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Rationalisation de la consommation d'électricité dans l'épuration des eaux municipales: une modélisation multicritère.

Kibi, Nlombi (1997). Rationalisation de la consommation d'électricité dans l'épuration des eaux municipales: une modélisation multicritère. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 245 p.

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Résumé

Au Québec, la consommation d'électricité dans les stations d'épuration des eaux usées municipales est d'environ 400 GWh/an. La partie des coûts totaux d'opération imputables à la consommation d'électricité dans l'épuration des eaux usées, varie entre 10 % et 30 %, selon le type de station. On estime qu'au cours des 20 prochaines années, à l'instar des autres états d'Amérique du Nord, la croissance de la demande d'électricité sera d'environ 40 %. En effet, d'une part, le nombre de stations d'épuration est en progression constante et, d'autre part, les nouvelles législations et directives en matière de contrôle de la pollution entraînent une nette progression des investissements dans les procédés énergivores : par exemple les systèmes de nitrification/dénitrification, de désinfection par U.V., d'ozonisation, de séparation solide-liquide, etc. sont de plus en plus populaires. Avec, d'un côté, des économies possibles dans la consommation de plus de 20 % et d'un autre côté, un accroissement rapide de la consommation électrique, la rationalisation de la consommation d'électricité (énergie consommée et puissance appelée) dans ce secteur pose au producteur et au consommateur d'électricité un nouveau problème de gestion. On cherche ici à gérer le niveau de la consommation électrique générale et de la consommation de pointe dans les systèmes d'épuration des eaux usées par des moyens administratifs et techniques, tout en ne faisant pas obstacle à l'utilisation de l'énergie électrique comme substitut à des méthodes physico-chimiques moins performantes. Il s'agit, plus particulièrement, pour le producteur d'électricité de mettre en place des mesures d'efficacité énergétique électrique (MEEE) pour inciter à une consommation plus efficace de l'électricité, et pour les municipalités consommatrices, de choisir diverses mesures visant à augmenter l'efficacité énergétique et épuratoire des stations d'épuration. Cette thèse propose une solution à ce problème de gestion. Elle comporte deux principaux volets. Le premier volet porte sur le choix des MEEE pouvant être avantageusement utilisées pour améliorer l'utilisation de l'énergie électrique dans les stations existantes. Le second volet concerne l'intégration, dans ces stations, des connaissances sur les MEEE choisies, de façon à guider le choix technologique dans la construction de nouvelles stations d'épuration efficaces du point de vue énergétique, et plus globalement performantes. La solution proposée consiste à élaborer un mécanisme d'aide à la décision susceptible de satisfaire à la fois les exigences de l'offreur de ces MEEE, le producteur d'électricité, et celles du consommateur de celles-ci, les municipalités, ces dernières cherchant à minimiser les coûts d'épuration des eaux, tout en maintenant un niveau de performance adéquat dans les biens livrables à la population. En plus de satisfaire ces deux exigences, le mécanisme d'aide à la décision tient compte des contraintes environnementales et de fonctionnement auxquelles sont astreintes les ouvrages d'assainissement municipaux. Cette approche d'analyse permet de respecter la nature multidimensionnelle de ce problème, alors que les méthodes traditionnelles d'aide à la décision se limitent à l'optimisation unicritère ou encore à des calculs économiques. En effet, ces méthodes cherchent souvent à établir un unique critère autour d'un point de vue prenant en compte l'ensemble des aspects du problème. Dans le mécanisme d'aide à la décision proposé, le premier volet du problème est solutionné à l'aide d'une analyse conjonctive. Elle consiste à évaluer les diverses solutions à un problème, sur la base de conditions limites d'acceptabilité fixées au niveau de chaque critère. Ensuite, on rejette celles ne remplissant pas les conditions prescrites. Vingt-huit MEEE sur un total d'une cinquantaine ont été retenues à l'aide de cette analyse. Ces MEEE sont considérées comme performantes et susceptibles d'être utilisées avantageusement pour augmenter l'utilité de l'électricité et diminuer la consommation de pointe dans les stations d'épuration des eaux usées existantes. Elles possèdent un bon potentiel d'économie d'énergie et leur comportement vis-à-vis les autres paramètres décisionnels est satisfaisant. Six systèmes d'épuration (chaînes d'épuration) existantes sont considérés au départ dans l'analyse. Il s'agit des systèmes de type : 1) Biofiltration, 2) Physico-chimique, 3) Réacteurs Biologiques Séquentiels (R.B.S.) type I, 4) Réacteurs Biologiques Séquentiels (R.B.S.) type II, 5) Boues activées conventionnelles et 6) Étangs aérés facultatifs. Dans le cas, par exemple, de la quatrième chaîne d'épuration (Réacteurs Biologiques Séquentiels, type II) traitant un débit hydraulique de 19,700 m³/d, suivant les résultats de l'analyse conjonctive, l'amélioration de la consommation énergétique hydraulique et de la consommation énergétique épuratoire se réaliseraient à l'aide des MEEE intervenant directement dans les procédés. Au niveau du traitement secondaire, c'est principalement le débit d'air ou d'oxygène et les caractéristiques du système d'alimentation, notamment la vitesse d'alimentation en air, qui déterminent la quantité d'énergie électrique consommée. Ainsi, l'implantation des MEEE suivantes: 1) des diffuseurs à fines bulles, 2) un moniteur pour le contrôle de l'oxygène dissous dans le système d'aération et 3) un système d'ajustement automatique du débit d'air, au niveau du bassin d'aération, permettront de contrôler la sortie d'air dans les soufflantes de façon à maintenir l'oxygène dissous au niveau minimum requis pour un traitement adéquat. Une économie d'énergie substantielle devient ainsi réalisable. Dans ce cas, l'optimisation du système d'aération, se fera généralement sans compromettre pour autant le rendement épuratoire de la station, en maintenant l'oxygène dissous aux environs de 2 mg/L partout dans le bassin d'aération. Le second volet du problème est résolu via un modèle multicritère d'aide à la décision. Ce modèle, élaboré sur la base des méthodes ELECTRE III et PROMETHEE II, ainsi que des travaux de Dérot et al. (1994), permet d'agréger les performances des six chaines d'épuration des eaux usées municipales modifiées et améliorées artificiellement par l'intégration des MEEE et d'autres procédés, suivant quatorze critères de décision, afin de les classer de la meilleure à la moins bonne. Les MEEE retenues par l'analyse conjonctive sont d'abord intégrées par simulation dans les chaînes d'épuration existantes et modifiées, le cas échéant. Ce qui donne de nouvelles chaînes d'épuration artificielles construites sur la base de chaînes existantes suivantes : chaîne 1 : BiofiItration modifiée (construite à partir de la chaîne d'épuration Biofiltration existante); chaîne 2: Physico-chimique modifiée (construite à partir de la chaîne d'épuration Physico-chimique existante); chaîne J: Réactéurs Biologiques séquentielsR. B.S. (construite à partir de la chaîne d'épuration, R.B.S. type 1 existante); chaîne 4: Boues activées conventionnelles (construite à partir de la chaîne d'épuration, R.B.S. type II existante); chaîne 5 : Boues activées à aération prolongée (construite à partir de la chaîne d'épuration Boues activées conventionnelles existante) et chaîne 6: Étangs aérés (construite à partir de chaîne d'épuration Étangs aérés facultatifs existante). On évalue par la suite la performance globale de celles-ci, à partir des critères techniques, énergétiques, économiques, environnementaux et socio-ergonomiques, pour enfin appliquer la méthode d'agrégation multicritère. Les résultats obtenus montrent que, parmi les SIX chaînes d'épuration artificielles analysées, les trois premières positions sont occupées respectivement par les chaînes de type 1) Réacteurs Biologiques Séquentiels (R.B.S.), 2) Biofiltration modifiée et 3) Boues activées conventionnelles. Dans le cadre de l'expansion du parc québécois des ouvrages d'assainissement des eaux usées municipales, lorsqu'il s'agit de choisir des technologies efficaces sur le plan électrique, ces trois premières seront considérées comme les meilleures dans la fourchette de débits d'eau considérés. Les deux volets du problème utilisent des données provenant de six stations d'épuration des eaux usées municipales du Québec. Il s'agit des stations de Châteauguay (Biofiltration), de Laval-Fabreville (Physicochimique), de Black Lake (Réacteurs Biologiques Séquentiels type 1), de Saint Georges (Réacteurs Biologiques Séquentiels type II), de Victoriaville (Boues activées conventionnelles) et de Varennes (Étangs aérés facultatifs). Les annexes 4 et 5 présentent deux articles scientifiques qui donnent le détail sur ce premier volet du problème. Le premier article intitulé "Applicabilité des mesures d'efficacité énergétique électrique dans les ouvrages d'épuration des eaux municipales", établit un ensemble des mesures d'efficacité énergétique électrique technique potentiellement applicables dans les stations d'épuration des eaux usées municipales. Le deuxième article intitulé "Modélisation multicritère pour l'amélioration de l'efficacité énergétique dans les stations d'épuration des eaux usées municipales", présente l'analyse conjonctive comme approche d'analyse dans le choix des MEEE susceptibles d'être utilisées dans les systèmes d'épuration des eaux usées existantes en vue d'en minimiser le niveau de la consommation électrique. L'annexe 6 présente l'article décrivant la démarche utilisée au niveau de l'analyse multicritère appliquée aux six chaînes d'épuration modifiées et améliorées par l'intégration des MEEE et d'autres procédés. L'article, intitulé "Évaluation multicritère de la performance globale de procédés d'épuration des eaux usées améliorées par l'intégration de mesures d'efficacité énergétique", propose une classification multicritère de six différentes chaînes d'épuration modifiées et améliorées par l'intégration des MEEE et d'autres procédés.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Sasseville, Jean-Louis
Mots-clés libres: eaux usées; électricité; boues d'épuration municipale; modélisation multicritère; rationalisation
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 17 févr. 2014 22:02
Dernière modification: 20 nov. 2015 19:38
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/1729

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