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. Station d’épuration des eaux usées rôle clé en termes de 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.
Parallèlement, nous mettons également l’accent sur l’efficacité énergétique, en particulier dans les pays industrialisés. Les usines de traitement des eaux usées sont considérées comme de véritables monstres énergétiques en raison des processus énergivores des bassins d’aération. L’efficacité énergétique dans le traitement des eaux va devenir l’un des principaux enjeux pour l’avenir, soutenu par un cadre de protection du climat et dans un contexte de hausse des prix de l’énergie.
C’est en particulier dans le domaine de la technologie énergétique des bassins de traitement des eaux usées, que l’on peut être fier de bénéficier déjà aujourd’hui de technologies fiables pour réduire la consommation d’énergie, et qui présentent des avantages indéniables côté exploitants. Les investissements dans des technologies modernes de d'aération 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.
L’un des problèmes majeurs dans l’avenir des systèmes de traitement des eaux réside dans la capacité de générer de l’énergie à partir des eaux usées traitées. Chaque mètre cube d’eaux usées contient quatre fois la quantité d’énergie utilisée pour être purifié ; ainsi, une station d’épuration pourrait donc théoriquement produire plus d’énergie qu’elle n’en consomme. Le principe derrière cette idée est simple : nous savons aujourd’hui utiliser les éléments solides dans les eaux usées – excréments, papier hygiénique ou autres particules – pour produire de l’énergie électrique et de la chaleur, dans les usines de biogaz. Les technologies pour ce processus ont déjà fait leurs preuves, même si le potentiel de croissance n’en est qu’à ses débuts. Nombre d’acteurs étudient et testent ainsi activement de nouvelles technologies d’amélioration des volumes d’incinération des boues, sous forme de prototypes, et les premiers résultats sont plus que prometteurs.
Il faudra pourtant passer de nombreux obstacles avant de pouvoir exploiter le plein potentiel des eaux usées pour la production d’énergie. Il nous faudra notamment réussir à augmenter massivement la part des solides extraits des eaux usées, avant le processus de purification. Pour ce faire, on peut envisager par exemple l’ajout de polymères pour l’agrégation des boues.
L’un des problèmes fondamentaux dans l’avenir des systèmes de traitement des eaux est l’efficacité énergétique. D’un côté, les dirigeants politiques imposent constamment des réglementations environnementales de plus en plus strictes aux exploitants de stations d’épuration ; de l’autre côté, ces derniers doivent lancer des mesures pour contrer la hausse des prix de l’électricité. On the other, they have to introduce efficiency measures to counteract rising electricity prices. To understand the importance of energy efficiency in waste water treatment tanks, it helps to take a look at the energy balance of a treatment plant.
Les quelque 10'200 usines de traitement des eaux usées situées en Allemagne affichent une consommation électrique annuelle totale d’environ 4400 gigawatt heures (GWh) ; ce nombre correspond à une consommation de 35 kWh/équivalent habitant par an. This corresponds to a specific consumption of 35 kWh/population equivalent per year. Waste water treatment plants therefore still près de 0,7 % de la puissance consommée en Allemagne.
Principal consommateur de la quasi-totalité des stations d’épuration des eaux usées ayant des processus de gestion des boues : le système d’aération. Si la part de puissance électrique consommée par les usines à stabilisation aérobie de boues oscille entre 60 % et 80 %, elle reste aux alentours de 50 % pour les usines de 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 :
Un aperçu de la consommation électrique moyenne de ces centrales montre que le plus grand potentiel de réduction de la consommation énergétique réside dans la qualité d'aération des bassins et dans les stations de pompage fonctionnant en permanence ; par exemple l’arrivée, le mécanisme de levage intermédiaire et le circuit de recirculation interne. La ventilation des bassins d’aération joue le rôle le plus essentiel, nous nous pencherons donc plus en détails sur ce sujet un peu plus tard.
L’augmentation du rendement énergétique des bassins d’aération et l’utilisation de boues ou de gaz de putréfaction pour produire de l’énergie et de la chaleur ne sont pas les seules mesures sur la voie du traitement des eaux dans le futur. Nous constatons des potentiels supplémentaires, par exemple dans l’intégration des filières d’énergies renouvelables au sein des systèmes des stations de traitement.
Le client pourra par exemple choisir d’installer des panneaux solaires ou des éoliennes sur les sites abritant des usines de traitement des eaux usées, pour améliorer le rapport entre l’énergie produite et la consommation totale d’énergie. Mais il faut garder à l’esprit que ces mesures sont soumises aux mêmes contraintes que pour les autres sites et que la rentabilité de l’investissement dépend des conditions environnantes, à l’instar du niveau d’ensoleillement local et des conditions de vent. Si le recours aux capteurs solaires pour produire de la chaleur présente un intérêt particulier pour les installations sans digestion des boues, cette approche ne devrait jouer qu’un rôle secondaire à l’avenir. Les installations ayant fait le choix de la stabilisation aérobie des boues sont généralement déjà confrontées à un excès de chaleur estival, ce qui rend la mesure inutile pour ce type de station d’épuration. D’autres mesures pour un traitement de l’eau écoénergétique dans le futur devraient concerner l’énergie hydroélectrique dans les arrivées et sorties des installations de traitement des eaux. La hauteur de chute disponible étant faible et la quantité d’énergie générée ne justifiant ni l’effort de construction, ni les dépenses qui en découlent, cette approche n’offre qu’une faisabilité limitée.
C’est notamment dans le cas de grosses installations avec incinération des boues qu’il est recommandé de recourir aux débris captés par les dégrilleurs comme source de carburant supplémentaire pour augmenter d’autant plus le rendement 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.
grâce à une consommation d’énergie élevée. Selon le type de station d’épuration, le processus d’aération représente entre 60 % et 80 % des besoins énergétiques totaux, l’aération est donc un critère absolument central pour les systèmes de traitement des eaux de demain.
Pour comprendre pourquoi les bassins d’aération consomment une telle quantité d’énergie, jetons brièvement un œil sur les processus d’un système de nettoyage biologique. Les bassins d’aération débarrassent les eaux usées mécaniquement pré-clarifiées des substances organiques comme les phosphates et autres composés azotés. Ce sont des micro-organismes tels que des bactéries qui assument ce rôle de décomposition.
Pour éliminer biologiquement les phosphates des eaux usées, la teneur en oxygène de la première partie du bassin doit rester pauvre. On va ensuite introduire une grande quantité d’oxygène dans les eaux usées à l’aide d’air comprimé. Grâce à l’oxygène présent, les bactéries se multiplient rapidement, puis les phosphates se combinent avec les boues biologiques sous l’effet d’un précipitant dissous. Les boues se décomposent alors au sein des bassins de traitement secondaire avant d’être réinjectées dans les bassins d’aération, ou refoulées vers le système de traitement des boues. Ce processus nécessite une grande quantité d’énergie du fait des volumes considérables d’air comprimé devant être introduits.
Les technologies d’aération visent à fournir une alimentation en air adaptée à la demande, pour gérer de fortes fluctuations dans les profils de charge et les niveaux de contamination. Les stations de traitement des eaux usées vieillissantes sont souvent équipées de technologies de surpresseurs qui fournissent une quantité constante d’oxygène quelle que soit la charge en cours, que cela soit nécessaire ou non. Le défi va donc consister à, d’une part, mettre en œuvre un système d’aération basé sur la demande et d’autre part, à fournir des plages de charge partielle de manière la plus efficace possible.
Pour délivrer l’énergie nécessaire aux bassins d’aération, AERZEN se base sur un portefeuille de produits qui inclut une ou plusieurs technologie(s) de surpresseurs, en réponse aux besoins spécifiques de chaque installation de traitement des eaux usées. Cette approche permet, pour le client, de cibler un rendement maximal tout en exploitant pleinement le potentiel d’économies qui en résulte.
La gamme se compose turbocompresseurs, les surpresseurs à pistons rotatifs et les compresseurs à vis Delta Hybrid. 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 hybrid, le compresseur à vis basse pression offre les avantages combinés 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 le ou les dimensionnement(s). Le client pourra aussi sécuriser des économies supplémentaires grâce à un système de contrôle-commande global intelligent.
L’expérience a montré qu’un système d’aération optimisé peut assurer des économies d’énergie importantes. Par exemple, en installant un turbocompresseur Aerzen avec un Delta Hybrid, la station d’épuration de Rheda-Wiedenbrück est parvenue à économiser 40'000 euros de coûts énergétiques par an.
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