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 ?
Toulouse Biotechnology Institute • p.3Toulouse Biotechnology Institute • p.3
Matières fécales
Pourquoi séparer à la source ?
Matières fécales =
matière organique
Eaux grises
Urine
Eaux grises =
Eau
Urine = Nutriment
Illustration Eric Pero
Toulouse Biotechnology Institute • p.4Toulouse Biotechnology Institute • p.4
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
Toulouse Biotechnology Institute • p.6Toulouse Biotechnology Institute • p.6
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
Toulouse Biotechnology Institute • p.7
Toulouse Biotechnology Institute • p.8Toulouse Biotechnology Institute • p.8
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
Illustration Eric Pero
Changement climatique – Midpoint analysis ReCiPe method
Toulouse Biotechnology Institute • p.9
Changement climatique – Midpoint analysis ReCiPe method
La gestion des eaux usées : le constat
• 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
Toulouse Biotechnology Institute • p.10Toulouse Biotechnology Institute • p.10
La gestion des eaux usées : le constat
• 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 !
Toulouse Biotechnology Institute • p.11Toulouse Biotechnology Institute • p.11
La gestion des eaux usées : le constat
• Valeur économique des eaux usées (si intensification STEP (Verstraete 2011))
La séparation à la source
Toulouse Biotechnology Institute • p.12
Toulouse Biotechnology Institute • p.13Toulouse Biotechnology Institute • p.13
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]
Illustration Eric Pero
Toulouse Biotechnology Institute • p.14Toulouse Biotechnology Institute • p.14
La séparation à la source : Comment ?
• 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
Illustration Eric Pero
Toulouse Biotechnology Institute • p.15Toulouse Biotechnology Institute • p.15
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).
Toulouse Biotechnology Institute • p.17Toulouse Biotechnology Institute • p.17Toulouse Biotechnology Institute • p.17
La séparation à la source : Comment ?
• 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
Toulouse Biotechnology Institute • p.18Toulouse Biotechnology Institute • p.18Toulouse Biotechnology Institute • p.18
La séparation à la source : Comment ?
• 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
Toulouse Biotechnology Institute • p.19Toulouse Biotechnology Institute • p.19
-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
Toulouse Biotechnology Institute • p.20Toulouse Biotechnology Institute • p.20
-100
-50
0
50
100
150
200
REF URINE BW BW-GW
kgC
O2
-Eq
/ P
E/ y
ear
La séparation à la source, comment ?
• 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 !
Toulouse Biotechnology Institute • p.21Toulouse Biotechnology Institute • p.21
La séparation à la source, comment ?
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 :
Toulouse Biotechnology Institute • p.22Toulouse Biotechnology Institute • p.22
La séparation à la source, comment ?
• 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
Toulouse Biotechnology Institute • p.23Toulouse Biotechnology Institute • p.23
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
Toulouse Biotechnology Institute • p.24Toulouse Biotechnology Institute • p.24
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
Toulouse Biotechnology Institute • p.25Toulouse Biotechnology Institute • p.25
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
Toulouse Biotechnology Institute • p.27Toulouse Biotechnology Institute • p.27
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
Toulouse Biotechnology Institute • p.28Toulouse Biotechnology Institute • p.28
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
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
3
1
Toulouse Biotechnology Institute • p.32Toulouse Biotechnology Institute • p.32
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
?
Toulouse Biotechnology Institute • p.33Toulouse Biotechnology Institute • p.33Toulouse Biotechnology Institute • p.33
La séparation à la source, comment ?
• 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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