Thème "Séparation à la source"
Favoriser la valorisation de l’eau et des nutriments des eaux domestiques
Le métabolisme urbain est très consommateur d’eau, de nutriments et d’énergie dont une bonne part se retrouve dans les eaux usées. La séparation à la source constitue une perspective majeure pour favoriser la valorisation de l’eau et des nutriments des eaux domestiques.
Actuellement les minéraux et nutriments de l’urine ainsi que la matière organique de nos rejets sont dilués dans d’énormes volumes d’eau. Ceci rend très difficile et limite la récupération et la valorisation de ces ressources à la station d’épuration. Il faut sortir de cette vision « end of pipe ». Mais étant donné les modifications structurelles importantes que cela nécessite dans notre société, il est indispensable de développer des recherches pour évaluer les différentes solutions technologiques par une analyse environnementale, une évaluation technique et sociale, et développer ou optimiser des procédés innovants à faible impact, afin de guider les pionniers qui se lancent dans l’aventure.
Les travaux menés dans l’équipe ont pour but d’évaluer des solutions de séparation à la source et de trouver des solutions de valorisation, ces travaux ont ainsi deux axes :
- Evaluation des scénarios avec des outils de modélisation intégrés incluant l’ensemble du système « urbanisme, réseau, procédé de valorisation »
- Développement de technologies pour transformer ces rejets en fertilisants bio-sourcés pour de futures cultures potentiellement urbaines
Nous développons des outils pour modéliser les systèmes de gestion des eaux usées dans la ville, à l’échelle d’un habitat, du quartier, ou de la ville entière, et ceci de manière couplée à l’évaluation environnementale. Cette approche permet de mettre en évidence des questions et des verrous scientifiques et techniques à lever, fixer des contraintes et guider vers des choix adaptés aux différent types d’urbanisme.
Parallèlement, nous étudions des modes de transformation peu énergivores, incluant des procédés de production de fertilisants liquides azotés à partir de l’urine ou des digestats des eaux noires. Et enfin nous développons les premières toilettes à aspiration sous vide et à séparation sélective des urines, avec des consommations d’eau très faibles.
Les projets
Projet KOLOS
2023-2025
Le projet Kolos rassemble deux laboratoires, TBI et le LEESU, et une collectivité la métropole de Lyon. Avec une approche multi-disciplinaire, l’enjeu est de modéliser et évaluer des scénarios socio-techniques, des technologies innovantes et des organisations opérationnelles, pour gérer de manière nouvelle les excrétats humains en les déconnectant des effluents domestiques. Ainsi le projet KOLOS vise à développer de nouvelles filières locales, durables et circulaires de gestion des nutriments, notamment de l’azote et du phosphore, contenus dans les excréments humains et à comprendre leurs conditions de réussite.
Le projet DESIGN est financé par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) sur le défi sociétal principal : Mobilité et systèmes urbains durables. Il a pour but de développer et d’évaluer des scénarios innovants de séparation à la source et de valorisation des eaux usées. L’enjeu du projet est d’évaluer les bénéfices réels et les contraintes de ces approches alternatives en intégrant différents critères :
- sur le plan environnemental, en évaluant par analyse de cycle de vie les différentes solutions ;
- d’un point de vue technologique et économique : en développant des technologies clés pour les nouvelles filières, i.e. des toilettes à séparation sous vide qui n’existent pas actuellement, une nouvelle technologie de récupération de l’azote ammoniacal pour produire un fertilisant ; (voir Thème Récupération N et P)
- d’un point de vue sociologique, en mesurant la capacité d’appropriation de ces nouveaux dispositifs de gestion des rejets humains et des systèmes décentralisés par les collectivités, les usagers et les professionnels du milieu urbain ;
- enfin sur le plan urbanistique, par l’évaluation de l’adéquation des scénarios de séparation à la source aux différentes typologies urbaines.
Le projet DESIGN associe deux laboratoires de recherche, deux bureaux d’études spécialisés dans l’environnement, et deux entreprises développant des équipements innovants.
Livrables disponibles sur https://design.cnrs.fr/documents
- Évaluation de scénarios de séparation à la source des effluents domestiques pour une minimisation des impacts environnementaux : développement d’une approche de modélisation à l’échelle urbaine. Thèse Université de Toulouse. Directeur de thèse : Mathieu Spérandio et Etienne Paul
- Besson, M., Berger, S., Tiruta-barna, L., Paul, E., Spérandio, M., 2021. Environmental assessment of urine, black and grey water separation for resource recovery in a new district compared to centralized wastewater resources recovery plant. Journal of Cleaner Production 301, 126868. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.126868
- Besson, M., Tiruta-Barna, L., Paul, E., Sperandio, M., 2022. La séparation à la source pour une récupération des ressources : outil d’évaluation environnementale: Source separation for resource recovery: a tool for environmental assessment. TSM 5, 41–48. https://doi.org/10.36904/tsm/202205041
Dans le cadre du programme de recherche appliquée MOCOPEE (MOdélisation, Contrôle et Optimisation des Procédés d’Epuration des Eaux) du Syndicat interdépartemental pour l’assainissement de l’agglomération parisienne (SIAAP), une action de recherche est consacrée à la collecte et au traitement sélectif des urines adaptés à la ville de Paris. Il s’agit d’une part d’évaluer les bénéfices de différents scénarios de séparation pour orienter les choix stratégiques. Pour cela différents types de séparation des urines a été investigués (uniformément, ou spécifiquement dans les bureaux ou dans l’habitat). L’impact sur les stations d’épurations du SIAAP a été ensuite quantifié.
- Matar, G., Besson, M., Mas, J., Azimi, S., Rocher, V., Sperandio, M., 2022. Modelling the benefits of urine source separation scenarios on wastewater treatment plants within an urban water basin. Water Science and Technology wst2022208. https://doi.org/10.2166/wst.2022.208
Le projet MUSES « Modélisation Urbaine de Séparation des Effluents à la Source » est financé par l’Agence de l’Eau Adour-Garonne.
Il s’agit d’un projet partenarial entre le laboratoire TBI-INSA de Toulouse et l’entreprise associative SOLAGRO. Le projet a pour objectif d’évaluer, par la modélisation, différents scénarios pour de nouveaux modes de gestion des eaux usées à l’échelle du quartier et de la ville. Le but est d’intégrer toutes les problématiques liées à cette nouvelle gestion dans notre approche des systèmes urbains. En développant un outil d’aide à la décision, ce travail doit orienter les essais de plateformes technologiques vers les scénarios les plus prometteurs en termes de faisabilité technique, de réalisme économique voire d’acceptabilité.
Thèse d’Ana Barbara Bisinella de Faria
2013-2016
- Thèse d’Ana Bisinella de Faria: https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01652117
Publications :
- Bisinella de Faria, A.B., Spérandio, M., Ahmadi, A., Tiruta-Barna, L., 2015. Evaluation of new alternatives in wastewater treatment plants based on dynamic modelling and life cycle assessment (DM-LCA). Water Research 84, 99–111. https://doi.org/10.1016/j.watres.2015.06.048
- de Faria, A.B.B., Ahmadi, A., Tiruta-Barna, L., Spérandio, M., 2016. Feasibility of rigorous multi-objective optimization of wastewater management and treatment plants. Chemical Engineering Research and Design 115, 394–406. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2016.09.005
- Igos, E., Besson, M., Navarrete Gutiérrez, T., Bisinella de Faria, A.B., Benetto, E., Barna, L., Ahmadi, A., Spérandio, M., 2017. Assessment of environmental impacts and operational costs of the implementation of an innovative source-separated urine treatment. Water Research 126, 50–59. https://doi.org/10.1016/j.watres.2017.09.016
- Bisinella de Faria, A.B., Besson, M., Ahmadi, A., Udert, K.M., Spérandio, M., 2020. Dynamic Influent Generator for Alternative Wastewater Management with Urine Source Separation. Sustainable Water Built Environ. 6, 04020001. https://doi.org/10.1061/JSWBAY.0000904
Le projet SMS, d’un budget global de 1,6 M€ sur 4 ans a été financé à hauteur de 1 M€ par l’Agence de l’Eau Adour Garonne et l’Agence Française pour la Biodiversité. Le consortium du projet était constitué de collectivités (SIVOM-SAGe), laboratoires de recherche (TBI, LGC, Ecolab) et PME (Adict, JP Coste, Ozoval). L’objectif de ce projet était de faire une évaluation multicritère (performance d’élimination des composés et de l’écotoxicité, économique et acceptabilité) d’une nouvelle filière de traitement des eaux usées urbaines basée sur la séparation à la source des urines. (Voir thème Micropolluants)
- Visite virtuelle de la plateforme de démonstration : https://roundme.com/tour/122601/view/311006/
- Document de synthèse.
- Publication :
- I. Gonzalez-Salgado, L. Cavaillé, S. Dubos, E. Mengelle, C. Khim, M. Bounouba, E. Paul, S. Pommier, Y. Bessiere. “Combining Thermophilic Aerobic Reactor (TAR) with Mesophilic Anaerobic digestion (MAD) improves the degradation of pharmaceutical compounds”. Water Research. https://doi.org/10.1016/j.watres.2020.116033