Eaux usées urbaines: l’émergence d’une nouvelle ressource

Demain les stations d’épuration des eaux usées urbaines seront bien plus que des usines de dépollution. Elles produiront de multiples ressources : de l’eau réutilisable pour les besoins humains, de l’énergie verte, du bioplastique ou des matières minérales. Pour faire entrer l’assainissement dans l’ère de l’éco-économie, les chercheurs associent biotechnologies, biochimie et microbiologie avec génie des procédés et mathématiques appliquées.

Aujourd’hui, la fonction essentielle d’une station d’épuration est de dépolluer les eaux usées pour en faire de l’eau propre qui puisse être rejetée dans les cours d’eau ou dans la mer sans dommage pour les milieux naturels ou pour la santé publique. L’objectif est donc de conserver la qualité des ressources malgré l’activité humaine croissante.

Une station d’épuration consomme beaucoup d’énergie et de produits chimiques, génère indirectement des gaz à effet de serre et une quantité importante de résidus, surtout des boues. Ces dernières représentent 55 à 60 % de la matière organique entrante. Dans la majorité des cas, elles sont déshydratées avant d’être soit incinérées comme les déchets ménagers, soit épandues dans les champs comme amendement organique.

Les recherches classiques visent à minimiser les impacts des procédés de dépollution sur l’environnement : limiter les consommations énergétiques, les émissions de gaz à effet de serre, les nuisances olfactives, la production de boues. Mais il faut aller plus loin : faire évoluer la fonction même de la station d’épuration, pour que les eaux usées soient non seulement dépolluées mais aussi recyclées. C’est une nécessité dès lors que l’on travaille dans une perspective de développement durable. Il va falloir épurer mieux et plus rapidement, et, par une nouvelle gestion des eaux usées, contribuer à baisser la pression sur les ressources naturelles, qui ne se renouvellent pas au rythme où nous les consommons, du fait principalement de la croissance démographique et des modes de production et de consommation des sociétés industrialisées. Il s’agit non seulement des ressources en eau douce – le stress hydrique étant amplifié par des phénomènes climatiques – mais aussi des combustibles fossiles et des matières premières. Il s’agit de concevoir le traitement des eaux usées selon une logique de cycle. Ce que je reçois, comment puis-je le transformer à des fins utiles ? Autrement dit, comment recycler au maximum les eaux usées et leurs constituants ?

À l’horizon 2020-2025, la station d’épuration produira non seulement de l’eau propre, pour partie directement réutilisable, mais aussi des bioénergies et des biomatériaux. Cette mutation repose sur un changement de regard. Plutôt que de voir les eaux usées comme des eaux chargées en polluants, considérons-les comme des ressources ! Cela conduit à faire évoluer nos procédés : au lieu d’enlever les polluants par étapes successives pour obtenir de l’eau propre, extrayons les ressources les unes après les autres, à commencer par l’eau, pour les recycler et produire et de l’eau propre, et de l’énergie et des matières organiques et minérales. Traitons les polluants en fin de chaîne, une fois qu’ils seront concentrés dans un flux très faible.

Il s’agira de séparer les eaux usées en deux parties, par exemple par un tamisage très fin : un flux important d’eau clair et un flux faible d’eaux usées très concentrées. On commencera donc par extraire une eau à très faible teneur en polluants, de qualité proche de celle d’une ressource en eau de surface avant potabilisation.

Les eaux usées, ressource en eau

La réutilisation des eaux usées se pratique déjà : à 100 % dans des situations extrêmes – station spatiale, station Concordia dans l’Antarctique ou théâtres d’opérations militaires – et à 20 % environ dans des pays soumis à un grand stress hydrique, en Australie ou au Moyen Orient par exemple. Il doit être possible de réutiliser les eaux usées à 80 %. Il semble difficile de dépasser ce seuil pour des raisons économiques : le recyclage des derniers 20 % coûterait plus cher que celui des premiers 80 %.

Une fois le flux principal séparé et clarifié, il sera traité de façon plus ou moins poussée pour produire différentes qualités d’eau, adaptées à des usages spécifiques : nettoyage des bâtiments, utilisations industrielles (eau de chaudière, eau de refroidissement…), irrigation. Le besoin de désinfection peut être moins poussé que pour produire de l’eau potable ou de l’eau pour l’industrie électronique.

L’intérêt du recyclage est que pour un même prélèvement dans les milieux naturels, on démultiplie l’usage de l’eau. Le pompage dans la ressource sera donc en priorité réservé à la production d’eau potable. On économise ainsi la ressource en eau. Les eaux usées dépolluées peuvent aussi servir à recharger les nappes et à accélérer ainsi leur reconstitution. Elle permet de maintenir les volumes disponibles pour satisfaire à la demande en eau potable, malgré la sécheresse. Cette technique peut être intéressante sous des climats plus tempérés, pour faire face à des pics de demande locaux en été dans les villes balnéaires par exemple.

Il y aura une évolution de l’assainissement au-delà de la station d’épuration, la mutation de l’assainissement ne concernera pas seulement le système central – l’usine de dépollution – mais aussi les systèmes décentralisés (assainissement domestique ou petit assainissement) qui représentent 20 à 30 % des eaux usées en Europe. En Corée et au Japon depuis 20 ans, et désormais en Chine, les dispositifs de réutilisation des eaux usées sont envisagés au niveau même des immeubles d’une certaine importance, comme par exemple les logements collectifs. On peut imaginer que l’eau potable soit réservée aux usages nobles – pour boire, faire la cuisine, se laver. Une fois utilisée, cette eau devenue « grise » peut être recyclée pour le lavage du sol ou l’alimentation des chaudières. Une partie de l’eau potable servirait donc deux fois avant d’être rejetée à l’égout. Ce système ne nécessite pas de doubler les réseaux d’arrivée d’eau en dehors des colonnes montantes et descendantes, mais nécessite un contrôle très strict des installations afin d’éviter des erreurs pouvant être dommageables à la santé publique.

Il faut préparer aussi les mentalités au recyclage des eaux usées. Le verre recyclé est accepté, les pulls polaires en fibres de plastiques recyclés sont acceptés, le papier hygiénique issu de fibres cellulosiques recyclées est accepté… Le recyclage de matériaux pour produire des biens de grande consommation est entré dans les mœurs. Pour autant, le recyclage des eaux sales en eaux propres risque de se heurter à des réticences culturelles, tant au niveau des individus, des industries, des collectivités que de la société dans son ensemble. Pour de multiples raisons : la peur de la contamination, le mythe de l’eau pure… Des chercheurs en sociologie de l’environnement apportent une vision différente pour expliquer les enjeux du recyclage, analyser les éventuels blocages psychosociologiques et proposer des solutions pour les lever.

Des matières recyclées à partir des eaux usées

Pour valoriser les substrats solides des eaux usées, il faudra trier les matières premières pour les aiguiller, en fonction de leurs caractéristiques, sur la voie la plus judicieuse, là où elles seront le plus utiles. On ira au-delà de la seule caractérisation de leur teneur en matière organique telle qu’on la pratique aujourd’hui, en distinguant les protéines, les sucres, les lipides, les fibres, etc., par des analyses rapides, de type fluo 3D par exemple.

Il y aura trois filières de valorisation : la voie énergétique, la chimie verte et la chimie minérale. Une partie des matières qui ont un fort potentiel énergétique (les sucres, les graisses, les protéines) sera orientée vers un réacteur pour produire du biogaz. Faire beaucoup plus d’énergie à partir de cette matière organique est déjà une réalité à Prague, Budapest ou Braunschweig. Le reste de la matière organique sera orienté vers la chimie verte, dès lors qu’elle pourra y trouver des débouchés directs ou indirects. Enfin, les constituants comme l’azote, le phosphore et le soufre seront extraits pour être livrés à des producteurs de fertilisants ou à des formulateurs. Il s’agit d’une restitution au sol contrôlée de certains ingrédients minéraux des eaux usées.

Au niveau même des procédés biologiques de dépollution se trouvent des microorganismes qui, lorsqu’ils sont cultivés d’une certaine façon pour dégrader la matière organique, l’utilisent pour constituer des réserves de biopolymères, lesquels sont similaires à ceux produits par l’industrie chimique à partir du pétrole. La seule différence, c’est qu’il s’agit de carbone vert. Ils sont fournis aux producteurs de bioplastiques pour entrer dans la fabrication de multiples produits : stylos, souris d’ordinateurs, pare-chocs automobiles… Les constituants organiques qui seront produits ne bouleverseront pas le marché des biopolymères, pas plus que les composés minéraux le marché des fertilisants. Compte tenu des faibles quantités, la priorité est d’assurer des débouchés pérennes aux produits issus des eaux usées, en s’assurant que leurs caractéristiques répondent aux spécifications des industriels. Il s’agit d’inscrire nos flux dans un cycle plus global des matières.

Efficacité énergétique lors de la valorisation des eaux usées

Le biogaz est le résultat de la transformation du carbone, qui se trouve dans les eaux usées, en méthane et en CO2. La méthanisation de la matière organique des eaux usées est déjà pratiquée, notamment dans les pays comme l’Allemagne où l’énergie est plus chère qu’ailleurs. Cette production d’énergie renouvelable (biomasse) ne va pas perturber le marché de l’énergie. L’objectif est de parvenir à l’autonomie énergétique des usines de traitement des eaux usées. Déjà, les usines de Braunschweig et de Budapest couvrent la quasi-totalité de leurs besoins en méthanisant leur boues avec des coproduits comme les invendus ou les produits périmés de supermarchés et en alimentant des turbines électriques avec le gaz ainsi produit. Dans des cas ponctuels, s’il y a un surplus, le méthane pourra être aussi utilisé localement dans des réseaux de gaz ou comme carburant. Des recherches en matière énergétique sont menées aujourd’hui, qui ont pour objectif d’industrialiser le processus de méthanisation, avec ou sans apport de coproduits. La production de biogaz génère par ailleurs des jus très chargés en azote. Des procédés ont été développés pour les traiter avec quatre fois moins d’énergie que les procédés classiques de nitrification / dénitrification.

Et les ultimes résidus ? Ils seront concentrés en fin de chaîne. Ils devraient être inférieurs à 10 % voire 5 % de la matière entrante. Réduits à un très faible volume, ils peuvent facilement être pris en charge comme des effluents industriels spéciaux. Cela induit un autre avantage : une solution pérenne pour les polluants émergents contenus dans les eaux usées, car confinés dans un faible flux, ils peuvent être détruits, inertés ou stabilisés.

L’assainissement va devenir un tout autre métier ! Autrefois centré sur des bases hydrauliques, le métier de l’assainissement a intégré la chimie et le génie des procédés, et commence également à recourir aux biotechnologies, à la biochimie et à la microbiologie. Les sciences du vivant ont pénétré nos métiers depuis une quinzaine d’années. Cela nous conduit à devoir nous adapter en permanence pour piloter les procédés fondés sur le vivant.

Les fonctions de la station d’épuration vont évoluer, et avec elles, sa physionomie, et aussi sa place dans l’économie. Aujourd’hui consommatrice d’énergie et productrice de boues coûteuses à traiter, elle est un centre de coût. Demain, autosuffisante sur le plan énergétique, productrice de substances valorisables et commercialisables, et moins génératrice de résidus, elle présentera un autre équilibre économique. Sans compter que le bénéfice environnemental et sanitaire rendu par l’assainissement, qui n’est pas évalué financièrement actuellement, devrait l’être demain. L’assainissement va entrer dans l’ère de l’éco-économie.

Auteur de l’article : Emmanuel Trouvé Directeur général, Nerovia.