Le laboratoire de technologie de l'eau et de l'environnement de l'Université d'Aalto dégage une indéniable odeur d'égout – et cette odeur a ses racines dans une entreprise de recyclage en échec en Afrique de l'Ouest.

Alors qu'il travaillait au Ghana il y a trois ans, Le chercheur postdoctoral Surendra Pradhan a dû reconnaître que son entreprise de traitement des eaux usées avait peu de sens.

"Le recyclage est toujours louable, mais rarement économiquement viable. Nous avons lancé plusieurs projets pour découvrir qu'il était étonnamment difficile de vendre notre produit. L'agriculteur moyen n'utilisait pas de compost et il y avait peu d'acheteurs pour le lisier contenant des déchets humains en particulier. Je suis finalement arrivé à la conclusion que l'option la plus sensée était de fabriquer quelque chose pour lequel il existait déjà un marché."

Échapper à un cycle insensé

Pradhan a commencé des recherches sur la question et a découvert que la meilleure façon d'utiliser l'azote des eaux usées était de le récupérer sous forme de sulfate d'ammonium, qui est utilisé dans les engrais et ne contient pas de produits chimiques et pharmaceutiques résiduels qui sont souvent présents dans le lisier. En prime, le même processus peut récupérer un autre agent d'eutrophisation, phosphore, qui a jusqu'à présent, comme l'azote, la plupart du temps un problème que les installations de traitement des eaux usées doivent éliminer.

Traditionnellement, l'azote fertilisant nécessaire au sulfate d'ammonium a été fabriqué selon la méthode Haber-Bosch, un processus développé par des scientifiques allemands il y a cent ans qui convertit l'azote atmosphérique en ammoniac. Le processus nécessite des températures et des pressions élevées, et est donc un gros glouton d'énergie :la fabrication d'engrais azotés représente environ 2 % de la consommation mondiale d'énergie.

Pradhan et ses collègues chercheurs de l'Université Aalto ont développé une méthode de capture des nutriments qui conduit les eaux usées dans un réacteur où sa valeur de pH est augmentée avec de l'hydroxyde de calcium afin que l'azote ammoniacal de l'eau soit converti en ammoniac gazeux. Pour sa part, l'ammoniac est séparé via une membrane semi-perméable après quoi il est dissous dans de l'acide sulfurique pour créer du sulfate d'ammonium. Le phosphore dans l'eau est précipité avec des sels de calcium et peut ensuite être utilisé comme engrais.

"Comme le calcium est, aux côtés de l'azote et du phosphore, le nutriment le plus important requis pour la croissance des cultures dans le sol acide de la Finlande, l'utilisation de substances dérivées du calcium pour élever les niveaux de pH n'augmente pas les coûts car cela finit par faire partie du produit final, ", explique la chercheuse postdoctorale Anna Mikola.

Les tests de la méthode ont commencé avec une version en conteneur plus petite et ont maintenant progressé vers un réacteur légèrement plus grand. Les résultats sont prometteurs. Des expériences ont réussi à séparer jusqu'à 99 % de l'azote et 90 à 99 % du phosphore dans l'urine, même si la méthode consomme considérablement moins d'énergie et de produits chimiques que le processus de traitement des eaux usées de nitrification-dénitrification couramment utilisé.

"En elle l'azote, dont la valorisation sous forme d'engrais consomme énormément d'énergie, est perdu aux vents. Le processus représente également la part du lion de l'énergie requise pour la purification de l'eau. Notre objectif est d'échapper à ce cycle insensé, " dit Mikola.

Du petit conteneur à la remorque et au pilote

Une demande de brevet pour la méthode est en cours de traitement, mais il y a encore du chemin à parcourir avant qu'il ne soit adopté dans l'utilisation industrielle. Le professeur Riku Vahala dit que l'équipe préfère faire de petits pas en avant plutôt que de faire irruption dans un mur à toute vitesse.

"Trop souvent de grandes attentes conduisent à un saut direct du laboratoire à l'usine, qui mange tout l'argent et érode la foi dans l'ensemble de la technologie. Nous passons d'abord d'une petite échelle de conteneur à une application de la taille d'une remorque et, si tout va bien, nous serons prêts à construire une installation de démonstration dans deux ans."

Avant ça, les chercheurs doivent découvrir comment, par exemple, la méthode fonctionne avec différents types d'eaux usées - les types produits par les ménages, installations de biogaz et, dire, les marinas sont radicalement différentes, après tout. Les prochaines expériences seront menées sur les eaux rejetées créées conjointement avec le séchage des boues dans la chambre de digestion des boues de l'installation de traitement des eaux usées de Viikinmäki de l'Autorité des services environnementaux de la région d'Helsinki, ainsi que dans les usines de biogaz de Gasum.

L'énorme importance du traitement de l'eau ajoute au défi.

« Lorsqu'il s'agit d'un problème ayant un impact sur l'environnement et la santé humaine, les parties concernées ne veulent prendre aucun risque et préfèrent utiliser d'anciennes méthodes familières, même s'ils sont plus chers et moins efficaces, " résume Vahala.

La manière dont la méthode sera intégrée aux opérations dans les installations reste également ouverte. La tendance dans l'industrie est de se concentrer étroitement sur le cœur de métier et, par conséquent, le traitement des eaux usées a souvent été sous-traité. En outre, de nombreuses installations municipales de traitement des eaux usées ont transféré la responsabilité du traitement ultérieur des boues à des entreprises externes. Pradhan, Mikola et Vahala croient que, une fois la technologie terminée, le meilleur moyen de l'introduire le plus largement possible est via des tiers.

« Cela n'a aucun sens que chaque grande ou petite installation de traitement des déchets devienne également un vendeur d'engrais. Il serait beaucoup plus sage pour une ou plusieurs entreprises de commercialiser notre technologie, opérations et aussi le produit final qu'il donne, ", compte Mikola.

Bon pour la mer Baltique

La méthode a d'autres impacts environnementaux positifs en plus des économies d'énergie. Les chercheurs estiment que la récupération des nutriments des eaux usées communautaires permet de remplacer six pour cent de l'azote ammoniacal produit industriellement et dix pour cent du phosphore utilisé comme engrais. Maintenant, le phosphore d'engrais est extrait des mines, qui menacent de s'assécher au cours du siècle prochain à moins que la reprise ne devienne plus efficace. Dans les installations de traitement, cependant, le phosphore se retrouve dans les boues, qui est principalement utilisé comme milieu de croissance pour l'herbe et les accotements des routes, car les réglementations en matière de production alimentaire et les problèmes d'image entravent son utilisation en tant que nutriment des cultures.

Une récupération efficace et économiquement intéressante profiterait également à la mer Baltique et à d'autres systèmes hydrographiques en Finlande. L'élimination du phosphore des eaux usées communautaires est en bonne voie en Finlande, mais en ce qui concerne l'azote, les différences entre les installations de traitement et les localités sont grandes. Pour la plupart, La législation finlandaise impose une obligation de procéder à une élimination renforcée de l'azote uniquement dans les zones côtières sensibles à l'azote, même si les nutriments peuvent parcourir de grandes distances pour eutrophiser la mer Baltique. La capacité d'élimination de l'azote des installations de traitement des eaux usées peut également être insuffisante de temps à autre en raison de poussées d'eaux usées très puissantes émanant des usines de biogaz.

"Nous avons également participé à divers projets de conservation de la mer Baltique, qui ont révélé que certaines usines de biogaz dans les États baltes, L'Europe de l'Est et la Biélorussie rejettent des eaux usées non traitées dans les cours d'eau d'où elles s'écoulent en aval dans la mer Baltique, " dit Mikola avec mécontentement.

Les intérêts économiques et la croissance de la sensibilisation à l'environnement sont de bon augure pour le potentiel d'exportation de la méthode. Vahala note que l'émergence d'un marché pour leur produit dépend aussi fortement de la législation.

« Si et quand il apparaît, nous voulons être prêts et mordants pour aller de l'avant."