Mise au point d'une méthode standardisée d'évaluation de l'efficacité des produits visant à lutter contre les odeurs et les émissions gazeuses en élevage
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01 novembre 2010
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Le Bureau des biotechnologies et de l'agriculture du service de la prévention des nuisances et de la qualité de l'environnement, Direction générale de la prévention des risques duMinistère de l'écologie, de l'énergie, du développement durable et de la mer a confié auLaboratoire national de métrologie et d'essais, en juin 2008, une étude devant aboutir sur une ou plusieurs méthode(s) de mesure standardisée(s) qui permettraient d'évaluer l'efficacité des produits dits neutralisants, masquants et/ou réducteurs utilisés pour réduire les nuisances olfactives consécutives aux émissions de gaz constatées lors de l'épandage de lisiers. Ce rapport détaille la mise au point de la méthode et la conception du banc d'essais permettant de réaliser ces mesures pour les produits à disperser dans l'air. La méthode a été développée sur l'eau et sur six produits commerciaux.
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Rapport final LNE - MEEDDM
SEIRMAMO
Novembre 2009
CHAPITRE I. SYNTHÈSE BIBLIOGRAPHIQUE 9 1. LES SOURCES ET LOCALISATIONS DES ODEURS DANS LES PORCHERIES........................... 9 1.1 Les bâtiments .................................................................................................................... 9 1.2 Le stockage ..................................................................................................................... 10 1.3 L’épandage ...................................................................................................................... 10 2. PRODUITS DU MARCHÉ ET UTILISATION...............................1...1........................................ 2.1 Type de produits et modes d’action................................................................................. 11 2.2 Résultats d’études diverses............................................................................................. 12 2.3 Étude des produits disponibles sur le marché................................................................. 14 3. MÉLANGES GAZEUX DÉGAGÉS PAR LE LISIER61................................................................. 3.1 16Ammoniac ........................................................................................................................ 3.2 Hydrogène sulfuré ........................................................................................................... 17 3.3 Composés Organiques Volatils (COV) 18 ............................................................................ 4. CONCLUSION...............................................81................................................................ CHAPITRE II. PRODUITS À DISPERSER DANS L’AIR 19 1. DÉVELOPPEMENT DU BANC D’ESSAI DE BRUMISATION91..................................................... 1.1 Air zéro ............................................................................................................................ 20 1.2 Effluent odorant ............................................................................................................... 20 1.3 .................................................................................................. 22Système de brumisation 1.4 Réacteur .......................................................................................................................... 24 1.5 Séparation gaz liquide ..................................................................................................... 30 1.6 Analyse des composés odorants..................................................................................... 30 2. MISE AU POINT DE LA MÉTHODE..................................................23.................................. 2.1 Modes de fonctionnement ............................................................................................... 32 2.2 Mise au point du protocole d’essai méthode séquentielle............................................ 35 2.3 Caractérisation du gaz de référence ............................................................................... 37 3. PROTOCOLE D’ESSAI8.............................................3....................................................... 3.1 Préparation de la solution à tester................................................................................... 39 3.2 39 .......................................................................................................Mesure de l’efficacité 3.3 Détermination de l’efficacité du traitement ...................................................................... 39 3.4 Estimation des incertitudes.............................................................................................. 39 4. APPLICATION DU PROTOCOLE D’ESSAI...................................40........................................ 4.1 Évaluation de l’efficacité de l’eau seule........................................................................... 40 4.2 du protocole à des solutions commerciales.................................................. 42Application 4.3 Synthèse des résultats .................................................................................................... 43 5. CONCLUSION44............................................................................................................... CHAPITRE III. 45PRODUITS À INCORPORER AU LISIER 1. DÉTERMINATION D’UNE MATRICE DE RÉFÉRENCE....45....................................................... 1.1 45 ..........................................................................................................Substrat biologique 1.2 Détermination d’un lisier « moyen » ................................................................................ 46 2. PRODUITS COMMERCIAUX................................94............................................................ 3. MISE AU POINT DE LA MÉTHODE05.................................................................................... 3.1 Logistique ........................................................................................................................ 50 3.2 Vieillissement du lisier ..................................................................................................... 50 3.3 .................................................................................................. 54Évaluation de l’efficacité 4. CONCLUSION...............................................................................54................................ CHAPITRE IV. RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES 56 CHAPITRE V. ANNEXES 60
Affaire n°J080628
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CONCLUSION GÉNÉRALE
Novembre 2009
Le Bureau des Biotechnologies et de l’Agriculture du Service de la prévention des nuisances et de la qualité de l’Environnement, Direction Générale de la prévention des Risques du Ministère de l’Écologie, de l’Énergie, du Développement Durable et de la Mer a confié au Laboratoire national de métrologie et d’essais, en juin 2008, une étude devant aboutir sur une ou plusieurs méthode(s) de mesure standardisée(s) qui permettraient d’évaluer l’efficacité des produits dits neutralisants, masquants et/ou réducteurs utilisés pour réduire les nuisances olfactives consécutives aux émissions de gaz constatées lors de l’épandage de lisiers.
Ce rapport détaille la mise au point de la méthode et la conception du banc d’essais permettant de réaliser ces mesures pour les produits à disperser dans l’air. La méthode a été développée sur l’eau et sur six produits commerciaux. L’efficacité d’un produit visant à réduire les concentrations des gaz ammoniac (NH3), sulfure d’hydrogène (H2S) et diméthyldisulfure (DMDS) est mesurée avec des incertitudes respectives inférieures à 3 %, 6 % et 10 %, dans des conditions maîtrisées pour un même échantillon. L’incertitude de l’efficacité d’un produit à réduire les concentrations des autres composés odorants : acide butyrique et paracrésol n’a pas pu être obtenue dans les conditions d’essais retenues. Le banc d’essai permet également de réaliser des prélèvements de gaz pour mesurer les concentrations d’odeur par olfactométrie dynamique selon la norme NF EN 13725. Ces analyses ont été réalisées dans un laboratoire partenaire et ont montré une dispersion de 30 à 40 %. Un protocole d’essai a été rédigé et permet d’envisager une accréditation selon le référentiel NF EN ISO 17025.
Pour les produits à incorporer dans le lisier, le rapport propose des orientations méthodologiques et l’adaptation du banc d’essai. L’étude menée sur cette famille de produit permet d’appliquer la même démarche que les produits à disperser dans l’air. La principale difficulté concerne la variabilité intrinsèque du lisier : échantillonnage, représentativité, vieillissement.
La mise en place d’une normalisation des produits semble encore prématurée puisque l’application systématique de ces méthodes sur les produits commercialisés n’est pas encore initiée.
Une certification de produits, basée sur l’évaluation de leur efficacité mesurée en terme d’actions chimique et olfactive, pourrait s’envisager dès maintenant pour les produits à disperser dans l’air.
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QUESTIONS/REPONSES SUR LES PARAMETRES ET LES ORIENTATIONS DE L’ÉTUDE 1. COMMENT A ÉTÉ EFFECTUÉ LE CHOIX DES GAZ ANALYSÉS? Le choix des gaz résulte d’un compromis entre la prédominance et la contribution olfactive des constituants des gaz émis par les élevages. (cf p.21 du rapport final). Ces gaz retenus sont représentatifs de plusieurs familles chimiques : soufrés, phénol, azotés, acides gras volatils. Ces molécules sont dosables par des méthodes d’analyses disponibles en laboratoire. 2. DE QUELLE PARTIE D’UN ÉLEVAGE LES GAZ SONT-ILS REPRÉSENTATIFS? Les teneurs moyennes d’H2S et NH3 choisies sont représentatives des teneurs relevées dans différentes sources bibliographiques lors de l’épandage.( cf tableaux 3 et 4 page 17 du rapport).En effet, l’objectif de la circulaire est de réduire les nuisances olfactives pour les riverains, il était normal de ne pas s’intéresser aux teneurs de ces gaz dans les fonds de cuve mais bien au moment ou les riverains sont le plus susceptibles de ressentir une gène soit à l’épandage.
3. LÀ PLUSIEURS ENDROITS DANS UN ELEVAGEA BRUMISATION PEUT AVOIR LIEU ,LEQUEL A ÉTÉ RETENU? la brumisation, le projet s’est intéressé à la brumisation des produitsPour commerciaux en bâtiment et/ou à l’épandage. La plupart des produits du marché à brumiser sont en effet recommandés pour une utilisation dans les bâtiments comme à l’épandage. La méthode d’évaluation s’affranchit de ce paramètre et traite la brumisation en général avec des concentrations moyennes. (cf § 2.3 p.14)
4. SI NOUS AVIONS CHOISI DES CONCENTRATIONS DE GAZ PLUSÉLEVÉES,L’TNEMETTAAB SERAIT-IL LE MÊME? L’objectif du projet était de mesurer une efficacité en laboratoire en partant du principe suivant : si un produit n’est pas efficace en laboratoire, il ne le sera pas sur le terrain et vice versa, si un produit est efficace en laboratoire, il y a des fortes chances pour qu’il le soit aussi sur le terrain. Le temps de réaction a été validé pour obtenir l’abattement maximal pour le mélange initial.( cf § 2.2 p 35 du rapport final) Pour des besoins spécifiques, les conditions expérimentales peuvent être ajustées pour rechercher l’abattement maximal pour des concentrations de gaz différentes.
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5. LA MÉTHODE EST-ELLE PERTINENTE POUR LA DISCRIMINATION DES PRODUITS?
La méthode de référence n’a pas été élaborée pour discriminer des produits mais pour évaluer l’efficacité d’un produit selon plusieurs critères ( physico-chimiques, olfactométriques
). On ne peut donc pas conclure su r l’efficacité globale d’un produit par rapport à un autre. Cependant, il est possible de discriminer des produits entre eux sur certains critères pris individuellement comme la réduction du gaz NH3 ou la concentration d’odeur (cf conclusion p 44 du rapport final).
6. EST-IL POSSIBLE DE MESURERNH3SANSH2SDANS LE BANC D’ESSAI? Cette configuration est possible en faisant varier les paramètre
s du générateur de gaz. Il faut retenir que les effets de synergie ou de compétition des deux gaz et que l’utilisation de l’un sans l’autre sera moins représentatif d’une réalité d’abattement (cf p 41 du rapport final).
7. COMMENT SAVOIR SI UN PRODUIT EST MASQUANT? Un produit masquant augmente la concentration d’odeur en masquant l’odeur désagréable par une odeur plus agréable sans forcément réduire les concentrations des substances des gaz. lors des mesures olfactométriques : en particulier uneCe phénomène est observable concentration d’odeur élevée, supérieure à celle du mélange initial. ( cf résultats olfactométriques du produit 3 page 44 du rapport final).
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Table des illustrations
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Figure 1. 9Sources des odeurs en production porcine [2] e p n [3] 10 FFiigguurree 32.. Éssmigicroen élevassement ’dnergia easll eoC’dnupu e] 11e [9ndag’épaà l uesr’ddooi n Figure 4. des modes d’application des produits commerciaux dans les bâtiments 14Répartition Figure 5. Répartition des modes d’application des produits commerciaux lors du stockage des effluents 15 Figure 6. Répartition des modes d’application des produits commerciaux lors de l’épandage 15 Figure 7. 19Principe général du banc d’essai de brumisation Figure 8. 24 Alimentation en liquide par le principe de gravitéFonctionnement de la buse bifluide. Figure 9. 24Dimensions du pilote mis au point à l’ENSCR [24] Figure 10. Répartition des concentrations en H2S dans le réacteur (Débit de gaz pollué = 25 m3/h, Débit de liquide = 7,2 L/h) 25 Figure 11. Répartition des concentrations en NH3dans le réacteur (Débit de gaz pollué = 20 m3/h, Débit de liquide = 4,8 L/h) 25 Figure 12. Répartition des vitesses de gaz dans le réacteur lors de la brumisation d’eau sur H2S (Débit de gaz pollué = 5m3/h, Débit de liquide = 3 L/h) 6 2 Figure 13. courant lors de la brumisation d’eau sur HLignes de 2S (Débit de gaz pollué = 15 m3/h, Débit de liquide = 3 L/h 26 Figure 14. Répartition des vitesses de gaz dans le réacteur lors de la brumisation d’eau sur H2S (débit de gaz pollué = 5 m3/h, débit de liquide = 3 L/h) 27 Figure 15. réacteur lors de la brumisation d’eau sur HRépartition des vitesses de gaz dans le 2S (débit de gaz pollué = 15 m3/h, débit de liquide = 3 L/h) 27 Figure 16. Schéma en coupe du réacteur du banc de brumisation 29 Figure 17. 29Photos de l’enceinte du banc d’essai de brumisation Figure 18. Circulation des fluides dans le réacteur (en trait plein : liquide, flèches : gaz) 30 Figure 19. 31Photo de la baie d’analyse Figure 20. Évolution de la concentration en NH3lors d’une brumisation d’eau de 10 s dans le réacteur en fonctionnement ouvert 33 Figure 21. Évolution de la concentration en H2S lors d’une brumisation d’eau de 10 s dans le réacteur en fonctionnement ouvert 33 Figure 22. Évolution de la concentration en H2lors d’une brumisation d’eau de 5 s dans le réacteurS en fonctionnement fermé 34 Figure 23. Évolution de la concentration en NH3lors d’une brumisation d’eau de 5 s dans le réacteur en fonctionnement fermé 35 Figure 24. Concentration d’NH3 35lors d’une séquence de brumisation d’eau de 10s Figure 25. Concentration d’H2 36S lors d’une séquence de brumisation d’eau de 10s Figure 26. Efficacité de la brumisation d’eau sur NH3en fonction du nombre de séquences de brumisation 36 Figure 27. Efficacité de la brumisation d’eau sur H2S en fonction nombre de séquences de du brumisation 37 Figure 28. 38Description de l’odeur du mélange gazeux de référence Figure 29. éresRpÉenm ilioitaitnnat donHse 2timahéc sed euqstnemélé du banc d’essai3 9ne Snof oitced n Figure 30. la concentration de l’ammoniac dans le gaz de référence 41 Figure 31. Description de l’odeur après traitement avec de l’eau 42 Figure 32. Résultats d’abattements d’NH3, H2S, et DMDS pour l’eau et chacun des six produits testés, ainsi que les concentrations d’odeur. 44 Figure 33. les solutionsRésumé des résultats d’efficacité au niveau physico-chimique avec commerciales testées 44 Figure 34. Mécanisme de la dégradation anaérobie du lisier 45 Figure 35. Répartition des différentes formes de l’azote dans le lisier de porc [53] 46 Figure 36. Évolution de la composition du lisier en cours de stockage [54] 47 Figure 37. Schéma du réacteur et des paramètres importants pour la partie vieillissement du protocole 53 Figure 38. de la stratégie définie pour la réalisation desSchéma reprenant les grandes étapes essais sur les produits neutralisants d’odeurs à ajouter au lisier 55
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Liste des tableaux
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Tableau 1. 14Lieux d’utilisation des produits commerciaux Tableau 2. produits en fonction de leurs domaines d’utilisationRépartition des 15 Tableau 3. Concentrations en ammoniac dans l’élevage porcin 17 Tableau 4. 17Concentrations en hydrogène sulfuré dans l’élevage porcin Tableau 5. des principaux COV dans l’élevage porcinConcentrations 18 Tableau 6. Données sur les molécules odorantes représentant les différentes familles des composés odorants 21 Tableau 7. 22composés odorants dans le gaz de référenceConcentration des Tableau 8. 23Données sur le fonctionnement de la buse Tableau 9. Comparaison entre les efficacités obtenues expérimentalement et par modélisation (concentration d’entrée H2S : 10 mg/m3, NH3: 60 mg/m3) 25 Tableau 10. Évolution de l’efficacité en fonction de la température du gaz 28 Tableau 11. utilisées pour les composés odorants et principalesTechniques d’analyses caractéristiques 31 Tableau 12. 38Tubes de perméation utilisés pour générer le gaz de référence Tableau 13. Caractéristiques du mélange gazeux de référence au niveau olfactif 38 Tableau 14. Constantes de Henry des composés odorants étudiés dans l’eau et à 20°C 40 Tableau 15. Efficacité de la brumisation d’eau sur les différents composés odorants du mélange gazeux de référence 41 Tableau 16. olfactif du mélange gazeux de référence après traitement àCaractéristiques au niveau l’eau 42 Tableau 17. 43solutions commerciales testées selon le protocole établi Tableau 18. Synthèse des résultats de l’étude 43 Tableau 19. Quantité moyenne d’éléments minéraux ( N : Azote, P : Phosphore, K : Potassium) produits par animal en fonction du stade physiologique pour un élevage naisseur-engraisseur [55] 48 Tableau 20. Concentration moyenne du lisier en éléments minéraux ( N : Azote, P : Phosphore, K : Potassium) en fonction du stade physiologique [55] 48 Tableau 21. Volume de lisier produit par animal et par jour en fonction du stade physiologique [55] 48 Tableau 22. et du lisier selon leur stade physiologique dans unExemple de répartition des animaux va Tableau 23. uratértt1e5ad seévril al snsulfène obseuré e tincardgo’dyhacrfueiqd’s moamsimÉnoisus sge 48êmemé el Tableau 24. Paramètres importants à maîtriser ou mesurer pendant la partie vieillissement du protocole 53 Tableau 25. les composés odorants étudiésLocalisation de la résistance au transfert de matière pour 64
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ADEME : AGV : COV :
DMDS : ENSCR : H2S : IFIP : INERIS : ITP : MEEDDM : NH3: VLE : VME :
LEXIQUE
Novembre 2009
Agence De l’Environnement et de la Maîtrise de l’Énergie Acides Gras Volatils Composés Organiques Volatils Diméthyldisulfure Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Rennes Hydrogène sulfuré Institut du Porc Institut National de l’Environnement Industriel et des Risques Institut Technique du Porc Ministère de l’Ecologie, de l’Energie, du Développement Durable et de la Mer Ammoniac Valeur Limite d’Exposition d’une personne sur 15 minutes Valeur Moyenne d’Exposition d’une personne sur 8 h
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