Effect of the association of vermifiltration and macrophyte lagooning on manure recycling on the animal farm | Effet de la combinaison de la lombrifiltration et du lagunage à macrophytes sur le recyclage des effluents sur le site d'élevage

English. Animal production increased regularly since some decades, in developed countries at first, and now in developing countries. Industrial systems have been developed to increase rapidly the productivity of animal farms and to supply the food consumed by the towns. They are efficient in terms of biosecurity and of feed conversion efficiency but they have severe environmental impacts such as the odor emissions, the ammonia or greenhouse gas emissions, or the water pollution. The sustainability of these systems depends on their ability to limit their impact on resource depletion and to limit their leakages so that the wild environment and the biodiversity can be preserved beside the producing areas. Expensive treatment systems can not be used because of economical reasons. Ecological engineering provides concepts that can help finding solutions more efficient economically and ecologically. Our work began with the starting up of a new system of animal production that associates a pig house with manure flushing and screening, a vermifilter, lagooning, and constructed wetlands. This system was designed to increases the recycling efficiency of water and to produce biomass for animal feed, fertilization, biogas, etc. The system combines high manure dilution, which allows a decrease in polluting emissions, to the reuse of water and nutrients. Water is reused for excretion flushing. The nutrients are either reused within the farm or exported. The needed surface is around 50 times less than for manure spreading. The fundamental objective of the present work was to improve the understanding of the system to define more precisely its advantages and its limits. The applied objective was to study if this new knowledge was useful to improve the design and the management of this system. Specific methods were developed to study from the process or from a systemic point of view a recycling system that was too large to be reproduced in a laboratory. They were applied to the gaseous emissions of the vermifilter and to the treatment efficiency of the combination of lagoons and constructed wetlands. The results show that an "optimal transfer" of liquid can be defined that will maximize the earthworm population (preferendum). Above this input the earthworms die because of anoxic conditions. When earthworm population is maximal, the ammonia and the greenhouse gases are minimized as related to the input flux. Therefore, the earthworm abundance can be used as a bioindicator of low energy and low emissions in manure transforming systems. The effect on gaseous emissions is mostly indirect, through the influence of earthworms on the structure of the organic layer, its free air space, transfer of organic particles and its microbial population. This "optimal transfer" between two successive levels also exists for the vegetation production of lagoons and constructed wetlands. If we compare "recycling" to "open" system, the water recycling will induces a change in the stoechiometry of nutrients, because of the various treatment efficiencies of elements: for example, potassium abatement rate is less than nitrogen abatement rate; this case induces an increase in potassium concentration in the water compared to nitrogen. Potassium concentration reaches a stable level when the retention by all subsystems corresponds to a mass decrease equivalent to the potassium excreted by the animals. This case shows that the stoechiometry of nutrients should change in agricultural systems with increased recycling efficiency. Calculating the mass balance of the system shows that ammonia and greenhouse gas emissions were low, regarding the nitrogen fluxes, and that the organic products (worm casts and sludge from lagoons) were the major contributors to the removal of nutrients. Recommendations for the design and management of systems that improve manure recycling are proposed, based on this knowledge. Our results were and can be further used for socio-economical purposes.

French. La production animale augmente continuellement à l'échelle mondiale depuis quelques décennies, dans les pays développés d'abord et maintenant dans les pays en développement. Des systèmes industriels ont donc été développés pour améliorer la productivité des élevages, pour augmenter rapidement la production animale et pour fournir la nourriture consommée par les villes. Ils sont efficaces en termes de biosécurité et d'efficacité de conversion des aliments du bétail mais ils ont des incidences sur l'environnement telles que les émissions d'odeur, les émissions d'ammoniac ou de gaz à effet de serre, ou la pollution de l'eau. La durabilité de ces systèmes dépend de leur capacité à limiter leurs impacts sur la raréfaction des ressources naturelles et à limiter leurs fuites de sorte que l'environnement naturel et la biodiversité puissent être préservés près des élevages. Des systèmes de traitement onéreux ne pouvant pas être employés pour des raisons économiques, l'ingénierie écologique fournit les concepts qui peuvent aider à trouver des solutions plus efficientes économiquement et écologiquement. Notre travail a commencé avec la mise en route d'un système associant un bâtiment d'élevage de porcs, une séparation de phase liquide/solide de l'effluent du bâtiment, un lombrifiltre et un ensemble de zones humides artificielles. Destiné à augmenter l'efficacité de recyclage de l'eau et à produire des biomasses utilisables pour la nutrition animale, la fertilisation, la production d'énergie, etc., ce système combine donc la dilution élevée des effluents, permettant la diminution des émissions, à la réutilisation de l'eau et des nutriments. L'eau utilisée pour l'évacuation fréquente des déjections est ainsi recyclée. Les nutriments sont réutilisés sur l'exploitation agricole ou exportés. L'emprise au sol du système est environ 50 fois inférieure à celle requise pour l'épandage des effluents. L'objectif fondamental de la thèse était d'améliorer la compréhension du système pour en préciser les avantages et les limites. L'objectif finalisé était d'étudier si les connaissances produites permettaient d'améliorer la conception et la gestion du système. Des méthodes spécifiques ont été développées pour étudier, sous l'angle des processus et sous l'angle systémique, un dispositif dont les dimensions ne permettaient pas une reproduction dans un laboratoire. Elles ont été appliquées aux émissions gazeuses du lombrifiltre et à l'efficacité de traitement des zones humides artificielles. Nos résultats permettent de définir une " quantité optimale " d'effluent qui maximise la population de vers de terre (preferendum). Au-dessus de ce seuil, les vers de terre meurent en raison de conditions anoxiques. Quand la population de vers de terre est maximale, les émissions d'ammoniac et de gaz à effet de serre sont limitées en regard du flux d'intrant. Par conséquent, l'abondance de vers de terre peut être employée comme bioindicateur de faibles émissions dans les systèmes de transformation d'effluent. L'effet des lombriciens sur les émissions gazeuses est surtout indirect, par leur influence sur la structure de la couche organique, sa porosité, les transferts de matière et sa population microbienne. La " quantité optimale " transférée entre deux niveaux successifs peut être définie pour la production de végétation des zones humides artificielles. Par rapport à un système ouvert, le recyclage de l'eau induit un changement de la stoechiométrie des nutriments, en raison d'efficacités de traitement différentes de ces nutriments : par exemple, le taux de réduction du potassium est inférieur à celui de l'azote ; cette différence induit une augmentation de concentration en potassium dans l'eau par rapport à l'azote. La concentration en potassium se stabilise lorsque la rétention par tous les compartiments correspond à une diminution de masse équivalente au flux de potassium excrété par les animaux. Cela montre que la stoechiométrie des nutriments devrait changer dans les milieux agricoles et probablement dans les productions où l'efficacité du recyclage est augmentée. L'estimation du bilan de matière du système, montre que les émissions d'ammoniac et de gaz à effet de serre sont réduites par rapport aux flux d'azote, et que les produits organiques (lombricomposts et boues des lagunes) contribuent majoritairement à l'abattement des nutriments. Des recommandations pour la conception et la gestion des systèmes qui améliorent le recyclage des effluents sont proposées à partir de ces connaissances. Nos résultats ont été et pourront être mobilisés pour des buts socio-économiques.