Réutilisation des excréta

Les types les plus courants de réutilisation des excréments, y compris les excréments seuls ou mélangés avec de l’eau dans le cas des eaux usées domestiques (eaux usées), sont les suivants[4]:

• Engrais et eau d'irrigation en agriculture et en horticulture: par exemple, utiliser de l'eau récupérée et traitée pour l'irrigation; utiliser des excreta compostés (et autres déchets organiques) ou des biosolides traités de manière appropriée comme engrais et amendement; utiliser de l'urine traitée séparée à la source comme engrais.
• Énergie: par exemple, digérer les excréments et autres déchets organiques pour produire du biogaz; ou la production de combustibles.
• Autre: d'autres options émergentes de réutilisation des excréments comprennent la production d'aliments protéiques pour le bétail à l'aide de larves de Hermetia illucens, la récupération de matières organiques utilisées comme matériaux de construction ou dans la production de papier.

Des recherches sur la manière de réutiliser l'urine et les excréments en toute sécurité dans l'agriculture ont été menées en Suède depuis les années 1990. En 2006, l'Organisation mondiale de la santé (OMS) a publié des directives sur la réutilisation en toute sécurité des eaux usées, des excréments et des eaux grises. Le concept de barrière multiple à réutiliser, qui est la pierre angulaire de cette publication, a permis de comprendre clairement comment la réutilisation des excréments peut être effectuée en toute sécurité. Le concept est également utilisé dans l'approvisionnement en eau et la production alimentaire et est généralement compris comme une série d'étapes de traitement et d'autres mesures de sécurité visant à prévenir la propagation d'agents pathogènes.

Le degré de traitement requis pour les engrais à base d'excréments avant qu'ils puissent être utilisés en toute sécurité en agriculture dépend d'un certain nombre de facteurs. Cela dépend principalement des autres barrières qui seront mises en place selon le concept des barrières multiples. Ces obstacles pourraient être la sélection d’une culture appropriée, les méthodes d’exploitation, les méthodes d’application des engrais, l’éducation, etc[5].

Par exemple, dans le cas des toilette sèche à séparation d'urine (urine-diverting dry toilets - UDDT), le traitement secondaire des matières fécales séchées peut être effectué au niveau de la communauté plutôt qu'au niveau des ménages et peut inclure du compostage thermophile lorsque les matières fécales sont compostées la durée de 1,5 à 2 ans, le traitement chimique à l’ammoniac à partir de l’urine pour inactiver les agents pathogènes, l’assainissement solaire pour le séchage ultérieur ou le traitement thermique pour éliminer les agents pathogènes[6]^,[7].

Comparaison du champ d'épinards avec (à gauche) et sans compost (à droite), expériences à la ferme SOIL à Port-au-Prince, Haïti

Il existe une ressource en fertilisant inexploitée dans les excréments humains. En Afrique, par exemple, les quantités théoriques d'éléments nutritifs pouvant être récupérées à partir des excréments humains sont comparables à toutes les utilisations actuelles d'engrais sur le continent^:16 . La réutilisation peut donc soutenir une production alimentaire accrue et fournir une alternative aux engrais chimiques, qui sont souvent inabordables pour les petits exploitants.

Les engrais minéraux sont fabriqués à partir d'activités minières et peuvent contenir des métaux lourds. Les minerais phosphatés contiennent des métaux lourds tels que le cadmium et l'uranium, qui peuvent atteindre la chaîne alimentaire via des engrais phosphatés minéraux[8]. Cela ne s'applique pas aux engrais à base d'excréments, ce qui constitue un avantage.

Dans l'utilisation intensive des terres agricoles, le fumier animal n'est souvent pas utilisé comme engrais minéral, ce qui réduit l'efficacité de l'utilisation de l'azote. Le fumier animal peut devenir un problème en termes d'utilisation excessive dans les zones d'agriculture intensive avec un grand nombre d'animaux et de terres agricoles disponibles.

Les éléments fertilisants des engrais organiques sont principalement liés à des composés carbonés réduits. Si ceux-ci sont déjà partiellement oxydés comme dans le compost, les minéraux fertilisants sont adsorbés sur les produits de dégradation (acides humiques), etc. Ils présentent donc un effet de libération lente et sont généralement moins rapidement lessivés[9].

Dans le cas du phosphore en particulier, la réutilisation des excréments est une méthode connue pour récupérer le phosphore afin d'atténuer la pénurie imminente (également appelée «pic de phosphore») du phosphore minier économique. Le phosphore extrait est une ressource limitée qui est utilisée pour la production d’engrais à un rythme toujours croissant, ce qui menace la sécurité alimentaire mondiale. Par conséquent, le phosphore provenant d'engrais à base d'excréments est une alternative intéressante aux engrais contenant du minerai de phosphate extrait[10].

Application d'urine sur un champ près de Bonn, Allemagne, au moyen d'un tuyau flexible près du sol

Plantes de basilic: Les plantes de droite ne sont pas fécondées, tandis que les plantes de gauche sont fertilisées avec de l'urine - dans un sol pauvre en nutriments

Application de l'urine sur les aubergines au cours d'une étude complète sur le terrain de l'application d'urine à l'Université Xavier, aux Philippines

L'urine est principalement composée d'eau et d'urée. Il contient de grandes quantités d'azote (principalement sous forme d'urée), ainsi que des quantités raisonnables de potassium dissous[11] . Les concentrations de nutriments dans l'urine varient avec le régime alimentaire. En particulier, la teneur en azote dans l'urine est liée à la quantité de protéines dans l'alimentation. Un régime riche en protéines entraîne des taux d'urée élevés dans l'urine. L'urine contient généralement 70% de l'azote et plus de la moitié du potassium présent dans les eaux usées, ce qui représente moins de 1% du volume total.

L'engrais d'urine est généralement dilué avec de l'eau car l'urine non diluée peut brûler chimiquement les feuilles ou les racines de certaines plantes, en particulier si la teneur en eau du sol est faible. La dilution contribue également à réduire le développement des odeurs après application. L'application de l'urine comme engrais a été appelée "fermeture du cycle des flux de nutriments agricoles" (closing the cycle of agricultural nutrient flows) ou assainissement écologique ou ecosan.

Lorsqu'il est dilué avec de l'eau (avec un rapport de 1:5 pour les cultures annuelles cultivées en container avec un milieu de culture frais chaque saison ou un ratio de 1:8 pour un usage plus général), il peut être appliqué directement sur le sol comme engrais[12]^,[13]. L'effet fertilisant de l'urine s'est avéré comparable à celui des engrais azotés commerciaux[14]^,[15] . Les concentrations de métaux lourds tels que le plomb, le mercure et le cadmium, que l'on trouve couramment dans les boues d'épuration, qui sont également utilisées comme engrais, sont beaucoup plus faibles dans l'urine[16]. L'urine peut contenir des résidus pharmaceutiques (polluants pharmaceutiques persistants dans l'environnement)[17].

Les limites plus générales à l'utilisation de l'urine comme engrais dépendent alors principalement de la possibilité d'accumulation d'azote excédentaire (en raison du ratio élevé de cet macronutriment)[12], et des sels inorganiques tels que le chlorure de sodium, qui font également partie des déchets excrétés par le système rénal. Une fertilisation excessive avec de l'urine ou d'autres engrais azotés peut entraîner une absorption excessive d'ammoniac par les plantes, des conditions acides ou une autre phytotoxicité[18]. L'impact de ces facteurs sur l'efficacité dépend de la durée d'utilisation, de la tolérance à la salinité de la plante, de la composition du sol, de l'ajout d'autres composés fertilisants et de la quantité de pluie ou d'autres types d'irrigation[19].

L'urine humaine peut être collectée avec des systèmes d'assainissement qui utilisent des urinoirs ou des toilettes à déviation d'urine. Si l'urine doit être collectée pour être utilisée comme fertilisant dans l'agriculture, la méthode la plus simple consiste à utiliser des urinoirs sans eau, des toilette sèche à séparation d'urine (UDDT) ou des toilettes à détournement d'urine[3].

Les risques liés à l'utilisation de l'urine comme source naturelle d'engrais agricole sont généralement considérés comme négligeables ou acceptables. Il y a potentiellement davantage de problèmes environnementaux (tels que l'eutrophisation résultant de l'afflux d'effluents riches en éléments nutritifs dans les écosystèmes aquatiques ou marins) et une consommation d'énergie plus élevée lorsque l'urine est traitée comme une partie des eaux usées dans les usines de traitement des eaux usées que lorsqu'elle est utilisée directement comme ressource d'engrais[20]^,[21].

Dans les pays en développement, l'utilisation des eaux usées brutes ou des boues de vidange a été courante tout au long de l'histoire, mais l'application d'urine pure aux cultures est rare. De plus en plus l'urine est utilisée comme engrais[22].

Depuis environ 2011, la Fondation Bill-et-Melinda-Gates fournit des systèmes d'assainissement financés par la recherche qui récupèrent les nutriments dans l'urine[23].

• Dans le district de Tororo, dans l’est de l’Ouganda - une région confrontée à de graves problèmes de dégradation des terres - les petits exploitants agricoles ont apprécié la fertilisation de l’urine comme pratique peu coûteuse et à faible risque. Ils ont constaté que cela pourrait contribuer à des augmentations de rendement significatives. L'importance des normes sociales et des perceptions culturelles doit être reconnue mais ne constitue pas un obstacle absolu à l'adoption de la pratique[24].

La réutilisation des matières fécales séchées des toilette sèche à séparation d'urine (UDDT) après le traitement peut entraîner une augmentation de la production agricole grâce aux effets fertilisants de l'azote, du phosphore, du potassium et à une meilleure fertilité du sol grâce au carbone organique.

Chou cabus cultivé dans un compost à base d'excréments (à gauche) et sans amendements de sol (à droite), SOIL en Haïti

Le compost dérivé des toilettes à compostage (où les déchets de cuisine biologiques sont parfois ajoutés aux toilettes à compostage) a principalement les mêmes utilisations que le compost dérivé d’autres déchets organiques, tels que les boues d’épuration ou les déchets organiques municipaux. Un facteur limitant peut être des restrictions légales en raison de la possibilité que des agents pathogènes restent dans le compost. En tout état de cause, l'utilisation du compost des toilettes à compostage dans son propre jardin peut être considérée comme sûre et constitue la principale méthode d'utilisation du compost à partir des toilettes à compostage. Les mesures d'hygiène pour la manipulation du compost doivent être appliquées par toutes les personnes qui y sont exposées, par ex. porter des gants et des bottes.

Une partie de l'urine fera partie du compost, même si une partie de l'urine sera perdue par le lixiviat et l'évaporation. L'urine peut contenir jusqu'à 90% de l'azote, jusqu'à 50% du phosphore et jusqu'à 70% du Potassium présent dans les excréments humains[25].

Les nutriments contenus dans le compost provenant de toilettes à compostage ont une plus grande disponibilité des plantes que le produit (matières fécales séchées) provenant de toilettes sèches détournant l'urine[26].

Les boues de vidange (aussi appelées boues de vidange) sont définies comme "provenant des technologies d’assainissement sur place, et qui n’ont pas été transportées dans un égout". Parmi les exemples de technologies sur site, citons les latrines à fosse, les blocs sanitaires sans égout, les fosses septiques et les toilettes sèches. Les boues de vidange peuvent être traitées par diverses méthodes afin de pouvoir être réutilisées en agriculture. Celles-ci comprennent (généralement combinées): déshydratation, épaississement, séchage (dans les lits de séchage des boues), compostage, granulation, digestion anaérobie.

L'eau récupérée peut être réutilisée pour l'irrigation, les utilisations industrielles, le réapprovisionnement des cours d'eau naturels, des plans d'eau et des aquifères et autres utilisations de l'eau potable et non potable. Ces applications se concentrent toutefois généralement sur l'aspect de l'eau, et non sur l'aspect de la réutilisation des nutriments et de la matière organique, qui est au centre de la "réutilisation des excréments".

Lorsque les eaux usées sont réutilisées en agriculture, leur teneur en éléments nutritifs (azote et phosphore) peut être utile pour une application supplémentaire d'engrais. Les travaux de l’Institut international de gestion de l'eau et d’autres organisations ont abouti à des directives sur la manière dont la réutilisation des eaux usées municipales en agriculture pour l’irrigation et l’application d’engrais peut être mise en œuvre en toute sécurité dans les pays à faible revenu[27]

L'utilisation de boues d'épuration traitées (après traitement également appelées "biosolides") en tant que amendement oud'engrais est possible mais est un sujet controversé dans certains pays (tels que les États-Unis, et certains pays d'Europe) en raison des polluants chimiques qu'elle peut contenir. tels que métaux lourds et polluants environnementaux pharmaceutiques persistants.

Northumbrian Water, au Royaume-Uni, utilise deux usines de biogaz pour produire ce que la société appelle une "oo power" - en utilisant des boues d'épuration pour produire de l'énergie afin de générer des revenus. La production de biogaz a réduit ses dépenses d’électricité d’avant 1996 de 20 millions de livres sterling soit environ 20%. Severn Trent et Wessex Water ont également des projets similaires[28].

Les liquides de traitement des boues (après digestion anaérobie) peuvent être utilisés comme source d’entrée pour un procédé de récupération du phosphore sous forme de struvite à utiliser comme engrais. Par exemple, la société canadienne Ostara Nutrient Recovery Technologies commercialise un procédé basé sur la précipitation chimique contrôlée du phosphore dans un réacteur à lit fluidisé qui récupère la struvite sous forme de pastilles cristallines provenant des flux de déshydratation des boues. Le produit cristallin résultant est vendu aux secteurs de l’agriculture, du turf et des plantes ornementales en tant qu’engrais sous la marque déposée "Crystal Green"[29].

Les excréments d'animaux (fumier) sont utilisés depuis des siècles comme engrais pour l'agriculture, car ils améliorent la structure du sol (agrégation), de sorte qu'il contient plus de nutriments et d'eau et devient plus fertile. Le fumier favorise également l'activité microbienne du sol, ce qui favorise l'approvisionnement en oligo-éléments du sol et améliore la nutrition des plantes. Il contient également de l'azote et d'autres nutriments qui favorisent la croissance des plantes.

Les engrais ayant une odeur particulièrement désagréable (comme le lisier de l'élevage porcin intensif) sont généralement injectés directement dans le sol pour réduire la libération de l'odeur. Le fumier des porcs et des bovins est généralement répandu dans les champs à l'aide d'un épandeur de fumier. En raison de la teneur relativement plus faible en protéines dans la matière végétale, le fumier herbivore a une odeur plus douce que les excréments des carnivores ou des omnivores[30]. Cependant, le lisier herbivore qui a subi une fermentation anaérobie peut développer plus d'odeurs désagréables, ce qui peut poser problème dans certaines régions agricoles. Les excréments de volaille sont nocifs pour les plantes lorsqu'elles sont fraîches mais, après une période de compostage, elles constituent des engrais précieux.

Le fumier est également composté commercialement et mis en sac et vendu au détail comme amendement du sol[31].

L'exposition des ouvriers agricoles à des excréments non traités constitue un risque important pour la santé en raison de sa teneur en agents pathogènes. Ce risque s'étend également aux consommateurs de cultures fertilisées avec des excréments non traités. Par conséquent, les excréments doivent être traités de manière appropriée avant d'être réutilisés, et les aspects sanitaires doivent être gérés pour toutes les applications de réutilisation, car les excréments peuvent contenir des agents infectieux même après traitement.

Le traitement des excréments et des eaux usées pour l'élimination des agents pathogènes peut avoir lieu:

• à la toilette elle-même (par exemple, l'urine collectée à partir de toilettes sèches détournant l'urine est souvent traitée par un simple stockage au niveau du ménage); ou
• à un niveau semi-centralisé, par exemple par compostage; ou
• à un niveau entièrement centralisé dans les usines de traitement des eaux usées et les usines de traitement des boues d'épuration.

En tant qu'organisme indicateur dans les systèmes de réutilisation, les œufs d'helminthes sont couramment utilisés car ces organismes sont les plus difficiles à détruire dans la plupart des processus de traitement. L'approche à barrières multiples est recommandée, par ex. des niveaux de traitement plus faibles peuvent être acceptables lorsqu'ils sont combinés avec d'autres obstacles post-traitement le long de la chaîne d'assainissemen[3].

Les excréments des êtres humains et des animaux d'élevage contiennent des hormones et des résidus pharmaceutiques qui pourraient théoriquement entrer dans la chaîne alimentaire via les cultures fertilisées. Ils ne sont toutefois pas actuellement totalement éliminés par les stations d'épuration classiques et peuvent pénétrer dans les source d'eau potable via dans les eaux usées domestiques[32]. En fait, les résidus pharmaceutiques dans les excréments sont mieux dégradés dans les systèmes terrestres (sol) que dans les systèmes aquatiques.

Seule une fraction des engrais à base d'azote est convertie en produit et en d'autres matières végétales. Le reste s'accumule dans le sol ou se perd dans le ruissellement[33]. Cela s'applique également à l'engrais à base d'excréments, car il contiennent également de l'azote. L'azote excessif qui n'est pas absorbé par les plantes se transforme en nitrate facilement lessivé[34] .Des taux d'application élevés, associés à la grande solubilité du nitrate dans l'eau, entraînent une augmentation du ruissellement dans les eaux de surface ainsi qu'une lixiviation dans les eaux souterraines[35]^,[36]^,[37]. Des niveaux de nitrate supérieurs à 10 mg/L (10 ppm) dans les eaux souterraines peuvent provoquer le «syndrome du bébé bleu» (méthémoglobinémie acquise)[38]. Les nutriments, en particulier les nitrates, contenus dans les engrais peuvent causer des problèmes aux habitats naturels et à la santé humaine s'ils sont lavés du sol dans les cours d'eau ou lessivés dans les eaux souterraines.

Les bouses séchées sont utilisés comme combustible dans de nombreux pays du monde.

Des recherches pilote en Ouganda et au Sénégal ont montré qu'il est viable d'utiliser des matières fécales sèches pour la combustion dans l'industrie, à condition qu'elles aient été séchées à un minimum de 28% de solides secs[40].

Les boues d'épuration séchées peuvent être brûlées dans les usines d'incinération des boues et générer chaleur et électricité (le procédé de valorisation énergétique des déchets en est un exemple).

L'urine a également été étudiée comme source potentielle d'hydrogène[41]^,[42]^,[43]. L'urine a plus de molécules d'hydrogène que l'eau et est moins étroitement liée aux autres molécules. Lorsque le courant électrique lui est appliqué, plus d’hydrogène est produit avec moins d’énergie[44].

De petites usines de biogaz sont utilisées dans de nombreux pays, dont le Ghana et le Viêt Nam[45] et beaucoup d'autres[46]. Des systèmes centralisés de plus grande taille sont en cours de préparation, associant excréments animaux et humains pour produire du biogaz. Le biogaz est également produit dans les grands digesteurs anaérobies des stations d'épuration centralisées qui traitent les eaux usées et les boues d'épuration. Le biogaz produit peut être utilisé pour chauffer les digesteurs et pour générer de l'électricité[47]^,[48]^,[49].

Des installations pilotes sont en cours d’élaboration pour nourrir les larves de Hermetia illucens avec des excréments. Les mouches matures seraient alors une source de protéines à inclure dans la production d'aliments pour les poulets en Afrique du Sud.

On sait que l'addition de matières fécales jusqu'à 20% en poids sec dans des briques d'argile ne constitue pas une différence fonctionnelle significative pour les briques.

Une installation japonaise de traitement des eaux usées extrait des métaux précieux des boues d'épuration. Cette idée a également été testée par l'Institut d'études géologiques des États-Unis (USGS), qui a constaté que les boues d'épuration générées par 1 million de personnes contenaient 13 millions de dollars de métaux précieux[50]^,[51].

L'ONG SOIL (Sustainable Organic Integrated Livelihoods) en Haïti a commencé en 2006 à construire des toilettes sèches à séparation d'urine et à composter les déchets produits à des fins agricoles[52]. Les deux installations de traitement des déchets de compostage de SOIL transforment actuellement plus de 20 000 gallons (75 708 litres) d’excréments humains en compost organique de qualité agricole chaque mois[53]. Le compost produit dans ces installations est vendu aux agriculteurs, aux organisations, aux entreprises et aux institutions du pays pour aider à financer les opérations de traitement des déchets du SOIL[54]. Les cultures cultivées avec cet amendement comprennent épinards, poivrons, le sorgho, maïs, etc. Chaque lot de compost produit est soumis à un test de dépistage de l’organisme indicateur E. coli afin d’assurer la destruction complète de l’agent pathogène au cours du processus de compostage thermophile[55].

Il y a encore un manque d'exemples de politique mise en œuvre où l'aspect de la réutilisation est pleinement intégré dans la politique et le discours. Lors de l'examen des facteurs de changement de politique à cet égard, les enseignements suivants doivent être pris en compte: La révision de la législation ne conduit pas nécessairement à des systèmes de réutilisation fonctionnels; il est important de décrire le "paysage institutionnel" et d'impliquer tous les acteurs; des processus parallèles devraient être lancés à tous les niveaux de gouvernement, à savoir au niveau national, régional et local); des stratégies et des approches spécifiques aux pays sont nécessaires; et des stratégies à l'appui des nouvelles politiques doivent être développées.

Les réglementations relatives à la réutilisation des excréments peuvent entraver l'exportation et l'importation de produits agricoles[56].

L'Union européenne (UE) autorise uniquement l'utilisation d'urine séparée à la source dans l'agriculture conventionnelle au sein de l'UE, mais pas encore dans l'agriculture biologique. C’est une situation que de nombreux experts agricoles, en particulier en Suède[57], souhaiteraient voir changer. Cette interdiction pourrait également réduire les possibilités d'utilisation de l'urine comme engrais dans d'autres pays, lorsqu''ils souhaitent exporter leurs produits agricoles vers l'UE.

Aux États-Unis, la réglementation de l'EPA régit la gestion des boues d'épuration, mais n'a pas compétence sur les sous-produits des toilette sèche à séparation d'urine (urine-diversion dry toilet - UDDT). La surveillance de ces matériaux incombe aux États[58]^,[59].