Au Québec, l’importante augmentation de la production porcine observée entre les années 1970 et 2000 a mené à des surplus de lisier de porc dans certaines régions, à cause du manque de terres disponibles pour l’épandage. Ces surplus ont pour conséquence d’entraîner des problèmes de pollution de l’eau, notamment la contamination des nappes phréatiques par les nitrates (NO3-) et l’eutrophisation des plans d’eau. Une des solutions possibles pour contrer cette pollution est d’installer, à la ferme, un système de traitement du lisier. Pour ce faire, différentes technologies ont été développées, l’une d’entre elles reposant sur le principe de la biofiltration. L’objectif principal de ce travail était d’améliorer les connaissances sur le comportement de l’azote à l’intérieur d’un biofiltre traitant du lisier de porc. Dans un premier temps, la biodégradabilité de trois types de lisiers a été étudiée. Le recours à la respirométrie et au modèle biologique ASM3 a permis de quantifier de façon relativement rapide les fractions organiques rapidement et lentement biodégradables de ces lisiers. Parallèlement à ces travaux, les performances d’enlèvement de trois biofiltres pilotes, soumis à différentes conditions, ont été évaluées. Des performances épuratrices satisfaisantes en terme de réduction de la demande chimique en oxygène (DCO) et de l’azote ammoniacal (N-NH4+) ont été confirmées. L’enlèvement d’azote total par les biofiltres a varié entre 82 et 90%, attestant la présence de dénitrification au sein des systèmes. Ces essais ont également permis de statuer que l’enlèvement d’azote total est favorisé par un rapport C/N élevé (17 g DCO/g N). Par ailleurs, un suivi des gradients de concentration dans le profil de profondeur du biofiltre a été effectué. Contrairement à toute attente, il a mené à l’observation des processus d’oxydation de la matière organique, de nitrification et dénitrification de façon nettement prédominante dans les trente premiers centimètres du biofiltre. En outre, la production de N2O, inhérente à l’opération de tout système de dénitrification, doit être surveillée de près considérant l’impact de ce puissant gaz à effet de serre sur les changements climatiques. Selon les résultats de l’étude, les principaux facteurs favorisant la production du N2O dans le biofiltre seraient les teneurs en eau, en oxygène dissous et en NO3- au sein du milieu filtrant. Par conséquent, une optimisation de l’enlèvement de l’azote du lisier, réalisée en minimisant les impacts sur les changements climatiques, pourrait passer par l’étude d’une diminution de l’aération ou de l’instauration de cycles aérobie/anoxie. / In Quebec, an important increase in pig production, observed from years 1970 to 2000, led to pig slurry surpluses in some regions, because of insufficient land for application. As a consequence of these surpluses, water pollution occurred, such as the contamination of groundwater by nitrates (NO3-) and the eutrophication of surface water. A solution to overcome this pollution is to install, on the farm site, a pig slurry treatment system. Over the past 20 years, many technologies have been developed, one of them based on the principle of biofiltration. The aim of this study was to improve the knowledge regarding nitrogen behavior inside a trickling biofilter treating pig slurry. As a first step, the biodegradability of three types of pig slurry was studied. Respirometry and the ASM3 biological model were used to quantify the rapidly and slowly biodegradable organic fractions of these slurries. Parallel to this work, nitrogen removal performances of three pilot biofilters were evaluated under different operating conditions. Satisfactory removal efficiencies with regards to chemical oxygen demand (COD) and ammoniacal nitrogen (N-NH4+) were confirmed. Total nitrogen removal varied between 82 and 90%, proving the presence of denitrification inside the systems. These trials also showed that total nitrogen removal is favored at high C/N ratio (17 g COD/g N). In addition, investigation of the nitrogen behavior inside the biofilter led to the surprising conclusion that organic matter oxidation, nitrification and denitrification occurred mainly in the top 30 cm of biofilter. Finally, N2O production, inherent to any denitrifying system, must be followed considering the impact of this powerful greenhouse gas on climatic changes. Results suggested that the main factors favouring N2O production in the biofilter are related to water, dissolved oxygen and nitrate contents inside the filtering media. Consequently, the optimisation of nitrogen removal from pig slurry, while minimizing its impact on climatic changes, may require the study of an aeration diminution through the implantation of aerobic/anoxic cycles.

La production porcine québécoise crée des problèmes locaux sévères de surplus de lisier entraînant l'eutrophisation des eaux surface et la contamination des eaux souterraines. Une technologie de traitement du lisier, le BIOSORMD-lisier, a donc été est mis au point par le Centre de Recherche Industrielle du Québec (CRIQ). Il s'agit d'un biofiltre à support organique à base de tourbe et de copeaux de bois visant le double traitement du lisier de porc et des odeurs générées dans les porcheries. Ce procédé permet d'obtenir d'excellents rendements d'épuration quant à l'enlèvement du carbone et de l'ammonium. Toutefois, les conditions d'opérations du procédé ne permettent pas d'achever la dénitrification ce qui entraîne une production significative de protoxyde d'azote (N₂O); un gaz à effet de serre très préoccupant. L'objectif de l'étude est donc de déterminer l'effet de certaines conditions d'opération (aération intermittente, volume et type de milieu filtrant et source d'alcalinité) sur la dénitrification et la production de N₂O. Pour se faire, trois biofiltres pilotes (1,2 m x 0,4 m), ayant des milieux filtrants différents, ont été soumis à une aération intermittente (4 heures aéré pour 4 heures anoxie) puis à une aération continue. Un des principaux facteurs affectant la dénitrification et les émissions de N₂O par le procédé est le taux d'aération. En effet, les émissions de N₂O ont été supérieures sous aération continue (280 (±114) g N-N₂O/ m³ de lisier traité) comparativement à l'aération intermittente (36 (± 9) g N-N₂0/ m³ de lisier traité). En plus d'améliorer les performances des biofiltres, une réduction de l'aération diminuerait considérablement les coûts d'opération du procédé. Cependant, afin de confirmer avec certitude cette hypothèse, l'étude aurait du prévoir une répétition des cycles d'aération afin de discriminer, entre le temps et le type d'aération, celui ayant le véritable effet sur les performances du système.

Au Québec, l'enfouissement est la technique la plus répandue pour l'élimination des matières résiduelles. Bien qu'elle soit simple et économique, elle entraîne différentes problématiques, dont la production de lixiviats, des liquides très chargés en contaminants, et de gaz d'enfouissement contribuant à l'émission de gaz à effet de serre. Chez Investissement Québec - CRIQ (IQ-CRIQ), la biofiltration méthanotrophe a été étudiée dans les dernières années pour le traitement combiné de ces deux sources de polluants. Si cette technologie a montré une bonne capacité à traiter le méthane (CH₄) présent dans les gaz d'enfouissement, tout en assimilant de l'azote des lixiviats, la capacité du système biologique à résister aux fluctuations saisonnières de température peut être questionnée. L'objectif principal est donc de vérifier si le caractère exothermique de la réaction d'oxydation du CH₄ par les bactéries méthanotrophes permet de maintenir l'activité biologique au sein du biofiltre et donc la capacité épuratoire du CH₄ et de l'azote nitrate (NO₃-) des lixiviats en période hivernale. Pour ce faire, un montage expérimental comprenant quatre biofiltres avec un garnissage organique a été alimenté avec des lixiviats prétraités provenant d'un site d'enfouissement et un mélange synthétique de gaz composé de gaz naturel et d'air. Des isolants en uréthane et une chambre réfrigérée ont été utilisés afin de reproduire les conditions hivernales sur le terrain d'un biofiltre enfoui, soit une température avoisinant les 4 °C. En ce sens, la température d'alimentation liquide a aussi été diminuée à 4 °C pour deux des quatre biofiltres. L'effet d'une charge en CH₄ plus importante sur le traitement a aussi été exploré. Durant les expérimentations qui se sont étendues sur environ 300 jours, les gaz (CH₄, CO₂, N₂O entre autres) et les liquides (NO₃-, NO₂-, NH₄+, pH entre autres) ont été analysés deux à trois fois par semaine et la température interne des réacteurs a été suivie en continu à l'aide de capteurs. Les expérimentations ont permis de montrer que le maintien du traitement était possible même avec une baisse de la température du liquide d'alimentation : une capacité d'élimination de 98 à 112 gCH₄/m³/j et de 2,6 à 3,2 gN-NO₃-/m³/j a été observée pour le biofiltre à température ambiante (environ 21 °C) alimenté avec un lixiviat à 4 °C alors qu'elle a été de 113 gCH₄/m³/j et de 4,4 gN-NO₃-/m³/j pour le biofiltre témoin (température ambiante et d'alimentation liquide à environ 21 °C). Cependant, le biofiltre alimenté avec des lixiviats à 4 °C et placé dans un environnement avec une température ambiante à 4 °C a vu ses capacités à traiter le CH₄ et le NO₃- devenir nulles lors du changement drastique de température. Finalement, le biofiltre alimenté avec une concentration plus élevée en CH₄ n'a pas été en mesure de traiter davantage de contaminants, ce qui laisse croire qu'il pourrait y avoir un débalancement entre le CH₄, les NO₃- et les autres nutriments essentiels ou encore la présence d'inhibiteurs au sein du biofiltre. Une difficulté des gaz à pénétrer le biofilm a aussi pu limiter la capacité d'oxydation et donc l'enlèvement des NO₃-. Bien que des incertitudes persistent, les résultats obtenus montrent bien un potentiel de maintien des capacités épuratoires par les méthanotrophes en période froide d'opération.