En moins d’un mois, le conflit déclenché en Iran et le blocage du détroit d’Ormuz vient de provoquer une nouvelle flambée des prix des engrais de synthèse azotés que nous importons, l’urée passant de 487,5 dollars la tonne à 715 dollars, soit +47 %, sachant qu’au début de la guerre en Ukraine en 2022, c’est la somme de 1 000 dollars que l’on avait pu atteindre.

C’est à la fois le blocage de produits pétroliers, dont le gaz, qui est physiquement indispensable à la fabrication de ces engrais, mais aussi le blocage de 30 % de ces engrais mondiaux qui l’expliquent. Cette situation montre d’une part à quel point nos systèmes alimentaires sont fragiles tant qu’ils ne substituent pas ces engrais de synthèse par des alternatives, et d’autre part que la valorisation des excrétats humains en fertilisants locaux et biosourcés revêt une importance stratégique pour notre souveraineté alimentaire.

Il faut revenir à la compréhension des enjeux liés au dérèglement des cycles de l’azote et du phosphore, laquelle a fortement progressé ces dernières décennies. La perturbation des flux de nutriments conduit en effet à l’un des dépassements les plus importants de l’une des neuf limites planétaires. Elle résulte notamment du recours aux engrais de synthèse et de l’ouverture des cycles des matières organiques, caractérisée par d’importants rejets vers les environnements aquatiques et par de faibles taux de retour au sol des nutriments.

L’assainissement conventionnel et les stations de traitement des eaux usées, en tentant de limiter la pollution des rivières, participent à un système de gestion linéaire qui détruit l’azote des excrétats humains évacués par les chasses d’eau et empêche ainsi le recyclage des nutriments ingérés par les humains. Ce système induit à la fois la perte d’engrais potentiels et l’augmentation des prélèvements et de la pollution de l’eau, puisqu’un litre d’urine partant au tout-à-l’égout est entraîné par 20 à 30 litres d’eau en moyenne. Le changement climatique, qui tend à diminuer le débit des rivières, en particulier en été, aggrave la situation en augmentant la concentration des polluants rejetés. Ces différents enjeux conduisent ainsi à questionner la pertinence de ces systèmes et leur capacité à répondre aux grands enjeux géopolitiques et environnementaux de ce siècle.

Des modèles de production alimentaire et d’assainissement non soutenables

Les sociétés occidentales reposent aujourd’hui sur deux modèles parallèles pour la production de nourriture et la gestion des urines et matières fécales qui résultent de la consommation de cette nourriture.

L’assainissement « à l’occidentale », basé sur la chasse d’eau et un tout-à-l’égout envoyant les eaux usées vers une station de traitement, tente d’évacuer les excrétats loin de leur lieu de production en limitant la pollution des masses d’eau et les problèmes sanitaires associés. Pour cela, les stations de traitement vont devoir mettre en place des procédés très énergivores qui vont notamment détruire une grande partie de l’azote réactif, sans pour autant pouvoir empêcher la perte d’une partie des nutriments, de pathogènes et d’autres polluants vers les rivières et la mer.

Cette perte de nutriments, qui ont été prélevés aux sols agricoles lors des récoltes, doit être compensée pour maintenir la production alimentaire. Elle implique donc la production continue de nouveaux engrais, dits « de synthèse », pour remplacer ceux perdus par le système d’assainissement et par certaines pratiques d’élevage et de culture. Ces engrais ne peuvent cependant être produits en grandes quantités qu’à partir de minerais ou de gaz fossiles que la France ne possède pas sur son territoire. La mauvaise gestion des excrétats humains crée donc une dépendance géostratégique de la France vis-à-vis de pays producteurs de gaz ou disposant de mines de roches phosphatées et l’empêche de fait d’assurer sa sécurité et sa souveraineté alimentaire dans un contexte géopolitique instable.

Un nécessaire bouclage des cycles des nutriments

Il faut bien comprendre que la perte de nutriments par le système d’assainissement n’est pas juste un « désagrément politique » qui limiterait l’autonomie alimentaire de la France mais bien un risque systémique qui touche tous les pays.

En effet, s’il est théoriquement possible de fabriquer de l’azote presque « à volonté » en l’extrayant de l’atmosphère[1], l’énergie et la consommation de ressources associées (fossiles ou non) sont en pratique bien limitées, surtout dans un contexte de réchauffement climatique et de risque d’épuisement de certaines ressources critiques. Pire, les autres nutriments, le phosphore et le potassium, ne sont accessibles que dans des quantités limitées et présentent déjà des risques de pénuries à moyen terme si la consommation continue au rythme actuel ou augmente. Or sans source de phosphore ou potassium pour fertiliser les sols, c’est la production alimentaire mondiale qui s’effondre.

Il est donc nécessaire de limiter les pertes de nutriments en les ramenant autant que possible sur les sols agricoles pour atteindre ce que l’on appelle un « système alimentation-excrétion durable », où les excrétats humains sont retransformés en engrais pour maintenir une production agricole pérenne. Cependant, pour arriver à un système durable, recycler les excrétats humains est nécessaire mais pas suffisant : les pertes et la consommation d’engrais associées aux pratiques agricoles et aux régimes alimentaires actuels sont trop importantes.

Outre que le régime alimentaire occidental actuel dépasse l’optimum pour la santé en matière de protéines totales consommées, la répartition entre sources de protéines animales et végétales pose également question. En effet, la production animale est beaucoup moins efficace que la production végétale : aux pertes liées à la logistique, aux aléas climatiques, etc, s’ajoutent en effet des pertes bien supérieures associées à la gestion des excrétats des animaux. Pour produire 1 kg de protéines animales pour la consommation humaine en France il faut ainsi environ 6 fois plus d’azote que pour produire 1 kg de protéines végétales[2] et la comparaison est similaire pour le phosphore.

Des études[3] ont ainsi montré que, pour nourrir la population sans dépendre d’engrais de synthèse, il est nécessaire de diviser au moins par deux la consommation de produits d’origine animale pour les remplacer par des légumineuses[4] et de transformer les pratiques agricoles vers plus d’agroécologie et de systèmes polyculture-élevage[5] en plus de recycler presque intégralement les urines et matières fécales humaines. Dans ces systèmes agri-alimentaires durables, les sources d’engrais locales majoritaires seraient alors les légumineuses et les excrétats humains et animaux, tous trois renouvelables et locaux, avec les excrétats humains fournissant des quantités d’engrais similaires aux autres animaux. Une meilleure valorisation en fertilisants des biodéchets de la chaîne de production agro-alimentaire est aussi à organiser.

La ressource en eau et les limites des systèmes conventionnels

Au-delà de la question (déjà cruciale) de la sécurité alimentaire, les systèmes d’assainissement et agricoles actuels présentent des problématiques majeures pour la disponibilité de la ressource en eau et sa qualité.

Côté disponibilité, la France connaît déjà des périodes de sécheresse telles que des centaines de communes se retrouvent sans approvisionnement en eau potable, empêchant de fait le fonctionnement normal des toilettes à eau. Sachant que les toilettes représentent 20 % de la consommation d’eau des ménages et qu’elles sont la première source de fuites d’eau potable dans les bâtiments, on peut s’interroger sur la pertinence de ce gaspillage[6] dans un contexte de forte tension sur la ressource et alors que des alternatives plus économes existent. De même, l’agriculture française n’a pas encore adapté ses pratiques culturales en privilégiant des variétés moins consommatrices d’eau et en diminuant les cultures fortement irriguées comme le maïs.

Sur le volet qualité de l’eau, l’agriculture et l’assainissement contribuent tous deux à l’accumulation d’azote et de phosphore dans les eaux, ceux-ci jouant alors leur rôle d’engrais et contribuant à la croissance incontrôlée d’algues qui vont progressivement asphyxier le milieu, infligeant d’importants dégâts au reste de la faune et de la flore locale, voire aux humains, comme dans le cas des marées vertes des plages bretonnes[7]. Au-delà de ce phénomène d’eutrophisation, les pratiques conventionnelles en assainissement rejettent également diverses substances pathogènes, voire toxiques dans les masses d’eau : des composés chimiques toxiques, tels que les PFAS, qui vont se diffuser dans l’environnement ; des bactéries pathogènes d’origine fécale, qui causent chaque année plusieurs millions d’euros de pertes économiques en contaminant des coquillages comme les huîtres et conduisent aussi à des interdictions régulières de la baignade dans certaines zones (comme ce fut le cas lors des jeux Olympiques) ; des composés pharmaceutiques rejetés par les eaux usées qui vont se combiner et produire des effets « cocktail » nuisibles pour la faune aquatique.

Outre les problèmes sanitaires associés à ces rejets, l’assainissement conventionnel peine de plus en plus à répondre aux enjeux réglementaires de qualité de l’eau. En effet, outre l’augmentation progressive des exigences réglementaires sur les rejets de stations d’épuration, la baisse des débits des rivières et l’augmentation de la population dans les métropoles leur complique fortement la tâche. À l’heure actuelle, il semble très improbable que l’intégralité des stations de France puisse faire face à ces problématiques, d’autant plus si l’on souhaite maintenir la consommation énergétique et les coûts à des niveaux acceptables.

L’une des alternatives durables étudiée par le rapport de prospective du PIREN-Seine pour le bassin de la Seine, consisterait d’ailleurs à répartir la population de façon plus équilibrée sur le territoire, à la faveur d’une ré-augmentation des actifs agricoles qui serait cohérente avec l’intensification du travail humain que nécessiterait une agriculture productive mais moins carbonée et plus locale.

La séparation à la source comme innovation pour dépasser les limitations des systèmes actuels

Par rapport aux systèmes d’assainissement conventionnels, la séparation à la source fournit un certain nombre d’avantages qui permettent ensuite d’adapter la gestion aux spécificités du territoire.

En premier lieu, la séparation à la source des excrétats humains se base sur l’usage de toilettes économes en eau, ce qui permet non seulement d’économiser cette ressource[8] mais également d’éviter de diluer les urines et matières fécales dans 10 à 100 fois leur volume d’eau, facilitant leur gestion. La séparation à la source des matières fécales est d’ailleurs l’une des seules manières de permettre une gestion compatible avec des économies d’eaux importantes : les égouts n’ont en effet pas été conçus pour transporter ces matières sans apport massif d’eau. Si l’exemple le plus connu de séparation à la source est celui de la toilette sèche dite « à copeaux », très utilisée en milieu rural ou lors de festivals, il existe des toilettes séparatives adaptées à tous les contextes, allant de l’urinoir sec masculin, féminin ou mixte, pour les sanitaires communs dans le tertiaire et les lieux publics, à la toilette « à dépression » ou « sous vide », permettant de collecter urines et matières fécales en zone urbaine dense (voir le récit cartographique Toilettes Fertiles ou un article de l’EAWAG des éco-quartiers comme à Hambourg pour plus de détails).

Après la collecte, si l’urine est collectée séparément, elle peut être transformée en différents urino-fertilisants, allant du lisain (urine hygiénisée par simple stockage), à des engrais nitrifiés et concentrés, voire solides. D’éventuels résidus médicamenteux qui n’auraient pas été éliminés par le procédé peuvent être éliminés par filtration sur charbon actif (avec une bien meilleure efficacité en réactif que le traitement en station d’épuration). Pour les matières fécales ou une collecte combinée, les principaux traitements existants à l’heure actuelle sont le compostage et la méthanisation. Dans ce second cas, en plus de produire de l’énergie, le digestat liquide peut soit être valorisé directement, soit transformé à son tour pour donner des produits similaires à ceux obtenus à partir de l’urine. Idéalement, le choix d’un type de valorisation sera déterminé par une consultation locale afin d’arriver à une solution adaptée aux pratiques agricoles, au territoire urbain et aux spécificités logistiques et énergétiques locales.

En France, la quasi-totalité du territoire métropolitain serait capable d’absorber sans difficulté les gisements urbains en les valorisant comme engrais sur des parcelles agricoles situées à moins de 50 km (la Côte d’Azur étant l’exception notable, avec des distances pouvant dépasser les 100 km). Dans ce contexte, ces filières en circuits courts présentent des bénéfices majeurs à la fois en termes de sécurisation des fertilisants pour les exploitants agricoles, qui bénéficient alors d’un engrais local échappant aux fluctuations à la hausse du marché mondial, et en termes environnementaux, en particulier pour réduire la pollution de l’eau ou des sols et les émissions de gaz à effet de serre[9]. Comme le résume l’étude de l’ADEME cette valorisation « pourrait réduire de 85 mégatonnes les émissions de CO2eq par an, économiser jusqu’à 628 millions de m3 d’eau potable et éviter le rejet dans les eaux de surface de 269 000 t d’azote par an ».

Un bouclage des cycles qui s’adapte aux spécificités des territoires en France et dans le monde

Faire naître une ou plusieurs filières de valorisation des nutriments issus des excrétats humains en engrais agricoles nécessite de s’incarner dans des territoires. Au-delà de l’intérêt à susciter, il s’agit d’encapaciter des acteurs pour qu’ils passent à l’action. Les acteurs à impliquer appartiennent aux secteurs de l’assainissement, de la gestion des déchets, de l’aménagement, de la construction et de l’agriculture.

Les outils pour réaliser cette encapacitation sont multiples : il s’agit d’informations scientifiques comme les caractéristiques des fertilisants et leur sécurité sanitaire, ou d’informations réglementaires, mais aussi d’informations opérationnelles grâce à des retours d’expérience réalisés à différentes échelles et dans différents contextes, notamment concernant la collecte sélective des excrétats. L’Institut Paris Region et le programme de recherche OCAPI ont notamment réalisé conjointement un panorama de projets de collecte sélective réalisés essentiellement en France. Ce panorama nommé « Toilettes Fertiles » cartographie et décrit finement différentes réalisations inspirantes classées par types de tissus urbains et par type de flux collectés. Le choix de séparer uniquement le flux des urines se justifie en contexte urbain dense, cependant on a vu ci-dessus que la collecte séparative des matières fécales présente des avantages supplémentaires.

Parmi les exemples emblématiques, le réaménagement du siège de l’Agence spatiale européenne (ESA) en plein 15e arrondissement de Paris offre une vitrine convaincante de l’intégration qui peut être réalisée dans un environnement de bureaux prestigieux. Des urinoirs masculins secs et des toilettes à séparation des urines d’un modèle innovant y équipent l’ensemble de l’immeuble à partir du premier étage. Les toilettes utilisées (modèle Save!) permettent de piéger l’urine avec très peu de dilution et sans contact avec les matières fécales qui sont envoyées au tout à l’égout par la chasse d’eau. L’urine est convertie en engrais au sous-sol de l’immeuble, à l’issue d’une stabilisation par nitrification, filtration sur charbon actif et d’une concentration par distillation d’une partie de l’eau. L’engrais liquide concentré ainsi produit, nommé « Aurin », bénéficie d’une autorisation de mise sur le marché. Le plus gros projet de collecte actuellement en cours de mise en place concerne l’écoquartier St-Vincent-de-Paul à Paris 14e : 600 habitations seront équipées de la collecte séparative des urines via les mêmes toilettes que l’ESA.

En Europe, d’autres écoquartiers séparant les excrétats ont déjà été mis en place à travers l’Europe (en Allemagne, au Danemark et en Suède), souvent avec le choix de toilettes sous-vide couplées à une co-méthanisation avec des déchets verts ou alimentaires pour ajouter une composante de valorisation énergétique. En ce qui concerne les matières fécales, des plateformes de gestion par co-compostage ont également vu le jour en France et en Allemagne et permettent de produire un amendement de qualité et exempte de pathogènes.

Si ces exemples de réalisations, soit dans le neuf, soit à la faveur de réhabilitations, permettent d’envisager d’accéder à une part la collecte, agir également dans l’existant est un défi important à relever, au vu du rythme limité du renouvellement des bâtiments.

C’est ainsi qu’à Châtillon, au sud de Paris, le projet Enville a vu le jour au sein de l’AMAP « Les radis actifs ». Il s’agit d’un projet de collecte citoyenne des urines en point d’apport volontaire, avec un design collaboratif des objets de collecte pour permettre à ces propriétaires de logements aux toilettes classiques de devenir des collecteurs de leur propre urine. Une station de transvasement sécurisée et sans nuisances a été installée dans un local dédié à proximité du point d’apport des légumes et le maraîcher optimise ainsi sa logistique en repartant avec le fertilisant plutôt qu’à vide ; l’engrais étant aujourd’hui utilisé sur des cultures non maraîchères. Au-delà d’initiatives visant des publics très engagés, des recherches sont également menées sur le développement de toilettes domotiques avec un traitement intégré, ainsi que sur l’adaptation des fosses septiques en zone d’assainissement non-collectif.

Comment permettre l’émergence et la pérennisation de ces filières ?

Les acteurs de l’assainissement écologique plaident de longue date pour une reconnaissance institutionnelle du caractère d’intérêt général des filières de séparation à la source. Une telle reconnaissance et les adaptations réglementaires associées permettrait de sécuriser les porteurs de projets et ainsi d’accompagner le changement d’échelle en facilitant la démultiplication des démonstrateurs pour amener à maturité les solutions les plus opérationnelles.

Choisir les lieux où le bouclage des cycles de l’azote et du phosphore s’incarnerait avec les bénéfices les plus évidents fait partie de la stratégie. Nous avons ainsi identifié, parmi les motivations des acteurs territoriaux :

— la volonté de préserver la qualité de la ressource en eau et sa disponibilité, en limitant les prélèvements liés aux chasses d’eau ainsi que les rejets liés à l’assainissement conventionnel ;

— la volonté de garantir un approvisionnement en engrais locaux et durables pour l’agriculture, en lien avec des projets et initiatives territoriales visant à améliorer la sécurité et la souveraineté alimentaire du territoire, mais aussi de favoriser les circuits courts, le développement de solidarités territoriales urbain-rural et l’économie circulaire (AMAP, loi AGEC…).

Ces motivations se conjuguent avec des opportunités, telles que la récupération de gisements importants lors de la rénovation ou de la construction de grands pôles tertiaires ou industriels et d’immeubles résidentiels, ce qui peut faciliter les partenariats avec des acteurs agricoles ou encore la possibilité de co-valoriser les matières en lien avec des filières de transformation existantes (compostage ou méthanisation).

Ce déploiement nécessite également un accompagnement à la fois organisationnel et financier des filières. Si des aides à l’investissement sont déjà mises en place par certaines agences de l’eau, ce sont surtout des accompagnements au fonctionnement des filières de séparation à la source qui sont nécessaires. Des acteurs tels que les Parcs naturels régionaux ou les Projets d’alimentation territoriaux peuvent notamment faciliter l’émergence des filières en assurant l’animation et la mise en relation des différentes parties prenantes. Sur le volet économique, au-delà de la simple assurance que ces filières soient rémunérées au titre du service d’assainissement fourni, de nombreuses pistes de financement existent, depuis le reversement d’une partie des recettes de la taxe carbone aux frontières pour soutenir ces filières locales et moins impactantes, jusqu’à l’obtention de crédits carbones liés à la production d’engrais moins carbonés.

Enfin, la faisabilité d’un déploiement à plus grande échelle de la séparation à la source nécessite une montée en compétence des acteurs sur ces questions. Les objectifs de rénovation thermique des bâtiments peinent aujourd’hui à être tenus alors qu’ils sont loin d’être suffisants. C’est donc un investissement important de l’État qui est aujourd’hui nécessaire pour assurer une rénovation écologique de grande ampleur du bâti, pour limiter à la fois les consommations énergétiques, matérielles et en eau tout en fournissant des engrais permettant d’augmenter l’autonomie alimentaire des territoires.

[1] Le procédé Haber-Bosch, mis en place durant la première guerre mondiale, permet d’extraire l’azote de l’air en le faisant réagir avec du gaz dans des conditions de température et de pression élevées ; l’ammoniac qui résulte de la réaction peut ensuite être utilisé pour faire des engrais… Ou des explosifs (voire les deux, comme à AZF ou Beyrouth) !

[2] Fabien Esculier, Julia Le Noë et al., « The Biogeochemical Imprint of Human Metabolism in Paris Megacity: A Regionalized Analysis of a Water-Agro-Food System », Journal of Hydrology, 573, 2019.

[3] En français, on peut consulter le rapport de prospective du PIREN-Seine pour le bassin de la Seine.

[4] Des plantes telles que les lentilles ou les pois, qui ont la propriété de fixer elles-mêmes l’azote de l’air grâce à des bactéries symbiotiques et qui limitent ainsi les besoins en engrais de l’agriculture.

[5] Les pratiques agroécologiques permettent de limiter l’usage d’engrais de synthèse et de pesticides via la combinaison et la rotation des cultures et la polyculture élevage contribue également à ces pratiques en facilitant la valorisation des excrétats animaux.

[6] L’utilisation d’eau (potable qui plus est !) pour les chasses d’eau engendre un gaspillage d’énergie et de ressources, au premier rang desquels figure l’eau elle-même mais également des réactifs, pour la potabilisation d’une part, puis pour le traitement des eaux usées. Ce traitement est d’ailleurs rendu moins efficace par la dilution de nos excrétats (chaque litre d’urine est entraîné par environ 20 litres d’eau).

[7] La production de sulfure d’hydrogène par les algues en décomposition a conduit à la mort d’une personne en 2016.

[8] Un enjeu majeur, car des milliers de communes se retrouvent en restriction chaque année à travers toute la France, dont plusieurs centaines ont même été privées d’eau potable (donc sans toilettes à chasse d’eau fonctionnelles) lors de la sécheresse de 2024.

[9] Tristan M.P. Martin et al., « Comparative study of environmental impacts related to wheat production with human-urine based fertilizers versus mineral fertilizers », Journal of Cleaner Production, 2023.