Département Technologie des procédés

Water Hub au NEST

Water Hub au NEST - assainissement décentralisé orienté vers la valorisation

Le Water Hub fait partie du bâtiment NEST, un laboratoire vivant de l'Empa et de l'Eawag. Ce bâtiment modulaire se compose d'unités remplaçables, qui fournissent des appartements fonctionnels et habités, des bureaux, des salles de réunion et une unité de fitness et de bien-être. Le NEST est en constante évolution. Des solutions de construction innovantes et durables sont développées, construites, testées et présentées dans des conditions réelles. Cette approche de laboratoire vivant permet de combler le fossé entre la recherche et l'industrie et accélère ainsi l'entrée sur le marché de technologies innovantes.

Au sous-sol du NEST, les chercheurs de l'Eawag gèrent le Water Hub. Les eaux usées du NEST sont collectées ici pour être traitées comme une ressource plutôt que comme un déchet : nous traitons les eaux usées pour récupérer les nutriments, l'eau propre et l'énergie. Cela permet de réduire la pression sur l'environnement et ses ressources.

Notre approche est décentralisée : nous séparons les eaux usées à la source et les traitons au sein du bâtiment, ce qui augmente l'efficacité du traitement et de la récupération. Le traitement décentralisé peut être particulièrement utile lorsque les réseaux d'égouts et les stations d'épuration ne peuvent être construits ou pour réduire la pression sur ces infrastructures, notamment dans les zones à forte croissance urbaine. La décentralisation permet également d'adopter une approche systémique lors de la conception de solutions d'assainissement pour différents contextes, en tirant le meilleur parti des ressources rendues disponibles localement par le traitement des eaux usées.

Dans le cadre du NEST, des toilettes spéciales séparent l'urine non diluée des eaux de la chasse d’eau, des fèces et du papier toilette, qui constituent ensemble les eaux noires. Les autres flux d'eaux usées sont séparés par des réseaux de canalisations distincts. Ces réseaux transportent vers le Water Hub les eaux grises légères, provenant des machines à laver et des canalisations des salles de bains, et les eaux grises lourdes, provenant des cuisines. L'eau de pluie est également collectée, stockée et réutilisée pour alimenter les toilettes du NEST.

Le Water Hub est également une plateforme de collaboration entre les chercheurs et les partenaires de l'industrie et de la pratique. Les technologies permettant un assainissement décentralisé axé sur la valorisation des ressources peuvent être installées dans les unités du NEST ou testées dans le Water Hub. Le Water Hub est ouvert à la collaboration avec l'industrie et met à disposition des fonds de démarrage (seed funding) pour lancer de petits projets afin d'évaluer le potentiel de nouveaux concepts et technologies.

En outre, le Water Hub est intéressé par des échanges avec des acteurs des secteurs de l'assainissement, de la construction, de l'énergie et de l'agriculture, afin de discuter de l'influence de l'assainissement décentralisé axé sur la valorisation des ressources dans leurs domaines et de son intégration dans leurs projets.

Vous pouvez visiter le Water Hub et le NEST dans le cadre de visites guidées publiques!

Le Water Hub se concentre sur les projets suivants, en cours ou terminés :

Toilettes NoMix

Grâce aux toilettes NoMix, il est possible de séparer l'urine et les matières fécales pour les traiter séparément. L'urine est produite en petits volumes et présente des concentrations relativement faibles en agents pathogènes. Les humains excrètent la plupart des nutriments, antibiotiques et micropolluants par l'urine.

Les fèces, évacuées avec les eaux de chasse d’eau, sont principalement constituées de matières organiques et ont une teneur en agents pathogènes beaucoup plus élevée. Il est avantageux de traiter les deux flux séparément.

Pendant 20 ans, l'Eawag a testé en conditions réelles différents prototypes de toilettes NoMix, avec des mécanismes de séparation allant de la mécanique au capteur. Ces tests ont mis en évidence la nécessité d'un mécanisme de séparation plus robuste et des toilettes plus conviviale.

Le designer autrichien Harald Gründl, d'EOOS next, a mis au point des toilettes NoMix dotées d'un mécanisme de séparation innovant, invisible pour l'utilisateur et fonctionnant sans pièce mécanique ni capteur.

Les toilettes utilisent la tension superficielle et la vitesse différente à laquelle l'urine et l'eau de la chasse s'écoulent dans la cuvette pour séparer les deux flux. La géométrie a été optimisée en collaboration avec Laufen et l'ETH Zurich. Ces nouvelles toilettes sont maintenant installées et testées dans le NEST.

Ce système, plus robuste et plus efficace que les solutions précédentes, promet de révolutionner la séparation de l'urine.

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Valorisation des nutriments dans l'urine

Les humains excrètent la plus grande partie des nutriments dans l'urine.  Dans le Water Hub, les nutriments de l'urine sont récupérés dans l'engrais "Aurin" en utilisant le procédé VUNA : après le stockage, la volatilisation de l'ammoniac de l'urine est empêchée à l'aide de bactéries nitrifiantes. Ensuite, les produits pharmaceutiques sont éliminés dans un filtre à charbon actif. Enfin, l'urine traitée est concentrée et les agents pathogènes sont tués lors de la distillation.

Les chercheurs travaillent actuellement sur :

  • le développement de variantes du procédé VUNA, par exemple en soutenant les bactéries par l'électrochimie
  • l’optimisation de l'élimination des produits pharmaceutiques avec du charbon actif
  • l'utilisation des données de l'installation pour optimiser la consommation énergétique, les coûts, la maintenance et augmenter la fiabilité du procédé

Pour le traitement de l'urine, les chercheurs du Water Hub collaborent étroitement avec la Spin-off Vuna de l'Eawag.

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Traitement et réutilisation des eaux grises

Procédés de traitement

Les eaux usées domestiques se composent des eaux grises ainsi que des flux de déchets provenant des toilettes. Au lieu de mélanger ces flux et de les rejeter à l'égout, il est possible de traiter et de réutiliser les eaux grises à l'intérieur du bâtiment pour des applications telles que la chasse d'eau des toilettes et l'irrigation, la douche et le lavage des mains. La réutilisation prévue dicte la qualité requise des eaux grises traitées. Elle dicte également les niveaux nécéssaires de robustesse, fiabilité et surveillance des procédés de traitement.

Au Water Hub, les chercheurs de l'Eawag comparent les performances de différents systèmes de traitement des eaux grises. Cela permet de concevoir des systèmes de traitement flexibles qui produisent différentes qualités d'eau en fonction de l'utilisation finale prévue. Cela permet également à nos chercheurs d'adapter le système à la question de recherche à laquelle ils veulent répondre. Les priorités actuelles sont les suivantes :

  • Le traitement avancé incluant un bioréacteur à membrane et une filtration au charbon actif, suivi d'une désinfection (UV ou chlore) et potentiellement d'une nanofiltration (pour une réutilisation avancée).
  • Prévision de la salubrité de l’eau à l'aide de capteurs simples

Durant l'essai des nouveaux procédés de traitement, l'eau traitée est rejetée à l’égout. Toutefois le but ultime est de réutiliser l'eau traitée à l'intérieur du bâtiment.

Qualité microbienne des eaux grises

Pathogènes entériques

Les eaux grises peuvent également contenir des concentrations importantes d'agents pathogènes entériques. Elles doivent donc être traitées pour réduire les risques pour la santé humaine à un niveau acceptable. Les chercheurs de l'Eawag valident actuellement la capacité des procédés de traitement (individuels et combinés) à réduire les microorganismes pathogènes selon diverses conditions d'opération. Cette procédure de validation du traitement guidera la conception de filières de traitement complètes afin de garantir que les eaux grises puissent être réutilisées en toute sécurité pour différentes applications.

Pathogènes opportunistes (croissance pendant le stockage)

La réutilisation des eaux grises à l'échelle d'un bâtiment nécessitera un traitement, un stockage et une redistribution. Au cours de ces étapes, l'eau doit rester salubre pour la réutilisation, tant du point de vue de la santé humaine que de la performance du système. Au sein du Water Hub, les chercheurs de l'Eawag surveillent et évaluent l'impact du traitement des eaux grises sur la qualité microbienne et chimique pendant le stockage et la distribution. En particulier, nous voulons :

  • surveiller les caractéristiques physico-chimiques des eaux traitées pendant le stockage et le traitement,
  • surveiller la croissance et/ou la stabilité microbiologique,
  • identifier des méthodes pour surveiller, prévoir et prévenir la dégradation microbienne de l'eau,
  • étudier les facteurs influençant la croissance et les changements potentiels au sein de la communauté microbienne.

 

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Récupération des ressources contenues dans les eaux noires

Les eaux noires se composent de matières fécales, d'urine, de papier toilette et d’eau de chasse. La forte teneur en nutriments et en énergie des fèces offre un grand potentiel de récupération des ressources. En outre, les eaux usées peuvent être traitées et réutilisées. Afin de récupérer en toute sécurité les nutriments, l'énergie et l'eau des eaux noires, une séparation solide-liquide (déshydratation) est nécessaire.

Des recherches approfondies ont été menées sur la déshydratation des boues issues du traitement des eaux usées municipales. Cependant, il s'est avéré difficile d'adapter les technologies existantes aux systèmes autonomes (non connectés au réseau d’égout), en raison de la grande variabilité des caractéristiques des eaux noires.

  • Au sein du Water Hub, les eaux noires sont utilisées à la fois pour la recherche fondamentale et pour le développement de technologies pratiques. La recherche actuelle se concentre sur la compréhension des mécanismes de déshydratation afin de développer une meilleure surveillance et un meilleur contrôle pendant le traitement.
  • Les eaux noires collectées dans le Water Hub sont utilisées pour tester et développer diverses technologies de déshydratation, qui conviennent au traitement et à la récupération des ressources dans NEST et à l'échelle mondiale.

Entre les ressources qui est possible récupérer après la séparation de l’eau des eaux noires il y a de l'énergie, des nutriments et de la matière organique, du substrat pour des larves dédiées au nourrissage des animaux et de l'eau.

Plus d’informatons

L’eau et l’énergie: des ressources interconnectées – Projet terminé

Les installations fournissant de l’eau chaude pour l’usage domestique sont très énergivores. Heureusement, de nouvelles technologies permettent de réduire cette consommation. Certaines de ces technologies sont testées dans le NEST. Dans l’unité DFAB House, des douches à recyclage valorisent l’énergie thermique contenue dans les effluents. De plus, l’innovant système de distribution de l’eau chaude permet de réduire les pertes d’énergie et d’eau en vidant les tuyaux entre deux épisodes de consommation.

Si ces technologies sont prometteuses, leur intégration dans des systèmes complexes d'eau chaude sanitaire nécessite une attention particulière. En effet, les interactions entre les différentes technologies peuvent amoindrir leur potentiel énergétique et économique respectif. En cause, les relations complexes entre l'énergie et la consommation d'eau, appelé le nexus eau-énergie.

Les scientifiques de l’Eawag ont développé un modèle pour optimiser l’intégration de ces technologies dans les systèmes sanitaires. Le modèle a été utilisé à plusieurs échelles pour évaluer l’influence de ces technologies sur le cycle urbain de l’eau dans son ensemble : du bâtiment à la station d’épuration en aval, en passant par les canalisations publiques. Dans le cadre de ce projet, par exemple, une étude a conclu qu’il est souvent plus intéressant de récupérer (et de réutiliser) l’énergie thermique des eaux usées directement dans l’enceinte du bâtiment plutôt que dans les canalisations publiques, en raison de l’impact thermique moindre sur le traitement biologique des eaux usées dans la station d’épuration.

Plus d’informations

Documentation

Pour plus d'information sur le Water Hub, vous trouverez des articles et publications si-dessous.

Médias & articles

Publications

Hadengue, B.; Morgenroth, E.; Larsen, T. A.; Baldini, L. (2022) Performance and dynamics of active greywater heat recovery in buildings, Applied Energy, 305, 117677 (13 pp.), doi:10.1016/j.apenergy.2021.117677, Institutional Repository
Larsen, T. A.; Riechmann, M. E.; Udert, K. M. (2021) State of the art of urine treatment technologies: a critical review., Water Research X, 13, 100114 (20 pp.), doi:10.1016/j.wroa.2021.100114, Institutional Repository
Ward, B. J.; Andriessen, N.; Tembo, J. M.; Kabika, J.; Grau, M.; Scheidegger, A.; Morgenroth, E.; Strande, L. (2021) Predictive models using "cheap and easy" field measurements: can they fill a gap in planning, monitoring, and implementing fecal sludge management solutions?, Water Research, 196, 116997 (12 pp.), doi:10.1016/j.watres.2021.116997, Institutional Repository
Hess, A.; Baum, C.; Schiessl, K.; Besmer, M. D.; Hammes, F.; Morgenroth, E. (2021) Stagnation leads to short-term fluctuations in the effluent water quality of biofilters: a problem for greywater reuse?, Water Research X, 13, 100120 (9 pp.), doi:10.1016/j.wroa.2021.100120, Institutional Repository
Hess, A.; Morgenroth, E. (2021) Biological activated carbon filter for greywater post-treatment: Long-term TOC removal with adsorption and biodegradation, Water Research X, 13, 100113 (9 pp.), doi:10.1016/j.wroa.2021.100113, Institutional Repository
Hadengue, B.; Joshi, P.; Figueroa, A.; Larsen, T. A.; Blumensaat, F. (2021) In-building heat recovery mitigates adverse temperature effects on biological wastewater treatment: a network-scale analysis of thermal-hydraulics in sewers, Water Research, 204, 117552 (11 pp.), doi:10.1016/j.watres.2021.117552, Institutional Repository
Özel Duygan, B. D.; Udert, K. M.; Remmele, A.; McArdell, C. S. (2021) Removal of pharmaceuticals from human urine during storage, aerobic biological treatment, and activated carbon adsorption to produce a safe fertilizer, Resources, Conservation and Recycling, 166, 105341 (10 pp.), doi:10.1016/j.resconrec.2020.105341, Institutional Repository
Larsen, T. A.; Gruendl, H.; Binz, C. (2021) The potential contribution of urine source separation to the SDG agenda - a review of the progress so far and future development options, Environmental Science: Water Research and Technology, 7(7), 1161-1176, doi:10.1039/D0EW01064B, Institutional Repository
Reynaert, E.; Hess, A.; Morgenroth, E. (2021) Making waves: why water reuse frameworks need to co-evolve with emerging small-scale technologies, Water Research X, 11, 100094 (5 pp.), doi:10.1016/j.wroa.2021.100094, Institutional Repository
Köpping, I.; McArdell, C. S.; Borowska, E.; Böhler, M. A.; Udert, K. M. (2020) Removal of pharmaceuticals from nitrified urine by adsorption on granular activated carbon, Water Research X, 9, 100057 (10 pp.), doi:10.1016/j.wroa.2020.100057, Institutional Repository
Hadengue, B.; Scheidegger, A.; Morgenroth, E.; Larsen, T. A. (2020) Modeling the water-energy nexus in households, Energy and Buildings, 225, 110262 (10 pp.), doi:10.1016/j.enbuild.2020.110262, Institutional Repository
Hess, A.; Bettex, C.; Morgenroth, E. (2020) Influence of intermittent flow on removal of organics in a biological activated carbon filter (BAC) used as post-treatment for greywater, Water Research X, 9, 100078 (10 pp.), doi:10.1016/j.wroa.2020.100078, Institutional Repository
Doll, C.; Larsen, T. A.; Strande, L.; Udert, K. M.; Morgenroth, E. (2020) Water Hub im NEST-Gebäude. Eine Plattform zum Testen von innovativen ressourcenorientierten Sanitärsystemen, Aqua & Gas, 100(2), 52-57, Institutional Repository
Larsen, T. A.; Hoffmann, S.; Lüthi, C.; Truffer, B.; Maurer, M. (2016) Emerging solutions to the water challenges of an urbanizing world, Science, 352(6288), 928-933, doi:10.1126/science.aad8641, Institutional Repository
Andriessen, N.; Ward, B. J.; Strande, L. (2019) To char or not to char? Review of technologies to produce solid fuels for resource recovery from faecal sludge, Journal of Water Sanitation and Hygiene for Development, 9(2), 210-224, doi:10.2166/washdev.2019.184, Institutional Repository
Penn, R.; Ward, B. J.; Strande, L.; Maurer, M. (2018) Review of synthetic human faeces and faecal sludge for sanitation and wastewater research, Water Research, 132, 222-240, doi:10.1016/j.watres.2017.12.063, Institutional Repository
Ward, B. J.; Traber, J.; Gueye, A.; Diop, B.; Morgenroth, E.; Strande, L. (2019) Evaluation of conceptual model and predictors of faecal sludge dewatering performance in Senegal and Tanzania, Water Research, 167, 115101 (13 pp.), doi:10.1016/j.watres.2019.115101, Institutional Repository
Ziemba, C.; Larivé, O.; Reynaert, E.; Morgenroth, E. (2018) Chemical composition, nutrient-balancing and biological treatment of hand washing greywater, Water Research, 144, 752-762, doi:10.1016/j.watres.2018.07.005, Institutional Repository
Ziemba, C.; Larivé, O.; Deck, S.; Huisman, T.; Morgenroth, E. (2019) Comparing the anti-bacterial performance of chlorination and electrolysis post-treatments in a hand washing water recycling system, Water Research X, 2, 100020 (10 pp.), doi:10.1016/j.wroa.2018.100020, Institutional Repository
Hong, P.-Y.; Julian, T. R.; Pype, M.-L.; Jiang, S. C.; Nelson, K. L.; Graham, D.; Pruden, A.; Manaia, C. M. (2018) Reusing treated wastewater: consideration of the safety aspects associated with antibiotic-resistant bacteria and antibiotic resistance genes, Water, 10(3), 244 (22 pp.), doi:10.3390/w10030244, Institutional Repository
Nguyen, M. T.; Allemann, L.; Ziemba, C.; Larivé, O.; Morgenroth, E.; Julian, T. R. (2017) Controlling bacterial pathogens in water for reuse: treatment technologies for water recirculation in the Blue Diversion Autarky Toilet, Frontiers in Environmental Science, 5, 90 (13 pp.), doi:10.3389/fenvs.2017.00090, Institutional Repository
Verbyla, M. E.; Pitol, A. K.; Navab-Daneshmand, T.; Marks, S. J.; Julian, T. R. (2019) Safely managed hygiene: a risk-based assessment of handwashing water quality, Environmental Science and Technology, 53(5), 2852-2861, doi:10.1021/acs.est.8b06156, Institutional Repository
Larsen, T. A. (2011) Redesigning wastewater infrastructure to improve resource efficiency, Water Science and Technology, 63(11), 2535-2541, doi:10.2166/wst.2011.502, Institutional Repository

Team

Collaboratrices et collaborateurs

Water Hub @ NEST équipe en été 2018.

Projets Partenaires / Pages thématiques

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L’Eawag possède une longue histoire en matière de développement de procédés innovants pour la séparation des eaux usées à la source. En fait partie la séparation des urines via les WC NoMix.