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Traitement et distribution des eaux municipales

Badger Meter optimise la gestion des eaux usées dans une municipalité du Midwest en pleine croissance

Station de traitement des eaux usées

Nécessité de mesurer précisément le débit afin d'optimiser le fonctionnement de la station de relèvement

Les débitmètres à ultrasons Dynasonics® basés sur le temps de transit améliorent les performances et la fiabilité des stations de relèvement sanitaires et réduisent les frais opérationnels.

Les processus de traitement des eaux usées sont importants pour les villes et les municipalités de toutes tailles. Ce sont des activités complexes qui impliquent une grande variété d'applications de mesure du débit et qui exigent des débitmètres d'une grande précision et d'une fiabilité supérieure, offrant une stabilité à long terme et un faible coût d'utilisation.

Les stations de relèvement sont une partie intégrante du réseau d'approvisionnement en eau et de traitement des eaux usées de chaque municipalité. La mesure du débit de ces stations est un élément crucial pour l'optimisation du rendement. Les opérateurs doivent disposer de renseignements détaillés provenant de débitmètres afin de procéder à des études sur les eaux parasitaires, de mesurer l'écoulement, d'analyser le rendement des stations de relèvement et de déterminer le volume d'eaux usées acheminé aux stations de traitement à partir des différents bassins de la municipalité.

Défis d'exploitation fréquents 

Afin de gagner en efficacité tout en réduisant les coûts, il est crucial que les activités des réseaux d'égout et des stations de traitement des eaux usées soient suivies et contrôlées avec plus de précision. Lorsque des pluies diluviennes ou d'autres événements hors du commun surviennent, les niveaux d'eaux usées présents dans le système d'évacuation des eaux de pluie et les bâches d'aspiration peuvent rapidement atteindre un seuil critique. Il est essentiel de disposer d'informations exactes provenant de l'équipement de mesure du débit afin d'entreprendre les actions appropriées.

Comme bon nombre d'autres municipalités, le village de Lombard, en Illinois, se fie à des stations de relèvement pour pomper les eaux usées des altitudes plus basses vers celles plus élevées, particulièrement là où l'élévation de la source ne suffit pas à l'écoulement par gravité ou lorsque le transport par gravité exigerait des profondeurs d'excavation coûteuses et des coûts de construction d'égouts élevés.

Les principaux éléments des stations de relèvement comprennent une bâche d'aspiration d'arrivée, parfois équipée d'une grille ou d'un dispositif de broyage destiné à empêcher le passage des matières volumineuses, des pompes et des canalisations avec les vannes connexes, des moteurs, un système d'approvisionnement en énergie, un système de contrôle et d'alerte relatif à l'équipement, des systèmes de ventilation et de contrôle des odeurs, ainsi qu'une génératrice de secours destinée à alimenter l'installation en énergie en cas d'urgence.

La participation financière des municipalités dans les stations de relèvement est importante. Lorsque les eaux souterraines et les eaux pluviales pénètrent dans les réseaux d'égout, les processus de traitement perdent en efficacité et les systèmes d'égout sanitaire subissent une pression accrue. Les pompes des stations de relèvement fonctionnent plus longtemps à la suite de précipitations et la fréquence des départs et des arrêts augmente, ce qui indique que des eaux pluviales ont fait leur entrée dans le système d'égout sanitaire et qu'elles sont en route pour être traitées. Ces eaux pluviales sont coûteuses pour les municipalités, car elles entraînent un fonctionnement accru des pompes et le traitement d'un volume plus important d'eaux usées.

Le fonctionnement fiable et ininterrompu des stations de relèvement des eaux usées est essentiel. Les communautés dans lesquelles de vastes complexes résidentiels et commerciaux déversent leurs eaux usées dans une même station ne peuvent se permettre des temps d'arrêt prolongés pour des entretiens, des réparations ou l'installation de nouveaux équipements.

Selon Luke Sharp, superviseur du traitement de l'eau et du pompage des eaux usées pour le village de Lombard, la municipalité possède 14 stations de relèvement sanitaire exigeant une surveillance constante. De surcroît, le volume d'eaux usées entrant traité par la station de traitement de l'eau locale est un indicateur clé.

« Nous n’avions aucune idée du débit réel pompé par les différentes stations de relèvement, que ce soit en période de fortes ou de faibles précipitations. Nous savions que nos stations sanitaires fonctionnaient beaucoup plus en raison de la présence d’eaux parasitaires et de la connexion de pompes de vidange au réseau, et nous devions remédier à ce problème rapidement afin de disposer de meilleures données concernant le débit », explique-t-il.

Au cours des dernières années, le village de Lombard a connu plusieurs débordements des égouts sanitaires et refoulements d'égouts à la suite de fortes pluies printanières et automnales, ainsi que lorsque des températures hivernales clémentes entraînaient une fonte rapide de la neige. Ces événements avaient tendance à surcharger le système de collecte des eaux usées.

Importance de la mesure du débit

L'expérience nous a appris que la mesure du débit est un outil précieux pour optimiser les activités des stations de relèvement. Des données justes à ce sujet aident les opérateurs à évaluer l'efficacité de fonctionnement des systèmes. En effet, le suivi du débit des stations de relèvement fournit des points de référence lorsqu'il est question de processus généraux de facturation, d'évaluation de l'efficacité des pompes, d'analyse de l'incidence des eaux parasitaires ou de planification des programmes d'entretien.

Auparavant, le village de Lombard utilisait des débitmètres à ultrasons à effet Doppler dans ses stations de relèvement, mais ces dispositifs peu coûteux n'offraient pas une précision suffisante. En outre, ils tombaient fréquemment en panne et étaient en mauvais état de fonctionnement, n'ayant jamais été correctement réparés. Des investissements importants auraient été nécessaires simplement pour les remettre en bon état de marche.

Le suivi du débit est la première étape du processus de détection des eaux parasitaires visant à déterminer la source des problèmes afin d'isoler les bassins où la situation est la plus critique. Le service de traitement de l'eau et des eaux usées de la municipalité a conclu qu'une mise à niveau des instruments était nécessaire aux fins suivantes :

  • Éliminer les débordements chroniques des égouts sanitaires lors de période de faibles et de fortes précipitations
  • Éliminer les refoulements d'égouts chroniques lors de période de faibles et de fortes précipitations
  • Réduire la présence d'eaux parasitaires dans l'ensemble du système d'égouts
  • Prévenir les pannes à haut risque au sein du système d'égouts
  • Optimiser l’analyse des renseignements concernant le débit de sortie de chaque station de relèvement
  • Réduire les coûts de traitement des eaux usées
  • Fournir des analyses destinées à l'évaluation de la capacité à accueillir des projets de développement majeurs dans le futur

Le village a évalué de nombreuses technologies de mesure du débit en fonction des contraintes connues, comme l'impossibilité de cesser les activités de la station en raison de la forte demande, de même que la complexité de l'installation de débitmètres en ligne sur les canalisations existantes.

Bien que les dispositifs en ligne conventionnels, comme les débitmètres électromagnétiques, fournissent des mesures d'une grande précision, ils exigent une alimentation électrique, incluant des connexions submersibles et étanches à l'eau. Ce coût, additionné à celui des travaux d'excavation, aurait fait prendre de l'envergure au projet et grimper le prix de l'installation.

Choix du bon débitmètre

Après mûre réflexion et un examen attentif des différentes solutions de mesure du débit sur le marché, le village de Lombard a déterminé que des débitmètres à ultrasons mesurant le temps de transit représentaient la meilleure approche pour ses stations de relèvement. Ce type de débitmètre permet de poser des diagnostics améliorés visant à mesurer le débit avec précision, à aider à repérer les défaillances potentielles des pompes et à mettre en œuvre les programmes d'entretien adéquat pour l'équipement des stations, prolongeant ainsi la durée de vie de ces actifs.

Les débitmètres à ultrasons utilisant la technique du temps de transit mesurent le débit en diffusant des vagues d'ultrasons dans les canalisations remplies de liquide et en mesurant le temps écoulé avant qu'elles ne soient reçues à un autre point de la conduite. Grâce à la technologie à pinces, l'installation de ces débitmètres perturbe peu les activités. Cette conception offre des avantages comme une réduction des coûts d'installation, une production ininterrompue, une grande souplesse d'installation couvrant des canalisations de tailles variées, une absence de perte de charge, aucun contact avec le liquide interne et aucune pièce mobile à entretenir. De plus, cette approche permet la réalisation d'activités d'entretien de routine tout au long de la vie utile du débitmètre sans avoir à découper de conduite.

Le village entretenait déjà des liens avec Badger Meter, une entreprise innovante dans le domaine de la mesure du débit, des produits de contrôle et des solutions de communications destinés aux services de gestion de l'eau, aux municipalités et à des clients commerciaux et industriels internationaux. Il a été convenu que les débitmètres à ultrasons et à temps de transit Dynasonics® seraient utilisés.

« En raison de nos expériences précédentes avec Badger Meter, nous savions que l’entreprise offrait des produits et un soutien à la clientèle de qualité, indique M. Sharp. Notre objectif était d’installer des débitmètres fonctionnels et fiables dans chacune de nos stations de relèvement de la façon la plus économique possible. Travailler avec l'équipe Badger Meter a été un vrai plaisir. »

Le débitmètre à ultrasons et à pinces Dynasonics TFX-5000 est la plus récente solution de mesure des taux de débit volumétriques des liquides propres ainsi que des liquides contenant de faibles quantités de solides en suspension, comme des eaux de surface ou des eaux usées brutes. Ces appareils sont offerts dans une vaste gamme de configurations afin de répondre aux exigences particulières à différentes applications. Ils sont simples à utiliser et fournissent des diagnostics pratiques afin d'éliminer les aléas de programmation. En fonction de la programmation et de l'intégration à l'automate programmable industriel (A.P.I.), les utilisateurs peuvent être avertis des conditions de débit hors spécifications et accéder à un historique avec les codes d'alarme, d'erreur et d'événement les plus récents. En outre, le débitmètre prend en charge une sortie d'encodeur à utiliser avec les terminaux cellulaires pour la connexion avec la suite logicielle infonuagique d'analytique de mesure avancée BEACON® ou AquaCUE®. Ce logiciel collecte des mesures à intervalles de 15 minutes qui sont téléchargées sur le nuage selon un horaire régulier (jusqu'à deux fois par jour) pour aider au suivi et à l'analyse des informations sur l'eau et les eaux usées.

Le débitmètre TFX-5000 est équipé d'un grand affichage graphique facile à lire et offre des options de connectivité avec émetteur-récepteur résidentiel Modbus, Modbus TCP/IP, BACnet MS/TP et BACnet/IP. La configuration et le dépannage sont réalisés grâce à un clavier proposé en option ou à un câble bus universel en série (USB) à l'aide du logiciel gestionnaire de débitmètres SoloCUE®. Le débitmètre utilise un système de sécurité protégé par mot de passe à quatre niveaux pour les applications exigeant le verrouillage de l'appareil.

Pour les installations extérieures situées sous le niveau de l'eau, comme les fosses et les puits d'accès, Badger Meter recommande d'utiliser les transducteurs submersibles Dynasonics de la série DTTN, qui sont conformes à la norme IP68 et possèdent des caractéristiques de vulcanisation à température ambiante à base de silicone, qui réduisent grandement les besoins futurs en entretien.

Au sein du système de traitement des eaux usées du village de Lombard, la surveillance des stations de relèvement est assurée par un système de télésurveillance et d'acquisition de données (SCADA). Toutes les informations sont renvoyées à un endroit centralisé où les opérateurs surveillent et entretiennent chaque station. Les données du système SCADA sont contrôlées en permanence pour garantir le plus haut niveau d'efficacité possible.

Les débitmètres à ultrasons et à temps de transit Dynasonics offrent une sortie analogique 4-20 mA terminée par une entrée de l’automate programmable industriel. Les informations sur le débit et toutes les mesures des stations de relèvement sont transmises à l'appareil SCADA par un réseau de communication SCADA. Toutes les données sont ensuite analysées sur le serveur SCADA principal et affichées sur le site de surveillance central, où les opérateurs surveillent de près les débits, les temps de fonctionnement des pompes et les autres paramètres de fonctionnement des stations de relèvement. Les débits quotidiens, les temps de fonctionnement des pompes et les cycles sont ajoutés à un programme de rapport XLR dans la machine SCADA afin que des rapports mensuels puissent être générés.

L'équipe de quatre opérateurs de M. Sharp a installé les débitmètres à ultrasons et à pinces en usant des conduites existantes dans les puits d'accès aux débitmètres de la station de relèvement. Une entrée en espace confiné a été nécessaire pour chaque site afin d'effectuer les travaux. Les opérateurs ont ensuite tiré les câbles des transducteurs, monté les appareils sur les conduites de refoulement, installé l'unité principale dans l'armoire SCADA et câblé les unités à l'automate programmable industriel. Les représentants de Badger Meter ont aidé au démarrage en se rendant sur chaque site avec un appareil ultrasonique portable pour vérifier les relevés de débit réels et étalonner les débitmètres installés. L'intégrateur du village a également participé au processus et le projet entier n'a demandé que deux jours pour être achevé.

« Les débitmètres à ultrasons Dynasonics nous offrent des lectures en temps sec et lors de précipitations, directement de la station, afin que nous puissions ensuite extrapoler les informations pertinentes et analyser les conditions des eaux parasitaires relatives aux pompes de vidange et aux fuites dans les canalisations secondaires et principales des égouts. Ainsi, nous pouvons concentrer les travaux de réfection futurs dans les bassins en fonction des données recueillies par les débitmètres, explique le superviseur. En même temps, le fait d’avoir accès à des données détaillées sur le débit permet à notre service de calculer la capacité actuelle de ses stations de relèvement à accueillir de nouveaux lotissements commerciaux ou résidentiels dans le secteur. »

Dans le village de Lombard, les programmes d'entretien de routine basés sur des activités de surveillance continue se sont avérés efficaces pour accroître l'efficacité des stations de relèvement. Grâce à des données de débit précises, les opérateurs sont en mesure de réagir rapidement lorsque le rendement d'une pompe diminue. Ils enquêtent sur les problèmes et les corrigent avant qu'ils ne deviennent critiques, ce qui pourrait entraîner des refoulements ou des débordements des égouts sanitaires.

Avantages pour les utilisateurs des systèmes de traitement des eaux usées

Comme le démontre le cas du village de Lombard, les instruments de mesure de débit non invasifs comme le débitmètre à ultrasons à pinces TFX-5000 de Dynasonics sont une solution idéale lorsque les utilisateurs ne peuvent pas arrêter le traitement des eaux usées pour installer un compteur en ligne conventionnel. Comme le débitmètre à ultrasons mesure à partir de la paroi extérieure de la conduite, l'appareil ne s'use pas, ce qui élimine pratiquement tout besoin d'entretien. L'ensemble du système de débitmètre, composé de transducteurs à ultrasons et d'un transmetteur de mesure, peut être facilement transporté sur le site et installé par une petite équipe. Il n'est pas nécessaire de travailler sur la conduite de refoulement, d'ouvrir de nouvelles vannes, de procéder à des travaux d'excavation ou d'alimenter les puits d'accès en électricité.

Grâce à la technologie à pinces, le débitmètre TFX-5000 permet un déploiement très simple et efficient des points de mesure du débit à l'intérieur d'une station de relèvement existante, même lorsque les conditions ne sont pas idéales en raison d'un manque de conduites droites et de la proximité des pompes.

Selon Luke Sharp, en faisant appel à la mesure du débit par ultrasons et temps de transit, son service a profité d'un important retour sur investissement (RSI) sur ses opérations de pompage des eaux usées.

« Les débitmètres à ultrasons et à pinces ont été faciles à installer, ce qui a réduit le coût global du projet. Nous pouvons utiliser des données de débit exactes pour mieux planifier nos projets d’investissement de capitaux relatifs aux eaux parasitaires et confirmer les coûts à partir de la station de traitement des eaux usées afin d’établir les priorités pour nos allocations budgétaires. »

« Badger Meter est une entreprise reconnue pour la qualité de ses produits; c’est l’une de principales raisons pour lesquelles nous avons choisi leur débitmètre en toute confiance. »

Conclusion

Les applications exigeantes des stations de relèvement du secteur de la gestion de l'eau et des eaux usées nécessitent une solution de mesure du débit fiable, précise et non invasive. Il est essentiel que l'équipement de mesure du débit soit facile à installer dans une station de relèvement sans qu'il soit nécessaire d'interrompre les opérations normales.

Le service de traitement de l'eau et du pompage des eaux usées du village de Lombard a évalué différents fabricants de débitmètres, obtenu des propositions et assisté à des démonstrations de produits, mais a finalement décidé que le débitmètre à ultrasons à temps de transit Dynasonics de Badger Meter était la meilleure solution pour optimiser le rendement, la fiabilité et le coût total d'utilisation de ses stations de relèvement sanitaires.

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