La transition d'un modèle linéaire de «prise-make-dispose» à une économie circulaire consiste à remodeler la gestion des ressources entre les industries, ce qui n'est nulle part plus critique que dans le traitement des eaux usées et la récupération des nutriments.

Comprendre les principes de l'économie circulaire

Contrairement au modèle linéaire traditionnel, il repose sur trois principes fondamentaux : concevoir les déchets et la pollution, conserver les produits et les matériaux en usage et régénérer les systèmes naturels. Appliquées à la gestion de l'eau et des nutriments, ces principes remettent en question l'hypothèse selon laquelle les eaux usées sont un problème d'élimination.

Dans la pratique, cela signifie que les installations de traitement des déchets passent des centres de récupération des ressources.Le plan d'action de l'Union européenne pour l'économie circulaire inclut explicitement les boucles d'eau et de nutriments, reconnaissant que la fermeture de ces cycles est essentielle pour une agriculture durable et une santé environnementale.

Récupération des nutriments dans le traitement des eaux usées

Les eaux usées contiennent des quantités importantes d'azote et de phosphore, éléments nutritifs qui, lorsqu'ils sont rejetés dans les cours d'eau, sont des sources d'énergie renouvelables et d'eutrophisation. Pourtant, ces mêmes éléments nutritifs sont des ressources limitées. La roche phosphatée, principale source d'engrais phosphorés, est une ressource non renouvelable qui doit être épuisée.

Pourquoi l'azote et le phosphore

L'eutrophisation entraîne des zones mortes dans les lacs et les zones côtières, comme la zone hypoxique du golfe du Mexique. En récupérant ces nutriments dans les usines de traitement, nous pouvons fermer la boucle, les renvoyant à l'agriculture comme engrais sûrs et à libération lente au lieu de leur permettre de polluer les plans d'eau.

Méthodes de récupération des éléments nutritifs

Plusieurs technologies ont été mises au point pour extraire les nutriments des eaux usées, chacune présentant des avantages et des applications spécifiques.

  • Précipitations de struvite — Magnésium cristallisant, ammonium et phosphate dans la struvite (MgNH4PO4·6H2O), engrais à libération lente. Cette méthode récupère le phosphore et l'azote et réduit l'échelle dans les tuyaux.
  • Décaptage et absorption de nitrogène — Conversion de l'ammonium dans les flux de déchets à haute résistance (par exemple, centrate de digesteur) en gaz d'ammoniac, puis capture dans une solution acide pour former un engrais de sulfate d'ammonium.
  • Élimination biologique des éléments nutritifs — Utilisation de populations bactériennes spécifiques pour convertir et capturer l'azote et le phosphore dans les biosolides. Bien que le BNR soit principalement destiné à l'élimination, le traitement ultérieur peut récupérer ces éléments nutritifs pour l'application des terres.
  • Échange d'ions et filtration des membranes[ — Technologies émergentes qui capturent sélectivement les ions ammonium ou phosphate à l'aide de résines ou de membranes, permettant une récupération à haute pureté.
  • Systèmes à base d'algues[ — Cultivation des algues dans les eaux usées pour absorber les nutriments; la biomasse récoltée peut être utilisée comme biofertilisant ou comme matière première pour la production de biogaz.

Parmi ces systèmes, la récupération de struvite est la plus mature commercialement, avec des installations dans le monde entier, y compris l'usine de récupération de l'eau Stickney à Chicago et la slough de la plante Despond au Royaume-Uni.

Gestion circulaire des eaux usées au-delà des éléments nutritifs

Bien que la récupération des nutriments soit un élément central, un système d'eaux usées vraiment circulaires capte des flux de valeur multiples. Les installations modernes de récupération des ressources en eau (FRRF) traitent l'eau à une qualité qui convient à la réutilisation, captent l'énergie de la matière organique et produisent des biosolides qui enrichissent le sol.

Récupération intégrée des ressources

Une station d'épuration circulaire produit :

  • Eau reculisée[ — Convient pour l'irrigation, les procédés industriels ou la réutilisation potable après traitement avancé, réduisant l'extraction d'eau douce.
  • Biogas — Capturés par la digestion anaérobie des boues, utilisés pour produire de la chaleur et de l'électricité. Certaines usines obtiennent une autosuffisance énergétique ou même une production énergétique positive nette.
  • Biosolides — Matières solides traitées riches en matières organiques et en nutriments, appliquées sur les terres agricoles comme conditionneur du sol.
  • Chauffe — Récupéré des effluents par des pompes à chaleur, fournissant le chauffage urbain ou la chaleur du bâtiment.

La Fédération de l'environnement aquatique préconise ce changement de paradigme, en rebaptisant les stations de traitement comme «installations de récupération des ressources» pour refléter leur potentiel économique et environnemental.

Avantages des systèmes d'égout circulaire

L'adoption de principes d'économie circulaire dans la gestion des eaux usées présente de multiples avantages:

  • Protection de l'environnement[ — Réduction de la pollution par les éléments nutritifs, réduction des émissions de gaz à effet de serre résultant de la production d'engrais évités et réduction de l'extraction d'eau douce.
  • Épargne économique — Coûts d'élimination réduits, recettes provenant des ventes d'engrais et d'énergie, et dépendance réduite à l'importation pour les matières premières comme la roche phosphatée.
  • Soutien agricole[ — Fourniture fiable d'engrais produits localement, améliorant la résilience du système alimentaire.
  • Efficacité énergétique[ — Capturer du biogaz et de la chaleur réduit l'empreinte carbone de l'usine et les coûts d'exploitation.
  • Sécurité de l'eau — L'eau régénérée fournit une source d'eau résistante à la sécheresse pour des utilisations non potables, particulièrement utiles dans les régions soumises à des contraintes hydriques.

Difficultés rencontrées dans la mise en œuvre

Malgré les avantages évidents, l'adoption généralisée de la récupération circulaire des nutriments se heurte à de véritables obstacles.

Les coûts technologiques — L'installation et l'exploitation de systèmes de récupération (surtout de réacteurs à struvite ou d'unités membranaires) nécessitent des investissements en capital.

Barrières réglementaires et de qualité[ — Les nutriments récupérés doivent satisfaire aux normes de sécurité pour les métaux lourds et les agents pathogènes avant de pouvoir être commercialisés comme engrais.Les règlements varient selon les régions et peuvent être lents à s'adapter aux nouveaux produits.

Limitations d'infrastructures[ — Les systèmes d'égout existants ont été conçus pour être enlevés et non pour être récupérés.

Acceptation du marché — Les agriculteurs et les entreprises d'engrais peuvent hésiter à adopter des nutriments récupérés en raison de leur méconnaissance, de leur composition incohérente ou de la concurrence des prix avec les produits synthétiques établis.

Les lacunes en matière de politiques et de financement[ — Sans subventions, crédits de carbone ou mandats de récupération des éléments nutritifs, l'analyse de la situation économique repose sur des prix bas de l'électricité et des coûts élevés de mise en décharge/incinération.

Orientations futures et innovations

La prochaine décennie promet des progrès importants en ce qui concerne la récupération des nutriments et la gestion circulaire des eaux usées plus accessible et plus efficace.

Systèmes décentralisés

La séparation des eaux usées à la source (par exemple, les toilettes pour le détournement d'urine) permet d'augmenter les concentrations de nutriments, réduisant ainsi les apports énergétiques et chimiques nécessaires à la récupération.

Récupération électrochimique

De nouvelles méthodes utilisant des électrodes pour capturer l'ammonium et le phosphate sont en cours de développement, qui peuvent fonctionner à faible énergie et sans ajout chimique, ce qui les rend adaptés aux petites ou moyennes plantes.

Jumelles numériques et contrôle de l'IA

En modélisant les processus de traitement en temps réel, les jumeaux numériques peuvent optimiser le dosage chimique et la gestion du flux pour maximiser les rendements de récupération des nutriments tout en minimisant l'utilisation d'énergie.

Approches bio-basées

La recherche sur les microorganismes de génie qui hyper-accumulent le phosphore ou produisent de l'ammoniac directement à partir des eaux usées progresse. La culture des algues intégrées aux bioréacteurs membranaires est prometteuse pour la capture de nutriments à haut taux.

Catalyseurs politiques

La révision du règlement sur les produits de la pêche de l'Union européenne, qui comprend les éléments nutritifs récupérés (p. ex., struvite et biostimulants), crée un marché unique pour les engrais recyclés.

Conclusion

Les principes de l'économie circulaire offrent une feuille de route convaincante pour transformer la gestion des eaux usées d'un centre de coûts en une source de valeur.En priorisant la récupération des nutriments, la réutilisation de l'eau et la production d'énergie, les services publics peuvent protéger les écosystèmes, réduire la dépendance à l'égard des ressources importées et soutenir une agriculture durable.