Gestion des effluents : si tu n'épands pas ton fumier le jour du curage de ta stabul, méthanise-le !

Avec le compostage et plus récemment la méthanisation, nombreux sont les producteurs de fumiers et agronomes à considérer que seul l’épandage direct du fumier au sol reste la meilleure valorisation, puisque la transformation du fumier par méthanisation ou compostage consomme de la matière organique. Mais cette pratique d’épandage de référence estelle si directe ? Après quelques jours, semaines ou mois après le curage, stocké en fumière ou en bout de champ, bâché ou à l’air libre ? Quelques observations de terrain nous indiquent sans difficultés que des phénomènes se passent sur le fumier « naturel » : écoulement de jus, montée en température, vapeur d’eau, perte de volume et de masse. Quels phénomènes entraînent ces observations et surtout quelles conséquences sur la valeur minérale et organique de ce fumier ?

​​​​​​Consommation de 40 à 50 % de la matière organique d’un fumier frais après stockage de 5/6 semaines

L’essai mené à la ferme expérimentale de Derval (44) commandité par l’Ademe en 2015 répond pleinement à cette question. Un protocole bien établi a permis de suivre ce qu’il se passait sur un tas de fumier laissé à l’air libre, tant pour mesurer les pertes par voie gazeuse (CO2, CH4, N2O) que par voie liquide en collectant les lixiviats. Pour aller plus loin dans la comparaison, deux autres modalités ont été ajoutées : un bâchage du tas et un bâchage avec tassage préalable du fumier. La comparaison a été réalisée avec du fumier accumulé pailleux à 26 % de MS. Les mesures ont été réalisées sur six semaines. Les résultats sont présentés dans la figure 1. La perte de masse est donc de 30 à 45 % du tas initial selon les trois modalités et s’explique par une perte en eau par évaporation due à la montée en température du tas et une consommation de carbone. La perte par évaporation est en partie compensée par les précipitations sur le tas non bâché, d’où une perte de masse un peu plus faible sur les tas bâchés. Sur le carbone, combustible de la fermentation, les pertes du tas non bâché avoisinent les 50 % et sont plutôt de l’ordre de 25 % pour les tas avec une couverture bâchée (bâche géotextile respirante). La perte plus faible avec la bâche s’explique en partie par un assèchement du tas et donc un ralentissement des processus biologiques qui consomment le carbone.

​​​​​La première perte est pour le sol avec ce carbone reparti dans l’air qui ne se retrouve pas à alimenter l’activité microbienne. Mais la deuxième perte concerne les gaz à effet de serre : ce carbone est en fait transformé sous forme de CH4, CO2 et N2O. Si on peut considérer que le CO2 est issu de la photosynthèse, donc appelé biogénique (neutre pour le changement climatique car issu d’un cycle court du carbone), il n’en est pas de même pour les CH4 et N2O produits. Cette consommation rapide de carbone est, d’une part, une source d’énergie qui n’est pas valorisée, d’autre part, elle alimente les arguments contre la filière élevage.

Ce même processus s’observe sur le compostage où les pertes de carbone sont encore supérieures et varient de 40 à 60 % entre le premier retournement et la phase de maturation. Là aussi, ces pertes sont associées à la production de CO2 et en moindre mesure de CH4 et N2O (selon la qualité du compostage). La figure 2 présente ainsi les émissions de notre fumier selon les trois modalités de stockage auxquelles s’ajoute le compost (référence à l’étude Haol et Al 2001). La pratique courante de stockage en bout de champ contribue ainsi à l’émission de 100 kg équivalent CO2/t de fumier. Mais c’est la pratique avec bâchage et tassage qui émet le plus. Si cette pratique limite la consommation de carbone par rapport à un tas non couvert (-25 % par rapport aux 47 % d’un tas non bâché), le peu de carbone consommé se fait en milieu anaérobie (le tassage du tas a en effet évacué une partie de l’oxygène) et produit ainsi du CH4 au lieu de faire du CO2, comme dans un méthaniseur mais sans récupérer le CH4 ! Côté compostage, l’émission est plus faible mais en moyenne supérieure à la pratique du stockage en bout de champ.

Et la méthanisation dans tout ça ? Là au moins, l’objectif est clair : mettre en bonnes conditions le fumier frais pour produire de l’énergie : mélange en milieu liquide dans une cuve chauffée autour de 40 °C en absence d’oxygène pour produire du biogaz, un mélange de CO2 et CH4. La consommation de carbone par ce processus de digestion anaérobie est bien connue par la maîtrise de la production de biogaz. Ainsi, en reprenant le fumier pailleux à 27 % de MS dont 85 % de matière organique, celle-ci va être dégradée entre 40 et 45 % permettant la production de CO2 et de CH4. Mais cette fois-ci, le méthane est valorisé en énergie, soit l’équivalent de 50 litres de fuel par tonne de fumier, et le CO2 va aussi être récupéré pour des utilisations spécifiques. Pour être juste sur ce bilan, il faut rajouter une perte complémentaire de 5 à 10 % de carbone lors de la phase de stockage du digestat avant épandage notamment pour la fraction solide dans le cas d’une séparation de phase. En conclusion sur le carbone, le schéma ci-joint (figure 3) illustre ainsi son devenir à partir du fumier frais selon trois transformations possibles avant l’épandage au sol.

Donc d’un point de vue quantitatif, les flux de carbone restitués au sol entre un fumier stocké deux mois et un fumier frais méthanisé sont assez proches, mais dans un cas on a produit de l’énergie et, dans l’autre, c’est une perte directe, voire des pollutions. Le compostage, lui, dégrade davantage de carbone. Son usage doit donc être réfléchi par rapport à cette perte (intérêt en système herbager, limiter le risque sanitaire…). Dans la dernière partie de cet article, nous aborderons le côté qualitatif de ces matières organiques après stockage, digestion ou compostage. Mais avant cela, parlons également du devenir des éléments minéraux durant ces trois mêmes transformations. En général, qui dit minéralisation du carbone dit transformation de l’azote : que devient-il ? Et quid des autres éléments minéraux comme la potasse, le phosphore mais également le calcium ou le magnésium ; tous ces éléments qui coûtent cher et dont certains ne sont pas inépuisables.

Pertes par volatilisation et lessivage des éléments minéraux

Comme dans le sol, l’évolution du carbone est liée à l’azote : une minéralisation du carbone entraîne une transformation de l’azote organique en azote ammoniacal. Dans le sol, ce phénomène est nécessaire pour que les plantes puissent se nourrir d’azote minéral (sous forme de NH4 et NO3). Mais dans le tas de fumier, la transformation sous forme de NH4 se fait dans un tas qui est en train d’augmenter en température. Or, cet azote ammoniacal est très sensible aux conditions de température et peut rapidement passer sous forme gazeuse, gaz très volatil qui se retrouve dans l’atmosphère (figure 4). L’autre perte provient du protoxyde d’azote issu de la transformation de l’azote ammoniacal en nitrate. Au-delà de la part d’azote de N2O, c’est aussi une contribution aux GES. Enfin, les dernières pertes d’azote peuvent être liées aux lixiviats qui suivent les jus avec un transfert sous la forme nitrate. Cette perte est très dépendante du tas et du volume d’eau qu’il va recevoir. Cet azote sera en revanche conservé si les jus sont récupérés. Ces différentes pertes ont également été mesurées dans l’essai de Derval : le pic d’émission de l’ammoniac a lieu très tôt dès le lendemain de la mise en tas puis a duré environ une semaine. Le N2O a continué à être produit durant six semaines. Quant aux pertes en NO3 -, elles sont négligeables. L’ensemble de ces pertes pour la modalité stockage en bout de champ est de 35 %. Les procédés de compostage et de méthanisation entraînent des transformations de l’azote différentes avant la phase de stockage du produit fini :

• Pour le compostage, l’aération et la montée en température favorisent la perte d’azote sous forme gazeuse (NH3). Entre 30 et 50 % de l’azote sont ainsi perdus, pourcentage variable selon la teneur en azote ammoniacale de l’effluent avant compostage. En fin de phase de compostage, seule la fraction organique est alors présente dans le produit fini.

• Durant le process de méthanisation, l’azote organique est transformé en azote ammoniacal mais aucune perte en azote n’a lieu comme les digesteurs sont confinés. Il faut donc être très prudent durant la phase de stockage pour ne pas perdre cette forme d’azote. Mais étant donné que le digestat est principalement sous forme liquide, cela limite les pertes, d’autant plus si le stockage est couvert. Les pertes varient de 5 % (stockage couvert) à 15-20 % pour des stockages ouverts peu profonds proposant ainsi une large surface au vent et au soleil.

​​​​​​Pour ces trois types de produits, d’autres éléments peuvent être perdus durant la phase de stockage, notamment les éléments facilement solubles comme la potasse, le calcium ou le magnésium. Ces éléments sont facilement dissous par la lame drainante des précipitations, comme la potasse qui est sous forme de sels. Ces minéraux se retrouvent en forte concentration dans le sol sous la zone de stockage avant d’être lixiviés progressivement. Pour le phosphore, il est principalement sous forme organique et donc peu soluble dans l’eau. Les pertes par lixiviation sont donc faibles mais on observe également des pertes liées au stockage sur un sol meuble : une partie reste au sol avec les restes d’effluent. Pour illustrer ces pertes, le Seenovia et ses équipes de la Mayenne ont réalisé un essai dans la continuité de celui​​​​​ de Derval. Quatre pratiques de stockage de fumier ont été réalisées dans un objectif de comparer l’intérêt du bâchage et de répondre à la réglementation imposée dans certaines régions. Les quantités ont été pesées initialement avec la concentration des éléments minéraux puis chaque tas a été de nouveau pesé avec une nouvelle analyse afin de calculer le flux de chaque élément (figure 5).

Sans surprise, la modalité non couverte affiche les plus grandes pertes, notamment en potasse, élément le plus sensible au lessivage : environ 40 % et 50 % de pertes des différents minéraux, autant de sources d’engrais non disponibles pour les cultures. L’essai a été mené sur du fumier, mais les mêmes causes entraîneraient les mêmes conséquences sur du digestat ou du compost qui seraient stockés en bout de champ. D’où l’importance de limiter les périodes de stockage avant épandage ou d’avoir des stockages couverts ou avec récupération de jus.

Il reste ensuite les pertes lors de l’épandage (figure 6). L’azote est l’élément fertilisant le plus sensible, d’autant plus si le produit fini est riche en ammoniac. Parmi le fumier stocké, le compost ou le digestat, ce dernier sera le plus sensible. Sans pratique adaptée (épandage sol nu avec forte température sans déchaumage sous 24 heures), les pertes peuvent atteindre plus de 50 %. En cas d’épandage par pendillards avec déchaumage rapide, elles passent à moins de 15 %.

Des pertes équivalentes en matière organique : mais pour le sol alors ?

Sur le plan quantitatif, les quantités de matière organique restituée au sol après une pratique de stockage de fumier, de compostage ou de méthanisation sont relativement proches. Mais on ne pourrait conclure cet article sans parler des qualités des divers produits organiques obtenus. Différents critères doivent être pris en compte pour faire cette analyse : la comparaison peut être réalisée au niveau des produits organiques ou dans les sols. La comparaison au niveau parcellaire est plus complexe, car l’effet des pratiques liées à la rotation et au travail du sol ou encore le type de sol ont un effet prépondérant par rapport à différents produits organiques. Le programme Méthabiosol va apporter des éléments à cette question en comparant du fumier/lisier/ digestat et engrais minéraux sur trois types de sol, suivi complété par un réseau de 80 parcelles d’agriculteurs méthaniseurs. Les résultats feront l’objet d’un autre article, car de nombreux paramètres ont été analysés et nécessiteront un nouveau dossier à part entière. Aussi, pour rester sur une approche plus simple, la comparaison ci-contre (figure 7) est réalisée sur quatre composantes de la matière organique. Cette analyse permet d’estimer l’effet sur l’activité biologique ​​​​​​du sol en fonction des différentes fractions organiques : les éléments solubles qui vont activer très rapidement l’activité microbienne du sol et les éléments plus stables, ligneux qui seront dégradés plus lentement par les champignons notamment.

Un fumier de bovin frais est équilibré sur les quatre différentes fractions organiques. En effet, le fumier est un mélange d’excréments après digestion par le rumen de la vache (chaud et sans oxygène) et de la paille, composée d’éléments ligneux et solubles. Cette composition explique ainsi la fermentation rapide après curage grâce à la présence d’énergie sous forme de carbone soluble, un peu d’azote. On retrouve aussi l’intérêt du fumier comme fertilisant pour les cultures mais parfois avec un risque de faim d’azote le temps que les bactéries dégradent le carbone du fumier en utilisant l’azote du sol. Le processus de compostage de ce même fumier va consommer la quasi- totalité de la matière organique dite « labile » : c’est ainsi qu’on obtient un produit fini stable qui n’a plus d’énergie facilement accessible par les micro-organismes. Après l’épandage, ce compost nécessitera une activité microbienne du sol efficace pour qu’il soit assimilé dans le temps. Il s’agit donc plus d’un amendement organique avec une valeur fertilisante faible. Le procédé de méthanisation n’est ni plus ni moins que le fonctionnement d’une panse de vache mais avec une durée de transit plus long. L’effet de cette digestion est donc un peu plus fort que celle de la vache mais moins que le compostage ; il reste ainsi les différentes fractions organiques dont une partie de soluble que l’on retrouve en priorité dans la fraction liquide dans le cas de l’utilisation d’une presse à vis. La fraction solide se rapproche du profil d’un compost, mais il reste une partie labile qui peut toutefois se dégrader durant les quatre-cinq semaines suivant la sortie du digesteur. Sur ces profils organiques, le digestat et le fumier frais restent assez proches, avec une fraction organique qui permet d’apporter encore de l’énergie au sol contrairement au compost avec une fraction organique beaucoup plus stable.

​​​​​​En conclusion, une unité globale pour mesurer l’efficience des pratiques : l’énergie et les GES Ces différents résultats ont le mérite de chiffrer des observations courantes que nous avons tous fait autour d’un tas de fumier ou de compost. Cela apporte évidemment de la complexité dans la prise de décision d’une pratique que l’on pensait cohérente. Mais compte tenu des enjeux climatiques, énergétiques et économiques, il est nécessaire d’avoir cette approche globale. Aussi, si le compostage peut avoir un intérêt pour homogénéiser un gisement (déchet vert + boue de STEP par exemple) ou l’hygiéniser, cette pratique est très discutable pour composter un digestat solide riche en ammoniac (perte à la clé) ou encore une biomasse riche en éléments solubles (fraction de carbone qui va totalement disparaître en CO2 durant la fermentation). La simplicité serait donc d’épandre le fumier régulièrement sur des sols toujours couverts afin d’éviter les échauffements aux champs, apporter le maximum de carbone au sol en évitant les pertes de minéraux. Mais, parfois, les champs sont occupés par des cultures, il fait trop sec ou il pleut… et les conditions de portance ne sont pas adaptées. Il reste ainsi le processus de méthanisation. D’un point de vue énergétique et émission de GES, la méthanisation des effluents reste la pratique la plus cohérente avec les précautions qui s’imposent : contrôle d’étanchéité des fuites de gaz, pertes de CH4 sur site à éviter, stockage du digestat couvert et épandage avec des pratiques adaptées pour limiter les pertes par volatilisation. Le chiffre d’affaires dégagé par la valorisation du biogaz permet de prévoir des investissements de stockage afin d’épandre au bon moment, stockage qui jusqu’à présent était vu comme un investissement non rentable dans le cadre de la mise aux normes des élevages. Sur le plan énergétique, un fumier pailleux produit ainsi de 40 à 60 l’équivalent fuel par tonne. Si on rajoute une meilleure valorisation d’azote (moins de pertes et gain d’efficacité lors des épandages), les économies d’azote peuvent également se traduire en équivalent énergie ou en émission de GES : certaines fermes d’élevage avec méthanisation sont aujourd’hui à un bilan énergie positif (voir monographie programme Methalae) ⁽¹⁾. L’usage du digestat nécessite encore d’approfondir les connaissances, comme sur la flore bactérienne anaérobie développée dans le digesteur ou la forte proportion d’ammoniac dans les digestats, qui nécessitent d’adapter les doses notamment sur les sols un peu humides pour préserver l’activité biologique. Mais pour les plus anciens méthaniseurs depuis plus de dix ans maintenant, en ACS pour certains, les évolutions des indicateurs du sol sont favorables (réseau suivi parcelle AAMF) à partir du moment où les pratiques agricoles sont cohérentes, notamment sur l’équilibre des exportations des couverts végétaux ou résidus de cultures comme nous l’avions montré dans le TCS 110 de novembre/décembre 2020.