Systèmes d’assainissement des eaux usées municipales

Méthodes d’évaluation des performances environnementale et économique de SÉP-EN

Pour démontrer l’intérêt du système séparatif des eaux noires par rapport au système conventionnel, les promoteurs de cette approche présentent ses avantages en termes de réduction des besoins énergétiques, de production de nutriments pour l’agriculture, de réduction des polluants rejetés dans le milieu aquatique et d’économie d’eau potable (Otterpohl, Grottker et Lange, 1997; Otterpohl, 2002; Zeeman et al., 2008). Bien que ces avantages prêtent à croire que la performance environnementale du système séparatif est supérieure, ceux-ci représentent un nombre limité de critères environnementaux et ne couvrent pas l’ensemble du cycle de vie du système d’assainissement. De plus, ces avantages représentent des gains exprimés en flux d’inventaire (quantité de ressources et d’émissions environnementales) et non de gains entourant la réduction des impacts environnementaux (eutrophisation, changements climatiques, etc.). À cette limite s’ajoute une évaluation économique qui est souvent partielle et non transparente, car plusieurs paramètres économiques ne sont pas présentés, tels que la durée de vie estimée des équipements, le taux d’actualisation et la période considérée pour l’étude (GTZ, 2005; SuSanA, 2009). Pour pallier ce manque de complétude des impacts environnementaux et de coût, l’analyse environnementale du cycle de vie (AECV) et l’analyse du coût sur le cycle de vie (ACCV), sont considérées comme des cadres méthodologiques robustes qui permettent d’évaluer et de comparer de façon systémique et exhaustive les performances environnementale et économique de systèmes (Rebitzer et al., 2004). Encadrée par les normes ISO 14040 et ISO 14044, l’AECV vise à évaluer les impacts environnementaux liés à la consommation de ressources (matériaux, énergie, eaux, etc.) et aux émissions environnementales, et ce, sur l’ensemble du cycle de vie des systèmes.

De façon analogue, l’ACCV permet de déterminer le coût total des systèmes en incluant les coûts reliés à l’investissement, ainsi que ceux liés à l’opération et à l’entretien pendant la vie des systèmes. Jusqu’à présent, peu d’études visant la comparaison du système séparatif des eaux noires avec le système conventionnel ont utilisé ces méthodes d’évaluation. De plus, les études qui les ont utilisées n’ont pas permis de statuer clairement sur la supériorité d’un système par rapport à l’autre et ont toutes été réalisées dans le contexte européen.

Objectif général et structure de la thèse

L’objectif général de la thèse consiste à déterminer si le système d’assainissement séparatif des eaux noires présente des performances environnementale et économique supérieures, comparables ou inférieures à celles du système d’assainissement conventionnel dans le contexte québécois. Pour ce faire, les méthodes de l’AECV et de l’ACCV sont utilisées. Cette thèse s’adresse aux concepteurs et aux décideurs intervenant dans le milieu de l’assainissement et de l’aménagement urbain. Cette thèse est composée de six chapitres (Figure 0.2). Le premier chapitre est dédié à l’état des connaissances entourant les systèmes d’assainissement conventionnel et séparatif et les approches méthodologiques utilisées pour évaluer leur performance environnementale et économique. En fin de chapitre est exposé le positionnement de la recherche, c’est-à-dire le problème de recherche, les hypothèses de recherche, ainsi que l’objectif général et les objectifs spécifiques. Le deuxième chapitre présente l’approche méthodologique retenue en définissant le champ d’étude, en étayant les sources et les modes de traitement des données d’inventaire économique et environnemental, ainsi qu’en décrivant les méthodes d’évaluation du coût et des impacts environnementaux potentiels sur le cycle de vie. Les trois chapitres qui suivent sont dédiés aux articles scientifiques publiés au cours de la thèse.

Ainsi, le troisième chapitre est consacré à l’article 1 qui vise à déterminer la performance économique des systèmes d’assainissement séparatif et conventionnel, ainsi que l’effet de facteurs critiques sur cette performance, comme la décentralisation du traitement. Le quatrième chapitre est destiné à l’article 2 qui porte sur la comparaison de la performance environnementale des systèmes séparatif et conventionnel et l’identification des processus contributeurs et des facteurs influençant les résultats. Le cinquième chapitre présente l’article 3 qui vise à comparer différentes voies (scénarios) de développement du système séparatif des eaux noires lui permettant d’améliorer ses performances environnementale et économique. Le sixième chapitre est dédié à une discussion générale portant notamment sur une comparaison des résultats avec les études antérieures, l’influence de l’objectif et du champ d’étude sur les résultats obtenus, les limites de la thèse, les perspectives de recherche et, finalement, sur les retombées escomptées de la thèse. Une conclusion résumant les principaux résultats et les perspectives d’implantation pour le système séparatif des eaux noires vient clore la thèse.

Ressources et émissions de GES

Pour satisfaire ces fonctions de collecte et de traitement, les systèmes d’assainissement exigent une grande quantité de ressources (Larsen, 2011; Otterpohl, 2002; Wilderer, 2004). Considérant l’ensemble du cycle de vie des systèmes d’assainissement conventionnels, deux études ont montré que leur consommation énergétique, rapportée par résident desservi par année, représentait entre 1 et 2 % de la consommation totale d’un citoyen vivant en Allemagne ou aux Pays-Bas (Remy et Jekel, 2008; Roeleveld et al., 1997). Sur la même base de comparaison, la production de GES attribuable aux systèmes d’assainissement a également été estimée à 1 % des GES émis par un citoyen allemand (Remy et Jekel, 2008). En ce qui concerne la collecte, un grand volume d’eau (potable) est requis pour diluer les matières rejetées et garantir le flot d’écoulement permettant ainsi d’éviter l’accumulation de sédiments et, dans les climats arides, la corrosion accélérée des conduites (Ablin et Kinshella, 2004; Wilderer, 2005). Pour contribuer à atteindre un flot suffisant et limiter la longueur des conduites installées, les eaux usées résidentielles (eaux provenant des toilettes, des éviers, des équipements de lavage, etc.) sont collectées de façon mélangée au sein d’une seule conduite. Dans les pays industrialisés, le volume d’eaux usées générées quotidiennement, bien qu’il varie grandement selon les ménages, fluctue typiquement entre 125 litres par personne pour un pays comme l’Allemagne (Oldenburg, Albold et Otterpohl, 2008) et 290 litres par personne aux États-Unis (Brière, 2012).

De plus, les ressources nécessaires à la fabrication des conduites, dont la longueur moyenne est estimée à 21,5 pieds (6,6 m) par personne desservie aux États-Unis (American Society of Civil Engineers, 1999), sont considérées comme importantes (Glick et Guggemos, 2013). Pour le traitement, les installations et procédés requièrent une grande quantité de ressources et engendrent des émissions polluantes pendant leur construction et leur opération. Aux États-Unis, une station de traitement représente entre 30 et 60 % des dépenses énergétiques et environ 12 % des gaz à effet de serre (GES) d’une municipalité ayant un site d’enfouissement pour ses déchets solides (Hammer et Hammer, 2012). De plus, il a été démontré que la quantité de ressources augmente proportionnellement au niveau de traitement (Foley et al., 2010). Ainsi, un traitement rejetant un effluent de 5 mg N tot/L et 1 mg P tot/L consomme 5 % plus d’énergie pendant son opération, 50 % plus de béton (infrastructure), 40 % plus de produits chimiques (opération) qu’un traitement produisant un effluent de 20 mg N tot/L et 5 mg P tot/L. De plus, cette augmentation du niveau de traitement accroît les émissions de GES de 70 %, principalement en raison des oxydes nitreux émis lors de la dénitrification (Foley et al., 2010).

Coût Le coût lié aux systèmes d’assainissement conventionnel est généralement considéré comme important, notamment en raison du coût de remplacement (investissement) qui représente entre 10 et 20 % du PIB moyen des pays de l’OCDE (Maurer, 2013). Sur la base d’une étude précédente (Maurer, Rothenberger et Larsen, 2005), Maurer (2013) montre que le coût total annuel spécifique (par personne) du système conventionnel, excluant les conduites privées, est de l’ordre de 170 USD pour un pays populeux, tels la Grande-Bretagne, la France et les États-Unis, et de 271 USD pour un pays moins peuplé, tels le Danemark et la Suisse. Cette tendance vers un coût plus faible pour les pays plus populeux est notamment expliquée par les économies d’échelle obtenues dans des villes de grande taille qui sont généralement plus nombreuses dans les pays plus populeux (Maurer, Rothenberger et Larsen, 2005). Ainsi, si on compare à une municipalité comptant moins de 10 000 habitants, une municipalité comptant entre 10 000 et 50 000 habitants bénéficie d’une réduction de coût de 60 % et les municipalités de 50 000 à 100 000 habitants d’une réduction de 80 %.

Ces économies d’échelle sont principalement rencontrées en ce qui a trait à la station d’épuration — qui représente une part de 35 % des coûts totaux liés aux systèmes d’assainissement — , alors que de telles économies d’échelle sont incertaines en ce qui a trait au réseau d’égout (Maurer, Rothenberger et Larsen, 2005; Maurer, 2013). En ce qui a trait au coût d’opération d’une station d’épuration, il a été démontré que celui-ci représente la somme du produit des quantités de polluants retirés par leur coût d’enlèvement spécifique (Hernandez-Sancho, Molinos-Senante et Sala-Garrido, 2011; Meinzinger, 2010). En général, il est estimé qu’un traitement secondaire (enlèvement des nutriments N et P) implique un coût deux fois plus élevé que celui d’un traitement primaire (Maurer, Rothenberger et Larsen, 2005). Selon le manuel de gestion des stations d’épuration de l’EPSAR (organisme public espagnol de gestion des eaux), les coûts d’opération moyens d’un traitement primaire, secondaire et tertiaire sont respectivement de 0,12 Euros/m3, 0,26 Euros/m3 et 0,36 Euros/m3, en considérant que ces coûts sont attribuables uniquement au niveau visé et n’incluent donc pas les niveaux inférieurs (Hernandez-Sancho, Molinos- Senante et Sala-Garrido, 2011; Molinos-Senante, Hernández-Sancho et Sala-Garrido, 2010).

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 ÉTAT DES CONNAISSANCES ET POSITIONNEMENT DE LA RECHERCHE
1.1 Systèmes d’assainissement des eaux usées municipales
1.1.1 Systèmes d’assainissement conventionnel
1.1.1.1 Ressources et émissions de GES
1.1.1.2 Coût
1.1.2 Systèmes d’assainissement séparatif
1.1.2.1 Types de séparation
1.1.2.2 Décentralisation du traitement
1.2 Approches méthodologiques d’évaluation des performances environnementale et économique des systèmes d’assainissement
1.2.1 Évaluation environnementale
1.2.1.1 Analyse des flux de ressources
1.2.1.2 Analyse environnementale du cycle de vie
1.2.2 Évaluation économique
1.2.2.1 Méthodes d’analyse du coût sur le cycle de vie
1.2.2.2 Phases d’une ACCV environnementale
1.2.2.3 ACCV appliquée aux systèmes d’assainissement
1.2.3 Évaluation environnementale et économique combinée : application aux systèmes d’assainissement
1.3 AECV et ACCV comparatives de systèmes séparatifs et conventionnels
1.3.1 AECV comparatives
1.3.2 ACCV comparatives
1.3.3 Synthèse des AECV et ACCV comparatives de systèmes séparatifs des eaux noires et de systèmes conventionnels
1.4 Positionnement de la recherche
1.4.1 Problème de recherche
1.4.2 Hypothèses de recherche
1.4.3 Objectif général et objectifs spécifiques
CHAPITRE 2 APPROCHE MÉTHODOLOGIQUE
2.1 Champ d’étude
2.1.1 Fonctions et unité fonctionnelle
2.1.2 Flux de référence
2.1.3 Fonctionnement des systèmes
2.1.4 Frontières des systèmes et phases du cycle de vie considérées
2.2 Inventaire économique et environnemental
2.3 Méthodes d’évaluation du coût et des impacts environnementaux potentiels sur le cycle de vie
2.3.1 Évaluation du coût sur le cycle de vie (ACCV – article 1)
2.3.2 Évaluation des impacts environnementaux potentiels sur le cycle de vie (AECV – article 2)
2.3.3 Évaluation combinée du coût et des impacts environnementaux potentiels sur le cycle de vie (ACCV + AECV – article 3)
CHAPITRE 3 ARTICLE 1: ECONOMIC VIABILITY AND CRITICAL INFLUENCING FACTORS ASSESSMENT OF BLACK WATER AND GREY WATER SOURCE-SEPARATION SANITATION SYSTEM
3.1 Abstract
3.2 Introduction and objectives
3.3 Methods
3.3.1 Study framework
3.3.2 Technico-economic model of source-separation sanitation system
3.3.2.1 Technical parameters
3.3.2.2 Economic parameters
3.3.3 Technico-economic model of conventional sanitation system
3.4 Results and discussion
3.4.1 Sensitivity analysis
3.5 Conclusion
CHAPITRE 4 ARTICLE 2: COMPARISON OF BLACK WATER SOURCESEPARATION AND CONVENTIONAL SANITATION SYSTEMS USING LIFE CYCLE ASSESSMENT
4.1 Abstract
4.2 Introduction and objective
4.3 Methods
4.3.1 Goals and scope
4.3.2 Description of the systems
4.3.3 Life cycle inventory
4.3.4 Life cycle impact assessment
4.4 Results and discussion
4.4.1 Comparison of system impact scores
4.4.2 Contribution analysis
4.4.3 Uncertainty analysis
4.4.4 Sensitivity analysis
4.4.5 Limits and future research
4.5 Conclusion
CHAPITRE 5 ARTICLE 3: COMPARISON OF DEVELOPMENT SCENARIOS OF A BLACK WATER SOURCE-SEPARATION SANITATION SYSTEM USING LIFE CYCLE ASSESSMENT AND LIFE CYCLE COSTING
5.1 Abstract
5.2 Introduction and objective
5.3 Methods
5.3.1 Goals and scope
5.3.2 Description of the reference systems and BWS development pathways
5.3.2.1 Reference systems
5.3.2.2 Axis of development 1: BWS based on direct recycling of digestate (key process improvement)
5.3.2.3 Axis of development 2: BWS based on digestate mass reduction
5.3.3 Life cycle inventory
5.3.4 Life cycle impact assessment and environmental life cycle costing methods
5.4 Results and discussion
5.4.1 Development pathways based on direct recycling of digestate (key process improvement)
5.4.2 Development pathways based on digestate mass reduction
5.4.3 Comparison of development scenarios
5.4.4 Development and comparison of multi-pathway scenarios
5.5 Sensitivity analysis
5.6 Limits and future work
5.7 Conclusion and recommendations
CHAPITRE 6 DISCUSSION
6.1 Synthèse des articles et dynamique entourant le développement de SÉP-EN
6.1.1 Synthèse de l’article 1 – Analyse du coût sur le cycle de vie (ACCV)
6.1.2 Synthèse de l’article 2 – Analyse environnementale du cycle de vie (AECV)
6.1.3 Synthèse de l’article 3 – Analyse du coût sur le cycle de vie et analyse environnementale du cycle de vie (ACCV et AECV)
6.1.4 Dynamique entourant le développement de SÉP-EN
6.2 Influence de l’objectif et du champ d’étude
6.2.1 Type d’objectif
6.2.2 Hypothèses utilisées dans le champ d’étude
6.3 Limites et portée des résultats
6.3.1 Qualité des données d’inventaire du cycle de vie
6.3.2 Impacts des émissions de métaux
6.3.3 Indicateurs complémentaires
6.3.4 Portée des résultats
6.4 Perspectives de recherche
6.4.1 Analyse approfondie et synthèse des facteurs déterminant la performance de SÉP-EN et recherche de nouvelles configurations
6.4.2 Évaluation intégrée des performances environnementale et économique
6.4.2.1 Évaluation préliminaire de l’éco-efficacité de SÉP-EN-0 et des scénarios de développement
6.4.2.2 Optimisation de l’éco-efficacité
6.4.3 Pertinence de l’approche méthodologique et application à d’autres domaines
6.5 Retombées pour les parties prenantes impliquées en assainissement
CONCLUSION
ANNEXE I SUMMARY OF THE LIFE CYCLE RESOURCES INVENTORY OF CONV AND BWS (ARTICLE 2)
ANNEXE II FEATURES AND EFFICIENCY OF THE MAIN PROCESSES OF CONVENTIONAL SANITATION SYSTEM (CONV)
(ARTICLE 2)
ANNEXE III FEATURES AND EFFICIENCY OF THE MAIN PROCESSES OF BLACK WATER SOURCE-SEPARATION SANITATION
SYSTEM (BWS) (ARTICLE 2)
ANNEXE IV CONTRIBUTION ANALYSIS OF CONV AND BWS PROCESSES
(ABSOLUTE VALUES) (ARTICLE 2)
ANNEXE V UNCERTAINTY ANALYSIS: DISTRIBIUTION TYPE AND
SQUARE OF THE STANDARD DEVIATION (SD2) BY SPECIFIC
DATA GROUP FOR CONV, BWS AND BOTH SYSTEMS
(ARTICLE 2)
ANNEXE VI UNCERTAINTY ANALYSIS RESULTS: PROBABIILITY THAT
BWS IMPACT SCORES ARE HIGHER THAN CONV IMPACT
SCORES FOR DAMAGE INDICATORS (ARTICLE 2)
ANNEXE VII FEATURES AND EFFICIENCY OF THE MAIN PROCESSES OF
CONVENTIONAL SYSTEM (CONV) (ARTICLE 3)
ANNEXE VIII FEATURES AND EFFICIENCY OF THE MAIN PROCESSES OF
SOURCE-SEPARATION SYSTEM (BWS-0) (ARTICLE 3)
ANNEXE IX COSTS OF THE PROCESSES OF SOURCE-SEPARATION
SYSTEM (BWS-0) AND CONVENTIONAL SYSTEM (CONV)
(ARTICLE 3)
ANNEXE X DAMAGE AND MIDPOINT IMPACT SCORES OF CONV,
BWS-0, AND BWS-0 DEVELOPEMENT SCENARIOS CHOSEN
FOR THE COMPARISON IN SECTION 3.3 (ABSOLUTE
VALUES) (ARTICLE 3)
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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