ÉCONOMIE D’EAU POTABLE

Clément Cartier

Ing., Ph. D. Représentant technique Brault Maxtech inc.

clement.cartier@braultmaxtech.com

En traitement des eaux usées, l’efficacité énergétique passe assurément par l’optimisation des procédés d’aération. Que ce soit pour les différents procédés de boues activées et plus encore pour les étangs aérés, l’aération compte pour une des principales consommations énergétiques de la station de traitement des eaux usées. Cet article portera donc sur les principaux points liés à l’aération, y compris le mélange.

L’élément principal affectant l’aération est le type d’aérateur ou de diffuseurs. Chaque type d’aérateur présente ses avantages et ses inconvénients. Les aérateurs mécaniques de surface ont l’avantage d’être versatiles, simples à installer et peu coûteux en incluant l’installation, comparativement à un système d’aération complet avec surpresseurs. Toutefois, ils sont voraces en énergie et demandent énormément de maintenance, particulièrement en présence de filasses. De plus, leur fonctionnement en hiver n’est pas aisé.

Les aérateurs à grosses bulles sont adaptés à la présence de filasses. Ils ne demandent pas de dégrillage en amont et ne requièrent aucune maintenance sur les équipements. D’un point de vue énergétique, ils sont moins efficaces que des diffuseurs à fines bulles, mais plus efficaces que des aérateurs de surface. Du point de vue de l’efficacité de mélange, ils sont généralement comparables aux diffuseurs à fines bulles et permettent un brassage en profondeur avec une quantité d’air comparable.

Les diffuseurs à fines bulles sont très efficaces et demandent généralement deux fois moins d’air que les aérateurs à grosses bulles. Pour le traitement des eaux usées municipales, on recommande en amont d’avoir une étape de dégrillage afin d’éviter les problèmes liés aux filasses. Pour bien considérer les coûts d’exploitation, il faut aussi tenir compte du remplacement des membranes de diffuseurs et de la maintenance sur ceux-ci.

Pour les étangs complètement mélangés, une façon simple d’évaluer l’efficacité énergétique du système est de comparer l’énergie requise (ou le besoin en air) pour le mélange et le besoin en air pour les besoins biologiques. Si les deux valeurs s’équivalent, le système est bien conçu. Si une des composantes est significativement plus importante que l’autre, cela signifie que la configuration des étangs n’est pas optimisée. Il faut toutefois s’assurer de maintenir un temps de rétention hydraulique minimum dans la portion complètement mélangée (voir le guide de conception du MELCC).

Les procédés biologiques à garnissage (RBGS) sont une option à considérer pour limiter l’espace. Toutefois, d’un point de vue énergétique, ils sont généralement aussi ou même plus exigeants que des étangs aérés équipés de diffuseurs à moyennes ou à grosses bulles, puisqu’ils demandent un brassage important et des concentrations élevées d’oxygène dissous. Comme les bassins sont relativement petits, on les conçoit plus profonds, ce qui permet un meilleur transfert d’oxygène.

Dans certains cas, particulièrement pour les boues activées, il est parfois préférable de considérer l’ajout de mélangeurs mécaniques pour permettre un mélange efficace sans nécessairement consommer d’air, donc avec une consommation énergétique moindre. En séparant les deux procédés de mélange et d’aération, il devient alors possible d’optimiser l’aération en fonction des besoins spécifiques en air. De la même manière, il existe également des mélangeurs verticaux équipés de diffuseurs (en fonction ou non). Ces systèmes possèdent plusieurs avantages : 1) ils sont spécialement conçus pour maximiser le mélange en demandant souvent beaucoup moins d’énergie que des mélangeurs conventionnels ou des diffuseurs ; 2) ils sont conçus pour fonctionner en présence de filasses ; 3) comme mentionné précédemment, ils peuvent effectuer le mélange avec ou sans les diffuseurs en marche, ce qui permet d’optimiser l’aération ; 4) ils sont également conçus pour faciliter la maintenance par rapport à des ensembles de diffuseurs à fines bulles conventionnels : aucun diffuseur à nettoyer au fond du bassin, aucune grille de diffuseurs à sortir de l’eau, tout est à même le mélangeur.

De manière similaire, le procédé d’aération par jets installés dans des réacteurs biologiques séquentiels ou dans certains fossés d’oxydation a aussi l’avantage d’avoir un système de mélange indépendant de l’aération. Ce système est beaucoup plus durable que des diffuseurs à fines bulles, plus adapté à des variations de niveau et conçu pour des applications de mélange sans aération. Cette configuration est cependant généralement moins utilisée en raison du coût d’exploitation important.

Il est également possible de diminuer la consommation d’énergie en optimisant la sélection des soufflantes utilisées en fonction des différents scénarios d’aération (saison, phase de conception, etc.). Dans un article précédent, nous avions comparé différents types de soufflantes : surpresseurs, compresseurs à vis, soufflantes centrifuges (simples, multiétagées ou turbo haute vitesse). Ces types de soufflantes ont toutes leurs avantages en fonction des applications. Les surpresseurs trilobes sont plus simples et moins coûteux, en plus de pouvoir fonctionner de manière efficace pour une grande gamme de débits. Pour des pressions supérieures à 8 psi, les compresseurs à vis sont plus efficaces au débit d’air de conception, mais ils présentent souvent des consommations énergétiques similaires à des débits inférieurs. Enfin, les soufflantes centrifuges sont très efficaces à de hauts débits, mais pour une plage de fonctionnement plus restreinte. Lors de la sélection des soufflantes (type et nombre), il est primordial d’évaluer les conditions de fonctionnement du système d’aération : la pire erreur consiste à se concentrer uniquement sur le scénario critique d’aération en fin de vie des équipements.

Enfin, l’optimisation de l’aération passe par la régulation de l’aération en fonction des besoins en air. De manière générale, cela consiste à utiliser une sonde à oxygène dissous couplée à un variateur de vitesse installé sur la soufflante afin d’ajuster le débit d’air en fonction des besoins en air. Une bonne conception (aération et soufflantes) permet alors une grande plage de fonctionnement des équipements de façon efficace, et donc une économie d’énergie substantielle. Dans le prochain article, nous présenterons d’autres approches d’économie énergétique reliées à la gestion des boues dans la filière de traitement. n

Que ce soit pour les différents procédés de boues activées et plus encore pour les étangs aérés, l’aération compte pour une des principales consommations énergétiques de la station de traitement des eaux usées.