Une étude révèle comment concentrer l’urine humaine en engrais par osmose directe

Une nouvelle étude montre que l’urine humaine peut être concentrée en un liquide riche en engrais grâce à un système de filtration à faible consommation d’énergie, capable de continuer à fonctionner au fil de cycles répétés.

Ces travaux transforment un déchet largement ignoré en ressource concrète pour l’apport en nutriments des cultures, et invitent à repenser ce que les villes évacuent aujourd’hui par la chasse d’eau.

Au cœur des essais

Lors d’une série de cycles de traitement successifs, la membrane a continué d’extraire l’eau d’urine humaine réelle, tout en retenant un volume plus faible de liquide plus concentré en nutriments.

Le Dr Siddharth Gadkari, de l’Université du Surrey, a montré que la méthode restait valable dans des conditions proches du terrain, et pas uniquement dans des essais simplifiés.

Le dispositif ne s’est pas arrêté brutalement : au contraire, ses performances ont diminué progressivement, à mesure que des dépôts s’accumulaient à la surface de la membrane.

Cette accumulation s’est imposée comme la contrainte majeure pour un fonctionnement prolongé, soulevant la question centrale : jusqu’où peut-on conserver les performances dans la durée ?

Récupérer les nutriments de l’urine humaine

Même si l’urine ne représente qu’environ 1 percent des eaux usées domestiques, elle contient une grande partie de l’azote et du phosphore présents dans les rejets ménagers.

Lorsque ces éléments nutritifs sont envoyés à l’égout, les stations d’épuration doivent ensuite les éliminer, souvent au prix d’une dépense d’énergie supplémentaire et de l’ajout de produits chimiques.

Pendant ce temps, les agriculteurs rachètent ces mêmes éléments sous forme d’engrais, après que des procédés industriels ont converti l’azote en ammoniac à très grande échelle.

« Our research shows that with the right treatment approach, we can recover these nutrients efficiently while reducing the energy demands of wastewater treatment, » a déclaré le Dr Gadkari.

Déplacer l’eau sans pression

Plutôt que de forcer l’eau à traverser la membrane sous haute pression, le système s’appuie sur l’osmose directe : l’eau traverse naturellement la membrane vers une solution plus concentrée en sels.

Ce choix est important, car il évite la “force brute” fréquemment nécessaire dans de nombreuses installations de filtration.

Au fur et à mesure du passage de l’eau, les nutriments restent majoritairement du côté de l’urine, ce qui réduit le volume final et produit un liquide plus riche, pouvant ensuite être valorisé comme engrais.

Une partie de l’azote et du potassium franchissait malgré tout la membrane : la technique concentrait donc efficacement les nutriments, sans pour autant retenir chaque molécule utile.

Ce qui a encrassé en premier

Les cycles répétés ont mis en évidence l’encrassement de la membrane - l’accumulation de dépôts qui ralentit le flux d’eau - comme point faible principal du dispositif.

Les observations au microscope ont indiqué que la couche d’obstruction était surtout composée de microbes et de matières organiques adhésives, tandis que les dépôts minéraux durs ne jouaient qu’un rôle mineur.

L’urine stockée en milieu alcalin favorisait la présence de bactéries en forme de bâtonnets et de sphères, alors qu’une urine plus acide conduisait plutôt à une dominance de cellules de type levure à la surface.

Ainsi, la chimie de l’urine n’influençait pas seulement la vitesse : elle modifiait aussi la composition biologique de la couche d’encrassement.

Pourquoi la filtration en amont a aidé

Le retrait des particules grossières avant le traitement a eu un effet net : la perte de débit d’eau est tombée à 37 percent, au lieu de 60 percent.

Avec moins de solides atteignant la membrane, il y avait moins de matière susceptible de s’y accumuler et de comprimer les voies de passage de l’eau.

À l’inverse, l’urine non filtrée a donné les plus mauvais résultats, et le débit dégradé ne se rétablissait qu’en partie après chaque phase de fonctionnement.

Dans ces conditions, le prétraitement apparaît moins comme une étape optionnelle que comme une exigence de base pour maintenir des performances stables.

Le rôle des conditions de stockage

Le niveau d’acidité a également pesé sur les résultats : l’urine conservée avec de l’acide citrique encrassait la membrane moins sévèrement que l’urine stockée de manière classique.

À pH plus faible - signe d’une acidité plus élevée - la membrane attirait un assemblage différent d’organismes et de débris.

L’urine préservée à l’acide citrique voyait tout de même ses performances diminuer avec le temps, mais elle se situait entre l’urine stockée filtrée et l’urine stockée non filtrée, plutôt que tout en bas.

Cette comparaison suggère que les opérateurs peuvent agir sur les performances avant même le démarrage du traitement, simplement en ajustant les conditions de stockage.

Un système testé dans des conditions réalistes

Une fois la couche d’encrassement formée, le point encourageant n’était pas l’absence totale de dépôts, mais la possibilité de revenir en arrière - un élément essentiel pour les systèmes destinés à durer.

Un rinçage doux, suivi d’un nettoyage chimique, a permis de restaurer environ 91 to 98 percent du débit d’eau perdu.

Des résidus persistaient toutefois, ce qui laisse penser qu’une part de la dégradation pouvait rester partiellement permanente, même si la performance globale remontait fortement.

« What is particularly exciting is that we have demonstrated how this system behaves under realistic conditions using real human urine, » a déclaré Gadkari.

Relier assainissement et production d’engrais

L’approche prend surtout tout son sens lorsque l’urine est séparée dès l’origine, au lieu d’être immédiatement mélangée au reste des eaux usées.

À Durban, ville côtière de l’est de l’Afrique du Sud, des programmes menés sur la durée autour de toilettes à séparation d’urine fournissent déjà un cadre opérationnel.

Des essais agricoles antérieurs ont également montré que l’urine collectée à la source pouvait servir d’engrais pour l’orge, ce qui explique l’intérêt au-delà des laboratoires.

Si l’encrassement peut être maîtrisé, ces systèmes de collecte séparée pourraient rapprocher plus directement l’assainissement d’une production locale d’engrais.

Pistes de recherche futures

Le sel de la solution “aspirante” diffusait aussi en sens inverse, ce qui rendait le liquide final plus salé à mesure qu’il se chargeait en nutriments.

Cet excès de sel compte, car les cultures ont besoin d’éléments nutritifs, pas d’un apport infini en sodium, et la gestion ultérieure s’en trouve compliquée.

Au-delà de la membrane, tout système complet devrait prévoir un stockage sûr, une logistique de transport, ainsi que des contrôles visant d’éventuels contaminants indésirables.

La réussite pratique dépend donc de l’ensemble de la chaîne : conception des toilettes, routines d’entretien, puis utilisation finale comme engrais.

Évacuer l’urine par la chasse d’eau ressemble désormais moins à un réflexe d’assainissement qu’à une occasion manquée de récupérer des nutriments précieux.

Le prochain enjeu n’est pas tant de vérifier que la chimie fonctionne, mais de savoir si les villes peuvent mettre en place des systèmes de collecte et de nettoyage suffisamment robustes pour le quotidien.