Développement décentralisé, fermé

Jan 07, 2024

6 juin 2023

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par Michael Keller, ETH Zurich

Loin des yeux, loin du cœur : nous évacuons les déchets humains depuis l'invention des égouts, en utilisant de grandes quantités d'eau douce pour les expulser de nos maisons et de nos villes aussi vite que les tuyaux peuvent les transporter. Les systèmes d'eau urbains modernes sont largement considérés comme l'une des plus grandes réalisations du siècle dernier. Ils nous fournissent de l'eau potable, acheminent nos eaux usées vers des stations d'épuration et détournent les eaux de pluie des agglomérations.

"En conséquence, nous bénéficions de conditions de vie sèches et hygiéniques, deux des piliers de la santé publique dans les zones urbaines densément peuplées", déclare Max Maurer, professeur de systèmes d'eau urbains à l'ETH Zurich et à l'Eawag, l'Institut fédéral suisse des sciences et technologies aquatiques, qui fait partie du domaine des EPF.

Pour y parvenir, les pays industrialisés ont construit une grande quantité d'infrastructures, d'une valeur d'environ 230 milliards de francs suisses rien qu'en Suisse. Mis bout à bout, les quelque 200 000 kilomètres de conduites d'eau et d'assainissement de la Suisse feraient cinq fois le tour du globe. Le vaste réseau d'égouts souterrains achemine les eaux usées vers près de 800 stations d'épuration centralisées.

Cette approche des infrastructures hydrauliques a fait ses preuves dans les pays industrialisés et pendant des décennies, elle a également été considérée comme une référence pour le reste du monde. "Mais la vérité est que les systèmes d'eau urbains conventionnels ne sont plus durables", déclare Maurer.

Kai Udert, professeur à l'Institut d'ingénierie environnementale de l'ETH Zurich et chercheur principal à l'Eawag, est tout aussi sceptique quant aux infrastructures hydrauliques conventionnelles. "Nous utilisons de l'eau potable pour diluer les matières fécales, l'urine et l'eau légèrement sale des salles de bains et des cuisines et les faire passer par le système d'égouts - c'est manifestement absurde." il dit.

Udert, un expert en génie des procédés, considère les eaux usées non pas comme des déchets nauséabonds qu'il faut éliminer, mais plutôt comme une ressource précieuse qui doit être correctement exploitée. Son explication de la raison pour laquelle nous devons adopter une nouvelle approche est simple. "Les eaux usées sont l'un des derniers flux de déchets linéaires", dit-il. "Nous éliminons tout de la même manière, que ce soit propre ou sale. C'est inefficace et cela crée toutes sortes de problèmes que les gens essaient de résoudre depuis des années." Par exemple, les systèmes conventionnels gaspillent non seulement d'énormes quantités d'eau et d'énergie, mais aussi des nutriments précieux qui, s'ils ne sont pas réinjectés dans le cycle, finissent par endommager l'environnement.

Pendant ce temps, les défis se multiplient : l'industrie des eaux usées lutte pour faire face au changement climatique, au vieillissement rapide des infrastructures, à une population en plein essor et à une urbanisation croissante, ainsi qu'à une nouvelle pression sur les stations d'épuration pour éliminer les micropolluants.

Maurer et Udert soutiennent qu'il est temps de repenser. Ils appellent à un changement de paradigme, passant d'une poignée d'usines centralisées à un système décentralisé de traitement des eaux usées basé sur une infrastructure d'eau modulaire. Cela nous donnerait un moyen plus efficient et plus efficace de gérer les ressources en eau urbaines.

"Pensez à des systèmes compacts, très efficaces et décentralisés qui offrent un traitement flexible des eaux usées au niveau local - c'est l'alternative que nous proposons", déclare Maurer. A l'Eawag, Udert et Maurer ont passé des années à développer des procédés adaptés aux installations de traitement à petite échelle. Leur travail est basé sur les trois principes clés qui sous-tendent un système d'assainissement en boucle fermée conçu pour conserver et récupérer les ressources.

La séparation à la source - également connue sous le nom d'assainissement NoMix - vise à séparer les eaux usées en ses différentes fractions, car les déchets humains et l'eau sont beaucoup plus faciles à traiter et à recycler s'ils ne sont pas mélangés en premier lieu.

La récupération des ressources prend diverses formes : des nutriments tels que l'azote et le phosphore peuvent être obtenus à partir de l'urine et des matières fécales, tandis que les eaux grises - les eaux usées légèrement sales des cuisines, des salles de bain et des machines à laver - peuvent être traitées et réutilisées plusieurs fois. L'énergie thermique est également récupérée. De même, l'application d'éléments nutritifs récupérés dans les champs sous forme d'engrais ferme le cycle des éléments nutritifs, ce qui profite à l'environnement et réduit la dépendance vis-à-vis des importations d'engrais minéraux phosphorés.

Le troisième principe, la décentralisation, vise à éliminer le transport coûteux de l'eau par des systèmes de canalisations gérés de manière centralisée en garantissant que les eaux usées et les déchets peuvent être traités aussi près que possible de la source.

Les chercheurs développent et testent de nouvelles technologies de traitement des eaux usées dans le sous-sol du NEST, le bâtiment de recherche et d'innovation géré par l'Eawag et l'Empa, les Laboratoires fédéraux suisses pour la science et la technologie des matériaux. Certains des procédés qu'ils utilisent sont issus de projets de recherche lancés il y a plus de 15 ans pour développer des solutions d'assainissement hors réseau pour les pays du Sud.

Des exemples bien connus incluent Vuna et Blue Diversion Autarky, qui offrent un moyen sûr et abordable d'éliminer les eaux usées sans nécessiter un système d'égouts combiné et des usines de traitement centralisées.

Vuna signifie « Valorisation des nutriments urinaires en Afrique ». Dans cette approche, co-développée avec l'ETH Zurich, l'urine collectée séparément est transformée en engrais dans une station d'épuration située à distance. Le deuxième projet a donné naissance aux toilettes Blue Diversion Autarky, un système qui collecte et traite l'urine et les matières fécales et collecte et recycle l'eau de chasse dans des modules séparés logés dans une structure unique.

Elizabeth Tilley ne comprend que trop bien l'importance des systèmes d'assainissement décentralisés qui ne nécessitent pas d'approvisionnement en eau. Pourtant, dans de nombreuses régions du monde, des concepts fondamentalement nouveaux sont nécessaires pour que cela fonctionne. Tilley a commencé sa carrière de chercheur à l'Eawag et a terminé son doctorat dans le cadre du projet de recyclage des nutriments Vuna en Afrique du Sud, dirigé par Udert. Aujourd'hui, elle est professeure d'ingénierie de la santé mondiale à l'ETH Zurich, où elle et son groupe de recherche travaillent à la conception de solutions abordables et socialement acceptables pour la protection de la santé humaine et de l'environnement.

Quelque 2,3 milliards de personnes dans le monde utilisent des systèmes d'assainissement autonomes tels que des latrines à fosse. Ceux-ci servent de barrière initiale aux agents pathogènes liés aux excréments, mais la vidange régulière des latrines crée son propre ensemble de problèmes. Si les boues sont simplement déversées dans l'environnement ou laissées sans traitement, le risque de propagation d'agents pathogènes et le potentiel d'épidémies de maladies telles que le choléra sont élevés.

Il existe un besoin urgent de technologies décentralisées robustes, abordables et faciles à utiliser. Une technologie prometteuse est un réacteur de biogaz anaérobie qui est essentiellement un gros ballon en caoutchouc. Cela traite les boues fécales dans une certaine mesure, mais pas suffisamment pour les rendre sûres pour leur élimination. Du côté positif, cependant, le processus produit un sous-produit utile sous la forme d'un gaz riche en méthane (biogaz), qui peut être utilisé pour la cuisson, tout comme le propane ou le gaz naturel.

En collaboration avec la société d'ingénierie kenyane Opero et un fournisseur mexicain de réacteurs à biogaz, Tilley et son équipe ont cherché à découvrir s'ils pouvaient utiliser le biogaz dérivé des boues pour alimenter un pasteurisateur qui chaufferait ensuite l'effluent à une température suffisamment élevée pour tuer tous les agents pathogènes.

Julia Jäggi, étudiante en master au Département de génie mécanique et des procédés, a passé trois mois dans la ville kenyane de Kisumu, sur les rives du lac Victoria, pour concevoir et tester un pasteurisateur capable de traiter les déchets d'environ 500 personnes par jour. "L'ingénierie en laboratoire est une chose, mais cela a vraiment mis notre flexibilité et notre créativité à l'épreuve ! Chaque jour consistait à résoudre des problèmes à la volée et à tirer le meilleur parti des ressources dont nous disposions", déclare Jäggi. Tilley est convaincu que son système sera bientôt prêt à être déployé et aidera à prévenir les maladies infectieuses.

Il ne fait aucun doute que l'eau représente l'un des plus grands défis du futur. Utiliser cette ressource avec intelligence et parcimonie est essentiel, tant en Suisse qu'à l'étranger. «Les concepts que nous avons développés pour les pays les plus pauvres il y a 15 ans deviennent de plus en plus pertinents pour la Suisse. Nous récoltons maintenant les fruits de ces connaissances», déclare Udert.

Maurer et Udert pensent que nous verrons bientôt des stations d'épuration modulaires dans les zones urbaines et des réacteurs compacts pour traiter les eaux usées dans les maisons. Le projet de recherche COMIX, co-dirigé par Maurer, a récemment examiné l'utilisation potentielle des technologies modulaires dans le secteur suisse de la gestion de l'eau. Ses résultats suggèrent que la proportion de stations d'épuration décentralisées pourrait passer de 2,5 % à 50 % à terme.

Les chercheurs voient également une opportunité pour la Suisse d'accélérer ses efforts pour rendre ses infrastructures hydrauliques respectueuses du climat. Cela lui donnerait l'avance nécessaire pour se positionner comme un marché leader pour le développement et les tests de systèmes d'eau modulaires. Au fil des ans, la Suisse a accumulé une vaste expertise dans tous les aspects de la gestion des ressources en eau, notamment grâce à ses hautes écoles spécialisées, à l'industrie et aux institutions du Domaine des EPF. "Pourtant, cette expertise est restée largement inexploitée", déclare Maurer.

Il faudrait un effort concerté de la recherche, de l'industrie et du secteur public pour mener les projets pilotes nécessaires pour démontrer la faisabilité de ces connaissances appliquées et créer ensuite un premier marché. "Mais en ce qui concerne les processus, le savoir-faire et les ressources financières, tout est déjà là", déclare Udert.