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Traitement des eaux résiduaires et énergie


Perspectives technologiques


Les normes de rejet des eaux résiduaires dans les milieux naturels sont de plus en plus drastiques, notamment sous l’influence de la directive cadre sur l’eau. Plus on améliore la qualité de traitement des eaux résiduaires, plus on risque d’augmenter la consommation énergétique d’une station d’épuration (STEP). Les solutions décentralisées ne sont pas toujours la meilleure réponse d’un point de vue énergétique. L’analyse des cycles de vie est, à ce titre, indispensable. Un système d’assainissement constitue un ensemble comprenant un réseau d’assainissement, une STEP et des traitements annexes des déchets de l’assainissement. Les boues de STEP doivent être traitées (compostage, déshydratation, séchage, etc.) afin de pouvoir rejeter l’eau produite dans le milieu naturel. La consommation énergétique globale d’un tel système est de 0,23 kWh/personne/jour. Une nouvelle approche consiste à récupérer l’énergie contenue dans les matières organiques des effluents : le potentiel énergétique est de 0,37 kWh/personne/jour. D’un point de vue théorique, le concept de STEP à énergie positive serait envisageable à l’horizon 2020, grâce à des économies d’énergie, la récupération d’énergie, la valorisation de la biomasse et la production d’énergies renouvelables.



Des économies d’énergie de 10 % à 15 % sont réalisables sans investissements supplémentaires et peuvent conduire à des économies importantes de coût d’exploitation. Les deux principaux postes de consommation sont l’aération (44 %) et le pompage (15 %). Un meilleur rendement énergétique des différents organes de pompage ainsi qu’un dimensionnement optimisé du système global d’aération et de sa régulation sont des opérations permettant d’atteindre ces économies d’énergie.

Le potentiel thermique des eaux usées en milieu urbain et périurbain constitue une ressource énergétique continue qui peut être utilisée pour le chauffage et le rafraîchissement de bâtiments via un échangeur de chaleur couplé à une pompe à chaleur. La performance du système dépendra principalement du débit des eaux usées et de la pente du réseau d’assainissement. Les échangeurs de chaleur sont soit insérés dans la structure des canalisations soit localisés dans des bâches en dérivation. Les eaux usées peuvent être des eaux brutes ou des eaux traitées (sortie de STEP).

La valorisation de la biomasse est une autre ressource énergétique. La digestion est un procédé très performant pour valoriser la fraction biodégradable de la matière organique des boues de STEP, qui produit un gaz constitué à 65 % de méthane. Ce biogaz peut être valorisé sous forme de chaleur ou sous forme d’électricité. La digestion ne permettant pas de valoriser la totalité de la matière organique des boues, l’incinération des boues déshydratées (seules ou en fours d’incinération d’ordures ménagères) avec ou sans séchage permet alors de valoriser la matière organique résiduelle. Cependant, le faible PCI des boues humides limite le bilan positif de ce type de valorisation. Certaines boues non digérées ont un PCI suffisant pour que le bilan de la valorisation par incinération soit positif. Les boues séchées ont un PCI encore plus élevé et peuvent faire l’objet d’une co-combustion dans des centrales thermiques à charbon ou être valorisées par injection dans des fours de cimenterie. Les autres modes de production d’énergie à partir d’une STEP consistent à fabriquer un combustible (à partir des boues, du biogaz issu de la digestion, ou des graisses) ou un carburant (à partir du biogaz). Cette énergie est stockable indéfiniment et obtenue sans transfert énergétique : le déchet traité devient directement un combustible. Un « bio fioul » peut être produit par séparation physique à chaud des graisses récupérées en tête de station.

Enfin, selon les situations locales, un recours aux énergies renouvelables (solaire, éolien, micro-hydraulique, notamment en récupération d’énergie de chute des effluents) permettrait de compléter le bilan énergétique d’une STEP.

Aspects systémiques


Ainsi, au travers de nouvelles technologies ou grâce à l’ajustement des technologies existantes, il serait possible d’atteindre 100 % de la consommation énergétique nécessaire au niveau d’une STEP : 20 % grâce aux économies d’énergie, 10 % avec la récupération d’énergie, 60 % par la récupération de biomasse et 10 % via les énergies renouvelables. Plus que du développement de nouvelles technologies, cette démarche relève de la valorisation de l’innovation organisationnelle et de process.

Acteurs


Compte tenu de l’impact de la consommation énergétique des systèmes d’eau et d’assainissement, la maîtrise de la chaîne de valorisation et d’optimisation de la consommation énergétique des systèmes d’assainissement est un domaine technologique à maîtriser absolument pour permettre aux acteurs de l’eau de défendre leur position concurrentielle sur les marchés internationaux.

La digestion des boues de STEP est une technologie bien connue et très utilisée en Europe, notamment en Allemagne, moins en France jusqu’à ce jour pour diverses raisons (possibilité d’épandre les boues, coûts d’investissement plus élevés des filières incluant une digestion, procédé nécessitant un traitement complémentaire parfois contraignant).

Concernant la récupération de chaleur des eaux usées, la Suisse, l’Allemagne ou l’Autriche développent aujourd’hui de telles solutions. Le premier dispositif réalisé en France se trouve à Levallois-Perret où il permet de chauffer la piscine municipale et d’économiser ainsi 150 tonnes par an d’émissions de CO2. La communauté urbaine de Bordeaux vient de mettre en oeuvre un tel système pour le chauffage de l’hôtel de communauté.