Les systèmes de filtrage à tranquilliser, une technologie de traitement biologique mature et largement utilisée, ne font pas exception. Comme les services publics font face à une hausse des prix de l'électricité et à des réglementations plus strictes en matière d'émissions, l'intégration des sources d'énergie renouvelables telles que le solaire, l'éolien et le biogaz dans les opérations de filtrage à tranquilliser est devenue une stratégie de plus en plus intéressante.

Comprendre la technologie de filtrage et son profil énergétique

Les filtres à tranquilliser sont des réacteurs biologiques à film fixe qui éliminent les matières organiques des eaux usées. Les eaux usées sont réparties uniformément sur un lit de milieux (roche, plastique ou matières synthétiques) par un bras de distributeur rotatif. Les microorganismes attachés au milieu consomment des polluants alors que l'eau se déverse et l'effluent traité est recueilli au fond.

Les besoins énergétiques d'une installation filtrante ne sont pas aussi élevés que ceux des systèmes de boues activées, mais ils sont encore importants.Les consommateurs d'énergie primaire comprennent :
• Stations de pompage et de levage des eaux usées brutes.
• Le bras du distributeur rotatif (souvent entraîné par la pression hydraulique ou le moteur électrique)[
• Pompes de recyclage pour améliorer l'efficacité du traitement.[
• Ventilateurs d'aération ou de ventilation (dans les systèmes de contrôle des odeurs fermés)
• Matériel de manutention et de déshydratation des boues.[
• Éclairage, instrumentation et CVC de construction.

La consommation d'énergie typique des usines de filtration à trémie varie de 0,2 à 0,5 kWh par mètre cube d'eaux usées traitées, selon la taille de l'usine et les facteurs propres au site.

La compréhension du profil énergétique d'une installation filtrante est la première étape vers l'identification des technologies les plus efficaces pour l'intégration des énergies renouvelables.

Justification de l'énergie renouvelable dans le traitement des eaux usées

De nombreux pays ont fixé des objectifs ambitieux de neutralité carbone, et le secteur de l'eau est soumis à des pressions croissantes pour réduire son empreinte carbone. De plus, les coûts de l'électricité représentent souvent 15 à 30 % du budget d'exploitation d'une égout. En produisant leur propre énergie propre, les installations peuvent bloquer les coûts prévisibles de l'énergie et réduire l'exposition aux taux d'utilisation volatils.

Les avantages environnementaux sont également importants.L'Environmental Protection Agency (EPA) des États-Unis estime que le secteur de l'eau et des eaux usées représente environ 3 à 4 % de l'utilisation d'électricité au pays, et une part importante de celle-ci provient des combustibles fossiles.

Au-delà de l'environnement, les énergies renouvelables améliorent la résilience[.Le traitement des eaux usées est un service essentiel; les pannes d'électricité peuvent entraîner des rejets non traités ou des arrêts d'usine.

Options d'énergie renouvelable pour les opérations de filtrage de trituration

Plusieurs technologies renouvelables sont bien adaptées pour l'intégration avec les usines filtrantes. Le choix dépend de l'emplacement du site, de l'espace disponible sur les terrains ou les toits, du climat local, des infrastructures existantes et du budget des immobilisations.

Systèmes photovoltaïques solaires (PV)

Les installations de traitement des eaux usées ont généralement de grands toits, des terrains ouverts (p. ex. autour des lagons ou des zones tampons) et des aires de stationnement pouvant accueillir des réseaux solaires. Les progrès réalisés dans l'efficacité des panneaux photovoltaïques et la baisse des coûts – plus de 80 % de réduction au cours de la dernière décennie – rendent le solaire économiquement viable pour de nombreuses installations.

Pour une installation filtrante, le solaire peut compenser les charges électriques diurnes comme le pompage et le fonctionnement du distributeur. Avec l'ajout de la batterie de stockage, l'énergie solaire peut être utilisée pendant les heures de non-dimeste ou revendue au réseau par des programmes de mesure nets. Certains services publics ont installé des fermes solaires au sol sur des sites d'enfouissement désaffectés ou des terrains adjacents, générant suffisamment d'énergie pour couvrir 50 à 100 % de leurs besoins en électricité.

Cas en détail : La station de traitement des eaux usées de Tulare, en Californie, a installé un système photovoltaïque solaire de 1,8 MW qui répond à 100 % de sa demande électrique, économisant plus de 250 000 $ par année. Bien que cette installation utilise des boues activées, des économies similaires s'appliquent aux usines de filtration.

Considérations clés: L'intégrité structurelle du toit, l'ombrage des arbres ou des bâtiments, et la nécessité de systèmes d'onduleur et de batterie.

Intégration de l'énergie éolienne

Les éoliennes peuvent être une excellente source d'énergie renouvelable pour les installations filtrantes situées dans des zones où la vitesse du vent est constante (classe 3 ou supérieure, >6,5 m/s). Des turbines de petite à moyenne échelle (10–100 kW) peuvent être installées sur place pour compléter l'énergie du réseau.

L'énergie éolienne est particulièrement précieuse pendant les périodes de nuit ou d'hiver lorsque la production solaire est faible. Les opérations de filtrage de rickling fonctionnent 24/7, de sorte qu'un système solaire combiné plus vent peut faciliter la disponibilité de l'énergie.

Plusieurs services européens de distribution d'eaux usées ont adopté l'énergie éolienne. Par exemple, l'association allemande Emschergenossenschaft exploite plusieurs éoliennes qui fournissent de l'énergie à ses stations de traitement, y compris des installations de filtration à glissière. Aux États-Unis, la ville de Boulder, Colorado, a installé une éolienne de 500 kW dans son usine d'épuration pour compenser 20 % de l'utilisation de l'électricité.

Biogaz de la digestion anaérobie

Bien que les filtres à trier ne produisent pas de biogaz, de nombreuses stations de traitement des eaux usées qui intègrent des filtres à trier ont également des digesteurs anaérobies pour le traitement des boues. La digestion des boues génère du biogaz riche en méthane, qui peut être capté et utilisé pour alimenter les moteurs, les microturbines ou les chaudières pour produire de l'électricité et de la chaleur.

Les systèmes biogaz-énergie sont particulièrement attrayants car ils transforment un produit résiduaire en une ressource précieuse, réduisent les émissions de méthane (un puissant gaz à effet de serre) et fournissent une source d'énergie renouvelable fiable, qui ne dépend pas des conditions météorologiques.

Pour les usines filtrantes sans digestion anaérobie, une autre voie consiste à co-digester les déchets alimentaires ou d'autres matières premières organiques pour stimuler la production de biogaz. Le programme EPA , AgSTAR, offre des conseils sur le développement de projets de biogaz.

Hydroélectricité (Micro-Hydro)

Les stations de traitement des eaux usées ont des débits d'eau constants, tant dans les effluents entrants que dans les rejets sortants. Lorsqu'il existe des différences importantes d'altitude (p. ex., à l'exutoire de l'usine ou dans le système de collecte), les micro-turbines hydro-électriques peuvent produire de l'électricité sans coûts de combustible.

Les installations micro-hydrosont soumises à une analyse hydraulique minutieuse pour s'assurer que la tête (descente verticale) et les débits sont adéquats.La sélection des turbines (p. ex. Francis, Kaplan ou écoulement croisé) dépend des conditions du site.

Même de petites quantités d'énergie hydroélectrique peuvent compenser une partie importante d'une usine de filtration à trémies. De plus, l'hydroélectricité peut être combinée avec le solaire ou l'éolien pour créer un portefeuille d'énergie renouvelable diversifié.

Avantages de l'utilisation des énergies renouvelables

L'adoption d'énergies renouvelables pour les opérations de filtrage à l'aide de filtres procure un large éventail d'avantages, allant des économies d'exploitation directes à l'amélioration des relations communautaires.

  • Réduit les émissions de gaz à effet de serre. Chaque kilowatt-heure d'électricité solaire, éolienne ou biogaz déplace l'électricité des centrales à combustibles fossiles, réduisant les émissions de dioxyde de carbone et autres. Par exemple, un système solaire de 500 kW peut compenser environ 300 tonnes métriques de CO2 par année.
  • Diminue les coûts d'exploitation au fil du temps. Après l'investissement initial en capital, les systèmes d'énergie renouvelable ont des dépenses d'exploitation très faibles.Les panneaux solaires et les éoliennes n'ont pas de coût de carburant et d'entretien minimal.
  • Renforce l'indépendance énergétique La production sur place réduit la dépendance du réseau et isole les centrales de la hausse des prix de l'électricité. Certaines installations atteignent un statut énergétique net nul, produisant autant d'énergie qu'elles consomment sur une année.
  • Supporte les objectifs de développement durable. L'énergie propre s'harmonise avec l'ODD 7 (Énergie abordable et propre), l'ODD 13 (Action pour le climat) et l'ODD 6 (Eau propre et assainissement).
  • Génère des flux de revenus Grâce au comptage net, aux tarifs d'alimentation ou à la vente de DRE, les systèmes d'énergie renouvelable peuvent générer des revenus additionnels.
  • Améliore les relations communautaires Les résidents considèrent souvent les usines d'épuration des eaux usées comme des responsabilités environnementales.

Ces avantages se multiplient lorsque de multiples technologies renouvelables sont intégrées. Un système hybride – solaire pendant la journée, le vent la nuit, et le biogaz ou l'hydroélectricité comme charge de base – peut fournir une énergie renouvelable 24h/24, maximisant les économies et minimisant l'empreinte carbone de l'installation.

Surmonter les défis de mise en œuvre

Malgré les avantages évidents, plusieurs obstacles doivent être surmontés pour garantir la réussite des projets d'énergie renouvelable dans les usines filtrantes.

Les coûts d'investissement initiaux Les réseaux solaires, les éoliennes et les systèmes de biogaz nécessitent des capitaux initiaux importants.Toutefois, les options de financement sont abondantes : les subventions des bureaux d'État de l'énergie, du USDA Rural Development et du Fonds renouvelable de l'État de l'Eau propre (FRSAP) peuvent aider.Les accords d'achat d'électricité (AAP) permettent aux entreprises de services publics d'acheter de l'énergie à un taux fixe sans frais initiaux.

Les contraintes d'espace et de localisation. Les usines de filtration à ridiculiser ont souvent des terrains ouverts limités, surtout dans les zones urbaines. Le toit solaire est un bon point de départ, mais si une capacité plus grande est nécessaire, les applications à l'extérieur du site ou à double usage (p. ex., les canopées solaires sur les terrains de stationnement) peuvent être envisagées.

L'expertise technique et les permis La conception et l'intégration de systèmes d'énergie renouvelable nécessitent des connaissances spécialisées.Le personnel des services publics peut avoir besoin de formation ou de soutien de la part des consultants.L'interconnexion au réseau électrique implique des négociations sur les services publics et la conformité aux normes techniques.

Sortie d'énergie variable. Les systèmes de stockage de batteries sont de plus en plus abordables et peuvent stocker l'énergie excédentaire pour une utilisation durant les périodes de faible génération.

Il est possible de surmonter ces défis en planifiant soigneusement.De nombreux services publics ont réussi à les naviguer; des ressources comme le programme EPA=S Efficacité énergétique pour les services publics d'eau et le Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL)[ offrent une assistance technique et des études de cas.

Perspectives et tendances nouvelles

La dynamique vers les énergies renouvelables dans le traitement des eaux usées s'accélère. Plusieurs tendances émergentes permettront aux usines de filtration de devenir des installations positives ou zéros.

Les progrès du stockage d'énergie Le coût du stockage de batteries lithium-ion a diminué de plus de 80 % depuis 2010. Comme le stockage devient moins cher, l'énergie solaire et éolienne peut être expédiée de façon prévisible, même pendant les heures de pointe du soir, lorsque la demande de filtres à trémie peut être élevée.

Intelligence artificielle et optimisation de l'énergie Les algorithmes d'apprentissage automatique peuvent analyser les données en temps réel des capteurs sur les pompes, les moteurs et les sources renouvelables afin d'optimiser l'utilisation de l'énergie.

Intégration avec microgrilles intelligentes. Les installations d'égouts peuvent servir de clients d'ancrage pour les microgrides locaux qui comprennent des stations de production, de stockage et de recharge de véhicules électriques renouvelables.

Les usines de traitement peuvent le mettre à niveau en tant que GNR de qualité pipelinière, qui peut être vendu comme carburant pour véhicule ou injecté dans le réseau de gaz naturel. Les projets de GNR peuvent générer des revenus supplémentaires grâce à des crédits de faible teneur en carbone (LBCS) dans des États comme la Californie et l'Oregon.

La co-digestion et la récupération des ressources. L'ajout de déchets alimentaires, de graisses, d'huiles et de graisses (FOG) aux digesteurs anaérobies peut stimuler la production de biogaz de 50 à 200 %.

De nombreux États américains ont des normes de portefeuille renouvelables (SRP) qui stimulent la demande d'énergie propre, et certains offrent des incitations spécifiques pour les projets d'installations d'approvisionnement en eau. Le Plan d'action de l'Union européenne pour l'économie circulaire encourage également la réutilisation de l'eau et la récupération de l'énergie.

Conclusion

L'exploitation des sources d'énergie renouvelables offre une voie convaincante pour rendre les opérations de filtrage plus durables, rentables et résilientes. L'énergie solaire, éolienne, biogaz et micro-hydroélectricité peuvent être adaptées au profil énergétique spécifique de chaque usine, réduisant les dépenses opérationnelles et les impacts environnementaux tout en améliorant la sécurité énergétique.

Les services d'eau usées qui utilisent les énergies renouvelables aujourd'hui seront mieux placés pour répondre aux exigences réglementaires futures, s'adapter aux changements climatiques et faire preuve de leadership dans la gérance environnementale communautaire.