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POURQUOI DES AERATEURS DE SURFACE ?
COMPARAISON ENTRE LES AERATEURS DE SURFACE OU TURBINES LENTES,
ET L’AERATION DE FOND PAR LE SYSTEME DES FINES BULLES.
Comment faire son choix ?
Résumé
Les systèmes d’aération peuvent être subdivisés en 2 groupes : l’aération de fond et l’aération de surface.
L’aération de fond peut être subdivisée également en différents systèmes dont le plus connu est le système des fines bulles.
Les aérateurs de surface sont subdivisés en aérateurs lents et en aérateurs rapides. Les aérateurs lents sont à nouveau subdivisés en aérateurs à arbre vertical (turbines lentes) et aérateurs à arbre horizontal (les brosses).
Parmi les aérateurs lents, les turbines à arbre vertical sont les plus utilisées car elles ont un meilleur rendement d’oxygénation, une plus haute capacité d’oxygénation par machine et la meilleure capacité de brassage et de propulsion dans des chenaux d’oxydation correctement dimensionnés.
Dans cet article nous voulons comparer les deux systèmes les plus performants, c’est-à-dire l’aération par turbines lentes à arbres verticaux et l’aération par diffuseurs fines bulles, afin de guider les décideurs vers le meilleur choix.
En comparant les turbines lentes (ou aérateurs de surface) aux systèmes d’aération à fines bulles, les aérateurs de surface à arbre vertical de type lent ont certains avantages. Le coût d’investissement est nettement plus faible. Il en est de même pour la maintenance lorsque les aérateurs à fines bulles doivent impérativement être nettoyés régulièrement. La durée de vie des aérateurs de surface de type lent est plus élevée et leur fiabilité largement supérieure. Le rendement d’oxygénation semble moins élevé dans un premier temps mais après vieillissement des diffuseurs, le rendement d’oxygénation des fines bulles peut décroitre considérablement. Le transfert d’oxygéne en eaux usées urbaines peut devenir plus favorable aux aérateurs de surface. Sur de longues périodes nous constatons que la consommation énergétique des aérateurs de surface de type lent est comparable, voire même inférieure à la consommation énergétiques des systèmes à fines bulles. D’autres critères importants sont également à prendre en considération tels que le bruit, les aérosols et les accessoires indispensables à un système d’aération. Les aérateurs de surface de type lent peuvent être entièrement recouverts, de manière à supprimer toute nuisance. Les accélérateurs de courant, ventilateurs, instrumentation, indispensables aux fines bulles, ne le sont pas pour les aérateurs de type lent.
Station d’épuration de Louvain-la-Neuve : bioréacteur à membranes
avec aérateurs de surface AIRMAX couverts
Diverses études ont été menées au sujet des résultats obtenus par les deux systèmes. En voici quelques résultats.
Le graphique ci-dessous représente l’effet de la concentration en boues activées sur le facteur Alpha, pour les turbines lentes, les fines bulles, et les moyennes bulles (facteur Alpha α = coefficient de transfert spécifique du milieu (en conditions réelles/ en eau claire)).
Effect of MLSS on Alpha Factor
Reference: Bratby, John R. et al, Merits of Alternative MBR Systems,
WEFTEC 2002.
L’interprétation du graphique ci-dessus montre que pour des bioréacteurs à membranes (BRM) à haute concentration en boues, l’avantage énergétique des TURBINES LENTES est considérable.
Les 3 tableaux suivants nous donnent des exemples de calcul énergétique des aérateurs de surface (AIRMAX) et des systèmes à fines bulles selon plusieurs hypothèses. Le calcul simplifié ci-après ne reprend pas le coefficient béta, ni le (Cs – C) qui devraient être identiques pour les turbines lentes et pour les fines bulles, ni l'effet de la température.
Exemple de calcul pour un projet « hypothétique »
(* = recommandations CEBEDEAU)
(CEBEDEAU : Centre d’expertise en traitement et gestion de l’eau -Liège-Belgique).
Apport Horaire : 200 kg O2/h En conditions réelles
|
Turbine lente |
Fines bulles |
Unité |
Prise en compte du vieillissement |
200/1.0 = 200 |
200/0.9 =222 |
kg O2/h |
Prise en compte du facteur α (alpha)* |
200/0.9 = 222 |
222/0.6 = 370 |
kg O2/h |
Prise en compte du rendement* |
222/1.8 = 123 |
370/2.2 = 168 |
kw |
Prise en compte des accessoires : |
0 Si mélange par l’aérateur, ce qui est normalement le cas pour tous les bassins carrés, ronds ou Carrousel correctement dimensionnés! |
2 Obligation de prendre les accessoires en compte pour l’aération d’après la norme EN 12-255-15 |
kw |
Puissance totale électrique |
123 |
150 |
Kwh/h |
Soit +/- 30 % d’économie énergétique pour la turbine lente.
Exemple de calcul pour 2 BRM existants en Belgique
BRM= Bio-réacteur à membranes
Apport spécifique brut : |
Turbine lente 2.0 |
Fines bulles
2,5 |
Unité
kg O2/ kwh |
Prise en compte du vieillissement |
2.0 x 1.00 = 2.0 |
2,5 x 0,90 = 2,25 |
kg O2/ kwh |
Prise en compte du facteur α (alpha) |
2.0 x 0,85 = 1.7 |
2,5 x 0,45 = 1,12 |
kg O2/ kwh |
Prise en compte des accessoires : |
0% |
1% |
% |
REALITE !! |
1.7 |
1.1 |
kg O2/ kwh |
Soit +/- 35% d’économie énergétique pour la turbine lente AIRMAX.
On a actuellement tendance à diminuer la teneur en boues, ce qui a pour effet d’avoir des alpha un peu plus élevés. Même en gardant un facteur alpha de 0,6 pour les fines bulles, l’avantage reste au profit des turbines lentes.
Exemple de calcul pour un « BEST CASE » mesuré aux bornes du moteur
Apport spécifique brut : (mesures aux bornes du moteur) |
Turbine lente 2,4 (test1 1999) |
Fines bulles
3.50 |
Unité
kg O2/kwh |
Prise en compte du vieillissement |
2.4 x 1.0 = 2,3 |
3.50 x 0,9 = 3.15 |
kg O2/ kwh |
Prise en compte du facteur α (alpha)* |
2.4 x 0,9 = 2,16 |
3.15 x 0,6 = 1,89 |
kg O2/ kwh |
Prise en compte des accessoires : |
0% |
5% |
% |
REALITE !! |
>2.2 ! |
1,8 ! |
kg O2/ kwh |
Soit +/- 20% d’économie énergétique pour la turbine lente.
Il faut bien constater que les donneurs d’ordre ont souvent trop tendance à se focaliser sur les performances obtenues en eaux claires, qui sont effectivement en faveur de l’aération par fines bulles. Cependant cet avantage s’estompe, voire s’inverse lorsqu’on examine les performances en conditions réelles. Cela est particulièrement vrai pour les systèmes avec des concentrations élevées en boues activées, tels que les bioréacteurs membranaires.
Toutes ces considérations nous conduisent à conclure que l’aérateur de surface lent ou turbine lente est la solution qui présente le plus d’avantages à long terme pour aérer les liqueurs mixtes en conditions réelles , au moindre coût énergétique.
Il faut en outre noter que les meilleurs rendements des turbines lentes sont obtenus lorsqu’une collaboration étroite est établie entre les concepteurs de la station d’épuration et le fabricant de turbines. Il faut par ailleurs noter que seules les turbines de nouvelle génération à très basse vitesse présentent ces niveaux de rendement.
Contrairement à ce qui est parfois publié à l’avantage des fines bulles, la turbine lente est tout à fait compétitive pour de grands projets épuratoires comme cela a été le cas pour certaines villes peuplées (Ho Chi Ming ville, Ryadh, Le Caire,…).
Alain Mineur
Process engineer
Texte revu par le Professeur Jean-Luc Vazel, Faculté Universitaire du Luxembourg (Ful)
Battice, Belgique, juin 2010
Quelques liens utiles
fabricants et concepteur d'aérateurs de surface AIRMAX kamps