Les usines de traitement des eaux usées émettent environ deux fois plus de gaz à effet de serre qu'on le pensait auparavant, selon les ingénieurs de Princeton qui ont utilisé un laboratoire mobile pour vérifier les usines à travers le pays.
Dans un article publié dans la revue Eau naturelle, une équipe de recherche dirigée par les professeurs Mark Zondlo et Z. Jason Ren, en collaboration avec le professeur Francesca Hopkins de l'UC-Riverside, rapporte que, collectivement, les stations d'épuration ont produit 1,9 fois l'oxyde d'azote estimé par l'Environmental Protection Agency et 2,4 fois le méthane.
Sur la base des nouvelles mesures, les stations d'épuration contribuent à 2,5 % des émissions américaines de méthane et à 8,1 % de l'oxyde nitreux. Le méthane et l'oxyde nitreux sont de puissants gaz à effet de serre, collectivement responsables d'environ 22 % du réchauffement climatique depuis 1850, ont indiqué les chercheurs.
Les chercheurs ont déclaré que la bonne nouvelle est qu’une grande partie des émissions est produite par un petit nombre de stations d’épuration. Cela signifie que prendre des mesures pour améliorer relativement peu de plantes aurait un impact démesuré sur la pollution globale.
Zondlo, professeur de génie civil et environnemental, a déclaré que les travaux mettaient en évidence l'importance des émissions de gaz à effet de serre provenant des systèmes de traitement des eaux usées, qui, selon lui, jouent un rôle clé dans la santé publique et environnementale.
« Nous voulons de l'eau propre », a déclaré Zondlo. « Mais il y a un autre aspect du problème, et les émissions atmosphériques n'ont pas reçu la même attention que l'eau. »
Pour ce faire, l'équipe a utilisé un laboratoire mobile appelé « Princeton Atmospheric Chemistry Experiment » : un véhicule électrique équipé de systèmes laser développés par Zondlo et ses collègues, ainsi que de capteurs de gaz et météorologiques commerciaux.
L'équipe de Princeton a pris des mesures directes dans 96 stations d'épuration qui traitent ensemble 9 % des eaux usées des États-Unis. Les étudiants diplômés Daniel Moore et Nathan Li ont conduit le laboratoire mobile chaque trimestre de la côte Est à la Californie et ont surveillé les émissions des usines chaque saison au cours de la campagne de 14 mois.
« C'était beaucoup de kilomètres », a déclaré Moore, qui a estimé leur voyage total à environ 52 000 milles. Moore est maintenant data scientist au sein du groupe environnemental WattTime.
Pour capturer les mesures, l'équipe a conduit le laboratoire mobile sur la voie publique autour des périmètres des usines et a enregistré les panaches de gaz émergents. En règle générale, les chercheurs passaient par une installation environ 10 fois pour prélever un échantillon, et ils échantillonnaient de nombreuses installations plusieurs fois dans différentes conditions météorologiques et à différents moments de la journée (37 plantes ont été échantillonnées chaque trimestre).
Les émissions individuelles ont été analysées pour chaque usine afin de déterminer les émissions au niveau du secteur ainsi que de comprendre les opérations de chaque usine. Les données de chaque installation ont été communiquées de manière anonyme, car le but de l'étude n'était pas de rendre compte publiquement d'une usine en particulier, mais plutôt de saisir les tendances de l'industrie dans son ensemble.
« Nous voulions comprendre comment les choses se passaient dans le monde réel, pas seulement dans des conditions idéales », a déclaré Moore.
Les usines de traitement des eaux usées dépendent généralement des microbes pour consommer les déchets dans le cadre du processus de nettoyage, et les microbes produisent différents gaz tels que le méthane et l'oxyde nitreux comme sous-produits.
En raison de la complexité de la composition des eaux usées, les technologies de traitement et les stratégies opérationnelles varient selon les installations, conduisant à des réactions biologiques différentes et, par conséquent, à de grandes variations des émissions de gaz à effet de serre. Puisqu’il s’agit d’un processus biologique, de nombreux facteurs environnementaux influencent la quantité de gaz produite par les microbes.
D'autres facteurs jouent également un rôle. Les fortes pluies peuvent affecter le contenu des eaux usées, tandis que la température et la saison peuvent avoir un impact sur les émissions.
« Une fois, nous avons été invités dans une installation et avons trouvé de fortes concentrations d'oxyde nitreux autour d'un réservoir d'aération. Nous sommes revenus une semaine plus tard et il n'y avait rien », a déclaré Moore.
La nature imprévisible des émissions des usines de traitement des eaux usées est un facteur qui rend difficile l'estimation des niveaux d'émission nationaux, ont indiqué les chercheurs.
Zondlo a déclaré que les estimations précédentes étaient basées sur des données scientifiques fiables, mais qu'elles reposaient en grande partie sur de très petites parties d'un très petit nombre de plantes qui ont été extrapolées à l'échelle nationale. Une partie d'une usine individuelle a du mal à refléter les émissions provenant d'autres sources connues, à capturer les opérations qui peuvent ne pas être optimisées ou à identifier les sources inconnues sur ces grandes installations.
« Les usines de traitement des eaux usées sont souvent complexes. De nombreuses usines ont été construites dans les années 70 et ont été agrandies avec l'évolution des technologies », a-t-il expliqué. « Notre approche consiste à examiner l'ensemble des installations, un grand nombre d'installations et à différents moments. »
Aux États-Unis, la plupart des stations d'épuration sont exploitées par des municipalités ou des autorités gouvernementales locales, ont indiqué les chercheurs. Ren, professeur de génie civil et environnemental et du Centre Andlinger pour l'énergie et l'environnement, a déclaré qu'il n'y avait pas beaucoup d'informations disponibles pour guider les exploitants de centrales.
« Ils savent qu'ils ont des émissions. Dans de nombreux cas, ils ne savent pas à quel point elles sont élevées », a déclaré Ren. « La plupart des services publics veillent à ce que l'eau soit propre. Les émissions atmosphériques n'ont pas été leur priorité absolue, même si beaucoup s'intéressent de plus en plus à mieux les comprendre. »
Zondlo a déclaré que la prochaine étape vers la réduction des émissions serait de travailler avec les exploitants des usines pour mieux comprendre ce qui se passe à l'intérieur des usines de traitement des eaux usées. Étant donné que la plupart des usines sont grandes et relativement complexes, il est probable que certains procédés ou traitements émettent plus de gaz que d’autres. L’entretien et l’âge des équipements pourraient également jouer un rôle.
« Si nous pouvons obtenir plus d'informations sur les usines, nous pourrons faciliter la maîtrise des émissions atmosphériques ainsi que de l'eau », a-t-il déclaré.
Ren a déclaré que le contrôle des émissions pourrait également constituer une incitation financière pour les services publics. S’il existe un moyen économique de récupérer le méthane ou l’azote gazeux, cela pourrait devenir une source de revenus pour les opérateurs de traitement des eaux usées.
« Le méthane, par exemple, est un gaz à effet de serre et il n'est pas bon pour l'environnement. Mais c'est aussi une source d'énergie renouvelable précieuse », a-t-il déclaré.
