Agrandissement et modernisation de la station d'épuration de l'Inland Empire Utilities Agency
Standardiser sur les plateformes Rockwell Automation pour les nouveaux bioréacteurs à membrane et le traitement des déchets solides tout en maintenant le temps de travail du personnel à 10 heures par jour.
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Comment trouver et préserver l'eau dans le désert ? Par la coopération, clé de la gestion de l’eau dans un contexte de pénurie : le cas d’Inland Empire Utilities Agency (IEUA).
Face aux défis posés par la rareté de l’eau dans le sud de la Californie, sept municipalités du sud-ouest du comté de San Bernardino ont uni leurs forces en 1950 pour créer l'Inland Empire Utilities Agency (IEUA). Cette entité indépendante s’est avérée essentielle pour sécuriser l’approvisionnement en eau de la région en important de l’eau du nord de l'État, mais également, pour optimiser le traitement des eaux usées.
Cette collaboration fructueuse s’est inscrite dans la durée. Ainsi, l'IEUA est en mesure de faire face aux évolutions constantes de sa population, de ses besoins en eau et des technologies disponibles qu’elle utilise afin de remplir efficacement ses missions.
Comme l’explique Alyson Piguee, directrice des affaires extérieures et gouvernementales de l'IEUA : « L'IEUA se distingue par son approche complète de la gestion de l’eau : de l'importation d'eau, au traitement des eaux usées, du recyclage de l'eau, en passant par le réapprovisionnement des nappes phréatiques, mais aussi la production d'énergie renouvelable, le compostage et d’autres services ». Et de poursuivre : « Cependant, l'IEUA importe 30 % de l’eau de l'État de Californie. Nous restons donc fortement dépendants des ressources locales, notamment des eaux recyclées et souterraines, mais aussi de la conservation, du dessalement et du captage des eaux pluviales, ainsi que du recyclage. C’est pourquoi nous explorons sans cesse de nouvelles solutions pour développer et préserver l'eau ».
Le contexte
Le district, d’une superficie de 628 km2, compte 935 000 habitants et inclut les villes de Chino, Chino Hills, Fontana, Montclair, Ontario, Upland et le district des eaux de Cucamonga Valley. Les quatre autres agences représentant les clients sont les compagnies des eaux de Fontana et de San Antonio, ainsi que les districts des eaux de Monte Vista et de West Valley. Les performances typiques de l’IEUA sont les suivantes :
Importation de plus de 150 millions de m3 d'eau chaque année en dehors des périodes de sécheresse ;
- Production de plus de 130 millions de m3 d'eau recyclée par an grâce à plus de 1 200 branchements directs, soit environ 17 % de l'approvisionnement en eau de la région. Cette eau est principalement utilisée pour l'irrigation, l'aménagement paysager, le refroidissement industriel, la construction et la recharge des nappes phréatiques ;
- Traitement de plus de 190 000 m3 d'eaux usées par jour ;
- Recharge des nappes phréatiques : 19 sites équipés de 46 bassins permettent de recharger les nappes phréatiques avec 52 millions de m3 d'eau recyclée et 62 millions de m3 d'eaux pluviales et de ruissellement local ;
- Energies renouvelables : production de 6 mégawatts (MW) d'énergie renouvelable (5 MW d'énergie solaire et 1 MW d'énergie éolienne) ainsi que 4 MW de stockage par batterie ;
- Production de plus de 230 000 mètres cubes (cy) par an de compost.
Les cinq principales installations de traitement de l'IEUA sont les suivantes :
- RP-1 à Ontario - la plus grande installation, traitant jusqu'à 167 000 m3/jour ;
- RP-2 à Chino - son déclassement est prévu prochainement ;
- RP-3 - Installation de recyclage de l'eau Carbon Canyon à Chino pouvant traiter 43 160 m2/jour ;
- RP-4 à Rancho Cucamonga - équipée d’une turbine éolienne de 1 MW, elle abrite l'installation de compostage régionale de l'Inland Empire (IERCA) qui appartient également au Los Angeles County Sanitation District ;
- RP-5 à Chino - desservant actuellement 200 000 habitants, elle prendra en charge le traitement des déchets solides de RP-2 une fois la modernisation de RP-5 achevée.
« RP-5 a été mise en service en 2003, tandis que RP-2 qui a commencé à fonctionner dans les années 1960, est installée sur un terrain loué au Corps des ingénieurs de l'armée américaine. Ce site est également situé à proximité du déversoir du barrage Prado que le corps d'armée est en train de surélever de 3 mètres, ce qui placera RP-2 dans une zone inondable pendant 180 ans », a ajouté Brian Wilson, PE, ingénieur principal à l'IEUA. « Parmi les autres changements qui rendent nécessaire la rénovation actuelle de RP-5, on peut citer l’évolution de l'utilisation des sols dans notre région, passant d'une activité laitière et agricole à une activité résidentielle, commerciale et industrielle, ce qui nécessite des capacités de traitement de l'eau plus importantes et plus robustes ».
Modernisation du traitement des déchets solides
Cependant, pour remplacer l’installation de traitement des déchets solides RP-2, l’usine RP-5 fait l’objet de travaux d’agrandissement et de modernisation. Sa capacité de traitement passera ainsi de 61 000 m³/j à 85 000 m³/j grâce à la construction d’une unité de traitement des boues. Ce projet de 330 millions de dollars, lancé en 2021, devrait s’achever d’ici un an et demi.
Parallèlement à cette extension, RP-5 adopte une technologie de traitement plus performante : le bioréacteur à membrane (MBR). Cette technologie remplace les procédés traditionnels de clarification secondaire et de filtration tertiaire basés sur la gravité. Sa mise en œuvre implique l'ajout de nouvelles pompes d'afflux, de tamis à débris, de centres d'alimentation, de deux bassins de décantation primaire, de nouveaux systèmes de contrôle des odeurs, de canaux supplémentaires et de modifications de son bassin d'aération.
Grâce au MBR, la capacité de traitement de RP-5 en termes de concentration de matières en suspension passera 6 000 mg/L à 8 000 mg/L. De plus, de nouveaux équipements seront installés pour la déshydratation et le traitement des déchets solides, notamment des soufflantes, des chaudières, des centrales électriques, des digesteurs et un bâtiment d'épaississement des solides.
Fonctionnement en autonomie : un enjeu majeur
Tout en augmentant ses capacités de traitement et en ajoutant de nouvelles étapes de traitement des solides, l'IEUA souhaite maintenir un niveau d’effectif stable. Depuis 2006, l'automatisation des processus a permis de réduire le temps de travail du personnel à 10 heures par jour dans les usines de l’agence, dont RP-5.
« Les systèmes automatisés des processus nécessitent une mise à jour régulière, notamment lorsque des équipements arrivent en fin de vie ou ne sont plus pris en charge », explique Brian Wilson. Il est donc indispensable de procéder à des remplacements.
Loren Shipley, responsable de compte pour IEUA chez Rockwell Automation, explique : « L'ancien DCS (système de contrôle distribué) de RP-5 était obsolète, ne disposait pas de ressources suffisantes pour la formation et ne permettait pas une exploitation en autonomie de 14 heures. En adoptant notre solution DCS PlantPAx, nos solutions de variation de vitesse, et notre logiciel ThinManager sur des serveurs virtuels VMware, nous avons résolu ces difficultés. Cette nouvelle plateforme offre une plus grande évolutivité et ouvre de nouvelles perspectives d’expansion, comme l’intégration de l’intelligence artificielle (IA) ».
Par conséquent, de nouveaux composants d'automatisation des processus ont été intégrés à RP-5 :
- 64 automates programmables, dont des ControlLogix, soit une augmentation de 23 à 87 ;
- 105 variateurs de vitesse (VFD), soit une augmentation de 2 à 107 ;
- 148 commutateurs réseau, soit une augmentation de 16 à 164 ;
- 2 603 entrées numériques (EN), soit une augmentation de 1 632 à 4 235 ;
- 2 002 sorties numériques (SN), soit une augmentation de 187 à 2 189 ;
- 1 000 entrées analogiques (EA), soit une augmentation de 456 à 1 456 ;
- 712 sorties analogiques (SA), soit une augmentation de 88 à 800 ;
- 17 réseaux de fibres optiques, soit une augmentation de 14 à 31 ;
- 6 machines virtuelles (VM), soit une augmentation de 70 à 76 ;
- 11 clients légers, soit une augmentation de 5 à 16.
« Nous avons ajouté 5 300 nouveaux équipements, tels que des pompes, des vannes, des variateurs de fréquence et des climatiseurs, mais également de nombreux panneaux intégrant 15 à 20 composants », explique Wilson. « Nous avons augmenté la quantité d’instruments et d’autres équipements de 200 %, et le nombre d’entrées/sorties et d’API de 250 %. Cela se traduit par une complexification significative des équipements et processus de l'installation ».
Ce matériel et ce logiciel d'automatisation permettent à RP-5 et l'IEUA de maintenir leur programme de temps de travail du personnel à 10 heures quotidiennes, même si de nombreuses tâches de maintenance, d'entretien et de nettoyage restent manuelles et doivent être effectuées sur le site. Wilson précise que de nombreux opérateurs peuvent désormais recevoir des alertes à distance, contrôler les paramètres chimiques, intervenir à distance pour résoudre des problèmes et même automatiser certaines tâches de mise en marche et d'arrêt.
Installations sur site
Tandis que la salle de contrôle de RP-5 est principalement dédiée à la supervision de ses propres systèmes et équipements, elle contribue également à surveiller et à gérer les opérations de recyclage de l'eau de l'installation de Carbon Canyon RP-3. Les deux sites utilisent le même système DCS PlantPAx 4.6 de Rockwell, et s’appuient sur quatre clients légers (logiciel ThinManager de Rockwell), sur douze écrans, offrant des graphiques en niveaux de gris, pour gérer les opérations, notamment les opérations liées aux liquides. Les trois centrales électriques de l'usine s’appuient elles sur les systèmes de commande de moteurs (MCC) IntelliCenter CenterLine 2100 de Rockwell.
Lorsque RP-5 mettra en service ses nouveaux processus de traitement des solides, sept clients légers supplémentaires seront utilisés sur douze écrans supplémentaires. Les six nouvelles centrales électriques qui alimentent ces lignes seront équipées de trois clients légers sur une douzaine d'écrans supplémentaires.
Après un prétraitement destiné à éliminer les débris, les eaux usées sont acheminées vers deux grands bassins de RP-5, chacun équipé de quatre cuves de traitement primaire. Dans ces cuves, les bactéries oxydent l'ammoniac en nitrites, puis en nitrates. Le traitement se poursuit dans des bassins cylindriques où l’eau est lentement agitée et clarifiée avant d’être acheminée vers un système de filtrage tertiaire et de désinfection.
Les deux membranes à bioréacteurs (MBR) en cours de construction à RP-5 remplaceront une grande partie du traitement d’aération et de clarification secondaire traditionnel. Cette nouvelle technologie, qui utilise des membranes filtrantes très fines et optimise les conditions de croissance des bactéries, produira des effluents d'une qualité dix fois supérieure.
La nouvelle unité de traitement des solides de RP-5 recevra les eaux usées contenant 6 % de matières solides. Ces eaux seront digérées à haute température (100 °F), produisant du méthane qui alimentera les chaudières du site. Après digestion, les boues seront rejetées, essorées et déshydratées pour atteindre une teneur en solides de 20 à 26 %, et pourront ensuite être utilisées pour le compostage.
La redondance au service de la fiabilité
Grâce à une politique de redondance mise en place par l'IEUA, jusqu'à la moitié des nouveaux équipements de contrôle de RP-5 sont en réserve, garantissant ainsi une haute disponibilité du système global. Cette redondance permet même d’effectuer des mises à niveau sans interrompre les opérations en cours et de maintenir un niveau de performance optimal. Par exemple, bien que l'usine dispose de 87 automates programmables, seuls 43 ou 44 sont généralement nécessaires. Cette stratégie repose également sur la redondance de certains commutateurs, serveurs et serveurs virtuels utilisant le protocole de redondance parallèle (PRP).
La cybersécurité est renforcée par l’utilisation d’un réseau local virtuel (VLAN), de pare-feu et de diodes de unidirectionnelles. Les clients légers et le logiciel ThinManager contribuent également à restreindre l’accès, tandis que les logiciels FactoryTalk Directory et FactoryTalk Asset Centre de Rockwell Automation assurent l’authentification et l’autorisation des utilisateurs.
« Nous avons organisé une centaine de visites pour les représentants de nos autres municipalités et agences de services, ainsi que pour de nombreux membres de la communauté », explique M. Wilson. « Une responsable de la police à la retraite nous a confié qu'elle n'avait jamais réfléchi au parcours des eaux usées auparavant et qu'elle était ravie de découvrir ce processus ».
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