Evaluation d'un procédé novateur de cryoconcentration, élaboration, analyse et démonstration de nouveaux urino-fertilisants
Acronyme : FREEZEPEE
Programme : GRAINE (Phase 2) - Production, valorisation des biomasses et préservation des écosystèmes 
Mots-clés : Economie circulaire / Déchets / Sols / Agriculture / Forêt
Contexte : Selon les références bibliographiques consultées, les points suivants sont rapportés. Les nutriments présents dans les eaux usées sont considérés comme des polluants depuis le milieu du 20e siècle . Leur traitement en station d’épuration est fortement consommateur d’énergie et souvent incomplet, pouvant mener à des problèmes environnementaux tels que l’eutrophisation. En outre, les procédés mis en œuvre sont essentiellement destructifs, en particulier pour l’azote, qui lors du procédé de dénitrification est envoyé vers l’atmosphère. En parallèle, la majorité des fertilisants azotés utilisés en agriculture (plus de 70%) proviennent de la fixation de l’azote atmosphérique par le procédé Haber-Bosch, procédé gourmand en énergie - 1-2% de la consommation mondiale. Cet apport massif d’azote de synthèse double la quantité d’azote fixé sur les continents, déréglant alors les cycles biogéochimiques, ce qui constitue une des 9 limites planétaires déjà dépassées. D’autres nutriments sont également concernés par cette gestion linéaire du système agricole tel que le phosphore provenant de l’extraction minière dont les procédés de transformation sont polluants et dont les réserves, finies, sont inégalement réparties à travers le monde, entraînant alors une forte dépendance. L’urine est la source principale de la plupart des nutriments présents dans les eaux usées, avec 79% de l’azote, 47% du phosphore et 71% du potassium. Ainsi la valorisation de cette ressource, plutôt que son traitement énergivore en station d’épuration et l’utilisation d’engrais de synthèse, serait très avantageuse en permettant de limiter la consommation d’eau et d’énergie, de réduire la dépendance aux exploitations minières sur le déclin ainsi que d’amoindrir les impacts environnementaux de l’agriculture. La séparation à la source est une étape clé afin de différencier l’urine de l’eau usée et éviter sa dilution ou contamination. Différents traitements de l’urine ainsi récoltée sont possibles afin d’obtenir une variété d’urino-fertilisants utilisables en agriculture. Cependant la concentration des nutriments contenus dans l’urine reste faible et de grands volumes sont nécessaires pour l’utilisation de l’urine humaine en agriculture, soulevant des questions de stockage, de transport et d’épandage. La réduction du volume des urino-fertilisants permet de limiter l’espace de stockage nécessaire mais aussi de diminuer les coûts pour son transport et son utilisation. Le projet Agrocapi (APR GRAINE 2018) avait permis d’étudier les différents urino-fertilisants existants alors et avait montré la pertinence des urino-fertilisants concentrés. Toutefois, le coût énergétique lié aux procédés de concentration de l’urine humaine reste un élément critique. Un second élément critique est le risque de volatilisation ammoniacale et l’intérêt de la stabilisation de l’azote dans les urino-fertilisants. Récemment, le Rich Earth Institute et son entreprise dérivée, BrightWater Tools , ont développé un nouveau procédé de congélation directionnel permettant la concentration des nutriments en diminuant fortement la consommation d’énergie, ainsi qu’une plus grande capacité de traitement par rapport aux procédés existants antérieurement. Parallèlement, l’Université SLU a développé une stabilisation du Granurin par acidification, a priori, plus performante que la stabilisation par alcalinisation étudiée dans Agrocapi. Et l’association Aneco a développé la nitrification passive de l’urine (procédé Pitribon). Dans le contexte français de développement des initiatives de séparation à la source et dans la continuité des projets du programme OCAPI (dont Agrocapi, UrinAgri et Med-UrinAgri), ce projet s’intéresse à l’efficacité de ces nouvelles stratégies de valorisation de l’urine et aux réductions des coûts énergétiques et environnementaux ainsi permis. D'autres nouveaux urino-fertilisants sont également en cours de développement à travers le monde et leur comparaison aux filières actuelles et émergentes sera établie. De plus ce projet bénéficie du soutien du RMT Bouclage à travers sa labellisation. Le RMT bouclage s’inscrit dans le cadre de l’économie circulaire, à l’interface entre l’agroécologie et la bioéconomie et vise à l’opération d’un meilleur bouclage des cycles biogéochimique, d’une gestion durable des ressources en agriculture ainsi que d’une meilleure maîtrise des risques d’impacts environnementaux et sanitaires. Le projet FreezePee bénéficie donc du soutien du RMT ainsi que du réseau et participera activement aux débats, réflexions et groupes de travail au sein du RMT Bouclage.
Description : Dans le modèle actuel de gestion des eaux usées (le « tout-à-l’égout »), la plupart des effluents des villes sont drainés et orientés vers les stations d’épuration où ils sont traités. La gestion de ces éléments, pourtant capital en agriculture, est aujourd’hui essentiellement linéaire. L’azote est majoritairement dénitrifié vers l’atmosphère et n’est recyclé qu’à hauteur de 4 % en Ile-de-France, alors que les excrétions des Franciliens pourraient couvrir les besoins en engrais de l’Ile-de-France. Les urines présentent l’avantage de concentrer la majorité des nutriments excrétés dans un faible volume. De plus, elles sont normalement faiblement contaminées en éléments pathogènes et en métaux, mais la question des contaminants pharmaceutiques reste posée. De nombreux traitements peuvent être effectués sur les urines afin d’aboutir à différents produits nommés urino-fertilisants. Le projet Agrocapi (APR Graine 2018) a montré le fort potentiel des urino-fertilisants pour augmenter la résilience de l’agriculture et baisser son empreinte environnementale. Dans la continuité du projet Agrocapi, le projet FreezePee a pour objectif d’établir un nouvel inventaire des filières de valorisation de l’urine en agriculture existantes et émergentes et de les évaluer. L’objectif à terme, en articulation avec le programme de recherche-action OCAPI, est d’accompagner l’émergence des filières de valorisation de l’urine humaine les plus pertinentes en fonction des différents contextes territoriaux. Ce projet se situe à l’interface entre différentes disciplines (agronomie, sciences de l’environnement, génie des procédés, etc.) et associe des équipes de recherches pluridisciplinaires et complémentaires ainsi que des partenaires non scientifiques. Une étude bibliographique reprenant l’ensemble des connaissances actuelles sera réalisée et complétée par l’évaluation de filières émergentes. Une attention particulière sera portée sur les trois enjeux majeurs soulevés dans le projet Agrocapi, à savoir de réaliser une concentration de l’urine à faible consommation énergétique, de limiter la volatilisation de l’azote et de mieux connaître le devenir des micropolluants organiques. Des expérimentations seront ainsi réalisées sur les récentes avancées sur la concentration des nutriments par congélation, sur les nouveaux procédés de stabilisation de l’azote (acidification, nitrification passive) et sur le devenir des micropolluants. Les nouveaux urino-fertilisants pressentis sont le granurin acidifié et les urino-fertilisants issus de congélation (dont certains seront produits ad hoc après nitrification passive). Ils seront caractérisés (concentration en nutriments, composition, résidus pharmaceutiques) notamment à travers des essais en champ (intérêt agronomique, volatilisation d’azote ammoniacal). Leur filière de production sera aussi analysée (consommation énergétique, d’eau, pollutions et consommation évitées, etc.). Enfin, ce projet souhaite faciliter la diffusion des alternatives possibles en valorisant les résultats à travers la réalisation d’un démonstrateur à visée pédagogique, exposant les problématiques et solutions disponibles et présentant les filières étudiées dans ce projet.
Objectifs et résultats attendus : L’objectif premier de ce projet est de caractériser le nouveau procédé de concentration par congélation récemment développé ainsi que les fertilisants potentiellement obtenus. Des lacunes existent en effet sur le potentiel et les limites d’un tel procédé, et celui-ci soulève des questions sur la composition du produit obtenu et de sa qualité en tant que fertilisant. De nouvelles connaissances doivent être acquises et différents objectifs sous-jacents peuvent être établis. Tout d’abord, le procédé de concentration par congélation doit être évalué au niveau de sa consommation d’énergie en fonction des différentes modalités d’utilisation possibles - en fonction des volumes traités et du nombre de cycles réalisé (différentes concentrations atteintes). Son facteur de concentration sera lui aussi évalué à travers l’analyse de la composition de l’urino-fertilisant obtenu. De plus une attention particulière sera portée sur la présence de micropolluants, en particulier des résidus pharmaceutiques. Un autre objectif du projet est la comparaison des différentes filières de valorisation des urines à visée agronomique. Ainsi les évaluations précédemment mentionnées seront étendues à l’entièreté de la filière nouvellement établie, comprenant la récolte de l’urine par séparation à la source ainsi que l’analyse des traitements de l’urine. Nous souhaitons de plus comparer deux stratégies différentes de nitrification au niveau de la consommation en énergie et au niveau de l’efficacité du traitement (analyse de la composition de l’urine nitrifiée) – nitrification effectuée au sein d’un bioréacteur en conditions controlée (procédé Vuna) et nitrification sur filtre « low-tech » (procédé Pitribon développé par Aneco). Ce projet ambitionne également d’étendre l’analyse de la filière aux expérimentations en champs avec comme objectif d’étudier l’intérêt agronomique des Freezurin nouvellement établis. Cette étude sera également portée sur un nouvel urino-fertilisant prometteur en développement basé sur une autre stratégie de traitement et de concentration, le Granurin (avec traitement acide). En effet, nous avons également pour objectif de comparer les principales filières de valorisation de l’urine existantes avec comme finalité la publication d’une review mettant à jour les avancées récentes du domaine. Le projet FreezePee, portant sur un procédé novateur et encore peu étudié, a pour ambition de faire monter en compétence la France sur le sujet des urino-fertilisants. En effet, bien que la France soit déjà bien avancée sur les questions de séparation de l’urine avec ses nombreuses études et démonstrateurs, elle accuse un retard sur les traitements et procédés de concentrations pour la production d’urino-fertilisants, par rapport aux autres pays positionnés sur ces sujets (Suisse, Suède, États-Unis, etc.). Ainsi l’étude de la concentration par congélation et son appropriation par des acteurs français permettrait le développement de nouvelles filières en dynamisant les emplois locaux. Indépendamment des résultats obtenus sur l’étude de la concentration par congélation, les comparaisons de filières de valorisation d’urine en agriculture ambitionnées par le projet permettront de formuler des aides aux décideurs, communautés et agriculteurs afin de choisir la filière la plus adaptée aux conditions locales. Un objectif important du projet FreezePee consiste à contribuer au développement d’un démonstrateur à visée pédagogique présentant les problématiques liées au système actuel d’alimentation-excrétion en France. Le dérèglement des cycles biogéochimiques ainsi que les impacts environnementaux du système linéaire conventionnel seront présentés, ainsi que les diverses stratégies pour y faire face. Les différentes filières de traitement de l’urine seront mises en avant, en particulier la nitrification et la concentration par congélation dont les équipements et leur principe seront présentés. Il est prévu ainsi de sensibiliser les citoyens et consommateurs et encourager les initiatives locales. L’organisation d’une conférence regroupant agriculteurs et acteurs locaux (collectivités, élus et citoyens) fait également partie des objectifs du projet. Nous souhaitons en effet diffuser les connaissances acquises en développant de nouveaux liens sociaux entre les agriculteurs et les consommateurs, à travers la thématique de la circularité des nutriments et des produits au niveau local/régional. Ainsi grâce à cette étude comparative, au démonstrateur et aux conférences, nous souhaitons voir se développer un ensemble de nouveaux acteurs et potentiellement émerger de nouveaux services publics, de nouvelles entreprises et des nouveaux emplois pérennes et ancrés au sein des territoires. Le projet FreezePee s’inscrit dans la continuité des travaux du programme OCAPI et se focalise sur la transition des systèmes d’alimentation-excrétion linéaires vers des systèmes cycliques vertueux afin de répondre aux enjeux du déséquilibre des cycles biogéochimiques. En effet, l’établissement de nouvelles filières de valorisation des urines pour l’agriculture permet de favoriser un retour au sol des nutriments présents dans les excrétions et ainsi partiellement boucler les cycles biogéochimiques. De plus, ces filières permettent de limiter les consommations d’énergies, d’eau et la pollution engendrées par la production d’engrais (Haber-Bosch et exploitation minière) et le traitement des excrétats en station d’épuration. Ainsi, un des objectifs de ce projet est d’évaluer les impacts environnementaux de cette nouvelle filière ainsi que ceux évités liés à la production d’engrais conventionnels et liés à l’assainissement qui en découle. Pour cela nous avons pour objectif, tout d’abord, d’effectuer un bilan énergétique de la filière en intégrant les différentes étapes – de la récolte des urines à sa distribution (locale) et son utilisation en champs, en passant par les étapes de traitement et concentration. De plus, ce projet se veut ainsi ancré dans le territoire avec l’exploitation d’un gisement local d’urine au sein même de l'École des Ponts (démonstrateur de séparation à la source développé par ailleurs dans le programme OCAPI) ainsi qu’à l’Agence Spatiale Européenne de Paris. Il paraît important également évaluer la volatilisation de l’ammoniac qui peut être une des limites des filières de valorisation de l’urine en agriculture par la pollution qu’elle engendre. Enfin, une évaluation de l’efficacité du traitement des urines lors de la production de Freezurin sera réalisée afin de déterminer la présence de polluants tels que les résidus pharmaceutiques. Pour cela des analyses non ciblées seront mises en œuvre pour réaliser des empreintes des polluants potentiellement présents ainsi que des analyses ciblées d’une trentaine de résidus de médicaments de diverses familles.
Bénéficiaire : TERRE ET CITE
Localisation : Champs-sur-Marne, Île-de-France, FRANCE
Début : 01/07/2024 — Durée : 36 mois
Budget total : 430019.04 € — Aide ADEME : 300000 €
Statut : Suivi du projet