Filtration directe par coagulation de contact

L’eau brute contient des solides en suspension et des substances colloïdales qui lui donnent un certain degré de turbidité. Elle ne peut donc pas être utilisée pour la consommation humaine, dans les procédés industriels ou pour toute autre application.

La plupart des solutions techniques adoptées pour la production d’eau potable comprennent une étape de désinfection chimique (oxydation) ou physique (rayons ultraviolets) pour supprimer la charge bactériologique. Les procédés de désinfection chimique ne peuvent pas être effectués sur une eau trouble, car la turbidité est dans tous les cas un obstacle à une désinfection efficace. De même, la désinfection aux rayons ultraviolets nécessite une eau limpide, car la présence de particules solides peut entraîner des effets d’ombres, faisant écran entre les rayonnements et les micro-organismes à détruire. Dans tous les cas, il est donc nécessaire de soumettre cette eau à un procédé de filtration dont la conception sera fonction de la quantité et de la nature des particules en suspension ou colloïdales, et de la qualité de l’eau requise.

La filtration elle-même contribue d’ailleurs de façon très importante à la désinfection car elle retient non seulement les matières en suspension mais aussi la plus grande partie des micro-organismes fixés sur ces matières en suspension. Elle est également une étape primordiale dans le traitement des eaux industrielles et des eaux résiduaires.

La filtration traditionnelle

Traditionnellement, les systèmes de clarification des eaux turbides comprennent des procédés de coagulation, floculation et décantation, qui ont lieu dans de grands décanteurs, et des procédés de filtration en filtres rapides ouverts ou fermés sous pression.

Les filtres rapides ouverts construits en béton peuvent travailler entre 5 et 10 m/h avec un écoulement gravitaire de l’eau filtrée : de par leur conception, il est nécessaire d’avoir une régulation très sophistiquée du fonctionnement de ces filtres. Les difficultés de réalisation et d’exploitation des filtres ouverts ont amené les constructeurs à concevoir des filtres rapides fermés sous pression. Ces filtres construits en acier, verticaux et de forme cylindrique, sont généralement constitués d’une couche filtrante reposant sur un lit support en gravier et ils peuvent également fonctionner entre 5 et 10 m/h.

Ces traitements conventionnels (coagulation, floculation, décantation, filtration) présentent en général les caractéristiques ci-après :

• grande surface d’implantation ;
• coûts élevés du génie civil ;
• fluctuations de la qualité de l’eau traitée provenant des changements de turbidité de l’eau brute ;
• nécessité d’ajuster à chaque moment les paramètres de fonctionnement de l’installation en adaptant, à la turbidité de l’eau brute, les dosages de coagulants et de floculants ainsi que les vitesses de décantation et de filtration, de façon à obtenir une qualité d’eau traitée correcte et uniforme ;
• surveillance constante de l’installation par un personnel qualifié pour accommoder les variations fréquentes de turbidité qui apparaissent surtout dans les eaux brutes de surface ;
• coûts élevés de main-d’œuvre qualifiée pour exploiter de façon satisfaisante l’installation dans les conditions fluctuantes de fonctionnement.

Dans certaines circonstances favorables, par exemple lorsque l’eau brute présente

une turbidité très basse et constante, un système conventionnel peut fonctionner sans décantation préalable ; ce type de traitement est alors appelé « filtration directe ».

Conscients de tous ces problèmes liés aux installations traditionnelles, nous avons, pendant de nombreuses années, travaillé à la mise au point d'un système à la fois efficace, entièrement automatique, compact et insensible aux variations de turbidité de l’eau brute et aux cycles de fonctionnement discontinus, et cela sans augmenter ni les coûts de l'installation, ni les frais d'exploitation, et en limitant au maximum la main-d'œuvre d'inspection.

Ce système, appelé Ofsy, constitue une amélioration importante de la technique de filtration directe par floculation de contact, qui est elle-même une amélioration substantielle du procédé de filtration directe mentionné précédemment. Dans ce processus de floculation de contact, le filtre fonctionne non plus comme un « tamis » mécanique, mais comme un véritable réacteur chimique où les réactions qui donnent naissance à des composés insolubles apparaissent au sein même de la couche filtrante : la coagulation-floculation de contact peut ici être considérée comme faisant partie intégrante du mécanisme de la filtration.

Filtres fermés à floculation de contact

Le principe de base de la filtration sous pression à floculation de contact est de faire en sorte que la floculation se produise à l'intérieur de la masse filtrante de façon à assurer la rétention en profondeur des matières en suspension.

Une telle filtration en profondeur est en général optimale lorsque les filtres fermés comprennent trois couches filtrantes (figure 1) :

• - hydroanthracite 0,8 – 2,0 mm
• - sable de silice 0,5 – 0,8 mm
• - grenat 0,3 – 0,5 mm

Dans de nombreux cas, les deux premières couches (hydroanthracite et sable) sont suffisantes. Ces couches filtrantes reposent sur un lit support composé de deux couches de gravier. La reprise de l’eau au fond du filtre est effectuée au moyen d'un dôme avec buselures qui permet d'obtenir une distribution homogène de l'eau sur toute la section de passage du filtre, que ce soit en phase de filtration ou de lavage.

Par rapport aux filtres monocouches traditionnels, l'efficacité de ces filtres multicouches à floculation de contact est due aux vitesses de filtration, de l'ordre de 20 m/h, qui permettent de provoquer au sein de la masse filtrante les réactions chimiques et physico-chimiques donnant naissance aux matières insolubles qui peuvent ainsi être retenues en profondeur dans la masse. Le traitement complet se trouve de la sorte considérablement simplifié, le filtre jouant ici simultanément le rôle de floculateur et de filtre proprement dit.

En fait, les principales différences entre la filtration conventionnelle et la filtration à floculation de contact sont importantes :

Dans le cas des filtres conventionnels :

• - une floculation précise doit être effectuée dans une installation séparée en amont des filtres ; un surdosage de coagulant est en général nécessaire pour effectuer cette tâche
• - la filtration se produit ensuite dans les filtres à la surface de la couche filtrante ;
• - la perte de charge a lieu dans les quelques premiers centimètres de la couche filtrante alors que la plus grande partie de la masse filtrante située en dessous reste pratiquement inexploitée ;
• - la vitesse de filtration doit être maintenue suffisamment basse pour éviter l'apparition d'une fuite d'impuretés provoquée par la force du débit.

Dans le cas des filtres sous pression à floculation de contact :

• - un dosage minimum et beaucoup moins précis de coagulant est utilisé dans le seul but de neutraliser les charges électriques qui assurent la stabilité des colloïdes ;
• - la phase de floculation séparée n'est alors plus nécessaire car le mécanisme est très différent : chaque grain de matériau filtrant constitue en fait une source de floculation à l’intérieur du lit filtrant ;
• - tous les espaces libres à l'intérieur de la masse filtrante peuvent ainsi être exploités, ce qui permet d'augmenter la capacité de filtration et d'avoir une perte de charge réduite compte tenu de la vitesse de filtration ;
• - la vitesse de filtration doit être suffisamment élevée car la pénétration en profondeur des matières en suspension est l’un des fondements de cette technologie.

En fait, la différence de fond entre la filtration conventionnelle et la filtration sous pression à floculation de contact est due au fait que la première se comporte comme un tamisage mécanique, alors que l'autre se comporte comme un véritable réacteur chimique. En tant que réacteur chimique, la filtration à floculation de contact permet d'obtenir dans le traitement de l'eau un parfait mélange des produits de conditionnement chi

mique (coagulants, floculants et autres produits chimiques tels que les oxydants, les agents de précipitation, etc.) donnant naissance à des matières insolubles. De ce fait (contact instantané et homogène entre réactifs) le précipité insoluble peut se former pendant le passage de l'eau au travers du lit filtrant. Les faibles distances existant entre les grains filtrants et les mécanismes de la filtration font que ces particules insolubles adhèrent aux grains par l'action des forces électrochimiques bien connues telles que l'attraction de Van der Waals, les liaisons hydrogènes, etc.

Les principales conséquences en sont les suivantes :

• La période de maturation du filtre qui dans une filtration conventionnelle dure plusieurs heures, est réduite à quelques minutes dans la filtration sous pression à floculation de contact ;

• Malgré la vitesse de filtration beaucoup plus grande, l'évolution de la perte de charge est pratiquement la même que celle observée dans la filtration conventionnelle. Cela signifie que la capacité de filtration est beaucoup plus importante du fait d'une meilleure exploitation de la masse filtrante ;

• La masse filtrante peut être exploitée en profondeur, ce qui veut dire que tout le volume des espaces vides entre les grains peut être rempli par les impuretés ;

• Les dosages chimiques peuvent être réduits au minimum du fait que (I) le mélange parfait permet d'obtenir un rapport presque « stoechiométrique » du dosage et que (II), dans le cas de la floculation-coagulation, une grande partie du produit chimique n'est pas gaspillée pour former des flocs car chaque grain filtrant peut être considéré comme une source ponctuelle de floculation ;

• Dans le cas de la coagulation, le rapport stoechiométrique est régi par la « densité de charge électrique » des particules colloïdales qui est pratiquement la même dans les eaux de faible turbidité ou de forte turbidité (les particules colloïdales des eaux de faible turbidité présentent des densités de charge très élevées en comparaison avec celles des particules plus grosses qui sont à l'origine d'une forte augmentation de la turbidité).

En pratique, cela signifie que, dans le cas de la filtration à floculation de contact, un dosage faible et constant de coagulant peut couvrir une gamme très large de variation de turbidité.

Lavage des filtres à floculation de contact

Le but du lavage à contre-courant est de retrouver un lit filtrant parfaitement propre après un cycle de filtration : il a donc pour tâche de détacher et d'entraîner les solides en suspension retenus.

La toute première observation concerne la façon dont les impuretés sont présentes dans le filtre. D'après ce qui a déjà été dit et constaté, dans le cas d'une filtration conventionnelle une croûte se forme dans la couche superficielle du filtre, pour qu'il atteigne son efficacité maximum. Par conséquent, lorsque le lavage à contre-courant démarre, cette croûte se casse en morceaux plus ou moins grands qui, du fait de leur taille et poids spécifiques, sont plus ou moins prédisposés à être entraînés avec le débit de l'eau ou, au contraire, à rester piégés dans le milieu filtrant à une certaine profondeur, en donnant ainsi naissance à des amas d'impuretés (« mud-balls »).

En pratique, cela signifie que dans une filtration conventionnelle l'injection d'air pendant le contre-lavage est presque indispensable parce que l'air contribue fortement à réduire la taille des morceaux de « croûte » qui deviennent par ailleurs plus légers du fait de l'adhérence de petites bulles d'air à leur surface.

Dans le cas de la floculation de contact, tous les grains filtrants sont enrobés par les impuretés, les morceaux qui se détachent au cours du contre-lavage sont de taille beaucoup plus petite et, en conséquence, les filtres sont moins prédisposés à donner naissance à des amas d'impuretés.

Les impuretés se détachent sous la forme de particules très dispersées (presque équivalentes à la matière en suspension originale) et l'injection d'air pendant le contre-lavage devient pratiquement inutile et parfois risquée car elle peut entraîner une fuite du matériau filtrant. Le débit d'eau de contre-lavage doit être suffisamment élevé pour provoquer le détachement des impuretés qui enrobent les grains filtrants et les chasser hors du filtre. Le lit filtrant subit alors un certain degré d'expansion, de l'ordre de 20 %.

D'autre part, la condition nécessaire pour obtenir le nettoyage efficace d'un filtre est de pouvoir exploiter de façon optimum les collisions entre les grains filtrants obtenues par la fluidisation du lit. Or, lorsqu'on utilise un filtre à sable conventionnel profond (couche filtrante de 1,5 à 2 m de profondeur) l'eau seule n'est plus suffisante pour obtenir cet effet à moins d'utiliser une vitesse énorme : c'est donc une autre raison principale pour laquelle le mélange air/eau est toujours une nécessité dans le cas de lavage d'un filtre profond conventionnel alors que cela n'est plus nécessaire dans le cas d'un filtre à floculation de contact essentiellement constitué d'une couche multi-média moins épaisse (0,8 m) et donc beaucoup plus légère. Bien entendu, en utilisant l'eau seule, une quantité plus grande d'eau est consommée mais elle est assez négligeable pour plusieurs raisons :

• Le rapport eau consommée sur eau produite reste pratiquement le même, car la plus grande vitesse de filtration du filtre à floculation de contact compense pratiquement la plus grande quantité d'eau de lavage mise en œuvre ;

• Dans de nombreux cas, l'eau de lavage peut être recyclée en tête de la station de traitement ; de plus, la quantité de boue obtenue dans le cas d'un traitement conventionnel est en général plus grande du fait que son volume dépend essentiellement du dosage de coagulant, lequel est généralement beaucoup plus important dans une filtration conventionnelle.

En ce qui concerne la fréquence des lavages (c'est-à-dire la longueur du cycle de filtration), l'optimum est le cycle journalier et il est conseillé de ne pas dépasser un cycle de deux jours. En fait, avec un cycle de filtration plus long, la qualité de l'eau peut se détériorer non seulement à cause des colonies de bactéries mais aussi du fait que la matière organique retenue peut consommer l'oxygène dissous (par l'activité microbiologique) et ainsi donner naissance à des conditions anaérobies risquées.

De même, le risque de formation d'amas d'impuretés (« mud-balls ») s'accroît lorsque l'on prolonge le cycle de filtration du fait qu'ils se forment à partir d'un accroissement progressif de la taille des flocs. Ce risque est bien entendu plus évident dans le cas d'une « filtration en surface » (filtre conventionnel) que dans le cas d'une filtration en profondeur, du fait que dans ce dernier cas la taille des flocs ne peut dépasser celle des espaces intergranulaires des matériaux filtrants. Ce risque est une raison supplémentaire de l'utilisation de l'air dans le lavage des filtres conventionnels.

Le système Ofsy de double filtration directe

Le cycle optimal d'un filtre est obtenu lorsqu'il y a coïncidence entre l'instant où la perte de charge maximum admissible est atteinte et l'instant où la turbidité maximum admissible est observée : le lavage du filtre est alors déclenché. Cette situation idéale est représentée sur la figure 2.

La limite connue d'un seul filtre multicouche à pression est que la pénétration en profondeur des impuretés augmente leur probabilité de s'échapper du filtre, en provoquant ainsi l'apparition d'une fuite de turbidité bien avant la création d'une perte de charge appréciable à travers le filtre : il faut alors déclencher le lavage du filtre avant que sa capacité de stockage d'impuretés ne soit entièrement exploitée. Ce phénomène apparaît fréquemment lorsque la turbidité de l'eau brute est très variable comme celle des eaux de surface : en particulier un brusque changement de la qualité de l'eau brute entraîne momentanément une baisse de qualité de l'eau produite, car le filtre repasse par une brève phase de maturation. D'une façon générale, les conditions d'exploitation d'un filtre unique sont assez sensibles aux fluctuations des caractéristiques de l'eau brute.

Pour maîtriser ce phénomène, nous avons mis au point un système de double filtration à floculation de contact, appelé Ofsy, qui comprend deux filtres sous pression multicouches identiques.

L'amélioration apportée par la double filtration en série est due à la capacité tampon du deuxième filtre non seulement du fait de la double filtration, mais aussi parce qu'un second conditionnement chimique peut être injecté entre les deux filtres, en permettant ainsi au deuxième filtre de fonctionner comme un second réacteur chimique.

Le 1ᵉʳ étage de filtration retient environ 70 à 80 % de la turbidité. Le deuxième étage tamponne la turbidité s'échappant du premier étage et possède donc par conséquent un rôle de finition.

Les différentes vannes d'un tel système permettent de déclencher les principales phases de fonctionnement et de lavage :

• - en phase de service, l'eau est filtrée en passant de haut en bas dans les deux filtres (figure 3) ;
• - le lavage à contre-courant du premier filtre s'effectue indépendamment du second (figure 4) ;
• - le lavage à contre-courant du second filtre est réalisé avec de l'eau propre filtrée par le 1ᵉʳ filtre (figure 5) ;
• - en phase de rinçage, le passage de l'eau dans les deux filtres s'opère comme en phase de service mais elle est refoulée dans les canalisations d'évacuation.

Une conséquence importante de cette séquence de fonctionnement est que le lavage à contre-courant du système peut être effectué avec l'eau brute, car le second filtre se trouvera toujours en contact avec de l'eau propre filtrée par le premier étage de filtration.

Le système de distribution des matériaux supports situés au fond des filtres Ofsy consiste essentiellement en la superposition de couches de minéraux dont la taille est croissante du haut vers le bas (exactement à l'opposé des couches filtrantes, situées au-dessus de ces supports). Par conséquent, toutes les impuretés qui ont été retenues pendant le lavage à contre-courant sont facilement chassées pendant la dernière étape de rinçage à co-courant.

En ce qui concerne la désinfection, en général l'utilisation de produits chimiques peut être évitée afin d'empêcher la formation de sous-produits tels que les trihalométhanes (les sous-produits sont formés non seulement par la chloration, mais aussi par le dioxyde de chlore, l'ozone, etc.). Pendant le fonctionnement, certaines colonies de bactéries utiles peuvent se former dans le filtre : ces bactéries hétérotrophes sont bien acceptées dans le traitement de l'eau car elles peuvent détruire par compétition de nombreuses bactéries pathogènes et elles peuvent nitrifier l'ammoniac et d'autres substances aminées (azote Kjeldahl).

Néanmoins, il peut se produire une désinfection automatique pendant le lavage, le produit de désinfection étant éliminé au cours de la phase de rinçage.

Sans entrer dans le détail du mécanisme de filtration, les deux principales caractéristiques de l'Ofsy sont :

• le processus de floculation de contact dans les filtres,

• le fonctionnement de chaque filtre comme un réacteur chimique.

Cela permet d'obtenir un parfait mélange des produits de conditionnement chimique (coagulants, floculants et autres produits chimiques tels que les oxydants, les agents de précipitation, etc.) donnant naissance à des matières insolubles.

Il convient de souligner à nouveau que le mécanisme dominant de la filtration dans ce système est la floculation de contact qui est exploitée différemment dans les deux étages de la filtration, le comportement physico-chimique des particules contenues dans l'eau brute étant complètement différent de celui des particules s'échappant du premier étage de filtration.

Les principales conséquences de ce comportement dans la clarification de l'eau sont les suivantes :

• la période de maturation devient pratiquement négligeable en comparaison de celle due au mécanisme simple de la floculation de contact ;

• la masse filtrante peut être exploitée en profondeur, ce qui veut dire que tout le volume des espaces vides compris entre les grains peut être rempli par les impuretés. La fuite de turbidité qui pourrait apparaître au niveau du premier filtre est arrêtée par le deuxième filtre qui joue un rôle efficace de tampon. Ainsi, les avantages de la floculation de contact sont remarquablement renforcés et ses limites connues considérablement repoussées : il est en effet possible d'accepter des niveaux de turbidité d'eaux brutes beaucoup plus élevés ou d'encaisser des à-coups de turbidité ou de débits importants, et il est aussi possible d'injecter un produit de conditionnement chimique entre les deux filtres, etc...

• alors que dans une filtration conventionnelle le comportement dans le temps de la turbidité effluente ressemble à un "cratère" (c'est-à-dire qu'après une longue période de maturation la qualité s'améliore petit à petit jusqu'à un optimum, puis immédiatement après elle recommence à se dégrader), dans notre système de double filtration à floculation de contact la qualité optimum est atteinte très rapidement et reste constante pendant le cycle de filtration jusqu'à ce que la perte de charge maximale soit atteinte.

Les deux filtres fonctionnent comme deux réacteurs chimiques qui assurent des tâches et des comportements différents. La raison essentielle en est que les propriétés chimiques et/ou électrochimiques des particules en suspension ou dissoutes dans l'eau brute sont différentes des propriétés des particules qui s'échappent du premier filtre. La principale conséquence de cette situation est que le conditionnement chimique (nature des produits chimiques et dosage) est différent suivant les caractéristiques de l'eau brute et la nature des matières polluantes à éliminer (colloïdes hydrophobes, colloïdes hydrophiles, métaux lourds,...). Ainsi la sélection correcte des produits chimiques fait partie des caractéristiques du système, en fonction des objectifs du traitement de l'eau.

En ce qui concerne la potabilisation de l'eau, des coagulants métalliques (sels d'aluminium et/ou de fer) peuvent être utilisés dans tous les cas.

Lorsqu'ils sont autorisés, des polymères dosés entre les deux filtres peuvent conduire à une amélioration de la longueur des cycles lorsqu'une très haute turbidité doit être traitée.

Ainsi la masse filtrante est entièrement utilisée, ce qui permet de réduire énormément la consommation de coagulant qui reste constante, même en période d'augmentation très sensible de la turbidité et des matières en suspension dans l'eau brute. L'élément essentiel pour obtenir un bon fonctionnement de ce mécanisme physico-chimique est que le dosage du coagulant soit effectué en ligne dans des conditions de temps de contact et de turbulence suffisantes pour assurer un mélange homogène des réactifs. Ces conditions sont obtenues lors du passage du mélange dans les vannes et dans les tuyauteries des filtres. De plus, le temps de contact dans les espaces interstitiels permet d'assurer la floculation sur la surface des grains de minéraux filtrants.

Conclusion

Le champ d'application du système Ofsy est très vaste. La plus grande majorité des installations ont été prévues pour la production d'eau potable à partir d'eaux de surface ou d'eaux souterraines. Bien que l'élimination de la turbidité et des solides en suspension ne soit pas une condition suffisante pour produire de l'eau potable, elle est néanmoins indispensable pour que le processus se déroule dans de bonnes conditions tout particulièrement en ce qui concerne la désinfection. Ce système permet non seulement d'éliminer la turbidité mais aussi, en utilisant un conditionnement chimique approprié, de traiter de nombreux problèmes tels que l'élimination des algues et de la couleur dans le cas des eaux de surface, du fer, du manganèse ou de l'arsenic etc... dans le cas des eaux souterraines.

Des applications de plus en plus nombreuses existent dans le domaine du traitement tertiaire d'eaux résiduaires (traitement du phosphore, de la couleur, pré-désinfection etc...) et dans le domaine industriel (filtration avant osmose inverse, suppression des métaux lourds etc...).

Cette grande diversité de champs d'application est essentiellement due au fait que l'Ofsy a été conçu non pas comme une simple double filtration mécanique mais plutôt comme un ensemble de deux réacteurs chimiques ayant chacun une tâche précise à accomplir.

Il faut enfin souligner que cette technologie, indépendamment de ses qualités intrinsèques dues aux principes mêmes de la floculation de contact, peut présenter de nombreux avantages d'ordre pratique comme par exemple :

• compacité des installations, conduisant par conséquent à un génie civil réduit ;

• conception modulaire en plusieurs lignes de filtration en parallèle, conduisant à une grande flexibilité des capacités de production d'eau à traiter ;

• coûts d'exploitation réduits ;

• fonctionnement par télégestion ;

• protection aisée contre les intempéries ou les intrusions.