Vers une gestion circulaire de l'azote et du phosphore des excrétats humains : état des lieux, potentiel agricole mondial, et contraintes spatiales en France.

Towards a circular management of Nitrogen and Phosphorus in human excreta: current state, global agricultural potential, and spatial constraint in France.

• Auteur / Autrice : Thomas Starck
• Direction : Bruno Tassin
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences et Techniques de l'Environnement
• Date : Inscription en doctorat le 01/09/2021
• Etablissement(s) : Marne-la-vallée, ENPC
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LEESU - Laboratoire Eau Environnement et Systèmes Urbain

Mots clés

Mots clés libres

Station d'épuration

Système alimentaire

Azote

Phosphore

Excrétions

Fertilisation

Waste Water Treatment Plant

Food system

Nitrogen

Phosphorus

Excreta

Fertilization

Résumé

Les nutriments dans les excrétions humains pourraient être utilisés comme fertilisants, mais sont généralement considérés comme une pollution. Dans cette thèse, j'évalue le devenir actuel de l'azote (N) et du phosphore (P) dans les excrétions humains et leur contribution potentielle à la fertilisation, à l'échelle mondiale et en particulier en France. Je décris d'abord le système d'assainissement français, à partir des données 20 000 stations d'épuration des eaux usées (STEU). Environ 10 % du N contenu dans les excrétions est réutilisé en agriculture, via les boues d'épuration ; 50 % est perdu sous forme de N2 atmosphérique, après dénitrification ; les 40 % restants sont perdus sous forme de N réactif dans l'environnement. L'indicateur actuellement suivi, le rendement épuratoire (70 % pour le N en France), est aveugle à la plupart de ces pertes, car il ne suit que la part de N qui n'est pas rejetée dans les eaux. Pour le P, j'estime que le taux de réutilisation est d'environ 50 %. La principale différence avec N est que le P est éliminé par précipitation des boues, permettant un meilleur recyclage si le rendement épuratoire est élevée (80% en France) et les boues d'épuration épandues (75% en France) ; mais des pertes se produisent aussi en dehors des STEU, dans les égouts et en assainissement non collectif. Je montre aussi l'influence de la législation européenne sur le rendement, notamment pour les grandes STEU situées dans des zones classées sensibles à l'eutrophisation. Le faible taux actuel de réutilisation du N témoigne d'un potentiel agronomique non exploité, que j'évalue pour le système alimentaire actuel. Le N contenu dans les excrétions humains, exprimé en pourcentage des intrants de N aux terres arables, se situe généralement entre 5 % dans les pays exportateurs à forts intrants et 50 % dans les pays importateurs à faibles intrants, et la plupart des pays se situent entre 10 et 30 %. À l'échelle mondiale, le taux est de 15 à 20 % et correspond à l'efficacité d'utilisation du N du système alimentaire. Je donne également des estimations pour des systèmes alimentaires plus sobres et trouve des bornes supérieures plausibles de 30 %, voire 40 % avec des changements considérables et des régimes principalement végétariens. Dans la plupart des pays et à l'échelle mondiale, la quantité de N dans les excrétions des humains et des monogastriques est similaire. Le N des excrétions humains est également équivalent au N des effluents d'élevage épandus sur les terres arables. Le taux de récupération effectif des nutriments dépendra de facteurs socio-techniques, et je me concentre sur un facteur impactant sa logistique, en France. Avec des données spatiales à résolution fine de fertilisation et de population, j'évalue la distance entre excrétions et cultures, si toutes les excrétions humaines sont récupérées et épandues de manière optimisée. Avec la fertilisation N actuelle, la distance moyenne serait de 14 km, ce qui est assez similaire aux 17 km trouvés avec des pratiques de fertilisation à faible apport d'intrants. Dans les deux cas, 60 à 70 % du N contenu dans les excrétions pourraient être épandus à moins de 10 km ; 20 à 25 % pourrait être épandues entre 10 et 50 km, correspondant principalement à des villes de taille moyenne (0,1 à 1 million d'habitants). Enfin, 5 à 15 % des excrétions, surtout à Paris et sur la côte méditerranéenne, devraient aller au-delà de 50 km. Sur la base d'analyses de cycle de vie existantes, mes résultats suggèrent qu'en France, la concentration des nutriments des excrétions humains avant transport ne serait pas nécessaire d'un point de vue environnemental, mais plutôt pour des questions de commodité logistique ou de préférence des agriculteurs. Pour cnclure, la réutilisation des nutriments des excrétats peut contribuer à réduire la pollution et diminuer le besoin en nouveaux intrants dans les systèmes agricoles, ainsi qu'à construire des systèmes alimentation/excrémention moins gaspilleurs.

Nutrients in human excreta could be used as fertilizers for croplands, but are mostly seen as a polluting waste. In this thesis, I assess the current fate of nitrogen (N) and phosphorus (P) in human excreta and their potential contribution to fertilization, at the global scale and with a specific focus on France. I first describe the current situation of the French sanitation systems, based on a dataset of its more than 20,000 wastewater treatment plants (WWTP). About 10% of the N in French excreta is reused in agriculture, through wastewater sludge; 50% is lost as inert atmospheric N2 following denitrification; and the remaining 40% is lost as reactive N in waters and the atmosphere. The indicator currently followed by policy makers, the wastewater removal efficiency (70% for N in France), is blind to most of these losses, as it only looks at the share of N not discharged in waters. For P, I estimate the national reuse rate to be around 50%. The main difference with N is that P removal relies on precipitation in sludge, allowing better recycling if removal efficiency is high (80% in France) and if sewage sludge are mostly spread on agricultural land (75% in France); but losses still happen outside WWTPs, in sewers and individual autonomous systems. I also show the influence of the European legislation on removal efficiency performance, namely for large WWTP in areas classified as N or P sensitive to eutrophication. The current low reuse rate of N in human excreta testifies of an unfulfilled agronomic potential, were it to be reused as fertilizer. I assess this potential for the current food system. N in human excreta expressed as a percentage of N inputs to croplands usually spans from 5% in high inputs agricultural exporters to 50% in low inputs agricultural importers, and most countries are between 10 to 30%. At the global scale, with no imports nor exports, the rate is 15-20%, and corresponds to the global food system N use efficiency. I also give tentative estimates for a more frugal food systems (higher N use efficiency, less carnivorous diets, reduced food waste) and find upper plausible values of 30%, maybe 40% with considerable changes and mostly vegetarian diets. Also, in most countries and at the global scale, quantities of N in humans and non ruminant excretions are roughly similar. The global quantity of N in human excreta is also roughly equivalent to the N in all livestock manure collected and spread on croplands. Actual recovery rate of nutrients in human excreta will depend on socio-technical factors, and I focus on one particular feature related to the logistics of handling human excreta, in France. Based on a fine resolution dataset of fertilization and excretions, I assess the distance from excretions to crops, were all the human excretions to be recovered and spread in an optimized manner. With the current N fertilization rates, the mean distance would be 14 km, quite similar to the 17 km I find with lower inputs fertilization practices for an agro-ecological scenario. In both cases, 60-70% of N in excretions could be spread within a short distance of 10 km; 20-25% of excretions could be spread within 10-50 km, mostly corresponding to medium-size cities (0.1-1 million inhabitants). Finally, 5-15%, all located in the populated regions of Paris and the Mediterranean coast, have to be spread further than 50 km. Based on existing life-cycle analyses, my results suggest that in France, in most of cases, concentration of human excreta before transport would not be needed on environmental grounds, but would rather be a matter of logistical convenience (i.e. in densely populated areas) or of farmers preferences to handle smaller quantities. To conclude, reusing nutrients in excreta can contribute to decrease pollution and lessen the need for new inputs in agricultural systems, and contribute to build less wasteful food/excreta systems.