Sur les filtres à sable classiques, deux opérations sont très difficiles à réaliser ; ce sont, respectivement : la filtration mécanique simple d’eaux très chargées et la filtration/contact (coagulation avec filtration simultanée) d’eaux, quelles que soient leurs charges. Dans ces deux cas, il est indispensable d’adjoindre au filtre à sable un débourbeur préalable (lui-même précédé d’un floculateur, s’il s’agit de filtration contact), de façon à éviter le colmatage rapide de la portion de sable située au niveau de l’admission des eaux dans le filtre.
Une invention suédoise, le filtre continu, grâce à un procédé breveté de circulation permanente du média filtrant, contourne ces difficultés, en permettant au filtre de fonctionner seul, sans débourbeur ni floculateur préalables.
Nous proposons ci-après une présentation du filtre, suivie par des exemples types d’applications choisis dans les domaines de la production d’eau potable ou d’eau de procédés et dans celui du traitement des eaux usées urbaines et industrielles.
PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT
L’appareil est représenté schématiquement sur la figure 1.
L’eau brute arrive par le sommet de l’appareil (A), puis est distribuée dans le lit de sable par un répartiteur symétrique (B).
Elle remonte au travers de la couche filtrante (C) qui retient les particules solides. Le liquide clarifié sort de la couche de sable et franchit un déversoir (D) avant de sortir du filtre (E).
Dans la partie inférieure, un air-lift, fonctionnant par injection d’une faible quantité d’air dans un tube vertical (F), aspire eau, sable et particules solides. Pendant son ascension, le mélange entraîné subit un brassage très intense qui assure le nettoyage mécanique des grains de sable. Au sommet de l’air-lift (G), l’air s’évacue et le mélange eau, sable et particules solides se déverse dans le compartiment de séparation (I).
Le niveau fixe du déversoir (D) du filtrat est inférieur à celui réglable (J) du compartiment de séparation (I). Cette différence de charge crée un courant ascendant de filtrat dans la chambre de lavage (H). Le débit de ce courant est réglé par la position du déversoir (J), de façon telle que la vitesse ascensionnelle de l’eau soit supérieure à la vitesse de décantation des impuretés (fines et légères), mais inférieure à celle de décantation des grains de sable (plus gros et plus lourds). Le sable peut donc traverser la chambre de lavage (H), s’y nettoyer à contre-courant et retomber sur le dessus de la couche filtrante. Par contre, les impuretés de plus faible densité sont entraînées par-dessus le déversoir réglable (J) vers la sortie de purge (K).
Le mouvement permanent du sable dans l’appareil se traduit par un renouvellement continu de la portion de lit filtrant située directement au niveau de l’arrivée des effluents, ce qui permet deux modes de fonctionnement pratiquement impossibles à réaliser avec des filtres à sable conventionnels :
- — filtration mécanique d’effluents très chargés (jusqu’à 0,8 g/l) ce qui, sur des filtres conventionnels, conduit à multiplier de façon inacceptable les cycles de décolmatage ;
- — filtration/contact (avec floculation réalisée directement dans l’appareil), laquelle, dans les filtres classiques, conduit à un colmatage très rapide du lit au niveau de l’alimentation et oblige là encore à multiplier les cycles de décolmatage.
C’est donc dans ces deux cas précis d’application que le filtre continu montre une supériorité incontestable par rapport aux filtres conventionnels.
À noter également que la construction et la conduite de l’appareil sont très simples par comparaison avec les filtres à sable classiques : par exemple, puisqu’il n’y a pas de lavage à contre-courant du lit filtrant, il y a suppression de la pompe de lavage, du bassin de stockage des eaux de lavage et du système d’automatisation.
Le filtre* se présente sous la forme d’une cuve cylindro-conique (figures 1 et 5) dans laquelle les débits traités peuvent atteindre environ 50 m³/h par unité. Dans le cas de débits plus élevés, on peut en placer plusieurs en parallèle ou utiliser une conception modulaire à partir d’éléments insérés dans une structure bétonnée de forme multi-hexagonale (figure 2).
QUELQUES EXEMPLES DE FILTRATION MÉCANIQUE SIMPLE D’EFFLUENTS CHARGÉS
Papeterie (eaux blanches)
Le filtre continu est utilisé en papeterie pour le traitement des eaux blanches de la machine, en vue de leur réutilisation comme eau de lavage des tamis et des toiles, ou comme eau de presse-étoupe, ce qui permet tout à la fois une économie d’eau, un traitement de la pollution, ainsi qu’une économie d’énergie lorsque l’eau recyclée est chaude.
Les résultats typiques obtenus sur les eaux blanches en sortie de décanteur statique sont portés au tableau 1 (le décanteur reste indispensable pour cette application car les eaux blanches peuvent contenir jusqu’à 2 g/l de MES, ce qui est au-delà des possibilités du filtre continu).
Tableau 1
| Vitesse de filtration : | 8-15 m/h |
| MES eau décantée : | 30 à 50 mg/l avec pointes à 500 mg/l (constitution des MES : 60 à 75 % de charges, 25 à 40 % de fibres) |
| MES filtrat : | 5-14 mg/l |
Industrie chimique (saumures)
Les saumures de production de chlore par électrolyse sont facilement filtrées par l’appareil ; les résultats obtenus figurent au tableau 2.
Tableau 2
| Vitesse de filtration : | 12 m/h |
| Saumure brute MES : | 60-80 mg/l (sel gemme) |
| Saumure filtrée MES : | 2-4 mg/l |
| Vitesse de filtration : | 12 m/h |
| Saumure brute MES : | 10-30 mg/l (sel raffiné) |
| Saumure filtrée MES : | 0,5-3 mg/l |
Fermes marines
Il s’agit de la filtration des eaux d’écloseries des élevages industriels de poisson (saumon et anguilles). Une vingtaine d’unités sont en service, sur cette application, dans les pays scandinaves.
EXEMPLES DE FILTRATION-CONTACT
La coagulation/floculation dans un lit de sable est un procédé extrêmement efficace puisque l’eau à traiter doit traverser les flocs déjà arrêtés et qu’il y a une grande probabilité de rencontre et d’agglomération des microflocs. La séparation s’effectue donc pour une taille de flocs plus petite que celle demandée par un bassin de décantation et il s’ensuit une diminution de la demande en réactif, pouvant permettre des économies jusqu’à 30 %. De même, le temps de réaction nécessaire au bon fonctionnement du lit est de 2 à 5 minutes seulement, alors qu’il est de 20 à 40 minutes pour les floculateurs classiques. Cependant, malgré son intérêt théorique, la filtration-contact est actuellement peu utilisée car elle conduit à un colmatage rapide de la portion de sable située au niveau de l’arrivée des eaux ; le procédé est donc peu compatible avec les servitudes de fonctionnement des filtres à sable conventionnels.
Cette difficulté est résolue par notre filtre dont le mode de fonctionnement permet la coagulation/floculation directement dans le lit filtrant sans aucun risque de colmatage, même avec des eaux très chargées.
Lorsqu’une coagulation est nécessaire avant le filtre, le concepteur dispose donc maintenant de deux filières possibles : soit un filtre conventionnel précédé d’un floculateur et d’un débourbeur, soit un filtre continu seul, ce qui peut conduire à une réduction de 80 % du volume des installations.
La figure 3 montre la différence d’encombrement entre ce dernier et un système classique comprenant coagulation/floculation, débourbeur et filtre.
Préparation d’eau potable à partir d’eau de surface
Le schéma type de l’installation est celui de la figure 4 : les réactifs sont dosés directement dans la tuyauterie d’alimentation ; un mélangeur statique assure une homogénéité optimale du mélange : la coagulation, la floculation et la séparation se produisent simultanément dans le lit de sable. La qualité de l’eau est mesurée par un turbidimètre. Le dosage des réactifs (par exemple : sulfate d’alumine ou chlorure ferrique), est proportionnel au débit. Une régulation du pH peut y être ajoutée.
*Le filtre à sable continu est produit sous la marque Dynasand
Le tableau 3 résume les résultats obtenus lors de quatre essais de production d’eau potable à partir d'eau de surface, effectués en Suède, sur des unités pilotes d’au moins 1 m², et pendant des durées de deux semaines à trois mois. Dans tous les cas, l'eau produite a correspondu à la réglementation suédoise sur la qualité des eaux potables.
Tableau 3 : production d’eau potable à partir d’eau de surface par filtration-contact.
Résultats obtenus lors de quatre essais
| Lieu et type d'eau | Vitesse de filtration (m/h) | Alum (mg/l) | NaOH (mg/l) | Eau brute Couleur Valeur KMnO₄ (mg/l Pt) | Eau brute Turbidité (FTU/JTU) | Eau filtrée Couleur Valeur KMnO₄ (mg/l Pt) | Eau filtrée Turbidité (FTU/JTU) | Al. résiduel (mg/l) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Hofors, Suède – Eau de lac | 12 | 31 | 40 | 7,5 | 1,8 | < 5 | 2,4 | 0,22 |
| Växjö, Suède – Eau de lac | 8 | 43 | 11 | 8 | 2,0 | < 5 | 2,2 | 0,30 |
| Bocknäs, Suède – Eau de lac | 6,5 | 52 | — | 10,5 | 5,0 | 8 | 3,5 | 0,33 |
| Habo, Suède – Eau de lac | 8 | 32 | 25 | 5,8 | 3,5 | < 5 | 2,2 | 0,35 |
Outre les résultats figurant sur le tableau, plusieurs mesures ont également porté sur l’efficacité de la filtration vis-à-vis de matières en suspension introduites artificiellement dans l’eau brute. On a pu ainsi mesurer, en sortie de filtre, des valeurs inférieures à 1 JTU pour des eaux de surface auxquelles on avait ajouté 200 ppm d’argile, ceci pour une vitesse de filtration de 8 m/h et avec utilisation de 15 mg/l de Fe³⁺ ajoutés sous forme de chlorure ferrique.
À la suite de ces essais, plusieurs installations définitives ont été réalisées et mises en service en Suède pour la préparation d’eau potable à partir d'eau de surface. Par exemple, la figure 5 ci-après montre l'installation de Balsta (Suède) qui produit 300 m³/h d'eau potable à partir d'eau de lac.
Préparation d’eau de procédé à partir d’eau de surface
Le schéma de l’installation est le même que celui utilisé pour l’eau potable et représenté sur la figure 4.
Le tableau 4 résume les conditions de fonctionnement et les résultats obtenus en Suède dans deux installations industrielles et sur un site d’essai.
Tableau 4 : production d'eau industrielle en Suède par filtration-contact à partir d'eau de surface
| Lieu et type d’eau | Vitesse de filtration m/h | Alum mg/l | NaOH mg/l | Couleur mg Pt (Eau brute) | Valeur KMnO₄ mg/l (Eau brute) | Turbidité FTU/JTU (Eau brute) | Couleur mg Pt (Eau filtrée) | Turbidité FTU/JTU (Eau filtrée) | Valeur KMnO₄ mg/l (Eau filtrée) | Al résiduel mg/l |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Raffinerie de pétrole Nynas, Suède | ||||||||||
| Alimentation d’eau de chaudière – Débit : 108 m³/h – En service depuis 1982 – Eau de lac | ||||||||||
| 8 | 39-40 | 10 | 25-70 | 5-15 | 15-20 | ≤ 5 | ≤ 3,3 | 0,2-0,4 | < 0,05 | |
| Papeterie Billerud, Suède – Débit : 530 m³/h – En service depuis 1983 – Eau de lac | ||||||||||
| 10-12 | 40-75 | ≤ 10 | 30-90 | 7,5-10 | 2-4 | < 5 | 3 | 0,2-0,5 | ≤ 0,1 | |
| Papeterie Hallsta, Suède – Essai pilote | ||||||||||
| 8 | 150 | 10 | 100 | 16 | 9,8 | < 5 | 3,5 | 0,55 | 0,1 | |
| 7 | 80 | 3 | 105 | 17 | 11 | < 5 | 4,2 | 0,50 | 0,11 |
Dans les trois cas, la vitesse de filtration est de 6 à 12 m/h et, en général, les résultats sont très similaires à ceux obtenus en préparation d’eau potable. Même aux Papeteries de Hallsta, où l’eau brute est très colorée et très réductrice : 75-100 mg/l Pt et 16 mg/l d’oxydabilité, les qualités correspondantes respectives de l'eau traitée sont excellentes : 5 mg/l Pt et 3,5-4,2 mg/l d’oxydabilité.
* * *
Tableau 5 : production d'eau industrielle aux USA par filtration-contact à partir d’eau de surface. Résultats
| Lieu et type d’eau | Vitesse de filtration m/h | Dosage | Turbidité ppm (Eau brute) | MES NTU (Eau brute) | Turbidité NTU (Eau filtrée) | MES ppm (Eau filtrée) | Qualité de l’eau potable distribuéeTurbidité NTU |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Détroit – Edition USA | |||||||
| Production d'eau de turbine à vapeur | |||||||
| 15 | 9-10 alum | 6,3 | 6,4 | 0,5 | 0,45 | 0,71 | |
| 15 | 2 alum | 7,6 | 8,7 | 0,37 | 0,13 | 0,40 | |
| Essai | |||||||
| 5 | 2 alum | 6,2 | 7 | 0,37 | 0 | — | |
| Raffinerie Good Hope – USA – Essai | |||||||
| 15 | 5 polyelec-trolyte | 105-110 | 0,8-0,9 | 0,9-1,3 | — | — | |
| 15 | 8 | 89-93 | 0,9-1,3 | — | — | — | |
| 10-12 | 4-5 | 54-57 | 0,5-1,4 | — | — | — | |
| 13 | 2-3 | 38-40 | 0,4-0,6 | — | — | — | |
| 13 | 1-2 | 38-41 | 0,4-0,5 | — | — | — | |
| 16-17 | 0,7-1,4 | 42-43 | 0,5 | — | — | — |
Le tableau 5 rassemble les résultats de deux essais de filtration-contact d’eau de rivière effectués aux USA. Dans ces exemples, la vitesse de filtration atteint, et même dépasse, 15 m/h. Dans l’un des cas, le réactif est du sulfate d’alumine, dans l’autre, un polymère organique. Avec le sulfate d’alumine, la turbidité est réduite à 0,4 NTU ; l’eau filtrée est identique, de ce point de vue, à l’eau distribuée par le réseau d’eau potable. Avec le polymère, la fourchette est de 0,4 à 1,4 NTU en sortie de filtre pour 50 à 100 NTU sur l'eau brute.
* * *
Traitement tertiaire d’eaux usées urbaines
On voit, sur la figure 6, le schéma d’une installation où l’eau usée urbaine, épurée biologiquement, est coagulée sur filtre continu, au sulfate d’alumine pour réaliser un traitement physico-chimique de déphosphatation. Les résultats typiques obtenus sont présentés par les courbes de la figure 7.
Le dosage d’alun est de 70-80 ppm. Alors que la teneur en MES de l’eau brute était de 40-60 ppm (après coagulation), celle de l'eau filtrée est descendue à 0,3 ppm. En général, ce rendement est supérieur à 97-98 % ; sur le phosphore on obtient 90 à 99 %, ce qui correspond à des teneurs résiduelles en sortie de filtre de 0,05 à 0,3 ppm.
De nombreuses installations correspondant à cette application sont déjà en service en Suède, Norvège et Suisse. Certaines ont fonctionné de façon satisfaisante, avec des teneurs en matières en suspension pouvant atteindre des pointes de 100 mg/l avant coagulation.
Le tableau 6 donne les résultats obtenus dans quelques sites de Suède.
* * *
Traitement d’eaux usées industrielles
Traitement de surface
Les eaux usées de l’industrie de traitement de surface peuvent être neutralisées, après précipitation des hydroxydes métalliques et traitement sur une chaîne de décantation / filtration suivant les dispositions de la figure 8. Les résultats obtenus sont représentés sur le tableau 7.
Tableau 6 : résultats du traitement tertiaire d’eaux usées urbaines par filtration-contact après épuration biologique
| Lieu | Vitesse de filtration en m/h (moyenne et maximale) — type de réactif | Qualité requise (mg/l) | Résultats obtenus (mg/l) |
|---|---|---|---|
| Bergshamra/Suède (alun) | 5-10 | DBO₅ : 15 ; Ptotal : 0,5 | DBO₅ : 2-3 ; Ptotal : 0,1-0,2 |
| Grisslehamn/Suède (alun) | 5-10 | Ptotal : 0,5 | Ptotal : 0,15 |
| Messlingen/Suède (alun) | 5-10 | DBO₅ : 15 ; Ptotal : 0,5 | DBO₅ : 1-3 ; Ptotal : 0,1 |
| Lofsdalen/Suède (alun) | 5-10 | DBO₅ : 60 % RED ; Ptotal : 0,3 | DBO₅ : > 90 % RED ; Ptotal : 0,14-0,23 |
| Essvik/Suède — essai (FeCl₃) | 10-20 | — | Ptotal : < 0,3 |
Tableau 7 : performances types obtenues sur hydroxydes métalliques en « polissage » des effluents résiduaires des ateliers de traitement de surface et de galvanoplastie
| MES entrée (ppm) | Vitesse de filtration (m/h) | MES sortie (ppm) |
|---|---|---|
| 20-30 | ≤ 12 | < 2-3 |
| 30-60 | 5-6 | 5 |
| 60-100 | 4-5 | 5-10 |
| 100-150 | 3-4 | < 10 |
Industrie métallurgique
Les eaux des laminoirs à chaud et des fonderies continues sont utilisées pour le refroidissement et le transport. Elles peuvent être réutilisées après un traitement qui en élimine les bavures, les huiles et les graisses. En suivant les dispositions figurant sur le schéma de la figure 9, l’on peut remarquer que les eaux de purge des filtres sont épaissies dans un clarificateur dont la surverse est elle-même recyclée.
L’adjonction de polymère au niveau du clarificateur permet d’y accepter de fortes charges. Le polymère résiduaire, réintroduit dans le filtre, en améliore également les performances.
Le tableau 8 résume les performances obtenues dans plusieurs usines métallurgiques : d’une façon générale, les filtrats contiennent habituellement moins de 5 ppm de MES et d’huile.
Tableau 8 : résultats du traitement d’eau de procédé d’industrie métallurgique
| Lieu | Débit nominal (m³/h) | Vitesse de filtration (m/h) | Eau d’alimentation (mg/l de MES) | Eau filtrée (mg/l de MES) |
|---|---|---|---|---|
| Degerfors/Suède | 360 | 20 | 50-100 | < 5 |
| Fagersta/Suède | 450 | 19 | 50 | < 5 |
| Swedish Steel Corp./Suède | 725 | 20 | 50 | < 5 |
CONCLUSION
Grâce au dispositif original et breveté de recirculation continue du média filtrant mis en œuvre dans le filtre à sable continu, de nouvelles possibilités d’application s’ouvrent à la technique de filtration sur sable. Plus de 2 000 appareils de ce type sont déjà en service dans le monde. Les plus grosses installations traitent des débits supérieurs à 1 000 m³/h.
