Permettre la réutilisation durable de l’eau grâce à l’optimisation en temps réel

Les solutions digitales d’optimisation améliorent en temps réel les performances des installations de traitement de l’eau, en permettant aux industries et aux municipalités de réduire leur empreinte écologique et leurs émissions de carbone, et en augmentant les économies sur les coûts d’exploitation.

Article issu de "World Water Magazine"' de mars/avril 2020.

Pour les entreprises dont les activités sont étroitement liées à l’eau, la durabilité environnementale est fondamentale pour le succès et la résilience à long terme. Les industries comme les autorités municipales responsables de l’approvisionnement en eau ou  de la valorisation des eaux usées, ou encore toux ceux pour qui l’efficacité de l’eau est un facteur essentiel, dépendent d’importants volumes d’eau pour leurs processus. Les secteurs de l’agroalimentaire, des pâtes et papiers et même du pétrole et du gaz positionnent désormais la durabilité au cœur de leurs activités. Il n’est plus question d’un simple complément attractif. La durabilité est de plus en plus un élément de différenciation qui induit de profonds impacts sur les entreprises et les activités. 

La banque suisse UBS, par exemple, a récemment annoncé que la valeur de son portefeuille d’investissement durable a augmenté de plus de la moitié l’année dernière. Les prêts d’UBS aux secteurs de l’énergie et des services publics ont baissé de près de 40 % sur la même période.

Avec cette approche, l’orchestre formé par tous les équipements de l’installation peut jouer ensemble, de manière mélodieuse.

Cela correspond à l’optimisation en temps réel à l’échelle de l’installation.

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World Water Magazine's March/April 2020 (131.86 Ko)

Nécessité croissante de réutiliser l’eau

La nécessité de positionner la durabilité au cœur des activités pour les industries qui consomment beaucoup d’eau fait preuve d’une reconnaissance croissante également par les autorités de réglementation. À la fin du mois dernier, l’Agence pour la protection de l’environnement (Environmental Protection Agency, EPA) des États-Unis a publié un développement du plan d’action américain pour la réutilisation de l’eau (Water Reuse Action Plan, WRAP).

Effort coordonné dans le secteur de l’utilisation de l’eau, visant à progresser l’idée de réutiliser l’eau pour garantir la sécurité, la durabilité et la résilience des ressources en eau, le WRAP identifie 37 actions, jalons de mise en œuvre et dates d’achèvement des objectifs, regroupées en 11 thèmes stratégiques.

Des mesures similaires visant à inclure la durabilité comme fondement pour les industries qui utilisent l’eau sont également en cours en Europe. À la fin de l’année dernière, par exemple, la Commission européenne (CE) a obtenu un accord provisoire sur les exigences minimales liées à la réutilisation de l’eau dans l’agriculture.

Entre autres mesures, les nouvelles règles détaillent un ensemble de normes minimales de qualité de l’eau pour la réutilisation des eaux usées urbaines dans l’irrigation agricole. Cela va garantir que les eaux usées urbaines traitées, déjà soumises à la Directive relative au traitement des eaux urbaines résiduaires, conviennent à une utilisation dans l’agriculture.

La CE note que, pour le moment, près de 1 milliard de mètres cubes (m3) d’eaux usées urbaines traitées est réutilisé chaque année. Toutefois, cela représente seulement 2,4 % environ des effluents d’eaux usées urbaines traitées et moins de 0,5 % des prélèvements annuels de l’Union européenne (UE) en eau douce. La CE soutient que le potentiel de l’UE est bien plus important, car il est estimé à près de six fois le volume actuel. Chypre réutilise déjà plus de 90 % de ses eaux usées, ce qui démontre clairement un potentiel considérable d’amélioration.

L’un des 17 objectifs de développement durable répertoriés par les Nations Unies concerne l’eau propre et l’assainissement et impose une amélioration de l’efficacité de l’utilisation et de la réutilisation. En réponse, aujourd’hui, de nombreuses entreprises de différents secteurs se tournent vers des solutions digitales pour leur permettre d’atteindre leurs objectifs liés à la durabilité.


Adopter des solutions digitales pour améliorer les performances des activités 

Outre l’impératif métier essentiel que représente la durabilité, les opérateurs des installations d’approvisionnement en eau et de valorisation des eaux usées d’une vaste gamme de secteurs font face à de nombreux défis commerciaux supplémentaires. Ceux-ci incluent la nécessité de réduire les coûts d’exploitation et les dépenses en capital, tout en augmentant l’efficacité, en limitant la maintenance et les temps d’arrêt, et en minimisant les événements non conformes et les interventions réglementaires.

De nombreuses industries adoptent aujourd’hui des outils digitaux nouvelle génération. Ces outils permettent de mieux surveiller les performances des équipements et des processus, et ils garantissent qu’il est possible d’obtenir une optimisation en temps réel pour réduire la demande en énergie, l’utilisation de produits chimiques et les impacts écologiques des processus de traitement de l’eau.

D’après une analyse récente de Frost & Sullivan (agence américaine d’études de marché et de conseils en analyse), actuellement, les installations liées à l’eau et aux eaux usées explorent de manière active les solutions de l’Internet industriel des objets (IIoT), et le marché global des réseaux d’eau intelligents devrait atteindre quelque 22,2 milliards de dollars rien qu’en 2020. Dans le même temps, des stratégies de gestion de biens plus intelligentes et plus avancées devraient permettre aux services publics des eaux d’économiser de l’ordre de 42 milliards de dollars en dépenses de capital d’ici 2027, selon Bluefield Research (cabinet d’analyse basé dans le Massachusetts, aux États-Unis).

 

Travailler avec les services publics pour développer des solutions

Alors, que signifient ces marchés en pleine croissance pour les propriétaires et opérateurs d’installations ?

En utilisant des données directes spécifiques en provenance des installations de valorisation des ressources en eau, les algorithmes d’optimisation en temps réel maximisent automatiquement les performances de l’installation (en fonction des variations de charge entrante) tout en réduisant les coûts et en améliorant la capacité biologique et hydraulique des installations.

Prenons par exemple AQUAVISTATM, de Veolia Water Technologies, une suite de solutions logicielles digitales intelligentes hébergées sur le cloud qui proposent ces fonctions et permettent aux municipalités et aux entreprises d’améliorer leurs performances.

Les caractéristiques d’AQUAVISTATM Plant ont été développées en collaboration avec les clients depuis 1990. Elles incluent des algorithmes complexes qui agissent de manière holistique dans l’ensemble du cycle des eaux usées, conformément aux stratégies et paramètres définis par le personnel d’exploitation. Pour chaque installation, des paramètres spécifiques sont associés aux données de performances réelles et sont envoyés dans le Cloud ; puis ils sont intégrés dans l’algorithme avant d’être à nouveau récupérés par l’installation pour être exécutés automatiquement au niveau des éléments physiques individuels.

Les opérateurs, les ingénieurs de procédés et les responsables sont en mesure de faire leur choix parmi un grand nombre de fonctions ciblant leurs besoins spécifiques. Les données peuvent être récupérées toutes les deux minutes, tandis que des points de consigne peuvent être recalculés et ré-établis comme des paramètres physiques pour n’importe quel point de consigne d’optimisation.

Cela pourrait se traduire par le fonctionnement moins fréquent des ventilateurs d'aération, la limitation des opérations de pompage et la baisse du dosage des produits chimiques. Tous ces avantages permettent de minimiser les coûts d’exploitation tout en respectant les normes réglementaires en matière d’effluents, ce qui doit rester la principale priorité. Avec cette approche, l’orchestre formé par tous les équipements de l’installation peut jouer ensemble, de manière mélodieuse. Cela correspond à l’optimisation en temps réel à l’échelle de l’installation.

L’installation de Nosedo atteint 60 à 70 % de réutilisation pour l’agriculture en Italie 

En 2019, la société italienne de services publics Metropolitana Milanese SpA a adopté AQUAVISTA™ pour son installation de traitement des eaux usées de Nosedo, la principale installation de la ville industrielle de Milan, qui a entamé son activité en 2004 avec nitrification et dénitrification complètes. AQUAVISTA™ est utilisée pour optimiser l’utilisation de l’énergie et la consommation de produits chimiques, mais également pour améliorer la capacité hydraulique afin de traiter des débits de pointe plus élevés au cours d’événements de précipitation. Avec 60 à 70 % de réutilisation des effluents finaux dans l’agriculture, Nosedo est la plus grande installation de valorisation d’Europe.

« Notre défi consiste à garantir, à chaque fois, les meilleures conditions pour réutiliser l’eau », explique Andrea Aliscioni, directeur de l’exploitation du service des eaux de Milan, Metropolitana Milanese SpA. « Nous avons besoin, même en cas de contrainte hydraulique élevée, de garantir de manière permanente les performances de notre installation. L’innovation numérique digitale peut nous aider à y parvenir simplement. »

Suite à la mise en service d’AQUAVISTA™, Nosedo espère des économies sur les coûts d’exploitation de 450 000 $ par an, avec d’importantes économies d’énergie détectées dans l’aération, le mélange, le retour des boues activées, l’aération du dessableur et la recirculation des nitrates. Pour ce qui est de l’utilisation de produits chimiques, une réduction de 40 à 60 % de l’utilisation de produits chimiques de précipitation comme le chlorure ferrique est atteinte, tandis que la réduction des boues atteint 65 à 90 tonnes métriques environ par an.

Des solutions digitales peuvent nous aider à relier les données issues de notre réseau d’eaux usées et notre réseau d’égouts en fonction des instructions opérationnelles de la station de destination. Au moyen de ces deux types de données et grâce à l’interaction entre celles-ci, nous pouvons réduire le coût d’exploitation de la station et nous pouvons réduire nos tarifs à l’égard des citoyens milanais, a expliqué M. Aliscioni. L’avenir de l’eau, dans le cas présent des eaux usées, est la récupération.

Conserver les caractéristiques écologiques de BlueKolding

BlueKolding A/S, anciennement Kolding Wastewater, est un exemple d’utilisation réussie des outils digitaux d’optimisation. Société de services publics qui couvre l’ensemble de la municipalité de Kolding, port de mer du Danemark, BlueKolding traite les eaux usées de 100 000 résidents. Sur le total des eaux traitées, près de 12 millions de m3 par jour (8,7 millions de gallons par jour [MGD]) sont traités par l’installation centrale de valorisation des ressources en eau Agtrup chaque année.

En cherchant à optimiser l’intégralité du système d’égouts et à obtenir une expansion de capacité par le biais de solutions logicielles, la société a commencé à adopter la solution pour installations AQUAVISTA™  en 2007. Au départ, l’objectif consistait à assurer des économies d’exploitation sans renier la conformité, tout en améliorant la qualité des effluents. Il en a résulté une baisse de 25 % de l’azote total (total-N) et une réduction de 45 % des précipitants chimiques, ainsi qu’une réduction des débordements  des bassins de captation de plus de 70 %.

Par la suite, l’introduction en 2011 d’un système de contrôle intégré à Agtrup a assuré une augmentation de 80 % de la capacité hydraulique de pointe au niveau de l’installation. Les coûts de l’extension de bassin prévue ont ainsi été réduits de 22 % et, dans le même temps, le nombre d’événements de débordement est passé d’une estimation de 35 par an à moins de 10.

BlueKolding s’est vue demander de réduire de moitié ses volumes de débordement d’égouts (CSO) déversés dans la baie du fjord de Kolding par rapport à la période avant 2012 et de limiter la fréquence des occurrences de CSO des deux tiers. Sa solution initiale avait prévu le développement d’un stockage d’égouts combiné de 8 000 m3 (2,1 MG). En utilisant les infrastructures existantes, la nécessité d’un stockage supplémentaire a été limitée à 3 000 m3 (0,8 MG) seulement.

Trois installations supplémentaires de réutilisation de l’eau ont été équipées d’AQUAVISTA™  en 2012 et 2013 pour garantir des activités stables et optimisées, tout en optimisant les économies d’exploitation.

 

Effluents conformes à moindre coût

En 2017, la plate-forme AQUAVISTA™  Plant a été adoptée pour permettre l’optimisation intégrée d’Agtrup, des trois installations de réutilisation satellites et du réseau d’égouts pour la ville de Kolding.

« AQUAVISTA™ Plant est désormais hébergée sur le Cloud et cela signifie un très haut niveau de sécurité pour nos données, ce qui est essentiel pour nous, explique Per Holm, PDG de BlueKolding. Cela nous permet d’avoir une vue d’ensemble sur nos téléphones portables ou tout autre périphérique mobile, ainsi que sur nos ordinateurs au bureau. »

En adoptant AQUAVISTA™, BlueKolding a atteint des activités conformes dans toutes les conditions. Karin Refsgaard, directrice d’exploitation chez BlueKolding, souligne un autre avantage opérationnel essentiel apporté par le logiciel d’optimisation : « Nous pouvons utiliser les bassins pour conserver l’eau lorsque l’électricité est chère, puis, lorsque l’électricité est bon marché, nous pouvons pomper l’eau et la nettoyer et, ainsi, gagner de l’argent », dit-elle. 

« Cela nous aide à agir de manière plus durable au quotidien, insiste M. Holm. L’un dans l’autre, nous avons de nombreuses possibilités d’améliorer notre rentabilité. »

Au-delà des eaux municipales, au-delà de l’Europe 

Outre les installations municipales conventionnelles de valorisation des ressources en eau, comme celles de BlueKolding, les outils digitaux d’optimisation offrent également de bons résultats à d’autres secteurs qui dépendent potentiellement de la réutilisation de l’eau. 

Par exemple, un site de production de coke en Europe du Nord a réduit de 50% l’azote total dans ses effluents, ce qui a permis à l’installation de respecter de nouvelles réglementations plus strictes et d’éliminer la nécessité d’importantes dépenses en capital, qui auraient sans cela dû être effectuées. 

Au-delà de l’Europe, la ville de Liberal (Kansas, États-Unis) construit une nouvelle installation de valorisation des eaux usées afin de gérer les augmentations de débit avec de meilleures capacités de traitement.

Une combinaison de solutions est proposée pour permettre de traiter des débits de pointe moyens allant jusqu’à 26 875 m3 par jour (7,1 MGD), tout en obtenant un azote total dans les effluents de moins de 8 milligrammes par litre (mg/l), un phosphore total de moins de 0,5 mg/l et des matières en suspension de moins de 5 mg/l.

En soutien du système de traitement avec fonction IIoT, le système AQUAVISTA™ sera utilisé pour permettre d’accéder aux données et de les surveiller à distance, à partir de périphériques pouvant se connecter à Internet. 

Des solutions digitales d’optimisation en temps réel totalement flexibles peuvent être mises en œuvre pour une seule installation, mais elles peuvent également inclure plusieurs installations de valorisation des ressources en eau et réseaux d’égouts, ainsi que des applications dans les secteurs de l’agroalimentaire, des pâtes et papier et d’autres industries qui dépendent de l’eau pour leurs processus.

D’importants bénéfices d’exploitation peuvent être atteints, même lorsqu’il faut gérer de grands écarts de charges biologiques et de volumes de débit. Mais le plus significatif peut-être reste néanmoins le fait que les solutions digitales d’optimisation peuvent permettre aux entreprises et aux organisations d’atteindre leurs principaux objectifs de durabilité, afin de garantir leur succès à long terme.