La réduction des émissions de NH3 - une solution pour l’agriculture

Contexte général de la question du lisier

Le lisier est un terme agricole et économique qui suscite des réactions dans l’opinion publique et qui a fini par se refléter dans la législation européenne.

Jusqu’à la mise en œuvre commerciale du procédé Haber-Bosch pour la production d’azote de synthèse (au début du XXe siècle), les engrais de ferme, comme le lisier ou le fumier, constituaient la principale source d’azote pour fertiliser les champs. Le lisier avait une connotation positive. L’industrialisation croissante de l’agriculture, dans les domaines de l’élevage et des cultures, a entraîné un changement :

Ø  La modification de la composition des aliments pour animaux, au profit d’aliments plus concentrés en protéines, a entraîné une augmentation de la teneur en NH³ du lisier (les protéines non digérées se décomposent en composés azotés).

Ø  L’élevage intensif produit des quantités toujours plus importantes de lisier sur des surfaces toujours plus réduites, qui sont ensuite épandues sur des terres limitées. Le résultat, conjugué à la surfertilisation par l’azote de synthèse et l’azote naturel, est une contamination des sols et des eaux souterraines par les nitrates. Le lisier a été désigné comme le principal responsable et a ainsi acquis une connotation négative.

Ø  Comme le lisier provenant d’animaux dont la fermentation dans le rumen est mauvaise est riche en azote, relativement pauvre en carbone et fortement émetteur, il a tendance à former en surface une croûte flottante, une couche de mousse ou une couche de gaz. La partie du lisier située sous cette couche se putréfie alors et produit de nombreuses substances toxiques. L’administration, en forte hausse, de médicaments, de désinfectants provenant des pédiluves ou d’eaux de rinçage de la machine à traire peut également transformer le lisier en un produit partiellement toxique.  Non traité, il ne constitue pas une bonne nourriture pour la vie du sol.

 

Aujourd’hui, la perception commence à changer. Le lisier est de plus en plus considéré comme une solution économique et respectueuse de l’environnement pour remplacer les engrais azotés de synthèse. Son utilisation répond aux exigences d’une agriculture durable.

Par ailleurs, de nouvelles technologies ont vu le jour. Elles associent la haute technologie à une agriculture adaptée à la nature et la soutiennent. Le lisier devient ainsi un produit hautement efficace, capable de fixer l’azote. Associé à d’autres substances  et à des produits ajoutés comme le silicium  et d’autres oligoéléments, le lisier constitue un engrais complexe ou un amendement à faible coût de production. De plus, les différents éléments nécessaires au sol peuvent ainsi être épandus ensemble, et la hausse du prix des composants azotés due à l’augmentation des coûts de l’énergie peut être en partie compensée.

Les spécialistes eux-mêmes reconnaissent peu à peu qu’il est possible de tirer parti de cette nécessité :

Production d’un engrais de haute qualité permettant de réduire fortement les émissions de NH³.

Grâce à sa forte teneur en nutriments d’origine naturelle transformés et fixés, à sa plus faible teneur en NH³ et aux micro-organismes qui y contribuent, le lisier traité complète le cycle biologique avec une efficacité optimale pour l’écologie des sols.

Le traitement du lisier améliore également sa fluidité, ce qui est avantageux pour tous les épandages de lisier et dans les canaux à lisier. Enfin, il permet de réduire les odeurs lors de l’épandage, un grand avantage pour la population, les agriculteurs et l’environnement.

De manière générale, le cycle biologique doit être pris en compte dans la production de lisier. La « prévention et le suivi » passent par :

• Alimentation des animaux avec des substances prébiotiques d’origine naturelle et des micro-organismes probiotiques afin de préserver leur santé
• Hygiène des étables à l’aide de moyens adaptés (par exemple, pulvérisation de ferments, conditionnement de la litière)
• Traitement du lisier avec des produits naturels, dans des conditions de stockage adaptées, pour obtenir un engrais biologique hautement performant

Il en résulte un sol sain et des plantes saines, ce qui nous ramène au point de départ du cycle.

 

Situation actuelle du lisier en détail

Environ 95 % des émissions d’ammoniac (émissions de NH³) en Allemagne proviennent de l’agriculture (Agence fédérale de l’environnement allemande, UBA, 2020). Selon la directive NEC (directive relative aux plafonds d’émission nationaux pour certains polluants atmosphériques), ces émissions doivent être réduites d’ici 2030, en Allemagne, de 29 % au minimum par rapport à 2005 (UBA 2020).

Les exigences de la réglementation sur les engrais (DüV) sont notamment renforcées afin de réduire les émissions d’ammoniac lors de la manipulation des engrais organiques, comme le lisier. Les exploitations agricoles sont tenues d’épandre les engrais de ferme liquides contenant une teneur importante en azote disponible ou en azote ammoniacal, sur les terres arables déjà semées, uniquement en bandes à la surface du sol ou directement dans le sol (DüV, du 28.04.2020). En raison des mauvaises expériences liées à la contamination des aliments pour animaux et de la lourde charge financière pour les exploitations agricoles, les agriculteurs et agricultrices éprouvent de grandes réserves quant à la mise en œuvre de l’obligation d’épandage au ras du sol et en bandes (IG gesunde Gülle 2019).

En outre, selon l’UBA (2020), les mesures relatives aux techniques d’épandage au ras du sol ne suffisent pas à passer sous les valeurs limites. Ainsi, la directive NEC impose de respecter un plafond de 431 kilotonnes d’émissions d’ammoniac à partir de 2030 (Institut Thünen). Jusqu’à présent, la seule approche reconnue par la DüV pour réduire les émissions de NH³ en fin de chaîne de traitement, grâce à l’épandage au ras du sol, limite les possibilités de réduction. Les études réalisées jusqu’ici permettent de conclure que l’exploitation de l’effet de cascade, par exemple au moyen du système d’élevage, d’une alimentation adaptée ou d’un traitement par des additifs, peut entraîner une réduction nettement plus efficace que la seule mesure consistant à épandre au ras du sol.

Ces possibilités de réduction, qui interviennent au début de la chaîne de traitement, sont certes expressément mentionnées au paragraphe 6, alinéa 3, de la DüV, mais ne sont pas acceptées comme alternative à l’épandage au ras du sol, faute de preuves scientifiquement solides de leur efficacité pour réduire les émissions de NH³ (Müller et Aures 2020).

Cet état des connaissances a conduit à l’élaboration de la méthode de mesure et de contrôle appliquée ici.

La mise en œuvre a débuté en janvier 2019 avec et grâce à l’IG gesunde Gülle. En collaboration avec le laboratoire régional de Kassel, dirigé par le Dr Harald Schaaf, les bases de cette méthode de mesure et de contrôle ont été posées. La méthode a été perfectionnée dans un laboratoire spécialement aménagé à Hebertsfelden, mis à disposition par Ingrid Bauer, qui a également fait avancer le développement. Le projet a été financé par des contributions privées d’agriculteurs et d’autres personnes, entreprises et organisations engagées. Jens Keim et Ingrid Bauer bénéficient en coulisses de nombreux soutiens spécialisés et professionnels, qui ont contribué à la réussite du projet.

Une méthode professionnelle de contrôle et de mesure a été mise au point. Elle comprend le récipient d’essai des émissions de NH³, un liquide d’étalonnage et un protocole. Le liquide d’étalonnage a été élaboré à la suite de nombreux essais individuels selon la méthode des essais et erreurs.

La fonctionnalité et la pertinence de cette méthode d’essai et de mesure ont été confirmées par la DLG, sur mandat de l’IG gesunde Gülle, dans le rapport d’essai 2012-0032.

L’entreprise Extox a fourni une « mallette rouge » spécialement conçue à cet effet, permettant d’enregistrer les résultats des mesures. La mesure des émissions d’ammoniac provenant d’engrais organiques d’origine agricole dans des récipients d’échantillons, dans des conditions-cadres et de laboratoire définies, peut servir de base à l’étude de l’efficacité de différentes mesures de réduction à l’échelle de chaque exploitation et contribuer à une réduction des émissions d’ammoniac dans l’agriculture axée sur les résultats et étayée par des preuves. En outre, l’élaboration d’une valeur de référence permettra de comparer les résultats des mesures. La reconnaissance en tant que méthode scientifique repose sur la mise au point d’une procédure de mesure et d’essai normalisable.

L’objectif principal est d’établir une méthode scientifiquement reconnue, indépendante du matériel de mesure ou compatible avec presque tout matériel de mesure, permettant de déterminer de manière vérifiable, reproductible et comparable les émissions d’ammoniac (p. ex. provenant du lisier) dans des récipients, dans des conditions de laboratoire définissables.  La méthode de mesure des émissions d’ammoniac est complexe. La LfL et l’université technique de Munich (TU) ont proposé au groupe d’intérêt IG gesunde Gülle d’organiser une évaluation internationale de la méthode, sous réserve de la présentation d’une description détaillée de celle-ci conformément au protocole VERA. » (Müller et Aures 2020)

 

Présentation générale de la méthode de mesure et d’essai simple et reconnue « Roter Koffer » :

• technique de mesure étalonnable avec des tolérances définies
• récipient d’essai des émissions reproductible pour le prélèvement vérifiable des émissions
• vitesse de l’air définie
• Méthodologie reproductible et normalisable, avec des conditions-cadres définies,
• Facteurs et leurs paramètres, ainsi qu’une procédure décrite en détail

 

2. Étude de l’effet des additifs minéraux pour lisier (activés par voie tribomécanique) sur la réduction des émissions de NH³

2.1    Hypothèse de l’étude

En « mélangeant » des additifs pour lisier à base d’un mélange de différents minéraux argileux activés par voie tribomécanique*, les émissions de NH³ sont considérablement réduites.

*Activation tribomécanique (procédé de pulvérisation) :

L’activation tribomécanique est un procédé spécial de micronisation dans lequel les matières premières ne sont pas écrasées, mais broyées. Les particules sont fortement accélérées par des forces centrifuges. En raison d’un changement technique de leur direction de déplacement, elles entrent en collision les unes avec les autres et se pulvérisent ainsi elles-mêmes. Il n’y a donc pas d’abrasion (comme dans les broyeurs à boulets) ; le matériau acquiert une énergie de base élevée et conserve sa pureté. Autrement dit, ce procédé n’a aucun effet sur la composition chimique de la matière première ; au contraire, les réseaux cristallins restent intacts et ne sont pas brisés. La charge électrostatique, la surface des particules et la capacité d’échange ionique sont optimisées. La surface totale des particules augmente considérablement, ce qui accroît la vitesse et la capacité de réaction des processus physiques et électrolytiques.

2.2    Méthode de mesure : « Potentiel d’émission d’ammoniac avec la mallette rouge », selon la méthode de l’IG-Gesunde Gülle

La technique de mesure utilisée, la « mallette rouge », est un système à prélèvement d’échantillons utilisant un capteur électrochimique de NH³. Cette technique permet de mesurer la concentration d’ammoniac en temps réel. Le pilotage et la visualisation s’effectuent sur PC. La documentation automatique des mesures et la création des rapports s’effectuent notamment au format PDF. La valeur mesurée de NH³ (ppm) correspond à la moyenne des 60 mesures individuelles effectuées au cours de la dernière minute. Outre les capteurs de mesure du NH³, il est possible de relever simultanément, chaque seconde, la température de l’échantillon et de l’air entrant (°C), le débit volumique (l/h), la pression atmosphérique (hPa) et l’humidité relative de l’air (%) et de les documenter électroniquement.

Voir le travail scientifique d’Anna-Maria Bissinger, chapitre 5.2.-5.3.

« Méthode de mesure permettant de déterminer les émissions actuelles d’ammoniac de différents substrats selon une méthode d’évaluation des émissions de NH³ scientifiquement fondée et vérifiable, avec calibration permanente du système » II./3 Revue de la littérature et problématique

À la fin des études, on obtient un document appelé rapport d’émissions de NH³. Le rapport d’émissions de NH³ constitue la base de cette méthode de mesure et de contrôle. Il décrit précisément la procédure standardisée et comprend tous les paramètres et composants définis. Les facteurs tels que les conditions ambiantes et le cadre de mesure, déjà mentionnés pour la plupart, y sont fixés et définis. Lorsqu’on utilise NH³-Stable-Mobile, les paramètres soulignés sont enregistrés et documentés automatiquement. Si d’autres techniques de mesure sont utilisées, les valeurs doivent également être relevées à l’aide d’appareils contrôlés. L’extrait suivant présente les paramètres à documenter et à respecter :

• Température ambiante
• Humidité ambiante
• Pression atmosphérique
• Débit volumique mesuré
• Valeur du pH de la substance
• Type et désignation de la technique de mesure
• Mesure à vide
• Première calibration ou mesure de calibration avant chaque série de mesures

Cette documentation est essentielle pour attester du respect des paramètres définis, permettre leur vérification et garantir la comparabilité des résultats de mesure. Le protocole d’émission de NH³ doit être joint à chaque résultat d’analyse d’échantillon.

2.3    Conception et réalisation d’essais en fûts avec des additifs pour lisier

Condition préalable : utiliser le « lisier adapté » :

• Homogénéisation par brassage avant le prélèvement
• non traité
• pH supérieur à 7
• Valeur initiale en ppm comprise entre 40 et 80 AEP (potentiel d’émission d’ammoniac)
• Température : constante à 12 °C maximum pendant toute la durée de l’essai
• Aucune exposition directe des fûts au soleil, car cela fausserait les résultats
• Mesure simultanée d’autres paramètres tels que l’ammonium, l’azote total, le rapport C/N, etc.

2.3.1 Formulations différentes

Des formulations d’additifs pour lisier à base exclusivement minérale et activés tribomécaniquement, des marques KALKMEISTER et STEINKRAFT, ont été testées. Les proportions de mélange variaient d’une formulation à l’autre.

Formulation n° 1 
Formulation n° 2
Formulation n° 3
Formulation n° 4

Le lisier a été réparti dans des fûts de 60 litres. Chaque fût contenait 50 litres de lisier.

2.3.2 Dispositif expérimental

Ø  1 fût témoin contenant du lisier non traité et 1 fût de lisier avec l’additif correspondant
Ø  Le rapport de mélange était de 15 kg d’additif pour lisier par m³ de lisier. Sur cette base, l’additif correspondant a été mélangé au lisier dans les fûts.
Ø  Les fûts de lisier étaient entreposés dans un endroit où la température restait constante (12 degrés Celsius au maximum) et où ils n’étaient pas exposés au soleil.

Mesure initiale : tous les fûts disponibles contenant du lisier homogénéisé non traité ont été mesurés avant le traitement . Cela a permis de confirmer l’homogénéité des lisiers disponibles.

1re mesure : après 30 heures
2e mesure : après 10 jours
3e mesure : après 14 jours

Tous les fûts ont été brièvement brassés avant chaque mesure et avant le prélèvement du lisier. Chaque mesure a été effectuée deux fois afin de confirmer l’exactitude des résultats. En cas d’écart, une mesure de contrôle supplémentaire a été effectuée.

La moyenne a été utilisée pour l’analyse statistique.

Lors des mesures, la température du lisier était toujours de 20 (+/-0,5) degrés Celsius (chauffé au micro-ondes ou au bain-marie). Le tonneau non traité a également été pris en compte comme contrôle à chaque mesure.

 

3. Résultats

3.1. Présentation des résultats sous forme de tableau

3.2. Représentation graphique des résultats

3.3 Description verbale des résultats

L’étude actuelle a montré que tous les additifs pour lisier testés permettent une fixation élevée du NH³. Deux des quatre formules étudiées obtiennent des résultats particulièrement bons lors de l’essai à long terme (après 14 jours), avec une fixation du NH³ de 33,63 % à 36,91 %. Les réductions de >30 % sont généralement considérées comme exceptionnelles. Il convient de noter qu’une baisse de l’AEP a été constatée à pH identique.  De plus, le lisier est resté très homogène pendant toute la période d’étude et s’est caractérisé par une grande fluidité. Il convient également de mentionner que les additifs fixent en outre les nutriments organiques du lisier.

Comme lors des études précédentes, cette étude confirme que les additifs réagissent relativement rapidement. Après seulement 30 heures, des fixations du NH³ de 9,96 % à 25,03 % sont observées. Le maximum de fixation du NH³ est toutefois constaté après 14 jours. .

Pour mieux situer les résultats présentés, il convient de noter qu’une réduction de la valeur NH³ d’environ

Ø  20 % = un bon résultat

Ø  30 % et plus = un résultat exceptionnel

Lors des analyses, tous les mélanges ont réagi positivement. Deux mélanges se sont notamment révélés particulièrement réactifs et donc efficaces lors de l’essai à long terme concernant la fixation du NH³ :

Ø  Formule n° 1 : KALKMEISTER N-Fix / STEINKRAFT Güllekraft N-Fix
Ø  Formule n° 2 : STEINKRAFT Güllekraft N-Fix Humin

Pour les deux formulations, des réductions significatives du NH³, pouvant atteindre plus de 30 %, ont été constatées pendant toutes les périodes d’étude. La valeur maximale a été mesurée après environ 14 jours.

 

4.      Conclusion

Des additifs pour lisier ont été testés. Tous ont apporté une contribution très bonne à exceptionnelle à la réduction du NH³, en fixant les émissions gazeuses du lisier. Ainsi, les émissions de NH³ dues à l’épandage du lisier ont pu être réduites jusqu’à 30 % et au-delà. Ce polluant atmosphérique est ainsi considérablement réduit.

Deux produits se sont particulièrement distingués lors de l’étude :

-        KALKMEISTER N-Fix / STEINKRAFT Puissance du lisier N-Fix

-        STEINKRAFT Puissance du lisier N-Fix Humine

 

Le mélange d’additifs minéraux au lisier avant l’épandage présente également d’autres avantages pour l’agriculture :

1. L’épandage du lisier s’accompagne de celui des nutriments et oligo-éléments supplémentaires nécessaires (= une seule opération).
2. Les nuisances olfactives pour le voisinage sont fortement réduites.
3. Le lisier traité contient moins de sels et n’a pas d’effet corrosif sur les plantes, ce qui est particulièrement précieux pour l’épandage sur les prairies.
4. Les dépôts de lisier laissés par les patins traînés se décomposent mieux lorsque le lisier est traité et salissent donc moins le fourrage.
5. L’amélioration du fourrage pour le pâturage, en matière de quantité d’herbe et de qualité, est significative.
6. Le lisier traité contient moins de substances putréfiantes. Tout ce qui pourrit et sent mauvais est néfaste pour l’être humain et la vie du sol.
7. Les additifs sont des minéraux naturels disponibles en quantités suffisantes.
8. Épandus dans les champs, ils peuvent même, en augmentant la biomasse (formation d’humus), restituer durablement du CO2 au sol.

 

5.      Recommandation :

Nous ne pouvons que recommander l’utilisation des additifs testés, au regard de leur potentiel de fixation du NH³, mais aussi de leur effet bénéfique sur le sol.

Nous recommandons à toutes les exploitations et à tous les transformateurs d’incorporer l’additif environ 14 jours avant l’épandage et de brasser le lisier avant son épandage, car sinon les processus anaérobies pourraient se rétablir, selon l’intensité et le stade de décomposition initiale du lisier.

Des études antérieures nous apprennent que la valeur en ppm du lisier peut déjà être réduite en amont grâce à l’alimentation et à l’hygiène des bâtiments (litière). Le lisier est ainsi plus stable et les processus de putréfaction ont moins de chances de s’installer. De manière générale, nous recommandons également de « remuer » le lisier afin de contrer naturellement la pression de putréfaction.

 

Les additifs pour lisier à base minérale testés dans cette étude et activés tribomécaniquement permettent également de :

§  l’additif pour lisier principalement à base de chaux (KALKMEISTER N-Fix / STEINKRAFT Güllekraft N-fix) favorise le chaulage des sols

§  l’additif pour lisier principalement composé d’un mélange de zéolithe et de léonardite (STEINKRAFT Güllekraft N-Fix Humin) a apporté une contribution précieuse à la formation d’humus, qui est indispensable

§  les additifs testés des marques KALKMEISTER et STEINKRAFT favorisent également l’activation de la microbiologie et la formation d’humus dans le sol, contribuant ainsi de manière précieuse à la revitalisation des sols

 

Un dosage d’environ 15 kg à 20 kg maximum par m³ de lisier rend cette solution performante et naturelle de traitement du lisier également intéressante sur le plan économique et permet de remettre en question, bien plus que nécessaire, l’application au ras du sol comme dogme.

En résumé, cette étude nous a apporté plus que de simples premières indications sur l’effet positif des additifs minéralogiques pour la fixation du NH³ dans le lisier et montre que leur utilisation est déjà pertinente aujourd’hui.

Cela nous a encouragés à documenter les additifs pour lisier dans d’autres domaines d’application, par exemple dans les installations de biogaz.

Ingrid Bauer, service de mesure : www.ingridbauer.de

 

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