Différentes formes de qualification d’énergie et Evaluation des performances environnementales des STEP
La méthode la plus utilisée pour évaluer les impacts générés par un système est l’Analyse du Cycle de Vie (ACV). (Le principe de la méthode sera brièvement exposé)
L’ACV des systèmes d’épuration des eaux résiduaires urbaines commence à être pratiquée dans les années 1990 en essayant de :
- comparer les filières, les étapes de traitement,
- études comparative des systèmes de traitement ou séparation à la source (type de toilettes, etc)
- comparaison des filières de traitement et élimination des boues (avec possibilités valorisation matière ou énergie)
L’ACV des systèmes de traitement des pollutions (STEP) présente quelques particularités :
- la fonction de la STEP est une action en faveur de l’environnement
- la suppression de la pollution doit être prise en compte = impact positif de la STEP
- respect de la législation concernant les rejets des activités industrielles : la législation « impose », en partie, les performances environnementales de l’usine.
Ceci a un impact sur la définition des frontières et objectifs d’une étude ACV.
Des exemples d’études ACV de STEP de la littérature seront présentés.
D’autres critères de performance semblent être très pertinents, il s’agit de fonctions thermodynamiques exergie et emergie. Ces critères prennent en compte des aspects complémentaires à la méthode ACV. Si le bilan énergétique nous renseigne sur les consommations, les fonctions exergie, emergie nous permettent de prendre en compte la qualité des flux d’énergie et matière échangés avec l’environnement, ou autrement dit le rendement de fonctionnement de notre système par rapport au cas idéal (disfonctionnements) et l’ampleur et l’intensité des dommages crées sur les ressources naturelles. Et de ce fait, nous indique où et quelle amélioration on doit envisager. Bien que plus rares, des exemples d’études dans ce domaine seront présentés.
10:30
Pause café
11:00
Grégory HOUILLON (BG Ingénieurs conseil)
Consommation énergétique : exemple de station (titre provisoire)
Quantification et optimisation des consommations énergétiques pour l’aération. Quelle marge de progression ?
L'aération constitue généralement le poste énergétique le plus lourd des stations d'épuration à boues activées [et des autres filières intensives d'épuration des eaux usées].
Les systèmes d'aération sont différenciés en (i) aérateurs de surface, (ii) systèmes d'insufflation d'air et (iii) systèmes à base de pompes (turbines immergées). Les capacités d'oxygénation des systèmes d'aération sont vérifiées et garanties en eau claire (NF EN 12255-15, 2004). Elles peuvent également être déterminées en présence de biomasse (bilan gazeux, désorption). L'exposé sera centré sur la mesure et l'optimisation des consommations énergétiques des systèmes d'insufflation d'air en fines bulles et sur la prévision, au stade du projet, des performances d'oxygénation de ces dispositifs (apports respectifs de l'analyse dimensionnelle, de la mécanique des fluides numérique). Les corrections à appliquer en présence de biomasse seront explicitées en fonction de différents critères (charge massique, concentration des boues, vieillissement des diffuseurs…). Les domaines d'application, les performances d'oxygénation des aérateurs de surface et des turbines immergées et leurs critères d'optimisation seront également abordés. Enfin, l'optimisation de la fourniture d'oxygène en lien avec les capteurs associés (sonde à oxygène, électrode Redox, Poids de boues, capteurs nitrates et ammoniaque) et avec la modélisation dynamique du fonctionnement des installations sera discutée.
Dépense énergétique des bioréacteurs à membranes pour le traitement des eaux résiduaires urbaines
Les bioréacteurs à membranes sont de plus en plus utilisés pour le traitement des eaux résiduaires urbaines. Leur dépense énergétique est cependant une préoccupation importante. Dans cette présentation les différents postes de dépense énergétique seront comparés et discutés. Nous exposerons les justifications de ces dépenses énergétiques, vis-à-vis des performances de qualité d’eau et de robustesse (variation de charge). Nous présenterons les principales configurations et les postes clefs de dépense. Les calculs théoriques seront comparés à des données issues des retours d’expériences de chaque partenaire. Enfin par la simulation, nous pourrons évaluer l’influence des choix de dimensionnement et conditions opératoires sur les différents postes de consommation.
15:00
Pascal DAUTHUILE & Jean-Michel TERRY (SUEZ-Environnement)
« Green Cubes » : il y a de l’énergie dans l’eau
Motivation & Background:From an economical and social point of view, there is a global increase in energy demand. At the operating systems level, energy is of the most significant operational expenditures. Energy management is therefore of high priority, implying the optimization of energy efficiency and energy purchase.
Therefore, at several levels, the optimization of energy disposal and efficiency, energy savings as well as the increase of green energy and heat generation are substantial contributions for sustainability and in particular, to environmental protection.
There's energy in water:Time has come to reveal the sustainable energy potential of wastewater treatment plants and networks, helping to reduce the ecological footprint of sanitation activities.
Wastewater contains organic matter that constitutes a potentially recoverable energy source: recovering calories from the inflow, energy from hydraulics and green energy from biomass.
By using less fossil fuels and increasing the production of green energy, a tailor-made (local) and virtuous combination of technological and managerial solutions, viewed as ‘energy bricks’ (see figure 1) contribute to reveal the energy potential on the wastewater treatment plant :
Low energy consumption solutions;
Solutions recovering energy (thermal, hydraulic, kinetic, etc.);
Solutions recovering energy from biomass;
+ Use of external sources of renewable energy: solar, wind, etc.
Figure 1 : The energy bricks
Effluents are no longer viewed just as streams to be treated but as true alternative sources of energy and materials, making the treatment plant an environmental platform helping to improve the security of the facility's energy supply and allowing a true choice of an alternative energy source.
Therefore such a combination prefigures a major development in the area of sanitation that will lead to integration of solutions for recovery of energy and biomass, using digestion (methanisation), co-digestion, pyrolysis and gasification techniques to provide access to permanently available sources of renewable energy.
In the presentation, innovative solutions tailored to sustainable development challenges will be presented together with full scale references.
- Reduced overall ecological footprint: Feyssine treatment plant, in the Greater Lyon area, designed to treat wastewater for a population equivalent of 300 000 of Greater Lyon's inhabitants. The plant, in the process of construction, will combine appropriate technologies and a reduced ecological footprint by means of:
photovoltaic panels producing green energy;
a heat exchanger recovering/dissipating heat from the water treated, to heat buildings in winter and cool them in summer;
low-energy treatment technologies.
- Multi-stream material and energy recovery: Seine Amont plant (Valenton), France's largest drying facility using multi-stream solutions. After gasification or pyrolysis, dried treatment sludge is used to provide energy for the facility or to produce a substitute non-fossil fuel or, depending on its quality, to produce organo-mineral fertilisers.
- Energy self-sufficiency: the As Samra treatment plant, Jordan, built by Degrémont to serve the Amman metropolitan area, embodies this new generation technology. Hydraulic turbines placed upstream and downstream and biogas driven generators will provide 95 per cent of the electricity required for treatment. Designed to treat wastewater from 2.2 million inhabitants, the plant uses technically advanced solutions to treat both the wastewater and the resulting sludge, ensuring that the water returned to the natural environment is of the highest quality.
Each situation requires a specific response that is appropriate. Wastewater treatment plants are becoming an environmental platform and an energy source, a component of tomorrow's cities, veritable ecological systems that will be regulated locally and characterised by the smallest possible ecological footprint to limit global impacts on the planet's climate.
15:30
Pause café
16:00
Pavel CHUDOBA (VEOLIA)
Optimisation énergétique : consommer moins produire plus
Les tendances énergétiques commencent à fortement influencer tout les domaines de l’activité humaine, y compris le traitement des eaux. Les économies en consommation d’énergie des STEP deviennent un indicateur de performance de plus en plus suivi, et l’efficacité énergétique fait partie de la stratégie de l’entreprise. Le groupe Veolia Water a mis au point le concept d’une STEP énergétiquement autosuffisante, en poursuivant des efforts pouvant être définis comme „consommer moins et produire plus“. Une commission des experts et exploitants des grandes STEP de capacité supérieure à 100 000 Eh, équipées de digestion anaérobie et valorisation énergétique de biogaz a été constituée par Veolia Water Europe en 2005. Elle regroupe les exploitants de 20 grandes STEP européennes, exploitées par le groupe Veolia Water. L’objectif de cette commission étant d’échanger et partager les expériences et meilleures pratiques, appliquer les bonnes idées et optimiser le rendement de digestion anaérobie et production de l’énergie à partir des boues de ces 20 STEP. Sur les cas pratiques des STEP de Prague, Pilsen, Pest-South, Pest-North, Braunschweig, Gera, Görlitz et bien d’autres, les optimisations de la production d’énergie in-situ et des optimisations de consommation ont permis d´augmenter l’autonomie énergétique et optimiser les coûts d‘exploitation. L’une des bonnes pratiques appliquées est la co-digestion de biodéchets dans les digesteurs des STEP, conduisant vers une augmentation de la production de biogaz (2 à 3 fois sur la STEP Pest-South) et en même temps la production d’électricité sur les STEP Gera (200 000 Eh) de 1,8 à 2,7 GWh/an et Görlitz (140 000 Eh) de 1,1 à 1,9 GWh par an entre 2008 et 2010. Les expériences des STEP Prague et Pilsen ont démontré qu’en passant de la digestion mésophile en digestion thermophile, les productions de biogaz et de l’électricité augmentent de 30%. En même temps, différentes optimisations de la consommation d’énergie ont été réalisées, ce qui a permis d’atteindre les niveaux d’autosuffisance énergétique de 80 – 90%. Fort de l´expérience et des exemples chiffrés, issus de la base de données de la commission, d’autres développements et optimisations sont actuellement mis en œuvre, avec l’objectif principal d’atteindre 100% d’autonomie énergétique.
Co-digestion de boues d’épuration et de déchets organiques d’origine périurbaine
La production d’énergie par digestion anaérobie des boues de station d’épuration devient incontournable. Les tarifs de rachat de l’électricité produite rendent la technique économiquement attractive pour les stations d’épuration importantes, par contre les investissements à réaliser sont moins incitatifs lorsque la taille de la station diminue. L’utilisation de co-substrats facilement disponibles à l’échelle d’une collectivité (graisses issues de stations d’épuration , graisses issues de bacs dégraisseurs ou d’industries agroalimentaires, refus de table après prétraitement , déchets organiques liquides.. ) est un moyen d’abaisser le seuil de rentabilité de la digestion en gardant une technologie simple et robuste ne générant pas de problématiques supplémentaires pour la station d’épuration (retours chargés en Carbone , Azote et Phosphore ). Saur réalise avec le Cemagref, une étude pour modéliser le comportement de différents co-substrats (nature, ratio , type de prétraitement) avec des boues d’aération prolongée classiques issues de la station d’épuration de Mordelles (35) . L’étude comprend une caractérisation des co-subtrats, une modélisation du fonctionnement de la digestion (production de biogaz , qualité du liquide interstitiel ..) selon une méthodologie développée par le Cemagref et une validation sur pilote semi-industriel (2*200l).
9:30
Diana PERMUY, STC
Option de récupération énergétique dans un sécheur à basse température
Après une petite présentation générale, nous vous présenterons des informations énergétiques et économiques de 2 projets (détails singuliers de la réalisation, handicaps, résultat CO2 du projet) : Projet METROFANG : projet singulière de reconstruction d’une installation de 160.000 t boues/an, en pleine ville, avec récupération de l’énergie d’une cogénération, et modifications importants par rapport au traitement de désodorisations
Projet PAC-Biogaz : étude des options de fonctionnement et comparaison de la consommation énergétique d’un projet gaz naturel et un projet récupération de l’énergie du biogaz disponible dans une installation + Pompe a Chaleur, appliqué en France.
10:00
NOM (LM2P2 ou CEA ?)
Gazéification
Résumé
10:30
Pause café
11h00
Christian COUTURIER (Solagro)
Vers l’optimisation exergétique : l’exemple de la station d’épuration de Saint Brieuc
La Ville de Saint Brieuc vient de démarrer la construction d’un réseau de chaleur original : celui-ci sera en effet alimenté avec la chaleur de récupération de la station d’épuration des eaux usées.
La station du Légué est équipée d’un digesteur et d’un sécheur de boues, alimenté au biogaz et au gaz naturel1. Une étude d’optimisation thermique réalisée par SOLAGRO et ENVIRO CONSULT en 2003 avait montré l’intérêt de récupérer l’énergie disponible dans les condensats. Le séchage des boues génère en effet des condensats chauds, dont le niveau de température (autour de 75°C) est suffisant pour alimenter un réseau de chaleur.
Ce réseau devrait desservir une piscine municipale, une école et des immeubles HLM, en complément des chaufferies gaz existantes. Selon le directeur du service de l'eau de la Ville de Saint-Brieuc, Julien DUBOS, « le projet entre dans la dynamique vertueuse du développement durable : préserver les ressources tout en assurant le bien-être des plus démunis ».
L’idée de base est celle du « double usage » de l’énergie : le gaz est utilisé pour sécher les boues (haute température), et l’énergie fournie est récupérée en sortie du système pour le chauffage des bâtiments (basse température). Il s’agit d’une gestion « en cascade » des besoins – le séchage passe par l’évaporation à plus de 100°C tandis que le chauffage vise à maintenir une température d’air à 20°C.
Au lancement de l’étude, la station consommait 3,2 GWh de gaz naturel et 5,1 GWh de biogaz, dont la moitié restait inutilisée pour des raisons de régime de fonctionnement. Dans un premier temps, la station s’est équipée d’un gazomètre qui lui permettra à court terme d’être pratiquement indépendante du gaz naturel. Elle a également engagé des travaux de rénovation permettant de réduire les déperditions de chauffage du digesteur, de rénover les chaudières et de récupérer environ 510 kW thermiques sur les compresseurs d’air et les purges du sécheur.
Le réseau de chaleur constitue le second étage de la démarche. Les 31 m3/h de condensats à 74°C obtenus en sortie du traitement des gaz issus du séchage, contiennent virtuellement encore 3,7 GWh de chaleur, dont le tiers seulement est nécessaire au chauffage des digesteurs. La piscine municipale a besoin de 1 GWh et les logements de 3 GWh, et compte tenu des variations saisonnières le réseau de chaleur pourrait fournir autour de 2 GWh en substitution à du gaz naturel.
Au total, en quelques années, la station d’épuration de Saint Brieuc passera du statut de consommateur de gaz à celui de fournisseur d’énergie, sans modification majeure de process. La station consomme globalement près de 3 GWh d’électricité. Le « solde » énergétique est donc passé de 6 GWh consommés sous forme de gaz et d’électricité, à 1 GWh « net » si l’on déduit les 2 GWh de gaz économisés des 3 GWh d’électricité consommée.
La station de Saint Brieuc ne deviendra certes pas une « station d’épuration à énergie positive » à court terme. Cependant d’autres améliorations sont encore envisageables. Le réseau de chaleur offre un débouché conséquent et pourrait être développé si d’autres sources de récupération étaient exploitées, comme un système de pompe à chaleur sur les eaux traitées et le reliquat de condensats rejetés à 40°C.
Cette démarche devrait inspirer des stations rénovées ou conçues dans cet esprit. Un « optimum exergétique » pourrait être recherché en recourant à la cogénération, puisque la température des gaz de combustion est suffisante pour assurer le séchage thermique. Pour conserver un bilan énergétique favorable, il faudrait dans ce cas réduire les besoins en énergie pour le séchage par exemple en augmentant la siccité des boues digérées, ou fournir plus d’énergie en augmentant la dégradation des boues via de nouvelles technologies comme l’hydrolyse thermique ou la cavitation ultrasonique. »
Les boues digérées séchées de Saint Brieuc sont les premières a avoir été homologuées en France, elles sont commercialisées sous le nom commercial de Ferti Armor
11:30
Discussion / Table ronde
12:30
Repas
Session 3 : Les stratégies d’avenir
Animée par
14:00
FERRASSE (LM2P2)
Potentialités de la gazéification
résumé
14:20
Jean-Philippe STEYER (LBE)
Bioénergies à partir de déchets : exemple du méthane et de l’hydrogène
Ce nouveau siècle présente plusieurs défis environnementaux. La distribution d’eau potable, le réchauffement planétaire et l’obtention de nouvelles sources d’énergie en substitution des combustibles fossiles en sont les plus cruciaux. Ces deux derniers sont intimement liés car la majeure partie du dioxyde de carbone (CO2), considéré comme le principal responsable de l’effet de serre, est issu de l’utilisation des combustibles fossiles. Ainsi, les nouvelles sources d’énergie devront avoir comme caractéristique principale l’émission presque nulle de CO2.
Parmi les principales voies de production de bioénergie à partir de déchets, deux approches sont tout particulièrement intéressantes et seront discutées lors de cette présentation. La première est relativement ancienne et liée à la production de méthane par digestion anaérobie. La seconde, beaucoup plus récente et innovante, repose sur la production d'hydrogène par des écosystèmes microbiens.
La digestion anaérobie est une transformation de la matière organique carbonée en biogaz sous forme de CO2 et de CH4. Cette transformation réalisée par des micro-organismes est observée spontanément dans les marais et dans les écosystèmes anaérobies (tractus digestifs des ruminants, sols) ; elle a été maîtrisée industriellement pour réaliser la dépollution carbonée des effluents et compte parmi les plus anciennes méthodes de traitement des eaux usées. La digestion anaérobie est utilisée pour la digestion des boues de stations d'épuration, et plus généralement pour la digestion des déchets solides organiques, pour le traitement d'effluents industriels concentrés tels que ceux des industries agro-alimentaires.
Le rêve d'utiliser l’hydrogène comme source inépuisable d’énergie a quant à lui commencé avec Jules Verne. Dans son roman L’Île Mystérieuse (1874), il imagina en effet l'hydrogène comme un substitut du charbon. Bien plus tard, l’hydrogène a été utilisé comme combustible, entrant à 50 % dans le mélange de gaz de ville fourni aux grandes métropoles jusque dans les années 1950. Ce gaz est d'ailleurs toujours utilisé en Chine, en Afrique du Sud et dans tous les lieux où le gaz naturel est cher. Devant son potentiel, l’hydrogène a reçu une attention particulière ces dernières années car il présente une combustion propre, produisant uniquement de l’eau, et possède un grand pouvoir calorifique (i.e., 122 kJ/g). Il est ainsi considéré comme étant le vecteur énergétique idéal car il permet le stockage et le transport d’énergie sur des courtes, moyennes et longues durées. De plus, toutes les énergies renouvelables sont transformables en hydrogène, ce qui renforce d'autant son attrait
La digestion anaérobie des boues permet d’éliminer une partie de la pollution carbonée sous forme de biogaz, mais les autres éléments constitutifs de la matière organique initiale sont toujours présents en sortie de méthaniseur, sous forme minérale solubilisée (Nà NH4 et Pà PO4). La récupération de ces nutriments dans des produits concentrés et de propriétés agronomiques comparables à celles d’engrais classiques permet d’éviter la synthèse de fertilisants, procédés énergivores et consommateurs de ressources fossiles. Cette valorisation rentre dans une démarche à la fois de traitement de pollution, de recyclage de matière et de réduction de l’empreinte anthropique.
Plusieurs procédés de récupération sont possibles : la précipitation des phosphates sous forme de struvite et la concentration de l’azote par stripping-absorption seront présentés, la balance énergétique correspondante sera évaluée par une méthodologie « berceau-à-la-tombe » type ACV.
15:00
Pause café
15:20
Claire ALBASI, Alain BERGEL (LGC)
Traitement d’effluents par piles microbiennes
Schématiquement une pile à combustible est constituée de deux électrodes : une anode sur laquelle le combustible est oxydé et une cathode qui assure le plus souvent, pour les piles fonctionnant à basse température, la réduction de l’oxygène. Les électrons issus de l’oxydation anodique sont acheminés à la cathode par le circuit électrique externe. Les piles à combustible assurent donc la transformation de l’énergie chimique du combustible directement en électricité. Une pile à combustible microbienne (PCM) est une pile dans laquelle l’oxydation électrochimique du combustible est catalysée par des microorganismes adhérés à la surface de l’anode. L’utilisation de microorganismes comme électro-catalyseurs ouvre l’éventail des combustibles exploitables : acétate, sucres, alcools, mais aussi les déchets agricoles, les résidus des agro-industries ou les matières organiques contenues dans les effluents industriels et urbains. Dans ces derniers cas les PCM assurent une double fonction : produire de l’électricité et intensifier les procédés de traitement d’effluents en accélérant la dégradation des matières carbonées.
Depuis le début des années 2000, date de la découverte du concept de catalyse électro-microbienne, de nombreuses équipes de recherche développent des PCM dédiées aux traitements d’effluents. Après avoir rappelé les principes généraux des PCM, la présentation proposera une brève revue des performances actuelles de la technologie. Le laboratoire de génie chimique a développé une cellule PCM dont l’anode microbienne est formée à partir de la flore endogène d’une eau de réseau urbain collectée dans une STEP. Les abattements en DCO sont comparables à ceux obtenus par le traitement anaérobie standard sans nécessiter d’aération. Cet exemple servira d’illustration à la discussion des performances actuelles et espérées pour la technologie dans le cadre du traitement des effluents
15:40
Bruno LADEVIE (EMAC)
Développement d’un procédé de séchage à haute efficacité énergétique
Le procédé de friture constitue une alternative au séchage thermique conventionnel des boues résiduaires. Il revendique des améliorations majeures : (a) la production d'un combustible à fort pouvoir calorifique, stockable et transportable sans risque, (b) une stabilisation de la boue, (c) une forte diminution de la consommation d'énergie par récupération de la chaleur contenue dans les buées, (d) une diminution du volume du sécheur résultant d'une intensification des transferts. Le procédé comporte un réacteur de friture à contact direct et un séparateur solide-liquide, l’huile de friture étant en grande partie recyclée dans l’installation. Le niveau de pression dans le réacteur est fixé à 0.5 bar absolu afin d'assurer une ébullition à basse température (≤ 81°C). La vapeur basse pression produite dans le réacteur de friture est ensuite comprimée pour élever sa température puis introduite dans un échangeur de chaleur, qui permet de réchauffer les huiles recyclées avant de les re-introduire dans le réacteur de friture.
