Modelling and environmental assessment of source separation scenarios for wastewater at district scale
Modélisation et évaluation environnementale de scénarios de séparation à la source des effluents domestiques à l'échelle du quartier
Résumé
Wastewater management is nowadays pushed towards resource recovery instead of only wastewater treatment. In the meantime, reducing the impact on the environment and especially on the climate change is also required. For this purpose, two approaches are currently considered: improvement of centralised wastewater treatment plant (WWTP) and source separation. In the latter, separating urine or blackwater in the housing allows to keep the high concentration and specific composition of each stream. Resource recovery is therefore easier to implement. However new questions arise, as all the wastewater management is modified. The choice of appropriate technical solutions (transport and treatments) is one of them. Another question is the influence of the urban context in which the systems are installed. A integrated modelling approach is therefore required to evaluate all the possibilities at urban scale. For this purpose, this study models different urban configurations representative of European cities and especially French ones. In these districts, the entire wastewater management has been modelled: separation with toilets, transport, treatments and reuse of products or discharge. Three different scenarios of source separation have been studied and compared to an advanced centralised WWTP with high recovery of nutrients and organic matter. Finally the results from the model have been coupled with a life cycle assessment in order to evaluate the environmental impact of each solution. Results showed that source separation can increase significantly the recovery rate of nitrogen which is difficult to recover in a WWTP. Separating nitrogen allows to reduce the impact on the climate change by decreasing the emission of nitrous oxide and producing nitrogen fertilisers and thus avoiding the production of conventional fertiliser. However the choice of the greywater treatment is critical for the climate change reduction potential, especially due to the related energy consumption. Urbanism has a strong impact on the environmental balance with a low improvement for a low built density due to the large contribution of sewer installation. Moreover, the increase of employee’s number compared to inhabitants improves the environmental balance, by modifying the ratio COD/N/P and flowrate of treated flow.
Le système de gestion des eaux usées urbaines actuel doit se transformer pour récupérer les ressources contenues dans les eaux usées, mais aussi diminuer son empreinte environnementale et notamment son impact sur le changement climatique. Pour cela deux optiques complémentaires sont actuellement étudiées : l’amélioration de la station d’épuration centralisée (STEP) et la séparation à la source. Cette dernière permet de conserver des flux concentrés et des compositions très spécifiques, simplifiant ainsi la valorisation de ces flux. Cependant cela a des conséquences sur l’ensemble de la filière avec des nouveaux transports et traitements à mettre en place. Les choix techniques sur ces aspects vont avoir une influence considérable sur l’efficacité des filières, tout comme les types d’urbanisme dans lesquels sont implantés les systèmes de séparation à la source. Une approche de modélisation intégrée s’avère donc indispensable pour accompagner l’évaluation approfondie de ces nouvelles filières au niveau urbain. Pour cela différentes configurations urbaines représentatives des quartiers de villes européennes et françaises ont été considérées. L’ensemble de la filière a été modélisé : la séparation au niveau des toilettes, le transport, les traitements, les rejets et la valorisation des sous-produits. Trois scénarios de séparation à la source ont été comparés à une station d’épuration centralisée qui récupère autant que possible les nutriments et la matière organique. La modélisation des systèmes techniques a été couplée à une analyse de cycle de vie (ACV) afin d’évaluer les impacts environnementaux de chaque solution. Cette étude a montré que la séparation à la source permet d’augmenter significativement les taux de récupération des nutriments et spécifiquement l’azote qui est difficilement capturable dans la station d’épuration. Les effets sur le changement climatique sont diminués par la valorisation de cet azote en engrais et la suppression partielle des émissions de protoxyde d’azote, puissant gaz à effet de serre. Cependant le choix des traitements décentralisés des eaux grises peut nuancer cette conclusion à cause de leur consommation énergétique. De plus, l’urbanisme impacte fortement le bilan environnemental, avec une amélioration des performances limitée pour les faibles densités du fait de la contribution importante des réseaux. L’augmentation de la part des employés vis-à-vis des habitants améliore le bilan environnemental en modifiant les débits et ratios COD/N/P des flux à traiter.