Optimisation énergétique - Un enjeu des stations d épuration Caroline BOUCHET caroline.bouchet@degremont.com Pourquoi l énergie? Développement durable Augmentation durable du prix des énergies fossiles et par conséquent de l électricité Traitement des eaux de plus en plus poussés : Elimination des HAP, PCB, Perturbateurs Réduction Phosphore Réduction N Reuse Augmentation consommation énergétique des STEP Optimisation énergétique des STEP 1
Démarche Energos Classification des produits Degrémont : CAPEX OPEX Réactifs Energie Main d œuvre Optimisation des filières : Traitement des eaux Traitement des boues Eaux usées +Boues : répartition des coûts Eaux Usées + Séchage 50 000 m 3 /j - Coût 0,43 /m 3 3% 6% Capex 13% 32 % 4% 15% 59% Personnel Maintenance Energie Réactifs Evacuation des boues 2
Filière Eaux usées Effluent Dégrillage Traitement des sables Prétraitement Décantation primaire Traitement biologique Traitement des graisses Clarification secondaire Traitement tertiaire Traitement des boues Eau traitée Traitement des eaux usées : les chiffres Eaux usées consommation d'énergie Wh/m 3 Consommation de plus en plus importante Décantation primaire + Moyenne charge Décantation primaire + Aération prolongée Aération prolongée Meteor N/DN Densadeg + Biofor C- N Densadeg + Biofor C- N-DN Cyclor Ultrafor Traitements de plus en plus poussés 3
Traitement d eaux usées : les chiffres Répartition des consommations d'énergie :Décantation primaire+aération prolongée 8% 15% Pretraitement+Décantation 8% primaire Traitement biologique 13% Tertiaire+Epaissement- Deshydratation des boues Ventilation-Chauffage Divers (Eclairage, Utilités) 56% Poste majeur de gain possible = aération sur le traitement biologique Focus : le shunt des nitrates 1/2 Traitement conventionnel des retours de digestion riches en azote : Eau brute Décanteur primaire Bassin d aération Clarificateur Eau traitée surnageants de déshydratation Déshydratation Recirculation de boues Digestion anaérobie Boues en excès Epaississement Inconvénients nitrification - dénitrification classique Consommation énergie pour l aération Besoins en carbone pour la dénitrification Volumes de bassins importants Apport de 10 à 20% du flux azoté total de la station Composition défavorable : faible ratio C/N 4
Focus : le shunt des nitrates 2/2 Procédé Anitror N-NO 3-1.14 O 2 1.14 carbone organique biodégradable Nitrosomonas species Nitrobacter species 3.43 O 2 N-NH 4 + N-NO 2 - N-NO 2 - Shunt des nitrates 1.72 carbone organique biodégradable N 2 Alcaligenes species Pseudomonas species Eau brute Décanteur primaire Bassin d aération Clarificateur Économies possibles : 25% énergie aération 40% besoins en carbone 25% production de boues Anitror Déshydratation Recirculation de boues Digestion anaérobie Boues en excès Epaississement Eau traitée Généralités sur le traitement des boues FILIERE EAU BOUE LIQUIDE DILUEE EPAISSISSEMENT STABILISATION BIOLOGIQUE digestion anaérobie CONDITIONNEMENT digestion aérobie thermophile DECHARGE DESHYDRATATION MECANIQUE filtre à bandes, filtre presse, centrifugeuse CHAULAGE OXYDATION VOIE HUMIDE AGRICULTURE COMPOSTAGE CENDRES DECHARGE SECHAGE PYROLYSE / COMBUSTION stockages INCINERATION avec ou sans OM VALORISATION 5
Traitement des eaux/boues : les chiffres Consommation de plus en plus importante Besoins en énergie de la ligne eau /Potentiel énergétique théorique des MS des boues Décantation primaire + Aération prolongée Densadeg + Biofor C-N Aération prologée ou Cyclor Ultrafor Besoins en électricité Whe/m3 MS des boues Wh PCI/m3 Traitements de plus en plus poussés Comment récupérer/utiliser ce potentiel énergétique? Digestion et procédés de boostage de digestion Valorisation du biogaz (électricité et thermies) Combustion Incinération : PCI est utilisé pour évaporer l eau OVH : diminution de l énergie calorifique nécessaire à l augmentation de T C Gazéification/pyrolyse Optimisation énergétique par utilisation du PCI de la boue 6
Source d énergie : biogaz issu de digestion Gazomètre Valorisation Digestion classique : Digesteur Production biogaz 0,9 à 1,1 Nm3 / kg MV éliminé Chaudière Autres voies de valorisation (cogénération / séchage thermique Source d'énergie Source d énergie 1 Nm 3 de biogaz = 6.3 kwh (PCI), valorisation par cogénération : 2.2 kw électrique 1.8 kw thermique Cogénération : biogaz, source d énergie Microturbines <100kWe Moteurs 100 kwe à 3 MWe Turbines > 3 MWE 7
Cogénération : biogaz, source d énergie Exemples de références Degrémont : Achères France : Moteurs 3600 kwe, Turbine : 4000 kwe Gaïa Portugal : 465 kwe Rhitala Inde : 3000 kwe Gabal Egypte : 11 800 kwe Brno République Tchèque : 1040 kwe As Samra Jordanie : 6000 kwe 95 % d autonomie énergétique Turbine Entrée (A) 12% Turbine Entrée (B) Turbine Sortie (A) 12% Turbine Sortie (B) 67% 5% Groupes Biogaz 4% Energie produite par les moyens internes de production (Janvier-Août 2008) Source d énergie : biogaz Amélioration de la production de biogaz 1,2,3 Codigestion : +15% Digestion boostée Mécanique US : +10 à 30% Haute Pression : Crown +30% Centrifugation lytique lysatec +15 à 30% Physique Hydrolyse thermique : Cambi : +50% Décompression Congélation / décongélation Champs électriques pulsés Chimique Hydrolyse acide ou basique Biologique Hydrolyse enzymatique Combinaison des techniques Chimique + mécanique : microsludge +70% (sur boue biologique seule) Deux étages de digestion [1] Degrémont Bases de données [2] Office fédéral de l énergie Suisse Comparaison des technologies de prétraitement des boues d épuration pour l augmentation de la production de biogaz mai 2007 [3] Sites web des fabricants 8
FOCUS : Digelis Turbo Améliorer la déshydratation et augmenter la production de biogaz : l hydrolyse thermique Cambi des boues avant digestion FOCUS : Digelis Turbo Améliorer la déshydratation et augmenter la production de biogaz : l hydrolyse thermique Cambi des boues avant digestion 9
Comparatif Digelis Turbo avec la digestion conventionnelle Digestion boostée couplée au séchage : impact énergétique global Exemple : 7300 tonnes de MS par an (350 000 equihab) Boues biologiques à 4% Digestion Conventionelle Hydrolyse thermique Différence Digestion volume (m 3 ) 10 000 4 000-60% Production de Biogaz (Nm 3 /jour) 2 750 3 795 + 38% Biogaz disponible (Nm 3 /jour) 511 1066 + 108% Masse de boues (t/an) 30 784 19 932-35% Retour NH4 (t/an) 94 1256 + 34% Tonnage d eau à évaporer en séchage (t/h) Combustible externe nécessaire au séchage(m 3 gaz/an) Tonnage de boues à 90% (t/an) 2 011 515 6 497 979 660 5 986 2.8 1.6-42% - 51% -8% 10
Source d énergie : boue séchée Boues séchées = combustible alternatif aux carburants d origine fossile Pouvoir calorifique ~ celui du bois (4 5 MWh/t MS) Impacts Pas d émission de GES Diminution de la facture énergétique Diminution de la consommation d énergie fossile Problème de règlementation Pyrolyse / Gazéification Traitement du Syngaz et valorisation énergétique (cogénération) Récupération de chaleur Incinération Récupération de chaleur sur fumées Valorisation énergétique (cogénération, turbine à vapeur ) Valenton pyrolyse des boues Pyrolyse des boues, four NESA Récupération de chaleur 37% des besoins énergétiques des sécheurs 6 à 7 MW/h 110 t MS/j boues séchage AIR échangeurs HUILE échangeurs fumées Boues séchées fumées Traitement des fumées Gaz naturel pyrolyseur Gaz de pyrolyse Post combustion Gaz naturel Rejet cheminée AIR AIR Vis de refroidissement cendres EAU échangeurs Cendres non-contaminées 11
Incinération valorisation énergétique Valence Siccité boues 20% PCI boues : 6400 kwh/t Siccité graisses 30% (~5% graisse/boue) PCI graisses : 9300 kwh/t Combustion Récupération De chaleur Traitement des fumées Boues Cendres Air Résidus d épuration (REFIB) Fumées épurées Incinération valorisation énergétique 12
Duffin Creek (USA) Incinération et valorisation Compressed Air Exhaust Gas Duct Softner Building Heat 2 lignes : 105 tms/j/ligne Continuous Emissions Monitoring System High Pressure Water Pump Sand Sludge 0.5-5%TS Sand Storage Deaerato r Heat Exchanger Turbine Generator Stack Feed Pump 27%TS Plant Water Centrifuge Decanter Fuel Oil Natural Gas Purge Air Blower Preheat BurnerAir Blower Fluidizing Air Blower Waste Heat Boiler & Economizer Quench Scrubber Multiple VenturiScrubber Impingement Scrubber To Ash Treatment Duffin Creek : Production énergie > Consommation Duffin Creek (USA) Incinération et valorisation 2 lignes : 105 tms/j/ligne Duffin Creek : Production énergie > Consommation 13
Traitement des boues : les chiffres Besoins en énergie Traitement des Boues mixtes (25% siccité) Consommation de plus en plus importante Besoins électriques après valorisation (Wh/kg MS) Besoins thermiques après valorisation (Wh/kg MS) Opex global ( /kg MS) Digestion Drying HELIANTIS Drying NARA Drying INNODRY Wet Oxidation Incineration THERMILYS Siccité des produits finaux croissante Economies d énergie - Heliantis Energies renouvelables Séchage solaire Pas d émission de GES Pas de consommation d énergie fossile Diminution des coûts d évacuation Diminution de la facture énergétique 14
Quelques références Degrémont : Séchage Solaire Heliantis Economies d énergie - Innodry Sécheur basse consommation Innodry : Deux étages de séchage Echangeur thermique Réchauffeur d huile Récupération d énergie entre les étages Buées Boues déshydratées (18-30 % de MS) Evaporateur à couche mince Traitement air vicié ~ Ventilateur Refroidisseur Condenseur Chopper (40-50 % MS) Retour fines Sécheur à bandes Réchauffeur Crusher Tamis Bande de refroidissement Air de refroidissement Bac à condensats Granulés (90 % MS) Récupération de chaleur Refroidisseur 15
Economies d énergie - Innodry Sécheur basse consommation Innodry : Deux étages de séchage Récupération d énergie entre les étages 650 et 750 kwh/t d'eau évaporée Pour comparaison : SECHEUR INDIRECT : 870 930 Kwh / t SECHEUR DIRECT : 930 990 Kwh / t AUTRE SECHEUR MIXTE : 990 1040 Kwh / t Economies d énergie - Innodry 16
Conclusions Les tendances futures - domaine de l énergie Augmentation des prix des énergies fossiles qui ne sont pas inépuisables et par conséquent du prix de l électricité Engagement de réduire les émissions de gaz à effet de serre Traitements poussés d épuration : augmentation des kwh nécessaire par m 3 d eau traité Vers une autonomie énergétique de la station d épuration.. Eau brute Turbinage Production de kwh Décantation primaire Boues activées Recirculation boues Clarification Eau traitée Turbinage Production de kwh Épaississement Flottation Shunt de l azote -25% d énergie pour le traitement NH4 des retours Séchage solaire Centrat Centrifugation Boues déshydratées Sécheur Innodry Digestion anaérobie Biogaz Vapeur Récupération de la chaleur des fumées ou des gaz kwh Hydrolyse Thermique Cambi Épandage Incinération ou Pyrolyse gazéification 17
Conclusions pour les concepteurs de STEP Réflexions au niveau conception sur : les sources d énergie et sources de consommation liées au process de l usine (la valorisation des boues, l aération, biogaz, chaleur, vapeur, hydraulique, eaux traitées par exemple) L utilisation des ressources externes (solaire, vent, chaleur, ) pour produire de l énergie renouvelable Optimisation énergétique de la filière : favoriser une boue plus énergétique Les opportunités d optimisation énergétique : Les Pompes à chaleur, les chaudières à bois, les moteurs haut rendement, les turbines à gaz, les micro turbines, le solaire et le photovoltaïque, l éolien.; Des bâtiments HQE, permettant de réaliser des économies d énergies (chaleur éclairage) Gestion des énergies et optimisation du process Degrémont a réalisé avec la station d épuration d Amman la première station d épuration dans le monde proche de l autonomie énergétique (97%) Bibliographie [1] C. Bouchet, Optimisation énergétique et traitement des boues, Congrès Sludge 2008, Angers [2] Degrémont Bases de données [3] Office fédéral de l énergie en Suisse, Comparaison des technologies de prétraitement des boues d épuration pour l augmentation de la production de biogaz, mai 2007 18