Évaluation des impacts sanitaires et environnementaux de filières autonomes d’assainissement de boues fécales mises en oeuvre dans les pays tropicaux à faible revenu

Jean-Baptiste, Davidson (2024). Évaluation des impacts sanitaires et environnementaux de filières autonomes d’assainissement de boues fécales mises en oeuvre dans les pays tropicaux à faible revenu. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

Prévisualisation

PDF Télécharger (3MB) | Prévisualisation

Résumé

La carence en matière d’infrastructure d’assainissement, combinée à l’adoption de pratiques et technologies d’assainissement inadaptées, constitue un problème majeur dans de nombreux pays à faible revenu tels qu’Haïti. La contamination fécale qui en résulte est souvent la cause de problèmes sanitaires et environnementaux menaçant de façon croissante la santé humaine et les équilibres écosystémiques. La résolution de la contamination fécale passe nécessairement par la mise en place de filières et de technologies (et pratiques) d’assainissement adaptées au contexte local pour gérer efficacement les excreta provenant des ménages. Cependant, le choix de ces filières d’assainissement doit être réalisé sur une base scientifique pour éviter de produire des transferts de pollution.

Cette thèse doctorale vise principalement à évaluer les impacts sanitaires et environnementaux des principales filières et technologies d’assainissement autonome utilisées dans les pays tropicaux à faible revenu, avec un focus particulier sur Haïti, afin d’identifier les solutions les plus performantes sur le plan environnemental et celles susceptibles d’être améliorées. L’analyse du cycle de vie (ACV), en tant que méthode d’évaluation environnementale holistique et multicritère, est employée pour atteindre cet objectif. L’ACV permet d’identifier les filières et technologies les plus avantageuses sur les plans sanitaire et environnemental, tout en évitant les transferts de pollution. En complément, l’évaluation quantitative des risques microbiens (ÉQRM) est utilisée pour évaluer les risques sanitaires d’origine microbienne, un aspect non couvert par l’ACV. L’unité fonctionnelle retenue est la gestion d’une tonne de boues fécales humides en Haïti sur une période d’un an.

Un total de quinze scénarios, représentant les filières d’assainissement autonome les plus courantes, a été élaboré à partir d’une combinaison de trois types de toilettes, d’une évacuation d’abord manuelle, puis mécanique, et de cinq technologies de traitement et/ou de valorisation de boues. Chaque filière d’assainissement autonome est constituée de trois maillons : toilette, évacuation et traitement. Les toilettes considérées sont la latrine à fosse unique ventilée (VIP), la toilette sèche à litière biomaîtrisée (TSLB) et la toilette à chasse d’eau (WC). Pour l’évacuation, la première vidange des boues est effectuée à l’aide d’une pompe Gulper (sauf pour les scénarios impliquant une TSLB), tandis qu’un camion de vidange récupère ensuite ces boues pour les transporter vers une station de traitement située à 10 km du point de collecte. Quant au traitement, les technologies retenues sont un biodigesteur, un composteur, un système lagunaire, des lits de séchage non plantés (LSnP) et des lits de séchage plantés de végétaux (LSPV).

Pour modéliser les filières et technologies examinées, un inventaire du cycle de vie basé essentiellement sur des entrevues, des campagnes de pesée et la recherche bibliographique a été réalisé. Le logiciel OpenLCA et la base de données ecoinvent v.3.7 ont été utilisés pour la modélisation. Les méthodes Impact World+ et IPCC 2013 GWP 100a ont été utilisées pour l’évaluation des impacts du cycle de vie. L’extension des frontières a été appliquée, conformément à la norme ISO 14044, pour allouer au système les bénéfices environnementaux découlant de la production de compost, de biogaz et de biosolides.

Les résultats indiquent que, parmi les technologies d’assainissement évaluées, le WC est le plus néfaste pour l’environnement, tandis que la TSLB est la moins néfaste. La phase d’utilisation des toilettes a été identifiée comme l’étape du cycle de vie la plus impactante, responsable de plus de 90 % de l’impact total de chaque filière d’assainissement examinée. Le papier hygiénique, les copeaux de bois, les émissions de gaz à effet de serre (GES) issues de la biodégradation des boues dans les toilettes et l’eau ont été identifiés comme les principales variables critiques. Parmi les technologies de traitement intensives, le biodigesteur présente un impact environnemental plus élevé que le composteur. Pour les technologies extensives, les LSPV sont considérés comme les plus impactants, suivis des LSnP et des lagunes.

En ce qui concerne les filières d’assainissement, deux grandes catégories ont été analysées en fonction de la technologie de traitement des boues utilisée : intensive ou extensive. Pour les filières intégrant une technologie intensive de valorisation des boues, le Scénario 1 (VIPÉvacuation- Compostage) s’est révélé être le plus bénéfique globalement, tandis que le Scénario 6 (WC-Évacuation-Biométhanisation) a été identifié comme le plus impactant. Dans le cas des filières utilisant une technologie extensive, le Scénario 6 (VIP-Évacuation-Lagunes) et le Scénario 4 (VIP-Évacuation-LSnP) se sont avérés être les moins impactants, ces deux scénarios étant interchangeables. À l’opposé, le Scénario 8 (WC-Évacuation-LSPV) a été identifié comme le plus impactant.

Pour améliorer les filières et technologies d’assainissement examinées, les résultats obtenus suggèrent d’utiliser du papier toilette fabriqué localement à base de papier recyclé, d’utiliser de la cendre et/ou des sciures comme litière à la place de copeaux de bois dans les TSLB, d’utiliser des WC économes en eau et une pompe de Gulper fabriquée localement pour éviter de descendre directement dans les fosses lors de la vidange.

Deux travaux distincts d’ÉQRM ont été menées pour évaluer les risques microbiens liés à l’utilisation de la TSLB et à la vidange manuelle des fosses par les vidangeurs, appelés « bayakous ». Les résultats révèlent un risque élevé pour les utilisateurs de la TSLB et un risque hautement élevé pour les bayakous, dépassant le seuil de risque acceptable fixé par l’USEPA (10-4 par personne et par an). Ces travaux préconisent des mesures d’atténuation, notamment le port d’équipements de protection individuelle, l’utilisation de pompes manuelles pour éviter l’entrée dans les fosses, et la professionnalisation du métier de bayakou, afin d’améliorer la sécurité sanitaire et les conditions de travail.

Titre traduit

Assessment of health and environmental impacts of autonomous fecal sludge sanitation systems implemented in low-income tropical countries

Résumé traduit

The lack of sanitation infrastructure, combined with the adoption of inadequate sanitation practices and technologies, poses a major problem in many low-income countries such as Haiti. The resulting fecal contamination often causes health and environmental issues, increasingly threatening human health and ecosystem balances. Addressing fecal contamination necessarily involves the implementation of sanitation systems and technologies (and practices) adapted to the local context to effectively manage household excreta. However, the selection of these sanitation systems must be based on scientific evidence to avoid creating pollution transfers.

This doctoral thesis primarily aims to evaluate the health and environmental impacts of the main autonomous sanitation systems and technologies used in tropical low-income countries, with a particular focus on Haiti, in order to identify the most environmentally efficient solutions and those that could be improved. Life cycle assessment (LCA), as a holistic and multi-criteria environmental evaluation method, is used as the methodological tool to achieve this goal. LCA helps to identify the sanitation systems and technologies that are most beneficial in terms of health and the environment, while avoiding pollution transfers. Additionally, quantitative microbial risk assessment (QMRA) is used as a complementary tool to assess microbial health risks, which are not covered by LCA. The functional unit considered is the management of one ton of wet fecal sludge in Haiti over a one-year period.

A total of fifteen scenarios representing the most common on-site sanitation systems were developed by combining three toilet types, initially manual and then mechanical evacuation, and five sludge treatment and/or valorization technologies. Each on-site sanitation system consists of three components: toilet, evacuation, and treatment. The three toilets considered are the ventilated improved pit (VIP) latrine, the container-based toilet (CBT), and the flush toilet (WC). For the evacuation, the initial sludge emptying is carried out using a Gulper pump (except for scenarios involving a CBT), while a sewage truck subsequently collects the sludge to transport it to a treatment plant located 10 km from the collection point. For treatment, the technologies considered are a biodigester, a composter, a lagoon system, unplanted drying beds (UDB), and planted drying beds (PDB).

To model the examined sanitation systems and technologies, a life cycle inventory based mainly on interviews, weighing campaigns, and bibliographic research was conducted. The OpenLCA software and ecoinvent databases version 3.7 were used for modeling. The Impact World+ and IPCC 2013 GWP 100a methods were employed for the life cycle impact assessment. System expansion was applied, in accordance with ISO 14044 standards, to allocate the environmental benefits resulting from the production of compost, biogas, and biosolids to the system.

The results show that among the sanitation technologies examined, the WC is the most harmful to the environment, while the CBT is the least harmful. The toilet use phase was identified as the most impactful stage of the life cycle, accounting for more than 90% of the total impact of each sanitation system examined. Toilet paper, wood shavings, greenhouse gas (GHG) emissions from the biodegradation of sludge in toilets, and water were identified as the main hotspots. Regarding intensive treatment technologies, the biodigester is more impactful than the composter, while for extensive technologies, PDB are considered the most impactful, followed by UDB and lagoons.

As for the sanitation systems, two broad categories were considered based on the presence of either intensive or extensive sludge treatment technologies downstream. In systems equipped with an intensive sludge valorization technology, Scenario 1 (VIP-Evacuation-Composting) was identified as overall the most beneficial, while Scenario 6 (WC-Evacuation- Biomethanization) was the most impactful. In the case of systems equipped with an extensive sludge treatment technology, Scenario 6 (VIP-Evacuation-Lagoons) and Scenario 4 (VIPEvacuation- UDB) were overall the least impactful, with these two scenarios being interchangeable. Conversely, Scenario 8 (WC-Evacuation-PDB) was identified as the most impactful.

To improve the examined sanitation systems and technologies, the study recommends using locally produced toilet paper made from recycled paper, using ash and/or sawdust as litter instead of wood shavings in CBT, using water-saving WCs, and a locally manufactured Gulper pump to avoid directly entering the pits during emptying.

Two separate QMRA studies were conducted to assess microbial risks related to the use of CBT and to the manual emptying of pits by emptiers, called “bayakous.” The results reveal a high risk for CBT users and an extremely high risk for the bayakous, exceeding the acceptable risk threshold set by the USEPA (10-4 per person per year). These studies recommend mitigation measures, including the use of personal protective equipment, the adoption of manual pumps to avoid entering the pits, and the professionalization of the bayakou occupation to improve health safety and working conditions.

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". Comprend des références bibliographiques (pages 197-232).
Mots-clés libres:	ACV, assainissement autonome, ÉQRM, impact environnemental, impact sanitaire
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Monette, Frédéric
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	30 avr. 2025 14:43
Dernière modification:	30 avr. 2025 14:43
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3593

Gestion Actions (Identification requise)

Dernière vérification avant le dépôt