un système septique modifié pour gerer

Transcription

UN SYSTÈME SEPTIQUE MODIFIÉ POUR GERER EFFICACEMENT
LES EAUX USÉES DE FERME LAITIÈRE.
Par
Sophie Morin
Cette thèse est soumise à la faculté des études graduées et postdoctorales en parti des exigences pour l’obtention du diplôme de Maîtrise
en Science
Département de Génie des Bioressources
Campus Macdonald
Université McGill
Montréal Janvier 2007
©Sophie
Morin 2007
RÉSUMÉ
SOPHIE MORIN
M. Sc.
Génie des Bioressources
UN SYSTÈME SEPTIQUE MODIFIÉ POUR GERER EFFICACEMENT
LES EAUX USÉES DE FERME LAITIÈRE.
En 2001, le ministère de l’Environnement du Québec a modifié son
règlement de gestion des matières résiduelles qui oblige maintenant les
fermes laitières à traiter leurs eaux usées afin d’empêcher la
contamination des cours d’eau. Cependant, pour de petites exploitations
laitières
qui
possèdent
moins
de
60
vaches,
les
technologies
conventionnelles disponibles pour être conforme à cette nouvelle
réglementation entraînent des investissements d’au moins de $15 000.
L'objectif de ce projet de maîtrise était donc de mettre au point un système
qui utilise une technologie durable et qui a un coût abordable pour le
traitement et l’élimination des eaux usées de ferme laitière. De plus, ce
système permettrait la réutilisation, à la ferme, des nutriments et de l’eau.
Avec l’aide des résultats de la recherche effectuée par Urgel Delisle et
Ass., le nouveau système a été installé en modifiant les systèmes
septiques existants de deux fermes laitières qui possèdent entre 40 et 50
vaches. Les modifications du système sont en fait, l’ajout d’une trappe à
graisse et à sédiments avant la fosse septique et l’établissement d’un
champ d’épuration de 0,45ha de pâturage ou de terre cultivée, après la
fosse septique.
Le système septique modifié de chaque ferme a été surveillé pendant une
période de trois ans, ce qui a demandé d'examiner le système pour en
vérifier l’obstruction en creusant pour atteindre les tuyaux du champ après
deux ans d'opération ;
I
d’échantillonner et mesurer les eaux usées pour en établir la charge
annuelle de nutriments et aussi pouvoir comparer la qualité de l'eau avec
l’eau de drainage du champ d’épuration et du champ contrôle voisin.
Les eaux usées produites par les fermes ont une charge nutritive
moyenne de 60 kilogramme TN/ha/an, de 50 kg TP/ha/an et de 80 kg
TK/ha/an. Le volume moyen d'eaux usées envoyé au champ d'épuration,
entre 16 et 19 mm/mois, n'a pas saturé le sol puisque aucun signe
d’argilisation/gleyification (réduction d’oxydes de fer) n’a été observé lors
de l’excavation des tuyaux du champ. En général, le pH du sol a diminué
quand les eaux usées entrent dans le champ d’épuration, alors que les
concentrations de NH4-N, de K et de Ca ont augmenté. Par contre, la
salinité du sol est basse (<4 dS m-1) sur ces fermes. La concentration en P
du sol est demeurée inchangée pour une des fermes, mais pour l’autre, il
y avait accumulation rapide et significative en profondeur (20-60 cm).
L'accumulation de matières grasses à l'intérieur des conduits du champ
sur une des fermes est le résultat de déversement de lait impropre à la
consommation dans le système, d’une vidange trop tardive de la trappe à
graisse et sédiments et de l’absence d’un adoucisseur d’eau qui
augmente l’efficacité des savons. Le gras s’est donc déversé dans la
fosse septique nuisant au bon fonctionnement du système. La qualité des
eaux de drainage était semblable tant pour le champ d'épuration du
système septique modifié que pour le champ adjacent qui servait de
contrôle.
La modification du système en place a coûté environ $4 400 , l’efficacité
de ce nouveau système est prouvé pour le traitement des eaux usées de
ferme laitière dans le cas de nos deux fermes. Donc, le concept est une
solution réalisable pour la ferme québécoise typique.
II
ABSTRACT
SOPHIE MORIN
M. Sc.
Bioresource Engineering
A MODIFIED SEPTIC SYSTEM TO EFFECTIVELY MANAGE DAIRY
FARM MILK HOUSE WASTEWATER.
In 2001, the Quebec Ministry of Environment modified its waste
management regulation and obliged dairy farms to treat their milk house
wastewaters to prevent contamination of water courses. For small dairy
farms with fewer than 60 cows, conventional technologies implied an
investment of at least $15 000 to comply with the new regulation.
The objective of this master’s project was therefore to develop a low cost
and sustainable technology for the treatment and disposal of milk house
wastewaters that would permit on-farm recycling of nutrients and water.
With the help of the research results of Urgel Delisle and Ass., the new
system was done by modifying existing septic tank systems on two dairy
farms with 40-50 cows by installing a sediment and milk fat trap before the
septic tank, and building a drained 0.45ha seepage field in a pasture or
cropped field, after the septic tank.
The modified septic tank system on each farm was monitored during a
three year period, which involved checking the system for clogging by
digging out sections of sewer pipes after two years of operation;
measuring and sampling milk house wastewaters to establish the annual
nutrient load, and comparing the water quality in drainage from the
seepage field to that of a nearby control field.
III
The milk house wastewaters produced by the farms led to an average
nutrient load of 60kg TN/ha/y, 50kg TP/ha/y and 80 kg TK/ha/y. The
average volume of wastewater applied to the seepage field, between 16
and 19mm/month, did not saturate the soil as no sign of gleying (reduction
of iron oxides) was observed when excavating the sewer pipes. In general,
soil pH decreased when milk house wastewater entered the seepage field,
while the NH4-N, K and Ca concentrations increased. However, soil
salinity was low (<4 dS m-1) on these farms. The soil P concentration was
unchanged on one farm, but there was rapid and significant accumulation
of P in the 20-60 cm depth of the soil profile on the second farm. The
accumulation of milk fat inside the sewer pipes on one farm resulted from
the disposal of wasted milk into the septic system, the absence of a water
softener and the fact that this fat was not regularly removed from the trap.
The milk fat was then flowed into the septic tank harming the correct
operation of the system. Drainage water quality was similar from the
seepage field of the modified septic tank system as an adjacent control
field.
The low cost of system modification, about $4 400 Can., and the treatment
efficiency achieved meant that the concept is feasible and offers a suitable
solution for small dairy farms.
IV
REMERCIEMENTS
J’aimerais tout d’abord remercier deux familles d’agriculteurs
extraordinaires, la famille Bulow et la famille Gascon qui ont su croire en
notre projet et mettre l’épaule à la roue lorsque nous en avions besoin.
Merci pour les repas partagés et les belles conversations!
À ma directrice de thèse, Dr. Suzelle F. Barrington, un gros merci pour
son appui et sa compréhension soutenue durant ces années, pour ses
excellents conseils, son ouverture d’esprit et sa façon unique de
transmettre son savoir. Je suis et resterai fière d’être une de ses
étudiantes.
Merci au Dr. Joann Whalen ma co-directrice de thèse. Ses conseils, sa
coopération et ses encouragements ont été appréciés. Merci d’avoir si
gentiment et si souvent accepté de me donner accès aux instruments et
aux services d’étudiants pour des analyses. Je n’oublierai pas le Dr. Jose
Martinez, directeur de recherche, Cemagref, France, pour ses
recommandations et son aide durant son séjour avec nous et pour avoir
continué par la suite.
Je suis reconnaissante envers mes camarades étudiants : Mari Shin,
Inamullah Ali et Bijaya Adhiraki qui m’ont aidé tout au long de mon projet
tant au laboratoire que sur le terrain. Je voudrais également souligner la
contribution de Xing Jun Lin, merci d’avoir accepté de partager ta
connaissance et pour tout ton travail.
A mes deux plus fidèles amis Jean-Pierre Bourgault et Joumana Abou
Nohra pour leurs judicieux conseils, les heures de révision et les soirées
qui remontent le moral. Je serai toujours là pour vous !
Merci à mon grand frère qui m’a toujours aidée à me surpasser!
Papa, Maman, merci pour votre support financier mais, surtout merci
d’être toujours là quand j’en ai besoin.
À l’homme de ma vie, Philippe qui a fait beaucoup de sacrifice durant ces
années, sans toi toute cette belle aventure aurait été beaucoup plus
courte et moins fructueuse. Merci de toujours me soutenir, de partager ma
vie, mes rêves et mes projets!
Annabelle et Pénélope, à qui je désire dédier cette thèse puisqu’elles ont
été une source inépuisable d’énergie lorsque j’en avais besoin. Les filles
voici la preuve que vous pouvez réaliser tous vos rêves.
V
Cette étude a reçu du financement du Conseil de Développement Agricole
du Québec (CDAQ) pour le projet 2058 : Le traitement des eaux de laiterie
par champ d’épuration modifié.
VI
FORMAT DE LA THÈSE
La thèse qui suit est conforme au format manuscrit qui a été approuvé par
la Faculté des Études Graduées et de la recherche, Université McGill.
Cette thèse suit les conditions émises sous la section « thesis
preparation
and
submission
guidelines »,
section
1,
« Thesis
preparation », partie C., « Manuscript-based thesis »
CONTRIBUTION DES AUTEURS
Les auteurs des articles scientifiques sont:
Premier article (chapitre trois) : S. Morin, S. Barrington, J. Whalen and J.
Martinez. (Cet article a été présenté pour sa publication au journal
« Canadian Bioresource Engineering » en juin 2006.)
Deuxième article (chapitre quatre) : Morin, S., Whalen, J.K., Barrington, S.
and Lin, X. 2006. Soil nutrient load and drain water quality in seepage
fields receiving milk house wastewater. Water, Air and Soil Pollution,
Novembre 30, 2006, ISSN 0049-6979.
VII
TABLE DES MATIÈRES
RÉSUMÉ .................................................................................................... I
ABSTRACT .............................................................................................. III
REMERCIEMENTS ................................................................................... V
FORMAT DE LA THÈSE......................................................................... VII
CONTRIBUTION DES AUTEURS .......................................................... VII
TABLE DES MATIÈRES ........................................................................ VIII
LISTE DES TABLEAUX............................................................................ X
LISTE DES FIGURES .............................................................................. XI
1. Introduction .......................................................................................... 1
1.1. Mise en situation .......................................................................................... 1
1.2. Objectif général ............................................................................................ 3
1.3. Objectif scientifique ..................................................................................... 5
1.4. Limite de l’étude .......................................................................................... 6
2. Revue de la documentation ................................................................ 7
2.1. Sources et volume d’eaux usées de ferme laitière ..................................... 10
2.2. Constitution des eaux usées de ferme laitière ............................................ 13
2.3. Technique de décontamination .................................................................. 15
2.3.1. Ajout des eaux de lavage au fumier solide ......................................... 16
2.3.2. Acheminement vers les égouts municipaux ........................................ 17
2.3.3. Purot .................................................................................................... 17
2.3.4. Unité de digestion ............................................................................... 19
2.3.5. Osmose inverse ................................................................................... 19
2.3.6. Réacteur chimique ou floculateur ....................................................... 19
2.3.7. Marais filtrant ...................................................................................... 21
2.3.8. Fosse Septique .................................................................................... 21
2.3.9. Réservoir de décantation de type trappe à gras ................................... 22
2.3.10. Tranchée d’infiltration ...................................................................... 23
2.3.11. Biofiltre aérobie sur lit organique ..................................................... 23
2.3.12. Filtre végétal ..................................................................................... 24
2.3.13. Le sol comme élément épurateur de surface ou souterrain ............... 25
A. Élément épurateur de surface ou filtre cultural ............................. 27
B. Élément épurateur souterrain ou champ d’épuration .................. 28
2.3.14. Les systèmes de traitement conventionnel de type aérobie .............. 31
2.3.15. Les traitements anaérobies ................................................................ 32
Texte de liaison ...................................................................................... 34
3. A modified septic system for the treatment of dairy farm milk
house wastewaters ................................................................................ 36
VIII
3.1. Methodology .............................................................................................. 38
3.1.1. The experimental farms and their septic installation .......................... 38
3.1.2. Monitoring the modified system ......................................................... 40
3.1.3. Monitoring the seepage fields for clogging ........................................ 41
3.1.4. Analytical procedures ......................................................................... 41
3.2. Results and discussion ............................................................................... 42
3.2.1. The nutrient load ................................................................................. 42
3.2.2. Clogging of seepage system ................................................................ 44
3.2.3. Water contamination by the modified seepage field ........................... 45
3.2.4. The cost of modifying the septic tank – seepage system .................... 46
3.3. Summary .................................................................................................... 46
Texte de liaison ...................................................................................... 59
4. Soil nutrient load from milk house wastewater treated by a
modified seepage field .......................................................................... 61
4.1. Methodology .............................................................................................. 63
4.1.1. Experimental farms and their septic tank-seepage field systems ........ 63
4.1.2. Volume of milk house wastewater, sample collection and analysis ... 65
4.1.3. Soil sampling and analysis .................................................................. 66
4.2. Statistical Analysis ..................................................................................... 67
4.3. Results and discussion ............................................................................... 68
4.3.1. Soil parameters in the seepage field .................................................... 69
4.3.2. Drainage water quality in the seepage field ........................................ 72
4.4. Conclusions ................................................................................................ 73
5. Conclusion ......................................................................................... 88
6. Référence ........................................................................................... 94
IX
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 2.1. Concentration des paramètres avant et après le captage des
eaux du premier rinçage des équipements ............................................ 12
Tableau 2.2. Longueurs des tranchées calculées à partir du drainage du
sol ................................................................................................................. 25
Tableau 2.3. Restrictions d’utilisation du sol pour le traitement des déchets
agricoles (Vallière, 1986) .......................................................................... 27
Table 3.1. Contaminant loading of milk house wastewaters ....................... 47
Table 3.2. Description of the two dairy experimental farms ........................ 48
Table 3.3. Monthly production of wastewater ............................................... 49
Table 3.4a. Monthly characteristics of milk house wastewaters on Farm
MH-1 ............................................................................................................. 50
Table 3.4b. Monthly characteristics of milk house wastewaters on Farm
MH-2 ............................................................................................................. 51
Table 3.5. Annual wastewater nutrient loading ............................................. 52
Table 3.6a. Characteristics of the milk fat collected in the trap on Farm
MH-1 ............................................................................................................. 52
Table 3.6b. Characteristics of the sediments collected in the trap on Farm
MH-2 ............................................................................................................. 52
Table 3.7. Quality of the drainage waters....................................................... 53
Table 3.8. Cost of modifying the septic tank – seepage field system ........ 53
Table 4.1. Description of the two dairy experimental farms ........................ 75
Table 4.2a. Milk house wastewater characteristics for Farm MH-1 ........... 76
Table 4.2b. Milk house wastewater characteristics for Farm MH-2 ........... 77
Table 4.3. Annual nutrient load in milk house wastewater entering the
seepage fields of two dairy farms, estimated from the monthly nutrient
load and volume of milk house wastewater produced on dairy farms.
....................................................................................................................... 78
Table 4.4a. Changes in soil properties (0-20 cm depth) along a transect
(top to bottom of slope) in the seepage field on Farm MH-1............... 79
Table 4.4b. Changes in soil properties (20-40 cm depth) along a transect
Table 4.4c. Changes in soil properties (40-60 cm depth) along a transect
Table 4.5a. Changes in soil properties (0-20 cm depth) along a transect
Table 4.5b. Changes in soil properties (20-40 cm depth) along a transect
Table 4.5c. Changes in soil properties (40-60 cm depth) along a transect
Table 4.6. Quality of the drainage waters collected from the outlet of the
seepage field and a nearby field (control system) ................................ 85
X
LISTE DES FIGURES
Figure 2.2. Trois types d’aménagement de ferme avec Purot (Vallière, 1986) 18
Figure 2.3. Floculateur de Premier Tech Environnement
20
Figure 2.4. Plan d’une fosse septique
22
Figure 3.1a. Description of the sediment and grease trap
54
Figure 3.1b. Typical trap and septic tank installation on both dairy farms
54
Figure 3.2a. Experimental seepage field on Farm MH-1.
55
55
Figure 3.3a. Content of sediment and milk fat trap on Farm MH-1, showing fat
accumulation. The wastewaters are white in colour, because of their low
sediment content.
56
Figure 3.3b. Content of sediment and milk fat trap on Farm MH-2, showing no fat
accumulation. The wastewaters were stirred before taking the picture,
indicating the level of accumulated sediment.
56
Figure 3.4. No soil discoloration (gley formation) was observed around the sewer
pipes.
57
Figure 3.5a. Considerable amount of milk fat accumulated inside the sewer pipes
after two years of operation on Farm MH-1.
57
Figure 3.5b. Limited amount of matter accumulated inside the sewer pipes after
two years of operation on Farm MH-2.
58
86
86
Figure 4.2a. Schematic of sewer pipe and subsurface drainage in the
seepage field of Farm MH-1.
87
XI
1. Introduction
1.1. Mise en situation
Au Québec, la ferme laitière moyenne possède un troupeau d’une
cinquantaine de vaches en production et gère généralement ses fumiers
sous forme solide. Les règlements et pratiques en vigueur font en sorte
que plusieurs fermes laitières ayant fait construire leur plate-forme à
fumier avant 2001 n’ont pas prévu d’espace d’entreposage pour leurs
eaux usées de laiterie. De même, plusieurs autres fermes laitières avec
moins de 35 unités animales (25 vaches et moins) ne sont pas obligées,
par la loi, de posséder un entrepôt à fumier étanche et donc n’ont pas
forcément un système d’entreposage des eaux usées de laiterie.
Annuellement, la ferme laitière moyenne du Québec génère un volume
d’eaux usées de laiterie d’environ 270 à 370 m 3, en fonction de son
système de lavage de lactoduc (Urgel Delisle et Ass., 1992 et 1994). Ces
eaux transportent généralement plusieurs éléments nutritifs tels que le
phosphore et l’azote qui possèdent un certain potentiel polluant. Donc,
l’élimination des eaux usées des fermes laitières du Québec peut être
problématique d'un point de vue environnemental.
Le ministère de l’Environnement du Québec (MENV) exige depuis juillet
2001 que les eaux usées de laiterie soient traitées, ou entreposées, et
éliminées par épandage sur des terres en culture. Ainsi, toute exploitation
laitière construite depuis cette décision doit rencontrer ces exigences.
Cela implique aussi que tout producteur laitier qui demande une
autorisation pour agrandir ou simplement pour modifier son exploitation,
construite avant juillet 2001, doit se conformer à cette nouvelle directive.
De plus, les producteurs laitiers ayant des exploitations de moins de 35
unités animales (25 vaches et moins), s’ils font face à une plainte, devront
eux aussi se conformer à la directive du Ministère. Donc, environ 25 %
des exploitations laitières risquent de faire face à un problème en ce qui
concerne la disposition de leurs eaux de laiterie dans le futur.
1
Les producteurs qui n’ont pas un espace d’entreposage adéquat pour
recevoir un volume important d’eaux usées de laiterie devront alors
recourir à un système de traitement, ajouter un ouvrage d’entreposage
adéquat ou tout simplement reconstruire leur plate-forme à fumier.
Étant donné que le coût de construction d’un nouvel ouvrage ou de la
modification d’un ouvrage existant est très dispendieux, les producteurs
auront tendance à choisir un système de traitement des eaux usées de
laiterie. Actuellement, il n’existe aucun système de traitement des eaux
usées de laiterie qui est économique et qui valorisent les nutriments
contenus dans ces eaux. En effet, les systèmes présentement offerts
exigent un investissement de plus de 15 000 $ et la plupart ne sont pas
approuvés au Québec. Plusieurs traitements comme l’osmose inverse et
la fermentation anaérobie ont été implantés aux États-Unis pour des
grosses exploitations, mais ces traitements n’ont pas été validés au
Québec. Les marais filtrants semblent être une avenue intéressante et
plusieurs recherches sur ce type de traitement sont présentement en
cours, entre autres, au Collège d’Alfred du l’université de Guelph en
Ontario. Cette solution est probablement des plus acceptables pour traiter
les eaux usées de laiterie, mais son coût de construction est élevé, elle
nécessite beaucoup d’espace et, en tenant compte de nos conditions
climatiques, elle aura tendance à s’assécher en été et à geler en hiver. De
plus, les marais filtrants ne valorisent pas ni n’éliminent les nutriments, ils
ne font qu’accumuler ceux-ci dans le marais, ce qui pourrait limiter leur
durée de vie et entraîner des risques de contamination des nappes en cas
de fuite.
2
1.2. Objectif général
Afin de répondre aux besoins de la ferme laitière moyenne du Québec, il
faut donc se tourner vers une solution efficace, peu coûteuse et qui a fait
ses preuves au Québec. Un système de traitement des eaux usées
comprenant une fosse septique et un champ d’épuration est un système
abordable, présentement utilisé dans quelques fermes. Par contre, le
champ d’épuration, construit conventionnellement, a toujours eu tendance
à se colmater avec le temps et à surcharger le sol d’éléments minéraux et
de bactéries. De plus, les eaux usées de laiterie apportent deux risques
supplémentaires : l’usage de savons acides pour laver les équipements de
traite abaisse le pH de la fosse septique et nuit à l’enlèvement biologique
des matières solides; la graisse des eaux usées tend à s’accumuler dans
le système.
Les champs d’épuration conventionnels ont toujours été conçus pour de
petits terrains rattachés à une résidence isolée. Par conséquent, ceux-ci
ont toujours été soumis à une charge d’eau élevée par rapport à la
capacité d’adsorption de leur sol. Aussi, plus les charges d’eaux sont
riches en hydrate de carbone et en minéraux, plus un colmatage hâtif est
engendré chez les sols récepteurs (Barrington et al. 1987). En effet, le
colmatage des champs d’épuration résulte de la perte de structure des
sols récepteurs, et cette perte de structure s'aggrave lorsque le taux
d’argile dépasse 10 %. Cette perte de structure est occasionnée par des
bactéries vivant en milieu saturé et riche en hydrate de carbone. Ces
bactéries solubilisent le fer en l'utilisant comme récepteur d’électron, en
l’absence d’oxygène. Aussi, plus la charge en hydrate de carbone est
élevée, comme dans les eaux de laiterie, plus les populations
microbiologiques sont actives et plus le sol récepteur a tendance à se
colmater rapidement.
3
Afin de remédier aux problèmes des champs d’épuration conventionnels,
le présent projet apporte des modifications au système septique de façon
à réduire les risques de colmatage et à valoriser le contenu des eaux
usées, plutôt que d’en faire un risque de pollution pour la nappe
phréatique. Le présent projet propose un champ d’épuration beaucoup
plus grand, puisque sur les fermes laitières, l’espace n’est pas une
limitation. Ce nouveau champ modifié offre deux avantages : étant installé
sur une grande surface et donc dans un milieu non saturé, il devrait se
colmater beaucoup moins rapidement que le champ conventionnel;
couvrant une surface relativement importante, la culture pratiquée dans le
champ peut s’alimenter des minéraux libérés par les eaux usées de
laiterie. Les fermes laitières possèdent de grandes étendues de terrain et il
est donc très facile d’agrandir le champ d’épuration de façon à ne pas le
garder saturé constamment. Le traitement vise donc la pérennité du
système en valorisant les minéraux retrouvés dans les eaux usées de
laiterie. La valorisation s’effectue par la distribution de ces eaux sur une
surface importante de façon à laisser la culture en profiter.
Le présent projet propose aussi une trappe à graisse et à sédiments avant
l’entrée dans la fosse septique. Cette trappe permet d’intercepter des
charges lourdes (sédiments et gras) dans un réservoir qui se nettoie
facilement comparativement à la fosse septique.
Dans cette optique, le projet mettra à l’essai le nouveau concept de
système d’épuration pour les eaux usées de laiterie. Les eaux usées de
laiterie, une fois traitées par la trappe à graisse et sédiments et ensuite par
la fosse septique, seront prises en charge par le champ d’épuration
modifié et l’efficacité du système fait l’objet d’une évaluation périodique.
4
1.3. Objectif scientifique
Le projet aura les objectifs suivants :
1) caractériser les eaux de laiterie, afin d'être en mesure de dimensionner
le champ d’épuration modifié et d’évaluer l’impact possible sur le milieu;
2) caractériser le gras et les sédiments qui s’accumulent dans la trappe;
3) installer le nouveau système de traitement, pour noter les défis qui se
présentent pendant l’installation;
4) suivre l’évolution de la qualité des eaux de drainage souterrain
récupérées du champ d’épuration modifié, pour évaluer l’impact
environnemental du champ sur le milieu;
5) évaluer l’impact du champ d’épuration modifié sur la culture;
6) évaluer l’impact des apports du champ d’épuration modifié sur le sol et
sa microbiologie, par un échantillonnage des sols et des gaz relâchés par
le sol;
7) déterrer les drains après deux étés, pour établir le taux de colmatage
des sols et des drains.
La caractérisation des eaux usées ainsi que des gras et sédiments qui
s’accumulent dans la trappe permettra de bien schématiser l’évolution de
l’épuration des eaux réalisées par le système. Les échantillons de sol et
de végétation permettront d’évaluer la capacité de polissage des sols et
l’accumulation d’éléments nutritifs tels que l’azote, le phosphore et le
potassium. De plus, des échantillons de la végétation sont analysés selon
les mêmes critères, afin de valider l’impact positif du système sur la culture
en place.
5
1.4. Limite de l’étude
La présente recherche a été réalisée avec plusieurs éléments limitatifs.
Il serait inapproprié d’accepter les résultats présentés comme étant
valables pour l’ensemble des fermes laitières du Québec. Chaque
ferme laitière présente des conditions particulières, que ce soit en ce
qui a trait à son type de gestion ou même à sa géographie. Donc,
avant de se baser sur les résultats de cette étude, il est préférable d’en
vérifier les limites et conditions de réalisation et de voir si les résultats
s’appliquent ou non.
Le projet de recherche sur le traitement des eaux de laiterie à l’aide
d’une fosse septique et d’un champ d’épuration modifié s’est déroulé
sur une période limitée de deux ans. Le système fut installé sur deux
fermes distinctes dans la MRC (Municipalité Régionale de Comté ) du
Haut-St-Laurent.
Les
deux
fermes
sont
établies
sur
un
sol
principalement limoneux, lequel est une caractéristique régionale.
La première ferme qui est identifiée comme étant la ferme MH-1 est
une exploitation de type conventionnelle. Bien que le système de traite
ait une capacité de 42 vaches, l’exploitation possède 50 vaches
laitières et animaux de remplacement, tous de type Holstein. Le taux
de gras moyen présent dans le lait est de 3,5 %. L’exploitation ne
possède aucune trappe à sédiments qui pourrait empêcher ceux-ci de
pénétrer dans le système. Cette ferme gère ses fumiers sous forme
solide et les entrepose sur une plate-forme de béton. Le sol de cette
ferme, bien qu’il soit principalement limoneux, possède une portion
importante de fractions grossières.
6
La deuxième ferme qui est identifiée comme étant la ferme MH-2 est
une exploitation de type biologique. Bien que le système de traite ait
une capacité de 32 vaches, l’exploitation possède 40 vaches laitières
et animaux de remplacement, de type Holstein et Jersey. Le taux de
gras moyen présent dans le lait est de 4,0 %. L’exploitation possède
une trappe à sédiments qui empêche ceux-ci de pénétrer dans le
système. Cette ferme gère ses fumiers sous forme solide et les
entrepose en tas sur le sol. Son sol possède aussi la caractéristique
régionale, il ne possède pas de fractions grossières, et le taux d’argile
est beaucoup plus élevé que dans le cas de la ferme MH-1.
2. Revue de la documentation
La situation des fermes laitières d’aujourd’hui est bien différente
d’autrefois. En effet, au fil des années, avec l’aide de nouvelles
technologies, nous sommes passés de plusieurs petites exploitations à
des super exploitations laitières. De 1996 à 2001 seulement, le nombre
de fermes laitières a diminué de près de 22%. Durant cette même
période, nous sommes passé de 472 000 vaches à un peu moins de
407 000 vaches (StatCan, 2001). La quantité de vaches diminue mais
la quantité d’eaux usées produites par les fermes laitières n’a pas
nécessairement diminuée. En l’an 2000, le Québec comptait un peu
plus de 9 000 fermes laitières (FPLQ, 2000) et plus de 426 000 bovins
laitiers produisant, en moyenne, près de 3 milliards de litres de lait
annuellement (PlC, 1999-2000). Donc, bien que le nombre de fermes
ait diminué, nous n’avons pas nécessairement diminué la pollution
provenant de ces exploitations. Bien au contraire, de manière générale,
nous notons une diminution du nombre de fermes laitières au Québec.
Par contre, le volume d’eaux usées qu’elles rejettent est beaucoup plus
important qu’auparavant.
7
L’avènement des lactoducs, à la fin des années 1960 en est un
exemple. Cette technique extrêmement pratique et efficace passe par
l’installation de plusieurs mètres de tuyaux qui doivent être nettoyés
méthodiquement à la fin de chaque traite. Cette technique augmente
considérablement la quantité d’eaux usées produites par une ferme
laitière. En effet, en nous fiant sur les résultats de recherche du
ministère de l’Environnement de même que ceux de l’United States
Department of Agriculture (USDA) nous pouvons estimer que le
volume moyen journalier d’eaux usées provenant de laiterie et de
parloir de traite peut atteindre 60 litres d’eau par jour et ce pour chaque
vache.
L’augmentation de la production d’eaux usées a comme conséquence
de diminuer la concentration des effluents mais non la charge totale.
De plus, les fermes laitières ont eu tendance à se regrouper ces
dernières années, ce qui augmente la quantité d’eaux usées produites
et déversées en un point. Ces rejets sont trop souvent déversés
directement dans les fossés près des bâtiments de ferme ou des voies
publiques, ce qui les rend plus visibles. Ces eaux usées sont un
problème pour beaucoup de producteurs laitiers au Québec. Remplie
de nutriments, ces eaux sont nocives pour les nappes d’eau
environnantes en plus d’être un milieu très propice à la prolifération de
bactéries pathogènes.
Les eaux utilisées pour le lavage des équipements servant à la traite
des vaches doivent être considérées comme des eaux contaminées. À
ce titre, la loi sur la qualité de l’environnement (L.R.Q., chap. Q-2)
exige que ces eaux ne soient pas rejetées dans l’environnement de
façon à ce qu’elles ne constituent pas un contaminant et qu’elles ne
puissent porter préjudice à la qualité du sol, à la végétation, à la faune
et aux biens.
8
Selon les modifications faites sur la réglementation régissant la loi sur
la qualité de l’environnement, les exploitations laitières qui se sont
construites après le 15 juin 2002 ou celles qui augmenteront la taille de
leur cheptel devront se conformer aux normes en récupérant les eaux
de laiterie de manière à ce qu’elles soient traitées ou entreposées et
éliminées par épandage sur des terres en culture (Côté, 2002). Toute
exploitation laitière qui fera l’objet d’une plainte reliée à l’écoulement de
ses eaux usées sera dans l’obligation de se conformer à la
réglementation en vigueur.
De façon quasi générale, les eaux usées actuellement produites sont
déversées vers les points d’eau ou directement dans ceux-ci. On voit
cependant de plus en plus d’exploitants agricoles diriger ces eaux vers
des rigoles profondes et vers des préfosses avec le fumier liquide
avant que celui-ci soit évacué à l’extérieur du bâtiment. Un traitement
efficace de ces eaux devrait être envisagé par tous, une norme de rejet
de 10 mg par litre de Demande Biologique en Oxygène (DBO) devrait
être obtenue à la sortie du traitement pour que ce dernier soit dit
efficace. Du moins, il faudrait s’assurer d’avoir une dilution de l’effluent
de 1 :50 et ce, même en période d’étiage.
Afin de bien saisir les enjeux de ce problème, nous voyons dans ce
document la provenance de ces eaux usées, leurs composantes et
leurs
variantes
et
nous
exposerons
quelques
techniques
de
décontamination qui pourraient être la solution aux problèmes de
plusieurs agriculteurs.
9
2.1. Sources et volume d’eaux usées de ferme laitière
Qu’entend-on par eaux usées de ferme laitière ? Toutes les eaux
utilisées qui deviennent, par ce fait, impropre à la consommation. C’est
à dire, les eaux de lavage qui ont été utilisées dans l’étable et dans la
laiterie, les eaux de rinçage des divers équipements et toutes les eaux
que les employés utilisent à d’autres fins que ceux spécifiés
précédemment. Avant de choisir une solution au problème des eaux de
laiterie, il est important de bien caractériser la ferme et les habitudes
des gens qui y travaillent. Dans ce cas, il est important de ne pas
oublier de sources afin de bien quantifier le volume de ces eaux pour
élaborer la meilleure des solutions possibles.
D’une ferme à l’autre, il y a une grande variation dans le volume des
eaux usées. Ce qui est tout à fait normal, puisque ce volume découle
généralement de deux facteurs, les habitudes du producteur et le type
d’équipements dont la ferme est munie. Par exemple, une ferme qui a
une salle de traite produira généralement plus en volume que les
étables à stabulation entravée.
Le volume des eaux constitue un aspect important de notre problème.
Il est important de sensibiliser les agriculteurs à l’utilisation responsable
de l’eau, ceci ne veut dire en aucun cas, négliger la propreté de
l’établissement, mais bien de réduire au maximum le gaspillage de
l’eau. Afin de maximiser l’utilisation de l’eau à l’intérieur de l’étable, il
est recommandé de capter l’eau provenant du premier rinçage des
équipements de traite et de l’utiliser pour l’alimentation des veaux.
10
Figure 2.1 : Source d’eaux usées de ferme laitière (Vallière, 1986)
11
La composition des eaux de premier rinçage, sur base de pourcentage
de matière solide, est riche en protéines (48,5%), en minéraux (14,0%)
et en CH2O (34,5%) ; Elles contiennent aussi de la cellulose (4,5%) et
des lipides (3,0%) ; cela indique qu’il est tout à fait souhaitable de
détourner ces eaux afin de les inclure dans l’alimentation des veaux
(Berry,1923 ; Boudier et Luquet,1981 ; Fisher et Lister,1974 ; Lodge et
Elliot,1974 ; Muller,1979). De plus, le traitement des eaux usées de la
ferme profitera de cette utilisation puisqu’elle permet d’abaisser
plusieurs des éléments présents dans ces eaux, éléments qui sont,
pour la plupart, problématiques pour l’environnement.
Tableau 2.1 . Concentration des paramètres avant et après le captage des eaux
du premier rinçage des équipements
Paramètres
Avant
Après
Moyenne écart
Moyenne
écart type
type
DBO5(mg/L)
1164,2
327,4
459,4
279,8
MES (mg/L)
613,7
73,7
147,6
70,4
Ptotal (mg/L)
31,1
10,6
25,6
12,7
Gras (mg/L)
164,7
185,0
33,5
20,2
6,5
0,6
7,1
0,7
PH
Sources : Jamieson et al.2002.
Avec l’équipement actuel, une exploitation laitière peut produire de 6 à
plus de 28 litres d’eaux usées par tête de bétail (0,2 à 1 pi3) et ce,
quotidiennement (Fortier, 2001). De façon générale, les exploitations
possédant un système de lactoduc produisent en moyenne 15 litres
d’eaux usées par vache (0,5 pi3) sur une base journalière (House,
1993). Dans une étude réalisée par Urgel Delisle et Ass. en 1991, une
des fermes à l’étude produisait 8,5 L d’eaux usées/v/j alors que la
deuxième produisait 25 L/v/j. L’écart entre le volume d’eau utilisé
s’expliquait par l’âge du lactoduc, les plus récents lactoducs exigeant
plus d’eau.
12
Il est important de tenir compte des habitudes des producteurs laitiers
et de calculer avec précision la consommation d’eau de la ferme afin
de choisir le système de traitement d’eaux usées qui convient le mieux.
2.2. Constitution des eaux usées de ferme laitière
Les contaminants présents dans ces eaux proviennent des eaux de
lavage, des produits et sous-produits de nettoyage. Il peut aussi
provenir du lait impropre à la consommation parce qu’il provient, par
exemple, des vaches qui sont sous médication. La composition de ces
eaux varie selon l’alimentation du troupeau et la composition des
produits nettoyants qu’on utilise, mais généralement on y retrouve des
acides,
des
composés
anioniques
alcalins
renfermant
des
polyphosphates, des composés azotés et des résidus de lait.
En nous basant sur les données de Hayman (1987), on peut affirmer
que sur une base annuelle, une vache en lactation peut produire plus
de 1.5 kg de solides en suspension et près de 1 kg de phosphore total.
Les études réalisées par Urgel Delisle et Ass. en 1991 et 1992 font
ressortir que le taux moyen de production de PT (phosphore total) se
chiffrait à 0,9 g/v/j. Le taux de potasse peut être très élevé, selon le
type de savon utilisé : la KT (potasse totale) peut atteindre 5,5 g/v/j.
Selon le ministère de l’Environnement du Québec et le Département de
l’agriculture des Etats-Unis (USDA), il y a dans les eaux usées de
fermes laitières une concentration très variable de matières en
suspension qui peut atteindre 2000 mg/L et une moyenne de plus de
60 mg/ L d’azote kjeldhal. Pour ce qui est du phosphore total, la
moyenne est près de 400 mg/L, ce qui est loin du 7-40 mg/L que
rapporte Hawkins en 1984. On nous indique aussi que la DBO 5 est très
variable, entre 8 mg/L et 2000 mg/L.
13
Selon Miller (1980), la DBO5 des eaux usées d’origine domestique a
comme maximum 300 mg/L et les solides en suspension quant à eux
varient entre 100 et 350 mg/L. Il est donc évident que les eaux usées
de ferme laitière sont plus concentrées que les eaux usées d’origine
domestique, mais quelques caractéristiques sont comparables :
le pourcentage de DBO5 soluble est dans les deux cas de 20 à
25% de la DBO5 totale
la fraction de la charge en DBO5 qui se sédimente a un
maximum de 35%
le rapport DCO : DBO5 (2,2 vs 2,8) est semblable mais toutefois
plus élevé dans le cas des eaux usées de ferme laitière.
Chaque jour un individu rejette dans l’environnement 1,8 g
de phosphore tandis que la vache laitière en rejette 2 g.
On remarque aussi qu’il y a une certaine variation dans les
concentrations des éléments présents selon la saison et qu’en tout
temps ces eaux peuvent être traitées de façon aérobique puisqu’elles
contiennent un bas pourcentage de solides totaux (Cumby et Al. 1999).
Les éléments et nutriments présents dans les eaux usées de ferme
laitière sont en majeur partie sous forme soluble et disponibles pour
adsorption au sol ou absorption par la plante. Par ailleurs, il est
important de savoir que les eaux usées ont une charge beaucoup
moins polluante que le fumier de vache qui requiert tout de même un
traitement avant de pouvoir être rejeté dans l’environnement.
Tous ces contaminants contiennent de l’azote, du phosphore, du
potassium, du sodium et autres sels minéraux. Ces éléments peuvent
entraîner une prolifération importante des algues dans les cours d’eau
où ils sont rejetés et ils peuvent s’avérer parfois nocifs pour l’être
humain s’ils sont assimilés en grande quantité. De plus, les résidus de
lait sont un milieu très propice à l’implantation de bactéries qui, pour
décomposer les algues et le lait, auront besoin d’oxygène.
14
Donc, si les eaux usées sont rejetées dans les cours d’eau, ces
bactéries épuiseront l’oxygène du milieu, ce qui les rendra inaptes à la
survie des poissons et autres organismes.
Plusieurs études ont démontré qu’en substituant l’acide phosphorique
par de l’acide de maïs, le taux de phosphore dans les eaux résiduelles
peut diminuer de 42% (Urgel et al. 1994). Cette substitution ne
solutionne pas le problème du phosphore mais permet parfois de
prolonger la vie des systèmes de traitement ou du moins, d’amoindrir
l’impact de cet élément sur le milieu.
2.3. Technique de décontamination
Avant de choisir une technique particulière, il est important de noter
quelques facteurs qui nous permettrons de choisir la plus appropriée
pour chaque exploitation. Ces facteurs sont :
 l’équipement disponible à la ferme;
 le type d’aménagement dans l’étable (logettes, stalles…);
 la compatibilité de la technique avec l’entreprise;
 les conditions dans lesquels la technique a été testée et a prouvée
son efficacité;
 le coût qu’engendre l’implantation de la technique.
Dans le cas des fermes qui font la gestion liquide de leurs fumiers ou
qui prévoit le faire prochainement, le problème du traitement des eaux
de laiterie n’en est pas vraiment un. L’ajout d’eau, favorisant la dilution
du fumier, rend le pompage et l’agitation beaucoup plus faciles. Il suffit
de diriger les eaux usées de la laiterie vers le réservoir de lisier. Il faut
tout de même s’assurer que la structure d’entreposage du fumier et
des eaux de ruissellement du fumier puisse contenir le surplus de
liquide provenant de la laiterie pendant une période d’au moins 200
jours (House, 1993).
15
Le problème prend toute son ampleur pour les fermes qui font la
gestion solide ou semi-solide de leur fumier. Ces fermes peuvent traiter
les eaux usées par différentes méthodes en plus d’utiliser quelques
trucs simples, peu coûteux et efficaces afin de diminuer la charge
polluante des eaux usées de fermes laitières. On recommande
fortement d’intercepter les eaux du premier rinçage des équipements
de traite pour les donner aux veaux; ceci permet de réduire de façon
considérable les matières en suspension présentes dans les eaux à
traiter (Perle et al. 1995). Les eaux de premier rinçage contiennent plus
de 90% des solides en suspension contenus dans les eaux usées de
fermes laitières (Hayman 1987).
2.3.1. Ajout des eaux de lavage au fumier solide
Cette alternative peut être envisagée par les petites exploitations qui
n’ont qu’un volume réduit d’eaux usées. Cette technique consiste à
incorporer de la litière eaux de laiterie. La capacité d’absorption d’une
balle de paille de 30 lb (14kg) est estimée à 40 litres (House, 1993). Il
suffit d’augmenter la quantité de litière utilisée et d’acheminer le tout
vers une structure d’entreposage couverte et à l’abri des précipitations.
Il est primordial de limiter au minimum l’utilisation de l’eau lors de
l’implantation de cette méthode. L’ajout des eaux usées de laiterie
permet, entre autre, une décomposition plus rapide du fumier grâce
aux lactobacilles qui sont souvent présentes dans le petit lait. De plus,
le contenu en calcium de ces eaux favorise les populations de vers de
terre et améliore le complexe argilo humique. On ne doit tout de même
pas considérer l’ajout des eaux de laiterie sur la plate-forme à fumier
solide comme une solution acceptable pour traiter les eaux de laiterie.
16
2.3.2. Acheminement vers les égouts municipaux
L’acheminement des eaux de laiterie vers l’égout municipal est une
autre solution qui s’offre aux producteurs qui n’ont qu’un faible volume
d’eaux usées et qui sont établis dans une région offrant les
infrastructures adéquates. Dans ce cas il est important de s’assurer,
avec les spécialistes en charge du traitement des eaux usées
municipales, que l’ajout de ces eaux ne perturbera pas le système et
que le projet est réalisable à des coûts raisonnables. L’acheminement
des eaux vers le plan de traitement peut entraîner des coûts importants
en fait de main d’œuvre et d’équipement. Par contre, ce système est
exempt de problème pour le producteur une fois l’installation terminée.
2.3.3. Purot
Selon plusieurs experts, la solution idéale serait l’érection d’une
structure dédiée uniquement à l’entreposage des eaux usées de ferme
laitière. L’entreposage des eaux de laiterie dans un purot est une
solution simple, dont l’efficacité a été à maintes fois testée. Cette
technique est tout de même peu populaire puisqu’elle constitue une
dépense importante. La construction d’un purot, uniquement dans le
but de traiter les eaux de laiterie, entraîne des coûts de construction et
d’équipements trop élevés pour la plupart des producteurs laitiers. Le
coût total varie, de 24$ à 100$ par vache annuellement et l’espérance
de vie d’un purot est d’environ 35 ans. Cette solution demande une
planification rigoureuse pour le choix de l’emplacement de la structure
afin d’éviter tout désagrément. Afin de disposer adéquatement des
eaux entreposées il faut prévoir soit l’épandage sur des terres en
culture conformément aux lois et règlements en vigueur ou prévoir un
traitement adéquat.
17
Figure 2.2. Trois types d’aménagement de ferme avec Purot (Vallière, 1986)
18
2.3.4. Unité de digestion
Global industries inc. fait la distribution de petits digesteurs qui peuvent
répondre aux besoins, en traitement d’eaux de laiterie, d’une ferme de
120 vaches. Par contre, l’opération de ces systèmes est souvent
complexe et demande une expertise que peu de producteurs semblent
vouloir ou ont le temps d’acquérir.
Chacune de ces unités traite 3 000 litres sur une base quotidienne et il
suffit de les installer en série selon les besoins. Le coût d’une unité est
de plus de 50 000 $ et occasionne des frais annuels d’opération de 40
$ par vache.
2.3.5. Osmose inverse
Cette technique a fait ses preuves en ce qui concerne les eaux usées
aux États-Unis. Le groupe Purin-pur vend un système qui utilise le
traitement à osmose inverse pour traiter le lisier de porc. Aucune ferme
laitière québécoise n’est connue pour s’être dotée de ce système qui
pourrait être efficace. Cette solution est conçue au État-Unis pour les
exploitations de plus de 500 vaches laitières. Il serait intéressant de
faire quelques essais puisque ce système coûte à l’achat 4 000$ avec
des frais d’opération annuelle par vache de 2,50 $ à 5,00$.
2.3.6. Réacteur chimique ou floculateur
Ce système est commercialisé au Québec par Premier Tech. Il
consiste à intercepter toutes les eaux usées de laiterie afin de les
pomper dans un réservoir. Le fonctionnement du système est simple :
on ajoute du sulfate d’aluminium, du chlorure ferrique ou du sulfure
ferreux puis on agite afin de favoriser la formation de flocs. Les
différents composés chimiques réagissent avec le phosphore dissous
pour former ces flocs.
19
Après un repos de 2 heures, les eaux sont évacuées. Les flocs, dans
leur descente, entraîneront d’autres solides, tel que les gras et les
protéines qui se sédimenteront au fonds du réservoir (Anonyme, 1999).
Ces solides sont évacués en boues semi-liquides et peuvent être
entreposés dans la fosse à fumier solide. Les eaux traitées peuvent
être évacuées gravitairement vers un dispositif de rejet qui termine le
procédé de traitement. Ce dispositif consiste en une tranchée filtrante
d’une longueur de 60 pieds aménagée dans le sol. Cette technique
permet l’élimination du Phosphore à 98 %, des solides totaux à 90 % et
diminue la demande biologique en oxygène (DBO) de 80 % (Côté,
2002) dans un sol adéquat en saison estivale.
Figure 2.3. Floculateur de Premier Tech Environnement
Cette
technique
augmente,
avec la production des boues,
le volume de nos rejets solides.
Il est important de prendre ceci
en considération. L’installation
complète de ce système est
réalisée pour la somme de
15 000 $ et le système sans
champ
d’épuration
coûte
5 000 $.
ou
abris
Des
frais
d’opération de 5 $ par vache
sont
requis
annuellement.
Puisque les coûts sont élevés et que la floculation ne fait qu’une
épuration partielle des eaux usées les traitements biologiques sont
souvent préférés (Karpati et al., 1995; Ruston, 1993)
20
2.3.7. Marais filtrant
Les marais filtrants ont été étudiés dans plusieurs pays et ont démontré
une efficacité certaine pour épurer les eaux usées de fermes laitières
surtout lorsqu’on les utilise pour la phase de polissage des eaux à la
suite d’un prétraitement. En Nouvelle Zélande, le traitement des eaux
usées de fermes laitières à l’aide de marais filtrant a permis une
réduction d’au moins 70 % de la DBO et de 40 à 90 % dans le cas des
solides en suspension, quant au phosphore et à l’azote les taux
d’enlèvement peuvent aller jusqu’à 80 %. Il est à remarquer que ces
taux d’enlèvement sont directement reliés aux temps de rétention des
eaux dans les marais. Plusieurs études concernant les marais filtrants
recommande d’utiliser ce traitement combiné avec un autre qui permet
de diminuer les matières organiques solides et en suspension afin
d’éviter de colmater trop rapidement le marais et ainsi diminuer
grandement ses capacités épuratoires.
2.3.8. Fosse Septique
La fosse septique en tant que tel ne permet qu’une réduction d’environ
15% des contaminants présents dans les eaux usées de fermes
laitières, elle ne peut donc être considérée comme un traitement
complet et final mais elle peut être considérée comme un réservoir et
faire un prétraitement avant la phase de polissage des eaux. Elle agit
alors comme la phase acidogène du traitement anaérobie et c’est dans
la fosse que se produit l’hydrolyse de la matière.
21
Figure 2.4. Plan d’une fosse septique
La fosse doit avoir un temps de rétention d’une dizaine de jours. Le
choix des produits est important pour la longévité du système de
traitement. L’utilisation d’un produit bactéricide de courte vie, comme le
chlore, est préférable. Il permet aux produits de faire le travail de
désinfection dans l’étable tout en ne causant aucun problème à la flore
bactérienne à l’intérieur du système. La vidange de la fosse septique
doit être faite à tous les 4-5 ans (Urgel Delisle et Ass.).
2.3.9. Réservoir de décantation de type trappe à gras
L’ajout d’une trappe à gras ou d’un bassin de décantation en amont
d’une fosse septique est fortement recommandé. On y retrouve des
sédiments et des graisses mais les matières flottantes retrouvées dans
les études de Urgel Delisle et Ass. ne contenaient que très peu de
graisse (17%). Par contre, ils ont remarqué une DBO et une DCO
(demande chimique en oxygène) très élevées qui peuvent provenir des
solides de lait qui se sédimentent dans la trappe.
22
Le traitement qu’effectue la trappe est en fait la phase acide de
traitement puisque dans ces réservoirs (trappe à gras et fosse
septique) la digestion et l’activité microbienne changent les solides,
principalement les solides de lait, en acides volatils; c’est pour cette
raison que le pH de l’eau diminue lors de cette phase.
Antérieurement, Urgel Delisle et Ass. ont démontré que l’efficacité de la
trappe diminuait après quelques mois. Les graisses et autres solides
semblent se remettre en solution et en suspension après quelques
temps. Il est donc nécessaire d’en faire la vidange de façon régulière et
il est préférable de prévoir un accès facile à cet endroit.
2.3.10. Tranchée d’infiltration
La tranchée d’infiltration est un procédé de traitement en soit qui peut
être couplé à un élément épurateur. Cette tranchée remplie de pierres
concassées d’une grosseur de 1 à 2 mm agit comme lit bactérien. Elle
permet une épuration des eaux usées puisque les pierres servent de
support pour les bactéries hétérotrophes aérobies qui éliminent les
composés organiques gras et les matières azotées. Par contre, il est
essentiel que cette tranchée soit maintenue en condition aérobie, il est
donc recommandé de jumeler ce procédé d’épuration avec un autre
système qui servira de tampon en cas de condition anaérobie dans la
tranchée.
2.3.11. Biofiltre aérobie sur lit organique
Ce système qui était encore à l’étude en 2001 sur une ferme laitière du
Bas St-Laurent, donne des résultats très satisfaisants du côté
environnemental et semble combler les attentes du propriétaire.
23
Le type de traitement par biofiltre est associé au compostage du fumier
entraine une réduction de 88 à 99% des paramètres suivants : DBO,
matière en suspension, azote, phosphore. La capacité de ce système
est de l’ordre de 3 kg de DBO5 par m2 de biofiltre. Donc, un troupeau
de 40 vaches ne nécessite qu’un seul m2 de biofiltre. Il ne faut tout de
même pas oublier que le biofiltre doit être remplacé après une période
de 5 ans d’utilisation.
2.3.12. Filtre végétal
Plusieurs recherches ont prouvé l’efficacité du filtre végétal pour le
traitement des eaux de laiterie. Par contre, la majorité de ces études
sont réalisées dans des climats plus cléments que celui du Québec, en
Illinois (Yang et al., 1980) et au Vermont (Schwer et Clausen, 1989).
Lors de ces expériences, il a été démontré que l’efficacité de ce
système diminuait en saison froide, Au Québec, cet aspect s’avère
problématique. Durant nos hivers rigoureux, la population de microorganismes est ralentie considérablement et le traitement des eaux
n’est pas totalement effectué. Il faut prévoir un autre système ou du
moins, un endroit où emmagasiner les eaux durant cette période.
L’ajout de nutriment ou de micro-organismes spécifiques peut-être une
solution qui permet au système d’atteindre une efficacité supérieure.
Par contre, cela demande une expertise spécifique et entraîne des
coûts supplémentaires. Il serait tout de même intéressant de voir
jusqu’à quel point le système pourrait en bénéficier. Le tableau 3
démontre très bien la longueur des tranchées requises selon le type
d’exploitation
24
Tableau 2.2. Longueurs des tranchées calculées à partir du drainage du sol
Drainage du
Temps
Longueurs des tranchées
sol
d’infiltration
(m/vache)
Bon
Moins de 10 min.
0,5
Moyen
10 à 40 min.
1,0
Faible
40 à 60 min.
1,6
Imperméable
Plus de 60 min.
Non-recommandé
Le fait que ces eaux usées contiennent des détergents ainsi que des
désinfectants ne semble pas avoir d’influence négative sur l’efficacité
du système. Les recherches de Schropp et Vogt, en 1966, ont
démontré qu’à une concentration de 1,2 kg de détergents et
désinfectants par tonne de liquide 62 produits testés n’avaient aucune
influence sur l’efficacité du système.
2.3.13. Le sol comme élément épurateur de surface ou souterrain
L’élément épurateur est en général le traitement qui accomplit la
majeure partie de l’épuration. De concept relativement simple,
l’élément épurateur comprend des procédés physiques, chimiques et
biologiques complexes qui se font sans aucune intervention et sont en
grande partie incontrôlables. La performance dépend de plusieurs
facteurs : le type de sol et ses propriétés, les conditions du site, les
types de prétraitements, les caractéristiques des eaux à traiter, etc. Il
est très important de faire une évaluation complète du type d’effluent à
traiter et une conception rigoureuse du système d’épuration. (Urgel
Delisle et Ass. 1992)
Le sol est sans contredit le plus simple élément épurateur qui
fonctionne à l’aide de la rétention purement mécanique de certains
éléments grâce à l’agencement de ses particules élémentaires.
Deux grands principes sont à retenir lorsque nous parlons d’épuration
par le sol.
25
 Un sol trop peu perméable sera rapidement engorgé d’eau,
par conséquent la filtration sera nulle puisque l’eau ruissellera à sa
surface.
 Un sol trop perméable qui a une trop grande porosité aura une
filtration inefficace puisque l’eau s’infiltrera trop rapidement et le
temps de contact entre les éléments présents dans l’effluent et la
matrice réactive du sol sera trop bref pour assurer une épuration
efficace.
Des sols avec une proportion équilibrée d’argile, de limon et de sable
sont les meilleurs sols épurateur, ils ne sont ni trop perméables, ni trop
peu perméables. Cependant, un sol limoneux peut très bien épurer
efficacement un effluent à faible volume qui a une très forte charge
polluante et un sol sableux peut faire un excellent traitement d’effluent
à fort volume ayant une très faible charge polluante.
L’oxygène est souvent l’élément qui limite la capacité épuratrice du sol.
Pour une épuration des matières organiques des plus efficaces, Il est
important que le sol soit un milieu aérobie. Dans un milieu où l’oxygène
est présent et non limité, Il est possible de noter une épuration de près
de 100 %. Si dans ce même milieu l’oxygène est limitée et que le
milieu devient anaérobie, sa capacité d’épuration peut diminuer jusqu’à
25 %. (Germon, 1985)
Lorsque le sol est couvert de végétaux, les éléments assimilables par
ceux-ci sont recyclés en fonction des besoins de ces derniers. Les
phosphates sont peu mobiles et s’accumulent sur plusieurs années, le
potassium peut être stocké et se mobilise sur plusieurs cycles
culturaux. Par contre, les nitrates ne peuvent être stockés durablement
donc il est important de prendre en compte la biodisponibilité de
l’azote. (Jamieson and al., 2002)
26
A. Élément épurateur de surface ou filtre cultural
L’infiltration lente des liquides contaminés permet une épuration des
eaux par filtration, en interceptant les solides et par prélèvement des
éléments nutritifs par la végétation. (USEPA, 1981) De plus, le contact
des micro-organismes avec les rayons ultraviolets (UV) provenant du
soleil permet d’éliminer tout risque de survie des pathogènes grâce à
l’action biocide de ces rayons.
Règle générale, la dimension recommandée pour l’élément épurateur
de surface est de 5 m2 par vache, donc dans le cas d’une ferme de 50
vaches, une surface de 250 m2 est nécessaire. Il est toutefois essentiel
de caractériser les effluents avant de déterminer précisément la
surface nécessaire puisqu’il y a des valeurs limitatives à respecter.
Tableau 2.3. Restrictions d’utilisation du sol pour le traitement des déchets
agricoles (Vallière, 1986)
Paramètre
Valeurs limitatives
(Kg/ha)
Solides en
Suspension (a)
(a)
672
DBO5 (a-b)
4482
Phosphore (c)
108-336
Azote (c)
112-560
Par période d’épandage, en supposant que chaque période
d’application est suivie d’une période de repos d’au moins 3 à 5 jours.
(b)
Demande biochimique en oxygène.
(c)
Par année.
Afin d’assurer un fonctionnement optimal du filtre végétal il faut
respecter quelques règles : il est important d’assurer une période de
repos entre les arrosages, de faire les arrosages par temps sec et
lorsque la végétation est en période de croissance.
27
Ceci assure une bonne aération du sol et l’activité des microorganismes du sol sera optimale (Urgel Delisle et Ass. 1992). Il est
aussi recommandé de réduire le contenu en solide des eaux usées afin
d’éviter tout risque de colmatage du sol qui réduirait l’efficacité du
système (Jamieson and al. 2002). La surface doit avoir entre 0,5 et 5 %
de pente dans le sens longitudinal et une pente nulle dans le sens
transversal. Le couvert végétal de la surface d’épuration doit être
dense et résister aux conditions humides du sol, il doit faire l’objet d’un
entretien régulier et être récolté sur sol sec, mécaniquement et non par
pâturage des animaux afin d’éviter au maximum la compaction du sol.
Selon une étude réalisée par Urgel Delisle et Ass. en 1992, la qualité
du foin récolté sur des terres en culture utilisant l’épuration de surface
ne semble pas être affectée par les arrosages. En général, la qualité
est légèrement meilleure pour la parcelle irriguée en ce qui concerne
les protéines, la concentration des nitrates est le double pour le foin de
la parcelle irrigué mais toujours sous les limites acceptables de 4 400
ppm. Le traitement n’empêche donc pas son utilisation pour
l’alimentation animale. (Staubus, 1978)
Bien que ce système semble efficace et acceptable pour traiter les
eaux usées de ferme laitière, L’opération demande une certaine
surveillance pour éviter tout blocage de la prise d’eau, il monopolise un
tracteur durant les arrosages et l’équipement demande à être déplacé
souvent. Le système offre par contre un gros avantage aux agriculteurs
qui faisaient appel au service d’épandage à forfait : une économie
substantielle.
B. Élément épurateur souterrain ou champ d’épuration
Comme traitement des eaux usées de ferme laitière, le système
épurateur souterrain est une solution simple, peu coûteuse et peu
contraignante puisqu’elle demande peu d’entretien et de surveillance.
28
Ce système fonctionne principalement par épuration microbienne. On y
retrouve la dégradation des acides gras volatiles, en composés
stables. Avec le temps, l’élément épurateur développe un film bactérien
à consistance gélatineuse qui retient les bactéries et les solides en
suspension présents dans l’effluent. Ce matelas colmatant permet de
maintenir plus longtemps les eaux usées en contact avec le milieu
bactérien augmentant l’efficacité du traitement. Par contre lorsque les
conditions aérobies sont inexistantes dans le système, ce matelas
devient trop imperméable et peut, à long terme, colmater le système. Il
est donc souhaitable de laisser sécher le système, du moins une partie
de celui-ci, en empêchant la circulation de l’eau dans ce dernier afin de
permettre l’oxydation du matériel accumulé et de restaurer les
conditions aérobies du sol.
Pour ce faire, il est possible d’utiliser une boîte de répartition en amont
du système. Cette boîte reliée au système souterrain permet de répartir
l’eau de façon à alterner les applications entre les tranchées du champ
d’épuration. (Loudon et al. ,1977) Il est aussi possible d’accorder une
période de repos au champ d’épuration en acheminant les eaux usées
vers un élément épurateur de surface durant la saison de végétation.
(Otis, 1984). Il est important de prendre quelques précautions pour
échapper aux conditions anaérobies qui peuvent s’installer dans le
système. Une attention particulière doit être faite afin de réduire au
maximum la quantité de lait qui pénètre dans le système. Clôturer le
périmètre occupé par le système, permet d’empêcher toute machinerie
et bétail de compacter le sol, diminuant ainsi les conditions aérobies du
sol. Aménager des tranchées ou des puits d’aération peut favoriser
l’activité microbienne et contribuer à prévenir le colmatage complet du
système. Il est aussi important de savoir préalablement où se situe la
nappe phréatique et faire en sorte qu’elle ne nuise pas au
fonctionnement du champ et ce, en tout temps de l’année.
29
Elle doit être sous les limites inférieures de notre champ d’épuration
afin de conserver des conditions aérobies et remplir ses fonctions. Au
Québec, à cause des fortes pluies, la nappe phréatique a tendance à
remonter et elle inonde parfois le champ d’épuration pendant une
période plus ou moins longue. Il est alors possible de modifier le
système en y aménageant un lit d’absorption surélevé ou un remblai.
Par contre, une telle pratique semble difficile à réaliser et comporte
certains risques. (Urgel Delisle et Ass. 1992)
Afin de prévenir au maximum le colmatage complet du système
souterrain, il est possible d’acheminer préalablement les eaux usées
vers un réservoir qui aura un temps de rétention d’au moins une
journée, afin d’éliminer une grande partie des matières solides
(Vallière, 1986). Les différentes substances qui sont dans les eaux
usées de ferme laitière sont des éléments plus ou moins dégradables
et décantables. Les boues et les graisses s’accumulent dans le
réservoir, plutôt que de colmater le système souterrain. Une vidange
mensuelle du réservoir permet de récupérer ces substances solides
pour les entreposer avec les fumiers solides. Afin d’assurer le bon
fonctionnement et l’efficacité du système de traitement pour plusieurs
années, il est recommandé d’installer en amont du champ d’épuration
un réservoir ayant une capacité d’au moins 75 litres par vache; donc,
pour une ferme laitière de 50 vaches, un réservoir de 3750 litres. Il est
aussi possible d’installer deux réservoirs placés en série et totalisant le
volume pour améliorer grandement l’efficacité du système. En effet,
des réservoirs mis en série empêchent les courts-circuits et la
turbulence par rapport à un réservoir unique (Laak, 1980). Ces
réservoirs peuvent prendre la forme d’une trappe à gras et d’une fosse
septique. L’élément épurateur souterrain ou champ d’épuration ne peut
être installé n’importe où.
30
L’emplacement du système doit être exempt de tout affleurement
rocheux à moins de 2 m de la surface du sol, le système doit toujours
être placé plus bas que le niveau supérieur des puits avoisinants, il doit
être à plus de 30 m de toute source d’eau potable afin d’éviter tout
risque de contamination souterraine. De plus, on suggère une longueur
de tranchées variant entre 0,5 et 1,6 m par vache selon la capacité de
drainage du sol. (Agriculture Canada, 1980)
Le système de fosse septique et champ d’épuration permet d’obtenir
de hauts rendements et une bonne performance. Jumelés à un
réservoir de décantation, les indices de DBO5, DCO, les huiles et
graisse, les matières en suspension (MES) ainsi que le phosphore
diminuent de 70 à 90 %. Dans les cas étudié par Urgel Delisle à la
sortie du champ d’épuration la majorité des matières sont épurées de
85 à 99 %. Les acides gras volatils formés précédemment dans la
fosse sont en concentration presque nulle à la sortie du champ. Il est
donc inconcevable de ne pas coupler la fosse septique avec le champ
d’épuration. La longévité de ces système est satisfaisante et les coûts
sont très abordables même lorsque comparés à l’entreposage en
purot. Pour un troupeau de 30 à 36 vaches, l’installation d’un système
conventionnel (fosse septique et un champ d’épuration avec concassé
sur filtre à sable classique) coûte entre 4 500$ et 5 000$ (Urgel Delisle,
1991).
2.3.14. Les systèmes de traitement conventionnel de type aérobie
Des systèmes comme les étangs aérés, les lits bactériens, les disques
biologiques et les systèmes de boues activées sont des systèmes de
traitement qui ont été testés sous plusieurs conditions et ils se sont
avérés efficaces pour traiter plusieurs types d’effluents. Bien que très
répandus, les coûts énergétiques de ces systèmes sont souvent trop
élevés pour les exploitations agricoles du Québec.
31
De plus, vu la charge élevée de nutriments dans l’effluent à traiter, les
risques de remplissage par les boues font en sorte que ces systèmes
ne peuvent être considérés pour traiter les eaux usées de ferme
laitière. Donc, bien qu’ils excellent dans bien des cas, ces systèmes ne
sont pas adaptés aux besoins de la ferme laitière québécoise typique.
2.3.15. Les traitements anaérobies
Les traitements anaérobies sont souvent considérés puisqu’ils ne
demandent aucune oxygénation, ne produisent que très peu de boues
comparés aux systèmes aérobies, et ne demandent que très peu
d’espace. Par contre, il est rare qu’ils soient retenus puisqu’ils
demandent une certaine expertise, ils peuvent s’avérer complexes, ils
sont souvent coûteux et pour atteindre leurs efficacité maximale il leur
faut un indice de demande chimique en oxygène (DCO) de 3 à 5 kg
DCO / m3 dans l’effluent. (Vidal et al. 2000)
Il y a donc quelques solutions qui s’offrent aux producteurs laitiers.
Cependant, il faut être prudent en ce qui concerne le choix du système
de traitement. En effet, certaines options conviennent aux toutes
petites exploitations : ajouter les eaux usées au fumier solide, les
diriger vers les égouts municipaux. D’autres solutions ne sont
pratiquement
pas
envisageables
pour
les
producteurs
du
Québec : l’unité de digestion en est un bon exemple. Ce type de
traitement est beaucoup trop dispendieux pour le producteur à l’achat
et à l’entretien en plus d’être très complexe à gérer. Il reste donc
quelques autres solutions pour les producteurs qui possèdent un
volume plus important d’eaux usées. Ces solutions semblent, à
première vue, pratiques, efficaces et viables en territoire québécois.
32
Il est certain que des conditions spécifiques s’appliquent à tous les
systèmes de traitement. Malgré cela, chaque ferme doit être en mesure
de choisir le système qui lui convient le mieux. Pour aider les
producteurs à se familiariser avec les différents systèmes de
traitement, il est intéressant de promouvoir ceux déjà en place sur les
fermes du Québec. Les autorités régionales doivent appuyer les projets
de recherche et les démonstrations de nouveaux systèmes de
traitement. Au Québec, Il se produit annuellement 28,5 millions
d’hectolitres de lait (La Presse, 2003). Il est facile d’imaginer le volume
d’eaux usées qui est associé à cette production et de voir l’importance
d’agir et de protéger nos ressources.
33
Texte de liaison
Au Québec, les lois et les règlements environnementaux obligent les
producteurs laitiers à gérer de façon responsable leurs eaux usées de
laiterie, afin d’éviter les rejets contaminants dans les cours d’eau. La
modification du système septique des petites et moyennes entreprises
laitières permettra à plusieurs de répondre aux exigences de la
législation québécoise tout en réduisant de façon importante les
sommes qu’elles devront normalement investir dans le traitement des
eaux usées ou dans leur épandage. Deux fermes laitières ont
gracieusement accepté de participer à ce projet en nous permettant
d’apporter les modifications pertinentes à leur système septique afin
d’évaluer le potentiel de ces nouvelles installations.
Le premier article décrit le concept scientifique qui justifie le design du
système septique modifié installé sur chacune des deux fermes, et les
démarches entreprises pour faire le suivi de performance du système,
ainsi que le résultat de ces démarches. Le deuxième article concerne
le suivi des propriétés chimiques des sols du champ d’épuration
modifié associé au système septique. Ce suivi vise à évaluer la
pérennité
du
système
septique
modifié
ainsi
que
le
niveau
d’accumulation de minéraux dans le sol.
Le prochain chapitre est tiré d'un article scientifique en attente de
publication
dans le
Journal scientifique
Canadian
Bioresource
Engineering par l'auteur de la thèse et par les co-auteurs suivants : le
professeur Dr. Suzelle Barrington, superviseur de thèse, Département
de génie des bioressources et le Dr. Joann K. Whalen, Département
des sciences de la nature, toutes deux de l’Université McGill, elles ont
bien voulu aviser l’auteur pendant le déroulement du projet et aider à
l’édition du texte de la publication. Le Dr. Jose Martinez, Directeur de la
recherche, CEMAGREF, France a bien voulu donner son avis
technique sur le projet.
34
L’auteur du présent article a réalisé le projet en participant aux travaux
d’installation, en recueillant les échantillons, en effectuant les analyses,
et en rédigeant l’article scientifique. Le format de l’article a été modifié
pour être conforme aux exigences de publication de cette thèse.
35
3. A modified septic system for the treatment of dairy farm milk
house wastewaters
In 2001, the Quebec Ministry of Environment modified its livestock
waste management regulations and required all dairy farms to either
treat or land spread their milk house wastewaters. With BOD 5 and TP
(total phosphorous) levels of 300 to 10 000 and 6 to 183 mg/L,
respectively, milk house wastewaters can cause environmental
problems and odour nuisances when discharged into a water course
without treatment
(Table 3.1.).
This modification meant that most Québec dairy farms with a solid
manure system had to invest in a milk house wastewater treatment
system instead of land spreading. Most of these farms had insufficient
storage capacity in their manure platform or a herd small enough to be
allowed to stock pile solid manure directly on the ground. Nevertheless,
those farms with the proper storage capacity found that milk house
wastewaters represented a large and costly volume to land spread,
considering their limited nutrient value. The dairy farms with a liquid
manure system were not affected by the modified regulations as milk
house wastewaters were already used to make slurries.
Several treatment technologies were available for small dairy farms
with less than 60 cows and the equivalent number of replacement
heads. Artificial wetlands were introduced in the Canadian Maritime
Provinces and the New England States (Smith et al. 2006; Newman et
al. 2000). A wastewater flocculation system was developed by the
Ontario Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs and later on
marketed by Premier Tech (Rivière du Loup, Québec).
36
In the U.S.A. and Europe, reverse osmosis, aerobic reactors and
anaerobic digesters were also tested as treatment processes
(Schaafsman et al. 2000; Reimann 1997; Craggs et al. 2003;
Luostarinen and Rintala 2005; Mason and Mulcahy 2003; Li and Zang
2004). Besides being expensive or requiring a large herd (over 100
cows) to justify the investment and operating costs, most of these
systems lead to the limited use of the wastewaters and their nutrients.
The aim of the present project was therefore to modify an existing
economical and low maintenance technology so that it can effectively
treat milk house wastewaters in a sustainable fashion by fully utilizing
their nutrients and using their water for irrigation. Many small dairy
farms in Quebec still treat their milk house wastewater using a
conventional septic tank system discharged into a ditch because of a
clogged seepage field. Clogging of the seepage field generally resulted
from the accumulation of milk fat and soil saturation around the sewer
pipes (Urgel Delisle et Ass. 1994).
The modified system therefore included a sediment and milk fat trap
installed before the septic tank, and an enlarged seepage field built
after the septic tank (Morin et al. 2004). The trap was designed to
facilitate the removal of milk fat and sediments susceptible of
accumulating and overloading the septic tank while the enlarged
seepage field was designed to reduce risks of soil saturation and loss
of permeability. The sediment and milk fat trap was sized to retain the
wastewater produced during one milking, thus allowing for the cooling
and hardening of the milk fat and the settling of sediments. The
seepage field was designed to cover enough cropped land to provide a
wastewater nutrient load equivalent to that of the crop uptake. Finally,
the enlarged seepage field was drained by a subsurface system
installed between and slightly deeper than the runs of sewer pipe, to
control the ground water table and force the soil to filter the
wastewaters.
37
The modified system was designed to utilize the milk house
wastewaters while treating them in a sustainable fashion. Using the
wastewaters on a cropped field allows valorization of the nutrients
contained in these wastewaters as well as using the water for irrigation.
In the winter, the soil was presumably adsorbing the wastewater
nutrients for crop uptake during the following growing season. Crop
uptake assured the sustainability of the system and the removal of the
nutrients accumulated during the year. A conventional septic tank –
seepage field system is not sustainable as the receiving soil forever
accumulates non volatile nutrients such as phosphorous (P).
The objective of the project was therefore to build a modified system on
two small Québec dairy farms and to monitor these systems for solids
accumulation and sewer pipe clogging. The second objective was to
measure the generated nutrient load and wastewater volume. The third
and final objective was to monitor the modified seepage system for
drainage water contamination.
3.1. Methodology
3.1.1. The experimental farms and their septic installation
Two small dairy farms in the South West region of Montréal were
selected for this project, because they already had a septic tank
installation. The new seepage field was built to bypass the existing
clogged seepage field. The size and general operations of Farms MH-1
and MH-2 are described in Table 3.2. On both farms, the modified
seepage field was built in a pasture, next to the dairy cow barn. On
Farm MH-1, the seepage field site had a relatively flat topography
sloping away from the barn at a rate of 0.5%; the soil profile consisted
of 1.5m of silt overlaying a marine clay. On Farm MH-2, the seepage
field site offered a topography sloping away from the barn at a rate of
1%; the soil profile varied in texture from a gravely silty clay at the top
to a silty loam at the bottom of the slope.
38
In early July 2003 and on each farm, a sediment and milk fat trap
(Figure 3.1) was installed before the existing septic tank. Each trap
consisted of a reinforced concrete manhole with an inside diameter of
0.61m and a useful depth (wastewater storage depth) of 1.5m for a
water holding capacity of 440L. This holding capacity slightly exceeded
the volume of wastewater produced during one milking, calculated as
7.5L/cow/milking or 15L/cow/d. The trap’s T-shaped outlet pipe was
designed to prevent the milk fat from flowing into the septic tank. Each
trap was equipped with a concrete cover which could easily be pushed
aside to remove the accumulated milk fat and sediments using a sewer
spoon.
Also in early July 2003, each modified seepage field was built of 3 runs
of sewer pipe installed at a spacing of 15m (Figure 3.2); each sewer
pipe run measured 100m in length, and was installed at 0% slope and
550 to 700mm depth. The ABS sewer pipes had an inside diameter of
75mm and were perforated with 12mm holes spaced at every 305mm.
Because of the silty texture of the soils on both farms, a geotextile was
manually installed around the sewer pipes. To maintain 0% slope
despite the natural ground topography, the pipes were installed parallel
to the contour lines, as much as possible, and a 2.4m section of sewer
pipe was installed at a sharp slope, at one or two places along the full
100m length, between sections with 0% grade. All sewer pipes were
installed directly on the soil, without using a bed of crush stone, to
reduce construction costs.
On both farms, the seepage field covered a surface of 0.45ha. Using a
slope equivalent to that of the natural topography, a subsurface
drainage pipe (perforated corrugated polyethylene tubing with an inside
diameter of 100mm) was installed between and 150mm deeper than
the sewer pipes.
39
Draining into a nearby ditch, this subsurface system controlled the
water table height and forced the wastewater to seep into the soil. The
water collected from this drainage system was sampled and analyzed
for contaminant emissions from the modified seepage field.
3.1.2. Monitoring the modified system
To measure the volume of milk house wastewater produced and its
nutrient load, two operations were conducted. First of all, a water meter
was installed on the water line feeding the milk house and the volume
of water used was recorded and averaged per cow on a monthly basis.
Samples of wastewater were also collected from the trap on a monthly
basis, except during the cold winter months. Because sediments
tended to accumulate at bottom of the trap, while milk fat solidified at
the top, these were sampled and analyzed separately.
The yearly nutrient load supplied by the milk house wastewater was
computed by adding up the multiples of the monthly volume produced
by the monthly analytical result. This load excluded the contribution of
milk fat and sediments, because their rate of accumulation varied
during the two years of monitoring. Milk fat accumulation rate was
measured by observing its thickness inside the trap. Sediment
accumulation was measured by first sampling the wastewaters inside
the trap, then thoroughly mixing with the sewer spoon and taking
another wastewater sample.
To verify the level of water contamination produced by the modified
seepage system, the water flowing out of its drainage system was
sampled and analyzed along with that of a control drainage system. On
Farm MH-1, the control drainage system was a single subsurface drain
installed further down the pasture field; because of its limited length, it
produced less drainage water than the drainage system of the modified
seepage field.
40
On Farm MH-2, the control drainage system was that already in
operation in a cropped field adjacent to the pasture where the modified
seepage system was installed. Both modified seepage fields were
exposed to outside sources of contamination. On Farm MH-1, the solid
manure was piled directly on the ground and its contaminated runoff
seeped into the upper corner of the area occupied by the modified
seepage system. On Farm MH-2, the control field received no manure
while a pasture covered the modified seepage field and received
manure continuously during 6 months of the year.
3.1.3. Monitoring the seepage fields for clogging
In September 2005, after two years of operation, five randomly
selected sections of sewer pipe were dug out and opened to check for
any accumulation of sediments and milk fat. The soil around the sewer
pipes was checked for any signs of gleying, a microbiological process
occurring as a result of soil saturation and exposure to organic matter
(Russell 1961). This phenomenon commonly results in the reduction of
iron, which then becomes soluble and leads to the loss of soil structure
and permeability, and the development of the soil’s bleu grey colour.
The septic tanks were cleaned in July 2003, just before using the newly
installed trap and modified seepage field, and in August 2004, to check
for any milk fat accumulation.
3.1.4. Analytical procedures
All wastewater analyses were conducted using standard methods
(APHA, 1998). Total solids were determined gravimetrically after drying
for 24h at 103°C. After digesting samples at 500°C using 18M sulphuric
acid and 50% hydrogen peroxide, their TKN was determined using an
ammonia sensitive probe connected to an Orion pH meter, and their TP
and TK were determined colorimetrically.
41
Ammonium and nitrites/nitrates were determined on undigested
samples, using specific ion sensitive probes connected to an Orion pH
meter. COD was determined colorimetrically after oxidization with
potassium chromate at 140°C. The pH of all samples was determined
using a pH probe connected to an Orion meter.
The standard deviation of all collected data was computed using Excel
(Microsoft Office 2003). Because of the nature of the project and the
individual farm management practices, the installation on each farm
could not be considered a repetition. The quality of the drainage waters
collected from the control and seepage field drainage systems, on
individual farms, was compared using the student-t test (Steel and
Torie 1986).
3.2. Results and discussion
3.2.1. The nutrient load
The monthly volume of wastewater produced on each farm is
presented in Table 3.3. Farm MH-1 produced more wastewater than
Farm MH-2, averaging 13.1 L/cow/d as compared to Farm MH-2, with
12.5 L/cow/day. When using the amount produced per pipeline
connection point rather than per total number of cows in the herd, these
volumes fall within the range of 15 to 20 L/cow/day reported by Urgel
Delisle et Ass. (1994). For the crop growing over the seepage field, this
volume of wastewater production represented a monthly water
application of 16 and 19mm, for Farms MH-1 and MH-2, respectively,
which was not likely to have an impact on crop yield but expected to
reduce risks of soil gleyzation and clogging .
The monthly nutrient load generated by the milk house wastewaters is
presented in Tables 3.4a and 3.4b, for Farms MH-1 and MH-2,
respectively. In general, the total solids were relatively low, at less than
0.5%.
42
The milk house wastewater pH on Farm MH-1 ranged between 5.9 and
6.5 while that on Farm MH-2, ranged between 7.6 and 8.1, likely
because of the water softener. For Farm MH-1, the TKN, TP and TK
loads ranged from 12 to 268, 72 to 155 and 42 to 350 mg/L, while
those of Farm MH-2, ranged from 12 to 118, 42 to 213 and 57 to 443
mg/L, respectively.
The annual nutrient load generated by the milk house wastewaters is
presented in Table 3.5. The annual load for Farm MH-1 was higher
than that for Farm MH-2, likely because of the wasted milk discharged
into the septic system. On Farm MH-2, this wasted milk was sent to the
manure storage facility to prevent the overloading of the septic system.
The TP and TK loads, of 40 to 60 and 75 to 85kg/ha/yr, corresponded
to the nutrient uptake of a high yielding forage crop, such as corn silage
or alfalfa (10 dry tons/ha/yr). The TN load of 50 to 65kg/ha/yr was
proportionally lower than that required by a corn silage crop and higher
than that recommended for an alfalfa crop.
On Farm MH-1 and for the modified system, the disposal of wasted
milk had an impact on the accumulation of milk fat in the trap (Figure
3.3a and 3.3b), as compared to Farm MH-2. On Farm MH-1, a layer of
solidified milk fat, 250mm thick, accumulated inside the trap during the
first year and, not being removed, started to flow into the septic tank, as
observed during its cleaning in 2004 after one year of operation. In the
trap on Farm MH-2, this layer of milk fat never accumulated likely
because all wasted milk was sent to the manure storage system
instead and the use of a water softener which improves soap
performance and milk fat solubility.
The milk fat collected inside the trap on Farm MH-1 was sampled and
analyzed (Table 3.6). Exceeding 250mm during the first year, its yearly
accumulation rate was in the range of 150mm during the second year.
43
Interestingly enough, the rate of milk fat accumulation and its nutrient
load decreased from year 1 to year 2, likely as a result of some
microbial activity developing inside the trap.
Sediments accumulated at the bottom of the trap installed on Farm
MH-2, while almost no sediments were collected from the trap on Farm
MH-1 because of a primary sediment trap inside the milk house. This is
reflected by the whiter colour of the milk house wastewaters in the trap
of Farm MH-1, also containing more wasted milk, as compared to the
darker stirred wastewater in the trap of Farm MH-2 (Figures 3.3a and
3.3b, respectively). As with the milk fat on Farm MH-1, the sediment
nutrient load accumulating in the trap of Farm MH-2 also dropped from
year 1 to year 2, likely as a result of the development of some microbial
activity (results not shown).
3.2.2. Clogging of seepage system
The sections of sewer pipe excavated after two years of operation are
illustrated in Figures 3.4 and 3.5. The colour of the soil around the
sewer pipe had not changed, indicating no gleyzation both for Farms
MH-1 and MH-2, likely as a result of the soil moisture level staying well
below saturation (Figure 3.4). The absence of crushed stone had no
impact on soil water absorption likely as a result of the dryness of the
soil, its capillary action and the limited amount of wastewater produced
compared to the size of the seepage field.
The accumulation of solids, especially milk fat, inside the sewer pipes
was quite obvious on Farm MH-1 and as compared to those of Farm
MH-2 (Figures 3.5a and 3.5b, respectively). This likely resulted from
the excessive amount of milk fat which accumulated inside the trap and
overflowed into the septic tank and seepage field. The high BOD 5 level
of the milk fat likely overloaded the septic tank, especially considering
its limited four days hydraulic retention time.
44
The sewer pipes excavated on Farm MH-2 did not show any
substantial accumulation of solids (Figure 3.5b). The modified system
on Farm MH-2 was performing as expected, mainly because of the
limited amount of milk fat conveyed by the system and the trapping of
sediments before the septic tank. On Farm MH-2, sediments were
removed once a year. Cleaning the trap proved to be a simple manual
operation which the producer could perform himself, as compared to
cleaning the septic tank which required a vacuum pump.
The present project demonstrated that it was critical to remove the milk
fat accumulating inside the trap to prevent the clogging of the septic
tank – seepage field; as a preventive measure and where the farm has
a manure storage facility, the wasted milk should not be sent to the
septic system, and a water softener should be used as practiced on
Farm MH-2.
3.2.3. Water contamination by the modified seepage field
The samples of drainage water collected on both farms did not indicate
any significant contamination from the modified seepage fields (P<
0.05). On Farm MH-1 and despite the fact that the seepage field was
contaminated by manure runoff, the control drainage waters were more
heavily loaded in nutrients likely because they could only be collected
under very wet conditions which resulted in the flushing of the drain. On
Farm MH-2, both the control and seepage field drainage waters could
be collected at the same time.
45
The seepage field pollution load is consistently but not statistically
higher than that of the control: this slight difference may result from the
pasturing of animals over the area occupied by the modified seepage
field.
3.2.4. The cost of modifying the septic tank – seepage system
Table 3.8 summarizes the operations and materials required to modify
the septic system on both farms. The sewer drains were installed
directly on the soil, rather than in a bed of crushed stone, to minimize
installation costs. Nevertheless, the installation of a geotextile around
the sewer pipes required some additional labour, which added to the
cost.
Over all, each system required an investment of $4 400 Can., if the
farm operators accounted for the use of their own labour and
equipment and if the septic tank cost was excluded. This investment
cost was considered quite acceptable by the two farm operators, as
other solutions would have required an investment of at least $15 000
Can, besides the septic tank.
3.3. Summary
A modified septic tank – seepage field system was designed to allow
small dairy farms to economically but efficiently treat their milk house
wastewater. As compared to the conventional system, the modified
system consisted of a sediment and milk fat trap installed before and
an enlarged drained seepage field built in a cropped area after the
septic tank. The size of the seepage field was based on the crop’s
yearly nutrient uptake.
46
The modified system worked well and lead to no clogging as long as
the sediments and milk fat were removed once a year and once every
three months, respectively, from the trap. A more preventive way of
limiting the accumulation of milk fat inside the trap is to use a water
softener and dispose of all wasted milk through the manure storage
system, as this volume is quite small. The system modification required
an investment of $4 400 Can., including the cost of the farm labour and
equipment but excluding the cost of the septic tank.
The two farm operations produced 12.5 and 13.1L of milk house
wastewater/cow/d, accounting for an annual TN, TP and TK load of 50
to 65, 40 to 60 and 75 to 85 kg/ha/yr, distributed over a surface of
0.45ha. Finally, the monitoring operation conducted on the water
drained from the modified seepage fields showed no major sign of
contamination, indicating that the soil was able to adsorb the milk
house wastewater nutrient load.
Table 3.1. Contaminant loading of milk house wastewaters
Parameter
BOD5. mg/L
TSS. mg/l
TP. mg/L
pH
Fat. mg/L
NH4-N. mg/L
NO3-N. mg/L
Equipment
first rinsing*
1164 (327)
614 (74)
31 (11)
6.5 (0.6)
165 (185)
Equipment second
rinsing*
459 (280)
148 (70)
26 (13)
7.1 (0.7)
34 (20)
* Jamieson et al. (2002).
** Loerh (1983).
47
Average load**
300 to 10 000
800 to 10 400
6 to 183
_
_
5 to 625
0.3 to 6.5
Table 3.2. Description of the two dairy experimental farms
Description
Herd size (cows)
Type of enterprise
Cow breed
Manure management
Farm MH-1
40
Biologic
Holstein and Jersey
Solid piled directly
on the soil
Septic tank size
Milk butter fat. %
Pipe line capacity. cows
Soap addition for
equipment
washing
Soap used for
equipment
washing
3.4m3
4.0
32
Manual
Phosphoric acid
:315ml/d
Chlorinated detergent:
420ml / d
Other water treatment
Well water quality*
- NT. mg/L
0.2
- PT. mg/L
0.00
- KT. mg/L
6.8
- pH
7.2
* sampled and analyzed during the course of the project.
48
Farm MH-2
50
Conventional
Holstein
Solids stored in a
manure platform
along with the
seepage and
contaminated
rainfall
3.4m3
3.5
42
Manual
Phosphoric acid:
315ml/d
Chlorinated
detergent:
420ml/d
Antiseptic soap :
120ml/jour
Water softener :
250 to 300kg of
salt/y
0.15
0.00
3.4
7.5
Table 3.3. Monthly production of wastewater
Month
Farm MH-1
Farm MH-2
L/d
L/cow/d
L/d
L/cow/d
September 03 618
14.7
473
14.8
October 03
676
16.1
516
16.1
November 03 634
15.1
514
16.1
December 03 757
18.0
497
15.6
January 04
922
22.0
512
16.0
February 04
636
15.1
519
16.2
March 04
566
13.5
529
16.5
April 04
590
14.1
578
18.1
May 04
587
14.0
524
16.4
June 04
595
14.2
552
17.3
July 04
652
15.5
617
19.3
August 04
644
15.3
500
15.6
September 04 631
15.0
512
16.0
October 04
683
16.3
461
14.4
November 04 786
18.7
461
14.4
December 04 918
21.8
462
14.4
January 05
623
14.8
440
13.7
February 05
585
13.9
442
13.8
March 05
641
15.3
448
14.0
April 05
617
14.7
496
15.5
May 05
514
12.2
474
14.8
June 05
570
13.6
424
13.3
Average
15.6
15.6
L/cow stall/d*
(2.5)
(1.4)
Average
13.1
12.5
L/cow/d**
Wastewater
16
19
applied by
seepage field,
mm/month
* production of wastewater based on cow stalls equipped with a pipeline
outlet.
** production of wastewater based on the total number of cows in the herd.
The value in parenthesis is the standard deviation.
49
Table 3.4a. Monthly characteristics of milk house wastewaters on Farm MH-1
Month
June 03
July 03
August 03
September
03
October 03
November
03
December
03
January 04
February 04
March 04
April 04
May 04
June 04
July 04
August 04
September
04
October 04
November
04
December
04
January 05
February 05
March 05
April 05
May 05
Average
Characteristics of milk house wastewaters
TS
DS
SS
pH
TN
%
%
%
mg/l
0.19
0.16
0.03
6.0
518
0.52
0.27
0.25
6.0
101
0.19
0.14
0.05
5.9
154
0.35
0.27
0.08
7.1
117
TP
mg/L
21
17
146
48
TK
mg/L
667
174
350
245
0.36
0.42
0.25
0.28
0.11
0.12
6.7
6.4
111
46
97
99
96
200
NA
NA
NA
NA
NA
NA
NA
NA
NA
0.85
0.29
0.43
0.24
0.34
0.25
0.24
NA
NA
0.45
0.28
0.30
0.13
0.30
0.12
0.14
NA
NA
0.40
0.01
0.13
0.11
0.04
0.13
0.10
NA
NA
6.0
5.7
5.7
5.4
5.8
5.9
5.8
NA
NA
107
107
82
39
12
125
112
NA
NA
96
103
96
81
155
68
79
NA
NA
204
177
177
121
219
408
474
0.27
0.22
0.11
0.12
0.16
0.10
6.1
6.5
95
204
77
82
404
96
0.20
0.11
0.09
5.8
268
88
42
0.22
0.12
0.10
5.8
208
111
60
NA
NA
NA
NA
NA
NA
NA
NA
NA
NA
NA
NA
NA
NA
0.61
0.47
0.14
6.6
98
72
156
0.32
0.26
0.06
6.4
29
142
134
0.38
0.26
0.16
6.1
117
98
210
(0.36) (0.19) (0.13) (0.34) (70) (32)
(135)
NA – not available because the wastewaters could not be sampled.
Note : TS – total solids; DS – dissolved solids; SS – suspended solids.
: the values in parenthesis are the standard deviation.
: the values for June and July 03 are higher because the samples were
collected from the septic tank before cleaning rather than the sediment and
milk fat trap.
50
Table 3.4b. Monthly characteristics of milk house wastewaters on Farm MH-2
Month
June 03
July 03
August 03
September
03
October 03
November 03
December 03
January 04
February 04
March 04
April 04
May 04
June 04
July 04
August 04
September
04
October 04
November 04
December 04
January 05
February 05
March 05
April 05
May 05
Average
Characteristics of milk house wastewaters
TS
DS
SS
pH
TN
TP
%
%
%
mg/l mg/L
0.26 0.19
0.07
7.8
55
26
0.24 0.22
0.02
7.9
48
116
0.24 0.22
0.02
7.6
85
213
0.27 0.26
0.01
7.3
29
136
TK
mg/L
828
246
187
443
0.30
0.42
NA
NA
NA
0.39
0.16
0.27
0.19
0.36
0.44
0.24
152
246
NA
NA
NA
257
359
57
75
81
208
61
0.14
0.28
NA
NA
NA
0.3
0.16
0.21
0.19
0.31
0.39
0.21
0.16
0.14
NA
NA
NA
0.09
0
0.06
0
0.05
0.05
0.03
7.3
7.6
NA
NA
NA
7.1
7.4
9.5
9.6
9.5
7.6
7.5
12
46
NA
NA
NA
40
42
37
17
21
20
68
42
48
NA
NA
NA
50
41
81
78
84
85
83
0.21 0.19
0.02
7.3
50
95
71
0.17 0.16
0.01
7.5
81
133
79
0.19 0.17
0.02
7.6
95
91
31
NA
NA
NA
NA
NA
NA
NA
NA
NA
NA
NA
NA
NA
NA
NA
NA
NA
NA
NA
NA
NA
0.28 0.25
0.03
8.5
28
45
66
0.32 0.27
0.07
7.6
118
109
69
0.26 0.22
0.04
7.8
118
109
142
(0.8) (0.06) (0.06) (0.75) (51) (90)
(129)
NA – non available because the wastewaters could not be sampled.
Note : TS – total solids; DS – dissolved solids; SS – suspended solids.
: the values in parenthesis are the standard deviation.
: the loading values for June and July 03 are higher because the
samples were collected from the septic tank before cleaning rather than the
sediment and milk fat trap.
51
Table 3.5. Annual wastewater nutrient loading
Parameter Farm MH-1
TS
TN
TP
TK
Farm MH-2
TS
TN
TP
TK
Average
2 600 118
109
142
3 800 117
98
210
Load.
mg/L
L/cow/d
13.1
13.1 13.1
13.1
12.5
12.5 12.5 12.5
g/cow/d
34.1
1.55 1.43
1.86
47.5
1.46 1.23 2.63
kg/cow/y 12.43 0.57 0.52
0.68
17.3
0.53 0.45 0.96
kg/y
622
28.5 26.0
33.9
692
21.2 18.0 38.0
kg/ha/y
1400
65
60
75
1540
50
40
85
Note: the loading rates do not consider the impact of sediments and milk fat.
which normally would be removed from the trap and disposed along with the
manures.
Table 3.6a. Characteristics of the milk fat collected in the trap on Farm MH-1
Parameter
TS. %
TKN. mg/L
TP. mg/L
TK. mg/L
COD. g/kg
Year 1
19.7
5463
101
187
460
Year 2
20.6
1062
130
219
611
Year 3
12.8
598
93
341
644
Table 3.6b. Characteristics of the sediments collected in the trap on Farm MH-2
Parameter
TS. %
TKN. mg/kg dm
TP. mg/kg dm
TK. mg/kg dm
Year 2
3.7
1943
1227
1366
52
Year 3
11.4
1448
504
395
Table 3.7. Quality of the drainage waters
Parameter
pH
NT. mg/L
TP. mg/L
TK. mg/L
Farm MH-1
Seepage field
6.8
(0.5)
10.0
(8.8)
0.4
(0.7)
171
(129)
0.6
(0.3)
25
Conductivity
mS/cm
Sample
number
Soil
extractable
40 (5)
P*. mg/kg
140 (8)
K*. mg/kg
* Morin et al. 2004.
Control
system
6.9
(0.4)
21.9
(11.3)
0.4
(0.5)
127
(134)
0.4
(0.05)
9
Farm MH-2
Seepage
field
6.8
(0.5)
13.4
(10.0)
0.7
(0.8)
28.9
(20.4)
0.8
(0.3)
33
Control
system
7.0
(0.5)
8.6
(3.7)
0.6
(0.9)
24.8
(35.6)
0.6
(0.2)
33
202 (26)
400 (47)
Table 3.8. Cost of modifying the septic tank – seepage field system
Item
Unit Cost
$55
Backhoe
Sewer pipe. filter and
agricultural drain
Milk fat and sediment trap
Sediment spoon*
Farm tractor and truck
Farm labour
18 h
$90/d x 3
person-days
Total cost excluding farm share
Total cost with farm share
* to remove the sediments from the trap.
53
Total cost
$1 050
$1 200
$460
$150
$730
$810
$2 870
$4 400
Pipe leading to septic
tank
Pipe from milk
house
1.5m
0.61m
Milk
house
To seepage
field
Septic tank
Trap
54
Sewer pipe
Trap and
Septic
tank
Control
drainage
system
Pasture
field
limits
Drainage system
Manure
pile
Open ditch
Seepage field drainage system
Sewer pipe
Trap and
Septic tank
Control
drainage
system
Pasture field limits
55
Figure 3.3a. Content of sediment and milk fat trap on Farm MH-1, showing fat
accumulation. The wastewater is white in colour, because of its low
sediment content.
Figure 3.3b. Content of sediment and milk fat trap on Farm MH-2, showing no
fat accumulation. The wastewater was stirred before taking the picture,
indicating the level of accumulated sediment.
56
Figure 3.4. No soil discoloration (gley formation) was observed around the
sewer pipes.
Figure 3.5a. Considerable amount of milk fat accumulated inside the sewer
pipes after two years of operation on Farm MH-1.
57
Figure 3.5b. Limited amount of matter accumulated inside the sewer pipes after
two years of operation on Farm MH-2.
58
Texte de liaison
Le premier article de cette thèse (chapitre 3) décrit le concept
scientifique qui justifie le design du système septique modifié installé
sur chacune des deux fermes, et indiquait qu’elles démarches devaient
être entreprises pour bien faire fonctionner ce système. Cet article
mesure aussi la quantité d’eaux usées de laiterie que produise
mensuellement chacune des fermes, ainsi que leur teneur en
nutriments.
Ayant démontré que le système modifié peut fonctionner, les questions
suivantes doivent être posées : la modification de la fosse septique
pour traiter leurs eaux usées de laiterie et les utiliser pour la fertilisation
des
sols,
est-elle
une
solution
viable
d’un
point
de
vue
environnemental? Quel en est l’impact sur la microflore?
La production en gaz des sols fertilisés et l’accumulation des
nutriments sont deux des indicateurs qui ont permis de mesurer
l’impact des nouvelles installations septiques et d’en établir les
conditions et les fonctions en tant qu’élément épurateur final.
Le chapitre suivant est tiré d'un article scientifique en attente de
publication dans le journal scientifique Water Air and Soil Pollution par
l'auteur de la thèse et par les co-auteurs suivants : le professeur Dr.
Suzelle Barrington, superviseur de thèse, Département de génie des
bioressources et le Dr. Joann K. Whalen, Département des sciences
de la nature, toutes deux de l’Université McGill, qui ont bien voulu
aviser l’auteur pendant le déroulement du projet et aider à l’édition du
texte de la publication; et le Dr. Jose Martinez, Directeur de la
recherche, CEMAGREF, France, qui a bien voulu donner son avis
technique sur le projet.
59
L’auteur du présent article a réalisé le projet en participant aux travaux
d’installation, en recueillant les échantillons, en effectuant leur analyse
et en rédigeant l’article. Le format de l’article a été changé pour le
rendre conforme aux exigences de publication de cette thèse.
60
4. Soil nutrient load from milk house wastewater treated by a
modified seepage field
The cleaning of milking equipment on dairy farms generates an
estimated 15 to 20 L of milk house wastewater per cow each day
(Urgel Delisle et Ass., 1994). Milk house wastewater contains an
organic load that can create a biological oxygen demand (BOD 5) of 300
to 10 000 mg L-1, as well as soluble nutrients, from 5 to 625 mg NH4-N
L-1 and 6 to 183 mg L-1 of total phosphorus (Loerh, 1983; Jamieson et
al., 2002). If discharged into waterways without treatment, milk house
wastewaters pose a threat to water quality.
In response to these potential risks, the Quebec Ministry of
Environment imposed regulations in 2001 that obliged all dairy farms to
desist from discharging milk house wastewater without treatment. On
dairy farms with a liquid manure handling system, milk house
wastewaters are simply used to make manure slurries for land
disposal, but farms with a solid manure handling system were expected
to construct a facility to store and treat their milk house wastewater. A
number of technologies, such as artificial wetlands, reverse osmosis,
aerobic reactors and anaerobic digesters, are available for wastewater
treatment (Reimann, 1997; Newman et al., 2000; Schaafsman et al.,
2000; Craggs et al., 2003; Luostarinen and Rintala, 2005). Besides
being expensive or requiring a large herd number (more than 100
cows) to justify the investment and operating costs, most of these
systems do not permit on-farm recycling of nutrients and water.
Instead, they represent an “end-of-pipe” treatment to clean the water
before it is discharged into a water course.
The goal of this study was to evaluate an economical and low
maintenance technology for small dairy farms that would provide for the
better recycling of nutrients and water from milk house wastewater.
61
Many small dairy farms in Quebec treated their milk house wastewater
with a conventional septic tank system, but discharge treated
wastewater into a ditch because their seepage field tended to become
clogged due to the accumulation of milk fat inside and the saturation of
the soil around the sewer pipes (Urgel Delisle et Ass. 1994). Morin et
al. (2004) modified the septic tank system for treating dairy milk house
wastewater by installing a sediment and milk fat trap before the septic
tank and enlarging the seepage field. The trap was designed to
facilitate the removal of milk fat and sediments susceptible of
accumulating and overloading the septic tank. It had the capacity to
retain the wastewater produced during one milking, thus allowing for
the cooling and hardening of the milk fat and the settling of sediments.
The seepage field was enlarged from 0.025 ha to 0.45 ha to reduce
risks of soil saturation and loss of permeability, and covered enough
cropped land that water and nutrients could be taken up by pasture or
arable crops during the growing season. Finally, the enlarged seepage
field was drained by a subsurface system installed between and slightly
deeper than the runs of sewer pipe, to control the ground water table
and force the soil to filter the wastewater.
The objective of the project was to therefore to evaluate the
performance of this modified septic tank-seepage field system for
treating milk house wastewater, by measuring the accumulation of
nutrients in the soil and by monitoring the quality of the water drained
from the seepage field.
62
4.1. Methodology
4.1.1. Experimental farms and their septic tank-seepage field
systems
Two dairy farms, located southwest of Montréal, Quebec, Canada
(45 28’ N, 73 45’ W) were selected for this project because they
already had septic tank installations. However, seepage fields were
enlarged to about 0.45 ha on each farm to bypass the existing clogged
seepage field. The size and general operations of Farms MH-1 and
MH-2 are described in Table 1. On both farms, the seepage field was
built in a pasture, next to the dairy cow barn. Soils were classified as
mixed, frigid Typic Endoaquents. The seepage field of Farm MH-1 had
a relatively flat topography, sloping away from the barn at a rate of
0.5%; the soil profile consisted of 1.5m of silt overlaying marine clay.
On Farm MH-1, the surface soil (0-20 cm) was a silty loam of the
Norton series containing 170 g sand kg-1 and 180 g clay kg-1 with pH
6.7 and 25 g organic C kg-1. The seepage field on Farm MH-2 sloped
away from the barn at a rate of 1%; the soil profile varied in texture
from gravely silty clay at the top to a silty loam at the bottom of the
slope. The surface soil was a silty loam of the St-Anicet series
containing 180 g sand kg-1 and 220 g clay kg-1 with pH 7.4 and 42 g
organic C kg-1.
In early July 2003 and on each farm, a sediment and milk fat trap (Fig.
1) was installed before the existing septic tank. The trap was a
reinforced concrete manhole with an inside diameter of 0.61m and a
depth of 1.5m, giving a wastewater holding capacity of 440L. This
capacity slightly exceeded the volume of wastewater produced during
one milking, estimated to be 7.5L/cow/milking or 15L/cow/d. The trap’s
T-shaped outlet pipe was designed to prevent the milk fat from flowing
into the septic tank. Each trap was equipped with a concrete cover that
could easily be pushed aside to remove the accumulated milk fat and
sediments using a sewer spoon.
63
A new seepage field was also built on each farm, in early July 2003.
The seepage field was built by first installing 3 runs of sewer pipe at a
spacing of 15m (Figs. 2a, 2b); each sewer pipe run measured 100m in
length, and was installed at 0% slope and a depth of 550 to 700mm.
The ABS sewer pipes had an inside diameter of 75mm and were
perforated with 12mm holes spaced at every 305mm. Because of the
silty texture of the soils on both farms, a geotextile was manually
installed around the sewer pipes to prevent the entry of soil into the
sewer pipes. To maintain 0% slope in spite of the natural ground
topography, the sewer pipes were installed parallel to the contour lines,
as much as possible, and a 2.4m section of sewer pipe was installed at
a sharp slope, at one or two places along the full 100m length, between
sections with 0% grade. All sewer pipes were installed directly on the
soil, without using a bed of crushed stone, to reduce construction costs.
To keep the seepage field well drained, a subsurface drainage pipe
(perforated corrugated polyethylene tubing with an inside diameter of
100mm) was installed between and 150mm deeper than the sewer
pipes. The subsurface drainage pipe followed the natural topography of
the site. Draining into a nearby ditch, this subsurface drainage system
controlled the water table height and forced the wastewater to seep into
the soil.
Water samples were periodically collected from the outlet of the
subsurface system draining the seepage field, as well as the outlet of a
control drainage system. On Farm MH-1, the control drainage system
was a single subsurface drain installed further down the pasture field;
because of its limited length, it produced less drainage water than the
subsurface drainage system of the seepage field. On Farm MH-2, the
control drainage system was in a cropped field adjacent to the pasture
where the seepage field was built. Both seepage fields were exposed
to outside sources of contamination. On Farm MH-1, solid manure was
stock-piled directly on the ground and its contaminated runoff seeped
into the upper corner of the area occupied by the seepage field.
64
On Farm MH-2, the control field received no manure while the pasture
covering the seepage field was occupied by dry cows and heifers, and
thus received manure continuously during 6 months of the year.
4.1.2. Volume of milk house wastewater, sample collection and
analysis
The volume of milk house wastewater generated on each farm was
estimated by taking monthly readings from a meter installed on the
water line entering the milk house and assuming that water use
represented the amount of wastewater generated. The pH and nutrient
concentrations (TN, TP and TK) of well water entering the milk house
on each farm are reported in Table 1. Milk house wastewater volume
was expressed as the litres of wastewater generated per number of
cows in the herd, per day for each month of the study. Samples of
wastewater were also collected from the sediment and milk fat trap on
a monthly basis, except during the cold winter months. Because
sediments tended to accumulate at the bottom of the trap, while milk fat
solidified at the top, these were sampled and analyzed separately.
Water samples, sediments and milk fat were analysed using standard
methods
(APHA,
1998).
Total
solids
(TS)
were
determined
gravimetrically after drying for 24h at 103°C. Suspended and dissolved
solids were analyzed by filtering through a 0.45µm filter and drying for 2
and 24h at 103°C. The pH was determined using a pH probe
connected to an Orion meter, while EC was measured with an electrical
conductivity meter (YSI 30 S-C-T conductivity meter, Yellowspring,
Ohio). After digesting all samples at 500°C using 18M sulphuric acid
and 50% hydrogen peroxide, the TN concentration was determined
using an ammonia sensitive probe connected to an Orion pH meter,
and TP and TK were determined colorimetrically (Hach Corporation,
Loveland, Ohio).
65
Conducted only on the milk fat collected in the trap, chemical oxygen
demand (COD) was determined colorimetrically after oxidization with
potassium chromate at 140°C (Hach Corporation, Loveland, Ohio).
Bacterial populations, namely total coliforms (TC), fecal coliforms (FC)
and fecal streptococci (FS) were determined using the micro-filtration
method and expressed as the number of colony-forming units per mL
of water (American Public Health Association 1998).
The nutrient load in milk house wastewater entering the seepage field
was the volume of milk house wastewater generated per month
multiplied by the nutrient concentration in each monthly wastewater
sample. The monthly nutrient loads were summed to provide an annual
nutrient load. The nutrient load excluded the nutrients contained in milk
fat and sediments, since these components of wastewater were mostly
removed in the trap before the septic tank.
4.1.3. Soil sampling and analysis
Soil samples were collected from the seepage field of Farm MH-1 and
Farm MH-2 at the time that sewage and subsurface drainage pipes
were installed. These samples were taken from locations along a
transect in the seepage field, to characterize soil properties at the top
of the slope, near the septic tank (Top), in the middle of the seepage
field (Middle), and at the bottom of the slope, near the drain outlet
(Bottom). At each location, soil was collected from depths of 0-20 cm,
20-40 cm and 40-60 cm at sampling positions 0, 0.5, 1 and 3 m from
the subsurface drainage pipe. In May 2004 and September 2004, the
seepage field of Farm MH-1 and Farm MH-2 was again sampled. At
each of the three locations, a soil sample (composite of five cores
taken with a 4.5 cm diameter auger) was collected from depths of 0-20
cm, 20-40 cm and 40-60 cm at sampling positions 0, 0.5, 1 and 3 m
from the subsurface drainage system. We also collected soil from an
adjacent field in September 2004, which served as a Control.
66
Soil samples were sieved (<2 mm) and oven-dried (60oC for 48 h) prior
to analysis. Soil pH and electrical conductivity were determined in 1:2
soils:water slurries (Hendershot et al. 1993) using an Accumet AR10
pH meter and a CDM83 microcell conductivity meter. The NH4-N and
NO3-N concentrations were determined in 2 M KCl extracts (1:5
soil:solution) using the cadmium reduction-diazotization and salicylate
methods (Maynard and Kalra 1993). Extracts were analysed on a
Lachat Quik-Chem AE flow injection autoanalyzer (Lachat Instruments,
Milwaukee, WI, USA). Mineral N was the sum of the NH4-N plus NO3-N
in each sample. Soil nutrients (P, K, Ca and Mg) were extracted with
Mehlich III solution (1:10 soil:solution) after shaking for 5 min. at 130
rpm (Tran and Simard 1993). The Mehlich-3 P concentration was
determined using the ammonium molybdate-ascorbic acid method
(Murphy and Riley 1962) on a Lachat Quik-Chem AE flow injection
autoanalyzer (Lachat Instruments, Milwaukee, WI, USA), while K, Ca
and Mg concentrations were determined by atomic absorption
spectrometry.
4.2. Statistical Analysis
Prior to analysis, the data were tested for normality using the
Kolmogorov-Smirnov test and were loge- or square root- transformed
when required to adjust for normality and stabilize variance. The data
from each farm were analyzed by analysis of variance (ANOVA) using
the PROC GLM procedure of SAS statistical software package (SAS
System 9.1, SAS Institute Inc., Cary, NC). Soil parameters were
affected significantly (P<0.05) by the following factors: sampling date
(July 2003, May 2004, September 2004), sampling location (Top,
Middle and Bottom of slope) and soil depth (0-20, 20-40 and 40-60
cm). No soil parameter was affected by the sampling position (0, 0.5, 1
and 3 m from the subsurface drainage pipe), so these data were
pooled to increase the number of replicate measurements.
67
Soil samples collected in July 2003, at the time the seepage field was
constructed, were considered to represent initial soil characteristics,
and served as a control (Con2003). Soils collected from the seepage
field in May 2004 and September 2004 represented the soil conditions
after exposed to milk house wastewater (WW), while soil collected from
an adjacent field in September 2004 also served as a control
(Con2004). The effect of milk house wastewater on soil parameters
within each soil depth was determined by one-way ANOVA and
contrast analysis between the WW-treated soils and Control soils
(Con2003, Con2004) at the 95% confidence level (Steel et al., 1997).
4.3. Results and discussion
Milk house wastewater characteristics were assessed once a month on
Farms MH-1 and MH-2 (Morin et al., 2006) and compiled into average
values (Tables 2a, 2b). During the 30 months of monitoring, the
average total solids were relatively low, at less than 0.5%. The milk
house wastewater pH on Farm MH-1 was between 5.9 and 6.5 while
that on Farm MH-2 ranged from 7.6 to 8.1, likely because of the water
softener used on this farm. For Farm MH-1, the nutrient loads ranged
from 12 to 268mg TN L-1, 72 to 155mg TP L-1 and 42 to 350mg/L of TK,
while those of Farm MH-2, ranged from 12 to 118mg TN L-1, 42 to
213mg TP L-1 and 57 to 443mg TK L-1, respectively.
Farm MH-1 produced 13.1 L of milk house wastewater per cow per
day, while Farm MH-2 produced 12.5 L/cow/d (Table 3). These values
are consistent with wastewater production of 15 to 20 L/cow/day
reported by Urgel Delisle et Ass. (1994). The annual nutrient load
generated by the milk house wastewater entering the seepage field
was greater on Farm MH-1 than that for Farm MH-2, likely because the
producer discharged wasted milk into the septic system. On Farm MH2, this wasted milk was sent to the manure storage facility to prevent
overloading of the septic system.
68
The phosphorus and potassium loads, of 40 to 60kg TP/ha/y and 75 to
85kg TK/ha/yr, corresponded to the nutrient uptake of a high yielding
forage crop, such as corn silage or alfalfa (10 dry tons/ha/yr). The
nitrogen load of 50 to 65kg TN/ha/yr was about half of the nitrogen
required by a corn silage crop, but greater than the nitrogen
recommendation for an alfalfa crop (CRAAQ, 2003).
4.3.1. Soil parameters in the seepage field
Analysis of soils at the time of seepage field construction (Con2003)
provided a measure of the heterogeneity in soil parameters that
occurred along the transect, from the top to the bottom of the slope,
and within the soil horizon at each sampling location (Tables 4 and 5).
The seepage field of Farm MH-1 received on the average 16 mm of
wastewater y-1, while Farm MH-2 received 19 mm y-1 of water in its
seepage field.
Some soil parameters changed after milk house wastewater entered
the seepage field, compared to the initial soil conditions and the soil
characteristics of an adjacent control field (Con2004) that did not
receive milk house wastewater for the duration of the study (Tables 4
and 5).We consider that soil characteristics changed when 1) the
parameter was significantly (P<0.05, contrast analysis) different for
both Con2003 vs. wastewater (WW)-treated soil and Con2004 vs. WWtreated soil comparisons and 2) the trend was consistent (e.g., the
WW-treated soils had lower values, in comparison to both controls). If
the milk house wastewaters did have an effect on soil nutrient levels,
they were expected to show first of all within the 40 to 60cm layer,
corresponding to the depth of installation of the sewer pipes.
Furthermore, on both Farms MH-1 and MH-2, the 2003 and 2004
control sites were located at the extreme end of the pasture field,
where cattle may have been less likely to roam.
69
The results from Farm MH-1 and Farm MH-2 were presented
separately because the magnitude of change in soil parameters was
farm-specific, due to the unique topography and soil characteristics
offered by each farm. Also, in the spring of 2004, the pasture was
seeded into a cereal crop on Farm MH-1, which likely had an impact on
the soil nutrient values especially within the top 0-20cm layer.
On Farm MH-1, we observed greater Ca concentrations in all soil
layers, to a depth of 60 cm, and greater Mg concentrations in the 0-20
cm and 20-40 cm depths, in the seepage field than in the controls
(Table 4). These cations were probably introduced with the milk house
wastewater. No K accumulation was noted, and the K concentration in
the 0-20 cm layer was lower in the seepage field than the control,
which may be due to greater K removal by the crop in this subirrigated
system than in the non-irrigated control field. On Farm MH-2, there
were also some evidence of Ca and Mg accumulation due to the milk
house wastewater, since only the 40-60 cm layer of the seepage field
contained more Ca than the controls (Table 5). However, the K
concentration was greater throughout the soil profile of the seepage
field than in control soils (Table 5).
The accumulation of K and Ca in these soils is unlikely to have a
negative environmental impact, since these cations tend to become
fixed in soils and when leached do not pose any known risk for water
quality. Yet, Wang et al. (2004) noted that applying dairy effluents with
high K concentrations to pasture can lead to nutrient imbalances in
forages when soils test low for plant-available Ca and Mg. Routine soil
and plant tissue testing is necessary to detect such imbalances, which
can be corrected by applying supplemental fertilizers.
Increasing soil salinity following surface and subsurface irrigation has
been documented in all parts of the world, due to the differences in the
transport of salts and water in the soil profile (Rengasamy, 2006).
70
The seepage fields on Farm MH-1 and Farm MH-2 were sized to
permit nutrient loading at a rate that did not greatly exceed crop
nutrient requirements. This strategy resulted in very little salt
accumulation on both farms. Only on Farm MH-2, in the 20-40 cm
depth of the seepage field, was the EC greater than in the control soils
and, because this change was not observed at the sewer pipe level
(40-60cm), this increase may have resulted from the manure applied by
animals rather than the wastewater. The EC level on Farm MH-1 did
not exceed 2 dS m-1, and the highest EC value on Farm MH-2 was 3.7
dS m-1 (Tables 4 and 5). These values are considered to be low, as
most crops can readily tolerate soil solutions with salinity levels of 4.0
dS m-1 (Alberta Agriculture, 2001).
Ammonium (NH4-N) and nitrate (NO3-N) were both present in the
seepage fields on both dairy farms (Tables 4 and 5). The majority of
soluble N in milk house wastewater is NH4-N, and the presence of a
large soil NO3-N pool suggests that nitrification occurred in the
seepage field (Havlin et al., 1999), leading us to infer that quantities of
wastewater entering the seepage field did not induce anaerobic
conditions. While favourable for crop production, excessive soil NO 3-N
can act as an environmental pollutant if not used for crop production.
Regular monitoring of the NO3-N levels in drainage water would be
needed to verify the efficiency of N recycling in the soil-plant system of
the seepage field.
The accumulation of soil P following wastewater application is a
concern due to the potential for eutrophication when P from agricultural
land enters surface waters. On Farm MH-1, the P concentration in the
soil profile did not change when milk house wastewater entered the
seepage field, but the initial soil P concentration in the 0-20 cm depth
(49 mg Mehlich-3 P kg-1 in July 2003) was lower than the critical level
of 66 mg Mehlich-3 P kg-1 in topsoil established by the Ministère de
l’Environnement du Québec (1999).
71
In contrast, the soil P concentration in topsoil of Farm MH-2 was initially
more than two times the critical level (Table 5). Although the soil P
concentration did not change in the 0-20 cm depth on Farm MH-2, the
soil P concentration in the 20-40 cm and 40-60 cm depths increased
significantly (P<0.05) after milk house wastewater began entering the
seepage field (Table 5). Because this large increase in soil P exceeds
that applied by the wastewaters, these results suggest that P may
become more available in some soils when milk house wastewater is
released through a seepage field. Regular monitoring is required to
ensure that subsurface P accumulation does not cause water pollution.
4.3.2. Drainage water quality in the seepage field
There was no difference (P>0.05, pairwise t-test) in the analyses of
water collected from subsurface drains in the seepage field and a
nearby control field on both farms (Table 6). However, the drain water
contained a higher TN concentration than the Canadian drinking water
standard, which is 10 mg NO3-N L-1 (Health and Welfare Canada,
1996). The TP concentration in the drainage water exceeded the
Quebec provincial surface water quality standard of 0.03 mg TP L-1
(Ministère de l’Environnement du Quebec, 2000). This suggests that
water emanating from these farms has the potential to pollute ground
and surface water, whether it comes from the seepage field or adjacent
agricultural land.
On Farm MH-1, the drainage water from the control system tended to
have more total N than that from the seepage field, despite the fact that
the seepage field was likely contaminated by manure runoff, because
water from the control system could only be collected when very wet
conditions led to flushing of the drain (Table 6). There was no
difference in any other drainage water parameter between the seepage
field and control system on Farm MH-1.
72
On Farm MH-2, both the control and seepage field drainage waters
could be collected at the same time. Drainage water from the seepage
field tended to have a slightly higher nitrogen concentration than the
control system, which may be a result of pasturing cows over the area
occupied by the seepage field. However, there was no difference in
drainage water quality in the seepage field and control system on Farm
MH-2 (Table 6).
These results suggest that the soil did effectively absorb the nutrients
added by the milk house wastewaters. Monitoring of the seepage fields
over a longer period of time is likely necessary to measure the true
impact of the modified septic system.
4.4. Conclusions
A modified septic system was designed to allow small dairy farms to
treat their milk house wastewater economically and efficiently. The
modified system consisted of a sediment and milk fat trap installed
before the septic tank and an enlarged seepage field installed below a
cropped area where treated wastewater was discharged. The size of
the seepage field (0.45 ha) was based on the annual nutrient uptake by
the crop. The two farms included in this study produced 12.5 and 13.1L
of milk house wastewater/cow/d, which led to the application of 50 to
65kg TN/ha/y, 40 to 60kg TP/ha/y and 75 to 85kg TK/ha/y. Treating
milk house wastewater in the seepage field altered some soil
parameters. The magnitude of change in soil parameters was farmspecific, due to the unique topography and soil characteristics offered
by each farm. Soils were more saline after wastewater entered the
seepage field, but soil salinity was low (<4 dS m -1) and should not
affect crop performance on these farms.
73
We also observed a significant increase in the soil P concentration
within the soil profile (20-60 cm depth) of one farm, but drainage water
quality was similar in the seepage field as an adjacent cropped field
that did not receive milk house wastewater. These results indicate that
the seepage field was sufficiently large to adsorb and treat the nutrients
contained in milk house wastewater. Regular monitoring of soils and
drain water quality is needed to verify that the seepage field continues
to function correctly for environmental protection.
74
Table 4.1. Description of the two dairy experimental farms
Description
Farm MH-1
Farm MH-2
Number of cows
40
50
Type of enterprise
Organic
Conventional
Cow breed
Holstein and
Jersey
Holstein
Manure management
Piled directly
Manure platform for
solid
on the soil
and seepage
accumulation
Septic tank size
3,4m3
3,4m3
Milk butter fat, %
4,0
3,5
Pipe line capacity,
cows
32
42
Soap addition for
equipment
Manual
Manual
Soap used for
equipment
Phosphoric acid
:315ml/d
Phosphoric acid:
315ml/d
washing
Chlorinated
detergent:
Chlorinated detergent:
420ml/d
Antiseptic soap :
120ml/d
washing
Other water
treatment
420ml/d
Water softener :
250 to 300kg of salt/y
Well water quality
a
-
TN, mg/L
0.2
0.15
-
TP, mg/L
NDa
ND
-
TK, mg/L
6.8
3.4
-
7.2
7.5
pH
ND = not detectable.
75
Table 4.2a. Milk house wastewater characteristics for Farm MH-1
Parameter
2003
2004
2005
ww
sed
fat*
ww
sed
fat*
ww
sed
fat*
TS, %
0.33
ND
19.7
0.30
ND
20.6
0.46
ND
12.8
SS, %
0.10
ND
NA
0.12
ND
NA
0.10
ND
NA
DS, %
0.23
ND
NA
0.18
ND
NA
0.36
ND
NA
pH
6.4
ND
NA
5.9
ND
NA
6.5
ND
NA
TN, mg L-1
106
ND 5463
124
ND 1062
64
ND
598
TP, mg L-1
71
ND
101
94
ND
130
107
ND
93
TK, mg L-1
213
ND
187
217
ND
219
145
ND
341
COD, g kg-
NA
ND
460
NA
ND
611
NA
ND
644
TC,CFU
mL-1
NA
ND
NA
NA
ND
NA
1400
ND
NA
FC, CFU
mL-1
NA
ND
NA
NA
ND
NA
17000 ND
NA
FS, CFU
mL-1
NA
ND
NA
NA
ND
NA
3200
NA
1
ND
Note : ww = wastewater; sed = sediments; fat = milk fat.
* TN, TP and TK expressed as g kg-1 dm.
CFU – counts by filtration unit.
ND – not detected.
NA – not analyzed.
COD was conducted only on the milk fat, because of the expected low
value of the wastewaters and sediments.
76
Table 4.2b. Milk house wastewater characteristics for Farm MH-2
Parameter
2003
2004
2005
ww
Sed*
fat
ww
sed
fat
ww
Sed*
fat
TS, %
0.29
NA
ND
0.27
NA
ND
0.30
NA
ND
SS, %
0.07
NA
ND
0.03
NA
ND
0.04
NA
ND
DS, %
0.22
NA
ND
0.24
NA
ND
0.26
NA
ND
pH
7.6
NA
ND
8.1
NA
ND
7.9
NA
ND
TN, mg L-1
46
NA
ND
47
1943 ND
73
1448 ND
TP, mg L-1
97
NA
ND
82
1227 ND
77
504
ND
TK, mg L-1
350
NA
ND
128
1366 ND
67
395
ND
TC, CFU
mL-1
NA
NA
ND
NA
NA
ND 2100
NA
ND
FC, CFU
mL-1
NA
NA
ND
NA
NA
ND 5000
NA
ND
FS, CFU
mL-1
NA
NA
ND
NA
NA
ND
NA
ND
8x
104
Note : ww = wastewater; sed = sediments; fat = milk fat.
* TN, TP and TK expressed as g (kg dm) -1.
CFU – colony-forming units.
ND – not detected.
NA – not analyzed.
COD was conducted only on the milk fat, because of the expected low
value of the wastewaters and sediments.
77
Table 4.3. Annual nutrient load in milk house wastewater entering the seepage
fields of two dairy farms, estimated from the monthly nutrient load and volume
of milk house wastewater produced on dairy farms.
Nutrient
Farm MH-1
Farm MH-2
load
TN
TP
TK
TN
TP
TK
Average * 118
109
142
117
98
210
mg/L
(51)
(90)
(129)
(70)
(32)
(135)
Yearly
0,57
0,52
0,68
0,53
0,45
0,96
kg/c
Total,
65
60
75
50
40
85
kg/ha/y
* the value in parenthesis is the standard deviation from 26 values.
WW – wastewater produced.
The loading rates do not consider the impact of sediments and milk fat, which
normally would be removed from the trap and disposed along with the
manures.
Farm MH-1 and MH-2 used produced 13.1 and 12.5 L/c/d of milk house
wastewater.
78
Table 4.4a. Changes in soil properties (0-20 cm depth) along a transect (top to bottom of slope) in the seepage field on Farm MH-1.
Parameter
Control
Top
Middle
Bottom
Contrast analysis
July
2003
Sept
2004
May
2004
Sept
2004
May
2004
Sept
2004
May
2004
Sept
2004
Con2003 vs.
WW
Con2004 vs.
WW
pH
6.7
6.1
6.1
6.1
6.6
6.7
6.3
6.4
P=0.0001
P=0.0143
EC, dS m-1
1.0
1.9
1.6
1.4
2.2
2.4
1.8
2.1
P=0.0001
NS
NH4-N, mg kg-1
0.83
20
5.2
22
7.6
15
4.9
24
P=0.0001
P=0.0630
NO3-N, mg kg-1
15
21
13
10
22
32
27
14
NS
NS
P, mg kg-1
49
52
55
53
25
40
41
55
NS
NS
K, mg kg-1
161
180
75
109
83
106
89
75
P=0.0071
P=0.0437
Ca, mg kg-1
1439
1365
1208
1250
1915
2285
1480
1403
P=0.0142
P=0.0328
306
231
299
200
408
495
415
253
P=0.0398
P=0.0011
-1
Mg, mg kg
Note: Con2003 soils were collected in July 2003, while Con2004 soils were collected in September 2004.
The WW soils, treated with milk house wastewater, were collected from the Top, Middle and Bottom of the slope in the seepage field
in May 2004 and September 2004. NS = not significant, P>0.1
79
Table 4.4b. Changes in soil properties (20-40 cm depth) along a transect (top to bottom of slope) in the seepage field on Farm MH-1.
Parameter
Control
Top
Middle
Bottom
Contrast analysis
July
2003
Sept
2004
May
2004
Sept
2004
May
2004
Sept
2004
May
2004
Sept
2004
Con2003 vs.
WW
Con2004 vs.
WW
pH
6.8
6.2
6.2
6.2
6.7
6.7
6.5
6.4
P=0.0003
P=0.0500
EC, dS m-1
0.99
0.81
1.4
1.2
1.6
1.1
1.5
0.67
P=0.0001
P=0.0001
NH4-N, mg kg-1
0.65
14
4.0
14
5.4
3.9
4.8
9.3
P=0.0001
P=0.0009
NO3-N, mg kg-1
8.9
5.2
8.9
9.4
14
6.5
11
3.1
NS
P=0.0448
P, mg kg-1
12
31
48
42
15
7.1
27
7.9
P=0.0018
NS
K, mg kg-1
87
96
90
141
97
96
89
79
NS
NS
Ca, mg kg-1
1195
745
1338
1033
1745
2127
1517
1255
P=0.0013
P=0.0001
340
203
270
218
393
631
434
435
P=0.0615
P=0.0005
-1
Mg, mg kg
80
Table 4.4c. Changes in soil properties (40-60 cm depth) along a transect (top to bottom of slope) in the seepage field on Farm MH-1.
Parameter
Control
Top
Middle
Bottom
Contrast analysis
July
2003
Sept
2004
May
2004
Sept
2004
May
2004
Sept
2004
May
2004
Sept
2004
Con2003 vs.
WW
Con2004 vs.
WW
pH
6.8
6.4
6.1
6.2
6.7
6.8
6.5
6.4
P=0.0001
NS
EC, dS m-1
0.97
0.62
1.7
0.74
1.9
0.87
1.6
0.69
P=0.0001
NS
NH4-N, mg kg-1
0.67
7.4
5.6
4.7
6.9
3.3
4.6
14
P=0.0001
NS
NO3-N, mg kg-1
7.9
2.2
12
2.3
16
2.8
10
2.0
NS
P=0.0009
P, mg kg-1
6.9
10
30
17
26
3.5
19
5.2
P=0.0010
NS
K, mg kg-1
67
99
173
116
90
117
96
86
P=0.0084
NS
Ca, mg kg-1
1278
985
1155
1200
1940
1748
1470
1275
P=0.0040
P=0.0001
448
345
254
322
382
555
481
485
NS
P=0.0777
-1
Mg, mg kg
81
Table 4.5a. Changes in soil properties (0-20 cm depth) along a transect (top to bottom of slope) in the seepage field on Farm MH-2.
Parameter
Control
Top
Middle
Bottom
Contrast analysis
July
2003
Sept
2004
May
2004
Sept
2004
May
2004
Sept
2004
May
2004
Sept
2004
Con2003 vs.
WW
Con2004 vs.
WW
pH
7.4
7.3
7.6
7.7
7.4
7.3
7.3
7.1
NS
NS
EC, dS m-1
1.8
3.1
3.2
3.6
2.4
3.7
1.8
2.1
P=0.0067
NS
NH4-N, mg kg-1
2.0
16
4.6
8.5
7.8
13
6.8
14
P=0.0001
P=0.0001
NO3-N, mg kg-1
25
32
9.0
39
17
19
8.8
10
P=0.0300
P=0.0127
P, mg kg-1
183
148
250
258
220
284
106
116
NS
NS
K, mg kg-1
274
390
500
612
617
758
470
720
P=0.0011
P=0.0027
Ca, mg kg-1
2789
3783
2902
4012
3575
3555
3118
2720
P=0.0028
P=0.0952
Mg, mg kg-1
594
711
336
522
479
573
601
546
P=0.0119
P=0.0005
82
Table 4.5b. Changes in soil properties (20-40 cm depth) along a transect (top to bottom of slope) in the seepage field on Farm MH-2.
Parameter
Control
Top
Middle
Bottom
Contrast analysis
July
2003
Sept
2004
May
2004
Sept
2004
May
2004
Sept
2004
May
2004
Sept
2004
Con2003 vs.
WW
Con2004 vs.
WW
pH
7.7
7.4
7.8
7.6
7.5
7.4
7.3
7.2
P=0.0007
NS
EC, dS m-1
1.6
2.1
2.5
3.2
1.9
3.2
1.5
2.0
P=0.0016
NS
NH4-N, mg kg-1
0.92
8.2
5.1
8.5
6.7
7.4
6.2
8.2
P=0.0001
NS
NO3-N, mg kg-1
8.5
24
8.7
29
11
20
6.7
8.4
NS
P=0.0907
P, mg kg-1
51
35
127
134
126
155
60
57
P=0.0022
P=0.0157
K, mg kg-1
329
173
445
338
518
582
379
541
P=0.0079
P=0.0001
Ca, mg kg-1
2144
2255
2382
2885
3188
2927
2840
2070
P=0.0092
NS
486
548
414
396
534
523
523
518
NS
NS
-1
Mg, mg kg
83
Table 4.5c. Changes in soil properties (40-60 cm depth) along a transect (top to bottom of slope) in the seepage field on Farm MH-2.
Parameter
Control
Top
Middle
Bottom
Contrast analysis
July
2003
Sept
2004
May
2004
Sept
2004
May
2004
Sept
2004
May
2004
Sept
2004
Con2003 vs.
WW
Con2004 vs.
WW
pH
7.9
7.5
7.9
7.6
7.6
7.4
7.3
7.2
P=0.0002
NS
EC, dS m-1
1.5
1.6
1.5
2.3
1.2
3.1
1.4
2.2
NS
NS
NH4-N, mg kg-1
0.98
7.5
4.9
3.3
4.2
6.7
4.7
6.6
P=0.0001
P=0.0375
NO3-N, mg kg-1
5.4
15
6.5
13
6.2
17
8.0
6.9
NS
NS
P, mg kg-1
11
22
50
51
54
79
32
28
P=0.0001
P=0.0351
K, mg kg-1
241
114
710
338
686
503
557
561
P=0.0001
P=0.0001
Ca, mg kg-1
1624
1698
2165
2015
2545
2625
2835
2110
P=0.0006
P=0.0501
475
441
334
342
480
591
590
519
NS
NS
-1
Mg, mg kg
84
Table 4.6. Quality of the drainage waters collected from the outlet of the seepage
field and a nearby field (control system)
Parameter
pH
TN, mg/L
TP, mg/L
TK, mg/L
EC, dS/m
Sample
number
Farm MH-1
Farm MH-2
Seepage
field
Control
system
Seepage
field
Control
system
6.8
6.9
6.8
7.0
(0.5)
(0.4)
(0.5)
(0.5)
10.0
21.9
13.4
8.6
(8.8)
(11.3)
(10.0)
(3.7)
0.4
0.4
0.7
0.6
(0.7)
(0.5)
(0.8)
(0.9)
171
127
28.9
24.8
(129)
(134)
(20.4)
(35.6)
0.6
0.4
0.8
0.6
(0.3)
(0.05)
(0.3)
(0.2)
25
9
33
33
Pipe leading to septic
tank
Pipe from milk
house
1.5m
0.61m
Milk
house
To seepage
field
Septic tank
Trap
86
Figure 4.2a.Schematic of sewer pipe and subsurface drainage in the
Sewer pipe
Trap and
Septic
tank
Control
drainage
system
Drainage system
Manure
pile
Open ditch
Figure 4.2b. Schematic of sewer pipe and subsurface drainage in the
Seepage field drainage system
Sewer pipe
Trap and
Septic tank
Control
drainage
system
Pasture field limits
87
5. Conclusion
La ferme laitière moyenne du Québec produit un volume important d’eaux
usées qui sont suffisamment chargées en nutriments pour être nuisibles
pour l’environnement si elles sont éliminées sans traitement. Ces eaux
usées ont des niveaux de DOB5 de 300 à 10 000 et des niveaux de
phosphore total qui atteignent 183 mg/L, elles peuvent donc causer des
problèmes et des nuisances à l’environnement (Loerh, 1983). En ce
moment et avec un cheptel de moins de 50 vaches, beaucoup de petites
fermes laitières ne sont pas bien équipées pour prendre en charge le
traitement de ces eaux. Les systèmes généralement proposés pour des
fermes laitières qui possèdent moins de 50 vaches sont coûteux et
requièrent une expertise spécifique. Dans la plupart des cas, ils ne
valorisent aucunement les nutriments des eaux usées qui sont rejetés et
traités comme des déchets.
Quelques solutions s’offrent aux producteurs laitiers qui doivent rester
prudents en ce qui concerne le choix du système de traitement.
Quelques -unes des options conviennent aux toutes petites exploitations,
comme ajouter les eaux usées au fumier solide lorsque le système de
stockage s’y prête et qu’il possède suffisamment d’espace. Plusieurs
autres solutions ne sont pratiquement pas envisageables pour les
producteurs du Québec, l’unité de digestion en est un bon exemple : ce
traitement est beaucoup trop dispendieux pour le producteur à l’achat et à
l’entretien en plus d’être très complexe à gérer. Donc, en plus de s’assurer
que le système de traitement convient au producteur laitier, il est très
important de considérer le coût de l’installation et l’expertise requise pour
opérer le système.
88
Le système de fosse septique et champ d’épuration modifié présenté dans
ce document a prouvé sa valeur et son efficacité dans le traitement et la
disposition des eaux usées de fermes laitières sur les deux fermes qui ont
participées à notre étude et ce, à un coût raisonnable. Pour conserver son
efficacité, le système requiert quand même un certain entretien régulier.
La modification du système qui permet à ce dernier de traiter les eaux
usées de laiterie tout en valorisant son contenu en nutriments, comprend
un champ d’épuration modifié et une trappe à graisse. Ces deux éléments
ont été ajoutés à la fosse septique existante sur deux fermes laitières
traitant leurs eaux de laiterie de cette façon. L’installation des deux
éléments a coûté 3 000$ par ferme, ce qui porte le coût d’un système
avec fosse septique et champ d’épuration modifié à 5 000$. Ce coût exclut
le temps et l’équipement fourni par la ferme qui peut être évalué à 1 500$.
Il s’agit là d’un système abordable, en comparaison à plusieurs autres
solutions, il ne requiert aucune expertise particulière et demande peu de
supervision de la part des agriculteurs. Ce qui est très alléchant pour la
ferme laitière québécoise qui ne s’est pas doté de système de disposition
de ses eaux de laiterie.
Le système comporte une trappe qui facilite l’enlèvement des matières
grasses et des sédiments contenus dans les eaux usées. Ceux-ci sont
susceptibles de s’accumuler et de surcharger la fosse septique. Cette
situation s’est produite sur la ferme MH-1 lors de la première année : une
accumulation de 250 mm d’épaisseur de gras solidifié s’est fixée sur les
parois de la trappe qui n’avait pas été vidangée. Le gras solidifié avait
commencé à s’écouler vers la fosse septique et à s’accumuler dans les
tuyaux du champ d’épuration.
89
Dans le cas de la ferme MH-2, tous les résidus laitiers sont redirigés vers
la plate-forme de stockage des fumiers. L’utilisation d’un adoucisseur
d’eau par cette ferme augmente la performance des savons tout en
améliorant la solubilité des gras. Ces deux éléments ont fort probablement
contribué à ce qu’il n’y ait aucune accumulation de gras dans la trappe.
Par contre, la trappe installée sur la ferme MH-2 a été très efficace dans
l’enlèvement des sédiments.
Il est intéressant de noter qu’une activité microbienne se développe dans
la trappe. Le taux d’accumulation du gras et son contenu en nutriments
ont baissé de la première à la seconde année dans le cas de la ferme
MH -1. En ce qui concerne la ferme MH-2, ce phénomène se traduit dans
la charge de sédiments présents dans la trappe. Le présent projet
démontre qu’il est important de vérifier toute accumulation dans la trappe
et d’en faire la vidange régulièrement. L’utilisation d’un adoucisseur d’eau
est recommandée et une gestion responsable des rejets de lait assure la
pérennité du système et son efficacité maximum.
« Le sol est un élément épurateur naturel, moins onéreux, plus écologique
et aussi satisfaisant que d’autres méthodes, lorsqu’il est correctement
conçu et opéré » (Germon, 1985). Dans le présent système, la surface du
champ d’épuration est plus grande que ce qui est généralement requis
pour un système conventionnel. Il occupe une surface de 0,45 ha ce qui
est 18 fois plus grandes que celles de 0,025 ha occupée normalement par
un champ d’épuration. Le fait d’occuper un espace plus grand réduit les
risques de saturation du sol et de perte de perméabilité. Le système a été
déterré à certains endroits au cours de l’été 2004 pour vérifier l’état du
champ d’épuration. Cette opération a permis de constater qu’il n’y avait
aucun blocage important des tuyaux et que le sol ne présentait aucun
signe de colmatage.
90
Par contre, une accumulation de gras a été remarquée dans les tuyaux du
champ de la ferme MH-1. Considérant le fait que cette dernière avait
laissé la graisse s’accumuler dans la trappe, il est probable que cela ait
nuit au travail du système. Cela nous indique donc qu’il faut faire attention
à l’accumulation de gras dans la trappe à graisse et en faire la vidange
mensuellement, tel que recommandé pour toute trappe à graisse.
L’absence de gravier sous les tuyaux du champ n’a eu aucun impact. En
hiver, nous présumons que le sol absorbe et emmagasine les nutriments
contenus dans les eaux usées et que ce dernier les rend disponibles pour
la végétation en culture lors de la saison estivale. Le besoin en nutriments
de cette végétation sur les sols de nos champs d’épuration assure la
pérennité du système en évitant une suraccumulation des nutriments dans
le sol qui réduirait la durée de vie de notre système. L’accumulation des
nutriments dans le sol, dans le temps et l’espace ainsi que la production
de gaz émanant du sol suite à l’établissement du système ont été
mesurées. L’activité microbienne du sol et le rendement de la culture ont
aussi été analysés, afin de vérifier tous les impacts qu’avait l’ajout de ces
eaux à la culture en place. La concentration moyenne d’azote total, de
phosphore total et de potassium total des eaux usées de laiterie des deux
fermes sont de respectivement 60, 50 et 80 kg / ha / an. Ces
concentrations correspondent aux nutriments requis pour une culture
fourragère comme le maïs à ensilage ou la luzerne. Le volume moyen
d’eau de laiterie produite est de 13,1 L / vache / jours pour la ferme MH-1
et 12,5 L / vache / jour pour la ferme MH-2. Lors de l’excavation des
champs durant l’été 2004, il a été vérifié que ce volume ne sature
aucunement les sols de nos champs d’épuration modifiés. Considérant
que cela représente une application de 17,5 mm / mois aucun impact
important sur la culture en place n’est prévu. Par contre, cet apport peut
réduire le risque de colmatage et d’argilisation/gleyification des sols en
place.
91
Les eaux usées de fermes laitières ont des caractéristiques physicochimiques qui leur sont propres. Les sols, le fonctionnement ainsi que le
type d’exploitation varient d’une ferme à l’autre. Il existe tout autant de
variation dans les systèmes de traitement. En ce qui concerne nos deux
fermes MH-1 et MH-2, le système septique modifié n’a pas d’impact
néfaste majeur sur la qualité des eaux de drainage. Après comparaison
des résultats d’analyses avant et après l’installation du système, les
analyses de sols démontrent une contamination significative de nutriments
dans les sols (P>0.05). Puisque cette accumulation est trop prononcée
pour la quantité de nutriments que peuvent apporter les eaux usées, il est
fort probable que ce point nécessite une étude plus approfondie. Le coût
du système et son efficacité à traiter les eaux usées des deux fermes
laitières à l’étude indiquent clairement que ce système est un concept
efficace et grandement apprécié par nos deux fermes. Le système de
fosse septique avec champ d’épuration modifié peut être une solution pour
la grande majorité des fermes laitières type du Québec. Cependant,
l’étude réalisée ne nous permet pas de généraliser et d’accepter d’emblée
l’efficacité du système pour toutes les fermes laitières type du Québec.
Chaque ferme doit être en mesure de choisir le système qui lui convient le
mieux. Les producteurs doivent également garder en tête qu’un système
de traitement des eaux usées de fermes laitières peut être très efficace
pour leur exploitation, mais sans une saine gestion de ce dernier, son
efficacité sera grandement diminuée.
Afin d’aider les producteurs à se familiariser avec les différents systèmes
de traitement, il serait intéressant de promouvoir les systèmes déjà en
place sur les fermes du Québec. Les autorités régionales devraient
appuyer les projets de recherches et les démonstrations de nouveaux
systèmes de traitement.
92
Au Québec, il se produit annuellement 28,5 millions d’hectolitres de lait
(La Presse, 2003). Vous pouvez vous imaginer le volume d’eaux usées
qui est associé à cette production! Il est important d’agir et de protéger
nos ressources.
93
6. Référence
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