Récupérer des substances précieuses dans les eaux usées
Avec l'aimable autorisation des bactéries
en une ressource précieuse.
Chaque année, nous produisons environ 359 milliards de mètres cubes d'eaux usées dans le monde. La moitié de ces eaux est jetée, tandis que le reste est traité de manière coûteuse et inefficace en vue d'être réutilisé. Grâce aux bactéries, nous pourrions récupérer ces ressources à partir des eaux usées, économiser de l'argent et réduire les dommages causés à l'environnement. C'est ce qui ressort d'une étude publiée dans Frontiers in Science. Le VITO flamand collabore avec l'équipe de recherche internationale qui étudie comment des bactéries spéciales capables de produire de l'électricité pourraient aider à extraire des ressources précieuses des eaux usées. Les substances qui sont aujourd'hui simplement évacuées avec l'eau pourraient ainsi être réutilisées.
Objectifs de durabilité
Les eaux usées contiennent des substances précieuses qui ne sont souvent pas utilisées aujourd'hui. Si nous récupérons ces substances, nous pouvons les utiliser pour aider l'agriculture, améliorer l'assainissement dans le monde entier et même produire de l'énergie pour purifier l'eau elle-même. Cela pourrait nous aider à atteindre les objectifs des Nations unies en matière de développement durable.
Les eaux usées contiennent des matières organiques et des nutriments provenant des eaux usées quotidiennes des toilettes, des douches et des blanchisseries, entre autres, ainsi que des eaux industrielles/commerciales utilisées pour la chasse d'eau, le refroidissement ou le nettoyage. Une partie des eaux usées provient de flux liés à l'alimentation, tels que les cuisines, les restaurants ou la transformation des aliments.
"Globalement, nos eaux usées contiennent plus de 800 000 GWh d'énergie chimique, soit l'équivalent de la production annuelle de 100 centrales nucléaires", explique le professeur Uwe Schröder de l'université de Greifswald en Allemagne. "Elle est également riche en nutriments utilisés dans les engrais agricoles qui, si nous pouvions les récupérer, pourraient couvrir 11 % de la demande mondiale d'ammoniac et environ 7 % de la demande de phosphate."
Économie circulaire de l'énergie et des nutriments
Selon les chercheurs, les technologies électrochimiques microbiennes (MET) constituent un moyen plus efficace de traiter les eaux usées. Elles utilisent des microbes connus sous le nom de bactéries électrogéniques. 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 MET pourraient être intégrées dans ces systèmes et les améliorer. Les bactéries transfèrent des électrons à leur environnement, créant un courant électrique lorsqu'elles sont connectées à des électrodes dans une pile à combustible. Dans des conditions de laboratoire, elles peuvent convertir jusqu'à 35 % de l'énergie chimique des eaux usées en électricité. Les chercheurs estiment qu'en principe, l'énergie produite pourrait même contribuer à faire fonctionner le secteur de l'eau lui-même. Ce secteur représente actuellement environ 4 % de la consommation mondiale d'énergie.
Les microbes pourraient également contribuer à extraire les nutriments des eaux usées, en les nettoyant en vue d'une utilisation ultérieure. À l'heure actuelle, ces ingrédients clés des engrais sont principalement produits par des procédés à forte intensité énergétique ou non durables. Si nous pouvions extraire ces composés des eaux usées, nous aurions le double avantage de récupérer des ressources précieuses et de réduire la pollution. En effet, le rejet d'eaux usées riches en nutriments provoque la prolifération d'algues dans les cours d'eau et est à l'origine de la mortalité des poissons due à l'acidose.
"Il s'agit de produits chimiques précieux que nous ne pouvons pas simplement jeter. De plus, l'eau qui reste peut être réutilisée de nombreuses façons. Il suffit de penser à l'eau de pulvérisation pour les cultures ou à l'eau de refroidissement dans l'industrie. Nous pouvons aller plus loin et la traiter pour produire de l'eau potable", a déclaré le Dr Elizabeth Heidrich de l'université de Newcastle.
Assainissement
Les chercheurs estiment que les MET offrent une solution intéressante pour atteindre le sixième objectif de développement durable des Nations unies : assurer la disponibilité et la gestion durable de l'eau et de l'assainissement pour tous. Les MET se sont révélées efficaces dans des projets pilotes et offrent la possibilité de traiter davantage d'eau dans un plus grand nombre de conditions.
En 2015, par exemple, un MET alimenté par l'urine, appelé Pee Power®, a été testé au festival de Glastonbury, l'un des plus grands festivals de musique en plein air au monde. Depuis, le système a fait ses preuves lors d'essais à long terme sur le terrain en Ouganda, au Kenya et en Afrique du Sud. Le système convertit les eaux usées en électricité, alimentant l'éclairage autour des toilettes afin de réduire les risques de sécurité dans les zones dépourvues d'électricité.
L'impact
Le développement des MET au cours des 20 dernières années nous a permis de passer de la compréhension de la "boîte noire microbienne" à la construction de systèmes modulaires et évolutifs qui peuvent avoir un impact dans le monde réel. Nous sommes maintenant arrivés à un stade où ces technologies sont techniquement réalisables".
"L'étape suivante consiste à s'assurer qu'elles sont économiquement compétitives par rapport aux méthodes de traitement traditionnelles. En intégrant stratégiquement les MET dans nos infrastructures existantes, nous pouvons transformer la gestion globale des eaux usées en un moteur autonome de récupération des ressources", déclare le Dr Deepak Pant, de l'Institut flamand de recherche technologique (VITO) en Belgique.
"Dans le monde, environ 3,5 milliards de personnes n'ont pas accès à l'assainissement. Le développement du traitement des eaux usées pourrait améliorer les conditions de vie d'un grand nombre de personnes parmi les plus pauvres et prévenir les dommages écologiques. Les technologies électrochimiques microbiennes pourraient constituer une solution locale pour transformer les eaux usées nocives en une ressource précieuse", a déclaré le professeur Ioannis Ieropoulos de l'université de Southampton, également directeur de MET-C, qui commercialise la technologie des piles à combustible microbiennes.
Surmonter les obstacles
Malgré leur potentiel, le grand défi consiste à faire passer ces technologies à l'échelle supérieure. Les cadres réglementaires stricts ne tiennent souvent pas compte des économies circulaires qui réutilisent les déchets. Dans de nombreux pays, par exemple, les engrais à base d'urine ne peuvent pas être utilisés pour la culture de denrées alimentaires ou d'aliments pour animaux. Il existe également des obstacles techniques pour garantir que les matériaux MET restent toujours performants.
"Bien qu'il soit farfelu d'alimenter nos maisons avec des eaux usées, les technologies électrochimiques microbiennes peuvent améliorer les processus existants de traitement de l'eau. L'adoption généralisée des MET serait particulièrement bénéfique pour les eaux usées fortement polluées ou dans les endroits où le traitement existant est trop coûteux ou n'atteint pas tout le monde", a déclaré le professeur Falk Harnisch du Centre Helmholtz pour la recherche environnementale en Allemagne.
