Le futur du traitement des eaux
Le monde du traitement des eaux est en profonde mutation et son importance est en croissance dans le monde entier. L’eau devient une denrée de plus en plus rare sur notre planète. C’est en particulier dans les pays pauvres que les populations sont confrontées à une limitation des quantités d’eau disponibles. Beaucoup sont dans une impasse hydrique due à une demande croissante des secteurs industriels, agricoles, mais aussi pour la production d’énergie. Si les problèmes de pénurie d’eau sont limités en Allemagne, il nous faut réfléchir et adopter une approche responsable et économe des ressources en eau pour l’avenir. Le traitement des eaux joue un rôle clé dans la disponibilité de l'eau. À l’échelle globale, encore aujourd’hui, près de 80 % des eaux usées ne sont pas traitées ; pourtant, dans de nombreux cas, un traitement serait techniquement possible. À long terme, nous avons devant nous un potentiel considérable de réduction importante de la consommation d’eau, et ce pour chaque secteur d’activité.
Exploiter le potentiel du traitement des eaux dans le futur
Parallèlement, l'accent est mis sur l'efficacité énergétique, en particulier dans les pays industrialisés. Les stations d'épuration des eaux usées sont considérées comme de véritables gouffres à énergie en raison des processus énergivores qui se déroulent dans les bassins d'aération. Dans un contexte d'objectifs ambitieux en matière de protection du climat et de hausse des prix de l'énergie, l'efficacité énergétique dans le traitement des eaux deviendra l'un des principaux enjeux de l'avenir.
En particulier dans le domaine de la technologie énergétique pour les bassins de traitement des eaux usées, il est clair qu'il existe déjà des technologies fiables permettant de réduire durablement la consommation d'énergie et qu'elles sont très intéressantes du point de vue de l'exploitant. Les investissements dans des technologies modernes de ventilation sont rapidement rentabilisés et permettent finalement d’améliorer les rendements d’installations sans efforts financiers excessifs, en particulier pour les usines de traitement des eaux plus anciennes. Le scénario futur de traitement des eaux affiche un potentiel considérable de réduction des pénuries hydriques, et passe par une promotion responsable de la gestion des ressources combinée à une réduction de la consommation d’énergie. La production d'énergie à partir des eaux usées est un exemple qui dispose d'un grand potentiel pour l'avenir.
Produire de l'électricité et de la chaleur à partir des eaux usées
L'une des questions les plus importantes pour l'avenir dans le domaine du traitement de l'eau est la production d'énergie à partir des eaux usées. Chaque mètre cube d'eaux usées contient quatre fois la quantité d'énergie utilisée pour purifier cette eau ; d'un point de vue purement théorique, une station d'épuration pourrait donc produire plus d'énergie qu'elle n'en consomme. Le principe de cette notion est simple : Les solides contenus dans les eaux usées, tels que les excréments, le papier hygiénique ou d'autres particules, peuvent généralement être utilisés dans des installations de biogaz pour produire de l'énergie électrique et de la chaleur. Les technologies de ce processus ont déjà été appliquées avec succès, mais il y a encore beaucoup de place pour la croissance. C'est pourquoi de nouvelles technologies visant à augmenter l'incinération des boues font actuellement l'objet de recherches et sont testées sous forme de prototypes - avec des résultats prometteurs.
Mais de nombreux obstacles doivent encore être surmontés avant que le potentiel des eaux usées en matière de production d'énergie ne soit pleinement exploité. L'un des défis consiste à augmenter de manière significative le pourcentage de solides pouvant être extraits des eaux usées avant le processus d'épuration proprement dit. On peut y parvenir, par exemple, en ajoutant des polymères qui provoquent l'agglutination des boues.
Véritables monstres énergivores, les stations d'épuration dissimulent un potentiel d’économies d'énergie insoupçonné
L'efficacité énergétique est la question la plus importante pour le traitement des eaux de l'avenir. D'une part, les exploitants de stations d'épuration sont constamment confrontés à des réglementations environnementales de plus en plus strictes de la part des responsables politiques. D'autre part, ils doivent introduire des mesures d'efficacité pour contrer la hausse des prix de l'électricité. Pour comprendre l'importance de l'efficacité énergétique dans les bassins de traitement des eaux usées, il convient d'examiner le bilan énergétique d'une station d'épuration.
Les quelque 10 200 stations d’épuration situées en Allemagne affichent une consommation électrique annuelle totale d’environ 4 400 gigawattheures (GWh) ; soit une consommation de 35 kWh/équivalent habitant par an. Les stations d'épuration représentent donc encore environ 0,7 % de l'électricité consommée en Allemagne.
Il s'avère que l'aération est de loin le principal consommateur pour la quasi-totalité des stations d'épuration avec traitement des boues ; alors que le pourcentage d'énergie consommée par les stations avec stabilisation aérobie des boues se situe entre 60 et 80 %, il est encore d'environ 50 % pour les stations avec digestion des boues. À cela s’ajoutent d’autres consommateurs d’énergie, de moindre importance par rapport aux processus de gestion des boues. Aperçu des principaux consommateurs d’énergie :
L'examen de la consommation électrique moyenne de ces installations montre que le plus grand potentiel de réduction de la consommation d'énergie réside dans l'aération des bassins d'aération et dans les stations de pompage fonctionnant en permanence, par exemple, l'entrée, le mécanisme de levage intermédiaire et la recirculation interne. L'aération des bassins d'aération joue le rôle le plus important, c'est pourquoi cet aspect est examiné en détail plus loin.
La consommation d'énergie en point de mire : des mesures supplémentaires pour accroître l'efficacité
L'augmentation de l'efficacité énergétique des bassins d'aération et l'utilisation des boues ou du gaz de digestion pour produire de l'énergie et de la chaleur ne sont pas les seules mesures à prendre pour assurer le traitement des eaux du futur. Un potentiel supplémentaire réside, par exemple, dans l'intégration des énergies renouvelables dans les systèmes énergétiques des stations d'épuration des eaux usées.
Il est possible, par exemple, d'installer des cellules solaires ou des éoliennes sur les sites des stations d'épuration des eaux usées afin d'améliorer encore le rapport entre l'énergie produite et la consommation totale d'énergie. En même temps, il faut évidemment garder à l'esprit que ces mesures sont soumises aux mêmes contraintes que les autres sites et que la rentabilité de l'investissement dépend des conditions existantes, telles que l'ensoleillement local et les conditions de vent. Bien que l'utilisation de capteurs solaires pour générer de la chaleur soit également particulièrement intéressante pour les stations sans digestion des boues, cette approche ne jouera probablement qu'un rôle secondaire à l'avenir. Pour les stations avec stabilisation aérobie des boues, il y a déjà généralement un excédent de chaleur disponible en été, ce qui rend la mesure superflue pour ce type de station d'épuration des eaux usées. D'autres mesures visant à garantir un traitement des eaux efficace sur le plan énergétique à l'avenir consistent à utiliser l'énergie hydroélectrique dans les entrées et les sorties de la station d'épuration des eaux usées. Cette approche n'offre toutefois qu'un potentiel limité, car la hauteur de chute disponible est faible et la quantité d'énergie générée ne justifie pas les efforts et les dépenses.
Il est recommandé d'utiliser les débris du dégrilleur comme source de combustible supplémentaire, en particulier dans le cas des grandes installations d'incinération des boues, afin d'accroître encore l'efficacité énergétique. Le potentiel de cette technologie reste toutefois limité par l’utilisation des systèmes de lavage de dégrilleur qui contribuent à réduire l’accumulation de débris.
Technologie d'aération à la demande : mesures à haut rendement
en raison d'une consommation d'énergie élevée. Selon la station d'épuration, le processus d'aération représente entre 60 et 80 % de la consommation totale d'énergie, ce qui explique pourquoi l'aération est particulièrement importante pour le traitement des eaux de demain.
Que se passe-t-il dans un bassin d'aération ?
Pour comprendre pourquoi les bassins d'aération consomment autant d'énergie, examinons brièvement les processus d'un système d'épuration biologique. Les bassins d'aération débarrassent les eaux usées pré-clarifiées mécaniquement des substances organiques telles que les phosphates et les composés azotés. Cette décomposition est effectuée par des micro-organismes tels que les bactéries, les boues aérées.
Pour éliminer biologiquement les phosphates des eaux usées dans la première étape, la première partie du réservoir est maintenue à faible teneur en oxygène. Une grande quantité d'oxygène est ensuite introduite dans les eaux usées au moyen d'air comprimé. Les bactéries se multiplient rapidement grâce à l'oxygène, ce qui permet aux phosphates de se lier aux boues biologiques lorsqu'elles sont combinées à un précipitant dissous. Les boues se décomposent ensuite dans des bassins de traitement secondaire et peuvent être réintroduites dans les bassins d'aération ou acheminées vers le système de traitement des boues. Ce processus consomme beaucoup d'énergie en raison de l'introduction de grandes quantités d'air comprimé.
Défis et potentiel d'optimisation de la technologie d'aération
Le défi de la technologie d'aération consiste principalement à fournir une alimentation en air à la demande capable de gérer les fluctuations importantes des profils de charge et les différents niveaux de contamination. Les anciennes stations d'épuration sont souvent équipées de technologies de soufflerie qui fournissent toujours la même quantité d'oxygène quelle que soit la situation de l'approvisionnement, même si cela n'est pas toujours nécessaire. Le défi consiste donc, d'une part, à mettre en œuvre une aération en fonction de la demande et, d'autre part, à fournir les plages de charge partielle du profil de charge de la manière la plus efficace possible.
To efficiently supply energy to aeration tanks, AERZEN relies on a product portfolio that consists of one or more blower technologies implemented in accordance with the individual requirements of each waste water treatment plant. This approach makes it possible to achieve maximum efficiency and fully exploit the potential for savings.
Le portefeuille comprend des turbocompresseurs, des surpresseurs à pistons rotatifs et des compresseurs à vis basse pression. L’avantage est indéniable : Chacune de ces technologies présente des avantages, que l’on va mettre en adéquation avec les besoins individuels du client. Si les turbocompresseurs, par exemple, sont d’une efficacité énergétique impressionnante par leur conception, les machines à pistons rotatifs excellent quant à elles par une grande plage de fonctionnement et un rendement très stable dans la plage de charge partielle. En sa qualité de système hybride, le compresseur à vis basse pression combine les avantages de la technologie du surpresseur et du compresseur dans une seule et même machine. Selon l’application souhaitée, nous recommanderons au client de choisir une combinaison des différentes technologies ou la technologie la plus efficace pour ses besoins spécifiques. Si le client peut installer des technologies différentes, il pourra également en choisir les dimensionnements. Le client pourra aussi réaliser des économies supplémentaires grâce à un système de contrôle commande global intelligent.
L’expérience a montré qu’un système d’aération optimisé peut générer des économies d’énergie importantes. Par exemple, en installant un turbocompresseur d’Aerzen et un Delta hybrid, la station d'épuration de Rheda-Wiedenbrück a réussi à économiser 40 000 euros de coûts énergétiques par an.
