Surpresseurs, compresseurs, soufflantes à canal latéral, aérateurs, agitateurs' Alors que la consommation électrique des équipements utilisés dans le brassage et l'aération des bassins biologiques peut représenter jusqu'à 80 % de la facture énergétique des stations, les avancées technologiques se sont orientées principalement ces dernières années vers l'amélioration des rendements des machines. Si les performances des matériels ont progressé, la connaissance de tous les phénomènes qui conditionnent le transfert d'oxygène dans les bassins biologiques reste à découvrir pour améliorer plus encore la performance des traitements et ainsi réduire la facture énergétique.
Pour traiter les eaux usées domestiques ou industrielles, l’épuration par boues activées consiste à mettre en contact les eaux résiduaires avec un mélange riche en bactéries. Ce procédé largement éprouvé demande à la fois bras-
obtenir une teneur en oxygène dissous suffisante pour l'activité biologique.
Aération et oxygénation. Brassage pour maintenir les flocs biologiques en suspension et créer un mouvement hydraulique favorisant le transfert d’oxygène entre la biomasse et le liquide. Oxygénation pour permettre l’activité des micro-organismes utilisés dans la dégradation des composés carbonés, voire azotés. Ainsi, dans tous les cas, un procédé à boues activées comprend un bassin, avec apport d’air de manière à
L’aération des bassins peut être assurée en surface par des turbines, ou dans le fond par des aérateurs ou des systèmes de rampe de distribution de bulles d’air, complétées par des diffuseurs dits grosses bulles ou fines bulles. Ces dispositifs sont alimentés par un surpresseur, compresseur ou une soufflante… Ainsi l’air comprimé joue un rôle clé, à moyenne pression comme à basse pression. En station d’épuration, il peut être produit par deux grandes familles de machines : volumétriques (envoyant un volume déterminé d’air dans le réseau) ou dynamiques (accélération de l'air selon le principe du ventilateur).
Parmi les machines volumétriques, on distingue les surpresseurs à pistons rotatifs de type « Roots » à compression externe et les compresseurs à vis, à compression interne, plus efficaces. Parmi les machines dynamiques, on distingue les soufflantes multi-étagées type centrifuge.
le plus souvent utilisées pour des faibles hauteurs d’eau et les « turbo » (technologie des turbines d’avion). L’optimisation des dispositifs d’aération/brassage équipant les bassins d’aérobie est essentielle, d’une part pour fiabiliser le traitement des eaux polluées, et d’autre part pour limiter les coûts énergétiques liés à ce poste.
L’enjeu est considérable. Les stations d’épuration et de traitement d’eau potable consomment environ 3 % de la production électrique en France, estimée à 100 milliards de kW h. Or sur certains sites, l’aération représente jusqu’à 80 % des dépenses énergétiques de l’usine. Dans ce contexte, afin de répondre aux obligations d’économie d’énergie, et poursuivre l’objectif de réduction des gaz à effet de serre du Grenelle de l'environnement, l’innovation technologique s’est orientée ces dernières années vers la conception des machines moins énergivores. De nombreuses solutions sont actuellement proposées, dans un marché fortement concurrentiel, quasi saturé en France, mais en fort développement dans d’autres régions du monde comme au Moyen-Orient, en Chine et en Inde.
Des compresseurs de plus en plus performants
Dans une station d’épuration d’eaux usées par traitement biologique, les surpresseurs à pistons rotatifs de type Roots sont au cœur du système d’aération des bassins. Alors que le rendement de cette technologie à lobes paraît être arrivé à un palier, le paysage technologique est aujourd’hui en passe de changer sous l'impulsion du groupe Atlas Copco. Le groupe suédois propose en effet une nouvelle gamme de surpresseurs à vis ZS+ conçue pour alléger la facture énergétique des stations et leur impact sur l’environnement. Selon une étude comparative menée par l’organisme allemand indépendant Technische Überwachungs Verein (TÜV), conformément à la norme internationale ISO 1217, le nouveau ZS permet un gain énergétique de 23,8 % et 39,7 % respectivement à 0,5 bar et 0,9 bar par rapport à un surpresseur tri-lobes traditionnel. « Il s'agit donc du débit réellement disponible, net de toute perte, et non du volume aspiré » souligne Patrick Binjamin, chef de marché de la division basse pression chez Atlas Copco. Ce rendement énergétique élevé est principalement lié à la supériorité de la technologie à vis du ZS, qui à terme devrait remplacer tous les surpresseurs rotatifs à lobes de type Roots du marché. Autre point fort, le surpresseur à vis ZS comprend un système de contrôle interactif prêt à être connecté et à fonctionner. De plus, il délivre un air totalement exempt d’huile selon la norme ISO 8573-1 classe 0.
et génère de très faibles nuisances sonores avec un encombrement réduit au sol.
De son côté, Aerzen lance le Delta Hybrid, machine inédite sur le marché mondial des compresseurs à pistons rotatifs, réunissant les deux technologies, compression à vis et surpression à pistons rotatifs. « Entre la plage de pression de nos surpresseurs roots de +1 000 mb à -500 mb, et celle de +200 mb à -850 mb de nos compresseurs à vis, il y avait une place à prendre pour répondre aux besoins de pressions intermédiaires », signale Brice Ladret, président Aerzen France. « Le Delta Hybrid (110 m³/h - 4 100 m³/h) suivant la norme ISO 1217 comble désormais ce vide avec une plage de fonctionnement de -700 mb à +1,5 b. Une plage de surcroît, étendue, sachant que les surpresseurs à pistons rotatifs de par leur principe sont limités à une pression différentielle de 1 bar ». Autre avantage, avec le Delta Hybrid, les limites thermiques ont été repoussées. Des températures d’aspiration jusqu’à +60 °C permettent en effet à la machine de fonctionner à des températures très élevées et de conserver une plage de variations importante malgré une pression élevée, en vide comme en pression. Le Delta Hybrid permet par ailleurs un gain énergétique allant jusqu’à 15 %. « Il faut savoir que sur une durée de 10 ans d’exploitation, le coût énergétique d’un compresseur représente environ 90 % du coût global, les autres 10 % comprenant pour moitié son entretien et son acquisition », indique Brice Ladret. « Lors du développement du Delta Hybrid, nous avons donc accordé un soin tout particulier à son rendement énergétique. La forme des brides d’aspiration et de refoulement a permis d'optimiser le flux de gaz dans l’étage de compression et de réduire le débit de fuite interne. L’entraînement poulies/courroies/moteur permet son dimensionnement précis par rapport aux besoins de l’application, évitant le gaspillage de l’énergie ». Enfin, la machine comporte des rotors en acier forgés et usinés dans la masse assurant un jeu constant sans frottement. Dernière spécificité importante, le Delta Hybrid a été conçu sans matériau absorptif dans le silencieux de refoulement, ce qui évite les risques d’engorgements des diffuseurs de bulles et par conséquent les arrêts de production et pose de systèmes d’aération supplémentaire. Le Delta Hybrid (dont le niveau sonore a été amélioré) est en outre équipé de roulements ayant une durée de vie de fonctionnement à pression différentielle de 1 000 mb supérieure à 60 000 heures.
À noter que Continental Industrie, Ingersoll Rand Air Solutions Hibon, comme FPZ ou Robuschi fournissent également des machines adaptées au secteur de l'eau.
Turbo à vitesse variable
Se rapprochant du principe de fonctionnement des turbines d’avion, les turbo peuvent être utilisés pour les hauteurs d’eau élevées allant jusqu’à 10/11 mètres (1 bar de pression, soit, 100 000 m³/h). Leur performance est théoriquement supérieure à celle des surpresseurs traditionnels. Toutefois si leur dimensionnement est inapproprié ou si le traitement de l'eau est dégradé (fréquent lorsque les membranes des diffuseurs sont altérées), on se décale très vite de la courbe de performance optimale théorique de ces machines : leur rendement est dégradé, leur consommation énergétique augmentée, et la qualité du processus biologique altérée. Pour répondre à cette problématique, des machines turbos
Plus légères, montées sur des moteurs très haut rendement à aimants permanents, sont maintenant disponibles sur le marché. Nouveauté Aerzen, le turbo-compresseur RKR arrive sur le marché en France. « L’appareillage additionne trois avantages importants, précise Brice Ladret. La performance de son principe de fonctionnement, turbo ; la performance de ses variateurs de fréquence permettant d’optimiser son utilisation ; et celle de son moteur électrique au niveau d’efficacité très élevé. Selon des observations préliminaires, son gain énergétique par rapport à une technologie “soufflante” du même type atteindrait 15 à 20 %. Ce qui est énorme, d’où la possibilité d’amortir à court terme l’investissement (prix d’achat une fois et demie à deux fois plus important que les autres soufflantes). La taille réduite des turbos RKR, leurs niveaux sonores améliorés, leur performance énergétique optimisée font de ces machines des solutions très intéressantes aussi bien dans les stations de première monte qu’en réhabilitation. »
D’autres fabricants proposent différents appareillages dynamiques. Comme par exemple le surpresseur turbo à vitesse variable ZB VSD d’Atlas Copco, offrant également des économies significatives de coût global de fonctionnement grâce à ses rendements très élevés et ses coûts de maintenance réduits.
Cardo Flow Solutions France (ex-ABS France) présente également depuis un an un turbo-compresseur à aimants permanents, le HST 40, qui vient compléter la gamme existante de turbo-compresseurs ABS, laquelle couvre dorénavant un débit d’air allant jusqu’à 16 000 Nm³/h par machine. « Le HST 40 d’ABS bénéficie de développements technologiques significatifs, ce qui lui permet de consommer 10 % d’énergie en moins par rapport à la précédente génération qui est déjà en service depuis plus de dix ans et qui elle-même était plus économe de 30 % vis-à-vis des solutions classiques, affirme Michel Leromain, chez Cardo Flow Solutions France. Combiné à un design compact, il procure un rendement véritablement intéressant. La machine comprend un moto-variateur électrique haute fréquence à vitesse variable refroidi par air. La turbine et le ventilateur de refroidissement du moteur sont montés directement sur l’arbre moteur. Un variateur de fréquence intégré permet un ajustement de la vitesse de rotation du moteur pour maintenir un rendement optimal sur tous les points de fonctionnement. » La rotation et le guidage sont assurés par les paliers magnétiques qui permettent une annulation des frottements.
Turbo à vitesse constante
La technologie des turbo-compresseurs à vitesse constante est une technologie bien connue et également éprouvée pour les bassins d’aération. Howden a par exemple commencé à fournir ce type de compresseurs pour le traitement des eaux dans les années 1950 (Donkin Design du Royaume-Uni) et certains de ces équipements sont toujours en fonctionnement après 25 ans de service. Depuis, cette technologie a évolué et reste performante. « La conception de nos compresseurs atteint un rendement de 87 % qui reste encore inégalé à ce jour, affirme-t-on chez Howden. Ces équipements sont un peu plus chers à l’achat mais ils sont en contrepartie moins gourmands en énergie. » Ces compresseurs tournent à une vitesse constante et utilisent les aubes positionnées en amont (inlet guide vanes) et en aval (variable vanes diffuser) de l’hélice pour contrôler le débit et la pression. Les premières régulent la quantité d’air entrant et les secondes régulent la diffusion de l’air qui transforme la pression dynamique en pression statique, car c’est celle-ci qui est requise pour les bassins d’aération. Ce type de régulation permet ainsi de fournir, avec la même machine, 45 % à 100 % du débit (ou quantité d’oxygène) et de 65 % à 100 % de la pression requise (ou hauteur d’eau des bassins). Ce mode de régulation offre ainsi une grande marge de contrôle suivant la demande d’oxygène de la station (débit d’air) ou les conditions de la station comme la température de l’air aspiré ou l’état des diffuseurs (neufs/propres ou obstrués).
La capacité de la gamme de compresseurs Howden va de 3 500 Nm³/h à 110 000 Nm³/h de débit et de 0,3 à plus de 1,5 bar de pression. Ces machines offrent aussi l’une des plus grosses capacités disponibles sur le marché du traitement de l’eau en termes de débit et de pression, ce qui permet de limiter le nombre de machines pour occuper le moins d’espace possible. Chez Howden, on souligne également « que ces machines sont à accouplement direct et donc ne subissent pas de pertes de rendement liées aux patinages des courroies. Comme elles sont à vitesse constante, elles ne supportent pas non plus de pertes dues aux rendements des »
variations de fréquence. Ces compresseurs sont également fiables. C'est pourquoi ils sont utilisés dans de nombreuses autres applications industrielles, la plupart étant plus contraignantes techniquement telles que les applications de pétrochimie (4 à 8 fois le prix des compresseurs d’aération pour traitement des eaux) avec des sites industriels gourmands en énergie.
Associer aération et brassage
Si les machines productrices d’air comprimé ont évolué, l’offre en matériel aération-brassage a également progressé ces dernières années. Isma propose par exemple des aérateurs de surface capables de combiner les deux fonctions.
« Notre aérateur à vis hélicoïdale Fuchs est composé d’un moteur triphasé, refroidi par air, relié à un tube inox à l’extrémité duquel est soudée une hélice en forme de vis sans fin », explique Jean-Paul Forêt, Isma. « En atteignant l’hélice, l’air est transformé en fines bulles dirigées vers le fond du bassin. C'est le seul aérateur de surface qui produit de la fine bulle assurant un transfert d'oxygène performant, rapide et efficace ».
Faivre, Oloide et Val’Eaux Concept développent, conçoivent et commercialisent des aérateurs/brasseurs flottants pour
Une grande variété d’installations
En France, pour les eaux résiduaires urbaines, le chenal d'aération avec un dispositif d’aérateurs fines bulles proposé par ABS, Bibus, Europelec, IFU, ITT France, Grundfos ou KSB et des agitateurs à vitesse lente s'est généralisé dans les grandes installations depuis le début des années 1990. Pour les petites et moyennes stations, la situation est différente. Des aérateurs de surface et d'autres procédés (cultures fixées, lits bactériens, biodisques, etc.) sont parfois utilisés.
Quoi qu'il en soit, l'emploi des diffuseurs demeure dans notre pays un grand classique. Sur ce marché, ITT France propose notamment des membranes « low pressure » qui fonctionnent avec une moindre surpression (EPDM avec une élasticité améliorée), d'où des gains d’énergie. Bibus propose également depuis maintenant plusieurs années des membranes de différentes matières permettant d’obtenir de meilleurs rendements ainsi qu'une durée de vie plus longue. Les matériaux utilisés (EPDM, Edm, plastifié, silicone et vitton) permettent de travailler sur des eaux plus ou moins chargées ou des eaux industrielles.
Actuellement, le procédé appelé MBBR, pour Moving Bed Biofilm Reactor, de moindre coût d’achat, semble avoir le vent en poupe. Reposant sur l'utilisation de supports plastiques où se développe la biomasse, ce procédé a été mis au point par des équipes norvégiennes dans les années 2000. L’aération (grosses bulles) a lieu en même temps que le brassage. En France, une vingtaine d’installations ont opté pour ce procédé, dont récemment la station d’épuration de Marquette-lez-Lille (620 000 équivalents-habitants). Pour autant, cette technologie est loin de faire l'unanimité… De fait, comme l'a montré une étude du Cemagref, le MBBR peut entraîner une consommation énergétique relativement élevée sur des installations sous-chargées et peu optimisées.
TMI propose également des aérateurs de surface assurant simultanément les fonctions d’introduction de l’oxygène, mélange effluent/boue et maintien en suspension. Une gamme d’aérateurs de surface fixes est proposée pour des puissances allant de 1,1 à 75 kW. Ces aérateurs fixes sont maintenus sur une passerelle par des plaques de pose et des supports de plaques qui peuvent être fournis en option. Cette gamme est complétée par des aérateurs flottants utilisés essentiellement sur des lagunes où les travaux de génie civil seraient très onéreux voire impossibles. Ces aérateurs flottants ont une conception identique à celle des aérateurs fixes : un motoréducteur, calculé avec un facteur AGMA élevé, entraîne à vitesse lente une turbine à la surface du liquide. Seul le principe d’installation est différent : ils sont installés sur une charpente flottante constituée de trois flotteurs remplis de mousse polyuréthane afin de pallier tout risque de fuite. Ils sont montés sur vérins filetés pour permettre un réglage optimum.
D’autres dispositifs immergés conçus pour être posés en fond de bassins sont par ailleurs proposés comme, par exemple, Europelec avec SOFIE, un aérateur à vitesse lente immergé assurant aération et/ou brassage des eaux usées. Robuste, tous les composants ont été sélectionnés pour garantir sa longévité avec un minimum d’entretien. De son côté, SCM Technologie propose les aérateurs submersibles radiaux dits SC/LK, qui utilisent un réducteur. Alimenté en air avec une soufflante, le SC/LK délivre selon sa configuration de 25 à 200 kg O₂/h sur un rayon d’action de 6 à 15 m. « Grâce à un variateur de fréquence, la machine se distingue par une plage de fonctionnement souple ; ce
Grundfos vient de lancer sa gamme renouvelée d’agitateurs AMG équipés d’une nouvelle hélice qui assure une performance exceptionnelle avec le meilleur rapport poussée-puissance, mesuré selon la norme ISO 21630.
qui permet de faire varier, si besoin, l’apport d’oxygène en fonction de la variation de charge. D'où une économie d’énergie », estime Jacques Paris, SCM Technologie. « En outre, son aptitude à fonctionner à des vitesses différentes lui permet d’être utilisé en mode agitation seule et évite le recours à des agitateurs séparés pendant les phases d’anaérobie. Il ne craint pas le colmatage et assure un rendement constant dans le temps. Son bilan énergétique est proche de celui des diffuseurs », précise Jacques Paris.
Tsurumi distribué en France par CE2A propose également une large gamme d’aérateurs submersibles de fond qui sont, aux yeux de Christophe Eginer, « les machines qui permettent de combiner le mieux les fonctions d’aération et de brassage ». LAER-GS d’Aquasystems est un aérateur de fond alimenté par surpresseur d’air. Il fonctionne au choix en mode aérateur/brasseur (durant l’aération) ou en mode brasseur pur (durant l’anoxie), et est totalement incolmatable.
Avec LAeroxyde, R&O Dépollution propose une turbine de diffusion accouplée à une turbine de brassage à effet turbulent. La combinaison de ces étages de turbines a pour effet d’introduire dans la masse liquide de fines bulles d’air et d’assurer un brassage du liquide et des matières en suspension. Ce brassage peut être plus ou moins violent selon le but recherché et les conditions d’utilisation de l’appareil.
Agitateurs à aimants permanents : un nouveau concept
Pour l’agitation, la gamme d’appareils est vaste allant des agitateurs lents à grandes pales (bananes), proposés par Grundfos, KSB, ITT France, Salmson ou Landia, et des appareils à pales rapides pour le mélange et l’homogénéisation. Les innovations majeures viennent aujourd’hui des agitateurs à aimants permanents. Ainsi ABS vient de lancer le premier agitateur submersible XRW au monde avec moto-variateur à aimants permanents sans capteur de position. « Cette nouvelle technologie reposant sur un moteur à aimant permanent à vitesse variable favorise un cycle de vie économique optimal, avec des opérations de maintenance minimisées, ainsi qu’une fiabilité sur le long terme », indique Michel Leromain chez Cardo Flow Solutions France. « Une amélioration du rendement moteur de l’ordre de 25 % a été observée tout en ayant un cosinus phi égal à 1. Ce qui permet une économie d’énergie absorbée de près de 66 %. Un gain important pour ces machines qui généralement fonctionnent 24 h/24 et 7 j/7 ». Et qui de plus sont éligibles aux certificats d’économie d'énergie.
De son côté, ITT France a lancé en 2009 un nouvel agitateur à pales rapides, le 4650 LSPM Flygt, doté d’un aimant permanent et à démarrage direct. Ce nouvel agitateur compact à haut rendement énergétique fait appel à la technologie LSPM (Line Started Permanent Magnet), moteur synchrone à aimants permanents à démarrage direct sans variateur de fréquence, pour fournir une efficacité optimale de l’agitateur en termes de poussée et de puissance absorbée. L’efficacité de ce moteur est sensiblement supérieure à celle des moteurs d’agitateurs 12 pôles. Ce type d’agitateurs peut être démarré sur le réseau et possède à la fois une cage d’induction et des aimants dans le rotor lui-même. Son moteur hybride offre un rendement élevé grâce à la technologie à aimant permanent synchrone. « Suivant l’angle de l’hélice et les autres options de configuration, il permet une consommation d’énergie 10 à 20 % plus basse, un rendement du moteur 15 % plus élevé et une consommation d’électricité 40 % inférieure, par rapport aux agitateurs standards compacts », signale Ludivine Decouttere, Ingénieur Produits Solutions chez ITT France.
Innovation également chez KSB, qui vient de lancer un nouveau pied support monobloc AmaRoc R. « Il a été conçu pour assurer aux mélangeurs submersibles AmaProp, dotés de grandes hélices à rotation lente (de 1,20 jusqu’à 2,5 mètres), une assise solide et résistante dans le temps », indique Michel Oddoux chez KSB. « Coulé en une seule pièce dans un matériau composite spécifiquement développé par KSB, le NoriRoc, ce pied support s’installe facilement et ne requiert pas d’assemblage. Le nouveau matériau a pour avantage d’amortir les vibrations, de résister à l’abrasion et aux corrosions. Sa résistance mécanique en compression est cinq fois supérieure à celle du béton. En fin de vie, le NoriRoc, matériau à base minérale inerte chimiquement, peut être mis en décharge ». Un produit dont la conception, encore une fois, répond aux objectifs
de développement durable, préconisé par le Grenelle de l'Environnement.
Grundfos vient de son côté de présenter à Pollutec 2010 sa gamme renouvelée d'agitateurs AMG équipés d'une nouvelle hélice qui assure une performance exceptionnelle avec le meilleur rapport poussée-puissance, mesuré selon la norme ISO 21630. Les versions 50 Hz sont déjà disponibles, alors que les versions 60 Hz le seront début 2011. Ces produits sont conçus pour les applications en eaux usées et boues, empêchent la sédimentation et optimisent les process au sein des usines de traitement, des industries et des exploitations agricoles. La nouvelle conception résulte d'une combinaison des modélisations numériques de la dynamique des fluides, des modélisations des phénomènes sur banc d'essai et des essais sur site pour assurer un rapport poussée-puissance élevé et des capacités d'auto-nettoyage optimales. L'amélioration des rapports poussée-puissance assure une consommation énergétique minimale et la conception de l'hélice avec bords d'attaque profilés assure un auto-nettoyage efficace. Concernant Salmson, « le lancement d'agitateur lent de diamètre 2,6 m nous avait déjà fait gagner 10 % de rendement (ISO 21630). Cette année nous proposerons ces appareils équipés de moteurs IE3 (asynchrones triphasés) améliorant encore le rendement, qui se place parmi les meilleurs du marché ».
S.C.M. Tecnologie propose enfin une gamme complète d'agitateurs immergés horizontales, fruit de son expérience décennale dans le domaine du traitement des eaux usées. Les agitateurs série MX sont adaptés pour une grande variété d'applications grâce à l'emploi d'hélices au profil autonettoyant, alors que les agitateurs série MX-GIR, équipés d'un réducteur, trouvent leurs application optimale dans le traitement des lisiers zootechniques et de tout effluent à densité importante. La gamme s'est enrichie depuis 2009 des accélérateurs de flux à tours lentes.
L’importance d’une solution globale agitation/aération
Tandis que les stations profitent d’améliorations sur le matériel, « le dimensionnement de la solution globale agitation aération est capital notamment dans les grandes et moyennes installations. C'est ce qui fait la différence d'une solution à l’autre d'un point de vue performance et rendement énergétique », rappelle Ludivine Decouttere.
Reste que l’épuration est loin d’être une science exacte. De fait, si l’aération par fines bulles couplée à l’agitation par des agitateurs à vitesse lente est devenue un standard en France, des points d'interrogation subsistent.
Afin d’améliorer la connaissance de tous les phénomènes qui conditionnent le transfert d'oxygène (débit d’air surfacique, disposition et profondeur d'immersion des rampes de diffuseurs, etc.), le programme ANR (Agence Nationale de la Recherche) baptisé O2Star (2008/2011) mené en commun par le Cemagref, ITT France, l'INSA Toulouse (LISBP), Degrémont France Assainissement, l’Institut de Mécanique des Fluides a été lancé dernièrement. Son objectif est la création d’un logiciel de modélisation des écoulements afin d’optimiser la solution brassage aération et d’améliorer le transfert d’oxygène dans les bassins d’aération des stations de traitement. À des fins, notamment, d’économie d'énergie.
