Évaluation et développement de systèmes d'assainissement séparatif des eaux noires à l'aide de l'analyse environnementale du cycle de vie et l'analyse du coût sur le cycle de vie

摘要

Dans l'optique d'abaisser la charge environnementale des systèmes d'assainissement municipaux, tout en conservant un coût comparable, le système d'assainissement séparatif des eaux noires (SÉP-EN), c'est-à-dire un système basé sur la séparation à la source des eaux noires (eaux de toilette) et des eaux grises (évier, équipement de lavage, etc.), est généralement présenté comme une alternative viable au système d'assainissement conventionnel (CONV). Cependant, les études existantes ne permettent pas de conclure formellement sur la supériorité environnementale et économique d’un système par rapport à l’autre.ududL’objectif général de la présente thèse consiste à déterminer si SÉP-EN offre des performances économique et environnementale inférieures, comparables ou supérieures à celles de CONV. Les méthodes de l’analyse environnementale du cycle de vie (AECV) et l'analyse du coût sur le cycle de vie (ACCV) sont utilisées. L’unité fonctionnelle de l'étude est : « la collecte et le traitement des eaux usées et des résidus alimentaires, ainsi que le recyclage des sous-produits (digestat/boues et biogaz) pour un résident pendant une année ». Les systèmes comparés sont implantés dans une nouvelle ville située au Québec (Canada) comptant 50 000 habitants, sauf dans la première phase des travaux de recherche (article 1) où des échelles d'implantation de 500 et 5000 habitants ont également été considérées afin d’étudier l'effet de la décentralisation sur la performance économique de SÉP-EN-0 (scénario initial). Les données d'inventaire environnemental et économique d'avant-plan ont été collectés à partir de la littérature scientifique, du logiciel MATTEUS v.5.11 (IREQ, 2008) et de données provenant de fournisseurs et de firmes de génie-conseil. L'inventaire environnemental d'arrière-plan repose sur la base de données ecoinvent v.2.2 (ecoinvent Center, 2007). L'évaluation des impacts environnementaux a été réalisée avec la méthode IMPACT 2002+ v.2.15 (Humbert et al., 2012; Jolliet et al., 2003) et les résultats sont présentés au niveau dommage (c.-à-d. Santé humaine, Qualité des écosystèmes, Changements climatiques et Ressources). L'évaluation économique a été réalisée avec un taux d'intérêt nominal de 4 % et le résultat a été exprimé en coût annuel équivalent spécifique (par personne) sur la base du dollar étasunien pour l'année 2010.ududLes résultats de l'ACCV indiquent que SÉP-EN-0 implique un coût 118 %, 56 % et 33 % plus élevé que celui de CONV, lorsque SÉP-EN-0 est implanté à une échelle de 500, 5000 et 50 000 personnes, respectivement (article 1). En ce qui concerne les résultats de l'AECV dont l'échelle d'implantation considérée est de 50 000 personnes, SÉP-EN-0 obtient des scores d'impacts (impacts environnementaux potentiels) de 100 %, 89 %, 24 % et 25 % plus élevés que CONV pour les catégories d'impacts de dommage Santé humaine, Qualité des écosystèmes, Changements climatiques et Ressources, respectivement (article 2). Toutefois, les conclusions peuvent être modifiées si d'autres hypothèses sont utilisées: 1) si les impacts des émissions de métaux des flux de référence sont désormais considérés, SÉP-EN-0 obtient des scores d'impacts inférieurs à ceux de CONV pour la Santé humaine et la Qualité des écosystèmes et 2) si un mélange de production énergétique nord-américain et une distance de transport des fertilisants organiques de 20 km sont choisis, SÉP-EN-0 obtient des scores d'impacts comparables à ceux de CONV pour les Changements climatiques et les Ressources.ududAinsi, dans les conditions définies initialement, les performances environnementale et économique inférieures (scores d'impacts plus élevés) de SÉP-EN-0 par rapport à CONV, principalement causée par l'épandage du digestat générant des émissions d'ammoniac et la gestion du digestat (transport, stockage et épandage), peuvent être améliorées à l'aide de modifications ciblées de processus clés ou encore par un changement du mode de valorisation du digestat (article 3). Parmi les six scénarios de développement unitaires retenus, celui qui inclut une réduction d'eau de la toilette à vacuum de 1 L à 0,5 L par chasse parvient à obtenir des performances significativement supérieures à celles de CONV pour les indicateurs Changements climatiques et Ressources, mais une performance inférieure pour l'indicateur Santé humaine, tout en ayant un coût comparable. Le scénario visant le traitement du digestat par osmose inverse et acidification établit des performances comparables à celles CONV pour l'ensemble des indicateurs environnementaux, ainsi qu'en termes de coût. Pour le scénario incorporant un traitement du digestat par précipitation du phosphore (struvite) et nitritation/anammox, des performances comparables à celles CONV sont obtenues pour tous les indicateurs, à l'exception de l'indicateur Changements climatiques où ce scénario parvient à une performance significativement plus faible que celle de CONV lorsque le contexte énergétique du Québec est retenu. Sur les quatre multiscénarios (combinaison de scénarios unitaires) élaborés, deux obtiennent des performances supérieures à celles de CONV relativement aux indicateurs Changements climatiques, Ressources et Santé humaine, tout en conservant un coût comparable.ududBien que cette thèse ait contribué à faire avancer les connaissances relatives aux performances environnementale et économique de SÉP-EN, des limites liées à la qualité des données d’inventaire et à la méthode d’évaluation des impacts ont été identifiées. En plus de proposer des pistes pour y remédier, la thèse a présenté des perspectives de recherche, telles que l'analyse des facteurs déterminant la performance de SÉP-EN, ainsi que l'évaluation intégrée des performances environnementale et économique au moyen du concept d'écoefficacité. À partir de ce concept, une approche d'évaluation comparative alternative fondée sur les scores impacts-coût optimisés a été proposée. Cette approche permettrait de comparer les systèmes à partir de leur score minimal, lequel serait déterminé en fonction de leur technologie de traitement, afin d'abaisser globalement les impacts environnementaux et le coût sur le cycle de vie des systèmes comparés. Au final, les concepteurs et les décideurs du milieu de l’assainissement sont mieux informés de l’état des performances environnementale et économique de SÉP-EN-0 par rapport à CONV, ainsi que sur les priorités d'action visant à améliorer leurs performances.