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Chelsea Wold est une journaliste indépendante basée à La Haye, aux Pays-Bas, et auteur de Daydream : An Urgent Global Quest to Change Toilets.
Des systèmes de toilettes spécialisés extraient l'azote et d'autres nutriments de l'urine pour les utiliser comme engrais et autres produits. Crédit image : MAK/Georg Mayer/EOOS NEXT
Gotland, la plus grande île de Suède, manque cruellement d'eau douce. Parallèlement, ses habitants sont confrontés à des niveaux dangereux de pollution provenant de l'agriculture et des réseaux d'assainissement, qui provoquent des proliférations d'algues nocives autour de la mer Baltique. Ces algues peuvent tuer les poissons et rendre les gens malades.
Pour aider à résoudre cette série de problèmes environnementaux, l’île fonde ses espoirs sur la seule substance improbable qui les lie : l’urine humaine.
Depuis 2021, l'équipe de recherche collabore avec une entreprise locale de location de toilettes portables. L'objectif est de collecter plus de 70 000 litres d'urine sur une période de trois ans dans des urinoirs sans eau et des toilettes dédiées répartis sur plusieurs sites pendant la saison touristique estivale. L'équipe est issue de l'Université suédoise des sciences agricoles (SLU) d'Uppsala, qui a créé une société appelée Sanitation360. Grâce à un procédé mis au point par les chercheurs, ils ont séché l'urine en morceaux semblables à du béton, qu'ils ont ensuite réduits en poudre et pressés pour obtenir des granulés d'engrais adaptés aux équipements agricoles standard. Les agriculteurs locaux utilisent cet engrais pour cultiver de l'orge, qui est ensuite envoyée aux brasseries pour produire de la bière qui peut être réintroduite dans le cycle après consommation.
Prithvi Simha, ingénieur chimiste à la SLU et directeur technique de Sanitation360, a déclaré que l'objectif des chercheurs était de « dépasser le concept et de mettre en pratique » la réutilisation de l'urine à grande échelle. L'objectif est de fournir un modèle imitable dans le monde entier. « Notre objectif est que chacun, partout, puisse pratiquer cet exercice. »
Lors d'une expérience menée à Gotland, de l'orge fertilisée à l'urine (à droite) a été comparée à des plantes non fertilisées (au centre) et à des engrais minéraux (à gauche). Crédit photo : Jenna Senecal.
Le projet Gotland s'inscrit dans un effort mondial similaire visant à séparer l'urine des autres eaux usées et à la recycler en produits tels que les engrais. Cette pratique, appelée dérivation urinaire, est étudiée par des groupes aux États-Unis, en Australie, en Suisse, en Éthiopie et en Afrique du Sud, entre autres. Ces efforts vont bien au-delà des laboratoires universitaires. Des urinoirs sans eau sont raccordés à des systèmes d'évacuation en sous-sol dans des bureaux de l'Oregon et des Pays-Bas. Paris prévoit d'installer des toilettes à séparation d'urine dans une écozone de 1 000 habitants en construction dans le 14e arrondissement. L'Agence spatiale européenne installera 80 toilettes à son siège parisien, qui entrera en service plus tard cette année. Les partisans de la dérivation urinaire affirment qu'elle pourrait trouver des applications dans des lieux allant des avant-postes militaires improvisés aux camps de réfugiés, en passant par les centres urbains aisés et les bidonvilles tentaculaires.
Les scientifiques affirment que la dérivation urinaire, si elle était déployée à grande échelle dans le monde, pourrait apporter d'énormes bénéfices à l'environnement et à la santé publique. Cela s'explique en partie par la richesse de l'urine en nutriments qui ne polluent pas les plans d'eau et peuvent être utilisés pour fertiliser les cultures ou dans les procédés industriels. Simha estime que l'homme produit suffisamment d'urine pour remplacer environ un quart des engrais azotés et phosphatés actuels dans le monde ; elle contient également du potassium et de nombreux oligo-éléments (voir « Composants de l'urine »). Mieux encore, en évitant de jeter l'urine à l'égout, on économise beaucoup d'eau et on allège un réseau d'égouts vieillissant et surchargé.
Selon les experts du domaine, de nombreux composants de dérivation d'urine pourraient bientôt être largement disponibles grâce aux progrès réalisés dans les toilettes et les stratégies d'élimination de l'urine. Cependant, d'importants obstacles empêchent un changement fondamental dans l'un des aspects les plus fondamentaux de la vie. Les chercheurs et les entreprises doivent relever une multitude de défis, allant de l'amélioration de la conception des toilettes à séparation d'urine à la simplification du traitement de l'urine et de sa transformation en produits de valeur. Cela peut inclure des systèmes de traitement chimique connectés à des toilettes individuelles ou à des équipements en sous-sol desservant l'ensemble du bâtiment, ainsi que des services de récupération et de maintenance du produit concentré ou durci résultant (voir « De l'urine au produit »). À cela s'ajoutent des enjeux plus vastes de changement social et d'acceptation, liés à la fois aux divers tabous culturels associés aux déchets humains et aux conventions profondément ancrées concernant les eaux usées industrielles et les systèmes alimentaires.
Alors que la société est confrontée à des pénuries d'énergie, d'eau et de matières premières pour l'agriculture et l'industrie, le détournement et la réutilisation de l'urine constituent « un défi majeur pour la manière dont nous assurons l'assainissement », déclare la biologiste Lynn Broaddus, consultante en développement durable basée à Minneapolis. « Un domaine qui va prendre de plus en plus d'importance. » Minnesota, il a été président de la Fédération aquatique d'Alexandria, en Virginie, une association mondiale de professionnels de la qualité de l'eau. « C'est vraiment précieux. »
Il fut un temps où l'urine était une denrée précieuse. Autrefois, certaines sociétés l'utilisaient pour fertiliser les cultures, fabriquer du cuir, laver le linge et fabriquer de la poudre à canon. Puis, à la fin du XIXe et au début du XXe siècle, le modèle moderne de gestion centralisée des eaux usées est apparu en Grande-Bretagne et s'est répandu dans le monde entier, aboutissant à ce que l'on appelle la cécité urinaire.
Dans ce modèle, les toilettes utilisent l'eau pour évacuer rapidement l'urine, les matières fécales et le papier toilette, mélangés à d'autres fluides provenant de sources domestiques, industrielles et parfois des égouts pluviaux. Dans les stations d'épuration centralisées, des procédés énergivores font appel à des micro-organismes pour traiter les eaux usées.
Selon les réglementations locales et les conditions de l'usine de traitement, les eaux usées rejetées par ce processus peuvent encore contenir des quantités importantes d'azote et d'autres nutriments, ainsi que d'autres contaminants. 57 % de la population mondiale n'est pas du tout raccordée à un système d'égouts centralisé (voir « Eaux usées humaines »).
Les scientifiques s'efforcent de rendre les systèmes centralisés plus durables et moins polluants, mais, à commencer par la Suède dans les années 1990, certains chercheurs préconisent des changements plus fondamentaux. Les avancées en aval ne sont « qu'une évolution de plus du même fichu système », a déclaré Nancy Love, ingénieure environnementale à l'Université du Michigan à Ann Arbor. Le détournement de l'urine sera « transformateur », affirme-t-elle. Dans l'étude 1, qui a simulé des systèmes de gestion des eaux usées dans trois États américains, elle et ses collègues ont comparé des systèmes de traitement des eaux usées conventionnels à des systèmes hypothétiques qui détournent l'urine et utilisent des nutriments récupérés au lieu d'engrais synthétiques. Ils estiment que les collectivités utilisant le détournement de l'urine peuvent réduire les émissions globales de gaz à effet de serre de 47 %, la consommation d'énergie de 41 %, la consommation d'eau douce d'environ la moitié et la pollution des eaux usées par les nutriments de 64 %. technologie utilisée.
Cependant, le concept reste de niche et largement limité à des zones autonomes telles que les écovillages scandinaves, les dépendances rurales et les développements dans les zones à faibles revenus.
Tove Larsen, ingénieur chimiste à l'Institut fédéral suisse des sciences et technologies de l'eau (Eawag) à Dübendorf, explique qu'une grande partie du retard est due aux toilettes elles-mêmes. Lancée sur le marché dans les années 1990 et 2000, la plupart des toilettes à séparation d'urine sont équipées d'un petit bac devant elles pour recueillir le liquide, un réglage qui nécessite un réglage précis. D'autres modèles incluent des tapis roulants à pédale qui permettent à l'urine de s'écouler pendant que le fumier est transporté vers le composteur, ou des capteurs qui actionnent des vannes pour diriger l'urine vers une sortie séparée.
Un prototype de toilettes séparant l'urine et la réduisant en poudre est actuellement testé au siège de la société suédoise d'eau et d'assainissement VA SYD à Malmö. Crédit photo : EOOS NEXT
Mais lors de projets expérimentaux et de démonstration en Europe, leur utilisation n'a pas été adoptée, a déclaré Larsen, se plaignant de leur encombrement, de leur mauvaise odeur et de leur manque de fiabilité. « Nous étions vraiment rebutés par le sujet des toilettes. »
Ces inquiétudes ont hanté la première utilisation à grande échelle de toilettes à séparation d'urine, un projet dans la ville sud-africaine d'Ethekwini dans les années 2000. Anthony Odili, qui étudie la gestion de la santé à l'Université du KwaZulu-Natal à Durban, a déclaré que l'expansion soudaine des frontières post-apartheid de la ville a conduit les autorités à prendre le contrôle de certaines zones rurales pauvres sans infrastructures de toilettes et d'eau.
Après l'épidémie de choléra d'août 2000, les autorités ont rapidement déployé plusieurs installations sanitaires répondant aux contraintes financières et pratiques, dont quelque 80 000 toilettes sèches à séparation d'urine, dont la plupart sont encore utilisées aujourd'hui. L'urine s'écoule dans le sol depuis le dessous des toilettes, et les matières fécales finissent dans un entrepôt que la ville vide tous les cinq ans depuis 2016.
Odili a déclaré que le projet avait permis de créer des installations sanitaires plus sûres dans la région. Cependant, des recherches en sciences sociales ont identifié de nombreux problèmes liés au programme. Malgré l'idée que les toilettes sont mieux que rien, des études, dont certaines auxquelles il a participé, ont montré ultérieurement que les utilisateurs les détestaient généralement, a déclaré Odili. Nombre d'entre elles sont construites avec des matériaux de mauvaise qualité et sont inconfortables. Alors que ces toilettes devraient théoriquement empêcher les odeurs, l'urine des toilettes d'eThekwini finit souvent dans le réservoir à matières fécales, créant une odeur nauséabonde. Selon Odili, les gens « ne pouvaient pas respirer normalement ». De plus, l'urine n'est pratiquement pas utilisée.
En fin de compte, selon Odili, la décision d'introduire des toilettes sèches à séparation d'urine a été prise de manière autoritaire et n'a pas tenu compte des préférences de la population, principalement pour des raisons de santé publique. Une étude de 20173 a révélé que plus de 95 % des personnes interrogées à eThekwini souhaitaient avoir accès aux toilettes pratiques et inodores utilisées par les résidents blancs aisés de la ville, et beaucoup prévoyaient de les installer lorsque les conditions le permettraient. En Afrique du Sud, les toilettes sont depuis longtemps un symbole d'inégalité raciale.
Cependant, ce nouveau design pourrait constituer une avancée majeure en matière de dérivation urinaire. En 2017, sous la direction du designer Harald Grundl, en collaboration avec Larsen et d'autres, le cabinet de design autrichien EOOS (issu d'EOOS Next) a lancé un siphon à urine. Ce siphon évite à l'utilisateur de viser, et la fonction de dérivation urinaire est quasiment invisible (voir « Nouveau type de toilettes »).
Il utilise la tendance de l’eau à coller aux surfaces (appelé effet bouilloire car il agit comme une bouilloire qui goutte maladroitement) pour diriger l’urine de l’avant des toilettes vers un trou séparé (voir « Comment recycler l’urine »). Développé grâce au financement de la Fondation Bill & Melinda Gates de Seattle, Washington, qui a soutenu un large éventail de recherches sur l'innovation des toilettes pour les milieux à faibles revenus, le piège à urine peut être intégré à tout, des modèles de piédestal en céramique haut de gamme aux cuvettes en plastique. Développé grâce au financement de la Fondation Bill & Melinda Gates de Seattle, Washington, qui a soutenu un large éventail de recherches sur l'innovation des toilettes pour les milieux à faibles revenus, le piège à urine peut être intégré à tout, des modèles de piédestal en céramique haut de gamme aux cuvettes en plastique. Développé grâce au financement de la Fondation Bill & Melinda Gates de Seattle, Washington, qui a soutenu un large éventail de recherches sur l'innovation des toilettes pour les personnes à faible revenu, le siphon à urine peut être intégré à tout, des modèles avec piédestaux en céramique aux squats en plastique.pots. Développé grâce au financement de la Fondation Bill & Melinda Gates de Seattle, Washington, qui soutient des recherches approfondies sur l'innovation des toilettes à faible revenu, le collecteur d'urine peut être intégré à tout, des modèles haut de gamme à base de céramique aux plateaux de toilette en plastique.Le fabricant suisse LAUFEN commercialise déjà un produit appelé « Save! » pour le marché européen, bien que son prix soit trop élevé pour de nombreux consommateurs.
L'Université du KwaZulu-Natal et le conseil municipal d'eThekwini testent également des versions de toilettes à séparation d'urine capables de détourner l'urine et d'évacuer les particules. Cette fois, l'étude se concentre davantage sur les utilisateurs. Odie est optimiste quant à la préférence des gens pour les nouvelles toilettes à séparation d'urine, car elles sentent meilleur et sont plus faciles à utiliser. Il souligne toutefois que les hommes doivent uriner assis, ce qui représente un changement culturel majeur. Mais si les toilettes « sont également adoptées et adoptées par les quartiers aisés – par des personnes d'origines ethniques différentes – cela contribuera grandement à leur diffusion », a-t-il déclaré. « Il faut toujours avoir une perspective raciale », a-t-il ajouté, afin d'éviter que des toilettes soient perçues comme « réservées aux Noirs » ou « réservées aux pauvres ».
La séparation des urines n'est que la première étape de la transformation de l'assainissement. Il s'agit ensuite de déterminer les solutions possibles. En zone rurale, les habitants peuvent stocker l'urine dans des cuves pour éliminer les agents pathogènes, puis l'épandre sur les terres agricoles. L'Organisation mondiale de la Santé recommande cette pratique.
Mais le milieu urbain est plus complexe : c'est là que la majeure partie de l'urine est produite. Il serait peu pratique de construire plusieurs égouts distincts à travers la ville pour acheminer l'urine vers un point central. De plus, l'urine étant composée à environ 95 % d'eau, son stockage et son transport sont trop coûteux. C'est pourquoi les chercheurs se concentrent sur le séchage, la concentration ou l'extraction des nutriments de l'urine au niveau des toilettes ou des bâtiments, laissant l'eau sur place.
Ce ne sera pas facile, a déclaré Larson. D'un point de vue technique, « l'urine est une mauvaise solution », a-t-elle ajouté. Outre l'eau, la majeure partie est constituée d'urée, un composé riche en azote produit par l'organisme comme sous-produit du métabolisme des protéines. L'urée est utile en elle-même : sa version synthétique est un engrais azoté courant (voir Besoins en azote). Mais c'est aussi délicat : combinée à l'eau, l'urée se transforme en ammoniac, qui donne à l'urine son odeur caractéristique. S'il n'est pas activé, l'ammoniac peut dégager une mauvaise odeur, polluer l'air et absorber un précieux azote. Catalysée par l'uréase, une enzyme omniprésente, cette réaction, appelée hydrolyse de l'urée, peut prendre plusieurs microsecondes, ce qui fait de l'uréase l'une des enzymes les plus efficaces connues.
Certaines méthodes permettent de poursuivre l'hydrolyse. Les chercheurs de l'Eawag ont mis au point un procédé avancé qui transforme l'urine hydrolysée en une solution nutritive concentrée. Dans l'aquarium, des micro-organismes convertissent d'abord l'ammoniac volatil en nitrate d'ammonium non volatil, un engrais courant. Le distillateur concentre ensuite le liquide. Une filiale, Vuna, également basée à Dübendorf, travaille à la commercialisation d'un système pour bâtiments et d'un produit appelé Aurin, approuvé en Suisse pour les plantes alimentaires pour la première fois au monde.
D'autres tentent d'arrêter la réaction d'hydrolyse en augmentant ou en diminuant rapidement le pH de l'urine, qui est généralement neutre une fois excrétée. Sur le campus de l'Université du Michigan, Love s'associe à l'organisme à but non lucratif Earth Abundance Institute de Brattleboro, dans le Vermont, pour développer un système destiné aux bâtiments qui élimine l'acide citrique liquide des toilettes à dérivation et des toilettes sèches. L'eau jaillit des urinoirs. L'urine est ensuite concentrée par congélation et décongélation répétées.
Une équipe de la SLU, dirigée par l'ingénieur environnemental Bjorn Winneros, a mis au point sur l'île de Gotland un procédé permettant de sécher l'urine en urée solide mélangée à d'autres nutriments. L'équipe évalue son dernier prototype, des toilettes autoportantes avec séchoir intégré, au siège de la société suédoise d'eau et d'assainissement VA SYD à Malmö.
D'autres méthodes ciblent des nutriments individuels présents dans l'urine. Elles pourraient être plus facilement intégrées aux chaînes d'approvisionnement existantes en engrais et en produits chimiques industriels, explique l'ingénieur chimiste William Tarpeh, ancien chercheur postdoctoral à Love's et aujourd'hui à l'Université Stanford en Californie.
Une méthode courante pour restaurer le phosphore de l'urine hydrolysée consiste à ajouter du magnésium, ce qui provoque la précipitation d'un engrais appelé struvite. Tarpeh expérimente des granulés de matériau adsorbant capables d'éliminer sélectivement l'azote sous forme d'ammoniac6 ou le phosphore sous forme de phosphate. Son système utilise un fluide différent, appelé régénérant, qui circule dans les ballons une fois vides. Le régénérant absorbe les nutriments et renouvelle les ballons pour le cycle suivant. Il s'agit d'une méthode passive et peu technologique, mais les régénérants commerciaux sont nocifs pour l'environnement. Son équipe cherche désormais à fabriquer des produits moins chers et plus respectueux de l'environnement (voir « Pollution du futur »).
D'autres chercheurs développent des méthodes pour produire de l'électricité en plaçant de l'urine dans des piles à combustible microbiennes. Au Cap, en Afrique du Sud, une autre équipe a mis au point une méthode permettant de fabriquer des briques de construction non conventionnelles en mélangeant de l'urine, du sable et des bactéries productrices d'uréase dans un moule. Ces briques se calcifient pour prendre n'importe quelle forme sans cuisson. L'Agence spatiale européenne envisage d'utiliser l'urine des astronautes comme ressource pour la construction de logements sur la Lune.
« Quand je pense à l’avenir du recyclage de l’urine et des eaux usées, nous voulons être en mesure de produire autant de produits que possible », a déclaré Tarpeh.
Alors que les chercheurs explorent diverses pistes pour marchandiser l'urine, ils savent que la tâche est ardue, surtout pour une industrie bien établie. Les fabricants d'engrais et d'aliments, les agriculteurs, les fabricants de toilettes et les autorités de réglementation tardent à modifier significativement leurs pratiques. « Il y a beaucoup d'inertie ici », a déclaré Simcha.
Par exemple, à l'Université de Californie à Berkeley, l'installation de recherche et d'enseignement du LAUFEN save! Cela comprend les dépenses liées aux architectes, à la construction et au respect des réglementations municipales – et ce n'est pas encore fait, a déclaré Kevin Ona, ingénieur en environnement qui travaille maintenant à l'Université de Virginie-Occidentale à Morgantown. Il a expliqué que l'absence de codes et de réglementations existants posait des problèmes de gestion des installations et a donc rejoint le groupe chargé d'élaborer de nouveaux codes.
Une partie de l’inertie peut être due à la peur de la résistance des acheteurs, mais une enquête menée en 2021 auprès de personnes dans 16 pays7 a révélé que dans des pays comme la France, la Chine et l’Ouganda, la volonté de consommer des aliments enrichis en urine était proche de 80 % (voir « Les gens en mangeront-ils ? »).
Pam Elardo, qui dirige l'Administration des eaux usées en tant qu'administratrice adjointe de l'Agence de protection de l'environnement de la ville de New York, a déclaré soutenir les innovations telles que le détournement des urines, car les principaux objectifs de son entreprise sont de réduire davantage la pollution et de recycler les ressources. Elle estime que pour une ville comme New York, la méthode la plus pratique et la plus rentable pour détourner les urines sera l'installation de systèmes hors réseau dans les bâtiments neufs ou rénovés, complétés par des opérations de maintenance et de collecte. Si les innovateurs peuvent résoudre un problème, « ils devraient réussir », a-t-elle déclaré.
Compte tenu de ces avancées, Larsen prédit que la production de masse et l'automatisation de la technologie de dérivation urinaire pourraient bientôt voir le jour. Cela améliorera l'analyse de rentabilité de cette transition vers la gestion des déchets. La dérivation urinaire « est la bonne technique », a-t-elle déclaré. « C'est la seule technologie capable de résoudre les problèmes d'alimentation à domicile dans un délai raisonnable. Mais il faut que chacun se décide. »
Hilton, SP, Keoleian, GA, Daigger, GT, Zhou, B. & Love, NG Environ. Hilton, SP, Keoleian, GA, Daigger, GT, Zhou, B. & Love, NG Environ.Hilton, SP, Keoleyan, GA, Digger, GT, Zhou, B. et Love, NG Environ. Hilton, SP, Keoleian, GA, Daigger, GT, Zhou, B. & Love, NG Environ. Hilton, SP, Keoleian, GA, Daigger, GT, Zhou, B. & Love, NG Environ.Hilton, SP, Keoleyan, GA, Digger, GT, Zhou, B. et Love, NG Environ.la science. la technologie. 55, 593–603 (2021).
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