CEBEDEAU • Projet eWatLink

Le traitement des eaux usées constitue une opération complexe qui doit répondre à des normes environnementales et économiques toujours plus exigeantes. Pour relever ces défis, le projet eWatLink, fruit d’une collaboration entre la SPGE et le CEBEDEAU, a été développé afin d’appliquer des solutions innovantes reposant sur des technologies avancées de numérisation, d’intelligence artificielle (IA) et de contrôle intelligent aux stations d’épuration des eaux usées (STEP).

eWatLink s’inscrit pleinement dans la dynamique de transformation numérique du secteur de l’eau. Il s’agit d’un système de gestion avancée conçu pour interconnecter les infrastructures physiques avec des plateformes informatiques sophistiquées. L’objectif principal est d’optimiser en temps réel les performances opérationnelles des STEP, notamment en matière de consommation énergétique, qualité du traitement et réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES).

Structure d’eWatLink et flux de données

eWatLink s'appuie sur des applications open source et une architecture combinant des données temps réel provenant de capteurs/machines de station, des serveurs locaux sécurisés, une intégration de bases de données SQL et des protocoles IoT tels que Modbus. Le système assure un flux de données bidirectionnel en temps réel : les données des capteurs physiques et logiciels sont collectées et transférées vers un serveur local sécurisé où elles sont traitées.

Le pipeline de données d’eWatLink, illustré en figures jointes, met en évidence la manière dont ces données sont structurées et exploitées. Les données collectées sont prétraitées pour éliminer toute valeur aberrante ou tout bruit avant d'être injectées dans des modèles avancés de Machine Learning (ML) et de contrôle prédictif. Ces algorithmes permettent d’analyser, prédire et optimiser les processus de traitement, en intégrant également des données externes, par exemple les prix de l’électricité.

Contrôleurs intelligents avancés et « fonction objectif »

Le cœur innovant d’eWatLink est l'utilisation de contrôleurs intelligents avancés qui optimisent simultanément plusieurs critères définis dans une « fonction objectif ». Cette fonction mathématique permet de trouver un compromis optimal entre les impératifs opérationnels (qualité de traitement, efficacité énergétique, réduction d’émissions). Ce contrôle intelligent est dynamique et ajustable par les opérateurs en fonction des priorités opérationnelles et économiques du moment.

Pour mettre en place le contrôle prédictif non linéaire (nMPC) du système d’aération, des modèles ont été développés à partir de données collectées directement sur les capteurs industriels (débits d’air, oxygène dissous, etc.), utilisées comme variables d’entrée et de sortie. Deux types de modèles ont été explorés : un modèle boîte noire utilisant un réseau de neurones à espace d’état, capable d’apprendre le comportement du système sans nécessiter de description physique détaillée, et des modèles mécanistiques basés sur les équations de l’ASM (Activated Sludge Model), plus proches du fonctionnement réel du procédé. Plusieurs structures ont été testées afin de concilier précision, simplicité et robustesse, avec l’objectif de fournir aux exploitants une solution de pilotage performante, fiable et adaptable à leur environnement industriel.

En complément du contrôle avancé par fonction objectif, d’autres approches de contrôle intelligentes sont développées pour optimiser les processus de traitement, comme les contrôleurs à base de règles (RBC), les contrôleurs flous (FC), et les contrôleurs adaptatifs (AC). Ces stratégies permettent une adaptation fine aux conditions opérationnelles et économiques variables. Par exemple, des contrôleurs flous économiques intègrent la logique floue pour ajuster dynamiquement les consignes de débit d’air en fonction des charges en azote et de différentes plages tarifaires de l’électricité. Ces approches exploitent également les tendances saisonnières de la charge en azote pour améliorer les performances énergétiques et environnementales du traitement, tout en tenant compte des coûts dynamiques de l’énergie.

Réduction d’énergie et évitement des pics de consommation : résultats de juillet 2025 et variabilité des gains

En juillet 2025, le système intelligent eWatLink a réduit la consommation d’énergie quotidienne moyenne de 35 % et 37 % respectivement par rapport à mai 2025 et juin 2025, périodes exploitées avec l’ancien système. Une part de ces gains provient de l’évitement des pics de consommation liés au fonctionnement à pleine charge des soufflantes d’aération.
Ces taux de réduction peuvent varier d’un jour à l’autre et d’un mois à l’autre : ils dépendent principalement des charges ammoniacales entrantes à traiter, qui fluctuent naturellement.

Intégration des tarifs dynamiques

Grâce au pilotage intelligent, les signaux de prix de l’électricité sont automatiquement récupérés et injectés dans les algorithmes de contrôle. Le système connaît ainsi le prix du moment et adapte l’aération en conséquence : lorsque les prix sont bas, une aération plus généreuse est autorisée ; lorsqu’ils sont élevés, des pondérations/contraintes limitent l’aération. Ces arbitrages intègrent des garde-fous process afin d’assurer en t6outes circonstances une nitrification réussie et de respecter les limites réglementaires d’azote total au rejet.

Continuité de service via « soft sensors »

Par ailleurs, eWatLink embarque des capteurs virtuels « soft sensors » qui prennent le relais en cas de défaillance de capteurs physiques (p. ex. NH4, NO3). S’appuyant sur des modèles mécanistes et/ou d’apprentissage automatique, ils estiment en ligne les grandeurs manquantes, simulent le comportement des capteurs et permettent ainsi de maintenir un pilotage fiable jusqu’au rétablissement des instruments.

Contribution d’eWatLink à la réduction des GES : maîtrise des émissions de N₂O et stratégies d’atténuation

Sur le plan environnemental, eWatLink contribue activement à la réduction des émissions de gaz à effet de serre, notamment le protoxyde d’azote (N₂O), tout en maintenant, voire en améliorant, la qualité du traitement des eaux.

Le N₂O est produit lors de l’élimination biologique de l’azote ; il s’agit d’un sous-produit du métabolisme bactérien dont la formation augmente lorsque les conditions de procédé sont sous-optimales ou que l’équilibre des processus est perturbé.

Dans le cadre d’une campagne de suivi du N₂O en phase liquide (mesures par capteurs Unisense), menée depuis l’an dernier et toujours en cours, nous observons que, dans les procédés à aération intermittente des boues activées — largement utilisés en Belgique —, les pics d’émission de N₂O sont fréquemment déclenchés lors du passage de la nitrification à la dénitrification, c’est-à-dire immédiatement après l’arrêt de l’aération.

Plusieurs leviers d’atténuation existent : apport ciblé de carbone, « shots » (courtes impulsions) d’aération et amélioration du brassage. Dans le projet eWatLink, une très courte phase d’aération a été activée au moment du basculement et la qualité du mélange a été renforcée, afin d’éviter l’apparition de pics. Ces actions ont permis d’atténuer les maxima et de réduire les émissions de N₂O, de l’ordre de 30 %.

En fin d’analyse, une leçon clé s’impose : une part importante de la surconsommation d’aération provient du surdimensionnement des soufflantes/surpresseurs. Lors de la conception ou de la rénovation d’une STEP, il est conseillé de prévoir des tailles différenciées, en intégrant au moins un petit surpresseur. Cela permet un réglage plus fin et un contrôle plus stable de l’oxygène dissous, sans sur-aération. Cela aide aussi à prévenir les pics de N₂O grâce à de courtes impulsions d’air.

En plus de son contrôle avancé, eWatLink offre des outils d’analyse en temps réel pour l’ensemble de la STEP. Ces outils incluent l'agrégation et la classification des données des capteurs, l'estimation directe de l'efficacité du transfert d'oxygène dans l'eau (kla), la charge organique par rapport à la biomasse (rapport F/M), ainsi que l'analyse de l'état final des clarificateurs (via la méthode State Point Analysis (SPA), par exemple).

Des indicateurs quotidiens (KPIs) sont générés pour les audits énergétiques et environnementaux, permettant d’évaluer la consommation globale et celle des sous-processus. Enfin, des modèles d’intelligence artificielle sont utilisés pour le clustering, la simulation et la prévision des données d’entrée (influent), assurant ainsi une anticipation et une réactivité accrues dans la gestion opérationnelle.

Ces résultats illustrent l’efficacité globale du système en matière d’optimisation énergétique, de fiabilité opérationnelle et de performance environnementale. Les perspectives du projet eWatLink sont particulièrement prometteuses : la mise en œuvre du système a débuté sur une autre STEP d’IDELUX, celle de Saint-Hubert, avec l’ambition de reproduire et d’amplifier les gains énergétiques et environnementaux déjà démontrés.

eWatLink+ : Assistant intelligent local à la STEP de Bastogne (mode conseil uniquement)

Dans le cadre d’eWatLink, nous développons un assistant intelligent, comparable à un « ChatGPT » local, installé directement sur le site de la STEP de Bastogne. Cet outil est conçu pour soutenir les opérateurs et les responsables, en leur apportant des réponses rapides, des suggestions de texte et des rapports préliminaires. L’objectif est simple : faciliter le travail quotidien tout en laissant les décisions aux opérations.

L’assistant est alimenté en lecture seule par deux sources principales :

• Les données en temps réel enregistrées automatiquement dans la base de suivi (MySQL).

• Les documents essentiels de la station (procédures opérationnelles, audits, rapports, analyses, etc.).

Grâce à cet accès, il peut croiser les informations de la STEP avec la documentation interne pour donner un appui clair et immédiat. Par exemple, il peut expliquer des tendances observées dans les mesures, rappeler les bonnes pratiques décrites dans les SOPs, ou proposer un premier jet de rapport basé sur les données les plus récentes.

Un point fondamental : l’assistant reste strictement consultatif. Il ne pilote pas l’installation, il ne modifie rien dans les automates ni dans le SCADA. Toutes les propositions qu’il formule sont validées par les superviseurs. Cela garantit une utilisation sûre, transparente et conforme aux réglementations en matière de sécurité et de protection des données.

En d’autres termes, eWatLink+ agit comme une mémoire augmentée et un assistant de rédaction, toujours à jour grâce aux données de la STEP, mais sans jamais interférer son fonctionnement.

Le projet eWatLink est co-financé par la Région wallonne (programme BEWARE) et la Commission Européenne (Horizon 2020 research and innovation programme).