Aérateurs de surface : réduire la facture d’électricité

31 janvier 2020 Paru dans le N°428 à la page 47 ( mots)

Rédigé par : Jacques-olivier BARUCH

Faciles à mettre en place, à maintenir et à remplacer, les aérateurs de surface se développent en épuration par boues activées. Jusqu’à gagner les ouvrages les plus importants. Sur le marché, l’offre est abondante. Sur pont, sur passerelle ou sur flotteurs, à turbines lentes, moyennes ou rapides, à axe vertical, horizontal ou oblique, quels sont les critères de choix et les compromis à réaliser pour identifier l’aérateur le plus adapté aux besoins de l’exploitant ?

Quand l’exploitant d’une station d’épuration biologique, d’un bassin ou d’une lagune envisage de s’équiper d’un système d’aération de surface, il a le choix. En exécution flottante ou fixe, à entraînement direct, à grande ou basse vitesse, pour bassins profonds ou pour des petites stations. Leur flexibilité, leur facilité d’entretien, les coûts d’acquisition et d’exploitation ainsi que la constance de leur rendement rendent ces solutions attractives. Pas étonnant qu’elles se soient particulièrement développées ces dernières années, en primo-installation et, plus souvent encore, en remplacement.

Des fabricants tels que Kamps, Isma-Fuchs, Europelec, TMI, Technik, Biotrade, Faivre, Aquasystems, Aquago, Aquameo, Aqseptence Group, Ozeau ou BSK ont développé une offre très large d’équipements qui assurent une mise en mouvement de l’eau par des brosses, brassée avec l’air, et améliorent l’apport d’oxygène.

Une large gamme d’équipements

En petite station d’épuration, les fonctions aération et brassage sont fréquemment réalisées par un seul et même équipement. La faiblesse relative de la profondeur des bassins permet en effet à certains équipements d’assurer un brassage correct des effluents tout en assurant l’introduction de l’oxygène dans les couches inférieures du bassin.

L’EC EAU Turbine d’Atlantique Industrie se différencie par une fabrication en acier inox et une optimisation de la forme des aubes. Elle se caractérise par une hydraulique optimisée et par des pertes par friction réduites. Elle est équipée de moteurs IE3 ou IE4 et est disponible dans des diamètres 900 à 3.000 mm dans une gamme de puissance de 9 à 130 kW.

Les ponts-brosses, développés par Aqspetence Group, Kamps ou Landustrie, sont les plus anciens. Ils sont constitués d’un axe horizontal en acier ultra-résistant sur lequel sont fixés une série de pales qui balaient l’eau en la projetant en aval par le biais de leur fraction immergée. Aqseptence Group commercialise sous la marque Passavant, des brosses dont les éléments essentiels tels que le fût, les pales, les réducteurs ou les paliers sont intégralement fabriqués au sein de ses propres usines. A l’instar des Landy de Landustrie, ils concernent surtout des bassins de faibles profondeurs (3,5 m pour le Landy 700).

Europelec complète sa gamme d’équipement d’aération avec une nouvelle turbine auto-aspirante : l’AEROSTREAM®, qui permet l’aération et le brassage des bassins de station d’épuration de moyenne profondeur.

Cette turbine rapide est dotée d’un moteur IP68 (de 2,2 à 37 kW) et de classe énergétique IE3. Elle ne produit pas d’aérosol et permet une maintenance aisée et sans vidange du bassin.

Flopulse de Faivre est un aérateur à turbine rapide capable de fournir les meilleurs rendements en termes de transfert d’oxygène. Pour des bassins profonds, il peut être associé à l’hydro-éjecteur Hydropulse qui assurera un transfert homogène de l’oxygène à l’ensemble de la masse d’eau.

En France, de grandes stations d’épuration telles que Rennes, Reims, Lannion ou encore Boulogne-sur-mer restent fidèles aux brosses, même si l’essentiel du marché repose surtout sur du remplacement ou des augmentations de capacité. Pour pallier les pannes ou problèmes de maintenance des ponts-brosse généralement montés sous passerelle béton ou sur passerelle métallique, Europelec et Aqsptence Group proposent ainsi à leurs clients un service sur mesure de remplacement de ponts-brosses, toutes marques dans une gamme de puissance allant de 5,5 à 45 kW.

Les autres types d’aérateurs fonctionnent avec un rotor, dont la vitesse de rotation donne soit directement la vitesse de rotation de la vis, on parle alors de turbine rapide, soit la turbine est équipée d’un motoréducteur, on parle alors de turbine lente voire même très lente, comme c'est le cas de Kamps. Le rotor crée des gerbes en dehors du plan d’eau, gerbes qui retombent chargées en oxygène de l’air occasionnant des remous et donc du brassage des eaux usées. L’efficacité d’oxygénation, calculée en kgO₂/kW absorbé, peut atteindre 2 pour les aérateurs à vitesse lente dans de bonnes configurations de bassin.

Aqseptence Group commercialise sous la marque Passavant des brosses dont les éléments essentiels tels que le fût, les pales, les réducteurs ou les paliers sont intégralement fabriqués au sein de ses propres usines.

Les petites turbines lentes Kamps « O2Water » peuvent atteindre des rendements de l’ordre de 2.5…3 kgO₂/kwh si le bassin a une configuration adéquate.

Les grandes turbines très lentes peuvent atteindre au maximum 2 kgO₂/kwh dans de bonnes configurations de bassin.

Kamps garantit pour de nombreux projets une réduction de 50 % de la facture énergétique lorsqu’un aérateur rapide est remplacé par une turbine à très basse vitesse type Airmax, toute chose étant égale par ailleurs.

Pour définir l’équipement le plus adapté à ses besoins, une dizaine de paramètres doivent être pris en compte dans le cadre d’une étude approfondie. Le cahier des charges de l’exploitant donnera le cadre dans lequel le ou les aérateurs doivent être installés et déterminera la quantité d’oxygène nécessaire. Pour cela, il se sert d’abaques empiriques. Mais dans la pratique, ce sont bien souvent les bureaux d’études indépendants ou internes aux fabricants qui feront l’analyse précise de la situation et la détermination de l’outil ou de l’ensemble d’outils répondant à la problématique. Celle-ci dépendant du coût de l’investissement, de maintenance, de la forme du bassin, de sa taille et surtout de son contenu. La capacité d’oxygénation reste avant tout un des paramètres primordiaux des équipements. Mais attention, la valeur donnée par les fabricants est réalisée en eau claire, en conditions contrôlées, et non sur le terrain. A l’instar des consommations d’essence réalisées par les laboratoires des constructeurs automobiles, les valeurs indiquées peuvent être différentes de celles relevées par les exploitants.

« Il faut bien constater que les donneurs d’ordre ont souvent trop tendance à se focaliser sur les performances obtenues en eaux claires, qui sont en faveur de l’aération par fines bulles, explique Alain Mineur, CEO de Kamps. Cependant, cet avantage s’estompe, voire s’inverse lorsqu’on examine les performances en conditions réelles. Les conditions réelles tiennent comptent notamment du facteur alpha très favorable aux aérateurs de surface qu’elle que soit la marque. Cela est particulièrement vrai pour les systèmes avec des concentrations élevées en boues activées, tels que les bioréacteurs membranaires. Toutes ces considérations conduisent à conclure que l’aérateur de surface lent ou turbine lente est la solution qui présente le plus d’avantages à long terme pour aérer les liqueurs mixtes en conditions réelles, au moindre coût énergétique. L’optimisation des rendements s’appuie toutefois sur la qualité de la collaboration établie entre les concepteurs de la station d’épuration et le fabricant de turbines », souligne Alain Mineur. Et de préciser que seules les turbines de nouvelle génération à très basse vitesse, grand diamètre et nombre de pales suffisants présentent les niveaux de rendement très élevé.

Quelle facture énergétique ?

La grande différence entre les turbines lentes et les turbines rapides réside dans le coût d’investissement. « Un ensemblier qui doit équiper une station sans se préoccuper des coûts d’exploitation va choisir selon toute probabilité une turbine rapide, moins onéreuse. Un exploitant va faire des calculs de rentabilité en incluant les coûts d’exploitation. Les résultats ne seront pas les mêmes ».

Isma préconise un remplacement des anciens pont-brosses avec ses aérateurs à vis hélicoïdale, capables de s’installer dans toutes les situations, que les niveaux soient variables ou fixes. Des supports sur mesure permettent de s’adapter à l’existant sans avoir de grosses modifications à réaliser.

Il faut donc prendre en compte le coût de la maintenance mais surtout la consommation électrique car l’aération est le poste le plus important d’une station d’épuration. À elle-seule, elle représente en moyenne 70 % de la facture d’électricité, elle-même deuxième poste de dépense derrière celui des personnels. Il faut ainsi veiller à ne pas surdimensionner l’équipement. C’est aussi l’une des raisons pour lesquelles les fabricants architecturent leurs gammes autour de différentes puissances de turbines. Ainsi, la puissance installée demandée par la gamme de turbines rapides AVR de TMI varie de 3 à 75 kW, les Aquafen d’Europelec de 1,5 à 110 kW, les turbines EC Eau d’Atlantique Industrie sont proposées de 9 à 130 kW. La puissance des turbines rapides d’Aquasystems, qui sont tout inox, s'étend jusqu’à 200 kW. Pour les turbines lentes, la puissance demandée est équivalente : la gamme de turbine lentes TL de Biotrade est ainsi proposée de 2 à 165 kW, les Airmax de Kamps de 5,5 à 200 kW.

Établir un rapport entre l’énergie dépensée et la quantité d’oxygène diffusé

« La consommation électrique est un critère essentiel à prendre à compte », reconnaît Christophe Lichtle, gérant d’Isma. Le rapport entre l’énergie dépensée et la quantité d’oxygène diffusé reste cependant d’une plus grande importance. Les solutions offertes sur le marché diffèrent par la quantité d’oxygène injectée et les modes de transfert. « Il ne faut pas regarder le fonctionnement en temps réel mais celui sur une journée d’exploitation : certains appareils consomment moins que d’autres mais doivent fonctionner le double de temps ». Mais quelle que soit le type d’aérateur choisi, sur de telles puissances, la consommation électrique s’envole facilement et la facture suit si la régulation de l’aération n’est pas adéquate. « C’est la gestion de l’équipement qui détermine l’économie de la station, appuie Jean-Pierre Grasa, gérant de Biotrade. L’automate Inflex apporte un nouveau mode de gestion automatisé des aérateurs pour optimiser le traitement de l’azote et minimiser la consommation énergétique. Il détecte les fins de réactions biologiques de nitrification et dénitrification. Ainsi la durée d’aération est adaptée à la charge polluante entrante sur la station ». Une avancée pour les petites stations déjà intégrée dans les grandes usines de traitement qui sont largement instrumentées. Les capteurs, reliés à la supervision, incitent l’automate à activer ou non les systèmes d’aération.

Le design des turbines Aquafen a été entièrement revu. Elles sont désormais équipées de flotteurs modulaires en PEHD rotomoulé et acier inoxydable, extrêmement résistants, aussi bien d’un point de vue mécanique que chimique. La modularité du flotteur permet d’envisager le transport optimisé de turbines de grandes puissance (avec des flotteurs ayant un diamètre supérieur à 2,50 m) dans des conteneurs maritimes.

Lorsqu’il s’agit d’aérer un bassin à boues activées, l’énergie peut venir du processus lui-même. « Dans la STEP à boues activées de Port Douvot (145.000 EH) à Besançon, la digestion des boues conduit à la réduction de plus d’un tiers des matières sèches entrantes et à la production journalière d’environ 3.500 Nm³ de biogaz à 65 % de méthane. Le biogaz produit est utilisé sur place en cogénération, pour la production simultanée de chaleur et d’électricité », écrit Rachid Chaoui Ghalid.

Trouver le bon compromis

Reste une autre solution pour diminuer la consommation : dissocier les fonctions d’aération, de brassage et d’homogénéisation. En petite station d’épuration, ces fonctions sont fréquemment réalisées par un seul et même équipement. La faible profondeur des bassins permet en effet à certains équipements d’assurer un brassage correct des effluents tout en assurant l’introduction de l’oxygène dans les couches inférieures du bassin. Mais les fonctions peuvent être séparées. Selon Alain Mineur, la qualité du mélange dépend avant tout du diamètre et de la vitesse de rotation d’un mobile. « Par contre, le diamètre intervenant à la puissance 5 et la vitesse de rotation à la puissance 3, il est conseillé d’augmenter le diamètre pour augmenter le mélange. De la même manière, la profondeur maximum acceptable des bassins dépend du diamètre du mobile tout chose étant égale par ailleurs ». Kamps a réalisé plusieurs installations en bassin profond (de 4 à 7 m), soit avec des très grands diamètres, soit au moyen de tuyère amont à la turbine.

Le Sungo d’Aquago permet de compléter l’oxygénation naturelle des bassins ou lagunes en augmentant l’apport d’oxygène dissous, et de brasser les zones mortes permettant d’éviter les problèmes d’odeur, les lentilles d’eau et optimiser les rendements.

L’Oloïde, commercialisé en France par Ozeau, peut par exemple, ne servir que d’agitateur, quand il est positionné entièrement sous l’eau alors que quand il sert d’aérateur, le corps n’est qu’en partie immergé.

Chez Faivre, c’est le Flopulse, un aérateur à turbine rapide, qui présente les meilleurs rendements en termes de transfert d’oxygène. Mais pour des bassins plus profonds, il pourra être associé à l’hydro-éjecteur Hydropulse, un hydro-éjecteur à turbine déprimogène tournant à 3.000 tours/minute dans lequel l’air qui arrive par le tube de guidage est aspiré au centre de l’hélice par un effet Venturi.

Les aérateurs Oxypr’eau permettent d’oxygéner et brasser efficacement à moindre coût selon Eau Pro, les bassins d’eaux pluviales, bassins de lixiviats, bassins d’effluents vinicoles bassins d’agrément etc…. Leur efficacité liée à une très faible consommation électrique (un aérateur = 2,2 kW) en font un système d’aération économique et écologique. Complètement insonores, ils peuvent s’installer sur tous les types de bassins et lagunes.

Les ponts-brosses associent aération et brassage. « Ils ont fait leurs preuves depuis de nombreuses années sur l’efficacité d’aération mais moins sur le brassage », reconnaît Christophe Lichtle. Les stratégies divergent dans le cadre du renouvellement de ces équipements souvent vieillissants. Europelec et Aqseptence Group proposent désormais à leurs clients un service sur mesure de remplacement de ponts-brosses, toutes marques dans une gamme de puissance allant de 5,5 à 45 kW. Mais des configurations spécifiques peuvent être envisagées pour des puissances différentes. Les entreprises proposent également des options complémentaires telles qu’une passerelle, munie ou non de portillon à contacteur, un capotage de gerbe amont/aval, un déflecteur en aval du pont-brosse pour augmenter son rendement, des paliers à graisse ou à bain d’huile.

Aérateur flottant TMI avec 3 flotteurs, utilisé essentiellement sur des lagunes où
les travaux de génie civil seraient très onéreux.

De son côté, Isma préconise un remplacement des anciens pont-brosses avec ses aérateurs à vis hélicoïdale, capables de s’installer dans toutes les situations, que les niveaux soient variables ou fixes. Des supports sur mesure permettent de s’adapter à l’existant sans avoir de grosses modifications à réaliser. Côté financier, l’opération ne manque pas d’intérêt, le montant de l’investissement étant de deux à trois fois moins important qu’un replacement à l’identique (voir EIN n° 400).

Dans certains cas, il peut s’avérer intéressant, pour réduire sa facture d’électricité, de tenter d’exploiter les énergies renouvelables. Dans ce domaine, Aquago fait figure de précurseur avec son aérateur Sungo exclusivement alimenté par des panneaux solaires. Sa puissance d’aération oscille entre 6 et 55 kg/O₂/h. Utilisé pour les plans d’eau, lagunages naturels, lagunages industriels, réservoirs d’eau potable ou encore réserves de production de neige de culture, son action de brassage permet de mettre en mouvement de grands volumes d’eau (2.500 m³/h) jusqu’à plusieurs mètres de profondeur sans remettre en suspension les sédiments (hauteur minimale d’eau 0,8 m). Cet équipement permet de compléter l’oxygénation naturelle des bassins ou lagunes en augmentant l’apport d’oxygène dissous en maintenant des conditions favorables à la respiration microbienne, et en évitant ainsi les problèmes d’odeurs. En complément des aérateurs conventionnels, il permet une meilleure répartition de l’oxygène dissous.

Kamps propose des aérateurs 100 % solaire sans batterie et sans raccordement au réseau pour des petites ou grandes lagunes. Le fabricant intègre alors toute la partie électrique et automatisation en interne.