Repenser la gestion des eaux usées

Loin des yeux, loin du cœur : depuis l'invention des égouts, nous évacuons les déchets humains en utilisant de grandes quantités d'eau douce pour les expulser de nos maisons et de nos villes aussi vite que les canalisations peuvent le faire. Les systèmes modernes d'approvisionnement en eau des villes 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 zones bâties. «Nous bénéficions ainsi de conditions de vie sèches et hygiéniques, deux des piliers de la santé publique dans les zones urbaines densément peuplées», explique Max Maurer, professeur de systèmes d'eau urbains à l'ETH Zurich et à l'Eawag, l'Institut fédéral suisse pour l'aménagement, l'épuration et la protection des eaux, qui fait partie du Domaine des EPF.

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

Cette approche de l'infrastructure de l'eau a fait ses preuves dans les pays industrialisés et, pendant des décennies, elle a été considérée comme une référence pour le reste du monde. «Mais la vérité est que les systèmes urbains d'approvisionnement en eau conventionnels ne sont plus viables», déclare Max Maurer.

Des déchets aux ressources

Kai Udert, professeur à l'Institut d'ingénierie environnementale de l'ETH Zurich et chercheur principal à l'Eawag, est tout aussi sceptique quant à l'infrastructure conventionnelle de l'eau. «Nous utilisons de l'eau potable pour diluer les matières fécales, l'urine et les eaux légèrement sales des salles de bains et des cuisines et les acheminer dans le réseau d'égouts - c'est tout à fait absurde», déclare-t-il.

Pour Kai Udert, expert en génie des procédés, les eaux usées ne sont pas des déchets nauséabonds dont il faut se débarrasser, mais plutôt une ressource précieuse qu'il convient d'exploiter correctement. Il explique simplement pourquoi nous devons adopter une nouvelle approche. «Les eaux usées sont l'un des derniers flux de déchets linéaires», explique-t-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 l'on essaie 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 réintroduits dans le cycle, finissent par nuire à l'environnement.

Entre-temps, les défis se multiplient : l'industrie des eaux usées se bat pour faire face au changement climatique, au vieillissement rapide des infrastructures, à l'explosion démographique et à l'urbanisation croissante, ainsi qu'aux nouvelles pressions exercées sur les stations d'épuration pour qu'elles éliminent les micropolluants.

Max Maurer et Kai Udert estiment qu'il est temps de repenser les choses. Ils appellent à un changement de paradigme, en passant d'une poignée de stations centralisées à un système décentralisé de traitement des eaux usées basé sur une infrastructure modulaire de l'eau. Nous disposerions ainsi d'un moyen plus efficace de gérer les ressources en eau des villes.

Recyclage à la source

«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 Max Maurer. À l'Eawag, Kai Udert et Max Maurer ont passé des années à développer des procédés adaptés aux installations de traitement à petite échelle. Leur travail repose sur les trois principes clés qui sous-tendent un système d'assainissement en circuit fermé 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 différentes fractions, car les déchets humains et l'eau sont beaucoup plus faciles à traiter et à recycler s'ils ne sont pas mélangés au départ.
La récupération des ressources prend diverses formes : les nutriments tels que l'azote et le phosphore peuvent être obtenus à partir de l'urine et des fèces, tandis que les eaux grises - les eaux usées légèrement sales provenant des cuisines, des salles de bains et des machines à laver - peuvent être traitées et réutilisées plusieurs fois. L'énergie thermique est également récupérée. De même, l'application des nutriments récupérés dans les champs sous forme d'engrais ferme le cycle des nutriments, ce qui est bénéfique pour l'environnement et réduit la dépendance à l'égard 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 centralisés en veillant à ce que les eaux usées et les déchets puissent être traités aussi près de la source que possible.

Les scientifiques 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.

Parmi les exemples bien connus, citons Vuna et Blue Diversion Autarky, qui offrent un moyen sûr et abordable d'éliminer les eaux usées sans avoir recours à un réseau d'égouts unitaire et à des stations d'épuration centralisées.

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

Réacteur à biogaz et pasteurisateur

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 les faire fonctionner. Elizabeth Tilley a commencé sa carrière de chercheuse à l'Eawag et a passé son doctorat dans le cadre du projet de recyclage des nutriments Vuna en Afrique du Sud, dirigé par Kai Udert. Aujourd'hui, elle est professeure de Global Health Engineering à l'ETH Zurich, où elle travaille avec son groupe de recherche à l'élaboration 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 les latrines à fosse. Ces systèmes constituent une première barrière contre les agents pathogènes liés aux excréments, mais la vidange régulière des latrines crée son propre lot de problèmes. Si les boues sont simplement déversées dans l'environnement ou ne sont pas traitées, le risque de propagation des agents pathogènes - et d'apparition de maladies telles que le choléra - est élevé.

Il existe un besoin urgent de technologies décentralisées qui soient robustes, abordables et faciles à mettre en œuvre. Une technologie prometteuse est le réacteur anaérobie à biogaz, qui est essentiellement un gros ballon en caoutchouc. Il traite les boues fécales dans une certaine mesure, mais pas suffisamment pour qu'elles puissent être éliminées en toute sécurité. En revanche, le processus produit un sous-produit utile sous la forme d'un gaz riche en méthane (biogaz), qui peut être utilisé pour la cuisine, 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, Elizabeth Tilley et son équipe ont cherché à découvrir s'ils et elles pouvaient utiliser le biogaz dérivé des boues pour alimenter un pasteurisateur qui chaufferait alors les effluents à une température suffisamment élevée pour tuer tous les agents pathogènes. Le projet a été financé par ETH for Development (ETH4D).

Julia Jäggi, étudiante en master au département de génie mécanique et des procédés, a passé trois mois dans la ville kényane 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 cette expérience a vraiment mis notre flexibilité et notre créativité à l'épreuve ! Chaque jour, il s'agissait de résoudre des problèmes à la volée et de tirer le meilleur parti des ressources dont nous disposions», explique Julia Jäggi. Elizabeth Tilley est convaincue que ce système sera bientôt prêt à être déployé et qu'il contribuera à la prévention des maladies infectieuses.

Exploiter l'expertise existante

L'eau est sans aucun doute l'un des plus grands défis de l'avenir. L'utilisation intelligente et économe de cette ressource est essentielle, tant en Suisse qu'à l'étranger. «Les concepts que nous avons développés pour les pays pauvres il y a 15 ans sont de plus en plus pertinents pour la Suisse. Nous récoltons aujourd'hui les fruits de ces connaissances», déclare Kai Udert.

Max Maurer et Kai 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, codirigé par Max Maurer, a récemment examiné l'utilisation potentielle des technologies modulaires dans le secteur de la gestion de l'eau en Suisse. Ses résultats suggèrent que la proportion de stations d'épuration décentralisées pourrait passer de 2,5% à 50% à long terme.

Les chercheurs et chercheuses considèrent également que la Suisse peut accélérer ses efforts pour rendre ses infrastructures hydrauliques respectueuses du climat. Cela lui donnerait la longueur d'avance dont elle a besoin pour se positionner comme un marché de premier plan pour le développement et l'essai de systèmes modulaires d'approvisionnement en eau. Au fil des ans, la Suisse a accumulé une grande expertise dans tous les aspects de la gestion des ressources en eau, notamment grâce à ses hautes écoles spécialisées, à son industrie et aux institutions du Domaine des EPF. «Pourtant, cette expertise est restée largement inexploitée», explique Max Maurer.

Il faudrait un effort concerté de la part de la recherche, de l'industrie et du secteur public pour mener les projets pilotes nécessaires à la démonstration de la faisabilité de ces connaissances appliquées et à la création d'un marché initial. «Mais pour ce qui est des processus, du savoir-faire et des ressources financières, tout est déjà là», affirme Kai Udert.