Analyse environnementale de scénario de séparation à la ...

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Analyse environnementale de scénario de

séparation à la source pour une valorisation des

ressources des eaux usées

Mathilde BESSON1, Ligia TIRUTA-BARNA1, Etienne

PAUL1, Mathieu SPERANDIO1 et Sylvaine BERGER2

1 TBI, Université de Toulouse, CNRS, INRA, INSA, France.2 Solagro, France.

Session T3 –S8 KN 265946

Toulouse Biotechnology Institute • p.2Toulouse Biotechnology Institute • p.2

Eaux usées = DES ressources

• Vaut-il mieux séparer-valoriser à la source ?

• Ou

Illustration Eric Pero

• « End-of-pipe » avec des STEP-(bio)raffineries ?


Matières fécales

Pourquoi séparer à la source ?

Matières fécales =

matière organique

Eaux grises

Urine

Eaux grises =

Eau

Urine = Nutriment



Pourquoi séparer à la source ?

• Ségrégation des risques

Pathogènes Micropolluants

A partir de Schönning et

al., 2002 et Ottoson and

Stenström 2003

Lienert et al 2007

Toulouse Biotechnology Institute • p.5

Introduction

• MUSES: Développement d’un outil d’évaluation de scénarios alternatifs de gestions des eaux usées

• Critères environnementaux

• Critères économiques

• Scénario avec

■ Gestion conventionnelle

■ Séparation à la source

■ Gestion potentiellement décentralisée


Outil MUSES : prendre en compte l’urbanisme

Outil MUSES

Echelle du Quartier

Outil de modélisation de station

d’épuration

Récupération

N, P, COD et

bilan

énergétique

Analyse de

cycle de vie

Analyse de

coûts

Caractéristiques du

quartier:

Surface, Usage,

habitants,

configuration

urbaine…

Caractéristiques des

scénarios :

Quelles séparation,

volume de chasse,

système de collecte,

traitement …

Influent

Quartier

Collecte

Traitement

Paramètres de

design

Création d’indicateursCollecte de

donnéesModélisation

La gestion des eaux usées : le constat




Bisinella et al., 2015

Emissions de N2O, CH4 et CO2

Pour améliorer le bilan ?

- Installation + compacte granules ?

- Réduire les émissions directes dans l’air ?

- Eaux usées = des Ressources ! - 0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

kg

CO

2-E

q / m

3

Infrastructure

Direct emissions

Electricity

CogenerationMethanol production

FeCl3 production

Grits disposal

Sludge spreading

TSP avoided

AN avoided


Changement climatique – Midpoint analysis ReCiPe method


Changement climatique – Midpoint analysis ReCiPe method


• Si valorisation de toutes les ressources :

• DCO, N, P et eau : • Gain maximum :

• Si réutilisation totale eaux traitées pour des

usages en remplacement de l’eau potable.

• Méthanisation et production d’électricité par

cogénération

• Valorisation agricole des nutriments (N, P)

Potentiellement compensation des impacts du

traitement sur le changement climatique mais :

• Valorisation de l’azote et de l’eau obligatoire

- 1.2

- 1.0

- 0.8

- 0.6

- 0.4

- 0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

kg

CO

2-E

q / m

3

?

Infrastructure

Direct emissions

Electricity

Chemicals production

Sludge spreading

TSP avoided

AN avoided

Extra emissions

Tap water avoided

Electricity avoided



• Flux d’azote dans la station

–Procédés de valorisation de l’azote :• Sur des flux concentrés (stripping,

précipitation de struvite, chimiosorption transmembranaire)

• Digestat liquide : 10 à 15% des flux d’entrée !



• Valeur économique des eaux usées (si intensification STEP (Verstraete 2011))

La séparation à la source



La séparation à la source : Comment ?

• Séparation des urines

Toilette No-Mix

Avantages :

• valorisation agricole facilitée

• Faible volume

• Peut être implantée à toutes les échelles

Inconvénients :

• Des toilettes non matures

• Des problèmes de précipitation

spontanée transport par camion

Toilette Save!

Ref

[1]

Ref

[2]




• Séparation des eaux noires // eaux grises

Toilette sous vide, Roediger

Ref [3]

Avantages :

• Valorisation des eaux possibles

• Valorisation énergétique des eaux noires

Nécessite :

• un réseau sous vide pour le

transport des eaux noires et éviter

leur dilution

• Des traitements avancés pour la

réutilisation des eaux grises



La separation à la source : Comment ?

• 3 scénarios alternatifs

DIS

TRIC

TC

ITY STEP

Eaux grises

Eaux usées GravitySewer

Eaux noiresUASB PPT STR TMCS

BW BW/GWURINE

STEP

Urine

Eaux usées

Eaux brunes et grisesD

ISTR

ICT

CIT

Y

BioP + Nit + Denit

Discharge

ADPPT STR

TMCS

Traitement centralisé de

l’urine

Traitement Semi-décentralisé

des eaux noires et grises

Traitement totalement

décentralisé des eaux noires

et grises

80% d’efficacité de séparation de l’urine

DIS

TRIC

TC

ITY STEP

Eaux grises

Eaux uséesGravitySewer

Eaux noires

MBR Rejets

UASB PPT STR TMCS

Toulouse Biotechnology Institute • p.16Toulouse Biotechnology Institute • p.16Toulouse Biotechnology Institute • p.16

• Récupération d’azote par TMCS : Transmembrane Chemisorption

NH3 doit être prédominant !

• pH = 9.6

• T = 45°C

= 88.5% de NH3

Hypothèse :

• 90% de recuperation de

NH3

TMCS sur la STEP de Münster (Allemagne) (2018). (Richter et al., 2019).



• Comparaison avec une station récupératrice de ressources

• Valorisation des nutriments :

BioP + précipitation de struvite + extraction membranaire de l’azote (TMCS)

• Valorisation de la DCO autant que possible

Décanteur primaire + Digestion anaérobie + cogénération



• Cas d’étude théorique sur une quartier fictif

• Quartier :

– 6.25 ha

– 697 EH

– 921 habitants and 469 employés

– Immeubles discontinus (Bonhomme

2013)

• City:

– 57 450 EH


-100

-50

0

50

100

150

200

REF

kgC

O2

-Eq

/ P

E/ y

ear

La séparation à la source, comment ?

• Si traitement des eaux grises en STEP :

• Même bilan sur le changement climatique :

■ même quantité valorisé en N ~ 60% de l’azote du quartier

■ Diminution des émissions de N2O

-100

-50

0

50

100

150

200

REF URINE

kgC

O2

-Eq

/ P

E/ y

ear

-100

-50

0

50

100

150

200

REF URINE BW

kgC

O2

-Eq

/ P

E/ y

ear

Changement climatique –Midpoint analysis ReCiPe method


-100

-50

0

50

100

150

200

REF URINE BW BW-GW

kgC

O2

-Eq

/ P

E/ y

ear


• Si Valorisation des eaux grises

Bioréacteur à membrane : 1.5 kWh/m3

Mais de 0.4 à 8 kWh/m3

A l’année % des eaux grises traitées

Chasse d'eau; 5%

Machine à laver ; 10%

Arrosage ; 7%

Nettoyage des voiries; 8%

Avec une valorisation

complète des eaux grises !



Extraction évitée :

• 12 m3/EH/an grâce au

économie sur la chasse

d’eau

• 52 m3/EH/an grâce à la

réutilisation des eaux

grises

↗Ressources

en eau

↗ Débit d’étiage

↙ des risques d’eutrophisation

Amélioration du bon état écologique

• Si Valorisation des eaux grises • Nécessite une analyse sur plus de critères :



• Besoin en chaleur conséquent !Le traitement TMCS a besoin de travailler avec une prépondérance de NH3 donc avec un couple pH, T adapté :

45°C et pH=9,6 86% de NH3

• Mais procédé sur les eaux noires plus diluées que les urines ou le digestat en STEP.

• Piste d’amélioration : • Récupération de chaleur sur les effluents TMCS

• Toilettes sous vide à très faible chasse (0,5 L/chasse)

• Utilisation d’une chaudière à la place de la cogénération

• Co-digestion des bio déchets -100

-50

0

50

100

150

200

REF URINE BW BW-GW

kgC

O2

-Eq

/ P

E/ y

ear

• Si Valorisation décentralisée des nutriments


La séparation à la source, oui mais où ?

• L’urbanisme et la taille du projet influencent les résultats :

• Densité urbaine ■ Distances des transport, ■ Production eaux usées m3/m2

• Usage des bâties ■ volume des eaux usées

• L’outil MUSES prend en compte le type d’urbanisme :

Pavillons Continus

Immeubles Discontinus

Immeubles Continus

Centre ancien Grande TourPavillons

Discontinus

Cas d’étude : la Cartoucherie à Toulouse


Conclusion

Une méthode d’évaluation intégrée a été développée pour analyser des scénarios alternatifs de gestion des eaux usées à l’échelle du quartier• Permet de donner des informations quantitatives pour l’aide à la décision

La séparation à la source permet d’améliorer la récupération du N et P• La demande en chaleur pour la récupération du N est assurée par la cogénération

pour le traitement centralisé mais doit être amélioré dans le cas de traitement décentralisé

Sans valorisation des eaux grises les scénarios de séparation à la source permettent une diminution du changement climatique :• Grâce au flux de N2O évité par le traitement par TMCS de l’azote et non la boue

activée• Grâce à la valorisation de l’azote en agriculture


Perspectives

Evaluation plus aboutie pour la comparaison de la réutilisation des eaux avec ou sans séparation, centralisée ou non.

Quel est l’impact de l’urbanisme sur ces résultats• En terme de transport et d’efficacité de traitement mais aussi d’espace

disponible pour les traitements décentralisés

Echelle optimale pour la digestion décentralisée

MERCI DE VOTRE ATTENTIONTravaux financés dans le cadre des projets :

www.design.cnrs.fr/

ANR-17-CE22-0017

Projet DESIGNProjet MUSES

http://www.design.cnrs.fr/


Références

• Bisinella de Faria, A.B., 2016. Development of an integrated approach for wastewater treatment plant optimization based on dynamic modelling and environmental assessment. Université de Toulouse, Toulouse, France.

• Bonhomme, M., 2013. Contribution à la génération de bases de données multi-scalaires et évolutives pour une approche pluridisciplinaire de l’énergétique urbaine (Thèse de doctorat en Génie Civil). Laboratoire de recherche en architecture et Laboratoire matériaux et durabilité des constructions - Université de Toulouse, France.

• Lienert, J., Bürki, T., Escher, B.I., 2007. Reducing micropollutants with source control: substance flow analysis of 212 pharmaceuticals in faeces and urine. Water Science & Technology 56, 87. https://doi.org/10.2166/wst.2007.560

• Ottoson, J., Stenström, T.A., 2003. Faecal contamination of greywater and associated microbial risks. Water Res. 37, 645–655. https://doi.org/10.1016/S0043-1354(02)00352-4

• Richter L., Wichern M., Grömping M., Robecke U., Haberkamp J. 2019 Ammonium recovery from process water of digested sludge dewatering by membrane contactors. At IWA Membrane technology Conference for Water and wastewater treatment and reuse. June 2019 Toulouse, France.

• Schönning, C., Leeming, R., Stenström, T.A., 2002. Faecal contamination of source-separated human urine based on the content of faecal sterols. Water Research 36, 1965–1972. https://doi.org/10.1016/S0043-1354(01)00427-4

• Verstraete, W., Vlaeminck, S.E., 2011. ZeroWasteWater: short-cycling of wastewater resources for sustainable cities of the future. International Journal of Sustainable Development & World Ecology 18, 253–264. https://doi.org/10.1080/13504509.2011.570804

https://doi.org/10.2166/wst.2007.560

https://doi.org/10.1016/S0043-1354(02)00352-4

https://doi.org/10.1016/S0043-1354(01)00427-4

https://doi.org/10.1080/13504509.2011.570804


Références

• Crédit photos

[1] EOOS Available at https://www.laufen.com/en/newsroom-and-press/press-releases/ish-2019

[2] Judith Lienert. Available at http://newatlas.com/nomix-toilet-accepted-in-european-project/14502/

[3] Otterpohl, Presentation: Innovative reuse oriented water concepts high-, medium- and low-tech options. Available at https://cgi.tu-harburg.de/~awwweb/susan/downloads/SuSan_en.pdf

https://www.laufen.com/en/newsroom-and-press/press-releases/ish-2019

http://newatlas.com/nomix-toilet-accepted-in-european-project/14502/

https://cgi.tu-harburg.de/~awwweb/susan/downloads/SuSan_en.pdf

Annexes

3

0

Name CITY DISTRICTURIN

E

GREYBROW

NGREYWATER remainingBW BLACKWATER Unit

Scenario All Reference Urine UrineBW and

BW/GWBW BW/GW

Flow rate 12900.0 111.4 1.7 109.7 95.5 5.5 6.1 m3/d

TCOD 600.8 864.1 4153.5 814.4 507.0 564.5 7896.9 g COD/m3

TBOD5 260.5 374.6 3143.1 332.8 282.6 331.3 g O2/m3

TN 67.7 88.1 3545.6 35.8 12.1 450.3 1428.5 g N/m3

SNHx 50.0 66.8 3330.9 17.5 2.4 213.1 1190.8 g N/m3

TP 11.4 14.2 303.9 9.8 4.9 40.2 183.7 g P/m3

SPO4 6.0 11.8 289.8 7.6 3.1 18.8 167.8 g P/m3


La gestion des eaux usées : le constat Bisinella et al., 2015

- 0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

kg

CO

2-E

q / m

3

Avoided electricity

Mineral fertilizer avoided transport

Mineral fertilizer avoided spreading

AN avoided

TSP avoided

N-rich transport

Struvite transport

Sludge transport

N-rich spreading

Struvite spreading

Sludge spreading

Urine transport

Urine storage

Grits disposal

Chemicals transport

H2SO4 production

NaOH production

MgO production

FeCl3 production

Methanol production

Cogeneration

Heat

Electricity

Direct emissions

Infrastructure

- 1.2

- 1.0

- 0.8

- 0.6

- 0.4

- 0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

kg

CO

2-E

q / m

3

Extra Cost

Water avoided production

Avoided electricity

AN avoided

TSP avoided

N-rich transport

Struvite transport

Sludge transport

N-rich spreading

Struvite spreading

Sludge spreading

Urine transport

Urine storage

Grits disposal

Chemicals transport

NaOH production

MgO production

FeCl3 production

Methanol production

Cogeneration

Heat

Electricity

Direct emissions

Infrastructure

?



• Et sur les autres indicateurs !

• Difficile de donner une conclusion franche

• Le scénario BW-GW, à cause de la consommation énergétique, a 8 catégories d’impact supérieures à 15% de la REF.

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