux risques supplémentaires: l'usage de savons acides pour laver les équipements de traite abaisse le pH de la fosse septique et nuit

à

l'enlèvement biologique des matières solides; la graisse des eaux usées tend

à

s'accumuler dans le système.

Les champs d'épuration conventionnels ont toujours été conçus pour de petits terrains rattachés à une résidence isolée. Par conséquent, ceux-ci ont toujours été soumis à une charge d'eau élevée par rapport à la capacité d'adsorption de leur sol. Aussi, plus les charges d'eaux sont riches en hydrate de carbone et en minéraux, plus un colmatage hâtif est engendré chez les sols récepteurs (Barrington et al. 1987). En effet, le colmatage des champs d'épuration résulte de la perte de structure des sols récepteurs, et cette perte de structure s'aggrave lorsque le taux d'argile dépasse 10 %. Cette perte de structure est occasionnée par des bactéries vivant en milieu saturé et riche en hydrate de carbone. Ces bactéries solubilisent le fer en l'utilisant comme récepteur d'électron, en l'absence d'oxygène. Aussi, plus la charge en hydrate de carbone est élevée, comme dans les eaux de laiterie, plus les populations micro biologiques sont actives et plus le sol récepteur a tendance

à

se colmater rapidement.

(17)

Afin de remédier aux problèmes des champs d'épuration conventionnels, le présent projet apporte des modifications au système septique de façon

à

réduire les risques de colmatage et

à

valoriser le contenu des eaux usées, plutôt que d'en faire un risque de pollution pour la nappe phréatique. Le présent projet propose un champ d'épuration beaucoup plus grand, puisque sur les fermes laitières, l'espace n'est pas une limitation. Ce nouveau champ modifié offre deux avantages: étant installé sur une grande surface et donc dans un milieu non saturé, il devrait se colmater beaucoup moins rapidement que le champ conventionnel; couvrant une surface relativement importante, la culture pratiquée dans le champ peut s'alimenter des minéraux libérés par les eaux usées de laiterie. Les fermes laitières possèdent de grandes étendues de terrain et il est donc très facile d'agrandir le champ d'épuration de façon à ne pas le garder saturé constamment. Le traitement vise donc la pérennité du système en valorisant les minéraux retrouvés dans les eaux usées de laiterie. La valorisation s'effectue par la distribution de ces eaux sur une surface importante de façon

à

laisser la culture en profiter.

Le présent projet propose aussi une trappe à graisse et à sédiments avant l'entrée dans la fosse septique. Cette trappe permet d'intercepter des charges lourdes (sédiments et gras) dans un réservoir qui se nettoie facilement comparativement

à

la fosse septique.

Dans cette optique, le projet mettra à l'essai le nouveau concept de système d'épuration pour les eaux usées de laiterie. Les eaux usées de laiterie, une fois traitées par la trappe

à

graisse et sédiments et ensuite par la fosse septique, seront prises en charge par le champ d'épuration modifié et l'efficacité du système fait l'objet d'une évaluation périodique.

(18)

1.3. Objectif scientifique

Le projet aura les objectifs suivants:

1) caractériser les eaux de laiterie, afin d'être en mesure de dimensionner le champ d'épuration modifié et d'évaluer l'impact possible sur le milieu; 2) caractériser le gras et les sédiments qui s'accumulent dans la trappe; 3) installer le nouveau système de traitement, pour noter les défis qui se présentent pendant l'installation;

4) suivre l'évolution de la qualité des eaux de drainage souterrain récupérées du champ d'épuration modifié, pour évaluer l'impact environnemental du champ sur le milieu;

5) évaluer l'impact du champ d'épuration modifié sur la culture;

6) évaluer l'impact des apports du champ d'épuration modifié sur le sol et sa microbiologie, par un échantillonnage des sols et des gaz relâchés par le sol;

7) déterrer les drains après deux étés, pour établir le taux de colmatage des sols et des drains.

La caractérisation des eaux usées ainsi que des gras et sédiments qui s'accumulent dans la trappe permettra de bien schématiser l'évolution de l'épuration des eaux réalisées par le système. Les échantillons de sol et de végétation permettront d'évaluer la capacité de polissage des sols et l'accumulation d'éléments nutritifs tels que l'azote, le phosphore et le potassium. De plus, des échantillons de la végétation sont analysés selon les mêmes critères, afin de valider l'impact positif du système sur la culture en place.

(19)

1.4. Limite de l'étude

La présente recherche a été réalisée avec plusieurs éléments limitatifs. Il serait inapproprié d'accepter les résultats présentés comme étant valables pour l'ensemble des fermes laitières du Québec. Chaque ferme laitière présente des conditions particulières, que ce soit en ce qui a trait à son type de gestion ou même à sa géographie. Donc, avant de se baser sur les résultats de cette étude, il est préférable d'en vérifier les limites et conditions de réalisation et de voir si les résultats s'appliquent ou non.

Le projet de recherche sur le traitement des eaux de laiterie

à

l'aide d'une fosse septique et d'un champ d'épuration modifié s'est déroulé sur une période limitée de deux ans. Le système fut installé sur deux fermes distinctes dans la MRC (Municipalité Régionale de Comté) du Haut-St-Laurent. Les deux fermes sont établies sur un sol principalement limoneux, lequel est une caractéristique régionale.

La première ferme qui est identifiée comme étant la ferme MH-1 est une exploitation de type conventionnelle. Bien que le système de traite ait une capacité de 42 vaches, l'exploitation possède 50 vaches laitières et animaux de remplacement, tous de type Holstein. Le taux de gras moyen présent dans le lait est de 3,5 %. L'exploitation ne possède aucune trappe

à

sédiments qui pourrait empêcher ceux-ci de pénétrer dans le système. Cette ferme gère ses fumiers sous forme solide et les entrepose sur une plate-forme de béton. Le sol de cette ferme, bien qu'il soit principalement limoneux, possède une portion importante de fractions grossières.

(20)

La deuxième ferme qui est identifiée comme étant la ferme MH-2 est une exploitation de type biologique. Bien que le système de traite ait une capacité de 32 vaches, l'exploitation possède 40 vaches laitières et animaux de remplacement, de type Holstein et Jersey. Le taux de gras moyen présent dans le lait est de 4,0 %. L'exploitation possède une trappe

à

sédiments qui empêche ceux-ci de pénétrer dans le système. Cette ferme gère ses fumiers sous forme solide et les entrepose en tas sur le sol. Son sol possède aussi la caractéristique régionale, il ne possède pas de fractions grossières, et le taux d'argile est beaucoup plus élevé que dans le cas de la ferme MH-1.

2. Revue de la documentation

La situation des fermes laitières d'aujourd'hui est bien différente d'autrefois. En effet, au fil des années, avec l'aide de nouvelles technologies, nous sommes passés de plusieurs petites exploitations à des super exploitations laitières. De 1996 à 2001 seulement, le nombre de fermes laitières a diminué de près de 22%. Durant cette même période. nous sommes passé de 472 000 vaches

à

un peu moins de 407 000 vaches (StatCan, 2001). La quantité de vaches diminue mais la quantité d'eaux usées produites par les fermes laitières n'a pas nécessairement diminuée. En l'an 2000, le Québec comptait un peu plus de 9 000 fermes laitières (FPLQ, 2000) et plus de 426 000 bovins laitiers produisant, en moyenne, près de 3 milliards de litres de lait annuellement (PIC, 1999-2000). Donc, bien que le nombre de fermes ait diminué, nous n'avons pas nécessairement diminué la pollution provenant de ces exploitations. Bien au contraire, de manière générale, nous notons une diminution du nombre de fermes laitières au Québec. Par contre. le volume d'eaux usées qu'elles rejettent est beaucoup plus important qu'auparavant.

(21)

L'avènement des lactoducs, à la fin des années 1960 en est un exemple. Cette technique extrêmement pratique et efficace passe par l'installation de plusieurs mètres de tuyaux qui doivent être nettoyés méthodiquement à la fin de chaque traite. Cette technique augmente considérablement la quantité d'eaux usées produites par une ferme laitière. En effet, en nous fiant sur les résultats de recherche du ministère de l'Environnement de même que ceux de l'United States Department of Agriculture (USDA) nous pouvons estimer que le volume moyen journalier d'eaux usées provenant de laiterie et de parloir de traite peut atteindre 60 litres d'eau par jour et ce pour chaque vache.

L'augmentation de la production d'eaux usées a comme conséquence de diminuer la concentration des effluents mais non la charge totale. De plus, les fermes laitières ont eu tendance

à

se regrouper ces dernières années, ce qui augmente la quantité d'eaux usées produites et déversées en un point. Ces rejets sont trop souvent déversés directement dans les fossés près des bâtiments de ferme ou des voies publiques, ce qui les rend plus visibles. Ces eaux usées sont un problème pour beaucoup de producteurs laitiers au Québec. Remplie de nutriments, ces eaux sont nocives pour les nappes d'eau environnantes en plus d'être un milieu très propice à la prolifération de bactéries pathogènes.

Les eaux utilisées pour le lavage des équipements servant

à

la traite des vaches doivent être considérées comme des eaux contaminées.

A

ce titre, la loi sur la qualité de l'environnement (L.R.Q., chap. Q-2) exige que ces eaux ne soient pas rejetées dans l'environnement de façon à ce qu'elles ne constituent pas un contaminant et qu'elles ne puissent porter préjudice à la qualité du sol, à la végétation, à la faune et aux biens.

(22)

Selon les modifications faites sur la réglementation régissant la loi sur la qualité de l'environnement, les exploitations laitières qui se sont construites après le 15 juin 2002 ou celles qui augmenteront la taille de leur cheptel devront se conformer aux normes en récupérant les eaux de laiterie de manière à ce qu'elles soient traitées ou entreposées et éliminées par épandage sur des terres en culture (Côté, 2002). Toute exploitation laitière qui fera l'objet d'une plainte reliée

à

l'écoulement de ses eaux usées sera dans l'obligation de se conformer

à

la réglementation en vigueur.

De façon quasi générale, les eaux usées actuellement produites sont déversées vers les points d'eau ou directement dans ceux-ci. On voit cependant de plus en plus d'exploitants agricoles diriger ces eaux vers des rigoles profondes et vers des préfosses avec le fumier liquide avant que celui-ci soit évacué à l'extérieur du bâtiment. Un traitement efficace de ces eaux devrait être envisagé par tous, une norme de rejet de 10 mg par litre de Demande Biologique en Oxygène (DBO) devrait être obtenue à la sortie du traitement pour que ce dernier soit dit efficace. Du moins, il faudrait s'assurer d'avoir une dilution de l'effluent de 1 :50 et ce, même en période d'étiage.

Afin de bien saisir les enjeux de ce problème, nous voyons dans ce document la provenance de ces eaux usées, leurs composantes et leurs variantes et nous exposerons quelques techniques de décontamination qui pourraient être la solution aux problèmes de plusieurs agriculteurs.

(23)

2.1.

Sources

et

volume d'eaux usées de ferme laitière

Qu'entend-on par eaux usées de ferme laitière? Toutes les eaux utilisées qui deviennent, par ce fait, impropre

à

la consommation. C'est

à

dire, les eaux de lavage qui ont été utilisées dans l'étable et dans la laiterie, les eaux de rinçage des divers équipements et toutes les eaux que les employés utilisent

à

d'autres fins que ceux spécifiés précédemment. Avant de choisir une solution au problème des eaux de laiterie, il est important de bien caractériser la ferme et les habitudes des gens qui y travaillent. Dans ce cas, il est important de ne pas oublier de sources afin de bien quantifier le volume de ces eaux pour élaborer la meilleure des solutions possibles.

D'une ferme

à

l'autre, il y a une grande variation dans le volume des eaux usées. Ce qui est tout à fait normal, puisque ce volume découle généralement de deux facteurs, les habitudes du producteur et le type d'équipements dont la ferme est munie. Par exemple, une ferme qui a une salle de traite produira généralement plus en volume que les étables

à

stabulation entravée.

Le volume des eaux constitue un aspect important de notre problème. Il est important de sensibiliser les agriculteurs

à

l'utilisation responsable de l'eau, ceci ne veut dire en aucun cas, négliger la propreté de l'établissement, mais bien de réduire au maximum le gaspillage de l'eau. Afin de maximiser l'utilisation de l'eau à l'intérieur de l'étable, il est recommandé de capter l'eau provenant du premier rinçage des équipements de traite et de l'utiliser pour l'alimentation des veaux.

(24)

Figure 2.1 : Source d'eaux usées de ferme laitière (Vallière, 1986)

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(25)

La composition des eaux de premier rinçage, sur base de pourcentage de matière solide, est riche en protéines (48,5%), en minéraux (14,0%) et en CH20 (34,5%) ; Elles contiennent aussi de la cellulose (4,5%) et des lipides (3,0%); cela indique qu'il est tout à fait souhaitable de détourner ces eaux afin de les inclure dans l'alimentation des veaux (Serry,1923; Soudier et Luquet,1981 ; Fisher et Lister,1974; Lodge et Elliot,1974 ; Muller,1979). De plus, le traitement des eaux usées de la ferme profitera de cette utilisation puisqu'elle permet d'abaisser plusieurs des éléments présents dans ces eaux, éléments qui sont, pour la plupart, problématiques pour l'environnement.

Tableau 2.1 . Concentration des paramètres avant et après le captage des eaux du premier rinçage des équipements

Paramètresi,Ayant '," ~près ,~ :' ,

,~()y~ri~e

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type

OBOs(mg/L) 1164,2 327,4 459,4 279,8 MES (mg/L) 613,7 73,7 147,6 70,4 Ptotal (mg/L) 31,1 10,6 25,6 12,7 Gras (mg/L) 164,7 185,0 33,5 20,2

PH

6,5 0,6 7,1 0,7

Sources: Jamieson et a1.2002.

Avec l'équipement actuel, une exploitation laitière peut produire de 6 à plus de 28 litres d'eaux usées par tête de bétail (0,2

à

1 pi3) et ce,

quotidiennement (Fortier, 2001). De façon générale, les exploitations possédant un système de lactoduc produisent en moyenne 15 litres d'eaux usées par vache (0,5 pi3) sur une base journalière (House,

1993). Dans une étude réalisée par Urgel Delisle et Ass. en 1991, une des fermes à l'étude produisait 8,5 L d'eaux usées/v/j alors que la deuxième produisait 25 Llv/j. L'écart entre le volume d'eau utilisé s'expliquait par l'âge du lactoduc, les plus récents lactoducs exigeant plus d'eau.

(26)

Il est important de tenir compte des habitudes des producteurs laitiers et de calculer avec précision la consommation .d'eau de la ferme afin de choisir le système de traitement d'eaux usées qui convient le mieux.

2.2. Constitution des eaux usées de ferme laitière

Les contaminants présents dans ces eaux proviennent des eaux de lavage, des produits et sous-produits de nettoyage. Il peut aussi provenir du lait impropre à la consommation parce qu'il provient, par exemple, des vaches qui sont sous médication. La composition de ces eaux varie selon l'alimentation du troupeau et la composition des produits nettoyants qu'on utilise, mais généralement on y retrouve des acides, des composés anioniques alcalins renfermant des polyphosphates, des composés azotés et des résidus de lait.

En nous basant sur les données de Hayman (1987), on peut affirmer que sur une base annuelle, une vache en lactation peut produire plus de 1.5 kg de solides en suspension et près de 1 kg de phosphore total. Les études réalisées par Urgel Delisle et Ass. en 1991 et 1992 font ressortir que le taux moyen de production de PT (phosphore total) se chiffrait

à

0,9 g/v/j. Le taux de potasse peut être très élevé, selon le type de savon utilisé: la KT (potasse totale) peut atteindre 5,5 g/v/j.

Selon le ministère de l'Environnement du Québec et le Département de l'agriculture des Etats-Unis (USDA), il y a dans les eaux usées de fermes laitières une concentration très variable de matières en suspension qui peut atteindre 2000 mg/L et une moyenne de plus de 60 mg/ L d'azote kjeldhal. Pour ce qui est du phosphore total, la moyenne est près de 400 mg/L, ce qui est loin du 7-40 mg/L que rapporte Hawkins en 1984. On nous indique aussi que la 0805 est très

(27)

Selon Miller (1980), la 080s des eaux usées d'origine domestique a comme maximum 300 mg/L et les solides en suspension quant à eux varient entre 100 et 350 mg/L. Il est donc évident que les eaux usées de ferme laitière sont plus concentrées que les eaux usées d'origine domestique, mais quelques caractéristiques sont comparables:

• le pourcentage de 080s soluble est dans les deux cas de 20

à

25% de la 080s totale

• la fraction de la charge en 080s qui se sédimente a un maximum de 35%

• le rapport OCO : 080s (2,2 vs 2,8) est semblable mais toutefois plus élevé dans le cas des eaux usées de ferme laitière.

• Chaque jour un individu rejette dans l'environnement 1,8 g de phosphore tandis que la vache laitière en rejette 2 g.

On remarque aussi qu'il y a une certaine variation dans les concentrations des éléments présents selon la saison et qu'en tout temps ces eaux peuvent être traitées de façon aérobique puisqu'elles contiennent un bas pourcentage de solides totaux (Cumby et AI. 1999). Les éléments et nutriments présents dans les eaux usées de ferme laitière sont en majeur partie sous forme soluble et disponibles pour adsorption au sol ou absorption par la plante. Par ailleurs, il est important de savoir que les eaux usées ont une charge beaucoup moins polluante que le fumier de vache qui requiert tout de même un traite, l ,cmt avant de pouvoir être rejeté dans l'environnement.

Tous ces contaminants contiennent de l'azote, du phosphore, du potassium, du sodium et autres sels minéraux. Ces éléments peuvent entraîner une prolifération importante des algues dans les cours d'eau où ils sont rejetés et ils peuvent s'avérer parfois nocifs pour l'être humain s'ils sont assimilés en grande quantité. Oe plus, les résidus de lait sont un milieu très propice à l'implantation de bactéries qui, pour

(28)

Donc, si les eaux usées sont rejetées dans les cours d'eau, ces bactéries épuiseront l'oxygène du milieu, ce qui les rendra inaptes à la survie des poissons et autres organismes.

Plusieurs études ont démontré qu'en substituant l'acide phosphorique par de l'acide de maïs, le taux de phosphore dans les eaux résiduelles peut diminuer de 42% (Urgel et al. 1994). Cette substitution ne solutionne pas le problème du phosphore mais permet parfois de prolonger la vie des systèmes de traitement ou du moins, d'amoindrir l'impact de cet élément sur le milieu.

2.3. Technique de décontamination

Avant de choisir une technique particulière, il est important de noter quelques facteurs qui nous permettrons de choisir la plus appropriée pour chaque exploitation. Ces facteurs sont:

.:. l'équipement disponible

à

la ferme;

.:. le type d'aménagement dans l'étable (logettes, stalles ... ); .:. la compatibilité de la technique avec l'entreprise;

.:. les conditions dans lesquels la technique a été testée et a prouvée son efficacité;

.:. le coût qu'engendre l'implantation de la technique.

Dans le cas des fermes qui font la gestion liquide de leurs fumiers ou qui prévoit le faire prochainement, le problème du traitement des eaux de laiterie n'en est pas vraiment un. L'ajout d'eau, favorisant la dilution du fumier, rend le pompage et l'agitation beaucoup plus faciles. Il suffit de diriger les eaux usées de la laiterie vers le réservoir de lisier. Il faut tout de même s'assurer que la structure d'entreposage du fumier et des eaux de ruissellement du fumier puisse contenir le surplus de liquide provenant de la laiterie pendant une période d'au moins 200 jours (House, 1993).

(29)

Le problème prend toute son ampleur pour les fermes qui font la gestion solide ou semi-solide de leur fumier. Ces fermes peuvent traiter les eaux usées par différentes méthodes en plus d'utiliser quelques trucs simples, peu coûteux et efficaces afin de diminuer la charge polluante des eaux usées de fermes laitières. On recommande fortement d'intercepter les eaux du premier rinçage des équipements de traite pour les donner aux veaux; ceci permet de réduire de façon considérable les matières en suspension présentes dans les eaux à traiter (Perle et al. 1995). Les eaux de premier rinçage contiennent plus de 90% des solides en suspension contenus dans les eaux usées de fermes laitières (Hayman 1987).

2.3.1. Ajout des eaux de lavage au fumier solide

Cette alternative peut être envisagée par les petites exploitations qui n'ont qu'un volume réduit d'eaux usées. Cette technique consiste

à

incorporer de la litière eaux de laiterie. La capacité d'absorption d'une balle de paille de 30 lb (14kg) est estimée

à

40 litres (House, 1993). Il suffit d'augmenter la quantité de litière utilisée et d'acheminer le tout vers une structure d'entreposage couverte et à l'abri des précipitations. Il est primordial de limiter au minimum l'utilisation de l'eau lors de l'implantation de cette méthode. L'ajout des eaux usées de laiterie permet, entre autre, une décomposition plus rapide du fumier grâce aux lactobacilles qui sont souvent présentes dans le petit lait. De plus, le contenu en calcium de ces eaux favorise les populations de vers de terre et améliore le complexe argilo humique. On ne doit tout de même pas considérer l'ajout des eaux de laiterie sur la plate-forme à fumier solide comme une solution acceptable pour traiter les eaux de laiterie.

(30)

2.3.2. Acheminement vers les égouts municipaux

L'acheminement des eaux de laiterie vers l'égout municipal est une autre solution qui s'offre aux producteurs qui n'ont qu'un faible volume d'eaux usées et qui sont établis dans une région offrant les infrastructures adéquates. Dans ce cas il est important de s'assurer, avec les spécialistes en charge du traitement des eaux usées municipales, que l'ajout de ces eaux ne perturbera pas le système et que le projet est réalisable à des coûts raisonnables. L'acheminement des eaux vers le plan de traitement peut entraîner des coûts importants en fait de main d'œuvre et d'équipement. Par contre, ce système est exempt de problème pour le producteur une fois l'installation terminée.

2.3.3. Purot

Selon plusieurs experts, la solution idéale serait l'érection d'une structure dédiée uniquement à l'entreposage des eaux usées de ferme laitière. L'entreposage des eaux de laiterie dans un purot est une solution simple, dont l'efficacité a été

à

maintes fois testée. Cette technique est tout de même peu populaire puisqu'elle constitue une dépense importante. La construction d'un purot, uniquement dans le but de traiter les eaux de laiterie, entraîne des coûts de construction et d'équipements trop élevés pour la plupart des producteurs laitiers. Le coût total varie, de 24$ à 100$ par vache annuellement et l'espérance de vie d'un purot est d'environ 35 ans. Cette solution demande une planification rigoureuse pour le choix de l'emplacement de la structure afin d'éviter tout désagrément. Afin de disposer adéquatement des eaux entreposées il faut prévoir soit l'épandage sur des terres en culture conformément aux lois et règlements en vigueur ou prévoir un traitement adéquat.

(31)

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Figure 2.2. Trois types d'aménagement de ferme avec Purot (Vallière, 1986)

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{TABLE A ATTACHES _Station de pompage ~ê/~~t::~ liquide

(32)

2.3.4.

Unité de digestion

Global industries inc. fait la distribution de petits digesteurs qui peuvent répondre aux besoins, en traitement d'eaux de laiterie, d'une ferme de 120 vaches. Par contre, l'opération de ces systèmes est souvent complexe et demande une expertise que peu de producteurs semblent vouloir ou ont le temps d'acquérir.

Chacune de ces unités traite 3 000 litres sur une base quotidienne et il suffit de les installer en série selon les besoins. Le coût d'une unité est de plus de 50 000

$

et occasionne des frais annuels d'opération de 40 $ par vache.

2.3.5. Osmose inverse

Cette technique a fait ses preuves en ce qui concerne les eaux usées aux États-Unis. Le groupe Purin-pur vend un système qui utilise le traitement à osmose inverse pour traiter le lisier de porc. Aucune ferme laitière québécoise n'est connue pour s'être dotée de ce système qui pourrait être efficace. Cette solution est conçue au État-Unis pour les exploitations de plus de 500 vaches laitières. " serait intéressant de faire quelques essais puisque ce système coûte

à

l'achat 4 000$ avec des frais d'opération annuelle par vache de 2,50 $

à

5,00$.

2.3.6. Réacteur chimique ou floculateur

Ce système est commercialisé au Québec par Premier Tech. " consiste à intercepter toutes les eaux usées de laiterie afin de les pomper dans un réservoir. Le fonctionnement du système est simple: on ajoute du sulfate d'aluminium, du chlorure ferrique ou du sulfure ferreux puis on agite afin de favoriser la formation de flocs. Les différents composés chimiques réagissent avec le phosphore dissous pour former ces flocs.

(33)

Après un repos de 2 heures, les eaux sont évacUées. Les flocs, dans leur descente, entraîneront d'autres solides, tel que les gras et les protéines qui se sédimenteront au fonds du réservoir (Anonyme, 1999). Ces solides sont évacués en boues semi-liquides et peuvent être entreposés dans la fosse

à

fumier solide. Les eaux traitées peuvent être évacuées gravitairement vers un dispositif de rejet qui termine le procédé de traitement. Ce dispositif consiste en une tranchée filtrante d'une longueur de 60 pieds aménagée dans le sol. Cette technique permet l'élimination du Phosphore

à

98 %, des solides totaux

à

90 % et diminue la demande biologique en oxygène (OSO) de 80

%

(Côté, 2002) dans un sol adéquat en saison estivale.

Figure 2.3. Floculateur de Premier Tech Environnement

Cette technique augmente, avec la production des boues, le volume de nos rejets solides. Il est important de prendre ceci en considération. L'installation complète de ce système est réalisée pour la somme de 15 000

$

et le système sans champ d'épuration ou abris coûte 5 000

$.

Des frais d'opération de 5

$

par vache sont requis annuellement. Puisque les coûts sont élevés et que la floculation ne fait qu'une épuration partielle des eaux usées les traitements biologiques sont souvent préférés (Karpati et al., 1995; Rustan, 1993)

(34)

2.3.7. Marais filtrant

Les marais filtrants ont été étudiés dans plusieurs pays et ont démontré une efficacité certaine pour épurer les eaux usées de fermes laitières surtout lorsqu'on les utilise pour la phase de polissage des eaux à la suite d'un prétraitement. En Nouvelle Zélande, le traitement des eaux usées de fermes laitières à l'aide de marais filtrant a permis une réduction d'au moins 70 % de la DSO et de 40 à 90 % dans le cas des solides en suspension, quant au phosphore et à l'azote les taux d'enlèvement peuvent aller jusqu'à 80 %. Il est à remarquer que ces taux d'enlèvement sont directement reliés aux temps de rétention des eaux dans les marais. Plusieurs études concernant les marais filtrants recommande d'utiliser ce traitement combiné avec un autre qui permet de diminuer les matières organiques solides et en suspension afin d'éviter de colmater trop rapidement le marais et ainsi diminuer grandement ses capacités épuratoires.

2.3.8. Fosse Septique

La fosse septique en tant que tel ne permet qu'une réduction d'environ 15% des contaminants présents dans les eaux usées de fermes laitières, elle ne peut donc être considérée comme un traitement complet et final mais elle peut être considérée comme un réservoir et faire un prétraitement avant la phase de polissage des eaux. Elle agit alors comme la phase acidogène du traitement anaérobie et c'est dans la fosse que se produit l'hydrolyse de la matière.

(35)

Figure 2.4. Plan d'une fosse septique

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La fosse doit avoir un temps de rétention d'une dizaine de jours. Le choix des produits est important pour la longévité du système de traitement. L'utilisation d'un produit bactéricide de courte vie, comme le chlore, est préférable. Il permet aux produits de faire le travail de désinfection dans l'étable tout en ne causant aucun problème à la flore bactérienne à l'intérieur du système. La vidange de la fosse septique doit être faite

à

tous les 4-5 ans (Urgel Delisle et Ass.).

2.3.9. Réservoir de décantation de type trappe à gras

L'ajout d'une trappe à gras ou d'un bassin de décantation en amont d'une fosse septique est fortement recommandé. On y retrouve des sédiments et des graisses mais les matières flottantes retrouvées dans les études de Urgel Delisle et Ass. ne contenaient que très peu de graisse (17%). Par contre, ils ont remarqué une DSO et une DCa (demande chimique en oxygène) très élevées qui peuvent provenir des solides de lait qui se sédimentent dans la trappe.

(36)

Le traitement qu'effectue la trappe est en fait la phase acide de traitement puisque dans ces réservoirs (trappe à gras et fosse septique) la digestion et l'activité microbienne changent les solides, principalement les solides de lait, en acides volatils; c'est pour cette raison que le pH de l'eau diminue lors de cette phase.

Antérieurement, Urgel Delisle et Ass. ont démontré que l'efficacité de la trappe diminuait après quelques mois. Les graisses et autres solides semblent se remettre en solution et en suspension après quelques temps. Il est donc nécessaire d'en faire la vidange de façon régulière et il est préférable de prévoir un accès facile à cet endroit.

2.3.10. Tranchée d'infiltration

La tranchée d'infiltration est un procédé de traitement en soit qui peut être couplé

à

un élément épurateur. Cette tranchée remplie de pierres concassées d'une grosseur de 1

à

2 mm agit comme lit bactérien. Elle permet une épuration des eaux usées puisque les pierres servent de support pour les bactéries hétérotrophes aérobies qui éliminent les composés organiques gras et les matières azotées. Par contre, il est essentiel que cette tranchée soit maintenue en condition aérobie, il est donc recommandé de jumeler ce procédé d'épuration avec un autre système qui servira de tampon en cas de condition anaérobie dans la tranchée.

2.3.11. Biofiltre aérobie sur lit organique

Ce système qui était encore à l'étude en 2001 sur une ferme laitière du Bas St-Laurent, donne des résultats très satisfaisants du côté environnemental et semble combler les attentes du propriétaire.

(37)

Le type de traitement par biofiltre est associé au compostage du fumier entraine une réduction de 88

à

99% des paramètres suivants: 080, matière en suspension, azote, phosphore. La capacité de ce système est de l'ordre de 3 kg de 0805 par m2 de biofiltre. Donc, un troupeau

de 40 vaches ne nécessite qu'un seul m2 de biofiltre. Il ne faut tout de même pas oublier que le biofiltre doit être remplacé après une période de 5 ans d'utilisation.

2.3.12. Filtre végétal

Plusieurs recherches ont prouvé l'efficacité du filtre végétal pour le traitement des eaux de laiterie. Par contre, la majorité de ces études sont réalisées dans des climats plus cléments que celui du Québec, en Illinois (Yang et aL, 1980) et au Vermont (Schwer et Clausen, 1989). Lors de ces expériences, il a été démontré que l'efficacité de ce système diminuait en saison froide, Au Québec, cet aspect s'avère problématique. Durant nos hivers rigoureux, la population de micro-organismes est ralentie considérablement et le traitement des eaux n'est pas totalement effectué. Il faut prévoir un autre système ou du moins, un endroit où emmagasiner les eaux durant cette période. L'ajout de nutriment ou de micro-organismes spécifiques peut-être une solution qui permet au système d'atteindre une efficacité supérieure. Par contre, cela demande une expertise spécifique et entraîne des coûts supplémentaires. Il serait tout de même intéressant de voir jusqu'à quel point le. système pourrait en bénéficier. Le tableau 3 démontre très bien la longueur des tranchées requises selon le type d'exploitation

(38)

Tableau 2.2. Longueurs des tranchées calculées à partir du drainage du sol

Drainage du ... Temps

Longueurs des tranchées

sbl

d'lnfiltrâfi6~/

(rn/vache)

Bon Moins de 10 min. 0,5

Moyen 10 à 40 min.

Faible 40 à 60 min. Imperméable Plus de 60 min.

1,0 1,6

Non-recommandé

Le fait que ces eaux usées contiennent des détergents ainsi que des désinfectants ne semble pas avoir d'influence négative sur l'efficacité du système. Les recherches de Schropp et Vogt, en 1966, ont démontré qu'à une concentration de 1,2 kg de détergents et désinfectants par tonne de liquide 62 produits testés n'avaient aucune influence sur l'efficacité du système.

2.3.13. Le sol comme élément épurateur de surface ou souterrain L'élément épurateur est en général le traitement qui accomplit la majeure partie de l'épuration. De concept relativement simple, l'élément épurateur comprend des procédés physiques, chimiques et biologiques complexes qui se font sans aucune intervention et sont en grande partie incontrôlables. La performance dépend de plusieurs facteurs: le type de sol et ses propriétés, les conditions du site, les types de prétraitements, les caractéristiques des eaux à traiter, etc. Il est très important de faire une évaluation complète du type d'effluent à traiter et une conception rigoureuse du système d'épuration. (Urgel Delisle et Ass. 1992)

Le sol est sans contredit le plus simple élément épurateur qui fonctionne à l'aide de la rétention purement mécanique de certains éléments grâce à l'agencement de ses particules élémentaires.

Deux grands principes sont à retenir lorsque nous parlons d'épuration par le sol.

(39)

.:. Un sol trop peu perméable sera rapidement engorgé d'eau,

par conséquent la filtration sera nulle puisque l'eau ruissellera à sa surface .

• :. Un sol trop perméable qui a une trop grande porosité aura une filtràtion inefficace puisque l'eau s'infiltrera trop rapidement et le temps de contact entre les éléments présents dans l'effluent et la matrice réactive du sol sera trop bref pour assurer une épuration efficace.

Des sols avec une proportion équilibrée d'argile, de limon et de sable sont les meilleurs sols épurateur, ils ne sont ni trop perméables, ni trop peu perméables. Cependant, un sol limoneux peut très bien épurer efficacement un effluent à faible volume qui a une très forte charge polluante et un sol sableux peut faire un excellent traitement d'effluent à fort volume ayant une très faible charge polluante.

L'oxygène est souvent l'élément qui limite la capacité épuratrice du sol. Pour une épuration des matières organiques des plus efficaces, Il est important que le sol soit un milieu aérobie. Dans un milieu où l'oxygène est présent et non limité, Il est possible de noter une épuration de près de 100 %. Si dans ce même milieu l'oxygène est limitée et que le milieu devient anaérobie, sa capacité d'épuration peut diminuer jusqu'à 25 %. (Germon, 1985)

Lorsque le sol est couvert de végétaux, les éléments assimilables par ceux-ci sont recyclés en fonction des besoins de ces derniers. Les phosphates sont peu mobiles et s'accumulent sur plusieurs années, le potassium peut être stocké et se mobilise sur plusieurs cycles culturaux. Par contre, les nitrates ne peuvent être stockés durablement donc il est important de prendre en compte la biodisponibilité de l'azote. (Jamieson and aL, 2002)

(40)

A. Élément épurateur de surface ou filtre cultural

L'infiltration lente des liquides contaminés permet une épuration des eaux par filtration, en interceptant les solides et par prélèvement des éléments nutritifs par la végétation. (USEPA, 1981) De plus, le contact des micro-organismes avec les rayons ultraviolets (UV) provenant du soleil permet d'éliminer tout risque de survie des pathogènes grâce à l'action biocide de ces rayons.

Règle générale, la dimension recommandée pour l'élément épurateur de surface est de 5 m2 par vache, donc dans le cas d'une ferme de 50 vaches, une surface de 250 m2 est nécessaire. Il est toutefois essentiel de caractériser les effluents avant de déterminer précisément la surface nécessaire puisqu'il y a des valeurs limitatives à respecter.

Tableau 2.3. Restrictions d'utilisation du sol pour le traitement des déchets agricoles (Vallière, 1986) piir~mêtre

"

Solides en Suspension (a) 0805 (a-b) Phosphore (c) Azote (c)

. 'Valeurs limitatives

,

..

(Kg/ha)

672 4482 108-336 112-560

(a) Par période d'épandage, en supposant que chaque période

d'application est suivie d'une période de repos d'au moins 3 à 5 jours. (b) Demande biochimique en oxygène.

(c) Par année.

Afin d'assurer un fonctionnement optimal du filtre végétal il faut respecter quelques règles: il est important d'assurer une période de repos entre les arrosages, de faire les arrosages par temps sec et lorsque la végétation est en période de croissance.

Figure

Figure 2.1  : Source d'eaux usées de ferme  laitière (Vallière, 1986)
Tableau 2.1  . Concentration des paramètres avant et après le captage des eaux  du premier rinçage des équipements
Figure 2.2.  Trois types d'aménagement de ferme avec Purot (Vallière,  1986)
Figure 2.3.  Floculateur de Premier Tech Environnement
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