Récupérer le phosphore et l’azote de l’urine pour délester les stations d’épuration

Une spin-off a mis au point un système électrochimique permettant de récupérer le phosphore et l’azote à partir de l’urine pour les réutiliser comme engrais. Traiter autant que possible les eaux usées en amont permet de moins solliciter les réseaux d’égouts et le circuit d’épuration. Nous avons rencontré Korneel Rabaey, professeur à la Faculté de génie des biosciences de l’Université de Gand (UGent) et Chief Technical Officer (CTO) de la société Capture.

Hydrohm, une spin-off de l’UGent, a mis au point un système électrochimique permettant de récupérer le phosphore et l’azote à partir de l’urine. Le phosphore et l’azote peuvent ensuite être réutilisés comme engrais pour les prairies et les parcs. « Le système fonctionne purement à l’électricité », dit Rabaey. « Le phosphore est le plus critique des nutriments. Une fois précipité et cristallisé, il peut facilement être transformé en engrais. L’azote est plus difficile à traiter mais on finit toujours par y arriver. » L’avantage du système, c’est qu’il ne nécessite aucun apport de produits chimiques comme du chlorure de sodium ou du sulfate de sodium. « Comme nous travaillons sans produits chimiques, cela ne génère également aucun résidu », dit Rabaey. « L’ajout de produits chimiques engendre en effet des flux de sels. Si la teneur en sels augmente, il sera également plus difficile de réutiliser l’eau. Et si l’on veut faire monter le pH, cela posera aussi problème. Les rejets de flux de sels sont aussi soumis à de nombreuses restrictions. Pour éliminer ces flux de sels, il faut passer par un processus d’osmose inverse, ce qui nécessite beaucoup d’énergie. »

Grands immeubles

L’UGent souhaite surtout viser les grands immeubles d’appartements et de bureaux. « Le projet n’est pas intéressant pour une seule maison individuelle mais il l’est pour des immeubles où vivent 100 ou 200 personnes », dit Rabaey. « Cela permet de récupérer suffisamment de nutriments. L’azote et le phosphore sont récupérés à intervalles fixes. Ils peuvent être valorisés, par exemple pour fertiliser des espaces verts dans les villes. La réalité démontre que ces nutriments ont une valeur très limitée. C’est une illusion de croire qu’ils pourront se vendre. N’essayez pas d’en faire un business. Beaucoup de digesteurs anaérobies doivent encore payer pour s’en débarrasser. »

Urinoir avec séparation à la source

Les bâtiments sont équipés d’un « urinoir avec séparation à la source » doté d’une chasse à faible débit. « Il faut quand même utiliser un peu d’eau pour tout rincer convenablement », dit Rabaey. « Cela permet de faire des économies d’eau. Nous préférons éviter les toilettes à dépression car elles consomment beaucoup d’énergie. Ces toilettes comportent aussi beaucoup de parties mobiles comme des pompes. Les urinoirs sans eau ne conviennent pas non plus car ils utilisent beaucoup de produits chimiques. Ils contiennent des cartouches pour réduire les odeurs et l’entartrage. J’estime qu’il faut toujours un petit peu d’eau pour tout rincer convenablement. » Ensuite, on procède à la séparation à la source. Le flux de liquides est collecté séparément des matières solides et est évacué via une canalisation distincte.

Selon le professeur, l’élimination de l’urine des eaux usées constitue une grande étape vers la fermeture du circuit de l’eau. Ce sera surtout bénéfique pour l’épuration de l’eau. « Le fait que l’urine soit éliminée des flux d’eaux usées présente beaucoup d’avantages », dit Rabaey. « Ces flux ne contiennent plus de sels. Mais le principal avantage revient à l’épuration de l’eau. Si les eaux usées contiennent peu d’azote et de phosphore, nous pouvons les traiter très rapidement et correctement. Si au stade de l’épuration de l’eau il ne faut plus éliminer l’azote ou le phosphore, cette étape sera plus facile à assurer et consommera moins d’énergie. La séparation à la source des nutriments offre beaucoup d’avantages.

Epuration classique

Actuellement, 80 pour cent de l’azote et plus de 60 pour cent du phosphore aboutissent dans les égouts via les eaux usées. Les eaux usées contiennent en moyenne 50 g d’azote par mètre cube. « C’est un flux très concentré avec quelques grammes d’azote par litre », dit Rabaey. « Une grande quantité d’eau est collectée en de nombreux endroits pour être transportée vers un circuit d’épuration. Mais le flux d’urine est dilué avec le reste des eaux usées. On a de ce fait des eaux usées diluées qui se retrouvent dans le circuit d’épuration d’eaux usées. La récupération de l’urine est très difficile parce que les flux sont fort dilués. C’est comme chercher une aiguille dans une botte de foin. Cela génère une grande complexité. La récupération devient difficile. L’élimination de l’azote et du phosphore requiert beaucoup d’énergie dans cette phase d’épuration. »

Oxydation

Quand on veut éliminer l’azote et le phosphore au stade de l’épuration de l’eau, il faut d’abord oxyder ce flux en nitrate. « Pour ce faire, il faut beaucoup d’oxygène », explique Rabaey. « Le processus d’élimination de l’azote par nitrification et dénitrification requiert un âge des boues élevé. Cela impose une limitation sur le fonctionnement du circuit d’épuration. L’eau riche en nitrate doit alors être mise en contact avec des matières organiques pour que le nitrate puisse être réduit en azote gazeux. Celui-ci est converti dans l’atmosphère. Et l’élimination de l’azote par la méthode classique revient cher aussi. Cela coûte entre 1 et 2 euros par kilogramme d’azote. » De nombreux facteurs entrent aussi en jeu dans l’élimination du phosphore par l’épuration de l’eau classique. « Pour éliminer le phosphore, il faut doser du chlorure de fer à la sortie de votre station d’épuration », dit Rabaey. « Cela permet de maintenir la teneur en phosphate aussi faible que possible. Nous pouvons tout éliminer mais cela nécessite de l’énergie et des produits chimiques. L’épuration classique est surtout dimensionnée pour éliminer des nutriments. C’est le facteur limitatif. A l’heure actuelle, on a plutôt recours à l’élimination classique des nutriments. Cela présente donc des inconvénients. »

Impact

Selon le Professeur Rabaey, l’élimination du phosphore et de l’azote est également importante pour les réseaux d’égouts. « Grâce à notre projet, le flux est totalement traité, ce qui permet de délester les égouts. L’urine peut aussi être nocive pour les égouts. Mais ce n’est pas tout. La présence d’azote dans les égouts entraîne d’éventuelles émissions de gaz à effet de serre, lors de l’évacuation de l’eau. Cet azote subit toute une série de conversions dans les égouts. Cela peut générer du protoxyde d’azote (N₂O). C’est un gaz à effet de serre très puissant, 240 fois plus puissant que le CO₂. Si on a de petites quantités d’émissions de protoxyde d’azote, cela va vite entraîner des émissions CO₂ équivalentes en CO₂. Nous devons abandonner ces égouts car ils provoquent aussi des émissions. On ne connaît pas très bien la contribution des systèmes d’égouts aux émissions globales. »

Le professeur Rabaey plaide pour investir le moins possible dans les égouts ou leurs extensions. « Ils représentent un coût très élevé et sont totalement superflus », dit Rabaey. « Chaque année, on enfouit jusqu’à 500 millions d’euros de béton dans le sol. A l’heure actuelle, le sol contient déjà l’équivalent de 50 milliards d’euros en systèmes d’égouts. C’est un coût d’investissement élevé qui entraîne des frais d’entretien élevés. Et c’est beaucoup trop. Je plaide donc pour un traitement des flux autant que possible sur site, de façon que les eaux usées assainies puissent être réintroduites dans l’environnement au niveau local. Notre projet démontre qu’il faut aborder les choses le plus en amont possible, près de la source des eaux usées. Ainsi devrons-nous pomper et transporter moins d’eau, ce qui réduira les coûts. Ne pouvons-nous pas utiliser plus de technologie en amont pour que les systèmes d’égouts ne soient plus nécessaires ? Le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC) des Nations Unies commence déjà à tenir compte de l’impact du secteur de l’eau. »

Expert en hydrologie

Korneel Rabaey est expert en hydrologie à l’UGent. Les principaux axes de recherche du professeur Korneel Rabaey concernent la récupération de ressources à partir des eaux usées, les traitements décentralisés, les flux annexes liquides industriels et les flux de CO₂ dans l’industrie. Généralement, on utilise une combinaison d’approches électrochimiques et/ou microbiennes pour aboutir à la création de produits à valeur ajoutée. Il dirige actuellement différents projets de développement concernant la récupération de matières organiques, la fermentation, la conversion de CO₂ en substances organiques et les équipements sanitaires dans les bidonvilles en Inde.

CMET

Korneel Rabaey est associé au Centre d’Ecologie et de Technologie Microbiennes (CMET) au sein de l’UGent. Le CMET fait partie de la Faculté de génie des biosciences de l’Université de Gand, Département de Biotechnologie, et se compose d’environ 90 universitaires et personnels techniques et administratifs. Créé en 1978, le Centre d’Ecologie et de Technologie Microbiennes (CMET) de l’Université de Gand est spécialisé dans l’étude et l’utilisation de cultures ou communautés microbiennes mixtes destinées principalement au développement de technologies. Par ailleurs, le centre collabore étroitement avec plusieurs institutions à l’étranger, notamment l’Université de Californie à Berkeley et l’Université du Queensland en Australie.