DS06 - Mobilité et systèmes urbains durables

Développement et Evaluation de Scénarios Urbains Innovants de Gestion Séparative des effluents – DESIGN

DESIGN Développement et évaluation de scénarios urbains innovants de gestion à la source des effluents

L’enjeu du projet est d’évaluer les bénéfices réels et contraintes des approches d'assainissement alternatifs selon différents critères : <br />a) en évaluant la diminution des pressions sur les systèmes (assainissement et milieux récepteurs); la diminution des émissions de GES; en quantifiant les flux de matière recyclables; <br />b) en développant des technologies clés pour ces nouvelles filières <br />c) en mesurant la capacité d’appropriation de ces nouveaux dispositifs de séparation à la source; <br />.

Séparer les effluents à la source pour mieux les valoriser et réduire les impacts environnementaux

Alors que les systèmes d’épuration centralisés sont encouragés à évoluer vers des filières de valorisation, il devient de plus en plus évident que certains enjeux sont difficiles à relever dans une approche « tout-à-l’égout ». La dilution et le mélange conduisent à certaines barrières. La séparation à la source des effluents urbains (eaux marrons, eaux grises, urine) pourrait conduire à une transformation durable des modes d’assainissement actuels, et constituer un secteur d’innovation majeur dans le domaine de la gestion des eaux usées dans l’avenir. Le projet DESIGN 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 : (1) sur le plan environnemental tout d’abord, en évaluant la diminution des pressions sur les systèmes d’assainissement et les milieux récepteurs du fait d’une réduction des flux polluants et de leurs variations temporelles ; en évaluant la diminution des émissions de gaz à effet de serre et des consommations d’énergie; en qualifiant et quantifiant les flux de matière recyclables et leur valorisation locale (azote, phosphore, matières organiques, eau traitée) ; (2) 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 ; (3) 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 ; (4) et enfin sur le plan urbanistique, par l'évaluation de l’adéquation des scénarios de séparation à la source aux différentes typologies urbaines.

Ce projet combine différents travaux menés en parallèle :
(1) Simulateur de filière d’assainissement : Développement d’un outil logiciel d’évaluation environnementale et économique des filières de collecte, traitement et valorisation des flux produits au sein d’une structure urbaine spécifique (différentes configurations urbaines sont prises en compte).
(2) Technologies développées: Des toilettes à séparation de l'urine et un pilote de récupération des nutriments N et P. Pour ce dernier, un pilote traitant 2,4 m3.d-1 d’urine combine la récupération du phosphore par précipitation sous forme de struvite et de l’ammoniac par une nouvelle technique prometteuse : la chimio-sorption transmembranaire (TMCS). Le gaz ammoniac libre (NH3) passe à travers une membrane hydrophobe du flux liquide vers une solution acide, produisant du sulfate d'ammonium qui est un fertilisant agricole.
(3) Appropriation par les acteurs : une étude sociotechnique des scénarios auprès des acteurs professionnels et des usagers a été réalisée montrant comment ceux-ci s’approprient les éléments, les bénéfices mais aussi les contraintes des filières décentralisées d’assainissement et de valorisation. Cette étude s'est matérialisée sur des cas concrêts comme à Bordeaux lors de l'expérimentation de La Fumainerie, première initiative de
réseau de collecte séparative des excrétats en milieu urbain, comme également à Grenoble et d'autres sites encore. La base de données générée pourra aider les acteurs de la filière pour l’implantation des systèmes de séparation à la source et de valorisation.
(4) Intégration urbaine : l’outil de simulation de scénarios est appliqué à des quartiers concrets. Ces simulations fournissent des connaissances précises sur les relations entre les typologies urbaines et les choix des filières intégrant les contraintes diverses. Ce travail permettra d’orienter les premiers démonstrateurs et de faire émerger les premières références pour les scénarios les plus prometteurs.

1) Outil-logiciel de simulation fonctionnelle pour l'aide à la décision sur les politiques d’assainissement à mettre en place dans une ville. Cet outil a permis de réaliser une étude comparative multicritères sur des filières types. Il a été adapté pour modéliser des cas d’étude réels à partir de données SIG (Système d’information géographique). Il est utilisé désormais pour d'autres projets dans lesquels il est une pièce centrale (projet Sudoe ecoval...)
2) volet technologique : Une base de données sur les technologies, les scénarios et les retours d’expérience (http://design.cnrs.fr/contexte/); Une évaluation expérimentale du procédés de séparation de l'ammoniac à l'échelle laboratoire et pilote en démonstration sur site; Un pilote de toilettes à séparation d’urine, appelé WCesar mis au point et une première démonstration sur site réel a eu lieu lors du festival Garorock (du 27 au 30 juin 2019). 3) Volet sociotechnique : Enquête pour mesurer la perception par les utilisateurs (600 dont 150 enquêtées) des toilettes «WCesar« au festival Garorock; Une vidéo pédagogique grand public concernant la séparation à la source de l'urine et sa valorisation comme engrais a été produite; Différents cas d'étude on fait l'objet d'enquêtes poussées: Grenoble (habitat participatif, toilettes sèches avec traitement in situ); La Fumainerie Bordeaux, collecte des matières fécales pour traitement local; Paris avec plusieurs cas, commune de saint Denis, plateaux de Saclay, Saint Vincent de Paul (collecte de l’urine). Donc des profils très différents.
4) Volet application : Une dizaine de réponses à des Appel à Manifestation d'Intérêt sur des opportunités d’implantation de la séparation à la source sur site pilote et pour le passage du prototype à la petite série.

le projet s'appuie sur deux axes principaux: 1) développement technologiques 2) l'évaluation socio-technique, menées en parallèle pour aboutir à lever les freins pour l'application de la séparation à la source des effluents. L'outil de simulation de scénarios de filière d'assainissement fournissant des comparatifs d'impacts environnementaux et de coût globaux est opérationnel et utilisé désormais pour d'autres projets. Les toilettes à séparation fonctionnent et une production du prototype est en cours de discussion avec des PMEs. La séparation de l'azote par chimiosorption permet une récupération substantielle de l'azote avec une consommation d'énergie raisonnable. La séparation à la source permet d’augmenter significativement les taux de récupération des nutriments sous la forme de fertilisants, passant de 6 % à minimum 48 % pour l’azote et de 13 % à 58 % pour le phosphore. Les projets concrets se multiplient et les partenaires de Design sont pour certains, partie prenante.

Les différentes communications qui ont été faites sur le test de toilettes à séparation des urines à Garorock : www.eau-adour-garonne.fr/fr/toute-l-actualite/annee-2018-1/er-semestre-2018/la-separation-a-la-source-garorock.html; Séminaire « La séparation des effluents urbains : l’assainissement du futur ? » solagro.org/separation-des-effluents-a-la-source-un-colloque-stimulant-40-actu-105; Des articles ont été produits expliquant les technologies développées ou bien les résultats des simulations des scénarios de séparation à la source. Par exemple: communication à Water, Megacities and global change 7-11 december 2020, Unseco ou article DOI: 10.1016/j.jclepro.2021.126868 ; Un workshop sur « la séparation à la source et la fabrique de la ville ».

La séparation à la source des effluents urbains (eaux marrons, eaux grises, urine) pourrait conduire à une transformation durable des modes d’assainissement actuels, et constituer un secteur d’innovation majeur dans le domaine de la gestion des eaux usées dans l’avenir.

Le projet DESIGN a pour but d’évaluer et de développer 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: (1) sur le plan environnemental tout d’abord, en évaluant la diminution des pressions sur les systèmes d’assainissement et les milieux récepteurs du fait d’une réduction des flux polluants et de leurs variations temporelles; en évaluant la diminution des émissions de gaz à effet de serre et des consommations d’énergie; en qualifiant et quantifiant les flux de matière recyclables et leur valorisation locale (azote, phosphore, matières organiques, eau traitée); (2) 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; (3) 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; (4) et enfin sur le plan urbanistique, par l'évaluation de l’adéquation des scénarios de séparation à la source aux différentes typologies urbaines.

Le projet associe deux laboratoires de recherche, deux bureaux d’études spécialisés dans l’environnement, et deux entreprises développant des équipements innovants. Ce projet combine (1) le développement d’une méthodologie et d’un outil d’évaluation environnementale et économique, (2) l’étude et la démonstration pilote à l’échelle préindustrielle de technologies innovantes prometteuses, (3) l’étude sociotechnique des scénarios auprès des acteurs professionnels et des usagers, et enfin, (4) l’étude de faisabilité urbaine en se basant sur des cas d’étude réels sur une grande Métropole française. En projetant ces scénarios sur des cas réels, ce projet permettra d’orienter les premiers démonstrateurs et faire émerger les premières références pour les scénarios les plus prometteurs.

Coordinateur du projet

Monsieur Etienne PAUL (Toulouse Biotechnology Institute)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

J P COSTE J P COSTE
Le Sommer Environnement LE SOMMER ENVIRONNEMENT
TBI Toulouse Biotechnology Institute
LEESU Laboratoire Eau, Environnement, Systèmes Urbains
POLYMEM POLYMEM
SOLAGRO SOLAGRO

Aide de l'ANR 596 030 euros
Début et durée du projet scientifique : janvier 2018 - 36 Mois

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