Repenser le traitement des eaux usées

Plus que jamais, nous devons penser à des moyens permettant de réduire la quantité d’énergie nécessaire pour le traitement des eaux usées et réduire sensiblement nos émissions de GES. WSP conçoit une approche permettant une réduction marquée de l’émission de gaz et offrant aussi la possibilité de transformer le traitement des eaux usées en génératrice d’appoint pour nos communautés.

Plus que jamais, les gouvernements et les municipalités du monde entier s’engagent à adopter les émissions nettes zéro avec l’objectif final de limiter l’augmentation de la température de la planète à deux degrés Celsius au-dessus des niveaux préindustriels. Aujourd’hui, les gouvernements et presque toutes les entreprises de services publics étudient des moyens de réduire la quantité d’énergie nécessaire pour traiter les eaux usées et diminuer considérablement leurs émissions de gaz à effet de serre (GES, mesurés en équivalent de CO2 -- CO2e). Avec le procédé à boues activées standard, les matières organiques sont décomposées en dioxyde de carbone, en méthane et en oxyde nitreux à l’aide d’un procédé biologique. Chacun de ces gaz peut être décomposé en équivalents du potentiel de réchauffement planétaire (PRP) :

  • le PRP du dioxyde de carbone est 1 eCO2
  • le PRP du méthane est 21 eCO2
  • le PRP de l’oxyde nitreux est 310 eCO2

L’aération est un élément majeur dans la génération de ces gaz pouvant consommer jusqu’à 70 % de l’énergie totale utilisée pour traiter les eaux usées. La séparation du procédé d’aération a le potentiel d’atteindre le besoin énergétique net zéro, mais il va également à l’encontre des principes du procédé à boues activées standard.

Plusieurs méthodes de séparation font l’objet d’essai en remplaçant le procédé d’aération par divers procédés anaérobies ; bien que fonctionnels, ils restent très sensibles aux variations de la qualité des entrants.

Une nouvelle approche

L’équipe de traitement de WSP s’intéresse de plus près à une autre méthode, qui consiste à abandonner l’approche conventionnelle par boues activées pour adopter une méthode de filtration mécanique. Avec cette méthode, le filtrage des éléments inertes est encore nécessaire, mais la plupart des usines de traitement existantes disposent déjà de filtres d’entrée, de dégrilleurs et même de décanteurs primaires qui consomment peu d’énergie.

La méthode de filtration, après le filtrage primaire, impliquerait des membranes céramiques, qui existent depuis 30 ans et qui sont maintenant considérées comme de nombreuses options de traitement différentes, car celles-ci offrent une durée de vie garantie de 20 ans, ne sont pas encrassées par les huiles et sont résistantes à l’abrasion.

Avoir une consommation énergétique nette zéro

La méthode de base de WSP est constituée de trois étapes : 

la première étape consiste à séparer le procédé biologique et à filtrer les eaux usées à l’aide de membranes céramiques pour atteindre une concentration d’éléments solides d’environ 6 %. Cela nourrira les digesteurs anaérobies.

Les premiers essais au banc ont indiqué un taux de rétention des solides de 99 %, de 80 % pour la demande chimique en oxygène (DCO) et de 50 % pour la DCO dissoute, les fractions de DCO en particules étant envoyées au digesteur pour améliorer la production de biogaz.

La deuxième étape consiste à réduire les analytes d’azote et de phosphate et les matières organiques qui causent la coloration du filet liquide à l’aide de la nanofiltration céramique pour produire finalement une qualité d’eau finale qui convient à la réutilisation.

Effluent à forte coloration issu du filtrat du bioréacteur à membrane par rapport à l’effluent à légère coloration issu du perméat de nanofiltration.

Les premiers essais au banc ont indiqué une réduction de 97 % du phosphore total, le flux de déchets pouvant ensuite être traité par un réacteur à combustible pour la récupération du phosphate. Cela contribuerait grandement à prévenir l’eutrophisation des lacs et d’autres étendues d’eau.

Les essais pilotes que WSP a entrepris dans une usine de pâte à papier industrielle ont montré que la nanofiltration peut réduire les composés organiques des colorants de 1 548oHazen, avec un carbone organique total (COT) de 99 mg/L, à une coloration moyenne de 10oHazen et à un COT de 2,4 mg/L, sans l'utilisation de produits chimiques ordinaires.

La troisième étape consiste à transformer le procédé en énergie neutre nette zéro. Cela se fait grâce à l’utilisation de dispositifs de récupération de la pression isobare du rétentat de la nanofiltration, qui transfère 98 % de la pression dans le flux d’alimentation. L’utilisation de micro turbines à énergie potentielle ou cinétique pourrait également être envisagée, puisqu’elles généreraient environ 35 kW avec un débit de 72 ml/j.

Les travaux menés à l’échelle mondiale par WSP, qui cherche des moyens d’améliorer l’efficacité énergétique, de l’écrêtement des pointes à la récupération d’énergie des flux de déchets, montrent clairement qu’une installation de traitement des eaux usées utilisant un procédé à boues activées traitant 72 ml/j d’eaux usées peut nécessiter jusqu’à 1500 kW d’énergie pour fonctionner, mais ne peut compenser que 250 kW par la production de méthane (biogaz), qui est utilisé pour produire de l’énergie.

En considérant de manière globale le haut niveau d’énergie produite par rapport à l’énergie requise, si la DCO accrue de particules était envoyée directement à un digesteur anaérobie, cela augmenterait la production de méthane (biogaz), ce qui pourrait produire 100 kW supplémentaires. La méthode sur membrane estimée nécessiterait environ 380 kW. Par conséquent, l’énergie de base produite par le procédé est de 350 kW (de la production de biogaz de 250 kW + les 100 kW supplémentaires) plus 35 kW (d’une micro turbine), ce qui donne un potentiel de 385 kW - c’est-à-dire une énergie nette zéro.

Alimentation de nos communautés

Il y a une quatrième étape, qui consiste à augmenter la production pour obtenir un surplus d’énergie, c’est-à-dire transformer le traitement des eaux usées en génératrice d’énergie pour la communauté. Il existe différentes options qui permettent d’augmenter la production d’énergie en procédant à l’incinération à basse température des déchets solides résiduels afin de générer de la chaleur. Cela permet de remplacer la digestion mésophile standard par la digestion thermophilique qui est plus rapide et dont la production de méthane est supérieure. La chaleur peut également être utilisée pour chauffer les bâtiments de traitement en hiver et assurer le refroidissement en été. Cette technique peut être accompagnée d’une combinaison sélective de processus de digestion de déchets organiques industriels, domestiques ou mixtes afin d’optimiser la production de biogaz.

En adoptant une vision simplifiée globale similaire des économies de GES, c’est-à-dire des réductions annuelles d’émissions de GES résultant de la simple séparation du procédé d’aération, à savoir :

  • Le CO2 généré par l’oxydation de la demande biochimique en oxygène (DBO) = 1,1 kg CO2/kg O2 DBO oxydée. La réduction des émissions de gaz à effet de serre pour une installation traitant 72 ML/j serait d’environ 7 200 tonnes par an, avec un PRP de 1,0.
  • L’oxyde nitreux a été calculé à 15,8 kg/j, par conséquent, la réduction des GES d’une usine traitant 72 ml/j serait d’environ 1 790 tonnes par an, avec un PRP de 310.

En outre, la réduction attendue résultant de la suppression des émissions indirectes provenant de la consommation d’électricité et de gaz achetés dégagera des économies supplémentaires (calculées en utilisant 0,84 kg eCO2/kWh). En supposant que la réduction soit causée par la séparation du procédé d’aération et des mélangeurs et pompes associés au procédé à boues activées, ce qui correspond à une puissance totale requise de 1 500 kW moins les 385 kW pour le procédé sur membrane, la réduction de la demande énergétique est de 1 115 kW pour 24 heures par jour, ce qui donne 26 760 kWh ou 8 200 tonnes de CO2 par année. La réduction totale de GES serait d’environ 17 190 tonnes de eCO2par année.

Un dernier avantage de la méthode sur membrane céramique est l’espace requis. En comparant l’empreinte physique de la méthode sur membrane céramique avec uniquement le procédé à boues activées (à l’exclusion des clarificateurs primaires et secondaires), il est évident que la méthode sur membrane peut s’adapter à l’intérieur du procédé à boues activées existant ou au-dessus de celui-ci.

Besoins en superficie pour le procédé à boues activées par rapport au procédé sur membrane céramique (utlrafiltration + nanofiltration)


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