Valorisation agronomique des nutriments présents dans l’urine
Acronyme : TransPee
Programme : GRAINE (Phase 2) - Production, valorisation des biomasses et préservation des écosystèmes 
Mots-clés : Economie circulaire / Déchets
Contexte : En France, les nutriments apportés aux sols agricoles sous forme d’engrais sont soit dépendants de ressources fossiles, soit des ressources exploitables : • Les engrais azotés sont produits à partir de l'azote gazeux contenu dans l'air. La synthèse chimique utilise usuellement le méthane comme réactif et comme source d'énergie. Leur production et leur transport représentent 1% des émissions des GES mondiaux ; • Les engrais phosphorés sont extraits de mines situées à l'étranger. La ressource est finie et non substituable avec un pic de production attendu en 2030. Le phosphore est classé depuis 2014 comme matériau critique de l'approvisionnement de l'Union Européenne ; • Le potassium et d’autres macro et micro-nutriments sont également extraits de mines fossiles. Or, les nutriments utilisés pour la production agricole sont principalement dédiés à l’alimentation, ils se retrouvent ainsi dans les excrétions humaines offrant l’opportunité de créer une économie circulaire. La littérature indique que la consommation annuelle d’un être humain est quantifiée à 4.7kg d’azote et 550 grammes de phosphore. L’ensemble de ces ressources absorbées se retrouvent dans les eaux usées. Chaque personne excrète quotidiennement environ 1,3 L d'urine, soit 500kg/an. Cette urine concentre la majeure partie des nutriments des eaux usées : notamment 79 % de l’azote et 47 % du phosphore . En France, l’azote contenu dans l’urine de toute la population pourrait répondre à 12% à 15% du besoin en agriculture. Actuellement, la ressource est peu valorisée en épuration conventionnelle: seulement 60% de l’azote est éliminé en station d’épuration, dont 10% est recyclé en agriculture. Les 40% restant sont rejetés dans le milieu naturel. Le phosphore a, quant à lui, un taux de valorisation agricole estimé à 30% grâce à l’épandage des boues dans lesquels il se retrouve majoritairement. L’utilisation de l’urine et de ses dérivés dans l’agriculture est un concept connu. Il fait l’objet d’expérimentations depuis plusieurs années. La commercialisation de produits et services associés reste émergente. Transpee a pour objectif de valoriser les excretas humains pour produire des engrais locaux et durables afin de développer la souveraineté alimentaire et limiter les impacts environnementaux. De nombreuses actions de valorisation de l’urine émergent sur le territoire français. Dans ce contexte, le projet Transpee souhaite apporter une solution à dimension industrielle pour développer une filière de production durable d’engrais. Le projet, entre recherche industrielle et mise en situation expérimentale, permettra de produire des premiers engrais, normés selon la NFU42-001, puis des engrais organiques. Le projet est soutenu par le pôle de compétitivité Vegepolys Valley.
Description : Le projet TransPee de valorisation agronomique des nutriments présents dans l’urine porte 3 innovations sur l’ensemble de sa chaine de valeur, rendues possibles par la collaboration de 3 partenaires - Piwee, Oxyane, et l'ISARA : · Une innovation sociale avec la mise en place de la collecte séparative de l’urine en dehors du circuit d’épuration conventionnel. Le paradigme évolue avec le passage d’une épuration à une valorisation des eaux usées. Ce nouveau modèle permet de diminuer notre usage quotidien de l’eau ; · Une innovation technologique, puisque le process repose sur une technologie innovante développée par la société Piwee et l’Institut Européen des Membranes (ENSCM, UM, CNRS UMR5635). Cette technologie propriétaire permet d’extraire l’azote et le phosphore de l’urine pour reformuler des engrais circulaires avec une faible empreinte environnementale ; · Une innovation de produit et d’usage pour l’agriculture : o Une innovation d’usage car les voies de valorisation des eaux usées passent principalement par l’épandage ou le compostage ; o Une innovation de produit car il sera, grâce une phase de R&D, des engrais 100% organiques et biosourcés. Transpee est structuré autour de 3 axes de travail : · Une phase de recherche industrielle intégrant le suivi et l’acquisition de savoir sur le procédé propriétaire de Piwee, à TRL 5 au début du projet ; · La mesure de l’efficience agronomique des fertilisants urino-sourcés grâce à des essais au champ réalisés en partenariat avec la coopérative Oxyane. · Une étude scientifique des impacts environnementaux dus à l’utilisation des fertilisants urino-sourcés réalisée en conditions maitrisées par l’ISARA. L’ensemble des travaux doit permettre de valider la filière de production des engrais urino-sourcés et lever les potentiels freins à leur usage en validant : · L'efficacité de la fertilisation face à des engrais témoins ; · L'innocuité du fertilisant pour le sol et les ressources en eau par rapport aux engrais témoin et à l’usage d’urine pure ; · Les données technico-économiques et environnementales de la filière. Pour ce faire, Piwee ambitionne de produire 6 fertilisants à hauteur de 2 fertilisants par an. Ces fertilisants seront testés selon le calendrier suivants : 1. En 2025, les engrais produits et testés seront des sels d’ammonium (sulfate d’ammonium, phosphate d’ammonium, nitrate d’ammonium...). Ils seront une alternative biosourcée et responsable aux engrais minéraux actuels ; 2. En 2026, les tests porteront sur des sels organiques dont la struvite, un amendement organique équimolaire composé de phosphate, d’ammonium et calcium ou de magnésium, en tant qu’amendement. 3. En 2027, l’objectif sera de produire et tester des fertilisants 100% issus de la valorisation de la biomasse organique.
Objectifs et résultats attendus : 1. Objectifs scientifiques et techniques L’objectif du projet de TransPee est de développer une filière de valorisation des excretas humains et plus précisément de l’urine humaine. Cette filière doit répondre à un enjeu agroécologique du consortium : produire des engrais organiques, respectueux de l’environnement et à minima biosourcés, locaux et efficients. Le consortium se fixent les objectifs suivants : Produire des engrais organiques, admissibles en agriculture biologique, à haute teneur en azote Dans le cadre du projet, Piwee adaptera et développera progressivement une ligne pilote pour produire 6 recettes de fertilisants. Les recettes seront le fruit d’échange avec les spécialistes en fertilisation de la coopérative Oxyane. Le phasage prévu est celui-ci : • Année 1 : Produire des engrais minéraux biosourcés issus de la valorisation de l’azote ; • Année 2 : Produire des sels de phosphore et de potasse ; • Année 3 : Développer des engrais organiques, potentiellement admissibles en AB à partir de co-déchets à forte valeur agronomique. Evaluer leur efficience agronomique Chacune des recettes produites au cours du projet sera évaluée agronomiquement. L’évaluation sera réalisée par des essais aux champs consécutifs. Ils permettront de valider les usages et les modalités d’application des produits ainsi que leur efficience agronomique par rapport à un engrais témoin et à de l’urine pure. Chaque test sera fait sur des cultures spécifiques dont la réponse permettra une forte représentativité des résultats. Evaluer les impacts environnementaux En complément des essais aux champs, des mesures de l’impact environnemental des produits seront réalisés en conditions maitrisées. Plusieurs colonnes de sols simuleront des apports longs d’urine, d’engrais témoin et des fertilisants produits par Piwee. L’objectif est de déterminer, à partir des analyses d’eau lixiviée et de sols, les potentielles accumulations de molécules indésirables sur le long terme. Une échelle de représentativité de 10 ans est souhaitée. Evaluer la filière de production des engrais urino-sourcés A partir de l’ensemble des données collectées au cours du projet. Une analyse technico-économique et environnementale sera réalisée. Elle aura pour objectif de mesurer l’intérêt de la filière des engrais urino-sourcés. Communiquer auprès de la profession agricole et du monde scientifique Les résultats issus du projet feront l’objet de publications scientifiques et professionnels auprès des agriculteurs. Projet TransPee 2. Objectifs socioéconomiques et réglementaires Le projet participe à l’émergence du marché de la valorisation de l’urine initiée par des laboratoires de recherche comme le LEESU et des sociétés comme Toopi Organics. Développer la souveraineté alimentaire grâce à un modèle épuratoire durable et pérenne Une partie du développement de la souveraineté alimentaire de la France passe par son approvisionnement en engrais. La guerre en Ukraine a montré l’impact des évènements géopolitiques sur la capacité d’approvisionnement et la volatilité des prix. La récupération des ressources disponibles, issus du circuit de production agricole et digéré, est essentielle. Elle peut se faire conjointement à la mise d’un nouveau modèle épuratoire plus pérenne. En effet, la mise en place généralisée du modèle de valorisation des urines aura un impact conséquent sur l’épuration conventionnelle et ses infrastructures. Le traitement de l’azote représente environ 30% du coût énergétique des stations d’épuration et 20 à 30% de son empreinte surfacique. La mise en place d’un nouveau modèle d’épuration circulaire permettrait de diminuer : • Les couts d’exploitation des stations d’épuration ; • Les investissements liés à la création ou l’agrandissement des stations d’épuration ainsi qu’au renouvellement des réseaux d’eau potable et usée. Les coûts de fonctionnement et d’investissement pourront être redirigés vers le traitement des micropolluants présents dans les autres matrices d’eaux usées. Cela permettrait également de préserver la ressource en eau puisque le flux d’eau potable utilisée et convoyée par les réseaux représente 24% de la consommation d’eau des ménages. Satisfaire un besoin agricole et participer à l’évolution de la réglementation Actuellement, les effluents humains, au contraire des effluents animaux, ne sont pas considérés comme des sources de nutriments organique utilisables en agriculture biologique. Que ce soit au niveau de la FNAB (Fédération Nationale de l’Agriculture Biologique) ou des laboratoires d’influence, un lobbying assez fort est en cours pour porter une évolution de la réglementation. En attendant une évolution réglementaire favorable, les produits urino-sourcés de Piwee ont pour objectif de répondre à un besoin des agriculteurs : apporter une alternative biosourcée aux engrais azotés minéraux dont l’empreinte carbone est considérable. Avec le développement d’engrais organiques, biologiques, enrichis en azote, le projet TransPee souhaite répondre à un autre besoin, spécifique à l’agriculture biologique : avoir à sa disposition un engrais à forte teneur en azote, sous une forme directement assimilable par les plantes. Industrialiser la filière et créer des emplois Piwee participe à un laboratoire d’innovation sociale sur la collecte et la valorisation de l’urine sur le territoire lyonnais. Il est organisé le Centsept dont l’objectif est de faire coopérer des acteurs publics, privés et de l’ESS pour développer une filière à impact social et environnemental. Il a 4 objectifs : • Développer des lieux de collecte pour accroitre les gisements • Favoriser la place de l’ESS comme levier de création de l’emploi • Promouvoir et sensibiliser sur les pratiques de fertilisation organiques • Fluidifier les systèmes logistiques Dans le cadre de l’APR Graine, Piwee créera un emploi sur 3 ans. Cet emploi complètera une équipe d’une vingtaine de personnes. 3. Objectifs environnementaux Diminuer la consommation d’eau douce sanitaire due à la chasse d’eau La préservation de la ressource en eau est un enjeu fort. Actuellement, 24% de la consommation domestique en eau est due à l’usage de la chasse d’eau. Cela représente 14 000 litres pour un habitant et par année. Il s’agit d’eau potable prélevée en milieu naturel, traitée et acheminée jusqu’à nos bâtiments. La mise en place d’une collecte séparative des effluents permettra de fortement diminuer la consommation d’eau par habitant. En France, 67 millions d’habitants, c’est 960 milliards de litres d’eau potable gaspillés ! A titre d’exemple, lors d’une première expérimentation à l’ISARA, il a été observé une économie de 19 000 litres d’eau potable pour 950 litres d’urine collectée avec 2 urinoirs masculins positionnés pendant 2 mois. Limiter les émissions de GES globales grâce à la collecte séparative Une ACV sur la collecte et la valorisation de l’urine à l’échelle d’un quartier a été réalisée lors d’une thèse à l’INSA de Toulouse. Elle conclue sur une économie de 80 kg de CO2 pour 1000 litres d’urine collectée soit 40kg de CO2/habitant/an transport et valorisation comprise. Afin de conforter le modèle, le projet TransPee inclura une analyse de cycle de vie allant de la production de l’engrais à son usage et les impacts associés. Réaliser une production d’engrais moins demandeuse en énergie La chaine de valeur des engrais azotés implique plusieurs étapes émissives en GES. La production des engrais azotés émet 1% des GES mondiaux. Elle nécessite 1 tonne d’équivalent pétrole pour produire 1 tonne d’engrais fixée dans les sols. Associé à l'épandage des engrais en agriculture, l’empreinte passe à 2.4% des GES mondiaux. Le procédé développé par Piwee permet de capter l’azote disponible dans l’urine. Selon une première estimation de la consommation énergétique, Il nécessiterait 6MWh pour produire 1 tonne d’engrais. Ainsi, il diviserait par un facteur 2 le coût énergétique du procédé Haber-Bosch. Diminuer les rejets d’azote et de phosphore dus à l’épuration des eaux dans le milieu naturel Le rejet d’azote et de phosphore dans le milieu naturel perturbe les cycles biogéochimiques provoquant des phénomènes d’eutrophisation. Les principales causes sont les mauvais usages des engrais et le traitement incomplet de ces composés dans les stations d’épuration. Le procédé d’extraction développé via Transpee a pour ambition de maximiser le captage de l’azote et du phosphore des eaux usées pour produire des engrais circulaires. L’objectif est de capter à minima entre 90% et 95% de l’azote et du phosphore présents dans l’urine . Limiter les risques de rejet de micropolluants dans les sols par le fertilisant La composition des eaux usées est la retranscription, que ce soient des aliments, des drogues ou des médicaments. L’extraction des nutriments pour formuler les fertilisants doit permettre de produire des engrais hygiénisés. Un suivi des lots sera réalisé pour valider la dimension hygiénisante du procédé. Limiter la volatilisation des engrais lors des essais aux champs Lors des essais aux champs, les moyens d’épandage dépendront des cultures. L’objectif sera de limiter la volatilisation de l’ammoniac. Par exemple, l’épandage des engrais se fera en foliaire et en enfouissement sur le maïs et seulement en foliaire sur le blé. A l’échelle locale, le projet TransPee se compose uniquement d’acteurs situés en Rhône-Alpes, permettant de réduire grandement l’impact lié aux déplacements et au transport de matière.
Bénéficiaire : PIWEE
Localisation : Lyon, Auvergne-Rhône-Alpes, FRANCE
Début : 01/09/2024 — Durée : 36 mois
Budget total : 472800 € — Aide ADEME : 300000 €
Statut : Suivi du projet