Lorsque des rénovations s'imposent aux stations d’épuration, les restrictions réglementaires de plus en fortes imposées aux teneurs maximales en ammonium, en nitrate et en phosphate poussent à prendre la décision d’investir. Si cela est une question de budget, au regard de la protection du climat et des finances, cela vaut la peine d’inclure l’efficacité énergétique dans les plans. Étant donné que le coût d'approvisionnement en air de l'aération représente souvent plus de 70 % des coûts d’exploitation, il est très vite évident que les gains en efficacité énergétique dans ce procédé sont rentables, avec rentabilisation rapide et importante de l'équipement. La station d’épuration de Rheda-Wiedenbrück (population équivalente de 326 000 habitants) a précisément suivi cette démarche. Elle met actuellement à l'essai un tout nouveau concept de contrôle de surpresseurs d'AERZEN, l’AERsmart, un système permettant la combinaison optimale de machines différentes.
En 2013, les travaux de modernisation de l’usine de traitement d’eaux usées ont commencé. Les habitants de la région de Rheda-Wiedenbrück et le plus grand abattoir de porcs d’Allemagne y sont raccordés. Un des objectifs du projet consistait à délivrer de l’air au procédé de traitement biologique de façon beaucoup plus efficace, en remplaçant les anciennes grilles de ventilation par de nouvelles grilles, tout en plaçant ces grilles 30 cm plus profonds par rapport au niveau du sol des bassins d'aération. « Si on prend en compte la surface des six bassins, nous avons pu augmenter notre volume de traitement de plusieurs centaines de mètres cubes », nous explique Hendrik Wulfhorst, directeur de l'usine d’épuration. Le fait de positionner les grilles de ventilation 30 cm plus profonds a entraîné une augmentation de la pression de service de 30 mbar, augmentation dont il a fallu tenir compte lors du dimensionnement et du choix de la technologie de surpression.
Avant la modernisation de la station de traitement des eaux usées, le procédé biologique consistait à délivrer en continu un excédent d’oxygène dans les bassins, en particulier pour couvrir en toute sécurité les fluctuations des débits d’eaux usées à traiter en provenance de l’abattoir. Enfin, pour réduire les coûts d’exploitation et les émissions de CO2 associées, un objectif clair du projet consistait à coupler à l’avenir de façon bien plus étroite l’aération des bassins et la variation de charge en eaux usées et la variation du besoin en oxygène en résultant. La première étape a consisté à ajuster en continu la vitesse des quatre surpresseurs d'AERZEN en fonction du besoin en air.
Les valeurs de consigne sont générées par le PLC (automate programmable) à partir des données mesurées dans les eaux usées, principalement sous la forme de concentrations en ammonium et en nitrate. En complément, un système de contrôle intelligent régule l’ouverture des vannes de régulation de débit à diaphragme. Ces vannes se ferment lentement lorsque la saturation en oxygène dans l’eau des bassins respectifs est atteinte. Afin d’éviter que cette fermeture de vanne n’entraîne plus de résistance et une augmentation de la pression de service dans la tuyauterie, le PLC réduit en parallèle la pression de consigne. « Autrement, nous détruirions le gain énergétique en utilisant des vannes de régulation de débit à diaphragme, car en cas de régulation par pression constante, les surpresseurs doivent fonctionner contre les pertes de charge générées par les vannes de régulation à diaphragme. Grâce à une commande de pression à curseur, nous faisons la régulation de façon bien plus intelligente et efficace », déclare Markus Haverkamp, ingénieur de projet de la société de planification aquaconsult. Pour la charge de base du traitement biologique, qui est constitué d’un circuit de trois étages de purification avec des bassins successivement aérés et non aérés, le bureau d'ingénierie basé à Hanovre (chargé de la planification et de la construction) a entre autres choisi une soufflante turbo haute vitesse d'AERZEN.
La soufflante turbo haute vitesse de type AT 150-0.8S-G5 délivre un débit volumique de 4 800 mètres cubes par heure avec un moteur d’une puissance nominale de 143 kW pour une pression d’aspiration de 1 bar abs et une pression de refoulement de 1,8 bar abs. Pour Cord Utermann, ingénieur commercial chez AERZEN, les soufflantes turbo haute vitesse sont des machines parfaitement adaptées pour couvrir à moindre coût énergétique le besoin de base, et fonctionner en permanence à leur point de dimensionnement, car elles présentent alors un rendement optimal. « Comme pour toute technologie de type soufflante turbo haute vitesse, l’efficacité énergétique chute dès que les machines fonctionnent en charge partielle », explique M. Utermann. Par conséquent, des solutions doivent être conçues afin d’épurer avec la même efficacité énergétique des eaux usées plus ou moins chargées en polluants, en fonction du moment de la journée. L’optimisation de l’efficacité énergétique d’une usine de traitement des eaux usées implique que le besoin d’air supplémentaire par rapport à la charge de base soit couvert par des machines volumétriques telles que des surpresseurs à déplacement positif et des compresseurs à pistons rotatifs. Ces technologies sont performantes sur une large plage de régulation de débit allant de 25 % à 100 %, y compris lors du fonctionnement en charge partielle. Deux groupes complets d'AERZEN de type Delta Hybrid (D 62 S) et un surpresseur Delta (GM 80 L) font donc également partie du système d’association de machines imaginé à l’usine de traitement des eaux usées de Rheda-Wiedenbrück.
AERZEN a mis au point le AERsmart afin que ce quartet ne couvre pas seulement l’oxygène nécessaire aux réservoirs d’aération grâce à un procédé sécurisé, mais génère aussi le volume d’air nécessaire de manière efficace en termes d’énergie dans le système composé. D’après Cord Utermann, « l’art de l’ingénierie du contrôle consiste à créer les transitions entre les domaines d’exploitation qui se chevauchent de façon aussi souple que possible et de façon à économiser de l’énergie lors de chaque charge possible, c'est-à-dire à combiner les différentes machines de façon optimale ». D’après Markus Haverkamp, cela résulte du fait que « chaque charge respecte les besoins réels ». « Il y a toujours des pics ascendants et descendants. » Comme trois machines différentes avec des fourchettes de fonctionnement et des efficacités différentes sont utilisées dans l’usine de traitement des eaux usées de Rheda-Wiedenbrück, leur fonctionnement doit être coordonné afin que « le nombre d’opérations de démarrage soit aussi faible que possible. En effet, les démarrages et arrêts répétitifs augmenteraient l’usure », précise l’ingénieur de projet d’aquaconsult. « La distribution efficace de l’air entre les bassins d’aération (régulation par pression à curseur, en fonction de la teneur en NH4-N par exemple, du débit d’eau, etc.) et la sélection de la machine la plus efficace s'avèrent nécessaires pour atteindre l’efficacité globale maximale. Cette mise en œuvre est possible grâce au nouveau système de contrôle d'AERZEN. »
La demande en oxygène au cours des trois étages de nettoyage constitue la base de l’optimisation du système de contrôle avec le contrôle AERsmart. Les indicateurs principaux sont traités par l’automate central de l’usine et la pression de service cible est transférée par Profibus au système de contrôle des surpresseurs. L’AERsmart recherche alors la combinaison énergétique optimale des quatre machines. « La soufflante turbo haute vitesse exploitée ici atteint par exemple le meilleur rendement lorsqu’elle est chargée à 83 % », explique Cord Utermann. Si le besoin en air est inférieur, il peut s’avérer plus efficace d’éteindre la machine dédiée à la couverture de la charge de base et de couvrir le besoin en air relativement faible à l’aide des deux compresseurs Delta Hybrid. « Nos bactéries se soucient bien peu de la provenance de l’oxygène », dit Hendrik Wulfhorst en souriant. Le directeur de l’usine de traitement des eaux usées souligne cependant que la soufflante turbo haute vitesse a été prévue avant la modernisation afin qu’elle puisse couvrir les besoins quotidiens « normaux ».
L’usine de traitement des eaux usées de Rheda-Wiedenbrück pourrait provisoirement économiser environ 30 % de l’énergie biologique grâce à des surpresseurs optimisés en termes d’énergie et à un contrôle de procédé relativement simple, mais lié plus étroitement aux valeurs réelles. AERsmart fournit de cinq à huit pour cent de plus grâce à l’optimisation du niveau du surpresseur. Le test sur place de l’usine de traitement des eaux usées permettra de déterminer la valeur exacte au cours d’une phase de fonctionnement plus longue. Rheda-Wiedenbrück est la première usine de traitement des eaux usées en Allemagne qui teste l’AERsmart dans des conditions réelles. « Nous devons constater les résultats sur place, car c’est la seule façon de mettre au jour les connexions complexes d’une usine de traitement des eaux usées; cela ne peut pas être reproduit lors d’un banc d'essai. C’est pour cette raison qu’une collaboration étroite avec nos clients est tellement importante. En effet, c’est le seul moyen d’avoir une référence d’application pour des développements futurs », résume Cord Utermann.
