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Aération des STEP : les solutions immergées

29 janvier 2021 Paru dans le N°438 à la page 59 ( mots)
Rédigé par : Patrick PHILIPON

Diffuseurs fines bulles, turbines lentes ou rapides : différentes solutions existent pour aérer un bassin de STEP sans créer de nuisances alentour. Chacune avec son domaine d’application optimal.

Que ce soit pour le traitement aérobie ou pour éviter la fermentation dans les bassins tampons, les STEP ont impérativement besoin de “respirer”. Les fournisseurs proposent différentes solutions d’aération des effluents. Deux grandes options s’offrent aux exploitants : les aérateurs de surface, en pleine croissance actuellement, et les appareils immergés. Pourquoi choisir des solutions immergées, en général plus chères à l’achat et délicates à maintenir ? Première réponse, résumée par Karine Bannier, responsable ingénierie Grands comptes chez Sulzer : « les aérateurs de surface projettent l’effluent et créent des aérosols, donc des odeurs. Leur bruit est aussi un facteur de nuisance ». Ce que confirme Stanislas Grivet, chargé d’affaires Hydraulique chez Atlantique Industrie : « nous proposons des turbines immergées pour ne pas créer de nuisances lorsque qu'il y a un voisinage de proximité ». D’un point de vue plus positif, « les systèmes immergés peuvent fonctionner dans des bassins plus profonds, alors qu’au-delà de 5 mètres, un aérateur de surface sera insuffisant » affirme Karine Bannier. Aurélien Goyeau, directeur opérationnel chez AquaTurboSystems, confirme : « la profondeur est l’élément déterminant pour choisir un système immergé ». A ces arguments classiques, Vincent Midy, directeur général adjoint du groupe international Europelec, en ajoute un autre : « l’aération de surface est difficile à envisager sous des climats froids comme dans les pays nordiques ou au Canada… ».

Hydroéjecteurs pour “petits” besoins

La technologie haute vitesse du nouvel HST 30, dernier né de la gamme de turbocompresseurs haute vitesse HST™ de Sulzer, est 100 % refroidie à l’air, ce qui signifie qu’il n’y a aucun liquide à mélanger, remplir, contrôler ou vidanger.

En amont des bassins de traitement proprement dits, les eaux usées ou chargées séjournent souvent dans des ouvrages où elles peuvent commencer à fermenter et dégager des odeurs. Il faut donc les brasser et les aérer modérément. Les fournisseurs proposent des “hydroéjecteurs”, systèmes relativement simples qui permettent un brassage de fond en plus d'une aération : un tuyau (schnorkel) relié à l’atmosphère, une pompe submersible qui attire l’air par effet venturi dans une chambre de mélange avec l’effluent, une “trompette” éjectant le mélange effluent-air, et le tour est joué. « Nous vendons notre ABS Venturi-jet pour des bassins d’orage, des bassins tampon ou le prétraitement des graisses, applications qui ont des besoins limités en oxygène. C’est un système à bulles moyennes, simple à mettre en place » explique par exemple Karine Bannier. Sur le même marché, Atlantique Industrie installe le système Airjet de Landia. « La gamme est en inox pour supporter les effluents agressifs de l’industrie chimique ou laitière. Nous en vendons aussi beaucoup pour des abattoirs : le système dilacérateur équipant la pompe prévient le colmatage par de gros déchets » souligne Jean-François Gautreau. Atlantique Industrie vient par exemple d’en installer dans le bassin tampon d’une STEP réalisée par la Saur pour une grande laiterie normande. Biotrade (Hydrodyn-F), Sulzer (série ABS) ou Tsurumi (série BER), entre autres, proposent des appareils comparables. AquaTurboSystems propose un aérateur directionnel AER-SL sur flotteur ou barre de guidage. « C'est surtout un mélangeur qui ajoute un peu " d'oxygène" et qui évite les zones mortes » précise Aurélien Goyeau.

Pour garantir que l’aérateur ne sera pas obstrué par des impuretés contenues dans les eaux usées, Atlantique industrie installe le système AirJet de Landia constitué d’une pompe dilacératrice et d’un système éjecteur.

Bassins de traitement : différentes solutions

Les réacteurs aérobies proprement dits, qui réalisent le traitement biologique, ont évidemment besoin d’un apport d’oxygène beaucoup plus important. On passe alors à des diffuseurs de fines bulles installés au fond du bassin, qui exigent des agitateurs séparés, ou à des aérateurs à turbine lente ou rapide, qui brassent eux-mêmes l’effluent en plus de lui apporter de l’oxygène.
L’aérateur TRN de Tsurumi se passe de compresseur : cette turbine rapide aspire
son air par effet venturi. Ici, huit appareils 220 TR2 (22 kW) aèrent les effluents d’une fromagerie industrielle.

Qu’ils se présentent sous forme de disques ou de tubes, les diffuseurs sont des systèmes passifs insufflant un air comprimé arrivé de la surface via des rampes de distribution. L’air diffuse à travers une membrane, généralement en EPDM. Ce sont en théorie les meilleures solutions en termes de rendement d’oxygénation. Problème : comme le souligne Karine Bannier, « les diffuseurs eux-mêmes se colmatent, la membrane se dégrade, donc la performance diminue avec le temps. Il faut les remplacer régulièrement ». La fréquence de remplacement dépend des conditions d’utilisation, en particulier de la charge de l’effluent. Europelec propose toujours ses diffuseurs tubulaires Aquatube, ainsi que ses Aquadisc en polypropylène. Aux rampes classiques en acier inox, la firme a ajouté en 2019 la gamme Noemi de rampes en polypropylène. « C’est un produit entièrement recyclable, moins cher que l’inox et possédant une meilleure inertie chimique » énumère Vincent Midy. Pour éviter le colmatage par des effluents chargés, Europelec a mis au point des diffuseurs particuliers à bulles moyennes : les Aircomb®, dépourvus de membrane car constitués d'un éjecteur protégé par un capot denté (pour former les bulles). Biotrade propose pour sa part des systèmes tubulaires relevables, à simple ou double rampe. Sulzer propose également des diffuseurs à disque. « Nous n’avons pas de solution compétitive de raquette relevable, ce qui limite notre accès au marché français » précise toutefois Karine Bannier. Aerzen, spécialiste des compresseurs, peut aussi proposer des diffuseurs. « Nous ne les mettons pas en avant car il s’agit de dispositifs de haute qualité, plus résistants que les autres en termes de durée de vie (15-20 ans au lieu de 5 ou 6) mais aussi plus chers, or c’est un marché de prix » avance Brice Ladret, président d’Aerzen France.

Europelec complète sa gamme d’équipement d’aération avec une nouvelle turbine autoaspirante Aerostream. Immergée, la turbine
est utilisée pour l’aération mais aussi
le brassage.

En version immergée, Air Product recommande ses systèmes Halia® standardisés conçus sur skid. Ils peuvent être également conçus sur mesure en fonction des besoins du client. Isma propose les aérateurs à vis hélicoïdale FUCHS. Les aérateurs WBL sont composés d’un moteur triphasé, refroidi par air, relié à un tube en inox, à l’extrémité duquel est soudée une vis à pas hélicoïdal. Le tube est partiellement immergé dans l’eau. L’hélice hélicoïdale en rotation génère un phénomène Vortex, d’une dépression dans le tube et une aspiration d’air de l’extérieur. En plus d’une aération profonde par fines bulles, ils assurent un déplacement horizontal de l’eau neutralisant les zones mortes ainsi qu’un mélange intense dans le bassin. Ils présentent l’avantage de pouvoir s’adapter à la plupart des solutions existantes et cumulent les avantages des technologies immergées et de surfaces : mise en mouvement du fond des bassins, brassage efficace, maintenance réduite car aucune pièce mécanique n’est immergée.

Aquasystems a installé 2 AER-GS 30kW pour une usine de retraitement de déchets.

Invent propose l’agitateur/aérateur Hyperclassic®, qui s’appuie sur un système d'aération mécanique optimisé en hydrodynamique par les laboratoires Invent comportant un agitateur de forme hyperboloïde installé à proximité du fond et un moteur placé au sec. 8 ailettes génèrent au fond un flux turbulent orienté radialement vers l’extérieur pour soulever efficacement tous les dépôts tandis qu’au niveau des parois, le flux général créé dans le bassin à boues activées génère un brassage intensif des boues.

En France, les agitateurs/aérateurs Hyperclassic® Invent sont installées notamment chez DSM à Seclin, BASF à Meaux, la papeterie LTR de Bègles au Mans et chez Smurfit Kappa e-commerce à Sallait.

Les aérateurs “déprimogènes” se passent de compresseur. Il s’agit de turbines rapides qui aspirent l’air de la surface par effet venturi, via un schnorkel. Ces appareils relativement simples mais gourmands en énergie sont limités à des bassins de moins de 6 mètres de profondeur car, au-delà, la pression atmosphérique ne peut plus vaincre celle de l’eau. « Nous vendons plutôt nos aérateurs TRN sur des STEP industrielles car ils sont fiables et résistent à des effluents chargés qui endommagent les diffuseurs. De petites STEP urbaines peuvent être intéressées en remplacement, car avec un moteur de quelques kW, la consommation d’énergie n’est pas un problème » explique Christophe Eginer, DG de Tsurumi France. La gamme de puissance des TRN va en effet de 0,75 kW à 40 kW.

Les paliers aérodynamiques de la génération 5+ des turbocompresseurs d’Aerzen lui permettent de fonctionner avec toutes les technologies pulsatoires (surpresseurs et compresseurs) 
déjà existantes.

Sulzer propose son aérateur XTA. « Cet appareil simple se pose au fond du bassin jusqu’à 6 mètres. Il est cependant sensible à l’usure dans les effluents abrasifs, par exemple contenant du sable. Cette usure affecte le rendement et demande d'adapter la matériologie de l'hydraulique » précise Karine Bannier. Europelec a pour sa part récemment ajouté à sa gamme la turbine rapide Aerostream. Équipée de moteurs IE3, elle est disponible dans une gamme de puissance allant 2,2 kW à 30 kW et convient notamment aux bassins tampon, d’aération et aux réacteurs SBR. Atlantique Industrie propose l’AER-SB d’AquaTurboSystems. « Nous l’avons beaucoup installée dans des élevages de porcs, pour l’aération du lisier » affirme Stanislas Grivet. « Sur cette machine, nous proposons en option des chenaux d’éjection qui font gagner de 15 à 20 % en transfert d’oxygène » précise Aurélien Goyeau. « L’AER-SB standard est en inox mais nous pouvons le fournir avec l’hélice et certaines autres pièces en Cobranox, un alliage trois fois plus résistant à l’abrasion. Cela augmente la durée de vie dans des effluents chargés en sable ou en poils de porc, par exemple » ajoute Tijl Beets, directeur technique d’AquaTurboSystems. Biotrade est également présent avec sa turbine Airjet® (de 2,2 à 22 kW).

Exemple d’installation de WBL XX en remplacement d’un pont brosse sur structure gardée en place.

Les aérateurs lents ne peuvent pas créer d’aspiration par effet venturi. Ils sont donc alimentés, comme les diffuseurs de fond, par des surpresseurs ou des compresseurs d’air. Plus chers que les turbines rapides à cause du réducteur de vitesse, ils opèrent en revanche dans des bassins plus profonds, jusqu’à 8 mètres voire plus. Sulzer propose par exemple sa solution OKI. « Le retour d'expérience sur OKI nous montre que sa fiabilité est le critère prépondérant pour des installations où l'on doit changer les diffuseurs régulièrement (tous les 3-5 ans voire moins). Sur les STEP urbaines, où les diffuseurs sont renouvelés moins souvent, cet aérateur est plus difficile à rentabiliser, même si sa performance reste constante dans le temps » souligne Karine Bannier. Sulzer a équipé la STEP de Laon (Aisne), exploitée par Suez, en agitateurs à grandes pales, aérateurs OKI et compresseurs HST20 (pour remplacer les anciens compresseurs à lobes). « Suez a réalisé un bilan énergétique : nous gagnons de 20 à 25 % d’énergie » affirme Karine Bannier. Reste qu’en général, cet appareil est surtout vendu pour des STEP industrielles traitant des effluents trop agressifs pour les membranes des diffuseurs. Sulzer a par exemple équipé les pharmaco chimistes ORIL (Normandie), Hyet Sweet (Gravelines) mais aussi une usine Danone dans la région lyonnaise ou la papeterie de Bègles.


Le gestionnaire de centrale Optimizer 4.0 pilote tous les compresseurs et sécheurs et abaisse la plage de pression globale.

Un autre avantage des turbines lentes est que, si l’on arrête le compresseur, on obtient un mélangeur. « Pour les bassins SBR, nous proposons la turbine lente AER-GS d’AquaTurboSystems. En coupant l’arrivée d’air et réduisant la vitesse, on peut agiter l’effluent pendant la phase de dénitrification, puis relancer le compresseur pour la phase aérobie suivante » explique ainsi Stanislas Grivet, d'Atlantique Industrie. Une manière de faire que confirme Aurélien Goyeau. La turbine lente Oxyflow (de 4 à 37 kW), de Biotrade, peut elle aussi fonctionner en mode mélange simple ou aération.

« La turbine immergée SOFIE que propose Europelec est l’équivalent de la turbine OKI de Sulzer, résume Vincent Midy. Elle permet également un fonctionnement cadencé aération/brassage et sa fiabilité est renforcée par la présence d’une antichambre barrière, d’une double étanchéité et d’une détection de fuite qui rendent pratiquement impossible toute pénétration d’effluent dans le réducteur ».

Le “poumon” de la STEP

Les diffuseurs fines bulles et les turbines lentes nécessitent un apport d’air comprimé. Les appareils proposés sur le marché de l’aération de bassins fournissent une pression relativement basse et un fort débit. Rien à voir, donc, avec les “véritables” compresseurs utilisés en BTP, par exemple. « S’il est certain que les diffuseurs fines bulles sont plus exigeants en termes de conditions d’exploitation, leur rendement est généralement meilleur que celui des turbines immergées dès lors qu’ils sont utilisés dans des conditions adaptées », analyse Vincent Midy.
Les LIXOR® BioRobic sont des systèmes d’aération et de mélange immergés ne nécessitant qu’extrêmement peu d’entretien et sans colmatage. Ces systèmes peuvent être utilisés dans une variété d’applications d’eaux usées, telles que la pré-aération, l’aération supplémentaire, l’aération d’un réservoir de boues et le mélange.  

Surpresseurs, compresseurs à vis basse pression (roots) et turbocompresseurs – ou turbosurpresseurs : la différence sémantique n’est pas tranchée – se partagent le marché. Relevant de technologies très différentes des aérateurs ou diffuseurs eux-mêmes, ils sont en général l’affaire de spécialistes, même si certains fournisseurs de solutions d’aération apposent leur marque sur des compresseurs fournis par des spécialistes.

Atlas Copco, Bauer ou Continental Industries – ont développé des compresseurs à vis ou à becs qui, avant de pousser l’air sous la colonne d’eau, le compriment en réduisant la chambre dans laquelle il passe. Pour l'air basse pression, outre sa gamme de soufflantes à pistons rotatifs, Kaeser propose des surpresseurs à vis et des turbosurpresseurs PillAerator, montés sur paliers magnétiques, qui permettent de garantir une très grande efficacité énergétique, notamment pour les process d'aération nécessitant de gros volumes d'air. « Le choix de la technologie proposée (lobes, vis, et turbo) est défini au cas par cas en fonction du besoin en air, des hauteurs de bassins ainsi que du temps de fonctionnement » explique Thierry Depléchin, chef des ventes Basse Pression Atlas Copco.

Aerzen, fabricant historique, vend l’ensemble de la gamme. « Tous ces équipements ont leur raison d’être. Un client ayant besoin d’une solution peu coûteuse, choisira un surpresseur. Pour une charge importante, il vaut mieux considérer nos compresseurs à vis basse pression/haute efficacité ou nos turbocompresseurs » explique Brice Ladret. Pour des besoins de gros débits d’air, Atlas Copco propose sa gamme de Turbo compresseurs « ZB sans huile », à haute vitesse sur paliers magnétiques. Ces machines, équipées d’un moteur à aimant permanent avec haute efficacité IE5 asservi à un variateur de vitesse sont conçues pour maîtriser les coûts énergétiques à des niveaux très bas et garantir une maintenance minimale. Sulzer a pour sa part fait le pari exclusif des turbocompresseurs avec sa gamme HST. « Nous étendons la gamme de puissance de nos HST. Ils gardent leurs paliers magnétiques pour éviter tout frottement et leurs moteurs à très haute vitesse, aujourd’hui à aimants permanents. Cela reste la technologie la plus performante en termes de rendement donc d’économies d’énergie, et de simplicité d’exploitation » argumente Karine Bannier.

L’élimination de tout contact mécanique au niveau des paliers garantit une absence de bruit et de vibrations. Ces appareils, qui se passent de lubrifiant et de circuit d’eau de refroidissement, s’usent très peu et ne nécessitent qu’une maintenance minimale. Ils sont également éligibles au certificat d’économie d’énergie, ce qui compense en partie leur surcoût à l’achat par rapport à des compresseurs classiques. A la STEP d’Orléans - La Chapelle-Saint-Mesmin, exploitée par Veolia, Sulzer a remplacé les anciens surpresseurs par ses HST. « Leur laboratoire est installé au-dessus de la salle des surpresseurs, avec le bruit et les vibrations que cela supposait. Le personnel a gagné en confort de travail, et le bilan énergétique a été amélioré » affirme Karine Bannier.

Des économies d’énergie, vraiment ?

Le problème est bien connu : l’aération représente une part très importante (souvent bien plus de la moitié) de la facture énergétique totale d’une STEP. Comment diminuer la facture ? « La première économie d’énergie, c’est d’installer le bon système dans les bonnes conditions » tranche Vincent Midy, soulignant ainsi l’importance de la conception et du dimensionnement de l’installation. Il déplore par exemple la tendance actuelle, soutenue par certains fabricants, à installer des rampes de diffuseurs à fines bulles dans des lagunes trop peu profondes, où elles ne donnent pas les résultats annoncés… « Une erreur classique dans un procédé biologique équipé de fines bulles est une implantation qui ne permet pas au flux de passer le mur de bulles et induit un flux de retour qui endommage l’appareil et met le process en péril » indique Xylem. C’est pourquoi le fabricant propose une solution plus qu’un produit. Des préconisations qui tiennent compte de toutes les caractéristiques de l’installation afin que l’aérateur soit en mesure de donner le meilleur de lui-même. « Le dimensionnement est primordial. Un appareil surdimensionné consomme plus d’énergie pour un rendement moindre que celui muni d’un moteur de la bonne puissance » confirme Christophe Eginer. Le diamètre d’efficacité de l’appareil (dimension des courants de convection) est aussi déterminant : il est contreproductif d’envoyer un courant “se cogner” sur la paroi d’un bassin trop petit pour l’appareil choisi. « Une trop forte agitation tend à faire coalescer les bulles, donc à diminuer les échanges d'oxygène avec l'eau » explique Christophe Eginer. Cela posé, que faire, à technologie égale, pour rogner encore un peu la consommation ?

Les moteurs sont déjà très performants. Christophe Eginer rappelle que la classe IE3 n’est pas obligatoire pour les appareils immergés et que « les économies d’énergie restent à démontrer pour les moteurs EI4 ». De même, « la prochaine génération de moteurs IE5, à réluctance ou à aimants permanents, permettra tout au plus de gagner 2 à 3 % d’énergie sur les EI4 » estime Stanislas Grivet, d'Atlantique Industrie. Il y a plus à gagner (environ 10 %), selon lui, en travaillant sur la partie hydraulique des machines. La relative modestie des gains possibles n'empêche pas l'optimisation. « Le travail continue sur les moteurs, l’hydraulique et les membranes de diffuseurs pour gagner encore un peu d’énergie » affirme Vincent Midy. Jean-Pierre Grasa, dirigeant de Biotrade, est plus pessimiste, ne voyant « aucune évolution technologique significative sur les équipements eux-mêmes ».

Les turbosurpresseurs PillAerator montés sur paliers magnétique permettent de garantir un fonctionnement sans aucune usure et une très grande efficacité énergétique 

Un constat que Christophe Eginer n’est pas loin de partager… Dans la série Wilo-Sevio AIR, Wilo laisse le choix : des moteurs standard ainsi que des moteurs à haut rendement de classe IE3 sont disponibles. Basés selon le même principe que les moteurs standards, ils sont identiques d’un point de vue de l’équipement et du fonctionnement.

Chercher le fonctionnement optimum

Les constructeurs tentent donc de faire la différence de diverses manières. Tout d’abord par la régulation. « Nos turbocompresseurs HST comportent un système de régulation interne qui ajuste la vitesse de rotation (via un variateur de fréquence) pour qu’elle reste dans la plage de fonctionnement optimal » précise ainsi Karine Bannier. Pour un parc de plusieurs machines, Sulzer propose également un automate capable de gérer le fonctionnement global du parc : il est parfois préférable de ne faire fonctionner que deux compresseurs à régime optimal plutôt que trois en sous régime ou de panacher les tailles de turbocompresseurs pour s'adapter au mieux aux besoins variables du bassin d'aération, par exemple. AquaturboSystems a choisi une autre voie pour “caler” un aérateur sur son point optimal de fonctionnement. Ce constructeur dispose d’une gamme d’hélices de diamètres différents et de plusieurs moteurs, de plus ses aérateurs à turbine rapide sont munis d’une entrée d’eau ajustable par un système de diaphragme. « En fonction du besoin en oxygène et des caractéristiques du process du client, nous déterminons la puissance moteur nécessaire puis ajustons le diamètre de l’hélice et l’ouverture du diaphragme. Le client reçoit ainsi une machine conçue dès le départ pour fonctionner à son point optimal dans son bassin » explique Tijl Beets. « Nous disposons de bassins d’essais où nous avons testé le transfert d’oxygène et déterminé quelle hélice est la plus adaptée à telle ou telle profondeur » ajoute Aurélien Goyeau. Aerzen franchit un pas supplémentaire. « Avec l’AERprogress, nous proposons une digitalisation des solutions d’aération. Cela permet une surveillance et une optimisation en temps réel de nos machines » affirme Brice Ladret. L’originalité : la régulation n’est pas uniquement intégrée à la machine mais devient un véritable service internet. Les données de fonctionnement (vitesse, température, puissance consommée…) des équipements d’un exploitant remontent à un centre d’analyse Aerzen. Là, des algorithmes analysent en permanence ces données pour faire redescendre diagnostic et propositions d’amélioration de fonctionnement (réduction de vitesse, arrêt d’une ou plusieurs machines, alertes maintenance…). « Nous ne prenons pas la main sur le process du client, ni même sur ses compresseurs, le client reçoit ces recommandations sur son Scada, en toute transparence » insiste Brice Ladret. Proposé en 3 niveaux de service – simple surveillance, gestion de la disponibilité et de la maintenance, gestion et optimisation de l’énergie – l’AERprogress procure un gain supplémentaire de 7 à 10 % en termes de consommation d’énergie. « L’intérêt principal est que l’exploitant puisse se consacrer à l’optimisation de sa STEP et non au fonctionnement de ses compresseurs. Après une année de tests, nous avons lancé l’AERprogress en 2020. Il peut s’installer sur des machines déjà existantes » complète Brice Ladret. La majorité des installations étant équipée de plusieurs machines, Atlas Copco a fait, quant à lui, de l’optimisation de la production d’air comprimé son axe de différenciation. Compatible avec le parc machines de compresseurs et sécheurs déjà existant, le gestionnaire de centrale Optimizer 4.0 sélectionne la meilleure combinaison de machines pour fournir la pression d'air requise le plus efficacement. 


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