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Submitted on 16 May 2020
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Vers des stations d’épuration moins énergivores et productrices de ressources
J.P. Canler, Anne Emmanuelle Stricker, S. Gillot
To cite this version:
J.P. Canler, Anne Emmanuelle Stricker, S. Gillot. Vers des stations d’épuration moins énergivores et productrices de ressources. 2016, pp.5. �hal-02605045�
Vers des stations d’épuration moins énergivores et productrices de ressources.
Canler, J.P. ; Stricker, A.E. ; Gillot, S. (Irstea)
Contexte
L'énergie – consommée ou produite – par les stations de traitement des eaux usées urbaines fait partie des objets de recherche actuels des équipes du Thème de Recherche (TR) Technologies et procédés pour l’Eau et les Déchets (TED) à Irstea. Cette thématique complète l’axe de recherche « historique » portant sur l’optimisation de l’aération dans les procédés biologiques aérobies, et oriente les futures recherches vers les stations dites "à valorisation" en énergie et en ressources.
Une première étude menée par Irstea de 2013 à 2016 et cofinancée par l’Agence de l’Eau Rhône
Méditerranée Corse a porté sur la quantification et l'évaluation des consommations énergétiques des cinq principales filières de traitement intensif présentes en France : boues activées (BA), réacteurs biologiques séquentiels (SBR), bioréacteurs à membranes (BRM), biofiltres (BF) et lits fluidisés sur supports plastiques (MBBR). Ce travail a trouvé ses motivations dans les constats suivants :
- Des consommations spécifiques (kWh par kg de DBO5 éliminée ou par m3 d’eau traitée) mesurées sur site lors de l’évaluation par Irstea des procédés nouveaux implantés en France (BRM, MBBR et plus anciennement biofiltres) très variables d’un site à l’autre, et souvent significativement supérieures aux valeurs attendues.
- Une attention croissante portée à l'optimisation énergétique des STEU, motivée à la fois par l’augmentation des tarifs de l’énergie et par les obligations réglementaires européennes et nationales liées à la transition énergétique et à la lutte contre le changement climatique.
Démarche
Un document de synthèse public de l'étude sera mis à disposition début 2017, et se compose de trois grandes parties.
Etat des lieux en France et à l'étranger
La première partie présente une synthèse et une comparaison des consommations énergétiques
spécifiques globales (périmètre de la station entière) observées en France et à l'étranger. Ce travail repose sur la construction et l'analyse statistique de deux bases de données. La première rassemble les
consommations énergétiques ainsi que des données descriptives et de fonctionnement de 310 installations d’une capacité supérieure à 2000 EH réparties sur tout le territoire français et utilisant l'un des 5 procédés à étudier. Les données ont été extraites des rapports annuels obligatoires produits par les services
d'assainissement (rapport sur le prix et la qualité du service = RPQS) ou leurs exploitants (rapport annuel du délégataire = RAD). La seconde base rassemble 213 jeux de données issus de la bibliographie, et
représentant plus de 1000 installations à cultures libres situées à l'étranger. Dans les deux cas, l'objectif était de déterminer les consommations spécifiques actuelles (valeurs centrales et dispersion), et d’en étudier les facteurs de variation potentiels parmi les contraintes et choix de conception (capacité nominale, niveau de traitement demandé, procédés et technologies des filières eau, boues et air, date de mise en service, géographie, …) et les conditions de fonctionnement moyennes réelles (taux de charge,
caractéristiques de l’eau usée, performances de traitement, siccité des boues, climat). Pour chaque procédé présentant au moins 50 observations ou paramètres dans la base française (BA, BRM, et BF), des
équations de régression multilinéaire ont été développées, permettant d'estimer les consommations spécifiques d’une installation à partir de ses quelques caractéristiques de conception et de fonctionnement les plus déterminantes. Ces modèles sont des outils relativement simples qui seront mis à disposition des professionnels pour prédire des valeurs de référence et situer les performances globales de leur
installation, avant d’envisager une analyse énergétique plus complète et une optimisation.
Analyse énergétique d'une installation
Une méthodologie d'analyse énergétique approfondie par poste (filières eau, boue, air, …) et sous-poste (aération, agitation, recirculations,…) a été mise au point et appliquée à une dizaine d'installations à cultures libres (BA, SBR et BRM). La méthode requiert une description détaillée de la station, un inventaire complet des moteurs, ainsi que les enregistrements des capteurs analogiques et des temps de marche des appareils. Les objectifs sont (i) de déterminer des consommations spécifiques par sous-poste et de les comparer aux données disponibles dans la bibliographie, qui ont été synthétisées par type de technologie ; (ii) d’étudier les corrélations entre les consommations énergétiques par sous-postes et les variables de fonctionnement au pas de temps journalier, afin d'identifier les leviers d'action ; (iii) d’étudier la répartition des consommations énergétiques par (sous-)poste, afin de hiérarchiser les actions selon leur impact potentiel sur la consommation globale.
Recommandations et perspectives
Enfin, à partir des enseignements tirés de la bibliographie, de la base de données nationale et des études de cas détaillées, des recommandations visant tous les acteurs du maître d'ouvrage à l'exploitant sont formulées, afin de les guider dans leur démarche d’optimisation énergétique des installations.
Résultats sur le parc de stations actuel
Facteurs de variation et prédiction des consommations spécifiques
Quel que soit le procédé, le premier facteur explicatif de la dispersion des consommations spécifiques exprimées en kWh/kgDBO5 éliminée est le taux de charge organique, avec une relation décroissante de type puissance ou exponentielle. Les facteurs explicatifs de rang 2 et plus dépendent par contre du procédé. La Figure 1 illustre le cas des BA dans la base de données nationale. Chaque point représente la consommation spécifique totale (électricité + combustibles) et globale (station entière) d’un site en moyenne annuelle.
0 1 2 3 4 5 6 7
0% 20% 40% 60% 80% 100% 120%
kWh/kgDBO élm
Taux de charge DBO5 (%)
Figure 1. Relation entre la consommation spécifique et le taux de charge en DBO5 pour les BA de la base de données nationale
Les modèles proposés intègrent simultanément l'effet des principaux facteurs pour prédire une consommation de référence par installation. Par exemple, pour une BA sans séchage ni incinération des boues, la consommation spécifique moyenne annuelle exprimée en kWh/kgDBO5élm est égale à :
14.9 - 0.567*ln(Taux charge DBO5) + 0.00755*[DBO5 entrée] - 2.40*ln[DBO5 entrée] - 0.18*DBO5/NTK + 1.30*ln(T° air extérieur) - 3.30*DBO5/MES + 2.51*ln(DBO5/MES) ± 0,5*IP95
Le dernier terme de l'équation exprime l'incertitude associée au résultat, sous forme d'un intervalle de prédiction (IP95). La position de la consommation moyenne annuelle réellement observée par rapport à cet intervalle (Figure 2) permet de déterminer si la station étudiée est (i) normale par rapport au parc actuel, ce qui n'exclut pas une optimisation ; (ii) énergivore, et d'estimer un gain potentiel minimal ; ou (iii) déjà optimisée, au moins sur certains postes.
Figure 2. Interprétation de la consommation observée par rapport à la prédiction des modèles
Comparaison entre procédés et pays
La Figure 3 compare les cinq procédés étudiés dans la base de données nationale. Cette représentation en diagramme de dispersion permet d’apprécier le nombre et la position individuelle des points, ainsi que la distribution et le centrage (moyenne et médiane) des échantillons.
Pour les BA françaises, les consommations spécifiques observées sur 166 sites de 2 000 à 1 000 000 EH entre 2008 et 2013 se situent entre 1,5 et 6,8 kWh/kgDBO5 éliminée, avec une moyenne de 3,2 ± 0,1 kWh/kgDBO5 éliminée. Cette valeur est supérieure à la moyenne des consommations observées dans la bibliographie internationale (2,2 ± 0,3 kWh/kgDBO5élm).
On constate une gradation des consommations spécifiques entre les 3 procédés à cultures libres dans le sens BA < SBR < BRM, que l'on retrouve dans la bibliographie internationale. La consommation des biofiltres présente la plus forte dispersion, autour d’une moyenne de 4,5 ± 0,6 kWh/kgDBO5 élm. Enfin la consommation des MBBR se rapproche de celle des BRM.
La Figure 3 suggère donc que les procédés plus récents et/ou plus compacts sont plus consommateurs, mais la causalité est multiple et complexe. En effet, l’âge et même la compacité peuvent avoir des répercussions sur d’autres variables, comme les conditions de fonctionnement et le degré d’optimisation du procédé. Par exemple, un procédé compact est plus volontiers installé en terrain difficile comme la
2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5
kWh/kgDBO5 élm
Cas énergivore
Cas optimisé Cas moyen
Plage de gain minimal
Valeur prédite IP95
montagne, qui cumule des taux de charge très faibles et des taux de dilution élevés pendant 8 à 10 mois par an, et des températures froides qui alourdissent la facture de chauffage.
Figure 3. Consommations spécifiques des 5 procédés représentés dans la base de données nationale
Les nouvelles stations économes en énergie
La réduction des dépenses énergétiques des systèmes d’assainissement étant devenue un enjeu majeur, les constructeurs proposent de plus en plus des stations dites "économes en énergie". Une étude a été initiée pour mieux caractériser les gains énergétiques réels de ces stations, à partir d’un suivi poussé de quelques installations. Il s'agit également d’identifier les pistes de réduction des dépenses énergétiques pour des installations couplant un étage biologique à boues activées avec une filière boue équipée d’un digesteur anaérobie. A partir de 2 sites d’étude, un modèle de fonctionnement sera élaboré afin d’étudier l’impact des choix de dimensionnement et des stratégies d'exploitation sur les performances globales des installations, y compris énergétiques. Les résultats de cette étude pourraient in fine fournir les données requises pour faire une évaluation environnementale complète (de type analyse de cycle de vie) de ces installations.
Vers la station d’épuration du futur
On espère disposer d’ici fin 2017 d’un outil d’optimisation technique et énergétique du fonctionnement global d’une station. Parallèlement à la mise au point de ce type d’outils, précieux pour évaluer et réduire l’impact des activités humaines sur l’environnement, les spécialistes de l’épuration d’Irstea se penchent sur des solutions pour rendre le traitement des eaux usées plus durable, notamment du point de vue énergétique. Parmi elles, une meilleure valorisation des déchets des stations, dont les boues, pour produire du biogaz pourrait permettre d'atteindre à terme l’autonomie énergétique des stations...
Contacts
Jean-Pierre Canler – Irstea Centre Lyon-Villeurbanne - 5, rue de la Doua - CS 70077 - 69626 Villeurbanne Cedex - Tél : 04 72 20 87 31 - Mail : jean-pierre.canler@irstea.fr
BA SBR BRM BF MBBR
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
kWh/kgDBO5 élm
Médiane Moyenne
Cultures libres Cultures fixées
Moyenne : 3,2 4,6 6,8 4,5 6,5 IC95 : ±0,1 ±0,7 ±0,6 ±0,6 ±1,0
Anne-Emmanuelle Stricker – Tél : 05 57 89 08 15- Mail : anne-e.stricker@irstea.fr.
Sylvie Gillot – Irstea Centre Lyon-Villeurbanne - 5, rue de la Doua - CS 70077 - 69626 Villeurbanne Cedex Tél : 04 72 20 87 07 Mail : sylvie.gillot@irstea.fr
