Revue sur les économies d'énergie et la réduction des émissions de carbone des systèmes d'aération dans les usines de traitement des eaux usées
À la fin de 2020, la Chine comptait 4 326 stations d'épuration des eaux usées (STEP) municipales-et supérieures, traitant 65,59 milliards de mètres cubes d'eaux usées par an, avec une consommation annuelle d'électricité de 33,77 milliards de kWh, soit 0,45 % de la consommation électrique totale nationale. En 2020, la consommation unitaire d'électricité par mètre cube d'eau traitée était de 0,405 kWh/m³ pour les stations d'épuration mettant en œuvre la norme de catégorie A ou supérieure de la « Norme de rejet de polluants pour les usines de traitement des eaux usées municipales » (GB 18918-2002), et de 0,375 kWh/m³ pour celles mettant en œuvre des normes inférieures au niveau A. Ces chiffres sont nettement supérieurs à la moyenne des pays développés. Bien que la concentration moyenne de polluants entrants dans les STEP chinoises soit inférieure à 50 % de celle des pays développés, la consommation unitaire d’électricité par polluant éliminé est au moins 100 % plus élevée. Il reste donc un potentiel considérable d'économie d'énergie et de réduction des émissions de carbone dans les stations d'épuration chinoises.
Les émissions de carbone des STEP comprennent les émissions directes et indirectes. Selon la « Spécification technique pour l'évaluation du fonctionnement des usines de traitement des eaux usées à faible-carbone » (T/CAEPI 49-2022), les émissions directes de carbone se composent principalement de CH₄, N₂O et CO₂ provenant de la combustion de combustibles fossiles. Les émissions indirectes englobent celles associées à l’électricité, à la chaleur et aux produits chimiques achetés. Tel que défini par le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC), le CO₂ émis par le processus de dégradation biologique lors du traitement des eaux usées n'est pas inclus dans la comptabilisation des émissions de carbone. Parmi les différents éléments d’émission de carbone dans les STEP, la consommation d’électricité contribue dans la plus grande proportion. Jiang Fuhai et al., sur la base d'un échantillon de 10 STEP, ont constaté que le poids de la consommation d'électricité dans les émissions de carbone variait entre 31 % et 64 %. Hu Xiang et al., analysant 22 STEP dans le bassin du lac Chaohu, ont rapporté que les émissions de carbone liées à la consommation d'électricité représentaient entre 61,55 % et 73,56 %. Plus la concentration des eaux usées est faible et plus la norme des effluents est élevée, plus la proportion d'émissions directes de carbone, en particulier celles liées à la consommation d'électricité, est élevée. Les systèmes d'aération consomment plus de 50 % de l'électricité totale d'une STEP. L’efficacité opérationnelle des systèmes d’aération a un impact direct sur l’élimination de l’azote et du phosphore. Une aération excessive entraîne une consommation inutile de sources de carbone endogènes dans les eaux usées, réduisant l'efficacité de l'élimination biologique de l'azote et du phosphore, augmentant ainsi le dosage des sources de carbone externes et des produits chimiques d'élimination du phosphore, ce qui à son tour augmente les émissions de carbone dues à la consommation de produits chimiques. Par conséquent, les économies d’énergie dans les systèmes d’aération sont essentielles à la réduction des émissions de carbone dans les stations d’épuration, ce qui rend la recherche sur les technologies d’économie d’énergie des systèmes d’aération très importante.
1. Raisons de la consommation élevée d’énergie dans les systèmes d’aération des STEP chinoises
1.1 La charge d'influence réelle est inférieure à la charge de conception
Une faible charge d’affluent comprend à la fois un faible débit et une faible concentration de polluants. C'est l'une des principales causes d'une aération excessive. La sur-aération augmente non seulement la consommation d'électricité, mais épuise également excessivement les sources de carbone endogènes dans les eaux usées et élève les concentrations d'oxygène dissous dans les réservoirs anaérobies et anoxiques, nuisant à l'élimination de l'azote et du phosphore. Cela nécessite des doses accrues de sources de carbone et de produits chimiques d’élimination du phosphore, augmentant ainsi les émissions de carbone associées.
1.1.1 Faible débit
Généralement, au cours des premières années suivant la construction d'une station d'épuration, le débit d'affluent n'atteint souvent pas la capacité nominale en raison d'un retard dans le développement urbain ou dans la construction du réseau d'égouts. De plus, dans les zones de réseaux d'égouts unitaires ou les régions où les eaux pluviales et les eaux usées se mélangent fortement, le débit par temps sec-est nettement inférieur au débit par temps pluvieux-, ce qui entraîne d'importantes fluctuations de débit. Cela nécessite une régulation et un contrôle plus précis des taux d'aération ; sinon, une sur-aération pendant les périodes de faible-débit est courante, affectant l'efficacité de l'élimination du carbone, de l'azote et du phosphore et augmentant la consommation d'électricité et de produits chimiques.Figure 1montre la variation du volume de traitement des eaux usées dans la ville de Changsha entre les saisons sèches et humides. Le volume de traitement en saison humide-est 30 à 40 % plus élevé que pendant la saison sèche. Les fluctuations saisonnières du volume de traitement nécessitent un contrôle plus précis du système d’aération.
1.1.2 Faible concentration d'affluent
Les concentrations réelles de polluants dans les eaux usées municipales chinoises sont généralement bien inférieures aux valeurs de conception. Dans la conception d'une STEP, la qualité des affluents est généralement basée sur des projections à moyen-à-long-terme avec des réseaux d'égouts complets. Selon la « Standard for Design of Outdoor Wastewater Engineering » (GB 50014-2021), la demande biochimique en oxygène (DBO₅) sur cinq -jours pour les eaux usées domestiques est calculée entre 40 et 60 g/(personne·j), en prenant généralement 40 g/(personne·j). Avec un rejet d'eaux usées par habitant de 200 à 350 L/(personne·j) dans la plupart des villes, la concentration nominale de DBO₅ varie généralement de 110 à 200 mg/L. Les statistiques montrent que 68 % des stations d'épuration en Chine ont une DBO₅ moyenne annuelle réelle inférieure à 100 mg/L, et 40 % ont une moyenne annuelle inférieure à 50 mg/L. Du point de vue de la concentration des affluents par rapport à l'aération requise, la plupart des STEP chinoises disposent de systèmes d'aération conçus avec un « moteur surdimensionné pour un petit chariot »-configuré avec des ventilateurs de grande capacité- alors que la demande réelle en air est faible. Cette configuration conduit facilement à une suraération et à une augmentation de la consommation d’énergie.
1.2 Configuration déraisonnable de la quantité d'équipement d'aération
De nombreuses STEP ont configuré de manière déraisonnable le nombre d'unités d'équipement d'aération, car elles ne tiennent pas compte des conditions de fonctionnement fréquentes à faible charge. Par exemple, de nombreuses STEP de petite et moyenne taille-configurent généralement les soufflantes dans une configuration « 2 devoirs + 1 veille » (total 3) dans la conception de la salle des soufflantes, ce qui est optimal dans les conditions de débit et de qualité de conception. Cependant, dans des conditions de faible charge d'influence, le fonctionnement d'un seul ventilateur à sa puissance minimale peut entraîner une sur-aération et une consommation d'énergie accrue. Bien que l'installation de variateurs de fréquence (VFD) ou d'autres moyens permettant de réduire l'apport d'air puisse éviter une sur-aération, ces mesures peuvent déplacer le fonctionnement du ventilateur hors de sa zone de haute-efficacité, réduisant ainsi l'efficacité et gaspillant de l'énergie. Compte tenu des concentrations généralement faibles d'affluents, des stratégies telles que l'augmentation du nombre de soufflantes tout en réduisant la capacité des unités individuelles devraient être envisagées pour répondre aux besoins de régulation de la demande en air pendant les périodes de faible -charge. Historiquement, les budgets limités et le coût élevé des surpresseurs importés à hautes performances- entraînaient une réduction du nombre de configurations d'unités-. Avec la maturation de la technologie des ventilateurs domestiques à haute performance et la réduction des coûts, les conditions sont désormais favorables pour optimiser les configurations des ventilateurs afin de réaliser des économies d'énergie et une réduction des émissions de carbone.
1.3 Faible efficacité des équipements d'aération
Certaines stations d'épuration plus anciennes, construites avec la technologie de leur époque, utilisent des équipements d'aération à faible-efficacité et à haute-consommation d'énergie-. Selon les normes technologiques et d'efficacité énergétique actuelles, les équipements tels que les ventilateurs Roots, les ventilateurs centrifuges à plusieurs étages à basse vitesse-, les aérateurs à disques et les aérateurs à brosse sont considérés comme à faible-efficacité, allant généralement de 40 % à 65 % d'efficacité-15 % à 40 % de moins que les ventilateurs centrifuges modernes à haute vitesse-. De plus, dans les STEP utilisant une aération diffusée par fines -bulles dans des procédés anaérobies-anoxiques-oxiques (A₂/O) ou anoxiques-oxiques (A/O), le vieillissement ou le colmatage des diffuseurs réduit l'efficacité du transfert d'oxygène et augmente la résistance, augmentant ainsi la consommation d'énergie des soufflantes.
1.4 Configuration déraisonnable des mélangeurs dans les réservoirs biologiques
Dans les fossés d'oxydation équipés d'aérateurs de surface, l'équipement remplit à la fois les fonctions d'aération et de mélange/poussée. Il s’agit d’une conception raisonnable dans les conditions de charge de conception. Cependant, dans des conditions de faible-charge, réduire ou arrêter l'aération peut être nécessaire, mais pour empêcher la décantation des boues ou la séparation liquide-solide, une vitesse d'écoulement suffisante doit être maintenue, forçant le fonctionnement continu des aérateurs et provoquant une sur-aération, une mauvaise élimination des nutriments et un gaspillage d'énergie. Pour un fonctionnement plus économe en énergie à faibles charges, les fossés d'oxydation doivent être équipés de mélangeurs submersibles correctement configurés.
Dans les processus A₂/O et A/O, les réservoirs aérobies sont généralement entièrement recouverts de diffuseurs à fines -bulles sans mélangeurs dédiés, s'appuyant sur une aération suffisante pour empêcher la décantation. Sous de faibles charges, réduire l'aération ou mettre en œuvre une aération intermittente pour éviter une-aération excessive peut facilement conduire à la décantation des boues, affectant le traitement. Pour fonctionner plus efficacement à faibles charges, les réservoirs aérobies A₂/O et A/O doivent envisager d’ajouter des mélangeurs appropriés.
2. Approches techniques pour les économies d'énergie et la réduction du carbone dans les systèmes d'aération des STEP
2.1 Remplacement par un équipement d'aération à haute-efficacité
Les STEP qui utilisent encore des équipements à faible-efficacité tels que des surpresseurs Roots, des surpresseurs centrifuges à plusieurs étages à basse vitesse-, des aérateurs à disques ou des aérateurs à brosse, ou celles dont les équipements sont très vieillissants et inefficaces, devraient effectuer des évaluations d'efficacité énergétique dans une perspective d'-économie d'énergie et de réduction de carbone-et les remplacer en temps opportun par de nouveaux modèles à haute-efficacité. Actuellement, les soufflantes à grande vitesse-comme les soufflantes centrifuges à un seul-haute-vitesse, les soufflantes à paliers magnétiques et les soufflantes à paliers pneumatiques utilisées dans les grandes STEP affichent généralement des rendements compris entre 80 % et 85 %. Cependant, le marché manque actuellement de produits de soufflante centrifuge de petite -capacité et haute-vitesse. Les STEP d'une capacité inférieure à 2 000 m³/j s'appuient encore sur des équipements moins efficaces comme les surpresseurs Roots, avec des rendements généralement compris entre 40 % et 65 %, ce qui indique un potentiel d'amélioration important. Par conséquent, le développement d'équipements d'aération à petite échelle-plus efficaces est important pour les économies d'énergie et la réduction des émissions de carbone dans les petites STEP.
2.2 Conversion de l'aération de surface en aération diffuse à fines-bulles
Avec une profondeur d'eau appropriée, l'aération diffusée par fines-bulles est plus économe en énergie-que l'aération de surface. La conversion des fossés d'oxydation de la surface en une aération diffusée à fines -bulles peut donner de bons résultats en matière d'économie d'énergie-. Grâce aux projets de rénovation mis en œuvre, de telles conversions permettent non seulement de réaliser d'importantes économies d'énergie, mais améliorent également l'efficacité de l'élimination des nutriments biologiques. L'étude de Chen Chao a noté qu'après la conversion d'une STEP, la consommation totale d'électricité a diminué de 24,7 %, tandis que les taux d'élimination de l'azote ammoniacal, de la DCO et du phosphore total ont augmenté de 30,39 %, 5,39 % et 2,09 %, respectivement. Xie Jici et coll. ont rapporté des économies d'énergie de 0,09 à 0,12 kWh/m³ après une conversion similaire, avec une amélioration significative de l'efficacité de l'élimination des nutriments biologiques. Dans l'aération à fines bulles, l'efficacité du transfert d'oxygène est linéairement positivement corrélée à la profondeur de l'eau. En dessous d’une certaine profondeur critique, son efficacité peut être inférieure à celle de l’aération de surface. Généralement, une profondeur d'eau supérieure à 4 m est considérée comme une condition appropriée pour convertir les fossés d'oxydation en aération diffuse à fines bulles -.
3. Approches techniques pour les économies d'énergie et la réduction du carbone dans les systèmes d'aération des STEP
3.1 Remplacement par un équipement d'aération à haute-efficacité
Les STEP qui utilisent encore des équipements à faible-efficacité tels que des surpresseurs Roots, des surpresseurs centrifuges à plusieurs étages à basse vitesse-, des aérateurs à disques ou des aérateurs à brosse, ou celles dont les équipements sont très vieillissants et inefficaces, devraient effectuer des évaluations d'efficacité énergétique dans une perspective d'-économie d'énergie et de réduction de carbone-et les remplacer en temps opportun par de nouveaux modèles à haute-efficacité. Actuellement, les soufflantes à grande vitesse-comme les soufflantes centrifuges à un seul-haute-vitesse, les soufflantes à paliers magnétiques et les soufflantes à paliers pneumatiques utilisées dans les grandes STEP affichent généralement des rendements compris entre 80 % et 85 %. Cependant, le marché manque actuellement de produits de soufflante centrifuge de petite -capacité et haute-vitesse. Les STEP d'une capacité inférieure à 2 000 m³/j s'appuient encore sur des équipements moins efficaces comme les surpresseurs Roots, avec des rendements généralement compris entre 40 % et 65 %, ce qui indique un potentiel d'amélioration important. Par conséquent, le développement d'équipements d'aération à petite échelle-plus efficaces est important pour les économies d'énergie et la réduction des émissions de carbone dans les petites STEP.
3.2 Conversion de l'aération de surface en aération diffuse à fines-bulles
Avec une profondeur d'eau appropriée, l'aération diffusée par fines-bulles est plus économe en énergie-que l'aération de surface. La conversion des fossés d'oxydation de la surface en une aération diffusée à fines -bulles peut donner de bons résultats en matière d'économie d'énergie-. Grâce aux projets de rénovation mis en œuvre, de telles conversions permettent non seulement de réaliser d'importantes économies d'énergie, mais améliorent également l'efficacité de l'élimination des nutriments biologiques. L'étude de Chen Chao a noté qu'après la conversion d'une STEP, la consommation totale d'électricité a diminué de 24,7 %, tandis que les taux d'élimination de l'azote ammoniacal, de la DCO et du phosphore total ont augmenté de 30,39 %, 5,39 % et 2,09 %, respectivement. Xie Jici et coll. ont rapporté des économies d'énergie de 0,09 à 0,12 kWh/m³ après une conversion similaire, avec une amélioration significative de l'efficacité de l'élimination des nutriments biologiques. Dans l'aération à fines bulles, l'efficacité du transfert d'oxygène est linéairement positivement corrélée à la profondeur de l'eau. En dessous d’une certaine profondeur critique, son efficacité peut être inférieure à celle de l’aération de surface. Généralement, une profondeur d'eau supérieure à 4 m est considérée comme une condition appropriée pour convertir les fossés d'oxydation en aération diffuse à fines bulles -.
3.3 Technologie d'aération intermittente
Pour les STEP avec de faibles concentrations d'affluents, l'aération intermittente à flux continu-résout efficacement les problèmes de mauvaise élimination des nutriments et de consommation d'énergie élevée causée par une-aération excessive. Cela implique un débit continu d'affluent et d'effluent tandis que le système d'aération fonctionne selon des cycles d'aération marche/arrêt. Suite aux recherches d'ARAKI et al. en 1986 sur l'aération intermittente pour l'élimination de l'azote dans les fossés d'oxydation, de nombreux chercheurs ont mené des études expérimentales. Hou Hongxun et coll. a mené un essai à grande échelle dans une STEP de 100 000 m³/j en utilisant une aération intermittente à flux continu-dans un fossé d'oxydation, obtenant une augmentation de 20 % de l'élimination totale de l'azote, une augmentation de 49 % de l'élimination totale du phosphore et une réduction de 21 % de la consommation énergétique totale de l'usine. He Quan et al., dans un essai de fossé d'oxydation dans une STEP de 40 000 m³/j utilisant un cycle de marche de 2-heures/2-heures d'arrêt, ont constaté que par rapport à l'aération continue, l'aération intermittente permettait d'économiser 42 % d'énergie d'aération, d'augmenter l'élimination totale de l'azote de 9,6 % et l'élimination totale du phosphore de 6,9 % dans des conditions hivernales de basses-températures. Zheng Wanlin et al., dans un essai de processus A₂/O de STEP de 40 000 m³/j utilisant un cycle marche/arrêt de 3-heures, ont maintenu une qualité d'effluent stable et conforme aux normes tout en économisant 18,3 % de consommation d'électricité. Actuellement, les applications à grande échelle de l’aération intermittente à flux continu sont encore limitées et plusieurs défis techniques subsistent.
Pour les procédés A₂/O utilisant une aération à fines bulles-, deux facteurs limitent l'application généralisée de l'aération intermittente. Premièrement, les ventilateurs centrifuges à grande vitesse-générent un bruit aigu et élevé-décibels au démarrage ; des cycles fréquents pour un fonctionnement intermittent créent des nuisances sonores. Deuxièmement, les cycles de démarrage-arrêt fréquents des soufflantes à paliers magnétiques/à air entraînent des contacts répétés des roulements sans contact avec le boîtier, ce qui entraîne facilement des dommages aux roulements, une augmentation des taux de défaillance et une durée de vie réduite.
Lors de l'application d'une aération intermittente aux fossés d'oxydation ou aux processus A₂/O, une vitesse de mélange suffisante pendant les périodes de non--aération doit être garantie, ce qui peut nécessiter des mélangeurs supplémentaires pour empêcher la décantation des boues. Les concentrations d'azote ammoniacal peuvent augmenter rapidement en l'absence d'aération, risquant un dépassement instantané. Par conséquent, des recherches supplémentaires sont nécessaires pour définir et ajuster scientifiquement les cycles d’aération, améliorant ainsi les économies d’énergie et l’élimination des polluants tout en évitant un dépassement instantané de l’azote ammoniacal.
Les préoccupations des stations d'épuration concernant un éventuel dépassement instantané de l'azote ammoniacal constituent un obstacle majeur à une large application de l'aération intermittente. En janvier 2022, le ministère de l'Écologie et de l'Environnement a lancé une consultation sur un projet d'amendement au GB 18918-2002, proposant principalement d'ajouter des limites maximales autorisées pour les mesures uniques. Ces limites de mesure uniques proposées sont nettement supérieures aux limites moyennes quotidiennes initiales, tandis que les moyennes quotidiennes restent inchangées. Par exemple, pour la norme de catégorie A, une seule mesure inférieure à 10 mg/L (15 mg/L en dessous de 12 degrés) serait acceptable si la moyenne quotidienne reste inférieure à 5 mg/L (8 mg/L en dessous de 12 degrés). S'il est mis en œuvre, cet amendement pourrait contribuer à répondre aux préoccupations réglementaires concernant le dépassement instantané dû à l'aération intermittente, facilitant ainsi son application dans les processus de fossé d'oxydation.
3.4 Technologie d'aération précise
Les débits des STEP et les concentrations des affluents fluctuent considérablement, même tout au long de la journée, entraînant une demande d'air variable. S'appuyer uniquement sur un ajustement manuel basé sur l'expérience- rend un contrôle précis difficile et peut compromettre la stabilité de la qualité des effluents. Avec les progrès du big data et de l’intelligence artificielle, le concept d’aération précise a émergé. Une technologie d'aération précise a été appliquée dans certaines STEP, permettant généralement de réaliser des économies d'énergie de 10 à 20 % dans les systèmes d'aération. La combinaison d’une aération précise avec d’autres modifications du processus peut donner de meilleurs résultats. Zhu Jie et coll. a mis en œuvre une modernisation précise de l'aération dans une STEP à processus A/O en plusieurs étapes, réalisant 49,8 % d'économies d'énergie dans le système d'aération. Une aération précise et intelligente représente d’importantes orientations futures en matière d’économie d’énergie et de réduction des émissions de carbone. Il existe actuellement des limites en termes de -capacité en temps réel et de précision de l'acquisition et de l'analyse des données pour ces systèmes. D'autres avancées technologiques sont nécessaires pour un contrôle précis en temps réel des ventilateurs et des vannes et une distribution précise de l'air.
4. Conclusion
Les économies d’énergie dans les systèmes d’aération sont essentielles à la réduction des émissions de carbone dans les STEP. La principale raison de la consommation élevée d'énergie dans les systèmes d'aération des STEP chinoises est la faible charge d'affluent, qui conduit facilement à une sur-aération, au gaspillage d'électricité et à l'augmentation des émissions de carbone provenant à la fois de l'énergie et des produits chimiques. D'autres raisons incluent le vieillissement/l'équipement à faible efficacité-et la configuration déraisonnable des équipements d'aération et de mélange. Les moyens efficaces pour réaliser des économies d'énergie et une réduction des émissions de carbone comprennent le remplacement d'équipements d'aération à faible-efficacité par des équipements d'aération à haute-efficacité, la conversion de la surface en une aération diffuse à fines-bulles et l'application de technologies telles que l'aération intermittente à flux continu-et l'aération précise.