Plateforme pour l’eau, le gaz et la chaleur
La coopérative d’habitation Équilibre a été fondée en 2005 dans le canton de Genève. Elle a pour but de réaliser des logements d’utilité publique. De fortes valeurs de solidarité et de respect de l’environnement animent la coopérative. Son nom vient d’ailleurs de l’article 73 de la Constitution Fédérale, qui dit: «La Confédération et les cantons œuvrent à l’établissement d’un équilibre durable entre la nature, en particulier sa capacité de renouvellement, et son utilisation par l’être humain.» Ainsi, dès la construction de son premier immeuble (13 logements), en 2011, elle a cherché à réduire l’empreinte écologique de ses constructions. Par exemple, l’immeuble est en bois et respecte strictement la norme Minergie P-ECO, les habitants ne possèdent pas de voiture individuelle, le toit est couvert de panneaux solaires et tous les appartements sont équipés de toilettes sèches. Les immeubles suivants ont été réalisés dans le même esprit. La coopérative possède actuellement 116 logements, et plus d’une centaine sont en planification.
Dans ses recherches pour installer des systèmes de traitement décentralisés, Équilibre a exploré les techniques disponibles en s’intéressant en particulier aux expériences acquises sur le terrain au Danemark et en Suède, ou en laboratoire à l’Eawag. Les solutions proposées ont semblé trop exigeantes sur le plan de la technique et de l’entretien. Une rencontre fortuite avec le travail de recherche et développement réalisé depuis le début des années 2000 par Philippe Morier-Genoud a donné lieu à une fructueuse collaboration. Des solutions technologiques simples basées sur les systèmes biologiques naturels (lombricompostage et filtres organiques et minéraux) ont été repris pour les projets de la coopérative. Ces systèmes avaient été réalisés à l’échelle de l’habitation individuelle ou de l’exploitation agricole de taille moyenne, avec ici l’enjeu du changement d’échelle et de l’intégration en milieu urbain.
À l’origine de leurs réflexions communes figurent notamment les principes suivants:
L’eau potable est une ressource à protéger. La coopérative cherche donc à mettre en place des technologies se passant d’eau potable pour le transport des excréments vers le lieu de traitement, afin d’économiser l’eau potable, de l’énergie (pompes de relevage du réseau public) et de protéger les milieux récepteurs.
Avant l’invention de l’azote minéral de synthèse et l’importation du phosphore, les excréments étaient transportés de la ville à la campagne et les minéraux retournaient à la ville sous forme de nourriture (voir description du transport des excréments en ville de Paris dans [1]). En Suisse, ce cycle a été brisé lors de l’interdiction de l’épandage des boues d’épuration pour des raisons sanitaires. En compensation, des engrais azotés sont synthétisés à partir de l’azote de l’air, et le phosphore est extrait de mines, dont les réserves sont épuisables. De plus, le phosphore minier est chargé en métaux lourds qui polluent les sols.
Produire de l’engrais à partir des excréments et refermer le cycle des nutriments est ainsi à la base des réflexions de la coopérative. Consciente de cette problématique, la Suisse a récemment intégré la récupération du phosphore à sa base légale (Ordonnance sur les déchets, OLED articles 15 et 51).
Dans le sol, la matière organique est décomposée par des organismes, libérant du gaz carbonique et de l’eau. L’oxygénation est un facteur très important des systèmes de décomposition. La plupart des polluants, y compris les micropolluants organiques, sont mieux dégradés dans des milieux aérés comme le sol que dans l’eau. Les systèmes mis en place par la coopérative s’inspirent de la nature et reproduisent l’écosystème du sol.
Historiquement, la grande partie des substances à traiter, issues de notre métabolisme ou des eaux de lavage, étaient de nature organique. De nos jours, la composition des eaux usées s’est complexifiée (médicaments, pesticides, eaux usées industrielles, etc.), ce qui rend leur traitement plus difficile. La coopérative cherche à séparer les flux le plus en amont possible et à les valoriser séparément.
Les solutions d’assainissement décentralisé sont souvent plus flexibles, meilleur marché et moins gourmandes en infrastructures [2]. Les systèmes développés par la coopérative reposent sur des technologies simples, économes en ressource et permettant de réaliser d’importantes économies d’énergie. La coopérative réalise ainsi des projets pilotes qui permettront de développer des systèmes d’assainissement adaptés aux enjeux environnementaux et d’urbanisation, ici et ailleurs.
Selon les contextes, des technologies différentes ont été installées, mais toutes sont liées au compostage. Le compost est un produit issu de la dégradation de la matière organique en milieu aéré, avec l’aide de microorganismes, de champignons et d’invertébrés. Le compostage mésophile (à température ambiante) avec des vers de terre lombriciens est communément appelé «lombricompostage» (fig. 1). Les vers de terre (Eisenia fetida, Dendrobena veneta et de petits lombriciens blancs du groupe des Enchitréidés) ont une action mécanique de broyage et d’aération du milieu dans lequel ils creusent leurs galeries. Le compost est leur habitat, et leurs excréments servent de nourriture à d’autres organismes avant de devenir de nouveau comestibles pour eux. Le nombre de passages successifs de la matière dans le tube digestif des vers est estimé à 5 par Marcel Bouché. La flore bactérienne est complètement changée durant ces transits, et les organismes infectieux disparaissent progressivement. À maturité, les produits de ce processus sont aussi dégradés que ceux du compostage thermophile [3]. Le temps nécessaire à la disparition de tout organisme nuisible pour l’homme reste à mesurer.
Le premier immeuble de la coopérative compte 13 logements. Tous les appartements sont équipés de toilettes sèches «traditionnelles», dans lesquelles urine et matières fécales sont mélangées. Chaque cuvette est reliée par un tuyau vertical de 30 cm de diamètre à un composteur d’un volume utile d’environ 1 m3 (soit env. 300 l/EH), situé à la cave (fig. 2).
Dans les composteurs, des milliers de lombrics, aidés par une micro- et une macro-faune, décomposent les matières fécales, le papier, les copeaux de bois et l’urine. L’expérience montre que les particules de bois sont utiles pour favoriser la nitrification et réduire les odeurs. Cela peut s’expliquer par la structure alvéolaire du bois, bon support bactérien, et/ou par son activité enzymatique. Certaines essences de bois, comme l’épicéa, produisent de meilleurs résultats.
Les quantités de matières solides sont réduites approximativement d’un facteur 20. Chaque famille vidange son composteur une à deux fois par an (environ 150 litres de compost extrait pour une famille de quatre personnes). Ce compost termine sa maturation à l’extérieur, avant d’être utilisé directement dans le jardin pour les plantes ornementales. Un système de récupération et de stabilisation de l’excédent de liquide des composteurs, riche en nutriments, a été mis en place par un étudiant de l’EPFL au printemps et est en phase de test. Les eaux grises sont traitées à l’extérieur par un filtre de phytoépuration.
Le système installé à Cressy est difficilement applicable à un immeuble de six niveaux comme celui de Soubeyran en raison de la grande perte d’espace occasionnée par les tuyaux verticaux reliant les cuvettes aux composteurs. Dans ce second immeuble, des chasses d’eau à faible volume sont utilisées pour acheminer les matières vers un système de compostage semi-centralisé, situé dans le jardin. L’eau traitée est stockée dans une citerne puis est recyclée vers les chasses d’eau ou pour l’arrosage (fig. 3). Ce système se base sur des expériences similaires de Philippe Morier-Genoud pour des installations plus petites, de l’ordre de 10 EH.
Le composteur traite l’ensemble des eaux usées (noires et grises) des 38 logements et des commerces du rez-de-chaussée (environ 120 EH). Par sécurité, seul un coiffeur (produits chimiques) et une micro-brasserie (forte charge carbonée) ne sont pas raccordés. Egalement par précaution, les eaux grises ont été dirigées vers des composteurs distincts, car elles contiennent les produits les moins digestes pour les décomposeurs, comme les lessives et savons. La surface totale nécessaire estimée est de 0,25 m2/EH, mais elle a été doublée par sécurité (fig. 4 et 5).
Les matières fécales et l’urine sont mélangées et broyées, avant d’être réparties sur un lit de compost, qui retient les matières solides comme une passoire. Ce filtre est habité par des lombriciens, qui entretiennent sa perméabilité en décomposant la matière fraîche accumulée en surface. De la paille est ajoutée régulièrement, afin de fournir un apport carboné aux vers et de leur offrir un habitat protégé, en plus de neutraliser les éventuelles odeurs. Les eaux usées percolent à travers ce filtre de compost, puis à travers un filtre organique de sciure et plaquettes de bois où les particules en suspension et matières en solution sont décomposées par la microfaune, avant de traverser deux filtres minéraux qui terminent le traitement (lit bactérien). Les eaux sont relevées entre les deux filtres minéraux, ce qui permet l’oxygénation nécessaire à la nitrification.
Aucune vidange n’est nécessaire, car les vers minéralisent la totalité des matières solides en dioxyde de carbone et en vapeur d’eau. Ce système ne provoque donc pas de déchets. Il est prévu de rajouter de la sciure et des plaquettes entre la 5ème et la 10ème année, ou les remplacer par du charbon. L’entretien et le contrôle du filtre sont assumés par une commission d’habitants, nommée avec humour «La Grosse Commission». À ce jour, on estime qu’environ 15 tonnes de matières sèches (urines et fèces, sans les eaux grises) auront été minéralisées par les vers durant les trois premières années d’exploitation. La partie minérale résiduelle part en solution dans l’eau qui percole.
L’eau traitée est analysée régulièrement et l’installation a servi de terrain de recherche pour un travail de master de l’université de Genève [4]. Ce travail ainsi que les mesures faites régulièrement par un laboratoire genevois, montrent que la station de Soubeyran respecte la plupart des conditions de rejet pour les petites STEP (fig. 6; [5]). Les matières en suspension (MES) et le carbone organique dissous (COD) sont plus élevés que la norme. Cela s’explique par la présence de tannins libérés par les plaquettes de bois, ainsi que par la méthode d’échantillonnage. L’eau est d’ailleurs légèrement colorée pour cette raison.
Certains micropolluants ont également été mesurés. Ne disposant pas de mesures en entrée, ces mesures ont été comparées à la composition des eaux usées genevoises. Elles sont inférieures à ces concentrations et certains produits comme la caféine, le cyclamate et la gabapentine montrent des concentrations sensiblement inférieures, ce qui va dans le sens d’un abattement par le système. Des mesures en entrées seront nécessaires pour étudier précisément l’abattement des micropolluants organiques.
Par ailleurs, les mesures récentes n’ont pas décelé la présence d'indicateurs fécaux (E. coli et Entérocoques) dans l’eau recirculée. D’avantage de données seraient nécessaire pour évaluer la qualité sanitaire de l’eau recirculée. Par ailleurs, il n’existe pas de norme suisse pour la réutilisation d’eau traitée.
Dans l’éco-quartier des Vergers à Meyrin, la coopérative Équilibre a construit 65 logements répartis dans 3 immeubles de sept niveaux. La coopérative a décidé d’étudier de nouveaux systèmes qui pourront ensuite être adaptés à n’importe quel bâtiment neuf ou ancien, en ville ou à la campagne, ainsi que d’expérimenter la valorisation agricole des engrais produits. Les urines contenant la plus grande part de nutriments dans les déjections [6], elles sont séparées à la source. Fèces et urines sont donc traitées séparément.
Les matières fécales sont transformées en compost par des lombrics dans un système de carrousel (Cacarrousel) situé directement sous la cuvette, qui compte 5 bidons perforés de 10 l (fig. 7 et 8). En l’absence d’urine, les fèces peuvent être colonisées immédiatement par des vers de terre (pH inférieur, environ 7,5), et sont compostées sans dégagement d’odeurs. Deux mois sont nécessaires pour que le compost soit homogène. Le volume des matières diminue rapidement (60 à 80%) grâce au lombricompostage. Ainsi, après un tour complet du carrousel (4 à 16 semaines, selon les familles), le bidon arrivant sous la cuvette contient un fond de compost mûr, et peut à nouveau être rempli. Si le nombre d’utilisateurs est trop grand et que le volume n’a pas suffisamment diminué, le compost peut être transféré dans un composteur centralisé, où il termine sa maturation. Le but est donc d’activer la décomposition, et ainsi réduire le volume de compost par EH. Il s’agit en quelques sortes d’améliorer le rendement d’un élevage de lombriciens sur fèces humaines. L’état actuel des connaissances montre que 50 l/EH est un volume de compostage optimal, ce qui est déjà sensiblement mieux que dans un système traditionnel de toilettes sèches (Cressy: 300 l/EH), dans lequel urine et fèces sont mélangées.
Actuellement, 4 foyers testent avec succès le Cacarrousel, et quelques autres sont en construction dans d’autres coopératives.
Un projet pilote de collecte et de traitement des urines est en cours pour 9 appartements. La collecte se fait dans des toilettes séparatives et l’urine sera conduite séparément sur des filtres verticaux composés de charbon actif, sans usage de chasse d’eau. L’urine est nitrifiée dans ces filtres – elle est donc stabilisée et transformée en engrais, qui sera stocké dans une cuve d’environ 1 m3. Les filtres se situeront dans un abri construit sous un balcon, au niveau du rez-de-chaussée. Le local est ventilé avec de l’air du parking souterrain, qui assurera une température suffisante pour la nitrification durant toute l’année.
Ce système de filtres a été développé et testé par Philippe Morier-Genoud. Des essais ont été faits sur des matériaux organiques et sur des matériaux minéraux. Le charbon s’est révélé particulièrement intéressant, assurant dans les conditions d’oxygénation et de température adaptées, une bonne dégradation de l’urée en nitrate. Les conditions favorables à la nitrification le sont également pour la dégradation de nombreuses autres molécules organiques, dont en particulier les micropolluants organiques. Le charbon est un bon support bactérien grâce à sa structure extrêmement déployée. Les particules et les solutés organiques piégés par le charbon sont digérés par la flore bactérienne, ainsi la capacité filtrante s’auto-entretient. 80 l de charbon/EH sont prévus. Ce système est encore en cours de développement – un travail de master est actuellement proposé en collaboration avec l’Eawag – et il sera mis en service et suivi dès le printemps 2020. Les pertes en azote devront notamment être quantifiées. Par ailleurs, la composition de l’engrais produit sera testée et des essais agricoles seront conduits. L’objectif à terme est l’homologation de cet engrais.
Ces systèmes sont des projets pilotes, pour lesquels des investissements importants de R&D ont été réalisés. Les prix indiqués dans le tableau ci-dessous comprennent ces coûts, ainsi que les honoraires des architectes et ingénieurs.
Les systèmes de Cressy et Soubeyran sont les plus avantageux. Le système des Vergers est plus onéreux, car il nécessite l’installation de deux systèmes distincts pour les urines et pour les fèces.
Grâce à des économies d’échelles, les coûts pourraient diminuer significativement. Les projets ont bénéficié par ailleurs d’une économie au niveau des taxes de raccordement et d’épuration (non comptabilisé dans le tableau 1).
Un prix annuel moyen peut être estimé en tenant compte d’un amortissement des coûts de construction sur 30 ans et considérant les frais d’entretien annuels. Le coût annuel des systèmes de Cressy et Soubeyran est d’un peu plus de
200 CHF/(EH*an), dans le même ordre de grandeur que le coût moyen de l’assainissement en Suisse (réseau et STEP, mais sans traitement des micropolluants) estimé à 200 CHF/(EH*an) par le VSA [7]. Le double système des Vergers est plus onéreux, avec un prix total d’environ 350 CHF/(EH*an).
La coopérative Équilibre a ouvert la voie à l’assainissement décentralisé en milieu urbain, avec des projets innovants et uniques en leur genre. Il ne s’agit encore que de premières expériences, le potentiel d’exploration et d’amélioration est immense. Les principaux enjeux à venir pour la coopérative, et plus largement dans le domaine sont les suivants:
En Suisse, les excréments et les engrais produits par leur compostage ne sont traités dans aucune base légale. Souvent, les autorités les assimilent à des eaux usées ou des boues d’épuration, même s’ils n’ont pas été mélangés à de l’eau. Cela complique leur réutilisation dans l’agriculture.
Par ailleurs, la loi oblige le raccordement au réseau de canalisation en zone urbaine, ce qui freine le développement de tels projets pilotes. Les projets présentés ici ont pu voir le jour grâce à une bonne collaboration avec les autorités genevoises. Une révision de la base légale et une prise de position des associations professionnelles favoriseraient l’émergence de nouveaux projets.
La mise en place de tels systèmes est intrinsèquement liée à la psychologie des utilisateurs et à leur rapport aux excréments, sujet souvent tabou. Ces expériences permettent de sensibiliser les utilisateurs et les visiteurs à l’assainissement. La dynamique de groupe créée fait naître chez les habitants une certaine fierté de participer à un projet pilote, et aide les plus réticents à s’approprier le projet. Dans le futur, la coopérative vise à développer des systèmes permettant de satisfaire les sensibilités de chacun. Ainsi, elle espère que ses expériences seront facilement reproductibles par tout maître d’ouvrage.
Ces projets ont été développés avec de faibles moyens. Ils sont intégrés dans des projets à loyers abordables, contrôlés par l’État de Genève. Pour le suivi des systèmes en place, les mesures et le développement de nouveaux systèmes, la coopérative est dépendante de collaborations avec les universités, instituts de recherche ou collectivités publiques. De nombreux sujets méritent un approfondissement, comme par exemple la dégradation des micropolluants ou la nitrification de l’urine sur charbon actif. La création d’un réseau regroupant les acteurs actifs dans le domaine de l’assainissement décentralisé favoriserait les échanges et permettrait une mutualisation des moyens de recherche.
[1] Esculier, F. (2018): Le Système alimentation/excrétion des territoires urbains: régimes et transition socio-écologiques. Thèse de doctorat, Université de Paris-Est
[2] Larsen, T.A.; Udert, K.M.; Lienert, J. (2013): Source Separation and Decentralization for Wastewater Management. IWA Publishing, London, UK
[3] Boucher, M.B. (2014): Des vers de terre et des hommes – Découvrir nos écosystèmes fonctionnant à l’énergie solaire. Actes Sud Nature
[4] Coppens, K. (2018): Wastewater filtration using vermicomposting – an analysis of a pilot study in Geneva. Master thesis, University of Geneva
[5] VSA (2017): Mémento «Eaux usées en milieu rural»
[6] Eawag (2019): Fiche info «Collecte sélective des urines»
[7] VSA/KI (2011): Coûts et prestations de l’assainissement
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