Lorsque des stations d’épuration nécessitent une rénovation, la limitation réglementaire de plus en forte des teneurs maximales en ammoniaque, en nitrates et en phosphates pousse 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 de production d’air surpressé nécessaire à l’aération des bassins d’une station représente souvent plus de 70 des coûts d’exploitation, il est très vite évident que les gains en efficacité énergétique dans ce process s’avèrent payants, avec un retour sur investissement rapide et important. La station d’épuration de Rheda-Wiedenbrück (326'000 équivalents habitants) a précisément suivi cette démarche. Elle teste actuellement une conception de commande de surpresseurs AERZEN totalement nouvelle, l’AERsmart, un système permettant la combinaison optimale de différentes machines.
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 était de délivrer de l’air au process de traitement biologique de façon beaucoup plus efficace, en remplaçant l’ensemble du système de diffuseurs « 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 la station d’épuration. Le fait de positionner le système de diffuseurs 30 cm plus profond 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 adaptée.
Avant la modernisation de la station de traitement des eaux usées, le process 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 frais 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 a ajuster en continu la vitesse des quatre surpresseurs 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 ammoniaque et nitrates. En complément, un système de commande 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 régulons de façon bien plus intelligente et efficace », déclare Markus Haverkamp, ingénieur projet de la société de planification aquaconsult. Pour la charge de base du traitement biologique, qui est constitué d’un circuit de trois étapes de purification avec des bassins successivement aérés et non aérés, le bureau d’études basé à Hanovre (chargé des études et de la construction) a entre autres choisi un turbocompresseur AERZEN.
Le turbocompresseur de type AT 150-0.8S-G5 délivre un débit volumique de 4800 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 turbocompresseurs 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 ils présentent alors un rendement optimal. « Comme pour toute technologie de type turbocompresseur, l’efficacité énergétique chute dès que les machines fonctionnent en charge partielle » explique Utermann. Par conséquent, des solutions doivent être développées 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 pistons rotatifs et des compresseurs à vis Delta Hybrid. Ces technologies sont performantes sur une large plage de régulation de débit de 25%-100 % y compris lors du fonctionnement en charge partielle. Deux groupes complets AERZEN de type Delta Hybrid (D62S) et un groupe complet Delta Blower (GM80L) font donc également partie du système d’association de machines imaginé sur l’usine de traitement des eaux usées de Rheda-Wiedenbrück.
AERZEN a développé le AERsmart afin que ce quartet ne couvre pas seulement l’oxygène nécessaire aux réservoirs d’aération grâce à un process 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.-à-d. 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 projet d’Aquaconsult. « Une distribution efficace de l’air entre les bassins d’aération (régulation par pression, en fonction de la teneur en NH4-N, du débit d’eaux usées…) et une sélection de la machine la plus efficace sont néccessaires pour atteindre l’efficacité globale maximale. La mise en œuvre est possible grâce au nouveau système de commande AERZEN. »
La demande en oxygène au cours des trois étapes de nettoyage est la base de l’optimisation du système de commande 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 commande des surpresseurs. L’AERsmart recherche alors la combinaison énergétique optimale des quatre machines. « Le turbocompresseur exploité ici atteint par exemple le meilleur rendement lorsqu’il est chargé 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 le turbocompresseur a été prévu avant la modernisation afin qu’il 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 process relativement simple, mais lié plus étroitement aux valeurs réelles. AERsmart assure 5 à 8 % de plus grâce à l’optimisation du niveau du surpresseur. Le test sur site 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 de test. C’est pour cette raison qu’une coopération intensive 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.
