Le traitement des déchets humains par digestion anaérobie est une technologie d’assainissement incroyablement éthique. La digestion anaérobie se produit dans les biodigesteurs et produit un carburant ( biogaz ), élimine la demande biochimique en oxygène (DBO) des eaux usées, conserve les nutriments (en particulier les composés azotés) et, surtout, réduit les agents pathogènes . Des concentrations excessives de déchets humains nuisent à l’environnement, car ils sont chargés de DBO, de nutriments et de maladies anthropozoonotiques. Cela peut entraîner une multitude de problèmes environnementaux pouvant conduire à l’effondrement de l’écosystème, par exemple rendre un plan d’eau inhabitable pour de nombreux organismes. Les eaux usées non traitées provoquent des proliférations d'algues, des marées rouges et des zones mortes.. Les humains souffrent également des eaux usées non traitées (également appelées eaux noires ). Les maladies d'origine hydrique transmises par les excréments humains sont l'une des principales causes de décès dans le monde, en particulier dans les pays dits en développement. Certaines maladies causées par les eaux usées humaines non traitées sont le choléra, la fièvre typhoïde, la fièvre paratyphoïde, la salmonelle, la dysenterie, la gastroentérite, la leptospirose, la méningite, l'hépatite et diverses maladies parasitaires.
La quantité de biogaz pouvant être produite à partir des déchets humains est limitée par rapport au fumier de bétail et à d’autres matières premières. Nos estomacs sont tout simplement trop efficaces ! David House affirme dans son excellent livre que 1 000 livres de déchets humains produisent environ 0,6 mètre cube de biogaz (assez de combustible de cuisine pour environ 1 à 2 personnes). Mais ce montant s'additionne rapidement, veuillez vous référer à Internet pour des exemples de projets notamment au Rwanda, en Inde et en Thaïlande.
Les eaux usées non traitées, en plus de provoquer une prévalence de maladies, les pays en développement éliminent également des nutriments précieux dans des endroits où les engrais ne sont pas disponibles. Les biodigesteurs transforment les déchets en biofertilisant . Il existe également un défaut majeur dans les systèmes de traitement des eaux usées des pays développés où d'énormes quantités d'énergie sont utilisées pour aérer et traiter les eaux usées ; La digestion anaérobie traite les eaux usées et produit également de l'énergie plutôt que de la consommer. Cet article traite des considérations relatives au traitement des déchets humains et diverses options sont décrites.
Contenu
Considérations importantes
Une poignée de considérations doivent être prises en compte pour le traitement des déchets humains. Il existe des problèmes IMPORTANTS liés à la maladie et certaines considérations physiques courantes. Le problème numéro 1 est la gestion des déchets humains. Les opérateurs qui manipulent des déchets humains sans aucune précaution tomberont inévitablement malades. Le processus de traitement des déchets doit tenir compte des gestionnaires. Idéalement, un système de traitement des déchets éliminerait toute manipulation directe par l’homme.
L’effluent typique du biodigesteur n’est PAS stérile. La digestion anaérobie crée un environnement compétitif dans lequel les agents pathogènes sont concurrencés par les micro-organismes non infectieux et donc marginalisés en termes de populations. Cela signifie que les agents pathogènes sont RÉDUITS, mais pas entièrement éliminés. Cependant, des études dans des biodigesteurs thermophiles (45-55 degrés C) ont montré une réduction beaucoup plus importante des agents pathogènes que dans les biodigesteurs à température ambiante et à température plus basse (voir la section biodigesteurs capables de contrôler les agents pathogènes). Un système de traitement des déchets doit résoudre le problème des maladies au cours du processus via un pré ou un post-traitement ou les effluents doivent être éliminés en conséquence.
Une considération courante lors de la conception de biodigesteurs destinés à s’intégrer dans un système déjà existant est que les excréments humains sont généralement fortement dilués pour faciliter leur déplacement. Les chasses d'eau consomment de gros volumes d'eau (de 1,3 à 2,5 gallons mais environ 2 gallons aux États-Unis) et la conception d'un biodigesteur avec par exemple un temps de rétention hydraulique (HRT) de 30 jours pour traiter les déchets rejetés nécessite un biodigesteur de très grand volume à une dilution de 2 gallons par chasse d’eau. Il existe cependant des modèles de biodigesteurs capables de gérer un THS, ou la durée pendant laquelle un biodigesteur retient un déchet, de quelques heures seulement. Ces conceptions sont des réacteurs de rétention de boues tels qu'un lit de boues anaérobies à flux ascendant (UASB) et des réacteurs à film fixe encore plus performants.. Un dernier facteur important à prendre en compte est la toxicité de l'ammoniac , car il a été rapporté que les déchets humains ont un faible rapport C:N . Ce problème peut être résolu via la dilution et la co-digestion d’une matière première riche en carbone telle que la mélasse. Les déchets animaux sont intrinsèquement plus sûrs à traiter que les déchets humains, car ils ont tendance à contenir moins d'agents pathogènes humains, même s'il convient également de prendre en compte certains agents pathogènes présents dans le fumier.
Méthodes de traitement
Prétraitement thermique
Au cours de ce processus, les excréments humains seraient pasteurisés à 70 degrés Celsius avant d'entrer dans le biodigesteur. Il est préférable de le faire avant la dilution afin de réduire les coûts énergétiques et peut être réalisé en utilisant de la vapeur résiduaire, un chauffage solaire passif ou la combustion directe de biogaz ou de toute autre source de combustible. Le processus rendrait davantage d’excréments humains disponibles pour la digestion anaérobie et augmenterait en fait probablement la quantité de biogaz produite. Le prétraitement thermique peut également réduire le THS. La stérilisation initiale permettra de résoudre tout problème d'effluents liés aux agents pathogènes et de produire un biofertilisant pour les cultures comestibles (aptes à la consommation humaine).
Traitement par rétention
Des temps de rétention très longs pour les eaux usées ont la capacité de détruire virtuellement les agents pathogènes. La durée pendant laquelle les excréments humains doivent être conservés varie. Dans un climat très chaud, vous souhaiterez peut-être conserver les déchets pendant 60 à 90 jours, mais dans les climats froids (20 degrés C et moins), 150 jours ou plus de rétention sont recommandés. Le temps de rétention peut être contrôlé via le biodigesteur HRT ou en retenant l'effluent pendant une période supplémentaire. L'option la plus économique doit être considérée ainsi que les facteurs de sécurité tels que l'accès au réservoir de rétention et tout autre problème impliquant une exposition potentielle des humains et des animaux.
Avertissement de sécurité : les méthodes de rétention visant à détruire les agents pathogènes doivent être confirmées par les résultats de laboratoire avant leur adoption.
Post-traitement et stérilisation
Les effluents du biodigesteur peuvent également être traités dans une phase de traitement secondaire telle que l'ultrafiltration , la lumière ultraviolette (UV) , un traitement par zone humide , le compostage ou le traitement aérobie.. L'ultrafiltration consiste à faire passer l'effluent à travers une membrane qui ne laisse passer que les solubles. À l'heure actuelle, cette technologie est plus susceptible d'être utilisée dans les pays développés, mais des solutions appropriées utilisant des matériaux tels que les mangroves et d'autres plantes pourraient être utilisées. L'ultrafiltration est pratique pour les eaux usées concentrées dont la plupart des solides ont été décantés. Le traitement UV est une technologie courante de traitement de l'eau, mais il ne peut être pratique que pour les effluents dilués où la turbidité n'est pas un problème. Une zone humide de traitement fournit un traitement supplémentaire ainsi qu'un habitat pour la faune. Essentiellement, un gradient de mouvement est créé et planté de plantes de zones humides qui facilitent l'élimination des nutriments et des agents pathogènes. C’est ainsi que les eaux usées, telles que les eaux de ruissellement pluviales, sont naturellement traitées dans l’environnement. Un processus de compostage peut être autorisé pour traiter les effluents, mais ceux-ci doivent d'abord être séchés pour faciliter l'aération, ce qui nécessite beaucoup de terre et d'énergie. Il faut veiller à ce que personne ne respire la poussière des effluents frais au cours de ce processus. L'effluent peut également subir un processus de traitement aérobie pour le polir, mais cela est coûteux, intensif et élimine les nutriments d'un système productif. D'autres options de traitement des déchets peuvent inclurefiltres et clarificateurs à sable .
Des biodigesteurs capables de contrôler les pathogènes
Comme mentionné précédemment, certains processus de biodigesteur sont capables de contrôler pratiquement tous les agents pathogènes présents dans les eaux usées. Il s'agit de biodigesteurs thermophiles, de biodigesteurs en phase et de biodigesteurs étagés.. Dans un biodigesteur thermophile, l’environnement à l’intérieur du biodigesteur est si chaud que de nombreux agents pathogènes sont incapables de survivre. L’environnement est également bien plus compétitif que dans un biodigesteur classique. Les agents pathogènes sont généralement acclimatés et se plaisent le plus à la température corporelle. Heureusement, de nombreux organismes capables d’effectuer la digestion anaérobie sont des thermophiles ou des organismes aimant la chaleur. Il faut cependant faire attention à la toxicité de l'ammoniac mentionnée précédemment, car les biodigesteurs thermophiles sont beaucoup plus sensibles à ce problème que les biodigesteurs ambiants et à plus basse température. Un biodigesteur de phases sépare les phases respectives que le matériau doit subir pendant le processus de digestion anaérobie. La matière organique subit une hydrolyse , une acidogenèse , une acétogenèse, et méthanogenèse. Essentiellement, un récipient peut faciliter la conversion de matières organiques en solubles (hydrolyse), la production d'acides (acidogenèse et acétogenèse) ou la production de méthane (méthanogenèse). En phase de digestion anaérobie, deux conteneurs ou plus sont utilisés pour séparer les phases. Cela peut être fait physiquement (en éliminant les matières organiques au fur et à mesure de leur hydrolyse), chimique (en inhibant la production de méthane ou en tamponnant les acides à un pH permettant la méthanogenèse) ou biologiquement (en acidifiant le(s) premier(s) réacteur(s)). Si un réacteur peut s’acidifier pour inhiber la production de méthane, le faible pH créera également un environnement extrême dans lequel certains agents pathogènes seront incapables de vivre. Après un environnement acide, ils seront introduits dans un environnement producteur de méthane qui élimine en outre les agents pathogènes grâce à la compétition microbienne. Un biodigesteur biphasécapable d'éliminer les agents pathogènes pourrait avoir un premier réservoir acidifiant, qui est ensuite introduit dans un deuxième réservoir thermophile produisant du méthane. Les biodigesteurs étagés peuvent fonctionner de la même manière en modifiant les mécanismes de compétition dans les différentes étapes (réacteurs), sans pour autant séparer complètement les phases.
Épandage d'effluents
L’élimination complète des agents pathogènes n’est pas nécessaire lorsque des soins adéquats sont apportés à l’épandage des effluents. Les effluents du biodigesteur qui contiennent encore des agents pathogènes peuvent être épandus dans des champs d'épuration souterrains (avec un clarificateur), utilisés pour les cultures non comestibles et, dans certains cas, les cultures fourragères., et appliqué directement sur le terrain. Cependant, toutes ces choses nécessitent des considérations de sécurité. Le degré d'exposition humaine doit être pris en considération. La contamination des eaux souterraines et des plans d’eau constitue autant de menaces potentielles au rejet d’effluents qui ne sont pas totalement exempts d’agents pathogènes dans l’environnement. L'épandage direct sur les terres doit tenir compte de l'exposition directe, comme l'utilisation des terres par les enfants et les adultes. Les cultures non comestibles sont une autre option et permettent également de capturer les nutriments. Les cultures pourraient inclure les cultures énergétiques, la production de biomasse et bien d’autres. L’exposition des humains constitue cependant là encore un risque dont il faut tenir compte. Le moyen le plus simple et le plus sûr d’éliminer les effluents consiste simplement à les injecter dans un réseau d’égouts déjà existant.
Conclusion
Les biodigesteurs offrent de nombreux avantages à la personne intéressée par un traitement éthique des déchets humains. Le facteur le plus important, qui n’a pas toujours été géré efficacement, est le danger que représentent pour la santé les agents pathogènes présents dans les déchets humains. Ces systèmes sont évolutifs depuis le niveau domestique et communautaire jusqu'aux applications à plus grande échelle industrielle. Des applications réussies peuvent être trouvées dans le monde entier et dans l’histoire. Mieux encore, la Digestion Anaérobie propose de transformer les déchets en ressource.
Lectures complémentaires
- Bitton G. Microbiologie des eaux usées. 3e édition Wiley-Liss 2005
- van Haandel, AC, Lettinga, G. Traitement anaérobie des eaux usées : un guide pratique pour les régions à climat chaud J Whiley 1994
- House, D. Le manuel complet du biogaz 3e édition 2007 www.completebiogas.com
- Speece, RE Biotechnologie anaérobie pour les eaux usées industrielles Archae Press 1996