Département Technologie des procédés

Water Hub au NEST

Water Hub @ NEST – valoriser les ressources grâce au traitement décentralisé des eaux usées

Le Water Hub est situé dans le bâtiment modulaire de recherche et d'innovation NEST de l'Empa et de l'Eawag (Next Evolution in Sustainable Building Technology). L'immeuble NEST comporte des appartements habités, des bureaux, des salles de réunion et un centre de fitness et de wellness. Dans le NEST, des technologies innovantes et durables peuvent être testées dans des conditions réelles ce qui permet d'accélérer leur mise sur le marché. Le NEST est en évolution permanente car de nouvelles unités y sont constamment installées et développées.

Les scientifiques de l'Eawag y étudient les traitements durables et décentralisés des eaux usées : ici, les eaux usées ne sont pas considérées comme des déchets, mais comme une ressource. C’est ainsi que de l’engrais, de l’énergie et de l’eau propre sont produits à partir des eaux usées de NEST. Ceci est possible grâce à la séparation à la source des différents flux d'eaux usées dans l'ensemble du bâtiment. Des toilettes spéciales séparent l'urine des eaux noires (eaux de rinçage avec fèces et papier mais sans ou avec peu d’urine) et des tuyaux séparés acheminent en parallèle ces flux vers le Water Hub. Similairement, les eaux grises issues des salles de bain et cuisines sont collectées et acheminées de manière séparée vers le Water Hub.

Les nutriments contenus dans l'urine n’étant pas dilués avec l'eau de rinçage, ils peuvent être assez aisément valorisés sous forme d’engrais. L'eau contenue dans les eaux grises n'est pas ou peu contaminée par les fèces, ce qui permet de la réutiliser après un traitement relativement simple. Les matières fécales peuvent quant à elles être converties en pellets afin d’en valoriser l’énergie thermique.  

En plus des toilettes à séparation, le NEST comprend entre autres des urinoirs secs et des douches à recyclage. Ces installations permettent aux chercheurs de l'Eawag de collaborer avec des partenaires industriels pour développer des technologies innovantes de collecte et de traitement des différents flux d'eaux usées et de démontrer leur fonctionnalité dans des conditions réelles.

Vous pouvez visiter le Water Hub et le NEST dans le cadre d'une visite guidée publique.

L’équipe du Water Hub comporte les 4 projets suivants :

  • Urine: recycler les nutriments et en fabriquer son propre engrais «Aurin».
  • Eaux grises: traiter et réutiliser les eaux issues des salles de bain et cuisines.
  • Matières fécales: brûler les matières fécales pressées et séchées pour en valoriser l’énergie calorifique.
  • Intégration des systèmes: Modéliser et estimer le potentiel de la valorisation de la chaleur et énergie des eaux grises.

NoMix Toilette

La toilette NoMix, également connue sous le nom de toilette à séparation, sépare l'urine des fèces dans la cuvette de la toilette. Les chercheurs de l'Eawag travaillent depuis plusieurs années dans le domaine de la séparation des urines (par exemple Novaquatis). Divers prototypes de toilettes à séparation ont été testés dans des conditions réelles à l’eawag, certains avec une séparation mécanique, d’autres avec une séparation rendue possible à l’aide de capteurs. Ces tests ont mené à la conclusion que la séparation en elle-même devait encore être optimisée.

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C'est pour répondre à cette demande que la société autrichienne EOOS a développé une nouvelle toilette NoMix dont la séparation se base sur un mécanisme innovant. La séparation n'est pas visible au premier coup d'œil et fonctionne de par elle-même sans composante mécanique ni capteur.

En collaboration avec Laufen et l'ETH Zurich, les designers autrichiens ont optimisé la géométrie des toilettes. La séparation est basée sur ce que l'on appelle "l'effet théière" qui utilise la tension superficielle pour séparer efficacement l'urine de l'eau de rinçage. La toilette NoMix dénommée « save » sépare ainsi l'urine sans valve. Ce système ingénieux rend les toilettes NoMix robustes et révolutionne la séparation de l'urine à la source.

Nutriments contenus dans l’urine : Valoriser au lieu d’évacuer avec la chasse d’eau

Tous les humains excrètent la plus grande partie des nutriments par l'urine. Par conséquent, l'urine contient les composants principaux d'un engrais qui fournit à son tour les nutriments nécessaires à la croissance des plantes. C’est dans cette vision que les chercheurs du Water Hub recyclent l'urine pour en produire de l’engrais "Aurin". Afin de valoriser les nutriments de l’urine, les chercheurs la stabilisent d'abord par nitrification. Ensuite, les résidus de médicaments et les hormones sont éliminés à l'aide d'un filtre à charbon actif. Finalement, l'urine est distillée afin d’en réduire le volume.

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La technologie est basée sur l'installation pilote VUNA existante "Complete nutrient recovery"  au Forum Chriesbach à Dübendorf. Les chercheurs développent actuellement des étapes de traitement supplémentaires, visant par exemple à dégrader séparément les substances organiques. En outre, les données de l'installation pilote alimenteront bientôt un modèle informatique qui permettra d’analyser l'ensemble du traitement et d’en optimiser la consommation en énergie, les coûts, la maintenance et d’augmenter la fiabilité du processus.

La spin-off de l'Eawag Vuna commercialise l'engrais universel "Aurin", qui est officiellement approuvé par l'Office fédéral de l'agriculture pour toutes les plantes, y compris les plantes comestibles.

Source: Vuna Sàrl

Traitement et réutilisation des eaux grises

Traitement des eaux grises

Les eaux grises sont des eaux usées domestiques sans matières fécales ni urine. Normalement, les eaux grises des ménages sont rejetées dans le réseau d'égouts avec les autres eaux usées. Il est cependant possible de traiter les eaux grises afin de les réutiliser dans les foyers. Plus la qualité des eaux grises traitées est bonne, plus l'eau peut être réutilisée de manière large dans un bâtiment (par exemple pour les douches au lieu de simplement rincer les toilettes) et plus le potentiel d'économie d'eau est important.

Dans le NEST, les chercheurs de l'Eawag traitent les eaux grises en deux étapes :

  • Les eaux grises sont d'abord purifiées biologiquement dans un bioréacteur à membrane (MBR). Le carbone organique est dégradé et l'ammonium nitrifié en nitrate. Les bactéries et particules sont éliminées de l’eau grâce à la d'ultrafiltration membranaire.
  • Dans une deuxième étape de traitement, un filtre à charbon actif biologique élimine les substances organiques restantes dans le but de produire une eau biologiquement stable.

Afin d'évaluer la performance à long terme du système, les chercheurs vérifient régulièrement la qualité de l'eau entre les différentes étapes du traitement. Le traitement des eaux grises dans le NEST est en cours de développement et les eaux grises traitées ne sont pas encore réutilisées dans le bâtiment ; elles sont déversées dans le réseau d'égout après traitement.

Les chercheurs étudient actuellement le filtre à charbon actif biologique. Ici, la performance du traitement dépend d’une combinaison des mécanismes suivants: l'adsorption, la dégradation biologique et la bioregénération de la capacité de sorption. La qualité et la quantité des eaux grises sont très variables. L'influence de cette variabilité sur les processus de dégradation dans le filtre à charbon actif est actuellement étudiée en profondeur.

Graphique: Peter Penicka, Eawag

Qualité microbiologique des eaux grises traitées durant leur stockage et distribution

Afin de pouvoir réutiliser les eaux grises dans un bâtiment, celles-ci doivent d’abord être traitées, puis stockées avant d’être acheminées vers l’utilisateur par un réseau de distribution séparé (eau non potable). Les eaux grises traitées doivent atteindre une qualité telle qu’une utilisation hygiénique est à tout moment garantie.  Dans le Water Hub, les chercheurs de l'Eawag étudient les mécanismes chimiques et microbiologiques impactant la qualité des eaux traitées durant leur stockage et leur distribution.

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Les objectifs du projet sont :

  • Surveiller les caractéristiques physico-chimiques des eaux traitées pendant le traitement et le stockage.
  • Surveiller la croissance et la stabilité microbienne des eaux traitées
  • Élaborer des méthodes pour surveiller, prévoir et prévenir l’activité microbiologique dans les eaux traitées.

Les chercheurs se concentrent avant tout sur la fiabilité d’une réutilisation hygiénique des eaux grises à l’échelle d’un bâtiment et déterminent pour ce faire, les conditions nécessaires afin de garantir en tout temps une qualité salubre des eaux redistribuées. 

Les eaux usées comme source d’énergie : récupération d’énergie à partir des matières fécales

Afin de valoriser en toute sécurité l'énergie et/ou les nutriments contenus dans les eaux noires (eau de rinçage + fèces, urine et papier hygiénique), les solides doivent être séparés des liquides. La déshydratation a été identifiée comme un processus critique à optimiser pour valoriser les ressources des eaux noires. Bien que la déshydratabilité des boues issues du traitement des eaux usées municipales ait fait l'objet de recherches approfondies, il s’avère difficile de transférer directement ces technologies à une échelle décentralisée, en raison de la composition très variable des affluents.

Au Water Hub, les eaux noires sont utilisées à la fois pour la recherche fondamentale et pour le développement de technologies. La recherche actuelle vise à mieux comprendre la mécanistique de la déshydratabilité des eaux noires afin d'en améliorer la surveillance et le contrôle. Simultanément, les eaux noires sont utilisées pour tester et optimiser différentes technologies de déshydratation implémentables dans des systèmes décentralisés. Un résultat final du Water Hub pourrait être la production de granulés combustibles produits à partir des solides contenus dans les eaux noires.

Les résultats de ce projet permettront de mieux comprendre les technologies de déshydratation prometteuses pour des contextes décentralisés et ensuite de les optimiser pour finalement valoriser les ressources des eaux noires dans le NEST et à une échelle mondiale.

L’eau et l’énergie: des ressources interconnectées

Les installations fournissant de l’eau chaude pour l’usage domestique sont énergivores. Les nouvelles technologies dans le domaine présentent un important potentiel d’optimisation. Certaines de ces technologies sont testées dans le NEST. Dans l’unité DFAB House, des douches à recyclage permettent de valoriser l’énergie thermique contenue dans les effluents. De plus, le système d’alimentation de l’eau chaude permet de réduire les pertes d’énergie et d’eau en vidant les tuyaux entre deux épisodes de consommation.

Cependant, l’intégration de ces nouvelles technologies dans des systèmes de production d’eau chaude toujours plus complexes nécessite une attention particulière. En effet, les interactions entre les différentes technologies peuvent amoindrir leur potentiel énergétique et économique respectif.

Les chercheur·e·s du Water Hub développent un modèle holistique pour analyser les interactions complexes entre eau et énergie dans les bâtiments. L’objectif est ainsi d’optimiser et de faciliter l’implémentation de technologies innovantes ou de mesures de réduction de la consommation d’énergie dans les systèmes de production d’eau chaude actuels.

Les chercheurs du Water Hub développent un modèle holistique pour analyser les relations complexes entre l'énergie et la consommation d'eau, ce qu'on appelle le nexus eau-énergie.

Documentation

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

Conférences

Publications

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

In Autarky entwickeln wir kleine Anlagen für die getrennte Behandlung von Urin, Abwasser und Fäkalien direkt in der Toilette.
En récupérant les nutriments contenus dans les urines, nous développons un système sanitaire, qui produit des engrais
Le programme de recherche stratégique inter- et transdisciplinaire vise à développer des systèmes d'approvisionnement en eau et d'assainissement innovants, non raccordés au réseau.