Des bactéries peuvent récupérer l’énergie perdue, les nutriments et l’eau propre des eaux usées

Les eaux usées contiennent des ressources inexploitées qui, si elles étaient récupérées, pourraient alimenter l’agriculture, l’assainissement mondial et leur propre traitement, nous aidant ainsi à atteindre les objectifs de développement durable de l’ONU, selon une revue publiée dans Frontiers in Science.

Chaque année, nous produisons environ 359 milliards de mètres cubes d’eaux usées dans le monde, soit assez pour remplir quatre fois le lac Léman.

La moitié des eaux usées mondiales est rejetée, le reste étant traité de manière coûteuse et inefficace pour être réutilisé. Les technologies émergentes alimentées par des microbes pourraient récupérer ces ressources, économiser de l’argent et réduire les dommages environnementaux.

Les eaux usées sont de l’eau qui a été utilisée et qui transporte de la matière organique et des nutriments – provenant des eaux usées domestiques (toilettes, douches, lessive), des eaux industrielles et commerciales (rinçage, refroidissement, nettoyage) et des flux liés à l’alimentation (cuisines, restaurants, transformation des aliments).

« À l’échelle mondiale, nos eaux usées contiennent plus de 800 000 GWh d’énergie chimique, soit l’équivalent de la production annuelle de 100 centrales nucléaires. Elles sont également riches en nutriments utilisés dans les engrais agricoles qui, s’ils étaient récupérés, pourraient couvrir 11 % de la demande mondiale en ammoniac et environ 7 % pour le phosphate », explique l’auteur principal, le Pr Uwe Schröder, de l’Université de Greifswald, en Allemagne.

Cette nouvelle revue, réalisée par une équipe internationale de chercheurs, explore comment les technologies utilisant des bactéries productrices d’électricité – comme celles déjà testées lors du festival de Glastonbury au Royaume-Uni et dans des essais sur le terrain en Ouganda, au Kenya et en Afrique du Sud – pourraient nous aider à récupérer les ressources actuellement évacuées.

Cependant, les chercheurs soutiennent que le déploiement à grande échelle nécessitera une large coalition de chercheurs, de fournisseurs d’eau et de décideurs politiques pour surmonter ses défis – qui vont de la sur-régulation des économies circulaires aux obstacles techniques.

Une économie circulaire de l’énergie et des nutriments

Les chercheurs présentent les technologies électrochimiques microbiennes (METs) comme un moyen plus efficace de traiter les eaux usées, en utilisant des microbes connus sous le nom de bactéries électrogènes.

Bien que les microbes soient déjà utilisés pour traiter les eaux usées par digestion anaérobie, cette approche ne convertit que 28 % de l’énergie chimique en électricité. Les METs pourraient être intégrées et améliorer ces systèmes.

Ces bactéries transfèrent des électrons à leur environnement, créant un courant électrique lorsqu’elles sont connectées à des électrodes dans une pile à combustible. En laboratoire, elles peuvent convertir jusqu’à 35 % de l’énergie chimique des eaux usées en électricité. Les auteurs affirment qu’en principe, l’énergie générée pourrait même aider à faire fonctionner le secteur de l’eau lui-même, qui représente actuellement environ 4 % de la consommation mondiale d’énergie.

Les microbes peuvent également aider à extraire les nutriments des eaux usées, les nettoyant pour une utilisation ultérieure. Ces ingrédients critiques pour les engrais sont généralement produits par des procédés énergivores ou non durables. Leur retrait des eaux usées aurait le double avantage de récupérer des ressources précieuses et de réduire la pollution – car le rejet d’eaux usées riches en nutriments peut provoquer des efflorescences algales dans les cours d’eau, privant les poissons d’oxygène.

« Ce sont des produits chimiques précieux que nous ne pouvons pas nous permettre de gaspiller. Après extraction, l’eau obtenue peut être réutilisée de nombreuses façons, comme pour l’irrigation des cultures ou le refroidissement industriel. Elle pourrait ensuite être traitée davantage pour produire de l’eau potable », souligne la co-autrice, Dr Elizabeth Heidrich, de l’Université de Newcastle, au Royaume-Uni.

Il peut exister de nombreuses autres applications de niche, du recyclage des nutriments dans les systèmes hydroponiques à l’alimentation de capteurs autonomes détectant la pollution.

Assainissement pour tous

Les chercheurs soutiennent qu’en améliorant à la fois l’assainissement et la récupération des ressources, les METs présentent une solution convaincante pour atteindre le sixième objectif de développement durable de l’ONU, visant à garantir l’accès de tous à l’eau et à l’assainissement et une gestion durable des ressources en eau.

Les METs se sont avérées efficaces lors d’essais pilotes, offrant la possibilité de traiter plus d’eau dans des conditions plus variées. Par exemple, un MET alimenté par l’urine appelé Pee Power® a été testé au festival de Glastonbury en 2015, l’un des plus grands festivals de musique en plein air au monde. Il a depuis connu le succès lors d’essais de terrain de plus longue durée en Ouganda, au Kenya et en Afrique du Sud. Le système convertit les eaux usées en électricité, alimentant l’éclairage autour des toilettes pour réduire les risques pour la sécurité dans les zones dépourvues d’approvisionnement électrique.

« Le parcours des METs au cours des vingt dernières années nous a fait passer de la compréhension de la ‘boîte noire microbienne’ à la construction de systèmes modulaires et évolutifs capables d’un impact réel. Nous sommes maintenant à un stade où ces technologies sont techniquement réalisables ; la prochaine étape consiste à s’assurer qu’elles sont économiquement compétitives par rapport aux méthodes de traitement traditionnelles. En intégrant stratégiquement les METs dans nos infrastructures existantes, nous pouvons transformer la gestion mondiale des eaux usées en un moteur autosuffisant de récupération des ressources », déclare le Dr Deepak Pant du Flemish Institute for Technological Research (VITO), en Belgique.

« À l’échelle mondiale, environ 3,5 milliards de personnes n’ont pas accès à un assainissement géré. L’expansion du traitement des eaux usées pourrait contribuer à améliorer les conditions de vie de nombreuses personnes parmi les plus pauvres du monde, tout en prévenant les dommages écologiques. Les technologies électrochimiques microbiennes pourraient constituer une solution locale pour transformer les eaux usées nocives en une ressource précieuse », affirme le co-auteur, le Pr Ioannis Ieropoulos, de l’Université de Southampton, qui est également directeur de MET-C, société qui commercialise la technologie des piles à combustible microbiennes.

Surmonter les obstacles

Malgré leur potentiel, ces technologies font face à des défis pour une adoption généralisée. Des cadres réglementaires stricts ne sont souvent pas adaptés aux économies circulaires qui réutilisent les déchets. Par exemple, dans de nombreux pays, l’engrais dérivé de l’urine ne peut pas être utilisé pour la culture de denrées alimentaires ou d’aliments pour animaux.

Il existe également des obstacles techniques pour garantir que les matériaux des MET maintiennent des performances élevées en fonctionnement continu.

« Bien qu’il serait exagéré d’imaginer alimenter nos foyers avec des eaux usées, les technologies électrochimiques microbiennes pourraient améliorer les processus de traitement de l’eau existants. Le déploiement à grande échelle des METs serait particulièrement bénéfique pour les eaux usées fortement chargées ou dans les endroits où le traitement existant est trop coûteux ou ne touche pas tout le monde », estime le co-auteur, le Pr Falk Harnisch, du Helmholtz Centre for Environmental Research, en Allemagne.

Article : Waste to value: microbial electrochemical technologies for sustainable water, material and energy cycles – Journal : Frontiers in Science – Méthode : Systematic review – DOI : Lien vers l’étude

Source : Frontiers