Le secteur des eaux usées émet près de deux fois plus de méthane qu’on ne le pensait

Les usines de traitement des eaux usées municipales émettent près du double de la quantité de méthane dans l’atmosphère que les scientifiques ne le pensaient auparavant, selon une nouvelle étude de l’Université de Princeton. Et puisque le méthane réchauffe la planète plus de 80 fois plus puissamment que le dioxyde de carbone sur 20 ans, cela pourrait être un gros problème.

« Le secteur des déchets est l’une des plus grandes sources anthropiques de méthane au monde », a déclaré Mark Zondlo, professeur de génie civil et environnemental et professeur associé au Andlinger Center for Energy and the Environment. « Alors que les villes continuent à s’urbaniser et à développer des plans nets zéro, elles ne peuvent ignorer le secteur du traitement des eaux usées liquides. »

Zondlo a dirigé l’une des deux nouvelles études sur le sujet, toutes deux rapportées dans des articles publiés dans Sciences et technologies de l’environnement. Une étude a effectué des mesures d’émissions de méthane sur le terrain dans 63 usines de traitement des eaux usées aux États-Unis ; l’autre a utilisé des méthodes d’apprentissage automatique pour analyser les données de la littérature publiée à partir d’études de surveillance du méthane de divers processus de collecte et de traitement des eaux usées dans le monde.

« Peu de gens ont étudié les émissions de méthane associées aux infrastructures de traitement des eaux usées, même si nous savons qu’il s’agit d’un point chaud pour la production de méthane », a déclaré Z. Jason Ren, qui a dirigé la deuxième étude. Ren est professeur de génie civil et environnemental et du Centre Andlinger pour l’énergie et l’environnement.

Le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC) a établi des lignes directrices qui permettent aux chercheurs et aux institutions comme l’Agence américaine de protection de l’environnement (EPA) d’estimer les émissions de méthane des usines de traitement des eaux usées en fonction de leurs processus de traitement spécifiques. Cependant, ces lignes directrices ont été élaborées à partir de mesures limitées dans un nombre relativement restreint de stations d’épuration des eaux usées.

Lorsque les chercheurs ont utilisé le laboratoire mobile PACE (Princeton Atmospheric Chemistry Experiment) pour quantifier les émissions à l’échelle de l’usine en mesurant les panaches de 63 usines de traitement sur la côte est et en Californie, ils ont constaté que les lignes directrices du GIEC sous-estimaient systématiquement les usines de traitement de toutes tailles et procédés de traitement.

Si les résultats de ces 63 usines sont représentatifs, les émissions réelles de méthane des installations de traitement des eaux usées aux États-Unis seraient environ 1,9 fois supérieures aux estimations des émissions qui utilisent les directives existantes du GIEC et de l’EPA, ce qui signifie que ces directives sous-estiment les émissions de méthane équivalentes à 5,3 millions de tonnes métriques. de dioxyde de carbone.

Fait intéressant, l’équipe de recherche qui a réalisé la deuxième étude indépendante pour analyser les données de la littérature sur les émissions de méthane est arrivée à une conclusion similaire : les émissions de méthane estimées provenant du traitement des eaux usées municipales aux États-Unis étaient environ le double de ce que prédisaient les directives existantes.

« Nous avons pu montrer, en utilisant deux approches différentes, que les émissions de méthane sont un problème beaucoup plus important pour le secteur des eaux usées qu’on ne le pensait auparavant », a déclaré Ren.

Les suspects habituels dans les émissions de méthane des eaux usées

Les chercheurs pensent que, puisque les lignes directrices du GIEC ont été élaborées à partir de mesures limitées dans un petit nombre d’usines de traitement des eaux usées, elles pourraient ne pas représenter avec précision la variation des émissions qui existe entre les installations.

« Les directives supposent un certain niveau d’efficacité dans ces systèmes de traitement des eaux usées qui peuvent ne pas exister d’une usine à l’autre », a déclaré Daniel Moore, premier auteur de l’étude de mesure directe et étudiant diplômé en génie civil et environnemental. Il a souligné les fuites et les équipements inefficaces qui peuvent passer inaperçus dans les usines de traitement des eaux usées, mais qui pourraient entraîner d’importantes émissions de gaz à effet de serre.

Cuihong Song, premier auteur de l’examen critique et chercheur postdoctoral en génie civil et environnemental à Princeton, a déclaré que les stations d’épuration équipées de digesteurs anaérobies étaient parmi les plus grandes fuites de méthane.

Les digesteurs anaérobies sont des récipients hermétiques contenant des microbes anaérobies qui fonctionnent sans oxygène pour décomposer les boues d’épuration ou les déchets solides et produire du biogaz riche en méthane dans le processus. Ce méthane peut être utilisé pour générer de la chaleur ou de l’électricité pour alimenter d’autres aspects du processus de traitement.

Mais lorsque les digesteurs anaérobies fonctionnent de manière inefficace, les fuites et les accumulations de pression peuvent permettre au méthane de s’échapper sous forme d’émissions fugitives. « Si le digesteur n’est pas étanche au gaz, vous pouvez vous retrouver avec de fortes émissions de méthane », a déclaré Song. Les chercheurs ont découvert que les usines équipées de digesteurs anaérobies émettaient plus de trois fois plus de méthane que les usines sans digesteurs.

Des émissions plus élevées provenant des digesteurs anaérobies pourraient constituer un problème sérieux : alors que les usines de traitement des eaux usées équipées de digesteurs anaérobies représentent moins de 10 % de toutes les usines de traitement aux États-Unis, la plupart de ces usines sont de grandes installations qui, combinées, traitent environ 55 % de la eaux usées dans le pays.

« Beaucoup d’argent est consacré à la réduction des émissions en mettant en œuvre ces digesteurs, car, en théorie, ce sont des systèmes fermés. Lorsqu’ils fonctionnent correctement, vous pouvez centraliser le méthane en un seul endroit », a ajouté Moore. « Ce sont les inefficacités et les fuites qui causent bon nombre des problèmes. »

Outre les digesteurs anaérobies, l’examen critique a révélé que les émissions de méthane des systèmes d’égouts contribuent de manière significative aux émissions de méthane à l’échelle nationale. Cependant, les directives actuelles ne tiennent en grande partie pas compte des émissions fugitives de méthane provenant des égouts, qui, selon les chercheurs, sont importantes à prendre en compte dans les futurs inventaires de gaz à effet de serre.

« Nous avons plus d’un million de kilomètres d’égouts aux États-Unis, remplis de matières organiques riches qui peuvent causer des émissions de méthane, mais nous avons très peu de compréhension de leur portée », a déclaré Ren.

Meilleur suivi, meilleures directives

Les chercheurs travaillent maintenant avec des partenaires pour établir un inventaire et une méthodologie qui permettraient aux gestionnaires de surveiller facilement leurs émissions de méthane. En identifiant les sources du processus de traitement des eaux usées qui libèrent le plus d’émissions de méthane, leur travail peut également éclairer les efforts visant à atténuer les émissions fugitives.

« Le méthane a une courte durée de vie dans l’atmosphère, donc si nous sommes en mesure de couper le jet d’émissions à travers le pays, la contribution du méthane au réchauffement diminuera rapidement », a déclaré Moore. « Dans dix ans, nous n’aurions plus à nous soucier autant du méthane.

Ren a ajouté que le méthane produit à partir de processus tels que la digestion anaérobie constitue également une source d’énergie précieuse. « En identifiant et en atténuant les émissions fugitives de méthane, nous verrions un double avantage », a-t-il déclaré. « Nous réduirions les émissions de gaz à effet de serre à court terme et nous maximiserions la quantité de méthane que nous pouvons récupérer du processus de traitement des eaux usées. »

Néanmoins, des travaux supplémentaires sont nécessaires pour surveiller les émissions de méthane à différentes échelles de temps des usines de traitement et des réseaux d’égouts de différentes tailles et procédés de traitement.

Par exemple, peu d’études ont effectué un suivi continu et à long terme des émissions de méthane des stations d’épuration, même si le taux d’émission peut varier quotidiennement ou même saisonnièrement, étant généralement plus élevé au printemps et en été qu’en hiver. « En fin de compte, nous devons avoir une comptabilité complète des émissions des usines sur de nombreuses échelles de temps », a déclaré Zondlo. Il a ajouté que les analyses préliminaires des mesures ultérieures d’usines supplémentaires à différents moments de l’année ont mis en évidence l’importance de comprendre les variations saisonnières des émissions.

Dans le même temps, les chercheurs devront développer de meilleures méthodes d’échantillonnage pour comprendre les émissions des zones difficiles d’accès comme les égouts, car la nature diffuse des réseaux d’égouts ainsi que leurs niveaux d’humidité élevés rendent difficile la capture d’une image précise des émissions avec méthodologies existantes.

En surmontant ces obstacles et en poursuivant leurs efforts de surveillance, les chercheurs pourraient contribuer à un effort plus large visant à créer des lignes directrices mises à jour qui permettent de mieux estimer les émissions de méthane du secteur des eaux usées.

« De nombreuses agences reconnaissent que les émissions de méthane du secteur des eaux usées sont importantes à étudier », a déclaré Ren. « Cette recherche ne se contente pas de rapporter nos propres découvertes. Nous faisons écho à ce que la communauté de recherche au sens large a observé et identifié comme une lacune importante dans les connaissances. »