Utilisation du digestat comme fertilisant en agriculture · Ce document se base sur le rapport « Recommandations for AD sludge utilisation as a bio-fertiliser in agriculture » réalisé

Biométhanisation :

Utilisation du digestat comme fertilisant en agriculture

Version finale– 18/08/2009

Valbiom Christelle Mignon Tel : +32 (0) 81 627 154 E-Mail : [email protected] Websites : www.valbiom.be

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Table des matières 1. INTRODUCTION ....................................................................................................................................... 3 2. VALEUR AGRONOMIQUE DU DIGESTAT ......................................................................................... 4 3. LES AVANTAGES DE L’UTILISATION DU DIGESTAT ................................................................... 5

3.1. AUGMENTATION DU POTENTIEL DE FERTILISATION .............................................................................. 5 3.2. REDUCTION DE L’APPLICATION D’ENGRAIS .......................................................................................... 6 3.3. PROTECTION DE L’ENVIRONNEMENT..................................................................................................... 6 3.4. AMELIORATION DE LA SANTE DES PLANTES.......................................................................................... 7 3.5. DIMINUTION DE LA DISSEMINATION DES ADVENTICES ET DES PATHOGENES ......................................... 7 3.6. REDUCTION DES NUISANCES OLFACTIVES............................................................................................. 7 3.7. DIMINUTION DES PROBLEMES D’APPETENCE......................................................................................... 8 3.8. AMELIORATION DE L’EPANDAGE .......................................................................................................... 8 3.9. ECONOMIE FINANCIERE ........................................................................................................................ 8 3.10. AMELIORATION DES PROPRIETES DU SOL .............................................................................................. 8

4. RECOMMANDATIONS ............................................................................................................................ 9 4.1. PRECAUTIONS POUR LE STOCKAGE DU DIGESTAT.................................................................................. 9 4.2. PRECAUTIONS A L’EPANDAGE............................................................................................................. 10

5. ASPECT LEGAL : CONTEXTE WALLON.......................................................................................... 12 6. CONCLUSIONS........................................................................................................................................ 13 7. BIBLIOGRAPHIE .................................................................................................................................... 14 8. ANNEXE .................................................................................................................................................... 15

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1. Introduction

Ce document se base sur le rapport « Recommandations for AD sludge utilisation as a

bio-fertiliser in agriculture » réalisé dans le cadre du projet européen Agrobiogas auquel le

CRA-W a participé en collaboration avec Valbiom.

Dans ce document, le digestat est défini comme étant un résidu solide ou liquide

provenant d’un processus de digestion anaérobie de matières organiques (fumier, déchets

agro-industriels, boues d’épuration, …).

Dans un premier temps, la valeur agronomique du digestat est présentée. Les

avantages liés à l’utilisation du digestat en agriculture sont ensuite détaillés.

Dans un second temps, les précautions à prendre lors du stockage et l’épandage du

digestat sont formulées.

Enfin, nous terminons ce rapport par la situation législative du digestat en Région

Wallonne.

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2. Valeur agronomique du digestat

La composition du digestat dépend évidemment de la matière première utilisée et de la

gestion du processus de biométhanisation.

Une fois digéré, le digestat contient moins de matière sèche (MS) qu’initialement.

Approximativement 50% de la matière sèche est convertie en méthane (CH4) et en dioxyde de

carbone (CO2) provoquant ainsi une diminution de la quantité de carbone. Cependant, la

teneur en azote du digestat est augmentée de ~20% par rapport au lisier de bovins ordinaire

mais reste identique pour le lisier de porc. En effet, dans la matière organique la plupart de

l’azote est liée aux protéines, c’est pourquoi il n’est pas directement assimilable par les

plantes. Pendant le processus de biométhanisation, une partie cet azote organique lié est réduit

par désamination en ammonium dissout. Par conséquent, la teneur en azote total est renforcée

de 0.2% à 27% dans le digestat par rapport aux effluents bruts. Cette augmentation est liée au

temps de séjour des matières dans le digesteur et de la diminution de matière sèche. Par

conséquent l’azote est mieux absorbé (et plus rapidement) par les plantes. Néanmoins, de part

la faible présence de phosphore (P) dans le digestat, il est conseillé de compléter l’épandage

du digestat par une fumure phosphatée pour éviter tout déficit en cet élément dans le sol.

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3. Les avantages de l’utilisation du digestat

3.1. Augmentation du potentiel de fertilisation Pendant la biométhanisation, l’azote contenu dans le substrat subi une minéralisation.

Une partie de l’ammonium (NH4+) se transforme en ammoniac (NH3). L’équilibre est donc

déplacé vers la droite (figure 1). Aussi, l’ammoniac est plus volatil que l’ammonium. C’est

pourquoi l’application de quelques conseils (développés plus loin dans ce rapport) lors du

stockage du digestat est important (par exemple couvrir la cuve).

NH4

+ ↔ NH3 (aq) ↔ NH3 (g) Figure 1: équation d’équilibre

D’après une étude réalisée en 2008 au Danemark (Arhuus University – Peter

Sørensen), l’azote du digestat est beaucoup mieux utilisé par les plantes que celui contenu

dans le lisier brut. De plus, la disponibilité de l’azote (en % de l’azote total) est plus élevée

dans le cas du digestat que celle du lisier non digéré (figure 2).

Figure 2 : disponibilité de l’azote après application sur sol sabloneux (traduction de Peter Sørensen , 24th -25th January 2008, Sesto S.Giovanni, Milano, “The fate of nitrogen from animal manures in soil–crop systems: experiences with dairy and pig slurries”)

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Lorsque le digestat est épandu sur les plantes en croissance, il s’écoule plus vite de la

plante et s’infiltre plus rapidement dans le sol que les effluents bruts. Cela signifie pour

l’agriculteur que les risques de pertes d’ammoniac après application sur une terre arable sont

moins importants et donc les nuisances olfactives aussi.

Les conclusions de cette étude danoise sont les suivantes :

- moins d’azote organique et donc moins de risque de lessivage à long terme

- meilleur utilisation de l’azote la première année mais moins d’effet résiduel par la

suite

- meilleur disponibilité de l’azote pour les plantes et moins de matière organique

pour le sol

- amélioration de l’infiltration

- réduction des gaz à effet de serre (CH4, N2O, CO2)

3.2. Réduction de l’application d’engrais

Grâce à la meilleure valeur fertilisante du digestat, l’azote minéral (ou engrais azoté)

est moins utilisé. Par conséquent, une économie financière est réalisée (figure 3). Cependant,

il faut noter que les engins agricoles qui épandent du digestat liquide (contenant beaucoup

d’eau) consomment plus de fuel.

Par hectare Effluent

bovin Digestat

N exigé (kg) 250 250 N total effluent (kg) 170 170 N effluent utilisé (kg) 68 102 N utilisé (%) 40 60 engrais (kg) 182 148 économie (kg) - 34 économie (€) - 27

Figure 3: Plan de fertilisation pour 1 ha de prairie (traduction de Torben Ravn Pedersen, 24th -25th January 2008, Sesto S.Giovanni, Milano, “Anaerobic digestion: opportunities for agriculture and environment”)

3.3. Protection de l’environnement

Une conséquence directe de la meilleure absorption de l’azote par les plantes est la

diminution de la pollution de l’eau par eutrophisation suite au lessivage.

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Aussi, une diminution des gaz à effet peut s’expliquer grâce à l’utilisation du digestat.

En effet, les gaz produit par la décomposition de la matière sont utilisés (biogaz) alors qu’ils

sont perdus en temps normal sans la biométhanisation.

Enfin, le recyclage des déchets organiques (transformation d’un déchet en un engrais)

constitue un bénéfice certain pour l’environnement.

3.4. Amélioration de la santé des plantes

Le pH du digestat est plus élevé que celui du fumier brut. Cela signifie que le pH est

moins acide. Ainsi, les feuilles des plantes sont moins « brûlées » avec le digestat qu’avec une

fumure classique. Cependant, d’après Kupper et Fuchs (2007), le digestat frais est

phytotoxique. Mais ce comportement disparaît après quelques semaines de post traitement par

compostage.

3.5. Diminution de la dissémination des adventices et des pathogènes

Les graines des plantes ont une faible résistance aux hautes températures. Ainsi, les

graines des plantes mésophiles meurent après un temps de séjour moyen dans le digesteur

alors que pour celles des plantes thermophiles, le process est encore plus rapide. Des études

ont montré que la digestion est plus efficace sur plus graines non dormante que sur les graines

dormantes.

Les germes des bactéries, champignons et autres pathogènes sont tués (en tout ou en

partie) lors de la digestion anaérobie. Puisque la biométhanisation permet de réduire les

germes pathogènes, par suppression du risque de dissémination, il est possible de créer des

systèmes de gestion territoriale des déjections d’élevage « banque à lisier » (très courant au

Danemark). Il faut noter que le risque du « danger biologique » n’est pas plus élevé pour le

digestat que pour le fumier ordinaire.

La biométhanisation est donc un excellent moyen pour réduire la germination des

adventices et la dissémination des pathogènes.

3.6. Réduction des nuisances olfactives

Les odeurs sont liées aux acides gras volatiles (AGV). Or, dans le processus de

biométhanisation ces molécules sont décomposées. Ainsi, une diminution des nuisances

olfactives est observée. Néanmoins, pour éliminer complètement les odeurs, il est conseillé de

couvrir la cuve de stockage.

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Pour information, le taux de décomposition des AGV dépend principalement du temps

de séjour dans le fermenteur. Par exemple, pour dégrader les AGV du fumier de bovin il faut

entre 28 et 35 jours.

3.7. Diminution des problèmes d’appétence

Les plantes sont moins « salies » avec le digestat qu’avec le fumier classique car les

matières digérées s’écoulent mieux, pénètrent plus rapidement et sentent moins. Ainsi, les

plantes fertilisées avec du digestat sont plus appétées par le bétail.

3.8. Amélioration de l’épandage

Grâce à la modification de la viscosité lors de la biométhanisation, le digestat est

épandu plus uniformément sur le sol qu’un fertilisant minéral.

3.9. Economie financière

De part l’utilisation du digestat, moins d’engrais sont nécessaires. Cela constitue un

aspect positif pour l’environnement mais également pour le portefeuille de l’agriculteur

(cfr 3.2.).

3.10. Amélioration des propriétés du sol

Les fertilisants tels que le compost ou le digestat ont un effet positif sur la récolte et

sur la qualité aussi bien chimique que microbienne des propriétés du sol. Ainsi, l’épandage du

digestat promeut le développement de l’agriculture durable. Globalement toutes les

utilisations des résidus comme fertilisant sont bénéfiques pour l’écosystème du sol. Une

inquiétude existe cependant concernant les polluants. En effet, les digestats peuvent contenir

des micropolluants. Une étude a été menée en Suisse (Kupper et Fuchs, 2007) sur cette

thématique. Il en ressort que l’épandage d’un digestat « contaminé » ne présente pas de risque

immédiat pour le sol. Mais nous ne pouvons pas exclure l’existence d’effets négatifs pour le

moment. Ce risque est très minime en Wallonie puisque la méthanisation à la ferme utilise

majoritairement comme matière première les co-produits (effluents d’élevage, résidu de

culture, …) issus de celle-ci.

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4. Recommandations

4.1. Précautions pour le stockage du digestat

Comme énoncé ci-dessus, le potentiel de volatilisation de

l’ammoniac du digestat est plus élevé. Rappelons simplement que

l’ammoniac provient de la transformation de l’ammonium en

ammoniac (figure 1). C’est ainsi qu’il est vivement recommandé figure 4 : recouvrement

de couvrir les cuves de stockage. Pour cela plusieurs manières par croûte naturelle

existent. Premièrement, la formation d’une croûte naturelle

(figure 4) permet de limiter les émissions d’ammoniac. La cuve peut également être

recouverte par une bâche en plastique flottante (figure 5) voir par un couvercle en béton. Les

émissions d’ammoniac sont donc diminuées (environ 20%) grâce au recouvrement des cuves

de stockage (figure 6).

Figure 5 : recouvrement par une bâcle

Type de matière première

Recouvrement Facteur d’émission (% NH4+)

Perte d’ammoniac (% N total)

Bovin Non couvert couvert

9 2

6 2

Porc Non couvert couvert

15 3

9 2

Digestat

Non couvert couvert

28 6

21 4

Lisier Non couvert couvert

30 6

30 6

Figure 6: Estimation du facteur d’émission d’ammoniac lors du stockage de matière première avec et sans recouvrement. La perte d’ammoniac est montrée en % de la quantité de NH4+ et en % de la quantité d’azote totale.

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Globalement, pour minimiser la volatilisation de l’ammoniac, il est recommandé de suivre les

conseils suivants :

- toujours bien couvrir la surface de la cuve de stockage (croûte naturel, bâche, …)

- pomper le digestat par le bas pour éviter de le remuer

- remuer le digestat juste avant de l’épandre

- placer la cuve de stockage à l’ombre et à l’abri du vent

4.2. Précautions à l’épandage

A nouveau, pour limiter les pertes d’ammoniac lors de l’épandage il est conseillé

d’utiliser le matériel ainsi que les techniques les mieux adaptées.

Premièrement, une incorporation rapide du digestat dans le sol permet de limiter

fortement les émissions d’NH3. En effet, une étude (Huijsmans et al., 1999) a montré que si le

digestat est incorporé (charrue) au moins 6 heures après l’épandage, la volatilisation de

l’ammoniac peut être réduite de ~50% (figure 7).

Figure 7 : Progression des pertes d’ammoniac après épandage du digestat (gauche). La figure de droite illustre une incorporation rapide du digestat.

Les techniques de diffusion en bande soit en rampe pendillard soit par rampe à patin

permettent également de limiter les pertes d’ammoniac (figure 8). Pour l’épandage par rampe

pendillard, le digestat est déposé à la surface du sol par une série de tuyau, espacés de 30 cm,

placés sur un bras horizontal (de 12 ou 24 mètres). Pour l’épandage par rampe à patin, le

digestat est déposé juste à côté de petits sabots qui entrouvrent légèrement le sol. Le digestat

est ainsi déposé à la surface du sol sans recouvrir les feuilles des cultures. La série de tuyaux

composant ce dernier sont à nouveau distants de 30 cm les uns des autres, et montés sur un

bras horizontal plus petit (6 mètres). Enfin, une dernière technique permet d’injecter le

digestat dans le sol. La seule différence avec les procédés ci-dessus est que le digestat est

injecté dans le sol et non plus déposé à la surface du sol.

Heures après épandage

Vol

atili

satio

n N

H3

% p

erte

s acc

umul

ées

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Figure 8: citerne avec rampe pendillard (à gauche), citerne avec rampe à patin + zoom sur les sabots (à droite)

L’épandage se fera lorsque la météo est favorable c’est-à-dire par temps frais et

nuageux. Les temps ensoleillés, secs ou venteux augmentent considérablement les pertes

d’azote et diminuent donc son efficacité.

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5. Aspect légal : contexte wallon

Chaque membre de l’Union Européenne a sa propre législation en matière

d’utilisation du digestat. Chez certains, le statut du digestat est bien défini (ex : Allemagne) et

chez d’autres la base légale existe mais rien n’est totalement défini. C’est le cas de la

Belgique. Voici un bref relevé de la situation de la biométhanisation à la ferme en Wallonie :

Le digestat provient en très grande majorité des effluents d’élevage et des cultures

énergétiques. Ceux-ci sont considérés dans la loi comme des agents d’enrichissement agricole

et peuvent donc être épandu sur les sols.

La directive Nitrate 91/676/CE donne les règles à suivre en matière de gestion

durable de l’azote. Le gouvernement wallon a transposé cette directive le 10 octobre 2002 et

initié le Programme de Gestion durable de l’Azote en Agriculture (PGDA). Le PGDA précise

les pratiques agricoles respectueuses de la qualité de l’eau, instaure une Démarche Qualité et

met sur pied une structure d’encadrement (Nitrawal) assurant le suivi de la Directive et une

assistance aux agriculteurs. Ainsi, différentes zones vulnérables ont été définies ainsi que

leurs plans d’action. Ceux-ci sont revus tous les 4 ans. Pour suivre l’évolution des différentes

aires des tableaux de bord ont été préparées reprenant les 4 éléments suivants :

- Le stockage des fertilisants organiques

- Le taux de liaison du sol1

- Les contrats d’épandage

- Le potentiel de lixiviation de l’azote

Le gouvernement wallon a approuvé le 15 février 2007 un décret sur la gestion

durable de l’azote en agriculture « le nouveau PGDA ou PGDA-2 », disponible sur le site

Internet de Nitrawal (www.nitrawal.be > législation nitrate > télécharger le résumé en

français). Le nouveau décret fixe notamment les quantités d’azote produites par type de bétail,

les conditions de stockage de l’azote organique à la ferme et au champ, les conditions

d’épandage sur les sols agricoles (selon les conditions climatiques, la proximité de cours

d'eau, la pente des parcelles), les périodes pendant lesquelles les épandages peuvent être

1

plantes lespar le valorisabazoteépandre à organique azote =liaisondetaux

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effectués, ainsi que les quantités maximales épandables en fonction de l'affectation des terres

agricoles. Pour exemple, dans une prairie en zone vulnérable la quantité maximale d’azote

organique qui peut être épandu est de 230 kg N par ha. De plus des mesures complémentaires

ont été adoptées pour les zones vulnérables. Par exemple, les agriculteurs sont désormais

obligés de couvrir 75% de leur sol par des CIPAN (Culture Intermédiaire Piège A Nitrate)

lorsque la récolte est finie avant le 1er septembre. Les pièges à nitrate doivent être installés

pour le 15 septembre et détruit après le 30 novembre. Le nouveau PGDA est repris en annexe

de ce document.

6. Conclusions

La biométhanisation permet de transformer la matière organique volatile en énergie,

tout en préservant son potentiel fertilisant, aussi bien du point de vue de la matière organique

que des éléments minéraux. Elle constitue donc une voie de valorisation énergétique de

produits tels que les déjections d’élevage et les résidus de culture dont le retour au sol est

indispensable. La biométhanisation offre donc une solution de valorisation énergétique de la

biomasse qui, loin d’être en concurrence avec les impératifs agronomiques, est au contraire en

synergie avec ceux-ci.

L’utilisation du digestat comme fertilisant en agriculture doit devenir/devient une

réalité puisque le bien fondé de la valeur agronomique du digestat est actuellement prouvé. Il

n’y a donc plus aucun inconvénient à épandre le digestat sur les terres agricoles wallonnes si

on veille bien à ce que les précautions et les techniques appropriées soient respectées.

L’idéal serait d’arriver à une harmonisation du statut du digestat en Europe d’un

point de vue législatif. A voir…

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7. Bibliographie

CRA-W (2006) Recommandations for AD sludge utilisation as a bio-fertiliser in agriculture, deliverable 25 agrobiogas, pp45

Huijsmans J.F.M., Mol R.M. (1999). A model for ammonia volatilization after surface application and subsequent incorporation of manure on arable land. J. Agric. Engng Res. 74:, 73-84.

Kupper T., Fuchs J. (2007) : Compost et digestat en Suisse. Étude n° 1 : Micropolluants organiques dans le compost et le digestat; Etude n° 2 : Influences des composts et des digestats sur l’environne-ment, la fertilité des sols et la santé des plantes. Connaissance de l’environnement no 0743. Office fédéral de l’environnement, Berne. 124 p. orgprints.org/13336/01/kopper-fuchs-2007-compost-bafu4307_fr.pdf

Rencontre du 24 et 25 janvier 2008, Sesto S.Giovanni, Milan, “Anaerobic digestion: opportunities for agriculture and environment”. Peter Sørensen, Faculty of Agricultural Sciences, Institute of Agroecology and Environment, University of Aarhus, Tjele, Denmark; “The fate of nitrogen from animal manures in soil–crop systems: experiences with dairy and pig slurries”

Rencontre du 24 et 25 janvier 2008, Sesto S.Giovanni, Milan, “Anaerobic digestion: opportunities for agriculture and environment”. Torben Ravn Pedersen, Biogas and Slurry Separation, Danish Agricultural Advisory Service, Denmark; “Anaerobic digestion: a way to enhance nutritional performance of animal manure”.

SOLAGRO (2009) Les impacts environnementaux et paysagers de nouvelles productions énergétiques sur les parcelles et bâtiments agricoles, 138p http://agriculture.gouv.fr/sections/publications/etudes/impacts-environnementaux/downloadFile/FichierAttache_1_f0/energie_paysage_environnement_DGPAAT_2009_rapport_final.pdf

http://nitrawal.be

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8. Annexe

Le nouveau Programme de Gestion Durable de l’Azote en agriculture.

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