L’urine comme matière première

Chris Simoens
08 juillet 2019
L’urine humaine peut constituer une source d’engrais, apportant d’emblée une solution à une question environnementale pressante, qui touche aussi bien l’Afrique du Sud que les festivals pop de Belgique.
 

En Afrique, les installations sanitaires laissent souvent à désirer. Les toilettes déjà installées se résument souvent à des trous dans la terre. Une « latrine à fosse », un simple puits creusé dans le sol, recueille l’urine et les matières fécales qui, faute d’étanchéité des parois, s’infiltrent dans la terre et dans les eaux souterraines.  

Ce phénomène génère de la pollution ! En effet, l’urine contient de l’azote (N), du phosphore (P) et du potassium (K), des engrais susceptibles de rendre les eaux de surface et souterraines excessivement riches en éléments nutritifs. Les algues se font alors envahissantes et asphyxient les organismes aquatiques. À cela s’ajoute la détérioration de la qualité des sources d’eau potable locales.

En résumé, l’état déplorable des installations sanitaires est non seulement préjudiciable à la santé publique, mais également à l’environnement.

 

Une petite école en Afrique du Sud

« En 2013, j’ai appris que les Sud-Africains cherchaient une solution au problème de l’urine, en particulier à l’Université d’Afrique du Sud (UNISA) et l’Université de Johannesburg (UJ) », raconte Sebastiaan Derese de l’Université de Gand. Il y a immédiatement consacré son doctorat, sous la direction du professeur Arne Verliefde. « Curieusement, le secteur agricole est simultanément en proie à une pénurie d’engrais N, P et K. Les bêtes, trop peu nombreuses, jouissent d’une plus grande liberté que dans notre pays, ce qui empêche les agriculteurs de récupérer le peu de fumier produit. »

L’expérience s’est déroulée dans une école de Lochiel, petite ville à la frontière avec l’Eswatini. « Cette petite école était très demandeuse. Comme souvent en Afrique du Sud, ils utilisaient quelques latrines communes disposées en rangée et raccordées à un puits. Chaque fois que le puits était rempli, ils construisaient de nouvelles toilettes un peu plus loin. »

L’objectif était de mettre en place un système permettant de purifier l’urine avant de l’évacuer, ce qui éviterait l’installation de nouvelles toilettes après quelques années. 

L’urine contient de l’azote (N), du phosphore (P) et du potassium (K), des engrais susceptibles de rendre les eaux de surface et souterraines excessivement riches en éléments nutritifs.

Des bacs de rétention distincts

Il importe avant tout de séparer l’urine des matières fécales. La petite école de Lochiel utilisait déjà des collecteurs distincts à cet effet. « Ce genre de réservoirs sont déjà largement connus. Au Kenya, Sanergy s’en sert depuis un certain temps avec succès, entre autres pour produire des engrais organiques. D’après la firme, il est facile d’encourager la population à utiliser ce genre de système. » L’urine est récupérée à l’état pur sans rinçage, ce qui permet directement une économie d’eau !

L’étude n’a pas pris en compte les matières fécales. « L’urine en particulier est très riche en éléments nutritifs, les matières fécales contiennent beaucoup de carbone (C). Les deux forment un bon engrais, mais les matières fécales contiennent également une grande quantité de germes, absents dans l’urine. La fermentation des matières fécales permet de produire du biogaz. »  

 

Urine sans N, P ni K

L’étape suivante consistait à extraire le N, P et K de l’urine collectée. « Le processus est relativement simple du point de vue technique », indique Sebastiaan Derese. « Des bactéries entrent de manière spontanée dans l’urine et y transforment l’urée – un produit azoté – en ammoniaque, dont 99-99,5 % peuvent s’extraire facilement au moyen d’une membrane sélective, une sorte de filtre. »

« La précipitation par ajout de sels de calcium ou de magnésium permet l’extraction des restes de P et de K. Les particules dissoutes s’agglomèrent en cristaux qu’il est possible de prélever de l’urine. »

À l’issue de ce processus, l’urine, exempte de N, P et K, n’entraîne plus la prolifération d’algues. En revanche, elle contient encore des traces de médicaments. « En Afrique du Sud, retirer ces résidus ne fait pour le moment pas partie des objectifs. Il en va de même pour la purification des eaux usées en Belgique (voir encadré). »

Il est facile de produire une eau potable à partir de l’urine. Ce procédé consomme toutefois une grande quantité d’énergie. Il est plus avantageux de produire de l’eau potable à partir d’eau de surface ou souterraine. 

« Il est pourtant facile de produire une eau potable à partir de l’urine. Tout ce dont vous avez besoin, c’est d’une membrane spéciale (pour “osmose inverse”) et d’un filtre à charbon actif. Ces deux systèmes de filtrage permettent de retirer tous les déchets dans l’urine. Ce procédé consomme toutefois une grande quantité d’énergie. Il est plus avantageux de produire de l’eau potable à partir d’eau de surface ou souterraine. » Il est possible de purifier davantage l’urine sans NPK grâce, notamment, à une roselière, peu onéreuse. Des recherches plus poussées doivent corroborer cette hypothèse. 

 

Gentse Feesten et Dranoutre

Sebastiaan Derese et son équipe d’étudiants de Master ont expérimenté le système en Afrique du Sud, mais aussi en Belgique, lors des festivals d’été. Ils ont commencé par les Gentse Feesten en 2016, puis le festival de Dranoutre chaque année dans le cadre du projet WAVE (Water Vision on Events). « La situation dans les festivals s’apparente fortement à celle de la campagne africaine », explique le chercheur. « L’urine est souvent directement déversée dans un ruisseau environnant, ou les organisateurs optent pour un traitement hors site. Les festivals eux-mêmes sont favorables à la recherche d’une solution. »

Un stand avec des appareils pour purifier l'urine au Dranouterfestival.
© UGent

Lors des festivals, l’urine stockée dans des urinoirs mobiles passe dans un système de purification qui extrait le N, le P et le K. Une partie du liquide purifié est ensuite transformée en eau potable. « L’initiative est restée très limitée jusqu’à aujourd’hui. Nous n’avons produit que 80 L d’eau potable à partir des 5000 L d’urine traités. Nous l’avons distribuée dans des petits verres de 10 ml. Il s’agissait plus d’un coup de publicité, entre autres pour montrer qu’il est réellement possible de produire de l’eau potable à partir d’urine. »   

L’étude a tellement progressé que l’on peut purifier de l’urine des points de vue technique et pratique. Il est possible d’élaborer un système de traitement à rotation automatique dont la taille se rapproche de celle d’une grande armoire. L’extraction de P et de K pourrait être encore améliorée – on peut certainement la rendre meilleur marché –, mais le principe marche à la perfection.

Une unité de purification de la taille d'une grande armoire.
© UGent

Modèle rentable

« Actuellement, nous cherchons à déterminer la viabilité financière du système », explique Sebastiaan Derese. Les chercheurs envisagent de collaborer avec des exploitants locaux, qui pourraient installer des toilettes ainsi qu’un système de purification. Ils pourront en tirer profit (1) en demandant de l’argent aux utilisateurs des toilettes et (2) en vendant le N, le P et le K aux agriculteurs.  

« Cependant, nous ne connaissons pas encore l’échelle nécessaire pour réaliser des bénéfices. Faut-il 1000 ou 500 utilisateurs ? À quels prix les agriculteurs achètent-ils généralement leur N, P, et K ? 1000 l d’urine donnent 5 à 8 kg de N pur et 0,5 à 1 kg de P et de K. Nous ne connaissons pas non plus la durée de vie d’un appareil. Lui faut-il 10 ans ou plus avant de rendre l’âme ? »

En résumé, il s’agit aujourd’hui d’élaborer une approche potentiellement rentable, une condition indispensable pour un système vraiment durable, étant donné qu’il fonctionne sans subventions.

La purification de l'urine présente 3 avantages : (1) l’amélioration des conditions sanitaires, (2) la production d’engrais efficaces, ainsi que (3) les économies d’eau et la hausse de la qualité des ruisseaux, des rivières et du sol ! 

Des toilettes indépendantes

« Nous nous rapprochons de notre objectif final : la fabrication de toilettes indépendantes », conclut Sebastiaan Derese. « Un système permettant de transformer l’urine en engrais et en eau convenablement purifiée sans l’évacuer vers les égouts. Il présente 3 avantages : (1) l’amélioration des conditions sanitaires, (2) la production d’engrais efficaces, ainsi que (3) les économies d’eau et la hausse de la qualité des ruisseaux, des rivières et du sol ! »

En Belgique, Derese estime que cette approche se prête le mieux aux festivals de musique pop et peut-être aussi aux bâtiments publics et aux quartiers à construire. Elle convient moins aux maisons existantes, car il faudrait prévoir un conduit distinct pour l’urine.

Comment les Belges traitent-ils leurs eaux usées ?

 

Ce que vous déversez dans une toilette, une baignoire ou un évier atterrit dans les égouts. Les eaux usées sont acheminées vers une station d’épuration, où elles entrent en contact avec des bactéries qui se nourrissent du N, du P et du K. Cela libère de l’azote gazeux, qui disparaît dans l’air. Par précipitation avec des sels d’aluminium ou de fer, le P forme une sorte de « pierre » dure et insoluble. Cette dernière ne contient plus de P et n’a donc plus de valeur en tant qu’engrais.

 

Les boues – et les bactéries – sont séchées et incinérées. L’eau purifiée ainsi obtenue est déversée dans les rivières et les ruisseaux. Elle contient toutefois encore des résidus de médicaments, qui se retrouvent ainsi dans l’environnement. Il va de soi que ces résidus sont éliminés lors de la production d’eau potable qui est garantie 100 % pure en Belgique !

 

Le processus d’épuration des eaux usées peut donc manifestement être amélioré, entre autres en récupérant le N et le P, ainsi qu’en développant des applications utiles pour les boues.

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