Des chercheurs ont mis au point une méthode pour extraire et récupérer des nutriments précieux tels que le phosphate et l’ammonium des eaux usées à l’aide d’une membrane spécialement conçue contenant des particules inorganiques. Cette recherche, qui considère les eaux usées comme une ressource plutôt que comme une nuisance, pourrait potentiellement contribuer à une économie circulaire en fournissant des matériaux pour la production d’engrais agricoles, et atténuer les pénuries imminentes de ces nutriments qui pourraient menacer l’approvisionnement alimentaire mondial.
Sara Abu-Obaid (ChemE), candidate au doctorat en ingénierie de l’Université de Toronto, estime qu’un changement fondamental s’impose dans le secteur de la gestion des eaux usées.
« Nous devons cesser de considérer les eaux usées comme une nuisance et reconnaître leur potentiel en tant que ressource », explique-t-elle. « Elles peuvent nous fournir de l’eau, des nutriments, de l’énergie et d’autres éléments de valeur qui peuvent être récoltés et utilisés pour évoluer vers une économie circulaire. »
Sous la direction du professeur Ramin Farnood (ChemE), Abu-Obaid est l’auteur principal d’une étude récemment publiée dans la revue Chemical Engineering. Cette recherche présente une méthode écologique pour extraire le phosphate et l’ammonium des eaux usées, tout en permettant la réutilisation de ces nutriments à l’avenir.
Sa nouvelle méthode utilise des membranes avancées incorporant des particules inorganiques pour l’absorption du phosphate et de l’ammonium des eaux usées. En récupérant ces substances de manière rentable, la méthode crée une nouvelle source de matériaux pouvant être utilisés par les fabricants d’engrais agricoles.
Les eaux usées provenant du bain, de la toilette, de la lessive et d’autres sources s’écoulent dans les égouts qui mènent aux stations d’épuration, où elles sont nettoyées afin de pouvoir être rejetées en toute sécurité dans la nature sans avoir d’impact sur l’environnement.
Les principaux objectifs du processus de traitement comprennent l’élimination des solides, des matières organiques, des agents pathogènes et des nutriments, tels que ceux qui proviennent des produits ménagers et des excréments – les déchets rejetés par le corps. Parmi ces nutriments, on trouve le phosphate et l’ammonium, deux ingrédients essentiels des engrais agricoles.
Sara Abu-Obaid (doctorante en chimie) a conçu une nouvelle solution qui utilise des membranes avec des particules inorganiques pour récupérer des nutriments précieux dans les eaux usées. Crédit : Safa Jinje
Bien que le phosphore soit essentiel au développement de la vie végétale, une trop grande quantité de cette substance chimique peut provoquer l’eutrophisation. Ce processus complexe commence lorsqu’un environnement est trop enrichi en nutriments, ce qui entraîne une explosion de la croissance des algues. Ces proliférations d’algues nuisibles réduisent la disponibilité de l’oxygène dans l’eau, créant des « zones mortes » où les organismes aquatiques suffoquent. L’exposition à long terme à l’ammonium peut également être toxique pour la vie aquatique.
Les installations actuelles de traitement des eaux usées disposent de procédés établis pour éliminer le phosphate et l’ammonium au cours du processus de traitement. Généralement, un traitement chimique convertit le phosphate en une forme solide qui se dépose au fond de l’eau, où elle est ensuite collectée sous forme de boue et envoyée dans une décharge. L’ammonium est traditionnellement éliminé par un traitement biologique, où les bactéries le consomment et le transforment en nitrate, puis en azote gazeux.
« Il s’agit de deux produits de grande valeur qui sont des ingrédients clés des engrais, mais les processus actuels de traitement des eaux usées traitent ces nutriments comme des déchets », explique M. Abu-Obaid.
« Ma solution consiste à extraire complètement les nutriments de l’eau afin de pouvoir l’utiliser comme source pour la production d’engrais.
De nombreux scientifiques ont averti que le taux actuel de consommation de phosphore agricole pourrait conduire à des pénuries graves, qui perturberaient l’approvisionnement alimentaire au niveau mondial. La nouvelle méthode d’Abu-Obaid pourrait contribuer à stimuler l’approvisionnement en transformant les eaux usées en une source viable de ces nutriments.
Alors que de nombreuses membranes utilisées pour la filtration de l’eau s’appuient sur des pores soigneusement conçus pour filtrer les substances cibles de l’eau, l’approche d’Abu-Obaid est différente. Sa membrane contient de minuscules particules d’akaganéite et de zéolithe 13X ayant une grande affinité pour l’adsorption du phosphate et de l’ammonium.
« Nous n’éliminons pas les éléments que nous voulons éliminer par exclusion de taille ou en appliquant de fortes pressions », explique Mme Abu-Obaid. « Ce sont plutôt les particules à l’intérieur de la membrane qui sont éliminées, et c’est à la membrane de les maintenir en place. »
Bien que les particules puissent faire le travail par elles-mêmes, Abu-Obaid explique que la difficulté résiderait dans le fait de les retirer des eaux usées et dans la crainte qu’elles ne soient lessivées. L’utilisation d’une membrane pour les maintenir en place ouvre la possibilité d’une opération en deux phases : d’abord, les particules adsorbent l’ammonium et le phosphate des eaux usées, puis les membranes sont lavées à l’aide d’une solution d’hydroxyde de sodium afin de récupérer les nutriments et de régénérer les particules.
Dans l’étude, les membranes ont été capables de capturer les ions phosphate et ammonium dans des conditions d’écoulement dynamique de l’eau, ce qui a permis d’éliminer 84 % de l’ammonium et 100 % du phosphate des eaux usées synthétiques, même en présence d’autres ions concurrents.
Si Mme Abu-Obaid estime que ses expériences ont montré que la méthode présente un grand potentiel pour cette application, elle estime que d’autres études sont nécessaires pour examiner les considérations de conception pour l’application à grande échelle de ces systèmes.
« Il s’agit d’une utilisation non traditionnelle de la technologie des membranes, qui est plus couramment utilisée pour la filtration par exclusion de taille », explique-t-elle.
« Il peut également être difficile de justifier l’utilisation de cette technologie pour récupérer des nutriments qui ne sont pas encore si rares que les chaînes d’approvisionnement actuelles soient menacées. Mais nous pensons qu’il est avantageux d’être en avance sur la question et d’établir des sources durables potentielles pour l’avenir. »
D’ici là, M. Abu-Obaid espère que cette nouvelle solution, ainsi que d’autres technologies innovantes permettant de récupérer les nutriments contenus dans les eaux usées, bénéficieront d’un plus grand soutien.
« Nous avons besoin d’études technico-économiques supplémentaires, d’une stabilité à long terme et d’études pilotes pour démontrer l’utilité de cette technologie dans la création d’un avenir plus durable pour la gestion des eaux usées », déclare-t-elle.
Référence : « Membranes adsorbantes pour la récupération des nutriments dans les eaux usées : A novel solution for water purification challenges » par Sara Abu-Obaid, Shahram Tabe, Mohtada Sadrzadeh et Ramin R. Farnood, 18 avril 2023, Chemical Engineering Journal.
DOI : 10.1016/j.cej.2023.143057