Projet
22/06/2020

Transport prêt pour le futur des boues d’épuration à Sehnde

Notre société et l’esprit d’entreprise évoluent, rien de nouveau à cela. Nous savons déjà que 2020 entrera dans l’histoire pour une raison particulière, mais toutefois des (méga)tendances apparaissent également. L’une d’entre elles est la néo-écologie, l’orientation sociale vers une économie durable, économe en énergie et en ressources. La gestion de l’eau n’a pas non plus échappé à cette tendance, dans laquelle l’aération et l’acheminement par pompage dans le secteur des eaux usées sont en ligne de mire. En fait, les eaux usées sont au centre du changement néo-écologique. Nous examinons ici comment les entreprises de traitement des eaux usées en Allemagne anticipent cette tendance.

On produit en Allemagne, chaque année, jusqu’à deux millions de tonnes de boues d’épuration qui doivent être traitées dans 10 000 installations de traitement des eaux. Étant donné que les autorités ont modifié le règlement sur les boues d’épuration (AbfKlärV) et le règlement sur les engrais (DüMV), les entreprises municipales de traitement des eaux usées sont mises au défi de procéder à des ajustements majeurs. Ainsi, les boues d’épuration ne sont plus autorisées comme engrais dans l’agriculture en raison de la charge en nitrates dans le sol et les eaux souterraines. Mais à la place, le traitement thermique fait son entrée. Pour ce faire, les boues d’épuration sont d’abord déshydratées mécaniquement, séchées puis transformées en énergie par combustion des boues seules ou mélangées à d’autres combustibles. Le règlement DüMV oblige les entreprises de traitement des eaux usées à recycler les matières premières ou les substances réutilisables – telles que le phosphore – tirées des boues d’épuration.

Transport efficace et écologique

L’adaptation des processus de recyclage dans les installations municipales de traitement des eaux n’est pas évidente, car la construction élevée des installations comporte, entre les nouvelles étapes de processus, des parcours de transport non flexibles et longs. Le transport des boues déshydratées n’est pas efficace et certainement pas écologique ni économique, en raison des conditions de transport difficiles sur de longues distances. Habituellement, les boues sont transportées via des canalisations fermées, où la viscosité élevée du fluide provoque des pertes par frottement et donc une consommation d’énergie élevée.

La station d’épuration de Sehnde, près de Hanovre (KA Sehnde) est l’une des nombreuses stations municipales d’Allemagne ayant conçu des phases de traitement à l’épreuve du temps, avec entre autres un transport efficace et écologique des boues d’épuration. À Sehnde, les boues d’épuration sont déshydratées mécaniquement dans une centrifugeuse (débit de sortie 1,5 à 2,5 m3/h). La KA Sehnde avait l’habitude d’utiliser une pompe à piston avec des coûts d’entretien et d’énergie très élevés pour le transport vers un site ouvert de boues d’épuration, à 250 m, via une canalisation en acier souterraine existante. Pour optimiser ce processus, il a été installé une nouvelle solution de transport, à la fois plus économique et moins gourmande en ressources.

Smart Air Injection

Le fabricant de pompes Seepex de Bottrop en Allemagne a livré le nouveau système. Le système dit ‘Smart Air Injection’ (SAI) ou Injection d’air intelligente permet de réaliser d’importantes économies d’énergie, de fonctionnement et d’investissement. Le SAI diffère des solutions de transport conventionnelles, en particulier sur de longues distances jusqu’à 1 km. De telles distances ne peuvent être atteintes avec des solutions conventionnelles, ce qui ouvre de nouvelles perspectives pour la conception de processus dans les installations de d’épuration.

L’innovation du système SAI réside dans la combinaison de différentes technologies de transport et d’une solution de contrôle et de surveillance adaptée et numérisée en vue d’un tout nouveau principe de transport basé sur la pompe à vis à rotor excentré existante mais avec des avantages significatifs. Le principe de transport de la pompe à vis à rotor excentré (I) est combiné à un transport pneumatique en phase dense de bouchons de boues précompactés (II), qui sont ‘graissés’ par l’apport d’un lubrifiant dans la couche voisine du tuyau (III).

Dans ce processus, un bouchon de boue est d’abord compacté, via la pompe à vis à rotor excentré, dans la canalisation sous pression (voir figures 1.a, 1.b) puis enduit d’un lubrifiant pour réduire les pertes dues au frottement. Ce bouchon est ensuite transféré pneumatiquement par injections d’air comprimé pulsé (figure 1.c). Les injections d’air sont commandées par la pression via un algorithme spécifique à cette application. La pression maximale est directement corrélée à la force requise pour créer le mouvement initial du bouchon de boue. Dès que le frottement statique est surmonté, le bouchon est accéléré par l’air comprimé qui coule et se dilate, de sorte que le niveau de pression dans le tuyau baisse à nouveau.

Autopilotage

Les paramètres pour un pilotage efficace du processus de transport, tels que les vitesses de transport, les longueurs de bouchon, la quantité de lubrifiant, la quantité d’air, le moment et la durée d’injection sont soigneusement contrôlés et ajustés en continu par le système SAI. Le système de surveillance intégré permet de contrôler le fonctionnement localement sur une tablette et de façon décentralisée dans le cloud Seepex. Le système SAI réalise ainsi le concept d’une unité de conditionnement, un sous-système automatisé composé de machines, de capteurs, d’actionneurs, de périphériques et d’une logique de commande spécifique à l’application.

Une propriété marquante de ce concept est la pression extrêmement basse dans la canalisation de transport. Ceci est réalisé grâce à trois caractéristiques : la lubrification généralement effectuée avec une solution de polymère à 0,5 %, le transport discontinu de courts segments de boue, grâce à quoi les pertes par frottement n’agissent que le long de ces segments et non dans toute la canalisation, et les propriétés rhéologiques de fluidification par cisaillement du liquide de transport. Dans le transport traditionnel des boues d’épuration déshydratées à l’aide de pompes volumétriques, le fluide est forcé à très basse vitesse à travers la canalisation. Cependant, le transport pneumatique en phase dense se fait à des vitesses très élevées (environ 100 fois plus rapides), provoquant des taux de cisaillement élevés au niveau de la paroi de la canalisation (γp~dv/dr). Dans le cas de liquides à fluidification par cisaillement (comme les boues déshydratées et le lubrifiant) la viscosité réelle sur la paroi de la canalisation peut être réduite de dix fois et donc aussi les pertes par frottement. Ce concept permet de réduire la pression à quelques bars sur la distance totale de transport.

Économies

Le système SAI s’est rapidement avéré être un succès au niveau de la station d’épuration de Sehnde. D’énormes économies pouvaient déjà être réalisées au cours de la première année par rapport à la solution de transport précédente (avec une pompe à piston de 45 kW et injection de lubrifiant). Grâce au système SAI, les coûts énergétiques ont été réduits de moitié. Le système SAI, composé d’une pompe à vis à rotor excentré (7,5 kW), d’une injection de lubrifiant et d’une alimentation en air comprimé (22 kW), a été intégré à la canalisation existante. La pression initiale de 60 à 80 bars a ainsi pu être réduite à seulement environ 3 bars. Les coûts de maintenance et de pièces détachées, qui étaient auparavant de 15 000 euros par an (voir figure 2), ont diminué de 88 % grâce à l’utilisation de cette pompe à vis à rotor excentré à basse pression.

De plus, la quantité de lubrifiant requise a été même considérablement réduite, pour la canalisation en acier existante grâce au système SAI. Le frottement accru dans le tuyau partiellement corrodé implique une quantité plus élevée de lubrifiant et d’air comprimé que ce qui serait nécessaire avec des installations comparables. Avec une nouvelle canalisation synthétique en PE, davantage d’air et de lubrifiant pourraient être économisés grâce aux meilleures caractéristiques de frottement (voir figure 2). Au total, les charges d’exploitation annuelles de la KA Sehnde ont diminué de 82 % (une économie annuelle de 37 500 euros).

Texte de Stephan Mottyll

Illustrations : Seepex

www.seepex.com

Transport prêt pour le futur des boues d’épuration à Sehnde

Notre société et l’esprit d’entreprise évoluent, rien de nouveau à cela. Nous savons déjà que 2020 entrera dans l’histoire pour une raison particulière, mais toutefois des (méga)tendances apparaissent également. L’une d’entre elles est la néo-écologie, l’orientation sociale vers une économie durable, économe en énergie et en ressources. La gestion de l’eau n’a pas non plus échappé à cette tendance, dans laquelle l’aération et l’acheminement par pompage dans le secteur des eaux usées sont en ligne de mire. En fait, les eaux usées sont au centre du changement néo-écologique. Nous examinons ici comment les entreprises de traitement des eaux usées en Allemagne anticipent cette tendance.

On produit en Allemagne, chaque année, jusqu’à deux millions de tonnes de boues d’épuration qui doivent être traitées dans 10 000 installations de traitement des eaux. Étant donné que les autorités ont modifié le règlement sur les boues d’épuration (AbfKlärV) et le règlement sur les engrais (DüMV), les entreprises municipales de traitement des eaux usées sont mises au défi de procéder à des ajustements majeurs. Ainsi, les boues d’épuration ne sont plus autorisées comme engrais dans l’agriculture en raison de la charge en nitrates dans le sol et les eaux souterraines. Mais à la place, le traitement thermique fait son entrée. Pour ce faire, les boues d’épuration sont d’abord déshydratées mécaniquement, séchées puis transformées en énergie par combustion des boues seules ou mélangées à d’autres combustibles. Le règlement DüMV oblige les entreprises de traitement des eaux usées à recycler les matières premières ou les substances réutilisables – telles que le phosphore – tirées des boues d’épuration.

Transport efficace et écologique

L’adaptation des processus de recyclage dans les installations municipales de traitement des eaux n’est pas évidente, car la construction élevée des installations comporte, entre les nouvelles étapes de processus, des parcours de transport non flexibles et longs. Le transport des boues déshydratées n’est pas efficace et certainement pas écologique ni économique, en raison des conditions de transport difficiles sur de longues distances. Habituellement, les boues sont transportées via des canalisations fermées, où la viscosité élevée du fluide provoque des pertes par frottement et donc une consommation d’énergie élevée.

La station d’épuration de Sehnde, près de Hanovre (KA Sehnde) est l’une des nombreuses stations municipales d’Allemagne ayant conçu des phases de traitement à l’épreuve du temps, avec entre autres un transport efficace et écologique des boues d’épuration. À Sehnde, les boues d’épuration sont déshydratées mécaniquement dans une centrifugeuse (débit de sortie 1,5 à 2,5 m3/h). La KA Sehnde avait l’habitude d’utiliser une pompe à piston avec des coûts d’entretien et d’énergie très élevés pour le transport vers un site ouvert de boues d’épuration, à 250 m, via une canalisation en acier souterraine existante. Pour optimiser ce processus, il a été installé une nouvelle solution de transport, à la fois plus économique et moins gourmande en ressources.

Smart Air Injection

Le fabricant de pompes Seepex de Bottrop en Allemagne a livré le nouveau système. Le système dit ‘Smart Air Injection’ (SAI) ou Injection d’air intelligente permet de réaliser d’importantes économies d’énergie, de fonctionnement et d’investissement. Le SAI diffère des solutions de transport conventionnelles, en particulier sur de longues distances jusqu’à 1 km. De telles distances ne peuvent être atteintes avec des solutions conventionnelles, ce qui ouvre de nouvelles perspectives pour la conception de processus dans les installations de d’épuration.

L’innovation du système SAI réside dans la combinaison de différentes technologies de transport et d’une solution de contrôle et de surveillance adaptée et numérisée en vue d’un tout nouveau principe de transport basé sur la pompe à vis à rotor excentré existante mais avec des avantages significatifs. Le principe de transport de la pompe à vis à rotor excentré (I) est combiné à un transport pneumatique en phase dense de bouchons de boues précompactés (II), qui sont ‘graissés’ par l’apport d’un lubrifiant dans la couche voisine du tuyau (III).

Dans ce processus, un bouchon de boue est d’abord compacté, via la pompe à vis à rotor excentré, dans la canalisation sous pression (voir figures 1.a, 1.b) puis enduit d’un lubrifiant pour réduire les pertes dues au frottement. Ce bouchon est ensuite transféré pneumatiquement par injections d’air comprimé pulsé (figure 1.c). Les injections d’air sont commandées par la pression via un algorithme spécifique à cette application. La pression maximale est directement corrélée à la force requise pour créer le mouvement initial du bouchon de boue. Dès que le frottement statique est surmonté, le bouchon est accéléré par l’air comprimé qui coule et se dilate, de sorte que le niveau de pression dans le tuyau baisse à nouveau.

Autopilotage

Les paramètres pour un pilotage efficace du processus de transport, tels que les vitesses de transport, les longueurs de bouchon, la quantité de lubrifiant, la quantité d’air, le moment et la durée d’injection sont soigneusement contrôlés et ajustés en continu par le système SAI. Le système de surveillance intégré permet de contrôler le fonctionnement localement sur une tablette et de façon décentralisée dans le cloud Seepex. Le système SAI réalise ainsi le concept d’une unité de conditionnement, un sous-système automatisé composé de machines, de capteurs, d’actionneurs, de périphériques et d’une logique de commande spécifique à l’application.

Une propriété marquante de ce concept est la pression extrêmement basse dans la canalisation de transport. Ceci est réalisé grâce à trois caractéristiques : la lubrification généralement effectuée avec une solution de polymère à 0,5 %, le transport discontinu de courts segments de boue, grâce à quoi les pertes par frottement n’agissent que le long de ces segments et non dans toute la canalisation, et les propriétés rhéologiques de fluidification par cisaillement du liquide de transport. Dans le transport traditionnel des boues d’épuration déshydratées à l’aide de pompes volumétriques, le fluide est forcé à très basse vitesse à travers la canalisation. Cependant, le transport pneumatique en phase dense se fait à des vitesses très élevées (environ 100 fois plus rapides), provoquant des taux de cisaillement élevés au niveau de la paroi de la canalisation (γp~dv/dr). Dans le cas de liquides à fluidification par cisaillement (comme les boues déshydratées et le lubrifiant) la viscosité réelle sur la paroi de la canalisation peut être réduite de dix fois et donc aussi les pertes par frottement. Ce concept permet de réduire la pression à quelques bars sur la distance totale de transport.

Économies

Le système SAI s’est rapidement avéré être un succès au niveau de la station d’épuration de Sehnde. D’énormes économies pouvaient déjà être réalisées au cours de la première année par rapport à la solution de transport précédente (avec une pompe à piston de 45 kW et injection de lubrifiant). Grâce au système SAI, les coûts énergétiques ont été réduits de moitié. Le système SAI, composé d’une pompe à vis à rotor excentré (7,5 kW), d’une injection de lubrifiant et d’une alimentation en air comprimé (22 kW), a été intégré à la canalisation existante. La pression initiale de 60 à 80 bars a ainsi pu être réduite à seulement environ 3 bars. Les coûts de maintenance et de pièces détachées, qui étaient auparavant de 15 000 euros par an (voir figure 2), ont diminué de 88 % grâce à l’utilisation de cette pompe à vis à rotor excentré à basse pression.

De plus, la quantité de lubrifiant requise a été même considérablement réduite, pour la canalisation en acier existante grâce au système SAI. Le frottement accru dans le tuyau partiellement corrodé implique une quantité plus élevée de lubrifiant et d’air comprimé que ce qui serait nécessaire avec des installations comparables. Avec une nouvelle canalisation synthétique en PE, davantage d’air et de lubrifiant pourraient être économisés grâce aux meilleures caractéristiques de frottement (voir figure 2). Au total, les charges d’exploitation annuelles de la KA Sehnde ont diminué de 82 % (une économie annuelle de 37 500 euros).

Texte de Stephan Mottyll

Illustrations : Seepex

www.seepex.com

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