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.

L’efficacité de la biofiltration pour le traitement du lisier de porc motive la poursuite des recherches pour l’optimisation des conditions d’opération qui, selon les modalités usuelles, peuvent entraîner la production de gaz à effet de serre (GES) dont le protoxyde d’azote (N₂O) et le méthane (CH₄). Alors que la production de N₂O est amplement documentée, des expérimentations supplémentaires sont nécessaires pour caractériser la production de CH₄. À cet effet, certains aspects de la configuration du biofiltre à milieu organique (aération, milieux filtrants) ont été modifiés afin d’en vérifier l’impact sur la production de CH₄ et la performance épuratoire. Les conditions expérimentales ont impliqué un suivi de 391 jours de trois biofiltres pilotes (1,2 m x 0,13 m²) ayant des milieux filtrants différents. Ils ont été soumis, en alternance, à une aération continue et intermittente. Les charges appliquées en carbone (DCO) et en azote (N-NH₄⁺) sur chaque prototype ont été respectivement de 0,15 et 0,03 kg.m⁻².j⁻¹. Le débit d’air, appliqué à contre-courant, a été de 2,3 m³.m⁻².h⁻¹. L’effluent gazeux a été suivi deux (2) fois par semaine (N₂O, CH₄ et débits gazeux) tandis que les affluents et effluents liquides ont été analysés deux (2) fois par mois (pH, alcalinité, DCO, NTK et NO₃⁻). Les résultats des analyses liquides montrent une bonne efficacité d’épuration pour l’enlèvement de la DCO (92 %) et du NTK (99 %) pour les conditions d’opération testées. Quant à la production de CH₄, elle a varié entre les biofiltres, lesquels ont présenté des propriétés mécaniques différentes (compaction, pertes de charge). Les principaux facteurs susceptibles d’avoir affecté la production de CH₄ sont le pH, les fortes charges en carbone et en azote appliquées en tête de colonne, ainsi que la présence d’eau et de substances inhibitrices. Une interaction entre les composés impliqués dans les réactions de dénitrification (N₂O, NO₂, NO₃) et les bactéries méthanogènes semble également avoir influencé les dégagements de CH₄ observés. Par ailleurs, l’effet de l’aération sur l’émission de CH₄ n’a été observé que pour le biofiltre 1, les émissions étant supérieures sous aération continue par rapport à l’aération intermittente (800 versus 120 g C-CH₄/m³ de lisier traité). De plus, l’efficacité du processus de biofiltration, tant pour le traitement des lisiers que pour le traitement de l’air (des odeurs et des gaz), a conduit la recherche jusqu’à la mise en route d’essais laboratoires complémentaires portant sur l’utilisation de la biofiltration comme moyen de mitigation du CH4 impliqué dans la production porcine. Les capacités d’élimination en CH₄ pour deux types de milieux filtrants (organique et inorganique) ont été comparées dans ces expérimentations. Les résultats montrent que, dans la mesure où l’apport en nitrate (NO₃) est suffisant, des efficacités pouvant atteindre 90% et 80% d’élimination du CH₄ sont observées pour le biofiltre organique et inorganique respectivement. Par ailleurs, les caractéristiques du milieu filtrant inorganique ont rendu difficile le maintien des nitrates à l’intérieur du biofiltre, résultant à une grande variabilité des performances pour ce biofiltre.