La filtration mécanique de l'eau : du dégrillage au microtamisage

Société Matériel Perrier

Les matériels de filtration mécanique de l'eau sont utilisés pour arrêter et extraire les déchets solides flottants ou en suspension entraînés par les eaux. Il s'agit d'équipements de prétraitement des eaux et d'organes de protection de pompes et de canalisations.

Le concepteur d'un projet pourra avoir recours à un ou plusieurs types de matériels placés en série, selon le degré de filtration recherché et la nature des impuretés contenues dans l'eau.

Nous examinerons dans le présent article les diverses techniques qui peuvent être mises en œuvre à cet effet.

LES MATÉRIELS

On distingue les différents types énumérés ci-après :

• — les grilles fixes à barreaux à espacement de 120 à 30 mm, destinées à retenir les plus gros déchets pouvant se présenter épisodiquement. L'extraction des déchets se fait manuellement ou à l'aide de matériels de levage ;
• — les dégrilleurs automatiques, dont l'espacement des barreaux est de l'ordre de 60 mm à 15 mm. Ils constituent en général le premier maillon de la chaîne des équipements électromécaniques de filtration. Le fonctionnement du dégrilleur ainsi que l'extraction des déchets sont automatisés au moyen de détecteurs de perte de charge et de coffrets d'automatisme. Il existe plusieurs principes de dégrillage qui seront décrits par la suite ;
• — les grilles fixes à tamis, à maille de filtration de 10 à 1 mm, placées perpendiculairement à l'écoulement. Le lavage de la grille s'effectue manuellement, celle-ci étant relevée hors d'eau ;
• — les tambours filtrants et les grilles rotatives, dont la maille de filtration varie de 10 mm à 100 microns. Ces équipements sont installés sur canaux gravitaires, soit perpendiculairement (grilles simple flux) soit parallèlement (grilles double flux) à l'écoulement. Ces équipements sont utilisés principalement en eaux brutes (eau potable, irrigation, prise d'eau de mer, centrales électriques, industrie) et installés à l'amont des pompes ;
• — les filtres mécaniques sous pression, dont la maille de filtration varie de 5 mm à 100 microns, installés au refoulement des pompes. Ils remplissent la même fonction que les tambours ou grilles rotatifs, pour des circuits d'eau sous pression de 2 à 10 bars, voire plus. Il s'agit de filtres autonettoyants, l'opération de décolmatage de l'élément filtrant devant se faire sans arrêt de la filtration d'eau brute ;
• — les tambours rotatifs de microtamisage, qui permettent une filtration jusqu'à 30 microns environ. Ils sont utilisés principalement en prétraitement d'eau potable, ou en traitement tertiaire sur les stations de traitement d'eaux usées, à l'aval du clarificateur final. Cette application permet le recyclage de l'eau pour des besoins industriels ou agricoles dans des zones désertiques. Le microtamisage est également utilisé sur des périmètres irrigués par le « goutte à goutte » ;
• — les filtres à sables, ouverts ou sous pression, utilisés sur des eaux peu chargées (50 mg/l de MES maxi) comme filtres de finition. Ils peuvent filtrer jusqu'à 20 microns. La filtration est arrêtée pendant la durée du lavage à contre-courant du filtre. Les filtres à sable sont utilisés en traitement d'eau potable et en eau industrielle.

LES APPLICATIONS USUELLES

Ces équipements reçoivent des applications variées, parmi lesquelles on relève :

Le traitement des eaux usées domestiques ou industrielles

On aura recours :

• — au dégrillage manuel,
• — au dégrillage automatique (figure 6),
• — à la filtration sur tambour rotatif en station de prétraitement des eaux, avant rejet à la mer. Cette technique est très développée par les concepteurs britanniques et s’applique aux stations traitant des débits importants,
• — au microtamisage des eaux après clarification. L’eau à filtrer a des caractéristiques d’eau brute claire ; la filtration par fait la clarification et permet de recycler l’eau. Le microtamisage des eaux après clarification semble promis à un développement sensible dans les prochaines années.

Le prétraitement des eaux potables

L’eau brute, avant traitement, subira le plus souvent un prétraitement mécanique de filtration, allant du dégrillage grossier au tamisage, voire au microtamisage (figure 7). Le prétraitement mécanique assure la protection des équipements électromécaniques placés à l’aval, tout en permettant une meilleure efficacité du traitement en supprimant les solides indésirables les plus volumineux.

La production d’électricité

Toute centrale thermique ou nucléaire consomme d’importants volumes d’eau douce ou de mer. Les stations de pompage font l’objet de beaucoup d’attention de la part des constructeurs de centrales électriques ; on trouvera, en général, à l’amont des pompes d’alimentation : des dégrilleurs automatiques « grossiers », des dégrilleurs « fins », des tambours filtrants ou des grilles rotatives (figure 8). Les débits à traiter et les contraintes d’exploitation nécessitent des équipements importants, fabriqués selon des normes extrêmement sévères, et, si nécessaire, répondent à la qualification.

L’industrie

On trouvera dans ce secteur d’activité toute la gamme des équipements de filtration pour répondre aux besoins très variés.

variés des utilisateurs. Certaines prises d’eau brute sont tout à fait similaires aux prises d’eau de centrales électriques et font appel à des débits très élevés (chimie, pétrole, …) (figure 3). La filtration sous pression sera également souvent utilisée pour des débits pouvant atteindre 3 000 m³/h.

L’irrigation de périmètres agricoles

Les nombreuses stations de pompage disséminées sur le périmètre à irriguer font appel principalement aux tambours et grilles rotatives quelquefois précédés de dégrilleurs. On trouvera principalement deux mailles de filtration, l’une utilisée en irrigation par aspersion, l’autre en irrigation au goutte à goutte (figure 9). Il arrive également de pratiquer, dans ce domaine, une filtration sous pression, à l’aval des pompes.

LES TECHNIQUES DE DÉGRILLAGE

La grille à barreaux, placée perpendiculairement à l’écoulement, peut être dégrillée, soit par l’amont, soit par l’aval, suivant les dispositions suivantes :

• - Le dégrillage par l’aval, développé en premier, est associé à un entraînement continu, au moyen de chaînes et pignons, de plusieurs peignes de raclage fixés à distance régulière sur la chaîne sans fin. Les dents des peignes de raclage traversent totalement la grille à barreaux, avec un mouvement ascendant (figure 10).

  [Photo : Dégrillage par l’aval.]

  Ce type de dégrilleur est moins bien adapté à l’extraction de gros déchets. Il n’est pas recommandé pour dégriller sur des hauteurs d’eau importantes, car chaque barreau de la grille ne peut être tenu qu’à la base et au sommet du dégrilleur. Enfin, l’entrefer est difficilement respecté dès que la hauteur du dégrilleur atteint plusieurs mètres.

  Ce dégrilleur convient à des canaux de faible profondeur (figure 11). Des perfectionnements ont été apportés pour pallier ces inconvénients ; cependant, ils conduisent à une complication du dégrilleur et à un coût plus élevé.

  [Photo : Dégrilleur par l’aval, 5 400 m³/h, 20 mm, largeur 2 m, hauteur de grille 2,50 m.]

• - Le dégrilleur par l’amont permet de s’affranchir de ces limites. Il est équipé d’une poche qui descend en position ouverte à l’amont de la grille, et qui, en position fermée, relève les déchets (figure 12). La poche se ferme de son propre poids au pied de la grille et remonte le long de celle-ci ; elle est équipée de dents de raclage qui pénètrent partiellement entre chaque barreau.

  Du côté aval de la grille, les barreaux sont fixés à des raidisseurs soudés perpendiculairement ; la grille est ainsi totalement rigide : les barreaux sont fixes les uns par rapport aux autres, et l’entrefer est garanti.

  Le mouvement vertical alternatif de la poche peut être effectué par des câbles en acier inoxydable, ce qui supprime toute partie mécanique immergée (pignons, chaînes, paliers…).

  Si le canal est profond, il est possible de limiter la hauteur de la grille, un tablier métallique remplaçant avantageusement la grille dans la partie supérieure. Il est alors possible de réaliser des dégrilleurs pour des profondeurs de canal supérieures à 10 mètres.

  [Photo : Les différentes phases du cycle de dégrillage par l’amont.]

• Le dégrilleur par l'amont à fermeture de poche « positive ». Ce type de dégrilleur est équipé d'une poche manœuvrée par un vérin fixé directement sur celle-ci (figure 13). La fermeture de poche se fait sous la pression exercée par le vérin ; ce type de dégrilleur est recommandé pour répondre à des conditions d'utilisation sévères ou pour être installé sur des canaux de grandes dimensions.

• Le dégrilleur à grille courbe, qui tend à disparaître, sauf pour de très faibles débits (inférieurs à 200 m³/h). La grille à barreaux a la forme d'un quart de cercle ; le raclage est réalisé de bas en haut, au moyen d'un bras soumis à un mouvement rotatif.

• Le dégrilleur mobile, constitué d’une part d'une grille de grande dimension, d’autre part d'un ensemble mobile, effectuant le dégrillage pas à pas en se déplaçant sur toute la largeur des grilles pour chaque cycle de dégrillage. En cas de panne de l'ensemble mobile, la totalité de la grille reste donc non dégrillée.

Cette technique peut être intéressante lorsque la fréquence du dégrillage est hebdomadaire.

Dans tous les cas, on aura soin de bien déterminer l’entrefer nécessaire, les conditions d'implantation et d’exploitation du matériel, de vérifier la qualité des matériaux constitutifs et la protection de surface de ces équipements installés à l’extérieur et dans un environnement difficile.

LES TECHNIQUES DE FILTRATION PAR TAMBOURS ET GRILLES ROTATIVES

Le tambour rotatif est constitué d'une structure métallique en cage d’écureuil dont le diamètre est en général supérieur à la hauteur (figure 14). Il est partiellement immergé dans le canal et l'axe de rotation est parallèle à l'écoulement de l'eau (figure 5). Les panneaux filtrants sont fixés sur la périphérie de la structure. Le sens de filtration se fait de l’extérieur vers l’intérieur pour une maille de filtration supérieure à 500 microns. Il se fait de l’intérieur du tambour vers l’extérieur pour une filtration fine.

En marche normale, l’eau traverse le tambour, celui-ci étant à l'arrêt. Lorsque le colmatage des panneaux immergés entraîne une perte de charge supérieure à une valeur présélectionnée, le tambour se met automatiquement en rotation et les panneaux filtrants sont lavés à contre-courant. Les eaux de lavage correspondent à environ 10 à 15 m³/h par mètre de longueur de tambour. La pression de l'eau de lavage est contrôlée.

Les paramètres essentiels de dimensionnement des tambours et des grilles rotatives sont :

— la vitesse de filtration pour la maille retenue ; celle-ci détermine la surface nette filtrante nécessaire. Le constructeur peut alors calculer la surface brute, compte tenu de l’indice de vide des panneaux filtrants, et ainsi dimensionner le tambour ou la grille ;

— la vitesse de sortie de l'eau filtrée, qui ne devra pas excéder une valeur limite bien déterminée.

Les grilles rotatives sont une extrapolation des tambours, pour s’adapter à de grandes profondeurs de canaux. Les panneaux filtrants y sont fixés de façon continue et montés sur deux tourteaux de tête entraînés par un moto-réducteur. Certains constructeurs proposent encore des grilles avec tourteaux de tête et de fond, ce qui nécessite des précautions contre tout risque de panne ou de corrosion sur la mécanique restant en permanence immergée (figure 15).

Les grilles rotatives peuvent être à simple flux ou à double flux (figure 2). Les grilles à double flux présentent les avantages suivants :

— filtration de l'eau sur les deux côtés de la grille (donc, à même surface filtrante, une grille double flux sera plus petite qu'une grille simple flux, et donc plus économique) ;

— équilibre des pressions sur les deux côtés de la grille, ce qui supprime certaines contraintes mécaniques inhérentes à la technique « simple flux ».

En fait, la technique du double flux tend à supplanter celle du simple flux.

Les grilles rotatives à double flux connaissent ainsi un essor important, aussi bien pour de faibles débits et des mailles de filtration importantes que pour des débits très importants et des mailles de quelques centaines de microns.

L’étanchéité est réalisée par des joints discontinus ou modulaires, solution acceptable pour une filtration grossière, supérieure à plusieurs millimètres. Pour des filtrations fines, l'étanchéité par joint continu est préférable car elle évite le contournement de particules indésirables qui peuvent toujours passer entre les joints discontinus.

La vitesse de sortie de l'eau est un critère également important et quelques constructeurs ont développé des grilles en forme de poire afin d’augmenter l’orifice de sortie de l'eau.

Les tourteaux peuvent avoir des dents rapportées en acier traité. L’évolution de la technologie des chaînes d’entraînement permet aujourd’hui de disposer de tourteaux sans dents rapportées, avec une égale fiabilité et à un moindre coût.

Sur un tambour ou une grille de dimension déterminée, le débit qu’il est possible de traiter diminuera si la finesse de filtration augmente. En effet, pour une surface de filtration donnée, la vitesse de filtration diminue lorsque la finesse de filtration augmente.

La connaissance des vitesses à respecter et l’expérience du constructeur seront des garanties importantes pour l’utilisateur de ces matériels.

LA FILTRATION MÉCANIQUE SOUS PRESSION

Elle a pour but de filtrer en ligne et de façon continue et automatique un débit d’eau sous pression. Les pressions d’entrée sont généralement de l’ordre de 5 à 10 bars ; cependant, des pressions plus fortes (25 bars et plus) peuvent être à considérer. Chaque constructeur a développé sa propre technique. On exposera celle utilisée par un constructeur français.

Le filtre est un cylindre à axe vertical équipé d’une cage d’écureuil filtrante cylindrique et coaxiale. Un récepteur relié à la pression atmosphérique permet d’extraire les déchets accumulés sur la grille, par lavage à contre-courant sur un angle de quelques degrés. La mise en rotation et la mise à la pression atmosphérique du récepteur se font automatiquement en fonction de la perte de charge contrôlée au travers du filtre. Le lavage à contre-courant utilise la pression de l’eau filtrée par rapport à l’atmosphère.

Ce principe original permet de réaliser des filtres capables de traiter jusqu’à près de 5 000 m³/h selon la finesse de filtration, la maille de filtration pouvant varier de 5 mm à 100 microns.

Lorsque la perte de charge est inférieure à la valeur déclenchant le lavage, le rendement du filtre est de 100 % aux fuites près ; lorsque le lavage est en cours, le rendement du filtre est de l’ordre de 95 %. Si, pour des raisons liées à l’utilisation, le lavage se fait en continu, le rendement peut baisser jusqu’à 92 % environ. Sur un filtre propre, la perte de charge sera de l’ordre de 3 à 5 cm de colonne d’eau suivant les tailles des filtres et les débits traités.

Il existe des matériels plus simples, spécifiques de la filtration sous faible pression (environ 1 à 1,5 bar) et à faible débit.

LA FILTRATION SUR LIT DE SABLE ET SOUS PRESSION

Le filtre est constitué d’un réservoir cylindrique à fonds bombés, à axe horizontal ou vertical (selon la taille). Il est utilisé, comme tout filtre à sable, pour parfaire la filtration d’une eau contenant au maximum 50 mg/l de MES. Selon les vitesses de filtration adoptées, on pourra retenir toutes les MES supérieures à 15 à 20 microns. Les pressions dépassent rarement 5 à 6 bars.

Les vitesses de filtration sont de l’ordre de 10 m/h, cependant, elles peuvent être supérieures en fonction de l’origine de l’eau et de la finalité recherchée. Le choix de la vitesse de filtration est important car il détermine la surface filtrante et la dimension du filtre : ainsi, à 10 m/h, un filtre vertical de 2 mètres de diamètre permettra de passer 30 m³/h.

Le filtre est constitué d’un matelas de sable maintenu sur un plancher équipé de crépines de drainage. L’épaisseur de sable (généralement de l’ordre de 1 mètre) et la nature du sable sont des critères importants d’efficacité. On choisira un sable de rivière criblé, non concassé, de granulométrie soigneusement contrôlée. Au fur et à mesure du temps passé, le sable se charge des impuretés de l’eau et la perte de charge du filtre augmente en conséquence.

Au-delà d’une certaine valeur, la filtration est arrêtée pour laver le sable à contre-courant. Cette opération se déroule en deux phases :

• — première phase : détassage. On injecte à contre-courant du filtre de l’air surpressé et de l’eau filtrée. L’injection se fait au moyen des crépines de drainage, et à contre-courant de la filtration ;
• — deuxième phase : lavage à grand débit réalisé avec de l’eau filtrée. La totalité de l’opération dure de 20 à 30 mn. Elle sera réalisée manuellement ou de façon automatique. Pendant ce temps, la filtration de l’eau sera arrêtée.

Le concepteur d’un projet devra tenir compte de ces nécessités pour le dimensionnement du ou des filtres : débit du filtre supérieur au débit moyen, volume tampon d’eau traitée disponible pour l’utilisation et pour le lavage du filtre. Certains utilisateurs préfèrent un fonctionnement basé sur minuterie et n’utilisent l’indication de perte de charge qu’à titre de sécurité. Ce type de fonctionnement conduit à une plus grande consommation d’eau de lavage, mais facilite l’utilisation du filtre.

L’eau peut, avant filtration, subir une floculation afin de retenir plus facilement les MES.

Il est possible de filtrer beaucoup plus finement un liquide : ainsi, certains constructeurs commencent à intervenir au-dessous du micron, venant compléter la panoplie des techniques et des matériels de filtration qui sont mis à la disposition des concepteurs et des utilisateurs.