Gérer différemment l’azote

Parfois nous faisons des choses étranges. Par exemple, pour fabriquer des engrais, nous collectons tous de l’azote dans l’atmosphère, ce qui nécessite d’énormes quantités d’énergie. Cet azote se retrouve dans l’eau. Nous déployons ensuite d’énormes efforts pour éliminer cet azote de l’eau et le réinjecter dans l’atmosphère. Un projet ambitieux vise à clore ce cycle grâce à une combinaison d’électrodialyse et d’extraction membranaire. Une installation d’essai voyage à présent à travers l’Europe.

Nous avons un problème d’azote. Cela se présente ainsi. Aujourd’hui, les engrais azotés (et autres produits) sont fabriqués à partir d’ammoniac, qui est principalement fabriqué par le procédé Haber Bosch. Ce processus tire l’azote (N₂) de l’atmosphère et le fait réagir avec de l’hydrogène (H₂) pour produire de l’ammoniac (NH₃). Cela nécessite des quantités hallucinantes d’énergie : environ 1 à 2 % de la consommation mondiale d’énergie y est consacrée. Toute cette consommation d’énergie, par exemple par combustion de gaz naturel, entraîne également d’énormes émissions de gaz à effet de serre. Le Dr. Philipp Kuntke, chef de projet auprès de l’Institut néerlandais Wetsus affirme : « Si nous utilisons cet engrais azoté pour les cultures vivrières et que nous les mangeons, nous excrétons à nouveau l’azote et il finit dans les eaux usées. Ces eaux usées sont traitées dans les stations d’épuration. En principe, l’épuration s’y fait en deux étapes d’extraction de l’azote de l’eau. La première étape convertit l’azote ammoniacal en nitrate et nitrite, qui dans une deuxième étape sont convertis en azote N₂, qui est rejeté dans l’atmosphère. Une grande partie de l’azote aboutit également dans les boues, donc sous forme de biomasse. Si cette biomasse est décomposée dans un digesteur, de l’azote ou de l’ammoniac est à nouveau libéré. Mais la plupart du temps cet ammoniac est ramené au début de l’installation d’épuration. Il peut s’agir d’une installation conventionnelle ou, par exemple, d’Anammox, une technologie d’extraction de l’azote des eaux usées. Dans les deux cas, l’azote est finalement renvoyé dans l’atmosphère. »

Il y a deux problèmes avec cet état de fait, affirme Philipp Kuntke. « Le procédé Haber-Bosch, qui extrait l’azote de l’atmosphère pour le convertir en ammoniac, est très énergivore. Beaucoup d’énergie est également nécessaire pour reconvertir en azote l’ammoniac dissous dans l’eau. De plus, des substances sont libérées pendant l’oxydation avec des effets secondaires nocifs. Par exemple, le N₂O : c’est un gaz à effet de serre qui a un potentiel de réchauffement global dépassant de 300 celui du CO₂. »

« Dans une première étape nous utilisons l’électrodialyse. Dans une seconde étape nous récupérons l’azote sous forme de sulfate d’ammonium ou de nitrate d’ammonium. »

Extraction membranaire

Wetsus veut remédier à cette situation. Il le fait à travers le consortium européen de connaissances Newbies. Newbies est l’acronyme de Nitrogen Extraction from Water By an Innovative Electrochemical System (Extraction de l’azote de l’eau grâce à un système électrochimique innovant). Le projet a démarré en juillet 2018 et doit durer jusqu’en 2021. Les partenaires sont non seulement Wetsus, mais aussi W&F Technologies, Evides Industriewater et Icra. Ils ont intégré une installation de démonstration mobile dans un conteneur maritime. Elle extrait l’azote de divers flux de déchets : eau de rejet d’un digesteur, urine et eau de lixiviation d’une décharge. Leur objectif est de récupérer un kilogramme d’azote chaque jour.

L’installation Newbies utilise une combinaison d’EDBM (ElectroDialysis by Bipolar Membranes/Électrodialyse par membranes bipolaires) et de désorption de gaz. Pour lier l’azote ammoniacal, un acide externe doit aujourd’hui encore être ajouté à ce processus, mais les chercheurs s’attendent à ce qu’à long terme cela ne soit plus nécessaire.

« Il y a deux étapes », continue Philipp Kuntke. « Dans une première étape nous utilisons l’électrodialyse. Pour cela, vous utilisez de l’électricité et des membranes d’échange d’ions spéciales pour concentrer l’azote issu des eaux usées. Dans un deuxième temps, vous récupérez l’azote que vous avez extrait, sous une forme utilisable, à savoir sous forme de solution de sels d’ammonium. Pour cette deuxième étape, nous utilisons une membrane perméable aux gaz avec beaucoup d’ammoniac d’un côté. Du fait de la différence de concentration au niveau de cette membrane, cet ammoniac est attiré du côté acide et y est stocké comme engrais, par exemple du sulfate d’ammonium ou du nitrate d’ammonium, selon l’acide que vous utilisez. »

Trois destinations

L’installation de démonstration mobile voyage dans un conteneur vers trois destinations. Philipp Kuntke : « Jusqu’à récemment elle se trouvait en Espagne, à Gérone. Là, nous l’avons utilisée pour une eau de rejet de digesteur. En avril, elle a été amenée à Leeuwarden, au nord des Pays-Bas. Là, elle traite de l’urine. Fin 2020, elle partira pour Middelburg, au sud des Pays-Bas. Là, elle traitera le lixiviat de plusieurs décharges. Pour chacun de ces trois flux, le système est en grande partie identique. Il y a toutefois quelques différences dans le prétraitement que nous devons effectuer. »

Dans l’ensemble, le plus grand risque lié à ces trois flux est la pollution des membranes par des particules solides et des hydrocarbures.

Les chercheurs veulent récupérer jusqu’à un kilogramme d’azote par jour avec cette installation. « À Gérone, les eaux usées contiennent de faibles concentrations d’ammoniac, nous devons donc traiter deux à trois mètres cubes d’eaux usées par jour. Si vous regardez l’effluent suivant, l’urine, nous aurons besoin de très peu d’urine pour récupérer un kilogramme d’azote par jour : environ 250 litres. Cela correspond aux mictions quotidiennes de 250 personnes. »

« Dans les situations où il y a peu d’espace pour s’étendre, les gens penseront à notre système à l’avenir. »

Questions et réponses

« Nous devons encore finaliser le système. Quels sont les paramètres corrects pour traiter de grandes quantités d’eau ? Qu’est-ce qui est nécessaire pour le prétraitement de ce flux d’eau ? D’autres flux doivent-ils aboutir à cet endroit pour arriver à un produit final pour lequel il existe un marché ? Nous vérifions : est-ce techniquement possible ? Et aussi sur le plan économique ? Combien coûte en fait l’énergie ? Et quelles sont les économies d’énergie réalisées par rapport à la méthode actuelle ? »

Question importante : peut-on utiliser absolument le produit final, sulfate ou nitrate d’ammonium, comme engrais ? Philipp Kuntke : « Peut-être que le sulfate d’ammonium n’est pas le produit le plus intéressant si l’objectif est de le commercialiser comme produit azoté. On pense alors au nitrate d’ammonium, qui est constitué de plus d’azote. À mi-parcours du projet nous allons examiner la meilleure utilisation finale du produit fini : que demande l’utilisateur final ? Qu’est-ce qu’il aimerait ? »

Circuit fermé

En principe, dit Philipp Kuntke, le système peut extraire, en volume, beaucoup d’azote par rapport à l’extraction ordinaire d’azote. « Nous estimons également que nous pouvons éliminer deux à trois fois plus d’azote en volume qu’Anammox. Dans les situations où il y a peu d’espace pour s’étendre, les gens penseront à notre système à l’avenir. En fin de compte, je crois que notre système de récupération des nutriments jouera un rôle important à l’avenir. C’est un système très flexible : on peut le rendre très grand ou très petit. De cette façon, nous nous rapprochons pas à pas de l’objectif : boucler les cycles. C’est ce qui me tient à cœur. »

Par Koen Vandepopuliere

www.wetsus.nl