Générateurs d’oxygène pour le traitement des eaux usées : oxygène dissous, pureté et débit
L’aération est le premier poste électrique de la plupart des stations d’épuration, et elle tourne en continu. OXYBERG® produit l’oxygène sur votre site à partir d’air comprimé, à la pureté que vous réglez, de sorte que les pics de charge soient absorbés par le gaz plutôt que par un surpresseur dont vous ne disposez pas. Cette page examine ce dont une station a réellement besoin, pour qu’un générateur d’oxygène pour le traitement des eaux usées soit dimensionné à partir de vos données de charge et non d’une brochure.
Ce que l’oxygène apporte au traitement des eaux usées
L’étage biologique vit de bactéries qui dégradent la charge organique et consomment de l’oxygène pour le faire. Cet oxygène arrive normalement sous forme d’air ambiant, poussé dans les diffuseurs par des surpresseurs qui ne s’arrêtent jamais. Cela fonctionne, et pour la charge de base c’est la bonne réponse sur la plupart des stations.
Ce que l’air ne sait pas faire, c’est le haut de la plage. L’air contient environ 21 % d’oxygène ; les quatre cinquièmes restants sont comprimés, envoyés dans le bassin puis relâchés sans rien apporter. L’oxygène pur ne modifie pas le volume mais la force motrice. Une pression partielle plus élevée dans la bulle augmente le gradient vers l’eau, si bien que la même quantité dissoute entre avec un débit gazeux bien plus faible. Cela compte lorsque le bassin, le surpresseur ou l’installation électrique n’ont plus de réserve.
Trois endroits d’une station utilisent cela. L’aération, où l’oxygène complète ou remplace l’air du surpresseur dans l’étage biologique. Les pics de charge, lorsqu’un industriel raccordé, un épisode pluvieux ou une variation saisonnière porte la demande au-delà de ce que l’aération installée peut fournir. Et le réseau de collecte, où l’oxygène est injecté dans les conduites de refoulement et les postes de relevage pour maintenir des conditions aérobies et empêcher la formation de sulfure d’hydrogène avant même que l’effluent n’atteigne la station. L’ozone est un quatrième usage, assez différent pour avoir sa propre section plus bas.
Un générateur PSA produit le gaz en faisant passer de l’air comprimé sur un tamis moléculaire qui retient l’azote et laisse passer l’oxygène, pendant que la seconde colonne se régénère. Le procédé lui-même est détaillé sur la page du générateur d’oxygène PSA.
L’oxygène dissous dans le bassin, pas la pureté au générateur
Personne qui exploite une station ne surveille la pureté du gaz. Ce qui est surveillé, c’est l’oxygène dissous dans le bassin d’aération, et la plage de travail s’y situe habituellement entre 1 et 3 mg/L. En dessous, la nitrification ralentit et les valeurs de rejet partent dans la mauvaise direction ; au-dessus, la station paie de l’oxygène que les bactéries n’utilisent pas. Entre le générateur et cette valeur se placent quatre éléments, et seul le premier est une spécification de gaz.
La pureté au générateur
Elle fixe ce qui est disponible pour le transfert, et rien de plus. C’est le plus facile des quatre à modifier et généralement le moins déterminant.
Le système de transfert
Type de diffuseur, hauteur d’immersion, taille des bulles et géométrie du bassin décident de la part réellement mise en solution. Sur la plupart des stations c’est le terme le plus lourd de l’équation, et il a été figé à la construction du bassin.
La charge et la température
Un pic de charge consomme l’oxygène dissous plus vite qu’il ne peut être remplacé, et une eau chaude en retient moins à apport égal. L’été et l’heure de rejet la plus forte ont tendance à arriver ensemble.
La régulation
Le régulateur d’oxygène dissous tient la consigne, mais il ne peut tenir que ce que la station est capable de fournir. Dès que l’aération atteint sa limite, le régulateur n’a plus rien à donner.
L’ordre utile va donc à l’inverse de l’habituel : partez de la charge et de la consigne à tenir, déterminez ce que votre système de transfert parvient à faire entrer, et décidez seulement ensuite de ce qui doit sortir du générateur.
Quelle pureté d’oxygène une station d’épuration exige
Pour l’aération, le bas de la plage suffit. Entre 90 % et 93 %, le gaz a depuis longtemps dépassé le point où la pression partielle est limitante, et monter plus haut ne fait pas travailler les bactéries plus vite. La production d’ozone est l’exception et relève d’exigences propres, traitées plus bas.
| Pureté | Usage | Débit d'un OXYBERG® 1500 |
|---|---|---|
| 90 % | Aération, couverture des pics, réseau de collecte | 44,6 Nm³/h |
| 92 % | Aération avec une spécification un peu plus serrée | 43,1 Nm³/h |
| 93 % | Aération et besoins généraux de la station | 41,6 Nm³/h |
| 94 % | Lorsqu'un procédé en aval l'exige | 40,5 Nm³/h |
| 95 % | Haut de la gamme OXYBERG® | 39,1 Nm³/h |
Ici l’arbitrage fonctionne autrement que sur un générateur d’azote, et cela mérite d’être dit précisément. Sur une machine à azote, la pureté commande la consommation d’air comprimé, et spécifier une qualité trop élevée double le compresseur. Sur OXYBERG®, le facteur d’air vaut 11 à toutes les puretés de la plage. L’air comprimé par mètre cube d’oxygène ne bouge pas du tout.
Ce qui bouge, c’est le débit, et davantage que la plupart des spécifications ne le supposent. Sur l’ensemble de la gamme, une machine délivre entre 10 et 40 % d’oxygène en plus à 90 % qu’à 95 %, et le gain est le plus important sur les petites tailles : le 1500 du tableau gagne 14 %, un OXYBERG® 500 gagne 40 %. La question n’est donc pas ce qu’une pureté plus élevée coûte en air, puisque la réponse est : rien. Elle est de savoir quelle capacité vous abandonnez en demandant une qualité que le bassin ne sait pas utiliser.
Quand une citerne en location cesse d’être la réponse la moins chère
Une citerne d’oxygène liquide est une bonne réponse à un problème précis. Un surpresseur tombe en panne, un bassin part en réhabilitation, une charge inhabituelle doit être absorbée. La citerne s’organise vite, ne demande aucune validation d’investissement, et elle s’arrête quand l’événement s’arrête. Pour cette situation, rien d’autre n’approche.
Le tableau change lorsque l’événement cesse d’en être un. Si les pics reviennent chaque été, chaque fois qu’un raccordé industriel lance une campagne ou à chaque forte pluie, la location court aussi entre-temps, la clause d’indexation continue de s’appliquer, les pertes par évaporation se poursuivent chaque nuit, et le calendrier de livraison qui décide du remplissage ne vous appartient pas. À partir de là, la station paie durablement pour un dispositif conçu pour l’exception. Face à l’approvisionnement en gaz liquide, un générateur PSA Berg s’amortit généralement en deux à trois ans.
L’autre comparaison qui vaut la peine est celle avec davantage de puissance de surpression. Si le bassin, la raquette de diffuseurs et l’installation électrique peuvent l’encaisser, plus d’air est souvent la voie directe, et il n’y a aucune raison de plaider contre. L’oxygène devient la réponse quand l’un de ces trois éléments n’a plus de réserve, ce qui est la situation habituelle sur une station agrandie à plusieurs reprises sur le même terrain.
Besoin d’un dimensionnement pour votre application ?
Envoyez-nous votre profil de consommation et vos données d’exploitation. Notre équipe d’ingénierie dimensionnera le générateur.
Quelle quantité d’oxygène votre station d’épuration consomme
Partez de la charge, pas du bassin
La charge en DBO et en DCO ainsi que le besoin lié à la nitrification déterminent la quantité d’oxygène nécessaire à la biologie. Le volume du bassin renseigne sur le temps de séjour, pas sur la demande en oxygène, et deux stations aux bassins identiques peuvent être très éloignées. Prenez les valeurs dans vos propres relevés d’exploitation plutôt que dans une donnée de dimensionnement que personne n’a vérifiée depuis la mise en service.
Tranchez entre charge de base et pic
L’enrichissement permanent et la couverture de pics occasionnels sont deux machines différentes. Cette seule décision déplace la taille plus que tout le reste de la spécification, et c’est celle qui reste le plus souvent ouverte dans une consultation.
Déduisez la pureté de l’usage
L’aération se situe dans le bas de la plage. La production d’ozone a ses propres exigences. Le tableau ci-dessus est le point de départ.
Vérifiez l’air comprimé
Le débit multiplié par le facteur d’air de 11 donne le besoin, et comme le facteur ne varie pas avec la pureté, le calcul tient en une multiplication. La qualité compte autant que la quantité : entraînements d’huile et humidité résiduelle raccourcissent la durée de vie du tamis, le sécheur n’est donc pas le poste où économiser. OXYBERG® attend un air comprimé conforme à ISO 8573-1:2010 classe 1.4.1 à 7 bar(g).
Les générateurs d’oxygène OXYBERG® pour l’aération
OXYBERG® compte 18 tailles au total, listées intégralement sur l’aperçu des générateurs d’oxygène. La sélection ci-dessous couvre la plage dans laquelle se situent la plupart des stations, donnée aux deux puretés qui comptent pour l’aération.
| Modèle | O₂ à 90 % | O₂ à 93 % | Air comprimé à 90 % |
|---|---|---|---|
| OXYBERG® 500 | 2,1 Nm³/h | 1,7 Nm³/h | 23,1 Nm³/h |
| OXYBERG® 900 | 9,2 Nm³/h | 8,2 Nm³/h | 101,2 Nm³/h |
| OXYBERG® 1200 | 18,9 Nm³/h | 17,4 Nm³/h | 207,9 Nm³/h |
| OXYBERG® 1500 | 44,6 Nm³/h | 41,6 Nm³/h | 490,6 Nm³/h |
| OXYBERG® 1700 | 65,8 Nm³/h | 62,1 Nm³/h | 723,8 Nm³/h |
| OXYBERG® 2000 | 131,6 Nm³/h | 124,2 Nm³/h | 1 447,6 Nm³/h |
| OXYBERG® 4000 | 197,4 Nm³/h | 186,3 Nm³/h | 2 171,4 Nm³/h |
La taille qui convient dépend de la question de savoir si l’oxygène porte la charge de base ou couvre des pics, et non de la taille de la station. Un site qui n’a besoin d’un appui que pendant les mois les plus chargés se situe plusieurs tailles en dessous d’un site qui enrichit en permanence à la même capacité.
Là où l’air comprimé adapté fait défaut, le générateur se conçoit comme une installation complète et non comme une machine seule : station de compression, traitement de l’air, ballon tampon, générateur et stockage d’oxygène, dimensionnés comme une seule chaîne et issus d’une seule source au sein du BERG Group. La page de la centrale d’oxygène PSA présente cette configuration. Les ensembles générateurs standard NITROBERG® et OXYBERG® concernés font l’objet d’une évaluation de conformité au titre de la PED 2014/68/EU selon les modules B et D. L’ingénierie et la fabrication sont Made in Germany.
L’oxygène pour la production d’ozone en station d’épuration
L’ozone ne remplit pas la même fonction dans les eaux usées que dans l’eau potable. Ici il sert à dégrader la DCO que la biologie n’atteint pas et à attaquer les micropolluants qui traversent une station classique sans être touchés. Placé en amont d’un étage biologique, il peut aussi rendre accessibles aux bactéries suivantes des composés difficilement dégradables. À mesure que les exigences sur les rejets se resserrent et que les micropolluants montent dans les priorités, c’est la partie de la station la plus susceptible de se développer, et elle consomme de l’oxygène en continu une fois construite.
Un générateur d’ozone ne fonctionne pas à l’air. Il lui faut un gaz d’alimentation propre et sec, car l’alimenter en air fait chuter nettement le rendement en ozone et produit des oxydes d’azote comme sous-produit. C’est pourquoi une alimentation en oxygène se trouve en amont de tout étage d’ozonation de taille significative, et c’est elle, plutôt que le générateur d’ozone, qui devient le poste d’exploitation permanent. Les exigences de pureté et de point de rosée diffèrent d’un système d’ozonation à l’autre ; l’alimentation en oxygène est donc dimensionnée sur la spécification du générateur qu’elle alimente et non sur une valeur standard.
L’ozone employé pour la désinfection, la décoloration et la correction du goût et des odeurs relève d’un autre procédé. Ce volet se trouve sur la page consacrée à l’oxygène pour le traitement de l’eau potable et de l’eau de process.
Ce dont un générateur d’oxygène a besoin sur site
| Paramètre | Valeur |
|---|---|
| Pression de service | 10 bar |
| Pression d'entrée air comprimé | 7 bar(g) |
| Qualité d'air comprimé | ISO 8573-1:2010 classe 1.4.1 |
| Niveau sonore | 55 à 78 dB(A) |
| Température ambiante | +5 °C à +40 °C |
La qualité d’air comprimé est une exigence portant sur votre réseau et non une caractéristique du générateur, et c’est le point le plus souvent sous-estimé. L’huile et l’humidité qui atteignent le tamis raccourcissent sa durée de vie, et le coût apparaît des années plus tard sous forme de débit qui baisse, pas sous forme de panne.
Un ballon tampon a sa place dans le projet même lorsque la demande moyenne paraît confortable, car les stations ne tirent pas de façon régulière. Le pic de charge du matin, un épisode orageux et les premières heures après la remise en service d’un bassin sollicitent plus que la moyenne journalière, et le tampon absorbe cela pour que le générateur n’ait pas à être dimensionné dessus. La réserve que vous conservez au-delà relève de votre propre organisation d’exploitation, et il vaut mieux la trancher tant qu’un tampon plus grand reste peu coûteux à ajouter.
Fabriqué en Allemagne, entretenu avec des pièces standard
Berg développe et construit les générateurs dans sa propre usine. L’ingénierie et la fabrication sont Made in Germany. Cela compte moins comme étiquette que comme réalité pratique : les plans, le montage et les personnes qui ont dimensionné votre configuration se trouvent au même endroit, de sorte qu’une question technique atteint quelqu’un capable d’y répondre plutôt que quelqu’un obligé de la transmettre.
Une fois l’installation en service, le suivi passe par un réseau mondial de partenaires de service relié directement à l’Allemagne. Les pièces d’usure sont des composants standard disponibles sur le marché libre, ce qui maintient le service en concurrence pendant toute la vie de la machine. Sur une installation qui doit fonctionner des décennies et tenir ses valeurs de rejet pendant ce temps, cela pèse généralement plus que l’écart de prix d’achat. La garantie court sur trois ans et jusqu’à cinq ans avec un contrat de service.
FAQ : les générateurs d’oxygène dans le traitement des eaux usées
À quatre endroits. Dans l’étage biologique, il complète ou remplace l’air du surpresseur, pour que les bactéries qui dégradent la charge organique aient de quoi travailler. En couverture de pics, il absorbe les pointes de charge que l’aération installée ne sait pas suivre, qu’elles viennent d’industriels raccordés, d’épisodes pluvieux ou de variations saisonnières. Dans le réseau de collecte, il est injecté dans les conduites de refoulement et les postes de relevage pour maintenir des conditions aérobies et empêcher la formation de sulfure d’hydrogène. Et il sert de gaz d’alimentation pour la production d’ozone, employé contre la DCO et les micropolluants.
L’air contient environ 21 % d’oxygène ; le reste est comprimé, envoyé dans le bassin puis relâché sans rien apporter. De l’oxygène à 90 ou 95 % élève la pression partielle dans la bulle, ce qui augmente la force motrice vers l’eau, et la même quantité dissoute entre avec un débit gazeux bien plus faible. Ce n’est pas un argument pour remplacer des surpresseurs qui fonctionnent. C’est un argument pour les situations où le bassin, la raquette de diffuseurs ou l’installation électrique n’ont plus de réserve et où davantage d’air n’est pas disponible.
L’usage courant est de 1 à 3 mg/L dans le bassin d’aération. En dessous, la nitrification ralentit et les valeurs de rejet en souffrent ; au-dessus, la station fournit de l’oxygène que la biologie n’utilise pas. La valeur juste à l’intérieur de cette plage dépend de votre charge, de votre température et de votre procédé, et il vaut mieux la tirer de vos propres relevés que d’une règle empirique, car la même consigne ne se comporte pas de la même façon en février et en août.
Cela découle de la charge et non de la taille de la station. La charge en DBO et en DCO ainsi que le besoin lié à la nitrification fixent l’exigence, et deux stations aux volumes de bassin identiques peuvent avoir des besoins très différents. La seconde question compte autant que la première : l’oxygène porte-t-il la charge de base en continu ou couvre-t-il seulement des pics. Cette décision déplace la taille de la machine plus que toute autre, et c’est celle qui reste le plus souvent ouverte à l’arrivée d’une consultation.
Entre 90 % et 93 % en exploitation normale. Au-delà, les bactéries ne gagnent rien, la pression partielle ayant depuis longtemps cessé d’être le facteur limitant. Contrairement à un générateur d’azote, demander une pureté plus élevée ne coûte pas d’air comprimé ici : le facteur d’air OXYBERG® vaut 11 à chaque qualité de la plage. Ce que cela coûte, c’est de la capacité. La même machine délivre entre 10 et 40 % d’oxygène en plus à 90 % qu’à 95 %, et le gain est le plus important sur les petites tailles.
Multipliez votre débit d’oxygène par 11 et vous avez le besoin, à n’importe quelle pureté de la plage. C’est tout le calcul, et il peut être fait avant qu’un fournisseur ne chiffre du matériel. La qualité de l’air compte autant que le volume, car la durée de vie du tamis en dépend, et un sécheur sous-dimensionné est une erreur plus coûteuse qu’un compresseur légèrement sous-dimensionné. OXYBERG® attend un air comprimé conforme à ISO 8573-1:2010 classe 1.4.1.
Le ballon tampon fait passer la station à travers les interruptions courtes, et c’est une des raisons pour lesquelles il appartient au projet et non à la liste des options. Au-delà, le volume de réserve que vous conservez est une décision d’exploitation qui dépend de votre charge, de vos valeurs de rejet et du coût d’un dépassement. Elle mérite d’être tranchée à la conception, tant qu’un tampon plus grand ou une réserve en bouteilles reste peu coûteuse à ajouter.
Le générateur mesure la pureté de l’oxygène en continu au moyen d’un analyseur au zirconium et affiche la valeur sur l’IHM, avec une courbe de tendance pour le procédé en cours. Les valeurs de capteurs et les heures de fonctionnement sont conservées en mémoire longue durée pour analyse ultérieure, et les alarmes portent un horodatage avec piste d’audit complète, si bien qu’un écart et son acquittement restent traçables longtemps après le poste qui les a produits. Pour une station qui doit démontrer à son autorité de contrôle un fonctionnement régulier, cet enregistrement se place à côté des données de procédé de l’installation au lieu d’arriver séparément avec une livraison.