Bilan énergétique des stations d'épuration

Plus de 5 milliards de m3 d’eau usées à traiter par an, 20 000 stations d’épuration en fonctionnement… quelle est la quantité d’énergie ainsi consommée pour épurer nos eaux usées ? Une question sans réponse précise jusqu’à ce que des scientifiques d’Irstea spécialistes des procédés d’épuration s’en emparent. Retour sur leurs travaux qui apportent de précieux outils pour, à terme, réduire la dépense énergétique et l’impact environnemental des stations d’épuration.

 

Depuis plus de 20 ans, les spécialistes des procédés de traitement des eaux usées d’Irstea étudient les performances des technologies épuratoires du point de vue de la qualité de l’eau obtenue à la sortie de la station. Parallèlement, ils se sont intéressés à l’énergie consommée par ces procédés. Ces dernières années, ils ont ainsi mené, en collaboration avec l’Agence de l’eau Rhône-Méditerranée-Corse, une étude dans le but de déterminer précisément les consommations énergétiques des 5 procédés de traitement les plus utilisées en France1.

À partir de la bibliographie internationale, de la base de données du parc français des stations d’épuration et de campagnes de mesures sur sites, les scientifiques ont établi des référentiels de consommations par type de filière, mais aussi par poste (traitement de l’eau, traitement des boues, etc.) et sous-poste (aération des bassins, digestion des boues, etc.), autrement dit pour chaque étape du procédé de traitement. « Nous nous sommes rapidement rendu compte que cette consommation était très mal maîtrisée le long de la chaîne d’épuration et qu’elle pouvait être réduite », commente Jean-Pierre Canler, ingénieur de recherche en traitement des eaux usées et responsable de l’étude.

Un premier bilan énergétique des stations d’épuration françaises

En comparant le parc français au parc international, les scientifiques ont d’abord constaté que, pour une même technologie, les stations d’épuration françaises sont plus consommatrices que leurs homologues étrangères. Deux explications : une prise en compte précoce de la problématique énergétique par les autres pays et une démarche de dimensionnement des stations spécifique en France, qui repose sur la semaine la plus chargée en eaux usées à traiter, et qui induit un fonctionnement non optimal du point de vue énergétique la plupart du temps.

Parmi les autres résultats, ils ont par exemple démontré que le procédé classique des boues activées (utilisé par plus de 80 % des stations d’épuration françaises de plus de 2 000 EH2) est le moins consommateur d’énergie ; en revanche, celui des bioréacteurs à membranes (actuellement en plein développement) qui permet d’obtenir une meilleure qualité de l’eau épurée, est particulièrement énergivore et demande à être optimisé.

De considérables économies d’énergie en vue…

Après avoir identifié les principaux facteurs qui influencent les consommations de chaque procédé, les scientifiques ont développé des modèles mathématiques capables de prédire la consommation énergétique d’une station d’épuration. « Grâce à nos modèles, nous pouvons faire le diagnostic énergétique d’une station selon le procédé qu’elle utilise, le comparer aux valeurs de référence du procédé et définir la marge de progression possible », explique Jean-Pierre Canler.

Pour aller plus loin, ils ont ensuite testé des outils (systèmes de régulation de l’aération par sondes ou par l’étude plus poussée des courbes d’oxygène) permettant de mieux gérer l’un des sous-postes les plus consommateurs d’énergie : l’aération des bassins où se développent les bactéries. Un travail d’optimisation énergétique qui a conduit à l’élaboration de recommandations à l’usage de l’ensemble de la profession (constructeurs, collectivités, exploitants) mais aussi à un résultat marquant : une économie d’énergie de 5 à 20 % envisageable selon les stations ! Un gain considérable tant du point de vue économique qu’environnemental… À partir de ces nouvelles données, des outils de suivi et d’alerte pourraient être mis en place dans les logiciels de supervision des stations d’épuration.

Des travaux qui préfigurent la station d’épuration du futur

Si les résultats de ces travaux devraient fortement faire écho dans le domaine de l’épuration, les scientifiques ne s’arrêtent pas là. Ils développent actuellement des modèles de fonctionnement des stations qui intègrent à la fois la consommation énergétique et les rejets de gaz à effet de serre des stations d’épuration. Avec un objectif d’ici fin 2017 : disposer d’un outil d’optimisation technique et énergétique du fonctionnement global d’une station… En parallèle de la mise au point de ce type d’outils particulièrement précieux pour réduire l’impact des activités humaines sur l’environnement, les spécialistes de l’épuration d’Irstea se penchent sur des solutions pour rendre les activités d’épuration plus durables notamment du point de vue énergétique. Parmi elles : optimiser la transformation des déchets des stations, plus précisément des boues, pour produire du biogaz, ce qui pourrait permettre à terme l’autonomie énergétique des stations...

  1. Le traitement biologique des eaux usées comprend 5 procédés principaux : boues activées (filière classique), réacteur séquentiel discontinu, bioréacteur à membranes, réacteur à biofilm sur support mobile, réacteur à biofilm sur support fixe.
  2. Equivalent-habitant (EH) : unité de mesure qui permet de classer administrativement les stations d’épuration selon un flux de matière organique à traiter.
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