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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

Thibodeau, Charles (2014). 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. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

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.

L’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.

Les 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.

Ainsi, 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.

Bien 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.

Titre traduit

Assessment and development of black water source-separation sanitation systems using life cycle assessment and life cycle costing

Résumé traduit

In the framework of lowering the environmental impact of municipal sanitation systems, while keeping costs comparable to existing levels, the black water source-separation system (SÉP-EN), which consists of the separation of black water (toilet water) from grey water (bathroom, kitchen and laundry water) in wastewater collection, is generally advocated as a viable alternative to the conventional sanitation system (CONV). However, current studies have not led to any formal conclusions on the environmental and economic advantages of one system over the other.

The overall objective of this thesis is to determine if SÉP-EN generates higher environmental and economic performances than those of CONV. The environmental life cycle assessment (ELCA) and life cycle costing (LCC) methods are used. The functional unit of the study is as follows: "To ensure wastewater and organic kitchen refuse collection and treatment and byproduct (digestate/sludge and biogas) recycling for one inhabitant for one year." The systems being compared were implemented in a new 50,000-inhabitant city in Quebec (Canada), except in the first part of the research work (article 1) where implementation scales of 500 and 5000 people have been considered in order to study the effect of decentralization on the economic performance of SÉP-EN-0 (baseline scenario). The environmental and economic foreground data have been obtained through a review of the relevant scientific literature, from the MATTEUS v.5.11 software (IREQ, 2008) and from technology suppliers and engineering firms. The environmental background inventory data is taken from the ecoinvent v.2.2 database (ecoinvent Center, 2007). The life cycle environmental impact assessment of the sanitation systems studied is conducted using the IMPACT 2002+ method, version 2.15 (Humbert et al., 2012; Jolliet et al., 2003) and the results are presented using four damage (endpoint) indicators, namely Human health, Ecosystem quality, Climate change and Resources. The environmental life cycle costing is based on a nominal discount rate of 4%, and the life cycle cost is expressed with the specific equivalent annual cost (per inhabitant) in 2010 US dollars.

The results from the LCC show that when SÉP-EN is implemented at a scale of 500, 5,000 and 50,000 inhabitants, SÉP-EN-0 is respectively 118%, 56% and 33% more costly than CONV (article 1). With regards to the ELCA results (at the 50,000-inhabitant implementation scale), SÉP-EN generates higher impact scores (potential environmental impacts) than CONV: 100%, 89%, 24% and 25% more for the Human health, Ecosystem quality, Climate change and Resources indicators, respectively (article 2). However, the conclusions change if different assumptions are used: 1) if metal emission impacts are accounted for, SÉP-EN-0 involves less impact scores than the ones of CONV for Human health and Ecosystem quality and 2) if the North American grid mix and the organic fertilizer transport distance of 20 km are chosen, SÉP-EN-0 posts lower impact scores than the ones of CONV for Climate change and Resources.

Under the initially defined conditions, the lower environmental and economic performances (higher impact scores) of SÉP-EN-0 compared to those of CONV, mainly due to digestate spreading that generates ammonia emissions and digestate management (transport, storage and spreading), can be improved with the modification of key processes or changes in the digestate handling approach (article 3). Among the six single-pathway development scenarios compared, the scenario that includes a vacuum toilet flow-volume reduction from 1 L to 0.5 L per flush achieves a significantly higher performance than the ones of CONV for the Climate change and Resources indicators, while involving a significantly lower performance with regards to Human health and a comparable cost. The scenario that entails digestate mass reduction with reverse osmosis and acidification prior to its transport to farmland posts comparable performances to the ones of CONV for all environmental indicators and cost. The scenario with digestate treatment by means of phosphorus precipitation (struvite) and nitritation–anammox reactors gives performances that are comparable to the ones of CONV for all indicators, except for Climate change, for which this scenario has a significantly lower performance if the Quebec resource context is considered. Among the four multi-pathway development scenarios (combination of single-pathway development scenarios) established, two achieve higher performance with regards to Climate change, Resources and Human health indicators compared to those of CONV, while maintaining a comparable cost.

Although this thesis has contributed to enriching knowledge regarding SÉP-EN, some limitations associated with inventory data quality and the impact assessment method have been identified. In addition to suggesting possible avenue of solutions regarding these limitations, the thesis proposed research options such as an analysis of factors that underline the performance of SÉP-EN and an integrated environmental and economic assessment using the concept of eco-efficiency. From this concept, a comparative evaluation approach based on optimized impact-cost score has been put forward. This approach could allow comparing systems based on their minimum score, which would be determined according to their treatment technology, in order to globally lower the environmental impacts and cost over the life cycle of the compared systems.

Ultimately, designers and decision makers involved in sanitation are better informed about the performance of SÉP-EN compared to that of CONV, and about the priorities for action that lead to enhance the systems' environmental and economic performance.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse par articles présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Bibliographie : pages 229-252.
Mots-clés libres: Eaux usées Épuration Appareils et matériel. Eaux usées Épuration Aspect de l'environnement. Eaux usées Épuration Aspect économique. Environnement Études d'impact. Coût du cycle de vie. assainissement, eau, noir, séparatif, système, système d’assainissement municipal, séparation à la source des eaux noires, analyse du cycle de vie, voies de développement
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de thèse
Monette, Frédéric
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de thèse
Glaus, Mathias
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 06 oct. 2014 15:53
Dernière modification: 21 oct. 2014 17:35
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1354

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