L?optimisation des systèmes d'aération équipant les bassins aérobies des stations d'épuration est essentielle pour assurer un traitement fiable des eaux usées et pour limiter les coûts énergétiques très importants liés à ce poste. Pour relever ce défi, différents appareils sont disponibles sur le marché : compresseurs, aérateurs, diffuseurs, agitateurs'. Zoom sur leurs applications et leur performance en terme de rendement et d'efficience énergétique.
L’optimisation des systèmes d’aération équipant les bassins aérobies des stations d’épuration est essentielle pour assurer un traitement fiable des eaux usées et pour limiter les coûts énergétiques très importants liés à ce poste. Pour relever ce défi, différents appareils sont disponibles sur le marché : compresseurs, aérateurs, diffuseurs, agitateurs... Zoom sur leurs applications et leur performance en termes de rendement et d’efficience énergétique.
Dans les stations d’épuration, les bassins d’aération sont les réacteurs biologiques où s’effectue la dégradation de la matière organique par les micro-organismes aérobies. Ils constituent un élément clé de la filière des boues activées. La fourniture de l’oxygène nécessaire aux micro-organismes et la puissance du brassage pour éviter les dépôts en fond de bassin sont déterminantes pour fiabiliser le traitement des eaux résiduaires. Selon les procédés et la configuration des installations, des périodes d’agitation sont également indispensables. Toute la difficulté réside dans la régulation de l'aération et de l'agitation pour que les micro-organismes disposent d’oxygène uniquement quand ils en ont besoin, tout en maintenant une agitation suffisante de l’effluent pour que les flocs bactériens restent en suspension. Au-delà de cette régulation, un autre enjeu s'est imposé ces dernières années : l'optimisation énergétique des systèmes d’aération, de loin le poste le plus gourmand en
Énergie, qui peut représenter jusqu’à 80 % des dépenses énergétiques d’une station d’épuration.
Rénovation des stations : vers une amélioration des systèmes fines bulles
Dans les grosses et moyennes stations à boues activées, l’aération par fines bulles est la technologie la plus courante, couplée à un système d’agitation à vitesse lente. Différents fabricants comme Cardo Flow Solutions France sous la marque ABS, AAVE sous la marque SSI, Bibus, Biotrade, Europelec, Ifu, Purostar, Xylem Water Solutions, Grundfos, KSB, Trevi ou encore SCM Tecnologie proposent une large gamme de diffuseurs fines bulles.
La construction de nouvelles stations d’épuration, mais aussi – cas les plus fréquents – la rénovation d’installations qui ne sont plus aux normes animent le marché aujourd’hui en France. Pour augmenter les performances des stations dont les capacités de traitement sont insuffisantes, la technologie fines bulles à proprement parler n’est pas remise en cause. Toute la problématique réside plutôt dans le positionnement des équipements fines bulles dans les installations suivant le plus juste compromis pour atteindre la plus grande efficacité globale en termes de rendement énergétique. Certaines sociétés, telle AAVE, se sont faites une spécialité de ce genre de réhabilitation in situ.
Une telle optimisation des procédés a récemment été réalisée avec succès sur la station de Valenton (2,5 millions équivalents habitants) dans le cadre d’un projet de mise aux normes DEERU (Directive Européenne sur les Eaux Résiduaires Urbaines) piloté par Degrémont. L’objectif : augmenter la capacité de traitement de la station à 800 000 m³ par jour, et 1 500 000 m³/j par temps de pluie, contre 600 000 m³/j et 1 200 000 m³ jusqu’alors. Pour cela, « tous les équipements ont été changés pour refaire la géométrie des bassins et permettre l’amélioration du procédé et notamment l’élimination de l’azote global, le point le plus prégnant de la directive européenne » indique Renaud Besancon, ingénieur responsable du projet chez Degrémont. « L’avantage de la technologie mise en œuvre par Grundfos sur ce projet c’est sa maîtrise de l’aération/agitation permettant de savoir ce qui se passe en termes de gestion et de flux hydraulique dans les bassins ».
En utilisant la simulation des flux par la mécanique des fluides numérique, Grundfos a en effet pu positionner au mieux les diffuseurs fines bulles, ce qui lui permet d’obtenir des performances circulatoires excellentes. « L’utilisation de cet outil de modélisation s’est traduite pour l’exploitant par des économies d’énergie, grâce à des automatismes beaucoup plus précis mettant en œuvre l’agitation de manière adaptée et donnant de l’oxygène aux bactéries seulement si nécessaire », explique Frédéric Levallois, chef de projet service Eau chez Grundfos.
Une autre station ne répondant plus aux normes, celle de Gravigny près d’Évreux (123 000 équivalents habitants), vient d’être reconstruite avec des équipements flambants neufs, comprenant là encore des systèmes d’aération/agitation Grundfos. « Nous avons installé des rampes relevables de diffuseurs fines bulles, ce qui permet à l’exploitant de ne pas interrompre sa filière de traitement pendant les phases de maintenance », souligne Frédéric Levallois.
Autre référence, la Feyssine (300 000 équi-
à Villeurbanne où Degrémont a également choisi Grundfos pour la mise en œuvre des procédés d’aération/agitation. À noter que sur cette station, en pointe en termes d’intégration environnementale et de développement durable, l’Irstea vient de prendre possession d’une vaste plate-forme de recherche, où les chercheurs travaillent notamment à l’optimisation des systèmes d’aération/agitation. C’est l’une des thématiques phares de Sylvie Gillot qui travaille en partenariat avec Xylem Water Solutions France, Degrémont et l’Insa de Toulouse à la mise au point d’un logiciel susceptible d’aider les industriels du traitement de l’eau à concevoir, dimensionner et optimiser les systèmes d’aération en station d’épuration.
Fier d’affirmer ses conceptions et fabrication entièrement françaises, Europelec, avec ses diffuseurs d’air fines bulles Aquatube 90 et Aquatube 70, équipe des installations avec OTV comme La Haye aux Pays-Bas (15 000 diffuseurs), Wathba et Allahamah aux Émirats Arabes Unis (25 000 diffuseurs), Achères en France (13 000 diffuseurs), avec Degrémont comme Châteauroux (près de 4 000 diffuseurs).
Europelec a mis au point une nouvelle rampe permettant de mieux faire face à la problématique du débit surfacique que la plupart des autres solutions du marché. En effet, pour le même nombre de rampes proposées, leur débit surfacique est inférieur. Ainsi, le rendement énergétique de l’installation s’en trouve amélioré.
Europelec propose aussi une turbine lente immergée SOFIE dopée à l’air permettant d’assurer la fonction d’aération/brassage ou la fonction brassage seule.
Des solutions variées en petites et moyennes stations
Si, dans les grandes stations, la technologie fines bulles s’est généralisée ces dernières années, dans les installations moyennes et petites des aérateurs de surface (par exemple des turbines lentes ou rapides et des brosses) ou d’autres procédés sont le plus souvent utilisés. Isma propose par exemple une gamme d’aérateurs fines bulles capables d’assurer également une agitation de l’effluent, et en particulier les aérateurs à vis hélicoïdale Fuchs, générant une circulation horizontale des eaux usées. Ces appareils installés dans le monde entier sont indiqués à la fois pour le lagunage et les bassins à boues activées. En lagunes, les aérateurs Fuchs sont montés sur des suspensions flottantes robustes, maintenues en position par des câbles tendeurs. En bassins à boues activées, ils sont généralement fixés sur une passerelle ou sur le bord du bassin à l’aide d’un cadre.
Faivre, Oloide, R&O Dépollution, Équipements Scientifiques et Val Eaux Concept avec SolarBee ou Tech-Sub avec Aquago développent également des appareils de brassage laminaire dont certains, pour partie, sont alimentés par énergie photovoltaïque.
Le SolarBee est un dispositif novateur de brassage et de recirculation des eaux. Il est alimenté par trois panneaux solaires photovoltaïques (certaines versions disposent d’une batterie intégrée afin d’être autonome 24/24 h). Il est maintenu en surface par trois flotteurs avec une ligne ajustable de flottaison. En créant un flux ascendant dans la rotation d’une hélice intégrée, le SolarBee va permettre un meilleur brassage de l’eau, plus d’échanges avec l’atmosphère de surface et une augmentation de l’oxygène dissous. Il peut agir sur
…des colonnes d’eau de 0,9 à 30 m de profondeur et sur de larges surfaces de 0,4 à 400 ha. Nécessitant peu d’entretien et surtout aucune modification de l’infrastructure existante, le Solarbee fonctionne à l’énergie solaire et ne requiert ni apport de produits chimiques ni émission de dioxyde de carbone. Il restaure rapidement la qualité des écosystèmes aquatiques tels lacs et plans d’eau potables, réservoirs d’eau douce, eaux usées ou salées et effluents industriels. Plus de dix versions sont proposées en fonction de la gamme de débit de brassage demandée. « Ce produit est leader sur le marché US avec plusieurs centaines de dispositifs opérationnels », explique-t-on chez Équipements Scientifiques.
L’aérateur Sungo, développé par Tech Sub-Aquago, 100 % solaire, a été testé sur un lagunage surchargé du Pas-de-Calais, dont la capacité nominale initiale de 640 eqH est passée à 1 600 eqH avec le soutien de quatre Sungo, soit une augmentation de capacité d’un facteur 2,5. « Un gain très appréciable pour la collectivité dont le lagunage n’est pas raccordé au réseau électrique, qui n’a pas nécessité de travaux de génie civil et pour un budget réduit des deux tiers par rapport à une mise à niveau “classique” », souligne-t-on chez Tech-Sub. « Des résultats prometteurs pour tous les lagunages naturels en surcharge, d’autant que l’ensoleillement du Pas-de-Calais n’est, en théorie, pas des plus propices ! »
De son côté, Bibus propose pour l’aération une large palette de produits allant des soufflantes à canal latéral, des pompes submersibles, à de petits compresseurs d’air de la gamme japonaise Secoh. « Utilisés pour les micro-stations (maison individuelle), les petites et moyennes stations (jusqu’à 500 équivalents-habitants), nous venons de lancer le modèle Secoh EL-F-300 W, doté d’un moteur de plus grande puissance allant jusqu’à 28 m³/h à vide, alors que nos compresseurs à membrane proposés jusqu’à présent ne dépassaient pas les 22 m³/h », signale Sébastien Ressicaud, chez Bibus. « Prochainement notre gamme va encore s’étoffer avec une gamme de compresseurs “eco” présentant des performances quasi similaires aux compresseurs existants, mais avec des consommations énergétiques deux fois moins élevées. Une gamme qui pourra peut-être fonctionner en solaire. » Se positionnant sur des marchés en expansion comme celui des micro-stations, Bibus propose aussi des diffuseurs fines bulles pour le traitement de fluides agressifs en milieu industriel ou municipal. « Notre nouveau diffuseur HD (disque 340 mm) en silicone est tout indiqué pour le traitement, par exemple, des eaux graisseuses dans la restauration. Nous répondons avec ce produit à une forte demande du côté des fast-food », indique Sébastien Ressicaud. « Nous disposons également d’un diffuseur HD en membrane viton, un des composants les plus résistants aux produits chimiques pour des applications dans l’industrie chimique et pharmaceutique. »
Aquasystems, CE2A, Eau Claire, SCM Tecnologie et TMI proposent, de leur côté, des aérateurs flottants associant aération et brassage. Chez SCM Tecnologie, les aérateurs flottants semi-rapides AGV sont disponibles en dix modèles de 1,5 à 30 kW pour un fonctionnement en surface sur des lagunes avec des hauteurs d’effluents de 0,7 à 4 m. Leur diamètre d’action varie de 35 à 85 m pour le plus puissant, et leur…
La capacité de brassage se situe entre 600 et 3 000 m³/heure. Ces aérateurs assurent ainsi à la fois une action d’oxygénation efficace avec des taux de transfert d’oxygène de 1,3 à 1,4 kgO₂ par kW/heure absorbé et une fonction de brassage importante.
L’offre est également très importante chez Cardo Flow Solutions France sous la marque ABS. Ses diffuseurs à fines bulles à membranes (PIK 300), avec un débit de brassage de 1,4 à 9,5 Nm³/h et un rendement de 5,5 à 8 %/m³ ce, présentent actuellement « les meilleurs rendements d’oxygénation, en aération plancher ou partielle, continue ou séquencée », assure Julia Koloveri, Responsable Communication chez Cardo Flow Solutions France. Son hydro-éjecteur Venturi-Jet est, quant à lui, idéal pour le brassage et l’aération des eaux usées, domestiques et industrielles, contenant un pourcentage important de matières organiques. ABS dispose aussi d’un aérateur auto-aspirant Frings (TA et TAK) dans lequel la rotation du rotor crée l’aspiration de l’air et diffuse un mélange eau-air fines bulles. Enfin, son aérateur agitateur OKI est une alternative intéressante lorsque la nature des effluents forme rapidement des dépôts sur les diffuseurs d’air.
Composé d’un moteur faisant tourner un rotor qui diffuse un mélange air/eau fines bulles, l’appareil est quasi incolmatable et peut fonctionner avec ou sans air. Dans le premier cas, il assure le brassage des effluents et leur aération. Dans le second cas, il se contente uniquement de brasser. Son installation ne nécessite pas la vidange du bassin.
À noter qu’Aquasystems, avec l’AER-SB, dispose également d’un aérateur auto-aspirant dans lequel la rotation du rotor crée l’aspiration de l’air et diffuse un mélange de fines bulles. Ces appareils peuvent équiper des stations d’épuration municipales et industrielles.
CE2A propose de son côté sa gamme d’aérateurs déprimogènes TRN, dédiée aux traitements des eaux chargées municipales mais aussi industrielles, « car ils ont les avantages d’être robustes, en fonte avec turbine et plaque d’aspiration en inox, fiable par étanchéité de l’entrée de câble fondue dans de la résine, double garniture mécanique avec ascenseur à huile, protection thermique, explique Christophe Eginer, Directeur Général de CE2A. Ils sont faciles à installer et à entretenir et se caractérisent par un faible coût d’investissement par rapport aux diffuseurs fines bulles ». La gamme s’étend de 0,75 kW à 40 kW, 1 500 tr/min à partir de 2,2 kW. Ils peuvent fonctionner en déprimogène (jusqu’à 7 m de profondeur) ou être gavés à l’aide d’un surpresseur. Ces machines ont l’avantage d’être insensibles au gel, de ne pas produire d’aérosol et de ne pas générer de bruits.
Agitation et mélange : des systèmes moins énergivores
Proposée par plusieurs fabricants comme Landia, Grundfos, KSB, Xylem Water Solutions France, Salmson ou Wilo, la gamme des dispositifs d’agitation est large entre les agitateurs à grandes pales proposés en cas d’aération fines bulles dans les grandes stations d’épuration et les appareils de quelques kilowatts à pales rapides pour l’homogénéisation des effluents, en passant par les agitateurs à moyenne vitesse pour la mise en suspension de particules solides ou l’homogénéisation de boues (ou autres fluides légèrement visqueux).
Chez Wilo, le choix de l’agitateur le plus approprié est réalisé en fonction des configurations des constructions. Des simulations numériques peuvent être proposées pour les constructions particulières. « Une sélection optimale du matériel permet de réduire considérablement les frais de fonctionnement pour un investissement
« Initial légèrement supérieur », signale Olivier Armbruster, chef produit chez Wilo.
Les agitateurs à grandes pales Maxiprop (hélice à deux pales) et Mégaprop (hélice à trois pales) sont couramment utilisés pour la circulation des effluents dans les ouvrages de traitement biologique des eaux usées. Leurs bons coefficients de performance (ISO 21630 : poussée ramenée à la consommation) les placent parmi les meilleurs du marché. Leur design à trois pales permet de répartir la poussée sur celles-ci, ce qui favorise un fonctionnement sûr, particulièrement en conditions extrêmes. En créant un flux lent et régulier, ils permettent d’éviter la formation de dépôts tout en ne perturbant pas l’activité bactérienne. De plus, dans les bassins d’aération « fines bulles », ce flux horizontal permet d’augmenter le temps de contact entre les bulles d’air et l’effluent, augmentant ainsi considérablement le taux de transfert d'oxygène.
« Grâce à nos agitateurs et avec un dimensionnement optimal des installations, il est possible de réaliser d’importantes économies d’énergie », indique Olivier Armbruster. Exemple : « choisir le Megaprop TR 326 équipé des derniers moteurs IE3 en remplacement du modèle Maxiprop TR 215 permet un retour sur investissement inférieur à un an en tenant compte des différences de coût et de consommation énergétique des deux appareils. Au terme d’une durée de vie de dix ans, c’est plusieurs centaines de milliers d’euros en moins sur la facture énergétique ». Chez Wilo, le message est clair : « la sélection des bons agitateurs pour des systèmes adaptés permet de garantir un traitement fiable des eaux usées avec le niveau épuratoire le plus élevé pour un coût le plus bas possible ».
Cardo Flow Solutions France (marque ABS) se distingue également en matière d’économie d’énergie. Son agitateur à vitesse lente flow booster XSB, aujourd'hui...
Xylem Water Solutions France
Le plus grand de sa catégorie sur le marché du traitement de l'eau réduit la consommation d’énergie de 25 %. Ses performances sont dues à un moteur équivalent ou supérieur au rendement premium IE3, un réducteur à engrenages ultra-efficace, et une conception innovante unique, qui renforce l’efficacité de l’agitateur. Enfin, son agitateur submersible XRW, doté d’un moteur-variateur à aimants permanents, adapte la puissance du brassage dissipée en fonction des besoins. D’où, là encore, une empreinte carbone considérablement réduite.
Grundfos a travaillé de son côté sur les profils des hélices agitateurs semi-rapides, et propose aujourd’hui l’un des meilleurs rapports « poussée-puissance », mesuré selon la norme ISO 21630. L’amélioration des rapports poussée-puissance (newton/watts) assure elle aussi une consommation énergétique optimisée pour ces équipements très sollicités sur les sites de traitement des eaux. « Nous disposons par ailleurs de techniciens capables de mesurer les vitesses sur site en trois dimensions — utilisant des techniques de mesure de vitesse par doppler », indique Frédéric Levallois, « ce qui permet de corréler les informations obtenues sur site avec celles des modèles numériques utilisées pour définir le meilleur couple entre agitation et aération ».
Chez KSB, les mélangeurs Amamix et les propulseurs Amaprop assurent un mélange optimal empêchant tout processus de sédimentation au sein des bassins de boues activées. La nouvelle gamme de propulseurs Amaprop, équipée d’hélices d'une envergure maximale de 2,50 m, est maintenant montée sur un nouveau support monobloc coulé en une seule pièce dans un matériau composite qui reprend tous les efforts : poussée, efforts transversaux… etc. La barre de guidage n’est plus sollicitée. Pour les bassins jusqu’à 7 mètres de hauteur, la fixation supérieure n'est plus obligatoire et devient ainsi une option. « L’optimisation de la sélection des appareils et les recommandations de positionnement sont les maîtres mots pour un résultat efficace et garanti » explique-t-on chez KSB, qui a développé un outil de sélection appelé EasySelect, basé sur sa forte expérience et complété par des simulations mathématiques corroborées par les mesures réalisées sur les stations.
Xylem (anciennement ITT France) a lancé en 2009 un nouvel agitateur à pales rapides, le 4650 LSPM Flygt, doté d’un moteur à aimant permanent à démarrage direct sans variateur de fréquence. Ce nouvel agitateur compact à haut rendement énergétique fait appel à la technologie LSPM 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 à 12 pôles.
Dopage à l’oxygène pur : une bonne solution dans certains cas
L'oxygène pur peut constituer une alternative intéressante pour les exploitants lorsqu’il s'agit de faire face rapidement à une augmentation de la charge polluante sans qu'il soit nécessaire d'investir lourdement. Cette solution permet de faire face à des surcharges périodiques, par exemple en période estivale quand on doit faire face à une augmentation du volume des effluents. Elle permet d'insérer une étape de nitrification-dénitrification mais aussi de remédier à certains problèmes tels que l’apparition de nuisances odorantes ou d’émissions de COV. Les gaziers comme Linde, Messer, Air Liquide, Air Products, ou des spécialistes comme Oxydro proposent des solutions dédiées à ce type d'application.
Air Liquide a par exemple développé il y a quelques années, en partenariat avec Milton Roy Mixing, un oxygénateur de surface permettant de transférer l’oxygène pur dans les bassins d’aération, le Turboxal. Air Products propose de son côté des systèmes standardisés baptisés Halia® qui peuvent également être conçus sur mesure en fonction des besoins du client. Messer propose également des systèmes d'injection en fond de bassin par fines bulles et des équipements de dissolution par bullage ou injecteur type venturi. L'injection d'oxygène pur dans les bassins biologiques produit d’autres avantages.
« Il contribue également à une meilleure capacité de décantation des boues activées, une faible production de boues excédentaires et, de façon générale, augmente la stabilité du processus d'épuration », explique-t-on chez Linde France qui propose à travers sa gamme Solvox tout type d’injection d’oxygène. À travers son service industriel, Linde France propose la mise en place et la location d'équipements “plug and play”, permettant le maintien de l'oxygénation des bassins biologiques pendant les périodes de maintenance ou de très fortes charges de la station.
Dans tous les cas, le choix du système d’injection dépend de paramètres locaux comme la géométrie et la disponibilité du bassin, ainsi que le coût de l’énergie électrique locale.
Ce nouvel agitateur compact à haut rendement énergétique fait appel à la technologie LSPM (Line Started Permanent Magnet) 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 à 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. Des brevets sont déposés. « Suivant l’angle de l’hélice et les autres options de configuration, cet agitateur 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 Xylem.
S.C.M. Tecnologie propose quant à elle une gamme complète d'agitateurs immergés horizontaux, fruit de sa longue expérience dans le domaine du traitement des eaux usées. Les agitateurs série MX sont adaptés à 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 applications optimales dans le traitement des lisiers zootechniques et de tout effluent à densité importante.
La gamme complète de S.C.M. Tecnologie a fait l'objet d'une évolution importante en 2011 avec les nouveaux modèles MX-gis, MX-gi.s (multipôle) et MX-GIR.S (à vitesse semi-rapide avec réducteur) : leur design innovant, caractérisé par une hélice au profil hautement performant, engendre une poussée importante qui se traduit par une économie d’énergie. Le développement des produits, de la conception jusqu’à la réalisation, est 100 % « Made in Italy » et fait appel, en termes de qualité, aux meilleurs matériaux disponibles.
Landia propose de son côté un agitateur grandes pales POPL-I à vitesse lente (moteurs de 1,5 à 5,5 kW) pour la création d'un courant optimal lors des processus de nitrification et de dénitrification. « Ses pales ultra-résistantes en acier inox ou en acier de carbone sont réglables pour obtenir la vitesse du liquide désirée avec une consommation minimale d’énergie », rapporte Gatien Caiveau, responsable Landia France. « Autre avantage, le système d'étanchéité extérieur des agitateurs Landia est constitué d’une bague d’usure et d'un joint à lèvre qui évitent tout accrochage avec les filasses ». La société propose aussi un agitateur semi-lent POP-I, moins encombrant, idéal pour les bassins d’aération plus petits (STEP de moins de 20 000 équivalents habitants), ainsi qu'un hydroéjecteur Airjet performant avec le concept d’une pompe dilacératrice non-stop.
L’hydroéjecteur Landia est livrable en trois versions : installation sèche à l’extérieur du bassin, immergé ou flottant placé sur des flotteurs. Le système est incolmatable, y compris dans des boues avec un contenu important en matières sèches.
