La gestion de l’eau avec des canalisations et des stations d’épuration centralisées n’est plus viable et ne constitue pas une solution globale. Les ingénieurs en environnement de l’ETH Zurich et de l’Eawag ouvrent la voie à une infrastructure de l’eau plus décentralisée et capable de fonctionner en circuit fermé.
Loin des yeux, loin du c½ur - et le plus rapidement possible hors des agglomérations. Depuis que les canalisations existent, nous évacuons nos déchets avec beaucoup d’eau fraîche hors des maisons et des villes. La gestion moderne de l’eau compte parmi les grandes réalisations du siècle dernier. Elle nous fournit de l’eau potable, élimine et nettoie les eaux usées et évacue l’eau de pluie des agglomérations. "Elle nous permet ainsi d’avoir les pieds au sec et des conditions hygiéniques - deux piliers de la santé publique dans les villes densément peuplées", explique Max Maurer, professeur de systèmes de gestion des eaux urbaines à l’EPF de Zurich et à l’Eawag, l’institut de recherche sur l’eau du domaine des EPF.
Pour ce faire, les pays industrialisés comme la Suisse ont mis en place une énorme infrastructure. Dans notre pays, leur valeur s’élève à 230 milliards de francs. Elle se compose d’environ 200 000 kilomètres de conduites d’eau potable et d’eaux usées qui, mises bout à bout, font cinq fois le tour de la terre. Et d’un vaste réseau de canalisations souterraines qui acheminent les eaux usées vers près de 800 stations d’épuration centrales.
Cette approche de la gestion de l’eau a fait ses preuves dans les pays industrialisés et a également été considérée pendant des décennies comme une référence pour le reste du monde. "Mais notre gestion conventionnelle de l’eau n’est pas viable et atteint de plus en plus ses limites", constate Maurer.
Du déchet au matériau recyclable
Kai Udert, professeur à l’Institut d’ingénierie de l’environnement de l’EPFZ et Senior Scientist à l’Eawag, porte lui aussi un regard critique sur l’approche conventionnelle : "Le fait que nous diluions les excréments, l’urine et les eaux grises légèrement polluées de la salle de bain et de la cuisine avec de l’eau potable pour les transporter à travers les canalisations est en fait absurde".
Udert est un expert en technique des procédés et ne considère pas les eaux usées comme une charge à éliminer, mais comme une ressource précieuse à exploiter. Il explique de manière claire pourquoi il estime que l’approche conventionnelle n’est plus adaptée à notre époque : "Les eaux usées sont l’un des derniers flux de déchets linéaires. Entre autres, le système gaspille beaucoup d’eau, d’énergie et de précieux nutriments, qui sont perdus et nuisent à l’environnement si nous ne les réintroduisons pas dans le cycle.
Pendant ce temps, les défis se multiplient : le changement climatique, le vieillissement rapide des infrastructures, l’augmentation de la population, l’urbanisation croissante et, surtout, les exigences croissantes imposées aux stations d’épuration pour éliminer les nouveaux micropolluants - tout cela met le secteur des eaux usées sous pression.
Maurer et Udert appellent à un changement de mentalité. Ils plaident pour un changement de paradigme dans la gestion des eaux urbaines : s’éloigner des quelques installations centralisées et se tourner vers un traitement des eaux usées organisé de manière décentralisée sur la base d’une infrastructure hydraulique modulaire, afin de gérer les eaux urbaines de manière plus efficiente et efficace.
Recyclage à la source
Maurer explique : "Nous envisageons comme alternative complémentaire de petites stations d’épuration décentralisées et très efficaces qui traitent les eaux usées de manière plus flexible et sur place". Les procédés qui pourraient être utilisés pour de telles petites installations sont développés depuis des années à l’Eawag par Udert et Maurer. Pour ce faire, les chercheurs s’orientent vers trois principes qui visent un approvisionnement sanitaire orienté vers les ressources et capable de fonctionner en circuit fermé :
Séparation des substances à la source (no-mix) : Si les excréments et l’eau ne sont pas mélangés, il est beaucoup plus facile de les traiter et de les réutiliser.
Récupération des ressources: l’urine et les matières fécales permettent de récupérer des nutriments tels que l’azote ou le phosphore. Les eaux usées de la cuisine, des salles de bains ou des machines à laver, appelées eaux grises, ne sont que légèrement polluées et sont traitées et réutilisées plusieurs fois. L’énergie thermique est récupérée. Si les substances nutritives sont apportées dans les champs sous forme d’engrais, les cycles de nutriments se referment, ce qui soulage l’environnement et réduit la dépendance aux importations d’engrais minéraux.
La décentralisation vise à remplacer le transport coûteux de l’eau dans des réseaux de canalisations organisés de manière centralisée et implique que les eaux usées et les déchets soient traités le plus près possible de leur source.
Dans le sous-sol du NEST, le bâtiment de recherche et d’innovation de l’Empa et de l’Eawag, les chercheurs développent et testent les nouvelles technologies de traitement des eaux usées. Les procédés utilisés remontent en partie à des projets de recherche lancés il y a plus de 15 ans pour développer des solutions sanitaires indépendantes du réseau pour les pays du Sud. Des exemples connus sont les projets Vuna et Blue Diversion Autarky, qui ont élaboré des solutions permettant d’éliminer les eaux usées de manière sûre et économique sans canalisation flottante ni station d’épuration centrale.
Vuna est l’abréviation de "Valorisation of Urine Nutrients in Africa". Cette méthode, que l’ETH Zurich a contribué à développer, consiste à collecter l’urine séparément et à la transformer en engrais dans une installation de traitement éloignée. Le deuxième projet a donné naissance à la "Blue Diversion Autarky Toilette" : la maisonnette tout-en-un traite l’urine, les matières fécales et l’eau de rinçage directement dans les toilettes, dans des modules séparés, l’eau de rinçage étant réutilisée.
Réacteur à biogaz et pasteurisateur
Elizabeth Tilley ne sait que trop bien à quel point le besoin de concepts fondamentalement nouveaux pour des systèmes sanitaires décentralisés sans accès à l’eau est grand dans de nombreuses régions du monde. Jeune scientifique, elle a travaillé à l’Eawag et a obtenu son doctorat dans le cadre du projet de recyclage des nutriments Vuna en Afrique du Sud, dirigé par Udert. Aujourd’hui, elle est professeur d’ingénierie de la santé globale à l’EPF de Zurich et développe avec son groupe des approches abordables et socialement acceptables qui protègent la santé humaine et l’environnement.
Environ 2,3 milliards de personnes utilisent des technologies sanitaires telles que les latrines à fosse comme première barrière contre les agents pathogènes. Mais les latrines doivent être vidées régulièrement et c’est là que le problème commence : si les boues ne sont pas traitées ou si elles se retrouvent dans l’environnement, des maladies infectieuses comme le choléra peuvent se propager.
C’est pourquoi il est urgent de trouver des solutions décentralisées qui soient abordables, robustes et faciles à utiliser. Un "réacteur à biogaz" - essentiellement un gros ballon en caoutchouc capable de traiter les boues fécales sans oxygène jusqu’à un certain point - est très prometteur. Mais les eaux usées ne peuvent pas encore être éliminées en toute sécurité. Toujours est-il que ce processus anaérobie produit comme sous-produit un gaz riche en méthane - ce biogaz convient pour la cuisson, comme le propane ou le gaz naturel.
En collaboration avec la société d’ingénierie kenyane Opero et un fournisseur mexicain de réacteurs à biogaz, Tilley et son équipe ont entrepris d’utiliser le biogaz issu des boues d’épuration comme carburant pour une installation capable de chauffer les eaux usées jusqu’à ce que tous les agents pathogènes meurent. Le projet a été soutenu financièrement par ETH for Development (ETH4D).
Julia Jäggi, étudiante en master au département de génie mécanique et des procédés, a passé trois mois à Kisumu, sur les rives du lac Victoria, pour développer et tester un tel "pasteurisateur" pour environ 500 personnes. "L’ingénierie en laboratoire est une chose - mais cette mission a mis notre flexibilité et notre créativité à l’épreuve ultime ; chaque jour, nous devions résoudre spontanément des problèmes et tirer le meilleur parti des ressources disponibles", explique Jäggi. Tilley est persuadé que son système sanitaire sera bientôt disponible et qu’il pourra aider à prévenir les maladies infectieuses.
Le savoir-faire rejaillit
Il ne fait aucun doute que l’eau sera le grand défi mondial de demain. En Suisse aussi, nous devrons gérer la ressource en eau de manière plus intelligente et plus économe. "Les concepts que nous avions développés il y a 15 ans pour les pays pauvres deviennent de plus en plus intéressants pour la Suisse. Nous profitons aujourd’hui de ces connaissances", explique Udert.
Maurer et Udert partent du principe que les stations d’épuration modulaires dans les agglomérations et les petits réacteurs pour les eaux usées dans les maisons seront bientôt disponibles. Le projet de recherche Comix, codirigé par Maurer, a récemment étudié le potentiel d’une gestion modulaire de l’eau pour la Suisse. Selon ce projet, la part des stations d’épuration décentralisées pourrait à long terme passer de 2,5 pour cent aujourd’hui à 50 pour cent.
Plus encore : la Suisse aurait la chance de concevoir très tôt son infrastructure d’eau en fonction du climat et de se positionner comme marché de développement et de test pour la gestion modulaire de l’eau de demain. En effet, avec les institutions du domaine des EPF, les hautes écoles spécialisées et l’industrie, le pays dispose depuis des années d’énormes compétences dans toutes les questions de gestion de l’eau. "Mais jusqu’à présent, ces compétences n’ont guère été exploitées", explique Maurer.
Il faudrait un effort concerté de la recherche, de l’industrie et du secteur public pour démontrer la faisabilité dans des projets pilotes et créer un marché initial. "Les procédés, le savoir-faire et les moyens financiers seraient en tout cas disponibles", confirme également Udert.
Michael Keller
