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Présentation

by z_guyonneau Dernière modification 13/03/2009 19:04

Présentation détaillée du projet O2 STAR : Contexte, objectifs, enjeux

 
 

Pilotes du projet : Sylvie GILLOT & Yannick FAYOLLE

 

 

Contexte

La directive européenne "eaux résiduaires urbaines" de 1991 relative à l'épuration des eaux résiduaires urbaines impose aux collectivités des états membres de mettre en place, dans un délai donné et selon la sensibilité du milieu récepteur, des dispositifs performants de collecte et de traitement de leurs eaux usées. La France a établie en 2007 en échéancier des travaux de mise en conformité des stations dans les localités ne répondant pas aux exigences de traitement. La mise en conformité des systèmes d'assainissement constitue donc actuellement une priorité absolue.

En France, le parc des stations d'épuration est essentiellement constitué d'installations à boues activées. Dans ces installations, des cultures bactériennes en suspension dégradent les substrats contenus dans les eaux résiduaires (carbone, azote, phosphore) en conditions aérobies. L'apport de l'oxygène nécessaire à la croissance bactérienne est réalisé artificiellement, très souvent à l'aide de systèmes d'insufflation d'air en fines bulles, disposés en fond de bassin, et couplés ou non à une agitation mécanique (voir photos). Ces systèmes se sont développés depuis les années 90, du fait notamment de leurs avantages en matière de performances, d'insonorisation et de limitation de production d'aérosols. De plus, ces techniques dont particulièrement adaptées pour la réhabilitation des stations d'épuration, une phase très onéreuse d’un marché de renouvellement en plein développement.

 Bassin oblong

Photo ci-dessus : Bassin d'aération (Chenal oblong)

 

Objectifs

Le projet O2 STAR vise à développer, valider et mettre à disposition des industriels du traitement de l'eau un logiciel d'optimisation du poste clé que représente l'aération dans les stations d'épuration à boues activées. Un tel outil permettra de fiabiliser et d'optimiser le traitement biologique des eaux résiduaires.

Le projet repose sur le couplage de modèles de mécanique des fluides à des modèles de transfert de matière. Dans cet objectif, il s'agira dans un premier temps de mesurer, d'analyser et d'interpréter les données d'entrée et de validation des modèles. La validation des modèles numériques à utiliser dans le cas des bassins d'aération de grand volume (plusieurs milliers de mètres-cube) sera effectuée. Les simulations réalisées dans diverses configurations utilisant les modèles validés permettront enfin de préciser l'impact des facteurs de dimensionnement et de fonctionnement des ouvrages et des équipements sur le transfert d'oxygène. Un logiciel rassemblant les résultats des simulations sera conçu, développé et validé, et pourra être utilisé en conception, dimensionnement et optimisation des systèmes d'aération.

Cinq tâches ont alors été définies :

1.      Etat de l'art

2.      Développement de méthodes de mesure et acquisition des données sur site

3.      Développement et validation de modèles pour la prédiction des capacités d'oxygénation dans les bassins d'aération

4.      Simulations intensives de bassins d’aération industriel et création de base de données numériques

5.      Développement d'un logiciel de détermination/optimisation des performances d'oxygénation des bassins d'aération

Le passage des conditions en eau claire aux conditions de fonctionnement des installations, nécessitant la détermination d'un facteur correctif des performances d'oxygénation (le facteur alpha), pourrait être inclus dans les versions du logiciel, mais ne constitue pas un axe de recherche du projet. Le transfert des résultats à des conditions réelles de fonctionnement des stations d'épuration fait cependant l'objet de travaux de recherche dans plusieurs équipes partenaires du projet. De plus, les outils numériques et expérimentaux développés pourront être adaptés pour représenter les phénomènes en boues activées (contamination de l'interface gaz liquide, modification des propriétés physico-chimiques de l'eau, présence de matières en suspension…).

 

 

 

 Rampe sanitaire

Agitateur

 

Photos ci-dessus : Equipements de bassins d'aération (à gauche, une rampe de diffuseurs fines bulles et à droite, un agitateur lent à grandes pales

Enjeux

Le projet traite du dimensionnement et/ou de l'optimisation de ces systèmes d'aération avec l’objectif de proposer un logiciel d’expertise accessible aux constructeurs de stations d'épuration, bureaux d’études, équipementiers et exploitants. Les enjeux d'un tel logiciel sont :

       (i) La réduction de la consommation énergétique des stations d'épuration :

L'utilisation du logiciel permettra une optimisation des systèmes d'aération, permettant de pointer les systèmes peu performants et d'orienter la réhabilitation de systèmes défectueux. Cette optimisation impliquerait un gain significatif en termes de dépense énergétique des stations d'épuration à boues activées. Selon la taille du bassin d’aération, de 50 à 70% des dépenses électriques sont imputables à l’oxygénation. Par exemple, une usine de 20000 éq.hab élimine 400 tonnes de DBO5 par an et consomme environ 40000 kWh pour l’aération. Un gain global de 1% sur l’énergie utilisée pour transférer la quantité annuelle d’oxygène dans les stations d’épuration à boues activées (de l’ordre de grandeur du million de tonnes) dans de grosses unités représenterait une économie annuelle de plusieurs centaines de milliers d’Euros et une baisse significative de l’intensité énergétique du procédé.

        (ii) Un dimensionnement fiable des systèmes d'aération

Le poste aération est le dispositif clé du traitement biologique des eaux résiduaires par boues activées, dont le marché représente, en France, environ 200 stations d'épuration par an (dont 40 % de travaux neufs et 60 % en réhabilitation) en traitement des eaux résiduaires urbaines. La conception et le dimensionnement des systèmes d'aération sont actuellement basés sur des paramètres globaux (rendement d'oxygénation, puissance spécifique) qui prennent peu en compte les conditions hydrodynamiques des sites dimensionnés. De plus, le dimensionnement des systèmes d'aération utilisent parfois des feuilles de calcul plus ou moins empiriques dont le domaine de validité n'est pas toujours précisé. Il en résulte un déficit, pouvant dépasser 30 %, entre les capacités d'oxygénation des systèmes garanties et celles mesurées à la réception des installations.

        (iii) Une fiabilisation du traitement des eaux résiduaires urbaines

L'évolution des législations européenne (Directive eaux usées et Directive cadre sur l'Eau) et française (Loi sur l'eau de 2006) vise notamment à limiter l'impact des rejets domestiques et industriels sur les milieux aquatiques. Cette évolution implique la construction de nouveaux ouvrages et la réhabilitation de nombre de stations existantes dont le fonctionnement doit être optimisé. S'inscrivant dans ce cadre, l'optimisation de l'étape clé des stations de traitement des eaux résiduaires que représente l'aération est prioritaire et se traduira par une meilleure efficacité et une meilleure fiabilité du fonctionnement des installations requises par la conformité de la réglementation européenne.

 

 

Date début : 01 Avril 2008

Durée prévue : 3 ans

Date fin : 31 mars 2011

Financement : Agence Nationale de la recherche (ANR) - Programme de Recherche sur les Ecotechnologies et le Développement Durable (PRECODD)

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