Stations d'épuration : combiner performance et efficience énergétique

Vingt ans. C’est le temps qui se sera écoulé entre le premier choc pétrolier et l’émergence des premiers vrais efforts d’optimisation au sein des stations de traitement d’eaux usées. Sans surprise, le mouvement apparaît aux États-Unis. Plus curieusement, il n’est pas au départ directement relié au coût de l’énergie mais plus généralement au sentiment diffus selon lequel des investissements colossaux ont été réalisés sur

Des installations dont les performances sont bien souvent inférieures aux attentes.

Le renchérissement du coût de l’énergie modifiera peu à peu les motivations de départ pour devenir rapidement l’une des dimensions essentielles de la démarche.

La réduction de l’empreinte carbone de ces ouvrages renforcera ensuite le cahier des charges des exploitants en la matière.

Aujourd’hui, tout le monde est d’accord : d’ici 2030, alors que la demande d’électricité sera multipliée par deux, les ouvrages de gestion de l’eau, au premier rang desquels les stations d’épuration, devront avoir divisé par deux leur consommation en énergie et leurs émissions de CO₂ pour limiter les effets du réchauffement climatique et optimiser leur compte d’exploitation dans un contexte financier bien plus contraint.

Au plan technique, l’objectif ne pose pas de problème particulier. À condition de ne partir de rien et de pouvoir choisir le procédé le plus adapté. Deux conditions rarement réunies.

La méthanisation (voir à ce sujet notre dossier dans EIN n° 369) fait partie des procédés en vogue. « Au niveau du traitement des effluents, si on la compare à son principal “concurrent” qui est le traitement aérobie, elle présente l’avantage de ne pas consommer l’énergie qui est utilisée pour transférer l’oxygène en aérobiose par exemple, souligne René Moletta de Moletta Méthanisation. Elle en produit plutôt et génère dix fois moins de boues, ce qui est particulièrement intéressant quand on sait la difficulté de trouver des exutoires ou le coût que leurs éliminations. Surtout, elle élimine jusqu’à dix fois plus de pollution par volume de réacteur et par unité de temps. »

Les technologies dans le domaine des traitements aérobies ont également beaucoup progressé et les programmes de recherche se multiplient. Suez Environnement travaille par exemple avec le Danish Hydraulic Institute et la Nanyang Technological University pour optimiser les filières de traitement des eaux usées et développer la fameuse station à énergie positive. L’essentiel des travaux menés repose sur une nouvelle filière de traitement associant des systèmes intensifs par boues activées, couplés à une production de biogaz par digestion anaérobie. L’autosuffisance de la station

Passerait à la fois par une réduction des consommations d’énergie dans la filière eau et par une augmentation de la production d’énergie dans la filière boue. À Budapest, Veolia Eau, via sa filiale Viz, est parvenu à atteindre l'autosuffisance en produisant un biogaz qui subvient aux besoins de la station.

Les bilans carbone s’améliorent également. Aquaviva, la nouvelle station d’épuration de Cannes construite par Degrémont (300 000 EH) revendique un bilan carbone neutre, sans émission de gaz à effet de serre grâce à l’optimisation de sa consommation énergétique (BRM Ultrafor®), aux procédés industriels de production d’énergies renouvelables et aux actions de compensation.

Le carbone neutre est à portée de main. Cette mue, inexorable, représente à l’évidence le futur des stations d’épuration.

Mais parce qu’il concerne l’existant, le défi qui attend la plupart des exploitants est d’une autre nature. Il consiste à tirer le meilleur parti possible d’installations, parfois anciennes, dont on ne peut modifier le mode de fonctionnement qu’à la marge. Il faut alors réduire les coûts en améliorant les pratiques. La logique consiste à s’attaquer en priorité aux procédés les plus gourmands en énergie.

S’attaquer en priorité aux procédés les plus gourmands en énergie

L’aération, à la base des procédés aérobies, les plus répandus, est l’un d’eux (voir à ce sujet notre dossier dans EIN n° 368). « Elle représente à elle seule de 70 à 80 % de la consommation totale d’une station d’épuration à boues activées », rappelle Christophe Haumont, responsable Technico-commercial Cycle de l’Eau chez Wilo Salmson France. Un chiffre qui justifie que l’on se penche de très près sur la question.

Premier poste à examiner en priorité, la production d’air comprimé, à la base de tout procédé d’aération. La nouvelle génération de surpresseurs ou compresseurs qui permet de s’approvisionner en air basse pression (0,5-1 bar) ouvre la voie à de grosses économies, de l’ordre de 15 à 25 % selon les volumes et la technologie choisie. Atlas Copco revendique, avec sa gamme de compresseurs à vis ZS, une consommation en moyenne de 30 % inférieure à celle de surpresseurs à lobes. Les compresseurs à vis basse pression Delta Hybrid et les turbocompresseurs à moteur à aimants permanents de chez Aerzen annoncent un rendement réel supérieur de 15 à 20 % à celui d’un surpresseur traditionnel. Robuschi, avec Robox Screw®, une nouvelle génération de compresseurs à vis sans huile, basse pression, revendique un rendement supérieur à 85 % qui permettrait de réaliser environ 30 % d’économies sur les technologies classiques. Kaeser a réussi de son côté à transposer dans les basses pressions la technique éprouvée qui permet déjà à ses compresseurs à vis de réaliser des gains énergétiques substantiels en produisant plus d’air comprimé avec moins d’énergie. Les nouveaux surpresseurs à vis Kaeser sont jusqu’à 30 % plus efficients que les surpresseurs à pistons rotatifs conventionnels. La commande intégrée Sigma Control 2 propose de nombreuses fonctions de surveillance et facilite la connexion du surpresseur à des réseaux de communication. Les stations de surpresseurs bénéficient du nouveau système de gestion Sigma Air Manager (SAM) doté d’un logiciel spécial pour les surpresseurs, conçu pour augmenter la productivité et les économies d’énergie. La technologie avancée du bloc-vis pro-

Le nouvel agitateur semi-rapide 4530 Flygt de Xylem combine 3 pales à profil optimisé d’un diamètre de 1,2 mètre avec une vitesse de rotation entre 90 et 150 t/mn afin d’offrir les meilleures performances en termes de rendement et de fiabilité.

fitera à de nombreuses applications notamment en traitement des eaux usées. Les surpresseurs EBS, de fabrication allemande, sont faciles à installer, fiables en service permanent, robustes et d’une grande longévité. Grâce à la disposition judicieuse de leurs composants, ils peuvent aussi bien être installés contre un mur que côte à côte et ils sont faciles à entretenir.

Quant aux turbocompresseurs, ils affichent des progressions du même ordre. Le HST 20 de Sulzer Pumps Wastewater, un turbocompresseur à aimant permanent piloté par un variateur de fréquence (débits allant de 2000 à 9000 m³/h), affiche 30 % de gain par rapport aux turbocompresseurs classiques. Compair, Kaeser, Eaton ou Continental Industrie annoncent des chiffres analogues. Tous revendiquent un retour sur investissement tournant autour de deux ans. Il ne faut donc pas hésiter à renouveler les équipements en gardant constamment à l’esprit que la consommation d'un compresseur représente, sur une durée d'exploitation de 8 ans, environ 90 % de son coût global, les 10 % restants se répartissant entre la maintenance et le coût d’achat. Reste que produire de l'air comprimé n’est pas tout. Il faut également optimiser les pressions de travail, mieux diffuser et réduire les pertes de charge. Et remettre en cause les équipements sans forcément pouvoir jouer sur les modes de diffusion ou sur les dimensionnements.

Comme la plupart des équipements électromécaniques, les aérateurs bénéficient de moteurs de classe IE3, éligibles au certificat CEE de basse consommation. Les turbines, dispositifs d’aération et de brassage s’affinent également. Chez Sulzer, l’optimisation des hélices et le moteur IE3 du flow booster XSB permet d’afficher jusqu'à 43 % de gain sur une station d’épuration en exploitation. L’agitateur semi-rapide 4530 Flygt (groupe Xylem) divise par deux le coût énergétique, comparé aux agitateurs compacts à vitesse rapide grâce à la combinaison de ses 3 pales à profil optimisé d’un diamètre de 1,2 mètre, et d'une vitesse de rotation entre 90 et 150 tr/min.

Invent insiste de son côté sur la primauté des coûts d’exploitation par rapport aux coûts d’achat. L’agitateur-aérateur Invent Hyperclassic, plus cher à l’achat que ces concurrents, se positionne grâce à des coûts d’exploitation maîtrisés. Il est équipé d’un véritable agitateur. « En cas de syncopage, sa vitesse de rotation peut être diminuée par l’intermédiaire d’un variateur ce qui permet de réduire la consommation d’énergie jusqu’à 75 % » souligne Jantoon Reyers chez Invent. La maintenance, poste trop souvent négligé, a également fait l’objet d'un soin particulier : « aucune pièce d’usure ne se situe sous la surface de l’eau ».

Un changement d’équipement judicieux peut influer notablement sur les coûts d’exploitation. Sur la station d’épuration de Drøsbro au Danemark (10000 EH), Grundfos a pu mettre en évidence un gain éner-

Une économie énergétique de 50 % a été observée en remplaçant des agitateurs vitesse moyenne à petite hélice par des agitateurs petite vitesse à grande hélice, sans modifier le champ d’écoulement au sein du bassin. Sur une station d’épuration du Grand Ouest (600 000 EH), Wilo Salmson France a pu mettre en évidence une économie sensiblement équivalente en remplaçant 50 agitateurs par des agitateurs Megaprop TR 321 à trois pales de 2,10 m de diamètre. « Grâce à leurs pales résistantes de grand diamètre ainsi qu’à leurs formes, ils offrent de bonnes valeurs de poussée et répondent aux critères de réduction des coûts énergétiques définis par la norme ISO 21360 portant sur le rapport entre efficacité d’agitation et consommation d’énergie », souligne Christophe Haumont.

Une économie de l’ordre de 30 % a également été réalisée en remplaçant les agitateurs ancienne génération par des agitateurs grandes pales sur une importante station d’épuration dans les Côtes-d’Armor.

Mais l’équipement ne fait pas tout. Son adaptation à la configuration des chenaux et bassins et sa mise en œuvre sont tout aussi primordiales. Traiter conjointement le couple aération-agitation est tout aussi essentiel. « Pour obtenir le meilleur ratio possible, il est essentiel de réaliser une étude globale incluant la production d’air comprimé, la diffusion et l’agitation », insiste Christophe Haumont chez Salmson Wilo France. L’entreprise s’est dotée il y a quelques mois d’une cellule technique dédiée, capable d’apporter une expertise complète aux exploitants qui le souhaitent.

Atlantique Industrie joue de son côté sur le couplage de différents types d’appareils pour augmenter les rendements d’oxygénation. Hydroéjecteurs, turbines flottantes et agitateurs submersibles se combinent en fonction des configurations des chenaux et bassins.

En matière d’aération, la régulation est aussi un point clé. Elle repose le plus souvent sur l’analyse en continu des paramètres nitrates et ammonium pour ne produire que la quantité d’oxygène nécessaire au bon moment. Les grands exploitants l’ont bien compris et ont développé des procédés reposant sur les seuils et/ou sur les évolutions des paramètres [N-NH₄] + [N-NO₃] ou O₂ : Amonit® chez Veolia Eau (redox/O₂) mis en œuvre à Prades (15 000 EH) ou St Quentin (150 000 EH), Greenbass® chez Degrémont qui tourne à Dijon (400 000 EH) ou Tournus (10 500 EH) et Ammonair® chez Saur (NH₄/O₂), déployé à Nîmes ou Quimper. Gains constatés : entre 10 et 15 % de l’énergie consommée.

Mais l’arrivée de sondes ISE pour la mesure de l’ammonium et du nitrate, fiables, plus simples à utiliser que les analyseurs, ne nécessitant que peu de maintenance, proposées par Hach-Lange, Endress+Hauser ou WTW du groupe Xylem a marqué une rupture en matière de régulation de l’aération même dans les petites stations. Le procédé développé par Hach-Lange, testé par Lyonnaise des Eaux sur la station d’épuration du SIA Marolles-Saint-Vrain (91), d’une capacité de 22 000 EH, a mis en évidence une économie d’énergie du poste aération de l’ordre de 15 % comparativement aux dépenses enregistrées avec une régulation traditionnelle (redox/oxygène).

Ces résultats, rapportés à l’importance de la consommation de la filière aération en boues activées, justifient l’importance particulière accordée à ce poste.

cuillère qui doit être apportée à ce poste.

Le coût du pompage est un autre poste important dont les progrès enregistrés ces dernières années justifient bien souvent une remise à niveau.

Pompage : une remise à niveau souvent avantageuse

Là encore, il n'est pas inutile de rappeler une réalité : entre 85 et 95 % des coûts de possession d'une pompe sont liés à l'énergie qu'elle consomme. Ce postulat impose bien souvent un réexamen attentif du parc pour qui veut soigner ses coûts d'exploitation.

Les avancées enregistrées ces dernières années sont de deux ordres.

La généralisation de moteurs de la classe IE3 (rendement premium) permettant de réaliser des gains. De quelle ampleur ? La plupart des constructeurs s'accordent pour considérer que le passage, pour les moteurs de 10 à 100 kWh, de la classe IE2 vers la classe IE3, permet d'améliorer le rendement d'une pompe de 3 à 5 %. Un chiffre qui peut paraître faible au premier abord mais qui s'applique aux 95 % des coûts de possession d'une pompe, ceux qui sont liés à l'énergie qu'elle consomme et qui doit être multiplié par le nombre de moteurs présents sur une station d'épuration. Selon certaines simulations, le retour sur investissement sur l'achat d'un moteur à haut rendement serait en moyenne de 2 ans pour un moteur de 15 kWh fonctionnant 3000 heures par an.

Et il est possible d’aller au-delà. « Près de la moitié de l'énergie électrique produite en France est consommée par l'industrie. Une part importante de cette consommation de courant – environ deux tiers – est imputable aux entraînements électromécaniques. Ces composants représentent donc le levier le plus efficace de l'accroissement de l'efficacité énergétique », souligne Philippe Chatel chez Lenze. Weg, tout comme Sew Usocome, proposent une offre IE4 à travers leurs moteurs à aimants permanents. Avec sa gamme de motovariateurs synchrones à aimants permanents Dyneo®, Leroy Somer revendique des niveaux de rendement supérieurs à la classe IE4. Au Danemark, par exemple, sur la station d'épuration Horsens Vand, le remplacement récent de trois pompes d'eaux usées a permis de réaliser des économies évaluées à 20,5 % en termes de kWh consommés par tranche de 1000 m³. La solution qui a permis cette économie d'énergie se compose de pompes Hidrostal et de moteurs électriques Leroy Somer associés à des variateurs de vitesse Powerdrive.

Les offres devancent donc largement les

Exigences de la réglementation. Les gisements semblent importants. ABB a récemment présenté un moteur synchrone à réluctance, plus simple, plus compact, plus robuste, présentant l’avantage de supprimer l’essentiel des pertes rotoriques qui représentent jusqu’à 35 % des pertes totales. La technologie à réluctance variable permet également d’atteindre les niveaux de rendement IE4, tout en supprimant les aimants permanents des moteurs. La gamme couvre pour l’instant les puissances de 11 à 315 kW.

Avec son concept Blueflux®, Grundfos associe des moteurs à haut rendement avec des systèmes d’entraînements à fréquence variable (moteurs MG, MGE et CUE) et avance des économies pouvant aller jusqu’à 50 % avec une durée d’amortissement généralement inférieure à deux ans. Le moteur à réluctance SuPremE® de KSB répond déjà aux exigences de la classe de rendement IE4. Points forts : son rendement « super premium » en pleine charge, mais surtout ses rendements élevés en charge partielle, la majorité des moteurs fonctionnant à seulement 60 % en moyenne de leur charge nominale. Gains annoncés, jusqu’à 30 % grâce au moteur lui-même et jusqu’à 60 % grâce à la VEV PumpDrive intégrée.

La variation de fréquence profite du mouvement pour apporter aux exploitants des fonctionnalités supplémentaires. Exemple chez Schneider Electric avec la gamme Altivar 61 et leur nouveau Altivar Process 600 qui s’enrichit de nouvelles possibilités avec 2 cartes destinées aux applications liées à l'eau, ainsi que la centrale de mesure intégrée de la consommation électrique, ou encore chez Vacon avec le Vacon 100 Flow qui intègre des fonctions innovantes de contrôle de débit ainsi qu’une fonction de nettoyage automatique pour prévenir un éventuel bouchage. Même démarche chez Danfoss, dont le VLT® Aqua Drive FC 202 est équipé d'une fonction de décolmatage automatique.

Chez Fuji Electric, le Frenic Aqua intègre également des fonctions évoluées pour le contrôle et la régulation des pompes et surpresseurs.

Les systèmes DIP de Side Industrie intègrent la variation de fréquence depuis bientôt 15 ans et sont tous éligibles au CEE. « Les consommations de nos systèmes sont mesurables par le client en temps quasi-réel sur l’appli Web OmniDIP® », souligne Stéphane Dumonceaux, Pdg de Side Industrie. Le développement des impulseurs à Vortex ouvert, puis T2 et T4, puis DIPCUT®, tous étudiés pour fonctionner à vitesse.

Variable, porte sur les deux sources d’économie en pompage d’eaux chargées : le maintien du niveau de rendement dans le temps et l’embouchabilité. Ce dernier point pouvant annihiler à lui seul tous les gains offerts par le renfort technologique de l’électronique ».

Side Industrie propose également des moteurs à rendement Premium combinés à des variateurs. Mais c’est le concept même du pompage par marnage que l’entreprise met en cause depuis 10 ans par rapport aux enjeux modernes.

« Les concepteurs qui choisissent encore une pompe pour son meilleur point de rendement devraient réaliser qu’elle n’y reste que quelques secondes en vidant le marnage d'un poste, analyse Stéphane Dumonceaux. Le pompage modulé au fil de l’eau du DIP Système® est de base 15 à 20 % moins gourmand en énergie élévatoire dans 80 % des cas, et ce, constamment. Certains clients nous rapportent même des gains entre 50 et 65 % d’énergie par rapport à leur pompage en marnage précédent ».

Ces innovations rejoignent le deuxième axe de progrès, l’optimisation des hydrauliques, qui progressent encore et permettent là aussi de gagner quelques points de rendement. Pour Christophe Haumont, Wilo Salmson France, « c’est sur la partie hydraulique que se situent les gisements d’économies les plus importants ».

Chez Wilo Salmson allie le rendement d'une roue monocanal avec la capacité à faire passer les fibres et les particules des roues vortex. Chez Grundfos, la roue S-tube®, de passage allant jusqu’à 160 mm équipe les gammes de pompes SE et SL avec des débits pouvant aller jusqu’à 1 000 m³/h et 70 mCE (puissance 1 à 30 kW). Chez Xylem, le lancement de Flygt Experior™ élargit la gamme de pompes « Adaptive N », désormais disponible sur les pompes N d'une puissance comprise entre 1,3 et 7,4 kW et optimise les caractéristiques autonettoyantes de la technologie N et les performances anti-colmatage de la roue.

Car l’objectif n'est pas seulement de gagner en rendement. Il est aussi de minimiser les risques de bouchage et de maintenir les rendements dans le temps. Les gains en énergie rejoignent ici la diminution des coûts de maintenance pour améliorer les bilans d’exploitation.

Mais comment évaluer ces gains compte tenu de la diversité des configurations et des solutions proposées ? Pour Xavier Janin, directeur commercial chez Xylem, « les gains potentiels peuvent atteindre près de 50 % d’économies d’énergie en combinant l’hydraulique, la motorisation et le pilotage des installations : environ 25 % en jouant sur l’hydraulique et sa technologie N Adaptive, 4 % sur

Xylem

La motorisation premium et en moyenne 30 % sur le pilotage optimal des installations ». Des cas d’application sur des stations en Suède, aux États-Unis, en Angleterre et en France semblent corroborer ces valeurs qui s'accompagnent bien souvent de gains en maintenance ou interventions non programmées.

Dans une station d’épuration, par pompage on entend non seulement pompage d'eaux usées ou traitées, mais également pompage de boues, pour notamment leur recirculation dans les bassins de traitement. Les pompes submersibles N Flygt de 1,3 à 70 kW sont également adaptées au pompage des boues liquides, grâce à leur capacité autonettoyante. Xylem a lancé récemment de nouvelles fonctionnalités pour faciliter l'installation, le montage, le démontage de ces pompes en fosse sèche, ce qui est souvent le cas des installations de pompage de boues en STEP. Ainsi, les exploitants peuvent également optimiser leur consommation énergétique sur les postes de pompage de boues.

Les pompes à rotor excentré, pompes à lobes, dilacérateurs progressent également. Le stator iFD de la nouvelle génération des pompes à rotor excentré Nemo® de Netzsch est composé d’une enveloppe rigide en aluminium et réutilisable dans laquelle vient se loger la partie élastomère Nemolast®. Avantages : un couple de démarrage réduit et des économies d’énergie (moins de puissance requise pour les mêmes performances). De même, la nouvelle Tornado T2 est à la fois plus compacte, plus facile d’entretien et plus performante. L'innovation réside dans la conception de ses lobes en métal et de son corps avec coque en élastomère. L'alignement précis entre le corps et les lobes résultant d'une partie statique en élastomère et de la partie rotative en métal contribue à éviter un débit pulsatoire même en utilisant de simples bi-lobes. Évitant les frottements, ce concept appelé « Netzsch PRS Pulsation Reduction System » présente l’avantage d’économiser de l’énergie lors du fonctionnement de la pompe.

Les boues : consommer moins d’énergie, faute d’en produire

On laissera de côté la méthanisation des boues d’épuration, traitée dans EIN n° 369, qui permet une réduction des volumes de boues, donc une réduction des coûts de transport et d’élimination, tout en produisant un biogaz valorisable, source de chaleur ou d'électricité.

Faute de valoriser les boues en énergie, il faut donc en consommer le moins possible. Malgré les progrès réalisés en matière de polymères et autres produits de conditionnement ainsi que dans le domaine des équipements de déshydratation et de séchage, le poste “boues” reste gros consommateur en énergie. C’est que l’élimination de l'eau libre demande de l'énergie : quasiment pas en épaississement gravitaire, très peu pour les tables d’égouttage, mais de l’ordre de 1,5 à 2 kWh/m3 de boue épaissie pour une centrifugeuse.

Tables d’égouttage, filtres à bandes, filtres-presses ou centrifugeuses deviennent pourtant de moins en moins gourmands en énergie.

Les centrifugeuses font partie des équipements qui ont fait le plus de progrès. Avec l'Aldec G3, Alfa Laval annonce des économies d’énergie pouvant aller jusqu’à 40 %, jusqu’à 0,50 kWh/m3 de réduction d’énergie. Le dispositif “Power Plates” qui équipe cette machine permet, à lui seul, de réduire les pertes d’énergie cinétique quand le liquide sort du bol, ce qui se traduit par une diminution de la consommation d’énergie jusqu’à 20 %. Andritz a également lancé une nouvelle série de décanteuses centrifuges permettant une réduction jusqu’à 40 % de la puissance consommée, en traitant les mêmes débits et en garantissant les mêmes performances. Les développements portent sur trois axes : un système à entraînement direct, une plaquette de niveau “TurboJet” qui diminue la perte de puissance hydraulique de l’évacuation du liquide, et une optimisation hydraulique qui réduit la puissance nécessaire à la centrifugation. Des dispositifs d’économie d’éner-

Des kits de mise à jour hydrauliques économisant 10 à 40 % de l'énergie sont également disponibles pour les nombreuses décanteuses installées.

En matière de déshydratation, on observe cependant un engouement certain vers des équipements sobres comme par exemple les presses à vis, commercialisées par Andritz, Huber, EMO, Adequatec, Alfa Laval ou Atlantique Industrie. Leur consommation énergétique (moins de 10 Wh/kg MS), leur simplicité d'exploitation et leurs faibles coûts de maintenance séduisent.

Autre alternative, peu consommatrice en énergie, proposée par IFB Environnement, Epur Nature (Groupe Syntea) ou Serpol, les Lits de Séchage Plantés de Roseaux (LSPR) qui retient de plus en plus l'intérêt des exploitants. Ils se composent de massifs filtrants constitués de différentes couches de matériaux granulaires qui reposent sur un radier. La minéralisation des boues sur les lits permet une diminution de la quantité de MS produite sur l'ensemble de la filière. Les bilans massiques montrent une réduction d'environ 30 % en boues activées à jusqu'à 50 % en matière de vidange (ANC).

Le séchage solaire ou mixte, qui ne nécessite que 250 kWh par tonne d'eau évaporée contre environ 850 kWh par tonne évaporée pour le séchage direct, séduit également. Mixte, l'énergie solaire est relayée en hiver et/ou dans certaines régions, par des planchers chauffants qui sont alimentés par différentes sources dont la géothermie (Derichebourg Aqua) ou le pouvoir calorifique de l'eau traitée. Solia+ de Veolia Eau ou Tersolair® d'Aqualter fonctionnent sur ce dernier principe. Les références se multiplient partout dans le monde et ne se cantonnent plus aux petites exploitations. Avec six serres solaires, la future station d'épuration de Chartres (200 000 éq/hab), construite par Aqualter, sera la plus grande, en France, à utiliser un tel procédé.

Les procédés thermiques, dont la consommation importante en énergie est compensée par la valorisation des boues séchées, progressent également. Thermylis® HTFB de Degrémont permet de générer de la vapeur ou de l'électricité à partir de la chaleur issue du procédé. Mis en œuvre en 2008 sur la station d'épuration de Gdansk, il génère une économie de 1 M€ par an et de 6 800 tonnes d'émissions de gaz à effet de serre.

Traquer tous les gisements à l'aide des outils d'Asset Management

L'efficacité énergétique des ouvrages d'eau et notamment des stations d'épuration est optimisée par les outils de télégestion. « Le suivi des consommations énergétiques est de plus en plus demandé sur les systèmes de télégestion afin d'évaluer le résultat des actions menées pour la diminution de la consommation en énergie, ainsi que le suivi des éventuelles productions d'énergie pour les stations disposant de panneaux solaires par exemple » souligne Alain Cruzalebes, Président de Perax. « Les automates Perax P400XI disposent du protocole de téléinformation EDF, utilisable soit directement sur liaison RS232 lorsque les compteurs en sont équipés, soit via l'interface spécialisée PXIEDF dans le cas contraire afin de réaliser un suivi des consommations et production d'énergie sur les ouvrages ».

Les outils de supervision, qu'ils s'agisse d'outils dédiés proposés par Lacroix Sofrel (PCWin), Perax (Arlequin), Schneider Electric (Kerwin, Clearscada, Aquis) ou Wit ou d'outils plus généralistes développés par Areal (Topkapi), Codra (Panorama), Arc Informatique (PC-Vue), Schneider Electric (Citec) ou Elutions avec ControlMaestro offrent tous de nouvelles fonctionnalités.

Optimiser le pompage des boues

Le pompage des effluents liquides en station d'épuration représente une part importante de la consommation énergétique. Grâce à l'optimisation du pompage des boues en fonction de leur concentration, le volume des boues pompées pourra être fortement réduit. En effet, le volume pompé contiendra des boues beaucoup plus concentrées.

Une concentration de boue augmentée et un volume de boue réduit représentent un grand intérêt spécialement lors de la production de biogaz grâce à l'utilisation des boues issues des stations d'épuration. Le biogaz est produit en chauffant les boues activées dans une enceinte close. Étant donné qu'un volume réduit de boue activée contient la même quantité de matière, le volume à chauffer dans le digesteur sera diminué, d’où une économie importante d’énergie.

L'exploitant a également pu constater une augmentation de sa production de biogaz due à l'augmentation de la concentration des boues provenant de l'épaississeur.

La fonction de base du CBX est de détecter un ou plusieurs niveaux où apparaît un changement de phase dans les bassins, ceci en allant chercher une concentration de matière en suspension prédéfinie. Cette fonction est réalisée grâce à la sonde qui va monter et descendre dans le bassin tout en mesurant la concentration des matières en suspension. Le CBX délivre un ou plusieurs signaux de sorties proportionnels au niveau des concentrations prédéfinies. Le signal correspondra par exemple au niveau d'interface entre les flottants et le niveau de voile de boue. Le CBX permet aussi d'obtenir un profil montrant la concentration en fonction du niveau dans le bassin. La possibilité de disposer d'informations concernant les niveaux des concentrations ainsi que le profil du bassin constituent un atout important. La possibilité de suivre plusieurs niveaux permet de contrôler le niveau d’eau de surface, donc toute montée de boue et évite les surverses avec rejets concentrés en matières en suspensions. Ceci, tout en contrôlant le niveau de voile de boue pour une parfaite gestion du soutirage des boues. Le mode profil permet d’avoir une image exacte de la sédimentation du bassin ainsi qu’un suivi des changements des volumes de boue.

Les bénéfices générés grâce à une augmentation de la concentration des boues ont été chiffrés chez un exploitant. Grâce à l'installation du modèle CBX de Cerlic (groupe Eletta), cet exploitant a augmenté sa concentration de boue pompée de l'épaississeur vers le digesteur de 0,7 % la première année. Le débit de l'épaississeur vers le digesteur a été diminué de 10 000 m³/an ce qui a engendré une diminution de la consommation électrique nécessaire au chauffage des boues dans le digesteur de 200 000 kWh/an.

Ils permettent d’analyser au plus près le fonctionnement des installations. Ils permettent par exemple de détecter des dérives, de générer des alarmes et d’analyser les consommations...

Tous permettent l’analyse et le diagnostic de données brutes archivées via l’élaboration de statistiques dans le cadre de rapports préétablis. Certains proposent des packs dédiés au suivi de la performance énergétique des filières les plus gourmandes.

C'est le cas du Pack EMC (Energy Monitoring and Control), développé par Areal qui propose des objets de supervision prêts à l'emploi, reconfigurables et intégrant à la fois les parties fonctionnelles et graphiques pour améliorer l’efficacité énergétique des systèmes de pompage.

Aquacalc, développé par Degrémont, est un logiciel de management dédié à l'eau, l’assainissement et l’énergie. Les opérateurs peuvent consulter en temps réel les performances de la station. Aquacalc calcule les indicateurs à forte valeur ajoutée utiles pour suivre, optimiser et rendre compte de la performance énergétique des installations. Aquacalc permet de mettre en place la norme ISO 50 001 (Systèmes de Management de l'Énergie - Exigences et Recommandations de mise en œuvre) et élaborer des Keys Performance Indicators. L'outil est déjà utilisé sur plus de 110 stations dans le monde. Ces outils sont servis par le développement de modules de communication capables de fédérer des parcs d’équipements très hétérogènes. Une supervision basée sur un réseau de routeurs industriels proposés par Ewon, MIOSBOX ou IP Systèmes permet ainsi de combiner les avantages d’une architecture centralisée (analyse et gestion multi-sites, génération de rapports et de bilans consolidés) à ceux d'une architecture décentralisée (télégestion des interventions, redondance, télédiagnostic, télémaintenance, etc.).

Ils sont complétés par le développement d'outils logiciels dédiés à la mesure et à l'analyse en temps réel des consommations qui peuvent s’intégrer aux systèmes de supervision et de contrôle existants ou être déployés en parallèle. C’est par exemple le cas de la suite Proficy® for Sustainability Metrics de GE Intelligent Platforms qui permet de mesurer puis d’analyser la consommation d’énergie au niveau d'une zone, d'un procédé ou d’une machine au sein d’une installation. Mise en œuvre sur la station d’épuration de Formellino, en Italie, elle a permis de diminuer de 28 % les consommations en énergie en quelques mois.

Rockwell Automation dispose également d'une offre étoffée. FactoryTalk VantagePoint Energy permet ainsi aux exploitants d’agréger les données de consommation énergétique mesurées sur tous les équipements électromécaniques d'une station.

Station d'épuration, surveiller l'utilisation de l'énergie et examiner les changements de comportement susceptibles d'améliorer l'efficacité énergétique et de réduire les coûts.

Ces données sont accessibles via un navigateur Web pour une machine, une ligne ou l'usine toute entière. Ils peuvent ainsi optimiser la consommation énergétique, corréler l'utilisation de l'énergie, calculer le coût de production et négocier les tarifs de l'énergie.

Ces outils ouvrent la voie à un suivi très fin de l'ensemble des consommations, à leur contextualisation, à l'envoi d'alertes ou au suivi de progrès en temps réel par rapport à des objectifs d'économie d'énergie.

Ils se diversifient. Mios a par exemple développé un logiciel de supervision d'efficacité énergétique pour mesurer la performance énergétique d'une infrastructure, d'un équipement ou d'une ligne de production par la mesure instantanée des énergies consommées (consommation d'un compresseur par exemple, électricité, eau et gaz consommé, eau brute avant traitement, eau traitée, eau consommée, eau adoucie). Le logiciel permet d'afficher en ratio consommation énergie par unité produite. Cet outil a l'avantage de pouvoir offrir simultanément une supervision locale (logiciel embarqué dans la MiosBox) ou centralisée (logiciel sur serveur).

Schneider Electric déploie de son côté des solutions spécifiques dédiées à la filière eau complètes mais surtout globales alliant tous les métiers du groupe : une solution Smart Water avec le management de l’énergie intégré. Il s’agit des matériels d’électricité et d’automatisme ainsi que des solutions de pilotage avancé de l’énergie (conseil en achat, effacement énergétique, solution software de pilotage énergétique multisites, accompagnement ISO 50 001).

Schneider Electric développe également une ingénierie financière appliquée métiers sous la forme, par exemple, de contrats de performance énergétique permettant aux exploitants d’exploiter tous les gisements possibles d’économie. L'objectif est de permettre de réduire jusqu’à 30 % le montant de la facture énergétique. Des résultats attestés par l'IPMVP, un protocole appliqué par Schneider Electric à tous ses clients, destiné à prouver les économies réalisées et vérifier que celles-ci correspondent aux chiffres convenus et annoncés en amont du projet.

Boues : résoudre l’équation entre énergie, réactifs, siccité et taux de capture

Les presses à vis avec tambour à disques Adequapress, installées en France depuis 2005, acceptent des boues diluées à partir de 3 g/l et assurent simultanément les fonctions d'épaississement et de déshydratation avec une faible consommation énergétique et des taux de capture supérieurs à 95 %.

Adequatec a toujours mis l'accent sur la qualité de son procédé basse consommation qui privilégie une consommation modérée de polymères et un taux de capture élevé (> 95 % = filtrat clair). Ce choix induit un pressage modéré qui garantit, pour des boues biologiques classiques, une siccité de l'ordre de 17 %, demande majoritaire du marché (compostage, épandage).

La société propose également une siccité garantie autour de 20 % moyennant l'ajout d’un coagulant (chlorure ferrique, sulfate d’alumine…) tout en préservant un bon taux de capture grâce à un pressage modéré.

Nous constatons aujourd'hui le retour sur le marché des presses à vis classiques avec tambours à tamis perforés, sans doute encouragées par le succès des presses à vis avec tambour à disques type Adequapress, et ce, bien qu'il existe une différence fondamentale entre les deux technologies. En effet, les tambours à tamis, de par leur conception, sont confrontés à un dilemme difficile à résoudre car des mailles trop petites se bouchent vite et des mailles trop grandes aboutissent à des taux de capture trop faibles. Avec des mailles moyennes, on peut sans doute atteindre des taux de capture moyens (entre 60 et 80 %) mais au prix d’un surdosage important de polymère dont l'effet néfaste sur la filière liquide est bien connu.

C’est pour ces raisons que les presses à tambours avec tamis proposées pour le traitement des boues vers les années 80 ont dû être retirées du marché. Pourtant, certains fournisseurs de ces presses à tamis, voulant coller aux performances annoncées par les centrifugeuses, se prévalent même d'atteindre des siccités supérieures à 18 % voire 20 % avec des boues biologiques ! Ceci est tout à fait possible pour toutes les presses à vis car il suffit d’augmenter la compression du bouchon. Malheureusement, ceci se fera automatiquement au détriment du taux de capture et de la consommation de polymères. Nous mettons donc en garde contre ce genre de surenchère qui augmente la consommation énergétique et perturbe la filière liquide. De plus, quand la demande majoritaire du marché est d'obtenir des boues déshydratées avec une siccité autour de 16 à 17 %, est-il vraiment raisonnable de consommer deux fois plus de polymères ou vingt fois plus d’énergie pour gagner 2 à 3 % de siccité ?

Abel Smati – Adequatec