Selon des chercheurs en génie de l’environnement de l’Université Drexel, les eaux usées s’écoulant des immenses bassins de boues d’épuration ont le potentiel de jouer un rôle dans une agriculture plus durable.
Une nouvelle étude, examinant un processus d’élimination de l’ammoniac des eaux usées et de sa conversion en engrais, suggère que ce n’est pas seulement techniquement viable, mais qu’il pourrait également aider à réduire l’empreinte environnementale et énergétique de la production d’engrais et pourrait même fournir une source de revenus pour services publics et installations de traitement de l’eau.
Une source d’azote durable
La production d’azote pour les engrais est un processus énergivore et représente près de 2 % des émissions mondiales de dioxyde de carbone. Au cours des dernières années, les chercheurs ont exploré des alternatives au procédé de production d’azote Haber-Bosch, qui est la norme depuis plus d’un siècle. Une possibilité prometteuse, récemment évoquée par certains fournisseurs de services d’eau, consiste à extraire l’azote de l’ammoniac résiduel extrait de l’eau pendant le traitement.
« La récupération de l’azote des eaux usées serait une alternative souhaitable au procédé Haber-Bosch car il crée une » économie circulaire de l’azote « , a déclaré Patrick Gurian, Ph.D., professeur au College of Engineering qui a aidé à diriger la recherche, qui vient d’être publié dans la revue Science de l’environnement total.
« Cela signifie que nous réutilisons l’azote existant plutôt que de dépenser de l’énergie et de générer des gaz à effet de serre pour récolter l’azote de l’atmosphère, ce qui est une pratique plus durable pour l’agriculture et pourrait devenir une source de revenus pour les services publics. »
Une façon plus propre de nettoyer
En vertu de la Clean Water Act de 1972, les installations municipales de traitement des eaux ont été mises au défi de respecter les normes de qualité de l’eau qu’elles rejettent dans les cours d’eau. De plus en plus, l’ammoniac est considéré à la fois comme une préoccupation pour les milieux aquatiques, car des niveaux élevés d’ammoniac peuvent entraîner une prolifération de végétation dans les ruisseaux et les rivières, ce qui peut mettre en danger les espèces de poissons. Les options d’élimination de l’ammoniac prennent généralement du temps et de l’espace et peuvent être des entreprises énergivores.
Une option explorée par plusieurs installations en Amérique du Nord et en Europe est un processus appelé air-stripping. Il élimine l’ammoniac en augmentant suffisamment la température et le pH de l’eau pour convertir le produit chimique en gaz, qui peut ensuite être collecté sous forme concentrée sous forme de sulfate d’ammonium.
Mais décider d’investir pour se convertir à l’épuration à l’air nécessite une étude complexe – appelée analyse du cycle de vie – de sa viabilité technologique et financière.
Explorer l’option
L’équipe, dirigée par Gurian et Sabrina Spatari, Ph.D., du Technion Israel Institute of Technology, effectue régulièrement ces analyses pour faire le point sur l’impact environnemental et économique complet des diverses options de recyclage et de réutilisation des déchets ou des produits secondaires. comme solutions durables. Leur analyse de ce scénario d’eaux usées suggère qu’il existe une relation complémentaire qui pourrait aboutir à une voie plus durable pour les agriculteurs et les autorités de gestion de l’eau.
« Notre analyse identifie un potentiel significatif d’atténuation environnementale et d’avantages économiques de la mise en œuvre de la technologie de stripage à l’air dans les usines de traitement des eaux usées pour la production d’engrais au sulfate d’ammoniac », ont-ils écrit.
« En plus de la production de sulfate d’ammoniac en tant que produit commercialisable, l’avantage de réduire la charge d’ammoniac dans le flux latéral avant qu’il ne soit recyclé dans le flux d’eaux usées à la station d’épuration fournit une justification supplémentaire pour l’adoption de l’extraction à l’air. »
À l’aide des données de l’installation de traitement de l’eau de Philadelphie et de plusieurs autres en Amérique du Nord et en Europe, l’équipe a mené son évaluation du cycle de vie et ses études de faisabilité économique. Ils ont examiné des facteurs allant du coût d’installation et d’entretien d’un système d’extraction d’air à la concentration d’ammoniac et au débit des eaux usées ; aux sources d’énergie utilisées pour conduire le processus de collecte et de conversion ; aux coûts de production et de transport et au prix du marché des engrais chimiques.
Des résultats prometteurs
Les résultats de l’analyse du cycle de vie montrent que l’extraction à l’air émet environ 5 à 10 fois moins de gaz à effet de serre que le procédé de production d’azote Haber-Bosch et utilise environ 5 à 15 fois moins d’énergie.
D’un point de vue économique, le coût global de production des engrais chimiques à partir des eaux usées est suffisamment faible pour que le producteur puisse les vendre à un prix plus de 12 fois inférieur à celui des produits chimiques fabriqués par Haber-Bosch tout en atteignant le seuil de rentabilité.
« Notre étude suggère que la récupération de l’ammoniac peut être rentable même à faible concentration », écrivent-ils. « Bien qu’une concentration élevée d’ammoniac soit favorable à l’environnement et puisse simultanément soutenir une production marginale de sulfate d’ammonium avec un impact environnemental moindre, en particulier pour l’énergie du cycle de vie, les émissions de gaz à effet de serre et plusieurs indicateurs de santé humaine et écosystémique, par rapport à la production Haber-Bosch. »
En outre, l’étude suggère que les installations de traitement de l’eau peuvent réaliser des économies d’énergie en éliminant l’ammoniac à l’air pour réduire les niveaux avant que l’eau ne réintègre le processus de traitement des déchets. En effet, cela réduirait le temps et le traitement nécessaires pour traiter l’eau et s’intègre bien aux processus d’adoucissement qui aident à ralentir le dépôt chimique sur l’infrastructure de la station d’épuration.
Bien que l’équipe reconnaisse que l’extraction à l’air produirait des engrais en plus petites quantités que le procédé industriel Haber-Bosch, la possibilité de collecter et de réutiliser n’importe quelle quantité de ressources contribue à améliorer la durabilité de l’agriculture commerciale et les empêche de devenir des polluants de l’eau.
« Cela indique que l’extraction à l’air pour la récupération du sulfate d’ammonium pourrait être une petite partie – mais une étape importante – vers la récupération et la réutilisation de la quantité massive d’azote que nous utilisons pour soutenir l’agriculture mondiale », a déclaré Spatari.
« Et, de manière significative, il présente une alternative à la production chimique qui n’a pas le même niveau d’effets nocifs sur l’environnement et la santé humaine que le processus actuel. Cette recherche suggère que les fournisseurs de services d’eau pourraient également envisager d’investir dans des technologies qui capteraient le phosphore et le recycleraient. à usage agricole. »
Plus d’information:
Saurajyoti Kar et al, Analyse du cycle de vie et analyse technico-économique de la récupération de l’azote par l’extraction à l’air de l’ammoniac provenant du traitement des eaux usées, Science de l’environnement total (2022). DOI : 10.1016/j.scitotenv.2022.159499