Une innovation technologique : le module de filtration régulation pour piscines publiques

Jacques LAMOTTE

Institut de la Filtration et des Techniques Séparatives

Un constructeur de filtres pour piscines publiques, afin de faire face aux futures normes européennes en matière de qualité d’eau de loisirs, et afin de disposer d'une technologie nouvelle, confie en 1989 à l'IFTS la mission d’étudier et de mettre au point la réalisation d'un filtre gravitaire.

Équipement traditionnel des piscines

L'installation de traitement d’eau d’une piscine publique groupe, comme l’illustre la figure 1, un certain nombre d’éléments :

- un bassin pourvu sur un, deux, trois ou quatre côtés d’un réseau de goulottes pour assurer l’écrémage, équipées d’une grille de recouvrement ;
- un réseau de canalisations récupérant les eaux recueillies par ces goulottes ;
- un bac-tampon maçonné récupérant les eaux véhiculées gravitairement par les canalisations ci-dessus et recevant de temps en temps, par une canalisation raccordée au réseau d’eau de ville, de l'eau destinée à compenser l’évaporation. Le bac-tampon permet aussi de réguler le niveau des eaux dans le bassin en fonction du nombre de baigneurs, et permet leur débordement dans les goulottes ;
- une installation de filtration et de traitement chimique comprenant :  
  — un ou plusieurs filtres,  
  — un réchauffeur,  
  — une unité d’injection de produits de traitement dans l’eau de retour vers le bassin,  
  — une ou plusieurs pompes de recyclage, qui aspirent l'eau dans le bac-tampon et la refoulent dans l’installation de filtration, en compensant les pertes de charge dues à l'encrassement du filtre, ainsi que celles des équipements se trouvant sur les canalisations, notamment l’échangeur de chauffage, les clapets, les vannes, ou les préfiltres.

Les inconvénients du système

Le bac-tampon, d’une part, et l’ensemble pompes/filtre, d’autre part, sont fonctionnellement et physiquement dissociés, ce qui oblige à des travaux de génie civil importants, accrus par la nécessité de dimensionner largement le bac-tampon pour qu'il remplisse convenablement sa fonction de régulation.

De plus, le débit de renouvellement de l’eau dans le bassin est fortement tributaire de l’encrassement du filtre situé en aval des pompes, si bien que ce débit baisse en même temps que le filtre s’encrasse. Enfin, la législation oblige à maintenir un débit minimum de recyclage de l'eau du bassin, ce qui implique l’augmentation de la puissance des pompes pour assurer cette fonction.

L'idée de base du nouveau principe de filtration découle de ces constatations. Les problèmes techniques que posent la réalisation et le raccordement des bacs-tampons sur l’installation de traitement d’eau sont les principales raisons qui ont conduit à imaginer un dispositif intégrant la fonction de régulation du débit au système de filtration, en simplifiant ainsi la conception du circuit hydraulique.

Les dispositions du nouveau filtre gravitaire que nous avons mis au point sont reportées schématiquement sur les figures 2 et 3, détaillées ci-après.

L'eau provenant par gravité du débordement du bassin depuis le réseau de goulottes est récupérée dans le ou les modules et arrive sur le « filtre gravitaire ouvert » (A).

Par débordement, la quantité d’eau non absorbée par le filtre (et donc le surplus d’eau dû à la plus ou moins grande fréquentation du bassin par les nageurs) se déverse dans la partie « bac-tampon » (B) en attente de filtration.

L'eau de ce bac est relevée puis déversée dans le filtre par une pompe de recirculation (C) dès que le niveau du filtre s'abaisse, de sorte que le filtre travaille en permanence à charge constante.

L'eau brute est filtrée en flux descendant à travers une masse de filtration bicouche (hydro-anthracite et sable). Après filtration, l'eau est amenée dans un bac inférieur (D). Le bon fonctionnement du système impose que la fil…

La filtration se fait à débit constant, ce qui est réalisé grâce à une vanne de régulation (E) qui permet à tout moment le passage d’une quantité d’eau filtrée vers le bac inférieur, égale à la quantité d’eau refoulée dans le bassin par la pompe principale (F), située à l’aval du module filtrant.

Dans ces conditions de fonctionnement originales, le choix de la pompe principale peut être optimal, puisque la hauteur d’aspiration et les pertes de charge au refoulement sont faibles et constantes dans le temps ; son choix peut donc être optimisé.

Les avantages du système

L’originalité principale du module est de rassembler dans un seul ensemble compact les fonctions : tampon, filtration et traitement des eaux de recyclage.

Cette caractéristique innovante présente plusieurs avantages :

Avantages techniques

• manutention et installation simplifiées ;

• suppression des risques d’erreur hydraulique entre le circuit pression et le circuit gravitaire ;

• suppression des erreurs de conception du bac-tampon (volume, forme, implantation) ;

• filtration gravitaire ouverte à charge et à débit constants procurant une meilleure qualité de la filtration qu’un filtre sous pression.

Avantages économiques

• suppression des travaux de génie civil coûteux liés à la construction du bac-tampon ;

• compacité de l’installation, ce qui réduit d’autant les liaisons hydrauliques entre les divers éléments du système (tampons-pompes, pompes-filtres, filtres-traitement), et a pour conséquence directe d’éviter des pertes thermiques de l’eau de baignade, en diminuant les surfaces d’échange avec l’air ambiant ;

• maîtrise totale de la circulation de l’eau entre bac-tampon, filtre et installation, évitant toutes pertes d’eau exagérées dues à la mauvaise conception et à la mauvaise installation de l’ensemble bac-tampon et des liaisons bac/pompes, pompes/filtres, et filtre/installation ;

• réduction des coûts d’exploitation, résultant des facteurs suivants :

— compacité du système, — qualité de la filtration, réduisant la consommation de produits chimiques, — chauffage direct de l’eau, sans échangeur, — consommation d’électricité réduite (pompes moins puissantes), — consommation d’eau de lavage réduite ;

• réduction des coûts d’installation : une telle conception intégrée de la filtration et de la régulation de débit permet de réaliser un ensemble remarquablement compact par son volume et ses dimensions. Comme on le voit sur le Tableau 1, cette réduction, dans l’exemple cité, entraîne une économie d’exploitation de 25 % répartie comme suit :

On remarquera que l’économie réalisée sur l’exploitation est loin d’être négligeable, surtout en ce qui concerne l’énergie, où elle avoisine 35 %.

Dans cette étude comparative, il n’a pas été tenu compte des économies réalisées par la suppression des pertes d’eau dues à la mauvaise conception et à la mauvaise installation des piscines actuelles (comme indiqué ci-dessus).

Déroulement du projet

Dans le cadre de cette mission, l’IFTS a assuré une double fonction de sous-traitant technique du projet et de membre associé au développement industriel et commercial du produit. Les différentes étapes qui ont conduit à la mise sur le marché du produit sont décrites ci-après.

Recherche de partenaires financiers et montage des dossiers

Après avoir posé les bases théoriques et financières du projet, l’IFTS, associé à la CCI 66, a aidé l’industriel pour la constitution du dossier d’API auprès de l’ANVAR.

Étude technique

Durant cette phase, l’IFTS a réalisé le développement du concept innovant. En parallèle, un état de l’art a été réalisé pour aboutir au dépôt d’un brevet français et européen. L’objectif principal de cette étude a été de montrer la faisabilité du système : pour cela, un pilote expérimental à l’échelle a permis de réaliser la validation et l’optimisation des différents éléments du brevet. Au cours de cette étape, une pré-évaluation des économies d’énergie engendrées par le produit a permis d’associer l’AFME comme partenaire financier.

Tableau I – Comparaison des coûts d’exploitation

(sur la base d’un bassin public couvert de 25 × 12,50 m)

Pré-industrialisation

La prise en charge de la coordination des opérations à mener pour aboutir à l’industrialisation du filtre a été confiée à un cabinet d’expertise qui a lancé les opérations suivantes avec l’aide de l’IFTS :

• une mission d’étude du marché européen, et de recherche de partenaires commerciaux à l’étranger,
• une mission d’étude du design du produit en vue de sa commercialisation et d’intégration dans le cadre des piscines,
• une mission de recherche et d’étude sur le matériau à mettre en œuvre dans la construction des prototypes industriels.

Cette phase a abouti à la construction de deux modules prototypes destinés aux essais en grandeur réelle sur une piscine municipale. Dans ce cadre, le projet a obtenu une aide financière du Ministère de la Jeunesse et des Sports, en raison du caractère démonstratif de l’opération.

Industrialisation et commercialisation

La phase ultime du projet en cours doit permettre de finaliser les différents éléments du filtre : choix des matériaux et équipements, automatisation des séquences de filtration et lavage, mise en place des structures de fabrication et de distribution.

Conclusion

Aux avantages financiers (baisse de coûts d’exploitation) et technologiques de mise en œuvre vient se rajouter l’intérêt majeur de la filtration gravitaire rapide. L’utilisation de cette technique, bien connue et maîtrisée par ailleurs dans le domaine des eaux potables, contribue de façon significative à l’amélioration de la qualité des eaux de piscines et donc au confort des baigneurs.