Selon une étude de l'Agence allemande de l'environnement, les stations d'épuration sont responsables d'environ 1 % de la consommation totale d'électricité en Allemagne. Ce qui semble à première vue un pourcentage très faible offre cependant un potentiel d'économies très intéressant du point de vue des exploitants de stations d'épuration individuelles. L'aération des bassins est un exemple typique du potentiel d'économies dans les stations d'épuration. Par exemple, les technologies de pointe en matière de supresseur et de système de commande axé sur la demande peuvent optimiser le processus énergivore d'aération des bassins et augmenter de manière significative le rendement économique d'un bassin de traitement avec relativement peu d'efforts.
Ce point de départ est particulièrement intéressant pour les villes et les municipalités. Un coup d'œil sur les besoins énergétiques des exploitants de bassins de traitement des eaux usées municipaux montre que les stations d'épuration des villes et des municipalités représentent une part considérable (environ 20 %) de la consommation totale d'électricité. Le traitement des eaux joue donc un rôle crucial par rapport aux écoles, aux hôpitaux, aux systèmes d'approvisionnement en eau ou aux autres consommateurs d'énergie municipaux et urbains.
Cependant, le potentiel d'économie d'énergie des stations d'épuration est souvent sous-estimé. De nombreuses stations d'épuration fonctionnent encore aujourd'hui avec des systèmes d'aération non réglementés et inefficaces qui sont responsables d'une grande partie de la consommation totale d'électricité. Cependant, du point de vue actuel, l'aération non réglementée et non commandée par la demande dans les stations d'épuration est techniquement dépassée. Des systèmes très efficaces tels que les turbocompresseurs, les surpresseurs rotatifs et les compresseurs rotatifs sont disponibles sur le marché depuis plusieurs années. Ils offrent non seulement un meilleur rendement et peuvent fonctionner dans une large plage de charge partielle, mais peuvent même être combinés pour un rendement global optimal. Il est ainsi possible de répondre de manière optimale aux variations de charge dans le profil de demande d'un bassin et de réduire durablement les coûts énergétiques.
Dans notre guide, nous ne nous contenterons pas de montrer de l'importance de la technologie d'aération pour le rendement économique des stations d'épuration, mais nous soulignerons aussi le potentiel des technologies de surpresseur axées sur la demande. En outre, nous montrerons comment les exploitants de bassins de traitement des eaux usées peuvent optimiser leurs bassins d'aération, depuis l'analyse initiale jusqu'au contrôle du verrouillage.
L'importance de la technologie d'aération pour le rendement économique des bassins de traitement des eaux usées
Chaque année, les stations d'épuration consomment une quantité gigantesque d'électricité, soit environ 4 400 gigawattheures (GWh) d'énergie électrique. Cela correspond à peu près à la production annuelle d'une centrale électrique moderne au charbon et équivaut à une production annuelle de CO₂ d'environ 3 millions de tonnes. L'amélioration de l’efficacité énergétique des stations d'épuration profite donc non seulement aux exploitants – souvent la ville ou la municipalité – mais aussi à l'environnement.
Lorsqu'il s'agit d'améliorer l’efficacité énergétique des processus dans les stations d'épuration, l'aération est au centre des préoccupations. Dans de nombreux cas, les besoins en énergie des surpresseurs installés dans le bassin d'aération représentent 60 à 80 % des besoins totaux. Mais quelle est l'importance de la technologie d'aération pour les stations d'épuration ?
Lesbassins d'aération constituent la principale étape de nettoyage des stations d'épuration. Ils utilisent des systèmes d'aération pour introduire l'oxygène de l'air dans le bassin afin de favoriser la croissance des micro-organismes aérobies. Ces micro-organismes décomposent les polluants organiques et forment des boues activées qui absorbent les polluants. Ces boues activées sont ensuite séparées des eaux usées traitées dans des bassins de traitement secondaire et réacheminées dans le bassin de boues activées ou utilisées comme boues d'épuration. En outre, l'oxygène introduit est responsable de l'oxydation de l'azote ammoniacal présent dans les eaux usées en nitrate, préparant ainsi son élimination par les micro-organismes.
La consommation énergétique des stations d'épuration est généralement exprimée en kilowattheures par an et par EH (équivalent habitant). En règle générale, cette valeur diminue à mesure que la taille de la station d'épuration augmente, car des économies d'échelle peuvent être exploitées. L'Agence allemande de l'environnement fournit des ordres de grandeur de la consommation d'électricité des stations d'épuration, qui peuvent être utilisés à des fins d'orientation :
| ÉQUIVALENT HABITANT | CONSOMMATION D'ÉNERGIE SPÉCIFIQUE | ||
|---|---|---|---|
| Classe de taille 1 | < 1 000 | 75 kWh/(EW x a) | |
| Classe de taille 2 | 1 000 - 5 000 | 55 kWh/(EW x a) | |
| Classe de taille 3 | 5 000 - 10 000 | 44 kWh/(EW x a) | |
| Classe de taille 4 | 10 000 - 100 000 | 35 kWh/(EW x a) | |
| Classe de taille 5 | > 100 000 | 32 kWh/(EW x a) |
Il est intéressant de noter que, malgré leurs besoins énergétiques spécifiques plus faibles, les stations d'épuration des classes de taille 4 et 5 sont responsables d'environ 87 % de la consommation totale d'électricité. Les stations d'épuration de cette taille ne représentent qu'environ 22 % des quelque 10 000 stations d'épuration, mais sont responsables de plus de 90 % des équivalents habitants.
Dans une station d'épuration classique, le traitement biologique et le traitement secondaire représentent la majeure partie des besoins énergétiques. Cependant, d'autres étapes du processus nécessitent également de l'énergie électrique :
- Nettoyage biologique et traitement secondaire 67 %
- Traitement des boues 11 %
- Filtration par floculation 8 %
- Infrastructures et autres consommateurs 6 %
- Systèmes de pompage des eaux usées 5 %
- Étape de nettoyage mécanique 3 %
C'est pourquoi l'optimisation énergétique du traitement des eaux usées se concentre principalement sur l'étape du traitement biologique. Une analyse complète de 85 stations d'épuration en Rhénanie-du-Nord-Westphalie a montré que les mesures d'optimisation dans le bassin d'aération étaient particulièrement efficaces : elles ont permis de réaliser environ deux fois plus d'économies que les mesures prises dans d'autres zones.
Il existe de nombreuses possibilités d'optimiser techniquement et énergétiquement l'étape du nettoyage biologique. Elles vont du remplacement du système de ventilation à l'amélioration ciblée de la gestion opérationnelle et à la prévention des pertes de charge, en passant par des investissements dans une technologie de pompage très efficace et peu susceptible de se colmater.
Charge de base, charge de pointe et faible charge - Alimentation en cas de besoin grâce à une technologie de ventilation moderne.
Les bassins d'aération des stations d'épuration municipales et industrielles sont caractérisés dans une large mesure par un profil de charge fluctuant. La fluctuation des quantités d'eaux usées au cours de la journée, l'évolution des niveaux de précipitations, les effets saisonniers et les divers degrés de pollution des eaux usées entraînent un profil de demande fluctuant, qui peut parfois présenter des variations de charge soudaines. En outre, il faut tenir compte des différences de température saisonnières, qui ont également une influence sur la quantité d'oxygène atmosphérique nécessaire dans le bassin de boues activées.
Les concepts modernes d'aération des bassins de boues activées visent donc à répondre au profil de demande fluctuant d'une station d'épuration avec la technologie d'aération la plus efficace pour chaque cas particulier. Les avantages des turbocompresseurs, des surpresseurs à pistons rotatifs et des compresseurs à vis basse pression peuvent donc être utilisés de manière ciblée pour faire fonctionner le système de ventilation à des points d'exploitation efficaces, tant pour la demande de charge de base que pour la demande de charge de pointe et la demande de faible charge.
Alors que la machine dynamique, par exemple, a un excellent rendement en termes de conception, la machine volumétrique (compteur volumétrique rotatif sec) peut être utilisée dans une large plage de charge partielle avec un bon rendement. L'utilisation des avantages des deux technologies permet de créer un concept d'aération qui peut être adapté de manière optimale aux exigences individuelles de la station d'épuration et qui représente la meilleure solution possible pour le client.
C'est pourquoi AERZEN a développé un concept composite qui permet un apport d'oxygène sur mesure et très efficace à tout moment. La gamme de trois produits, également connue sous le nom accrocheur de « Performance³ », permet aux exploitants de stations d'épuration d’allier le meilleur rendement possible à une sécurité opérationnelle, une fiabilité et une économie maximales.
Les trois séries sont spécialement conçues pour l’alimentation en fonction de la demande pour les charges de base, les charges de pointe et les faibles charges. Les séries de turbocompresseurs AT et TB se caractérisent par un rendement exceptionnel en termes de conception et sont donc principalement utilisées pour la plage de charge de base. Pour générer des charges de pointe et des faibles charges, AERZEN fait appel aux surpresseurs à pistons rotatifs réglables de la série des surpresseurs Delta et aux compresseurs à vis basse pression de type Delta Hybrid.
Les données techniques de la gamme Performance³ en un coup d'œil :
| Technologie | Série | Débit volumique | Plage de pression | |
|---|---|---|---|---|
| Plage de régulation turbocompresseur | AT et TB | 300 - 16 200 m³/h | 400 - 1 000 mbar | 40 - 100 % |
| Surpresseur à pistons rotatifs | Surpresseur Delta | 30 - 15 000 m³/h | -500 - 1 000 mbar | 25 - 100 % |
| Compresseur à vis basse pression | Delta Hybrid | 110 - 9 000 m³/h | -900 - 1 500 mbar | 25 - 100 %. |
Rendre un bassin de traitement des eaux usées efficace, étape par étape
Pour permettre une évaluation du potentiel d'amélioration énergétique de la technologie d'aération dans les bassins de traitement des eaux usées sur une base solide, il est tout d'abord nécessaire d'effectuer une analyse détaillée de la technologie d'aération existante ainsi que du profil de charge. Des mesures et des analyses approfondies permettent d'identifier et de quantifier le potentiel des mesures de modernisation énergétique. Le service innovant AERaudit d'AERZEN permet d'optimiser de manière ciblée l'utilisation et le rendement des stations de surpresseur.
Après cette phase d'analyse, le concept de ventilation est mis en œuvre à l'aide d'un système de contrôle commande de niveau supérieur. Des systèmes tels que le système innovant de contrôle commande des machines AERsmart d'AERZEN sont en mesure de répartir les volumes d'air entre les technologies et leurs rendements individuels de manière idéale, augmentant ainsi durablement le rendement de l'installation et le rapprochant de sa valeur optimale théorique. La simple optimisation du système de contrôle commande permet d’atteindre un potentiel d'économies considérable pouvant aller jusqu'à 15 %. Outre la série propriétaire Performance³, des produits tiers peuvent également être contrôlés.
La caractéristique unique du système de contrôle AERsmart est sa capacité à distribuer la demande d'oxygène nécessaire aux machines à tout moment de manière à ce que chaque point de charge puisse être piloté au point de fonctionnement le plus efficace. Le régulateur utilise les cartes caractéristiques et les rendements respectifs des surpresseurs et sélectionne la combinaison de technologies de surpresseur qui convient le mieux au point de fonctionnement actuel.
Traitement des eaux usées préservant les ressources, à l'exemple de la ville de Holzkirchen
L'exemple de la station d'épuration de Holzkirchen démontre de manière impressionnante qu'un traitement complet des eaux usées peut également être réalisé dans le respect de l'environnement et en préservant les ressources. La station d'épuration située près de Munich est responsable d'environ 50 000 EH et consomme environ 500 000 kWh d'électricité par an. En intégrant le système de contrôle commande intégré AERsmart, la station d'épuration de Holzkirchen a réussi à exploiter au mieux les avantages des différentes technologies de surpresseur. Résultat : une économie d'énergie d'environ 10 % et une réduction des besoins annuels en électricité d'environ 50 000 kWh.
