Le secteur de la méthanisation à la ferme ou territoriale connait un fort développement, entrainant la production de grandes quantités de digestats. Si la fraction solide de ces digestats est généralement utilisée en tant qu’amendement organique, la fraction liquide peut être valorisée par la récupération des éléments minéraux bien que la présence de composés organiques pose des problèmes de traitement et d’élimination. Les objectifs de cette thèse sont i) de caractériser la fraction liquide des digestats et donner des premiers éléments pour leur futur traitement et ii) d’expliquer la variabilité des composés résiduels présents dans cette fraction liquide en relation avec l’origine des substrats, les paramètres du procédé de méthanisation et le type de séparation solide/liquide. Dans une première partie, nous avons caractérisé de manière détaillée onze digestats issus d’installations industrielles de co-digestion. Le fractionnement par neuf filtrations successives de la fraction liquide des digestats a permis de quantifier la contribution des matières en suspension, des colloïdes grossiers et fins et des matières dissoutes aux différents paramètres physico-chimiques et biologiques. Il a été montré la faible biodégradabilité aérobie des composés organiques dont la majeure partie se trouve dans la matière en suspension (> 1,2 µm). Pour élargir la base de données, nous avons caractérisé dix-huit digestats supplémentaires et un digestat de boues de station d’épuration dont les fractions liquides ont été fractionnées par deux filtrations successives (1,2 μm et 1 kDa). L’analyse en composantes principales, la classification hiérarchique et la matrice de corrélation réalisées sur l’ensemble des 30 digestats ont mis en avant l’impact majeur des techniques de séparation solide/liquide sur la composition de la fraction liquide des digestats. Dans le groupe des techniques de séparation hautement performantes, des sous-groupes ont permis de distinguer les digestats à base de boues d’épuration, ceux à base de lisiers porcins et ceux issus de procédés piston thermophiles. Dans le groupe des procédés de séparation à faible performance, les teneurs en DCO et matières sèches de la fraction liquide des digestats ont été corrélées aux teneurs en cultures énergétiques et fumiers bovins dans l’alimentation. Finalement, pour l’ensemble des digestats, le paramètre SUVA, lié à la teneur en matière aromatique et à la stabilisation des composés, a été corrélé au temps de séjour des digesteurs. Pour comprendre l’origine des composés résiduels observés dans la fraction liquide des digestats issus de la co-digestion avec de fortes proportions de fumier bovin, quatre réacteurs CSTR alimentés avec respectivement de la paille de blé, de la bouse de vache et du fumier ont été conduits pendant 48 semaines. Les performances de méthanisation ont mis en évidence le caractère âgé du fumier qui avait été partiellement dégradé pendant le stockage à la ferme. Ainsi la fraction liquide du digestat du fumier a présenté les plus fortes concentrations en composés organiques qui en outre présentaient une complexité, mesurée par fluorimétrie 3D, plus élevée que les autres substrats. La fraction liquide du digestat issue de la méthanisation de la paille a révélé les plus fortes proportions de DCO dans les fractions colloïdales et dissoutes. La faible biodégradabilité des composés organiques et leur forte proportion dans les matières en suspension suggèrent le développement de procédés physico-chimiques de séparation tels que la coagulation pour le traitement de la fraction liquide des digestats. / Agricultural and centralized biogas plants are facing a fast development, leading to the production of huge amounts of digestates. Whereas the solid fraction of digestates is used as fertilizer, the liquid fraction can be valorized by the recovery of mineral materials, although the presence of organic compounds may be problematic for the treatment and disposal of this effluent. The objectives of this thesis are: i) to characterize the liquid fraction of digestates and to provide guidelines for its further treatment, ii) to explain the variability of residual compounds in the liquid fraction of digestates in relation with substrate origin, process parameters and the type of solid-liquid separation. In a first part, eleven digestates from full scale codigestion plants were thoroughly characterized. Their liquid fractions were fractionated by nine successive filtrations, which allowed quantifying the contribution of suspended particles, coarse and fine colloids and dissolved matter on several physico-chemical and biological parameters. Organic compounds were mainly found in suspended particles (> 1.2 µm) and presented low aerobic biodegradability. To enlarge the data base, eighteen more digestates from codigestion and one digestate from waste activated sludge were characterized; their liquid fractions were fractionated by two successive filtrations (1.2 μm and 1 kDa). Principal component analysis, hierarchical clustering analysis and correlation matrix carried out on the 30 digestates set, highlighted the major impact of the solid-liquid separation process on the composition of the liquid fraction of digestates. In the high performance separation process group, subgroups allowed separating digestates from sewage sludge, digestates from pig manure and digestates from plug-flow thermophilic processes. In the low performance separation process group, COD and total solids concentration in the liquid fraction of digestates were correlated to the percentage of energy crops and cow manure in the feed. Finally, SUVA parameter which accounts for aromatic compounds content and the stabilization of organic matter, was correlated to the retention time in digester for the whole digestates set. To understand the origin of residual compounds in the liquid fraction of digestates from co-digestion of high proportions of cattle manure, four CSTR reactors fed with wheat straw, cow dung and cow manure were operated for 48 weeks. Anaerobic digestion performances showed that cow manure had undergone some aerobic degradation during its storage at the farm. Therefore, the liquid fraction of manure digestate had the highest concentrations in organic compounds. In addition, these organic compounds had the highest complexity measured by 3D fluorimetry. The low biodegradability of organic compounds and their high percentage in suspended particles suggest the development of physico-chemical separation process such as coagulation for the treatment of the liquid fraction of digestates

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Une étude écologique ayant pour objectif d'évaluer l'association entre les indicateurs de l'intensité de l'élevage et le taux d'hospitalisation pour gastro-entérite aiguë (HGA) au Québec entre 2000 et 2004 a été effectuée. La régression de Poisson a été utilisée pour mesurer l'association. Le surplus de fumier était associé avec le taux d'HGA chez les enfants âgés de 5-9 ans (Le rapport des risques d'hospitalisation (RRH)=1,45; intervalle de confiance à 95% (IC)= 1,02-2,05). Une plus forte association a été observée pour les HGA d'origine animale chez les enfants âgés de 0-4 ans. L'association entre le taux d'HGA et le surplus de fumier variait selon le type de source d'eau. Une relation dose-réponse entre la densité animale, particulièrement, la densité de volailles, et les HGA d'origine animale a été observée. En conclusion, l'intensité d'élevage pourrait être associée aux gastro-entérites aiguës infantiles ayant mené à une hospitalisation en milieu agricole Québécois.

Les deux principaux objectifs de cette thèse sont de développer les aspects théoriques et expérimentaux sur la co-méthanisation des déchets fermiers et alimentaires. Les objectifs de nos études portent sur l'élimination du maximum de déchets mis en ISDND, la réduction des pollutions des milieux naturels (eau, sol, air) par les effluents d'élevage, les boues de STEP et sur la mise en disposition d'une source énergétique renouvelable via le biogaz obtenu. Premièrement, nous avons effectué des expérimentations sur la co-méthanisation des effluents liquides, lisier de porc, boues de STEP, et de la vinasse et le mélange de ces effluents d'élevage avec les déjections solides des animaux (fumier, fientes) et des biodéchets (restes de repas). Ces expérimentations avaient pour but de suivre l'évolution du milieu réactionnel en fonction du composant du mélange ainsi co-digéré. Deuxièmement des tests des potentiels méthane et biogaz issus de mélange associant plusieurs types de déchets organiques sous différents états physiques (liquide, semi liquide, pâteux, solide) ont été effectués. La problématique qui se posait étant de savoir parmi les déchets à mélanger, quelle proportion de chaque mono-substrat donnera le meilleur potentiel méthanogène et s'il était possible de mettre en avant des effets synergétiques entre déchets. Nous avons fait appel à un outil statistique, le plan de mélange pour définir les mélanges à tester. Pour un mélange à 3 composants (fumier de vache, lisier de porc, restes de repas), le nombre d'expériences optimum à réaliser a été de 13. La réalisation du plan de mélange, c'est à dire la campagne expérimentale sur les co-méthanisations des 13 mélanges proposés nous a permis d'observer que le potentiel méthane d'un mélange dépend tout premièrement de sa texture (état physique) à l'entrée du processus. Un mélange contenant un maximum en proportion en co-produits liquides (lisier de porc) associé avec le maximum de déchets riches en substrats solubles (restes de repas) nous a donné les meilleurs potentiels méthane et biogaz. Cette observation a été confirmée par le taux de conversion de la matière sèche (MS) en matière volatile (MV) du mélange. Compte tenu du taux de MS, MV et le ratio MV/MS d'un mélange, ainsi que les interactions entre les composants du mélange, une loi permettant de prédire le potentiel biogaz d'un mélange doit considérer ces facteurs. Cette loi doit tenir compte de l'effet positif (synergisme) et l'effet négatif (antagonisme) entre les composants du mélange. Cette loi a été définie dans le but de prédire le potentiel méthane des mélanges constitués de fumier de vache, lisier de porc et restes de repas et se situant à l'intérieur du domaine expérimental défini par les limites sur les proportions minimale et maximale de chaque composant du mélange. Toutefois, cette loi définie n'est applicable qu'aux mélanges d'association de fumier de vache, de lisier de porc et des restes de repas. Cette loi a été définie pour estimer le BMP des mélanges, et ne permet pas de suivre le procédé de la méthanisation. Aussi, pour prédire le volume de biogaz (méthane) journalier ou cumulé de la cométhanisation. / The two main objectives of this thesis are to develop theoretical and experimental aspects of the anaerobic co-digestion of farm wastes associated with food. Our general studies have for objectives the elimination as much as possible the maximum of organic waste into non-hazardous landfills, reduce pollution of natural environments (water, soil, air) by the effluent livestock, sewage sludge, and dispose of energy via the produced biogas.Firstly, we carried out experiments on the anaerobic co-digestion of the liquid effluents association (pig slurry, sewage sludge, vinasse effluents) and the mixture of animal slurries, manures, and food waste. The aim of these experiments was to follow the evolution of the reactor behavior according to the component of the co-digested mixture.Secondly, BMP tests of mixture of association several types of organic waste under different physical condition (liquid, semi liquid, pasty, solid) were carried out. We have been tried to know, which proportion of each mono-substrate will give the best BMP among waste to mix? We used a statistical tool, the mixture design to define the mixtures to be tested. For a mixture with 3 components (cow dung, pig slurry, food waste), the optimum number of experiments to realize was 13.The realization of the mixture design, i.e. the experiment series on the anaerobic co-digestion of the 13 proposed mixtures enabled us to observe that the BMP of a mixture firstly depends on its texture (physical state) at the entry of the process. A mixture containing a maximum in proportion in liquid substrate (pig slurry) associated with food waste gave us the best biogas and methane potential. This observation was confirmed by the conversion rate of dry matter to volatile solid (VS) of the mixture. These results were proven by the activity (synergism, antagonism) of mixtures components influencing to BMP tests.The empiric law defined to predict the BMP of a mixture must to account the rate of VS/DM of a mixture, and the interactions between components of the mixture. This law must also include the positive effect (synergism) and negative (antagonism) between components of the mixture. This law has been defined in order to predict the potential methane mixtures of cow dung, pig slurry and food wastes and being within the experimental domain defined by the limits on minimum and maximum proportions of each component of the mixture. However, this definite law is applicable only to the mixtures of cow dung, pig slurry and food waste. The definite law is limited for prediction of mixtures BMP. However, this empiric law can not be used to follow reactor process. Model with three stages (hydrolysis of soluble substrate, acidogenic production stage and methanogenic stage) was used to predict daily and cumulative of biogas and methane production of anaerobic digestion of farm waste associated with vegetable waste. This model must be adapted with substrate type used and experimentations conditions (batch and mesophilic conditions). An adjustment of the model equations describing hydrolysis polymers stage was necessary in order to take into account of the concentration of polymers in particulate forms contained in complex substrates such as manure, slurry, and vegetable food waste. This adapted model was called model of Coupling. Indeed, a calibration of the most influential parameters of the model of Coupling, on the output must be carried out in order to validate the model.Daily and cumulative predictions of biogas and methane production of anaerobic digestion of farm waste associated with food waste were obtained by using adapted dynamical model. Model parameters values depend on the substrate type using in experimentation processes. Moreover, parameters values must be verified, needing further work.

La litière de fumier recyclé (LFR) est utilisée dans les fermes canadiennes comme alternative à la litière conventionnelle de paille. Elle est obtenue par l’extraction de la fraction solide du fumier des vaches, parfois suivie par une maturation. Toutefois, les caractéristiques microbiologiques de cette litière sont peu documentées. Ainsi, cette étude a permis la description du microbiote et des caractéristiques microbiologiques de la LFR comparativement à la paille, avant et après leur utilisation, et d’évaluer l’impact de différentes méthodes de production de la LFR sur ces écosystèmes. Les résultats des analyses du microbiote ont démontré que la richesse et la diversité du microbiote de la LFR avant utilisation étaient différentes de celles de la paille. Les litières de fumier recyclé avant et après utilisation possédaient une diversité microbienne moindre comparativement à celles mesurées pour la paille avant et après utilisation. Aussi, les différentes méthodes de production de la LFR n’influençaient pas la richesse du microbiote, mais influencent sa composition. La méthode de production utilisant la séparation suivie d’une maturation en amas possédait une charge bactérienne moindre que celle utilisant la séparation suivit d’une maturation en boîte. Finalement, la LFR contenait plus de Listeria monocytogenes et de Salmonella spp que la litière de paille. Cela permet de conclure que la LFR, actuellement produite dans les fermes de l'Est du Canada, constitue un risque microbiologique plus élevé que la litière de paille. / Recycled manure solid bedding (RMS) is used on Canadian farms as an alternative to conventional straw bedding. RMS is obtained by extracting the solid fraction of dairy cow manure, sometimes followed by maturation. However, the microbiological characteristics of this bedding are poorly documented. This study allowed the description of the microbiota and microbiological characteristics of RMS compared to straw and assessed the impact of the RMS production methods on its microbiota. The results of the microbiota analyses demonstrated that the richness and diversity of the microbiota in unused RMS were different from unused straw. Unused RMS and used RMS possessed more similar microbial diversity compared to the microbial diversity between unused and used straw. Moreover, the different RMS production methods did not influence the richness of the microbiota but influence its composition. The RMS production method using separation followed by heap maturation had a lower bacterial load than production method using separation followed by box maturation. Finally, RMS contained more Listeria monocytogenes and Salmonella spp than straw bedding. This leads to the conclusion that RMS bedding currently produced on farms in Eastern Canada, clearly constitute a greater microbiological risk as compared to straw bedding.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2018-2019. / L’utilisation de lisier à des fins de fertilisation est une pratique courante des systèmes de production laitière du Québec et représente une alternative intéressante aux fertilisants minéraux en offrant une source d’azote disponible aux plantes et de matière organique pour le sol. Les objectifs de ce projet situé au nord du lac Saint-Jean (Normandin, Qc) étaient d’évaluer les changements à long terme (21 ans) des stocks de N dans le profil du sol (0-50 cm) selon deux rotations de cultures (céréales continues ou rotation céréale - plantes fourragères pérennes), combinées à deux types de travail du sol primaire (chisel ou charrue à versoirs) et à deux sources de nutriments (minéral ou lisier de bovins) et de dresser le bilan des flux d’azote dans le système sol-plante, pour les systèmes culturaux comparés. L’apport annuel et répété sur 21 ans de lisier de bovins a augmenté les stocks d’azote en surface (0-20 cm) de 14 %, comparativement à la fertilisation minérale, mais n’a montré aucun effet en dessous de 20 cm. La rotation comportant des plantes pérennes a favorisé également une plus grande accumulation (+ 25 %) d’azote dans le sol pour l’horizon 0-20 cm que la monoculture d’orge. La combinaison d’un apport de lisier au système de cultures en rotation avec plantes pérennes a montré un effet bénéfique encore plus important, avec des stocks d’azote du sol supérieurs de 32 % par rapport au système de céréales continues avec lisier (+2,04 t N ha-1 sur le profil entier [0-50 cm]). Le type de travail du sol n’a pas eu d’impact significatif sur les stocks d’azote du profil du sol entier (0-50 cm). Une approche de défaut de bilan entrées-sorties suggère que la présence de légumineuses dans le mélange fourrager contribue à augmenter considérablement les stocks d’azote du sol.

La litière de fumier recyclé (LFR) est utilisée dans les fermes laitières québécoises depuis quelques années, et ce, malgré le manque de connaissances scientifiques quant aux risques reliés à l’utilisation de ce produit pour la santé des animaux. Le premier objectif de cette thèse était de décrire les méthodes de production de LFR dans un contexte québécois et les pratiques de régie associées. Le deuxième objectif du projet consistait à déterminer le potentiel de recroissance de certaines espèces bactériennes dans la LFR lorsqu’elle est contaminée. Par la suite, le niveau de propreté et la prévalence de lésions aux jarrets chez les vaches laitières exposées ou non à ce produit ont été estimés. Finalement, l’association entre l’utilisation de LFR et l’incidence de mammite sous-clinique et clinique a été évaluée. Des études observationnelles cohorte ou transversale (selon l’objectif de recherche) ont été réalisées en 2018-2019 sur 27 fermes utilisant de la LFR et 61 fermes utilisant de la litière de paille, à titre comparatif. Les visites de fermes ont permis de constater que les méthodes utilisées pour produire de la LFR n’étaient pas standardisées et qu’elles ne permettaient pas un réel compostage de la fraction solide du fumier. Les essais de recroissance ont permis de démontrer que les différentes LFR (traitée en tas, contenant fermé ou cuve rotative) ne réagissaient pas de la même façon à une inoculation par des coliformes. La LFR de cuve rotative contenait une plus faible concentration initiale de Klebsiella spp. et a montré une croissance bactérienne significative dans les premières 24 h post-inoculation. Les LFR conditionnées dans des tas ou contenants avaient quant à elles une concentration initiale importante de Klebsiella spp. et n’ont pas démontré de croissance bactérienne significative suivant leur inoculation, ce qui suggère un effet de saturation de croissance bactérienne. Au cours de l’étude transversale, 30 vaches par troupeau, en moyenne, ont été notées à l’aide d’un score de propreté sur trois zones du corps ainsi que d’un score sur l’état des jarrets, afin d’estimer leur propreté et la présence de lésions aux jarrets. Le score de propreté attribué à chaque zone du corps des vaches allait de 1 à 4, 1 étant très propre et 4 très sale. Nous avons observé que les vaches logées sur LFR avaient, en général, une meilleure propreté du pis et du bas des pattes que celles logées sur paille. La LFR avait un effet protecteur pour le risque d’avoir un score de propreté du pis ≥ 3 (rapport de cotes (RC) : 0,43) ou d’avoir un score de 4 (RC : 0,29). Les vaches logées sur LFR avaient aussi le bas des membres plus propres que celles logées sur paille avec de plus faibles cotes d’avoir un score ≥ 2 (RC : 0,45), un score ≥ 3 (RC : 0,16) ou un score de 4 (RC : 0,07). Cependant, nous n’avons pas trouvé de différence entre les deux groupes d’animaux au niveau de la propreté du flanc et du haut des pattes. Lors de leur évaluation pour la propreté, les vaches ont aussi été notées à l’aide d’un score de lésions aux jarrets allant de 0 à 3. Un score de 0 représentait un jarret parfaitement sain alors qu’un score de 3 était attribué à un jarret présentant une enflure de plus de 2,5 cm. Les deux jarrets étaient évalués et le jarret ayant reçu le score le plus élevé était inclus dans les analyses. Nous n’avons pas identifié de différence quant aux scores de jarret entre les deux groupes d’animaux. Afin d’évaluer la santé de la glande mammaire, une étude cohorte d’une durée d’un an a été mise en place à partir de la visite de la ferme. Les dynamiques de comptages de cellules somatiques ont été suivies sur 11 031 vaches durant cette période afin d’analyser l’incidence de mammite sous-clinique. Nous n’avons pas été en mesure de détecter une différence d’incidence entre les deux groupes d’animaux. Au cours de l’étude cohorte, les producteurs laitiers ont identifié et fait parvenir au laboratoire 1 144 échantillons de lait provenant de vaches atteintes de mammites cliniques. L’incidence totale de mammite clinique n’était pas plus élevée dans les fermes LFR qu’au sein des fermes paille. Cependant, lorsque nous avons analysé l’incidence de mammite clinique par agent pathogène spécifique, nous avons pu constater que les vaches logées sur LFR étaient 7,0 fois plus à risque d’expérimenter une mammite clinique causée par Klebsiella pneumoniae que celles du groupe comparatif. / Recycled manure solids (RMS) bedding has been used on Quebec dairy farms for a number of years, despite the lack of scientific knowledge about the health risks associated with the use of this product for animals. The first objective of this thesis was to describe the RMS production methods in a Quebec context and the associated management practices. The second objective of the project was to determine the potential for regrowth of certain bacterial species in the RMS when it is contaminated. Subsequently, the level of cleanliness and prevalence of hock lesions in dairy cows exposed or not to this product were estimated. Finally, the association between RMS use and the incidence of subclinical and clinical mastitis was evaluated. Observational cohort or cross-sectional studies (depending on the research objective) were conducted in 2018-2019 on 27 farms using RMS and 61 farms using straw bedding for comparison. The farm visits highlighted that the methods used to produce RMS were not standardized and did not allow for true composting of the manure solid fraction. The regrowth trials showed that different RMS (treated in heap, closed container or rotating drum) did not react in the same way to coliform inoculation. The rotating drum RMS contained a lower initial concentration of Klebsiella spp. and experienced significant bacterial growth in the first 24 hours post-inoculation. The heap or closed container RMS had a high initial concentration of Klebsiella spp. and did not show significant bacterial growth following inoculation, suggesting a saturation effect on bacterial growth. In the cross-sectional study, an average of 30 cows were measured using a cleanliness score on three body areas as well as a hock lesion score to estimate their cleanliness and the presence of hock lesions. The cleanliness score assigned to each area of the cows' body ranged from 1 to 4, with 1 being very clean and 4 being very dirty. We found that cows housed on RMS generally had better udder and lower leg cleanliness than those housed on straw. Recycled manure solids bedding had a protective effect for the risk of having an udder cleanliness score ≥ 3 (odds ratio (OR): 0,43) or having a score of 4 (OR: 0,29). Cows housed on RMS also had cleaner lower legs than those housed on straw with lower odds of having a score ≥ 2 (OR: 0,45), a score ≥ 3 (OR: 0,16) or a score of 4 (OR: 0,07). However, we found no difference between the two groups of animals in flank and upper leg cleanliness. When they were evaluated for cleanliness, cows were also measured using a hock lesion score ranging from 0 to 3. A score of 0 represented a perfectly healthy hock, while a score of 3 was assigned to a hock with swelling greater than 2.5 cm. Both hocks were scored and the hock with the higher score was included in the analyses. We did not identify any difference regarding hock lesions between the two groups of animals. To assess mammary gland health, a one-year cohort study was set up from the farm visit. Somatic cell count dynamics were followed on 11 031 cows during this period to analyze the incidence of subclinical mastitis. We were not able to detect a difference in incidence between the two groups of animals. During the cohort study, dairy farmers identified and sent to the laboratory 1 144 milk samples from cows with clinical mastitis. The total incidence of clinical mastitis was not higher on RMS farms than on straw farms. However, when we analyzed the incidence of clinical mastitis by specific pathogen, we found that cows housed on RMS were 7.0 times more likely to experience clinical mastitis caused by Klebsiella pneumoniae than those in the comparison group.