Chaque année, les usines de traitement des eaux usées aux États-Unis nettoient des milliards de gallons d’eau, de ce que nous jetons dans les toilettes pour l’évacuer dans l’évier.
Dans une nouvelle étude, une équipe dirigée par des chercheurs de l’Université Northwestern et de l’Université de l’Illinois Urbana-Champaign a analysé les données de plus de 15 000 installations de traitement des eaux usées pour comprendre les coûts climatiques cachés dans tout ce nettoyage.
L'étude, publiée dans la revue Eau naturelleestime que les usines américaines de traitement des eaux usées émettent l’équivalent d’environ 47 millions de tonnes de dioxyde de carbone (CO2) chaque année. Parmi ces émissions, deux gaz à effet de serre, le méthane et l'oxyde nitreux, jouent un rôle plus important qu'on ne le pensait auparavant, dépassant de 41 % les estimations actuelles du gouvernement.
« Voir clairement à quel point les émissions de méthane et d'oxyde d'azote sont les principaux acteurs, c'était assez frappant », a déclaré Jennifer Dunn de Northwestern, auteur principal de l'étude.
Dunn est professeur de génie chimique et biologique à la McCormick School of Engineering de Northwestern et directeur du Center for Engineering Sustainability and Resilience.
Selon Dunn, une image plus claire de la contribution du traitement des eaux usées au changement climatique aidera à déterminer où les efforts de décarbonisation peuvent être les plus efficaces.
« Nous avons constaté qu'il existe des opportunités relativement simples de réduire les émissions de gaz à effet de serre provenant des usines de traitement des eaux usées », a-t-elle déclaré. « Nous avons également observé qu'il est nécessaire de développer de nouvelles technologies pour pousser encore plus ces réductions. »
Mesurer le coût du nettoyage
Pour capturer le coût climatique total du traitement des eaux usées, les chercheurs ont comptabilisé non seulement les émissions du processus de traitement de chaque usine, mais également celles liées à la production de l'énergie et des produits chimiques dont les installations ont besoin pour fonctionner et à l'élimination des déchets solides après traitement.
Ils ont découvert que le méthane et l’oxyde nitreux, de puissants gaz à effet de serre résultant des processus sur site que les usines utilisent pour nettoyer les eaux usées, en étaient les principaux contributeurs. Le méthane représentait 41 % des émissions totales, soit l'équivalent de 16 millions de tonnes de CO2. Et le protoxyde d’azote représentait 24 %, soit l’équivalent de 12 millions de tonnes de CO.2.
Méthane : le sale secret des boues d'épuration
Dans les usines de traitement, les eaux usées et les solides qu’elles contiennent subissent plusieurs étapes de traitement pour les rendre suffisamment propres pour retourner dans l’environnement.
La digestion anaérobie est un moyen courant par lequel les plantes décomposent les solides des eaux usées, ou boues d'épuration. À l’intérieur d’un digesteur anaérobie, les micro-organismes se nourrissent de déchets et créent du biogaz, composé majoritairement de méthane.
« Le problème avec les digesteurs anaérobies est qu'ils peuvent fuir, et certains digesteurs anaérobies fuient beaucoup », a déclaré Dunn.
En effet, même si les stations d’épuration peuvent utiliser le biogaz comme source d’énergie renouvelable, les émissions de méthane peuvent dépasser les gains climatiques.
Mais la bonne nouvelle, a déclaré Dunn, c'est qu'une fuite peut être réparée.
« C'est quelque chose qui peut être résolu », a-t-elle déclaré. « C'est donc un exemple d'opportunité à portée de main que nous avons vue tout de suite. »
Un besoin d’innovation
Avant que les eaux usées ne soient suffisamment propres pour être rejetées dans les eaux de surface ou souterraines, les stations d’épuration doivent souvent éliminer l’excès d’azote, ce qui pourrait autrement entraîner une croissance accrue des algues et une diminution de l’oxygène dans l’eau, nuisant ainsi à la vie aquatique.
Pour éliminer l’azote des eaux usées, de nombreuses usines utilisent un processus appelé nitrification-dénitrification. En cours de route, il libère de l’oxyde nitreux – un puissant gaz à effet de serre – et de l’azote inoffensif dans l’air.
Parallèlement, d’autres technologies récupèrent l’azote de l’air pour l’utiliser dans des produits tels que les engrais. Ces technologies sont souvent gourmandes en énergie, donc développer un moyen de récupérer l’azote directement à partir des eaux usées pourrait permettre d’économiser de l’énergie et des émissions.
« Si nous pouvions simplement éviter de rejeter cet azote dans l'air et l'utiliser pendant que nous l'avons pour fabriquer un produit comme des aliments pour animaux ou des engrais, alors nous nous dirigeons vers une économie circulaire de l'azote », a déclaré Dunn.
Quelle est la prochaine étape
Les chercheurs travaillent actuellement avec des installations de traitement des eaux usées pour collecter des données plus détaillées et affiner un outil de modélisation open source que les usines peuvent utiliser pour comprendre leurs émissions.
« De nombreuses municipalités ont des plans d'action climatique et veulent donc prendre des mesures pour réduire leurs émissions de gaz à effet de serre », a déclaré Dunn. « L'un de nos espoirs était que cette étude aiderait les usines de traitement. »
Bien que leur analyse n'inclue que les usines américaines, leurs méthodes peuvent fonctionner pour n'importe quelle usine disposant de données appropriées, a-t-elle déclaré.
Alors que la population mondiale continue de croître et que les services sanitaires publics se développent pour desservir un plus grand nombre de personnes que jamais, la décarbonisation du traitement des eaux usées à l’échelle mondiale sera importante pour atteindre les objectifs climatiques.
« C'est un secteur important, et il nécessite une attention particulière », a déclaré Dunn.
