La filtration sur sable dans le contrôle des eaux : 2ème partie :

8. PRINCIPE D’ACTION DES FILTRES DE SABLES

Les mécanismes suivants peuvent être cités comme principes prééminents de la filtration sur sable :

• a) le tamisage,
• b) la sédimentation,
• c) l’action centrifuge,
• d) la diffusion,
• e) l’attraction massique ou effet des forces de Van der Waals,
• f) l’attraction électrostatique,
• g) la fixation par effet magnétique,
• h) la fixation par effet spécifique.

8.1. Le tamisage.

Le tamisage correspond au mécanisme de fractionnement des solides et des liquides le plus immédiatement accessible à l'imagination. L’action consiste à intercepter les particules plus grosses que les interstices libres laissés entre les grains filtrants des sables. Dans l’hypothèse de grains sphériques, une estimation du vide d'interstice est aisée sur la base du diamètre des grains, en l’occurrence du diamètre spécifique, pour tenir compte de la non-homogénéité de dimension des grains.

La porosité constitue un critère global très important dans la description par tamisage. Pour rappel, la porosité, généralement caractérisée par la lettre e (parfois par p), est déterminée par la formule e = Vl / Vt, où Vt est le volume total ou apparent délimité par la paroi filtrante et Vl, le volume libre entre les particules.

(1) Voir « EAU ET L'INDUSTRIE » – No 34 – Avril 1979 (Numéro Spécial). Première partie de cette étude du Dr W.-J. MASSCHELEIN : Le sable, filtration, pages 55 et suivantes.

par Dr , Directeur à la C.I.B.E. (Direction des Laboratoires, Chaussée de Waterloo 764 B – 1180 BRUXELLES).

Une première observation s'impose immédiatement : la porosité d’une couche filtrante change en fonction du temps d’opération des filtres. En effet, que ce soit par tamisage ou par n’importe quel autre mécanisme de fixation des particules sur le grain du sable filtrant, les grains deviennent plus grands par la fixation même des matières enlevées de l’eau. Corrélativement, les interstices entre grains diminuent. Cet effet est essentiel pour le bon déroulement d’une filtration, en particulier dans le cas des filtres lents où il y a constitution d’un dépôt sous forme de peau ou de glu déposée sur le lit constituant le filtre actif : la Schmutzdecke. Dans cette couche s’opèrent en outre des transformations biochimiques rendant les filtres lents efficaces comme filtre à activité biologique.

Si, pour des raisons d’économie (les filtres se bouchaient), il y avait une tendance ces dernières années à abandonner la filtration lente sur sable au bénéfice de la filtration rapide, on soumet actuellement à une nouvelle investigation l’activité biochimique des filtres. Pour des raisons diverses, sur lesquelles nous reviendrons, celle-ci doit être évitée dans un filtre rapide.

D’autre part, un filtre rapide employé pour la déferrisation et la démanganisation d’eau souterraine nécessite une période de rodage avant d’être efficace. On constate en effet fréquemment qu'une masse filtrante neuve ne donne pas satisfaction. Il serait erroné de conclure d’office à un vice de construction ou de conception des filtres rapides. En règle générale, la filtration ne se déroule de manière correcte qu’après constitution de la masse de sable. Cette constitution comprend un gonflement des grains et, partant, de la masse dans sa totalité, avec une diminution correspondante de la porosité. En effet, les accroissements et gonflements sont dus essentiellement à la formation de dépôts adhérant dans les zones vides entre les grains. Toutefois, il est probable que, dans ce cas, l’effet de porosité n'est que secondaire et que l’amélioration de la filtration dans une masse constituée est due aux phénomènes électrocinétiques du processus chimique de floculation dans les masses filtrantes.

Quoi qu’il en soit, la porosité d’une masse filtrante est un facteur important pour son bon fonctionnement. Cette propriété est la mieux définie expérimentalement, soit

directement, soit par une équation dérivée. À titre indicatif, pour des masses de taille effective supérieure à 0,4/0,5 mm et de diamètre spécifique maximal inférieur à 1,2 mm, la porosité est généralement située entre 40 et 55 % du volume total de la masse filtrante. À noter que les grains sphériques ont une porosité moindre que les grains anguleux. D’après l’expérience que nous avons pu acquérir à la Compagnie Intercommunale Bruxelloise des Eaux dans la station de déferrisation des eaux d'une mine de pyrite à Vedrin/St-Marc (Namur), les filtres à grains anguleux ont une efficacité de filtration déferrisante supérieure à ceux aux grains arrondis. Nous pouvons en déduire que le mécanisme essentiel de ce processus n'est pas la filtration par tamisage.

8.2. Filtration par sédimentation.

La vitesse de sédimentation S d’une particule dans un fluide en régime d’écoulement laminaire est donnée par la loi de Stokes :

S = 19/18 × (Δρ/ν) × D²

ρ = masse volumique de l'eau, Δρ = masse volumique des particules en suspension, D = diamètre des particules, g = 9,81 m/s², ν = viscosité cinématique ; ex. : 10⁻⁶ m²/s à 20 °C.

Dans les interstices des sables filtrants autorisant le transport de l'eau, il existe des zones de moindre vitesse d’écoulement de l'eau, comme indiqué, par exemple, dans la fig. 9.

Dans ces zones de sédimentation, les conditions d’écoulement sont laminaires. Une place est disponible pour le dépôt des boues sédimentables contenues dans l'eau à filtrer. Une estimation des surfaces totales de dépôt disponibles peut être fournie, en première approximation, par les équations suivantes. En supposant des grains sphériques et de diamètre spécifique d₀, le rapport surface- volume devient 6/d₀. La surface totale des grains équivaut ainsi à π × le volume total des grains. Or, pour un volume total de masse filtrante V = 1 m³, le volume des grains est de (1 − la porosité) m³. En d'autres termes, la surface des particules équivaut à la surface spécifique de la couche filtrante multipliée par (1 − e). Il s’ensuit que la surface totale d'une masse filtrante est de 6/d₀ (1 − e) V, où V est le volume total de la masse filtrante. Une estimation pour d₀ = 0,8 mm et la porosité e = 40 % fournit, pour 1 m³ de volume de sable filtrant, une surface totale d’environ 4500 m². C'est à ce rapport surface/volume que correspondent, en moyenne, les couches filtrantes de sable des filtres rapides.

Par contre, pour les filtres lents comprenant des grains de diamètre spécifique 0,25 mm et une porosité de 38 à 40 %, la surface totale des grains par mètre cube de masse filtrante peut atteindre 15 000 m². Quoique la surface interne totale disponible pour la formation de dépôts dans un lit de sable filtrant soit importante, une partie seulement de celle-ci est disponible dans les zones d’écoulement laminaire permettant la formation de dépôts. En règle générale, les matières de masse volumique légèrement supérieure à celle de l'eau, donc de Δρ petit (de 1 % par exemple), sont éliminées par sédimentation lors des processus de filtration. Il peut s’agir en particulier de granules ou particules organiques de densité faible. Par contre, les matières colloïdales d’origine inorganique, boue ou argile, de diamètre de 1 à 10 micromètres par exemple, ne sont éliminées que très partiellement par ce processus. Dans ce cas, les vitesses de sédimentation deviennent insuffisantes par rapport aux surfaces disponibles pour sédimentation.

8.3. Élimination par force centrifuge ou d’inertie à écoulement.

Le trajet suivi par l'eau dans une masse filtrante n’est pas rectiligne. L'eau est forcée de suivre les contours des grains déterminant les interstices. Ces différentes inflexions

sont également imposées aux particules en suspension entraînées par cette eau. L'ensemble de cet effet est illustré dans la fig. 10.

L'effet conduit au rejet des particules dans les zones mortes d’écoulement.

L'action centrifuge est obtenue par les forces d'inertie à l'écoulement ; ainsi les particules de masse volumique la plus élevée sont rejetées préférentiellement. La probabilité de rejet par inertie (Pi) est exprimée par l’équation :

Pi = (ρₚ D² v) / (ν d₀)

ρₚ = masse volumique de la particule, D = diamètre de la particule, v = vitesse de transfert de la particule, ν = viscosité cinématique, d₀ = diamètre moyen des canaux d’écoulement supposés cylindriques.

8.4. La filtration par diffusion.

La diffusion, dont la manifestation microscopique est le mouvement brownien obtenu par les forces d’agitation thermique, est un mécanisme complémentaire dans la filtration sur sable. La diffusion augmente la probabilité des contacts entre les particules mêmes et aussi entre les particules et la masse filtrante. Cet effet intervient aussi bien dans l'eau en mouvement que dans l’eau au repos. Cette action joue un rôle plus significatif dans les mécanismes d’agglomération de particules, comme dans la floculation, y compris la floculation/filtration.

8.5. La filtration par attraction massique.

L'attraction massique entre particules est due aux forces de Van der Waals. Il s'agit de forces universelles contribuant au mécanisme de transport et de fixation des matières. Étant donné que la surface interne des filtres est considérable, la probabilité d'une action attractive est élevée. Toutefois, il s’agit de forces correspondant à une loi en r⁻⁷ dans laquelle r est la distance entre deux particules infiniment petites, atomes par exemple. Pour des particules plus grandes, comprenant plusieurs atomes, l’action répulsive interviendrait à courte distance. Ces forces sont proportionnelles à r⁻⁸ ; autrement dit, le potentiel de Van der Waals (terme énergétique correspondant aux forces attractives et répulsives) est proportionnel à r⁻⁹ et r⁻¹² respectivement. De l'ensemble de ces considérations, on pourrait conclure que les forces de Van der Waals, qui impliquent des distances d’ordre moléculaire, doivent jouer un rôle mineur dans la filtration proprement dite. De plus, elles décroissent très rapidement quand la distance entre supports et particules augmente. Néanmoins, les effets indirects susceptibles de provoquer une agglomération de particules et, dès lors, une sorte de floculation, ne sauraient être négligés et pourraient devenir prépondérants dans le cas de la floculation/filtration ou, d’une manière plus générale, de filtration par floculation.

En se basant sur l'exemple précédent : d₀ = 0,8 mm, ε = 40 %, surface totale = 4500 m²/m³, on en déduit :

r = (0,4 m² / 4500 m²) = 8,8 × 10⁻⁵ m < 100 microns.

L'épaisseur moyenne du film d'eau est dès lors suffisamment petite pour permettre l'intervention des forces attractives.

8.6. Filtration par effets électrostatiques et électrocinétiques.

Les sables filtrants possèdent une charge électrostatique négative. Des microsables en suspension présentent une mobilité électrophorétique pouvant varier entre 0 et –4 microns par seconde, par volt et par centimètre (voir fig. 11).

La valeur de la mobilité électrophorétique, ou du potentiel ZETA correspondant, dépend largement du pH du milieu dans lequel la surface de sable est placée. En tout état de cause, le sable reste chargé négativement. Dans une application autre que la filtration proprement dite,

mais engageant également des sables dans le traitement de l'eau, on peut souligner la possibilité d’utiliser du microsable, c’est-à-dire des sables en micrograins de dimensions de 0,1 à 1 micron, dans les bassins de coagulation/floculation à charge superficielle élevée. La technique nécessite, en outre, un adjuvant de floculation apte à conditionner la surface du microsable. Elle s'apparente donc à la filtration après conditionnement chimique des masses filtrantes. Dans la filtration, sans utilisation d’adjuvant de floculation, d'autres mécanismes pourraient conditionner la masse avec plus ou moins de succès.

La formation de dépôts de matières organiques, par exemple, peut, sans aucun doute, modifier les conditions électriques des surfaces des sables filtrants. L'action de ce type pourrait résulter de la formation d'une « Schmutzdecke ».

Ces modifications permettent la fixation de particules par des processus électrocinétiques et électrostatiques, et plus particulièrement, la coagulation.

Dans le même ordre d’idées, l’addition d’un électrolyte neutre ou indifférent a tendance à diminuer le potentiel de surface du sable filtrant par compression de la double couche électrique. Ce concept est basé sur les principes de coagulation électrostatique dont la description dépasse le cadre du présent article. Néanmoins, le modèle à double couche donne des indications quant au rendement d'une filtration en fonction de l’augmentation de la force ionique du fluide filtré.

D’autre part, le sable, porteur d'une charge négative répartie en surface selon un modèle à double couche, aura tendance à fixer de manière plus exhaustive les particules électropositives, ou encore celles porteuses d'une charge positive correspondante au point isoélectrique. Cet effet favorise d’une manière optimale l’efficacité de la filtration des carbonates précipités ou des flocons d’hydroxyde-oxyde de fer ou d’aluminium. L'adhérence est maximale aux environs du point isoélectrique. Par contre, les particules colloïdales organiques porteuses d’une charge négative comme les bactéries, sont repoussées par le mécanisme électrostatique dans le cas d'un filtre avec une masse filtrante fraîche. Dans celle-ci, les charges négatives propres du sable se manifestent de manière non altérée. Par contre, pour un filtre arrivé à l'état de maturation, ou préconditionné comme stipulé antérieurement, il y a suffisamment de sites chargés positivement pour permettre une fixation électrochimique des colloïdes négatifs. C'est ainsi que l'on peut expliquer en grande partie les tendances constatées dans les filtres frais à masse non préconditionnée à donner lieu à un phénomène de percement, pendant les premiers moments du cycle d'opération. Cet effet, nuisible pour la qualité des eaux filtrées, disparaît en cours de cycle et peut être éliminé de manière accélérée par un préconditionnement approprié du sable filtrant au moyen d'adjuvants de coagulation/floculation tels la silice activée.

Les forces électrostatiques sont des forces attractives entre charges électriques opposées, variant de manière inversement proportionnelle au carré de la distance séparant les charges élémentaires. Elles peuvent s’ajouter à l'ensemble des mécanismes de filtration sur sable.

8.7. Fixation par effet magnétique.

La plupart des particules rencontrées dans les eaux ne sont pas magnétiques mais sont susceptibles d’être « magnétisées » par une coagulation/floculation appropriée. On emploie à cet effet de la magnétite Fe₃O₄ de manière à réaliser une matrice occupant jusqu’à 5 % de la surface active de filtration. Le matériel magnétique est additionné à l'eau à filtrer à raison de 200–500 ppm Fe₃O₄ (max. 1000 ppm), ensemble avec un coagulant approprié : sulfate d’alumine, chlorure ferrique ou de la chaux. Un complexe magnétique est engendré par coordination. Les résultats sont excellents dans l’enlèvement de particules viables, bactéries, bactériophages et virus.

Le filtre est magnétisé jusqu’à saturation, par application d'un champ susceptible d’atteindre 1 000 Oersteds. Le lavage est effectué par interruption du champ. Dans cette opération, le nettoyage de la magnétite doit être suffisant pour permettre son recyclage. L'opération comprend la séparation dans un agitateur ou, en variante, le lavage à pH acide (≤ 2,8).

8.8. La fixation par effet spécifique.

Le sable filtrant est capable d’ionisation des cristaux hydratés. La masse permet, dès lors, la formation de liaisons d’hydrogène. De plus, les particules à filtrer pouvant être ionisées, sont susceptibles de former des liens bipolaires, voire des liens ioniques proprement dits avec la masse. Cet effet est bien connu dans le cas de la floculation/filtration de flocs obtenus au moyen de sels de fer. Il paraît opportun de souligner ici que le degré d’absorption dépend de la nature de l’ion ferrique en présence et, dès lors, du pH. De plus, le degré de vieillissement ou de maturation des dispersions à filtrer et l’anion conjugué correspondant à l’espèce ferrique jouent un rôle prédominant.

8.9. Conclusion.

Les mécanismes d’élimination et de fixation des particules en suspension dans une eau soumise à filtration sur un lit de sable macroporeux relèvent de plusieurs forces de caractéristiques distinctes. Y interviennent en dehors de l'aspect de taille du sable filtrant proprement dit, le poids spécifique, la taille et la mobilité électrophorétique des particules enlevées, la vitesse de transport, la viscosité et la densité du fluide, et, partant, la température.

D'une manière très sommaire et en ne tenant compte que des dimensions des grains et des pores, la probabilité de contact d'une particule avec la masse filtrante est exprimée par la relation de Stein :

pₑ = la probabilité de contact,

D = diamètre de la particule à filtrer, d = diamètre spécifique des grains de sable filtrant.

En ce qui concerne la probabilité d’enlèvement par sédimentation, la formule de Hall est plus proche de la réalité : \( p_s = \left( \frac{3}{2} \right)^{2} \) n = (2)

Toutefois, ces modèles mécaniques ne tiennent pas compte d’un ensemble de phénomènes de surface intervenant dans la fixation sur sable et constituant la quintessence de son mode d'action dans l’épuration des eaux. Ainsi, la conclusion générale s’impose que la filtration sur sable correspond à un mode de fixation d'impuretés de l'eau engageant un ensemble de principes de la biophysico-chimie. Ceux-ci ne sont guère séparables en disciplines partielles. Sur le plan théorique, les problèmes y relatifs sont ceux se rapportant aux mécanismes des réactions en phase non homogène.

9. LA FLOCULATION/FILTRATION

9.1. Place de la filtration rapide sur sable dans les séquences de traitement.

Le processus de filtration sur sable (et plus particulièrement la filtration rapide) fait habituellement partie d’une chaîne de clarification comprenant aussi d'autres processus élémentaires. Ces processus, généralement antérieurs, ne peuvent être conçus d’une manière complètement distincte de l’étape de la filtration. Le schéma le plus classique de la clarification est donné par la séquence coagulation/floculation/sédimentation suivie de filtration. Dans le cas où le processus antérieur, en l’occurrence la floculation et/ou la sédimentation, deviendrait insuffisant, la filtration rapide subséquente peut constituer une garantie suffisante pour la qualité de l'effluent traité. Cependant, cette action n’est obtenue qu’au détriment de la qualité de la filtration, de l'évolution des pertes de charge des filtres, des problèmes de lavage, et de propreté de la masse filtrante et, partant, de l’économie générale de l'opération peuvent se poser dans ce cas. Néanmoins, il est intéressant de noter que, dans un nombre non négligeable de cas, la filtration est conçue pour jouer le rôle de coagulateur/floculateur. Il s’agit de la floculation/filtration.

9.2. Effets de conditionnement du sable filtrant.

9.2.1. Effets d’une coagulation inadaptée.

La présence de colloïdes fins, fortement électronégatifs, tels que par exemple des particules de charbon actif, introduit en poudre dans la phase de sédimentation ou à l'issue de celle-ci, peut poser un problème pour la qualité de l'effluent traité. Les particules de charbon de taille inférieure à 50 microns pénètrent en profondeur dans les lits filtrants de sable. Ils peuvent occasionner très rapidement un percement des filtres rapides classiques.

9.2.2. Effets de la silice activée.

Dans le même ordre d'idées, la silice activée peut avoir un effet tantôt bénéfique, tantôt défavorable sur la filtration. Comme on le sait, la silice activée est constituée de micelles ionisées formées d'acide polysilicique/polysilicate de sodium.

Il s'agit en particulier de micelles colloïdales chargées négativement. Toutefois, leur comportement dépend des conditions et du degré de neutralisation du silicate qui a servi à la préparation de la silice activée ainsi que du degré de maturation du produit. En tout état de cause, la silice activée constitue un adjuvant de floculation favorisant la coalescence des particules. Elle entraîne de ce fait une amélioration de la qualité de l'eau sédimentée ou filtrée, selon le point d’introduction de cet adjuvant. Si toutefois la préparation de la silice n'est pas contrôlée de manière adéquate, on constate très souvent une maturation à la surface du filtre. Celle-ci donne lieu à des dépôts grumeleux provoquant un accroissement rapide de la perte de charge. Cet effet n’a que des conséquences bénéfiques sur les performances de la filtration et, partant, sur la qualité de l'eau traitée. Les cycles de filtration peuvent cependant être considérablement raccourcis : dans le rapport de 1 à 2, jusqu’à 1 à 3 par exemple. Il y a donc lieu de prévoir les précautions voulues pour l'utilisation de la silice activée dans le cadre de la filtration sur sable : l'utilisation de cette aide comme adjuvant de filtration doit être contrôlée par une maîtrise dûment qualifiée.

9.2.3. Utilisation de polyélectrolytes.

L'addition de polyélectrolytes à l'eau soumise à filtration ou encore le préconditionnement de la surface de sable des filtres au moyen de polyélectrolytes constitue une autre méthode d'utilisation des filtres sur sable en tant que coagulateur/floculateur. Son utilisation dans le traitement de l'eau potable est tributaire des limitations de ces produits dans les denrées alimentaires.

9.2.4. Utilisation de polyphosphates.

L’addition de polyphosphates à une eau soumise à coagulation a, habituellement, un effet négatif, c’est-à-dire un freinage de la vitesse d’agglomération des particules en floculation. Dans le cadre de la filtration sur sable, l'addition de polyphosphates peut être intéressante pour contrôler les problèmes de corrosion éventuelle. Elle permet quelquefois d’éviter une précipitation trop abondante de carbonate de calcium à la surface des grains.

filtrants. Il peut s'agir d'eaux très incrustantes ou d'applications où le maintien d'un maximum de dureté en solution est recherché. Il a été rapporté que cette addition de polyphosphates entraîne une pénétration plus profonde des matières éliminées par filtration. D'après cette interprétation, le frein que constituent les polyphosphates à la floculation permet aux matières plus fines de pénétrer plus profondément les filtres. Ils favorisent de ce fait l'utilisation en profondeur des lits filtrants. Il est évident qu'en cas d'application de ces moyens, leur innocuité doit d'abord être soigneusement examinée. De plus, leur utilisation ne peut être décidée qu'après investigation de l'ensemble des coûts et bénéfices de l'opération, compte tenu notamment de la maîtrise accrue nécessaire pour garder la qualité de l'eau filtrée à l'abri d'incidents provoqués par une trop grande pénétration des lits filtrants.

9.3. Conception de filtres de floculation/filtration.

La pénétration en profondeur de matières en coagulation/filtration est en quelque sorte à l'opposé du concept du filtre-tamis. La précipitation par effet de germe y joue un rôle important. Il existe un certain nombre de relations empiriques servant à orienter la conception des filtres en fonction de la pénétration en profondeur des matières coagulées. La concentration de ces matières résiduelles dans l'eau filtrée (Cf) dépend de la vitesse linéaire (v) de filtration, de la taille effective du milieu filtrant à la puissance 3 (TE³), de la porosité du milieu filtrant à la puissance 4 (e⁴), de la perte de charge finale de tout le lit filtrant divisée par la profondeur de pénétration de la matière coagulée (Δh/I), de la concentration des particules en suspension dans l'eau à filtrer (Co) et de la hauteur d'eau (H).

Donc : Cf = f (v (TE)³ e⁴ Δh/I Co H)

De plus, il a été démontré que la perte de charge totale d'un lit filtrant est inversement proportionnelle à la profondeur de pénétration des matières en suspension.

9.4. Phénomènes secondaires de la floculation/filtration.

L'addition de sels provoque une pénétration accrue des matières colloïdales dans le lit filtrant. Celle-ci est favorisée, en ordre croissant, par les chlorures, puis par les sulfates et enfin par les phosphates. Cette séquence traduit aussi l'ordre observé dans la coagulation électrostatique par action des ions dissous.

Enfin, signalons encore qu'une masse de sable peut être considérée comme un ensemble de parois de charge électrique négative.

La coagulation électrique peut être provoquée par la mise en œuvre d'une charge positive via une source de tension extérieure.

9.5. Exemple.

Il est peut-être utile d'illustrer ces différents concepts par un cas concret. Parmi l'ensemble de ses captages, la Compagnie Intercommunale Bruxelloise des Eaux dispose notamment des eaux stockées dans des anciennes carrières. Il s'agit de lieux de stockage à ciel ouvert.

Ces carrières peuvent être remplies, soit naturellement, y compris par les précipitations, soit par alimentation artificielle par le détournement d'un excédent momentané d'eau en voie d'adduction. Les volumes stockés comme tels représentent au total environ 2 000 000 m³ d'eau.

Les eaux sont initialement assez pures mais après un certain temps d'exposition aux intempéries et à la lumière solaire un traitement s'impose, notamment pour éliminer les algues et quelques composés minéraux indésirables comme le fer.

Étant donné qu'il s'agit de captages de réserve ou de pointe non sollicités de manière permanente, les moyens à mettre en œuvre doivent être simples.

Il a donc été fait appel à la préoxydation pour traiter le problème bactérien et les algues, et au procédé « coagulation/floculation/filtration ».

Ainsi, à l'usine de traitement de Ligny on injecte du chlore, du carbonate de sodium, pour permettre un ajustement de pH afin d'obtenir une eau non agressive en toute circonstance, et du chlorure ferrique. Ce dernier s'hydrolyse rapidement.

L'eau est amenée sur une batterie de filtres rapides à sable, sous pression, et l'ensemble des impuretés est éliminé d'une manière tout à fait satisfaisante par coagulation/floculation/filtration. Opérant jusqu'à une vitesse de 8 m/h par rapport à la surface libre du sable, le cycle moyen de filtration s'élève à 24 h. La perte de charge totale admise est de 1 kg/cm². Ceux-ci sont effectués à contre-courant par de l'air et de l'eau (vitesse respective 50 et 25 m/h environ). Un filtre installé à l'usine de Ligny est présenté sur le schéma suivant. Il s'agit de filtres clos, horizontaux et sous pression. La granulométrie de la masse est étudiée de manière approfondie et comprend une succession de couches spécifiées dans la figure 14.

Fig. 14.

10. PHÉNOMÈNES ASSOCIÉS AU COLMATAGE DU SABLE FILTRANT

10.1. La mise en dépression des lits filtrants.

La perte de charge du lit filtrant croît avec le colmatage du filtre. Cette évolution est indiquée sur le schéma ci-dessous.

On y constate notamment que, par rapport à la pression statique et en absence d’écoulement, la perte de charge d'un filtre de sable pur opérationnel s'élève à 20 à 30 cm. La charge disponible diminue avec le colmatage. Ce phénomène se manifeste de la manière la plus significative dans les parties supérieures du sable d'un filtre à écoulement descendant. À un moment donné, on atteindra théoriquement une zone de dépression dans la partie supérieure de la masse. Quoique l’existence de cette zone ait été constatée dans certains cas, elle ne se présente le plus souvent pas physiquement. En effet, un certain nombre de phénomènes compensatoires empêchant la formation réelle de cette zone de dépression peuvent se produire dans les lits filtrants.

Les principales complications sont le craquelage de la surface du lit filtrant, avec ou sans formation de chenaux de pénétration préférentiels ou de dégazage d’oxygène ou de CO₂, compensant la dépression. Il s’ensuit éventuellement « un colmatage par l’air ». Le phénomène est connu sous ce nom puisqu'il provoque le plus souvent une diminution de la vitesse de filtration.

Les chenaux formés par les craquelures ont des dimensions de quelques mm pour atteindre, dans les cas graves, 1 cm de largeur. Ils sont susceptibles d’affecter le lit filtrant sur une profondeur de 10 à 15 cm. En tout état de cause, l’opération normale d'un filtre rapide à sable ne peut entraîner la mise en dépression de zones spécifiques (le plus souvent la surface) de ce filtre. Certainement, le craquelage, accompagné de formation de chenaux de pénétration profonde directe doit être évité. Dès lors, pour éviter le phénomène dont il est question, l'utilisation normale des filtres laissera une charge positive disponible d’au moins 20 à 30 cm de colonne d’eau pour un filtre à 5 m/h.

À titre d’exemple, un filtre d'une profondeur totale de 2 m (masse filtrante + couche d'eau) ne devra pas être exploité à une perte de charge totale dépassant 1,7/1,8 m sous peine d’encourir des risques pour la qualité de l'eau filtrée.

10.2. Incidence de la vitesse de filtration.

Le schéma indiqué à la figure 15 se rapporte à la filtration rapide à vitesse constante. En effet, un ensemble de dispositifs commentés plus loin permettent de maintenir le débit d'eau filtrée constant pendant tout le cycle de filtration. Ce mode d’exploitation est celui qu’on utilise, puisqu’il permet d’obtenir une capacité de production bien définie et prévisible à tout moment.

Une autre technique, nécessitant moins de régulation, est de travailler à vitesse de filtration décroissante, à charge constante, sans introduction d'un mécanisme de régulation, si ce n’est par le maintien à niveau de l'eau sur le filtre. Dans ce cas, on admet une diminution du débit par filtre, en fonction du temps et du moment du cycle d’opération. Enfin, la technique de filtration à vitesse variable constitue une technique plus moderne qui tend à éviter au mieux les inconvénients inhérents aux deux systèmes précédents.

La vitesse de filtration peut avoir une incidence significative sur le colmatage des filtres. Aussi, des équations empiriques pour l’élimination des particules en suspension dans l’eau au moyen de la filtration rapide sur sable ont-elles été formulées :

L = k dq^(2/3) (1/A)

L = est la profondeur de pénétration de la masse filtrante,

dq = le diamètre spécifique des grains de sable filtrant,

k = 1,6 × 10-3 si dq est exprimé en mm et x en m/h.

L’évolution de la saturation en profondeur d’un lit filtrant sur sable, en fonction de la durée d’opération du filtre et de l’emplacement des couches considérées, est schématisée dans la figure 17.

Des expériences comparatives entre la filtration à débit total constant et celle à vitesse constante entre les pores de la masse filtrante de sable ont démontré que la filtration à vitesse constante dans les pores peut avoir certains avantages et, notamment, que la durée du cycle pouvait s’allonger de l’ordre de 20 %. Dans certains cas les matières en suspension pouvaient, statistiquement, être abaissées de 20 % par rapport à la concentration obtenue au moyen de la filtration à débit constant. En pratique, dans les usines de production d’eau, on fait le plus souvent appel à la filtration à débit constant et à une régulation des débits.

Les filtres sont généralement du type rapide à écoulement libre ou sous pression. Ainsi, aux vitesses auxquelles ces filtres sont exploités, de 3 à 10 m/h pour les filtres rapides à écoulement gravitaire, de 10 à 20 m/h pour les filtres sous pression, la saturation en profondeur impose des limites qui sont inhérentes aux risques d’entraînement de dépôts filtrés. En pratique, on exploite des épaisseurs de couche de sable filtrant atteignant au maximum 1,5 m avec une épaisseur de couche totale, sable et eau, de maximum 2,5 m.

11. LA FILTRATION LENTE

11.1. Paramètres de fonctionnement des filtres lents sur sable.

La filtration lente sur sable consiste à éliminer des matières en suspension et/ou dissoutes dans l'eau par la percolation à vitesse lente (v < 0,3 m/h). Un filtre lent est en principe un volume délimité dans le sol pouvant comprendre ou non des artifices de construction et dans lequel le sable de filtration est placé à une profondeur suffisante pour permettre l'écoulement libre de l’eau au travers du lit. Habituellement la hauteur de l'eau est de 1 m à 1,50 m au-dessus de la surface de sable. Quand la perte de charge disponible atteint la limite physique de l’ordre d’un mètre, le filtre doit être mis hors service, drainé et nettoyé. L’épaisseur de la couche de sable habituelle est de l'ordre de 1 m à 1,50 m, mais la formation de dépôts biochimiquement actifs (la Schmutzdecke) et le colmatage des lits filtrants ont lieu dans les quelques centimètres superficiels du lit filtrant. L'épaisseur de la couche biologiquement active peut atteindre 0,3 à 0,4 m. Néanmoins, la partie colmatée proprement dite est nettement plus faible et de l’ordre de 2 à 3 cm. C’est cette épaisseur de masse qu'il faut remplacer lors du renouvellement du lit filtrant.

11.2. Paramètres de construction des filtres lents.

Sur le plan technique, la masse filtrante est le plus souvent déposée sur un ensemble de graviers à perméabilité croissante. Chaque couche a une épaisseur de l'ordre de 10 à 25 cm. La couche inférieure de perméabilité peut atteindre une épaisseur totale de 50 à 60 cm. On y utilise des graviers dits de 18 à 36 cm et on diminue leurs dimensions graduellement jusqu’à des dimensions de 10 à 12 cm pour la couche de support supérieure.

La profondeur totale du bassin filtrant peut donc être estimée comme suit :

• — l'épaisseur de la couche d’eau surnageante : 1,25 m
• — l'épaisseur du milieu filtrant : 1,20 m
• — la couche-support : 0,30 m
• — le fond de filtre aménagé en briques ou en dalles poreuses ou en terre compactée : 10 à 15 cm

Au-dessus de la couche d’eau, il est indiqué de prévoir une zone de garde de l’ordre de 20 à 30 cm. La profondeur totale d’un filtre lent atteint dès lors 3 à 3,50 m. Il peut être construit en terrassement simple ou renforcé avec des matériaux comme le béton massif ou armé, les pierres, les briques, selon les possibilités de la main-d'œuvre locale.

L’enlèvement de l'eau filtrée peut se faire par un système de drains situé en dessous du lit filtrant ou par percolation libre dans la nappe. Dans ce dernier cas, il s’agit d'une méthode d’alimentation artificielle par filtration lente.

11.3. Entretien des filtres lents.

Le nettoyage du sable filtrant se fait par l’enlèvement de quelques centimètres de la couche colmatée et par le lavage de cette dernière dans une installation séparée. Bien entendu l'enlèvement du sable peut se faire manuellement ou avec des moyens mécanisés, selon les circonstances. Il est important de noter qu’on ne peut pas remplacer le sable enlevé par du sable frais. La mise en place du sable préconditionné lavé est préférable, et ce en tenant compte des aspects biochimiques concernés par la filtration lente. Si pour des raisons de fonctionnement il y a lieu d’avoir recours à du sable frais, il y a lieu de tenir compte d'une période de constitution après l’opération de nettoyage.

Le lavage du sable peut se faire à grande eau dans un hydrocyclone ou similaire.

En variante de l'enlèvement manuel ou mécanique, le nettoyage peut être pratiqué en place par un système hydraulique. Les investissements peuvent être considérables.

11.4. Performances de la filtration lente sur sable.

11.4.1. Si au départ l'eau ne contient pas beaucoup de matières en suspension, la filtration lente peut être mise en œuvre directement sans coagulation préalable. Si toutefois l'eau de départ est chargée (par périodes ou en permanence) de particules argileuses en suspension, un prétraitement par coagulation/floculation est indispensable.

11.4.2. Une oxydation appropriée préalable de l'eau, en l'occurrence, une préozonation produisant des dérivés organiques biodégradables et métabolisables au départ des substances dissoutes, peut être favorable à cause de l'action biochimique dans les filtres lents.

11.4.3. Dans l'ensemble, la surveillance du fonctionnement des filtres lents est simple et ne nécessite que peu de personnel qualifié.

11.4.4. Les inconvénients majeurs des filtres lents sont de plusieurs ordres : ils occupent une grande surface et un volume important, et peuvent donc demander des coûts d'investissement considérables. L’exploitation peut manquer de souplesse, en particulier en période hivernale quand l'eau libre en surface peut se congeler. En été, si les filtres sont situés à l'air libre, il peut y avoir développement d’algues contribuant à un colmatage rapide en période critique de fonctionnement. Le coût de construction de filtres lents couverts mérite d’être pris en considération dans ce contexte. Les résultats de la filtration lente sont généralement peu satisfaisants, voire mauvais, si on a affaire à des eaux non prétraitées, colorées ou riches en algues.

11.5. La filtration lente sur sable comme technique d'infiltration et de recharge artificielle des nappes souterraines.

La filtration lente peut être assimilée à la recharge artificielle d’eau souterraine quand elle est effectuée dans des bassins non pourvus d’infrastructure drainante mais permettant la récupération des eaux filtrées, lorsqu’ils sont en contact avec une zone d'infiltration ou de stockage d'eau souterraine. Il sort du cadre du présent exposé de se pencher sur l'intérêt que peut avoir, tant sur le plan chimique que sur le plan biochimique, le passage de l'eau dans le sol.

En quelques mots donc : la recharge des nappes d'eau souterraine constitue un processus naturel selon lequel les précipitations gagnent les nappes poreuses par la percolation naturelle au travers du sol en surface. On peut tabler sur un rendement de l’ordre de 0,3 m par année, ou encore 0,3 m³ par m² et par année d’eau infiltrée dans nos contrées dans les bassins d’eau souterraine. Le rendement maximal est donc de l’ordre de 0,3 millions de m³ par année et par km² de surface.

Si on prend en considération une couche aquifère capable de stocker de l'eau souterraine, sur une épaisseur de 50 m par exemple dans une couche de porosité de l'ordre de 30 %, la quantité d’eau stockée peut donc s’élever à 15 millions de m³ par km² de surface. Ce cas est fréquemment rencontré dans le crétacé. Si on accélère par des techniques de recharge artificielle les périodes de reconstitution des nappes à six mois, la capacité de stockage théorique annuelle s’élève à 30 millions de m³ par km², en d'autres termes 100 fois le rendement des chutes pluviométriques sur la même surface d’infiltration.

L'infiltration artificielle par bassin est donc une technique de premier plan dans l'ensemble des moyens de filtration sur sable. Aussi construit-on, ou parfois a-t-on la chance d'en disposer pour des raisons historiques, des bassins d’étalement perçant la couche superficielle étanche du sol jusqu’à atteindre le sol poreux capable de stocker l'eau souterraine.

Certaines régions, comme une partie considérable de la banlieue parisienne alimentée par la Société Lyonnaise des Eaux et de l’Éclairage, disposent de bassins d'infiltration pratiquement naturels. Ils sont constitués par d’anciennes sablières actuellement hors d’exploitation et établies au-dessus du sol crétacé aquifère.

[Figure : Bassin d'infiltration par étalement.]

La couche de sable étalée dans les bassins peut être comparée à celle des filtres lents, tant sur le plan de la granulométrie que de la qualité. Comme les vitesses de percolation restent faibles, un colmatage lent a lieu. Un nettoyage annuel de la masse est suffisant.

Les infiltrations par bassin de sable nécessitent une eau soigneusement prétraitée, notamment pour éviter des problèmes de colmatage. On doit également lutter contre les possibilités d'infiltration d'eau impure. Les différents problèmes que cette technique d'infiltration et d'autres méthodes, comme l'infiltration forcée, peuvent poser, font actuellement l’objet d'études importantes. Ainsi, la Compagnie Intercommunale Bruxelloise des Eaux a établi des travées d’infiltration expérimentales dans le site d’Yvoir-Champale où des expériences ont été effectuées pour la réalimentation de la nappe alluviale.

[Figure : Coupe d'une traversée d’infiltration.]

Sur le plan de l’aspect de cinétique de filtration, les bassins d’infiltration travaillent normalement à des vitesses plus faibles que les filtres lents classiques. On peut citer la charge superficielle moyenne dans la fourchette de 0,01 à 0,1 m/heure, soit au maximum 2,5 m par jour.

Partant, l'efficacité du traitement est élevée et les périodes d’activité entre deux nettoyages sont longues si le prétraitement de l'eau a été satisfaisant.

12. LA FILTRATION RAPIDE

12.1. Généralités.

La filtration rapide peut être opérée soit dans des filtres ouverts à écoulement gravitaire, soit dans des filtres fermés, sous pression. Les vitesses ou charges superficielles s’élèvent de 4 jusqu’à 20 m par heure. Dans des conditions exceptionnelles elles peuvent atteindre 50 m/h. Pour des filtres du type ouvert, la charge totale de l'eau devrait être de l’ordre de 2,50 m au maximum. Cette hauteur d’eau disponible correspond à la somme de la hauteur de la couche filtrante et de celle de la couche d'eau. Les filtres rapides sous pression présentent l'avantage de pouvoir être intercalés dans le système de refoulement même, autorisant ainsi l'utilisation d'une charge effective plus élevée. Plusieurs conséquences s’en dégagent : les filtres sous pression ne sont pas sujets, en règle générale, au développement d'une pression négative dans une sous-couche du filtre. De plus ces filtres supportent généralement des vitesses plus élevées puisque la pression disponible permet, notamment, un écoulement plus rapide au travers du milieu poreux constitué par le sable filtrant.

D’autre part, les risques de percement sont plus grands. Ainsi la filtration sous pression est généralement moins efficace que la filtration à écoulement libre rapide ouvert. Les filtres sous pression comportent en outre les désavantages ci-après : l'injection de réactifs est plus compliquée, l’aspect de l’eau pendant la filtration ne peut être observé directement et il est moins aisé de se rendre compte de l'efficacité des lavages. Il est plus difficile de remplacer la masse filtrante vu les démontages-montages nécessaires. De plus le risque de percement par aspiration augmente.

Enfin, les filtres sous pression permettent, éventuellement, un cycle de filtration plus long puisque la perte de charge disponible, pour vaincre le colmatage du lit filtrant, est généralement de l’ordre de 10 m de colonne d'eau et est susceptible d’atteindre pour certaines filtrations sur sable la hauteur totale de 20 m de colonne d'eau.

12.2. Filtres à écoulement libre.

Les filtres à écoulement libre sont généralement construits en béton. Leur forme privilégiée est rectangulaire. Un calcul économique global devrait en fixer les dimensions les plus appropriées. Dans cette évaluation on tiendra compte des rapports surface/volume et des épaisseurs de paroi nécessaires. En règle générale cette analyse aboutit à construire des filtres d'une largeur d’environ 1/3 à 1/6 de la longueur des bassins filtrants.

La masse filtrante est déposée sur un fond filtrant, qui est doté d'un système de drainage approprié comprenant les perforations nécessaires à l'écoulement des eaux filtrées mais également à l'introduction à contre-courant de l'eau et, éventuellement, de l’air de lavage. Plusieurs types de fond filtrant méritent d’être signalés. Tout d’abord les plaques poreuses, en corindon ou en aloxite, supportent directement le sable filtrant, le plus souvent sans couche de gravier-support.

Si le système a les avantages d’une construction simple, il est néanmoins soumis aux inconvénients résultant d'incrustations, spécialement dans le cas d'eaux adoucies ou d’eaux contenant du fer ou du manganèse.

Le fond filtrant peut être constitué de tubes munis de perforations de l'ordre de 5 à 10 mm qui sont dirigées vers le dessous du fond filtrant et noyées dans un ensemble de graviers. Ces derniers sont susceptibles d’atteindre une épaisseur totale de 50 à 60 cm et possèdent une taille décroissante de bas en haut. En règle générale, les couches inférieures comprennent un gravier ayant des diamètres de l'ordre de 35 à 40 mm pour se terminer par des dimensions de 3 mm. Au-dessus de cette couche de gravier de répartition se trouve la couche de sable filtrant.

Plusieurs systèmes de fond de filtre comprennent des fonds autoportants perforés ou des faux fonds supportés par une dalle porteuse.

Exemples : les fonds de Léopold et les fonds de Wheeler. Le premier est constitué d'une série de tuiles vitrifiées comprenant des orifices de l'ordre de 3 à 7 mm au-dessus desquels est posée une série de graviers en couches successives de 5 à 10 cm d’épaisseur. Le fond de Wheeler est constitué par une couche de béton perforé d’entonnoirs débouchant dans un tuyau d’échappement en porcelaine dans lequel sont localisées des sphères d'étanchéité en porcelaine de 6 à 10 mm de diamètre. Sur cet ensemble est posé, en couches successives de 7 à 8 cm, le gravier de répartition spécifié ci-avant.

L’ensemble des systèmes décrits ci-dessus doit actuellement céder la place à un fond filtrant en béton porteur, muni de crépines filtrantes. La sélection des crépines doit, en principe, faire l'objet d'une investigation préliminaire qui tient compte des dimensions de fente autorisées pour arrêter le sable filtrant qui, lui-même, est sélectionné en fonction des objectifs de filtration à atteindre.

En règle générale, les fentes admissibles auront une largeur maximale de 0,35 mm, le plus souvent 0,2 mm, si l’on n’envisage pas de surcharger le fond muni de crépines d'un gravier de répartition. Quoiqu’il y ait danger d'obturations, celles-ci sont suffisamment rares. Cela ne constitue, dès lors, pas une objection à l'utilisation de crépines.

Normalement, il y a lieu de prévoir au moins 50 crépines par m² de fond filtrant. Les crépines peuvent être d’un modèle à queue qui se prolonge en dessous de la dalle — support du fond de filtre. Elles nécessitent par ailleurs la constitution d’un matelas d’air pour le lavage à contre-courant d’air. Ce matelas peut être remplacé par un système de tuyaux permettant d’assurer une répartition égale des fluides de lavage.

12.3 Les filtres sous pression

Les filtres sous pression sont généralement installés sous forme de cylindres en acier posés verticalement. Une technologie plus ancienne consiste à faire appel à des groupes de filtration horizontaux, tels que par exemple ceux de la station de Ligny, déjà citée dans la présente contribution.

Cette technologie à groupes horizontaux souffre du désavantage évident que la charge superficielle est variable dans les différentes couches progressives de lit filtrant, et de plus, va en s’accélérant au fur et à mesure que la pénétration dans le lit filtrant progresse (la vitesse superficielle est la plus petite au niveau du diamètre horizontal du cylindre).

Le fond filtrant des filtres sous pression est constitué le plus souvent d’un ensemble de grilles ou tamis à mailles décroissantes de bas en haut ou, en variante, de dalles perforées supportant un gravier similaire à celui utilisé dans les fonds filtrants à drains autres que les crépines ou les dalles poreuses du système à filtre ouvert. La technologie actuelle fait appel le plus souvent à un fond filtrant constitué d'une plaque de support munie de crépines filtrantes similaires à celles des filtres ouverts mais bien entendu adaptées hydrauliquement aux conditions de vitesse de filtration accrue dans les filtres sous pression.

12.4 Lavage des filtres rapides

L’hydraulique de la filtration rapide a en elle-même normalement peu d’incidence immédiate sur la qualité de l'eau filtrée, si l’on reste dans les conditions d’opérations spécifiées ci-avant. Par contre, le lavage de la masse filtrante est susceptible d’avoir, très rapidement, des incidences importantes sur la qualité de l'eau filtrée. Les altérations peuvent résulter des fermentations, des agglomérations ou de la formation de chenaux préférentiels susceptibles de se produire si le lavage est inadapté.

Dans le lavage à contre-courant, on peut distinguer le lavage au moyen d'eau seule et le lavage combiné par de l'eau et de l'air.

En règle générale, pour le lavage à contre-courant d'eau, la vitesse peut fluctuer entre un minimum absolu de 10 m/h et un maximum de 55 à 60 m/h. La valeur conventionnelle moyenne se situe le plus souvent entre 20 et 30 m/h.

En fait, la vitesse à atteindre est fonction de l’expansion du lit filtrant suite à la fluidisation de la masse.

La vitesse critique pour un lavage à contre-courant du sable filtrant par l'eau est égale à la vitesse de fluidisation de la masse filtrante. Or celle-ci dépend d’un ensemble de facteurs dont notamment la granulométrie et la forme des grains.

Le problème de la fluidisation des masses filtrantes lors des lavages à contre-courant peut être approché de plusieurs façons et plus particulièrement en fonction des paramètres de dimensions et de porosité. On consultera utilement la littérature à ce sujet.

Nous nous bornerons ici à énumérer quelques recettes pratiques qui ont donné expérimentalement satisfaction : en aucun cas l’expansion du lit filtrant lors des lavages à contre-courant ne doit être inférieure à 15 % sous peine d’assister à des développements désagréables. Le degré d’expansion d’un sable filtrant dépend, d’une part, de la granulométrie des grains, étant, d’autre part, de l’homogénéité de la couche de sable et, d’autre part, de la température qui influence la viscosité de l’eau.

Le graphique de la figure 23 reprend quelques données typiques de l’expansion de 20 à 40 % d’un lit filtrant composé de grains de sable de diamètres moyens croissants, et de porosité de masse de 40 %.

Les différentes approches théoriques du problème seront quelque peu idéalistes et dès lors applicables uniquement dans des conditions types. Pour les cas pratiques, l’équation semi-empirique de Vax paraît donner les meilleurs résultats pour le calcul de la vitesse de lavage minimale nécessaire pour la fluidisation des lits de sable :

Vmf = k d_p^n (ρ_s − ρ)^a / μ^b

où :

Vmf = vitesse minimale de fluidisation en m³/m² h,

d_p = diamètre spécifique en mm,

ρ_f et ρ_s = densités du fluide et du solide respectivement en g/ml,

μ = viscosité dynamique en stokes.

De l’ensemble des considérations qui précèdent il s’ensuit qu’un lit filtrant de sable aura tendance, par suite de lavages à contre-courant consécutifs, à former des couches associant les grains les plus fins à la surface et les plus gros dans le fond.

Cet effet a des avantages et des inconvénients : parmi les effets favorables, il convient de citer avant tout une vitesse de filtration plus élevée et des lits ayant une meilleure qualité de l’effluent. En effet, le regroupement des grains les plus fins dans une couche de filtration la rend moins poreuse et l’effet de filtration par tamisage y est plus efficace. En revanche, corollaire de l’avantage cité ci-dessus, le colmatage est accéléré à la surface des filtres.

12.5. Dispositions pratiques pour le lavage à contre-courant

Pour le lavage à contre-courant, il est nécessaire de disposer d’une source appropriée capable de délivrer, en débit et en pression, l’eau de lavage nécessaire. Cette eau peut être obtenue soit par un réservoir surélevé, soit par une station de pompage refoulant de l’eau traitée. On utilise quelquefois un système automatisé permettant un lavage par amorçage d’un siphon partiel mettant l’eau traitée stockée dans le filtre même (systèmes Permutit, Degremont, etc.).

L’eau de lavage doit être disponible à une pression suffisante pour assurer le débit nécessaire. À cet effet il convient de tenir compte des différentes contre-pressions. Les paramètres de conception suivants interviennent dès lors dans l’établissement de dispositifs de lavage des filtres :

• • la source majeure de perte de pression est la perte de charge du système de drains ou de plaques poreuses dans les filtres ;
• • la perte de charge du lit filtrant en expansion : celle-ci équivaut au poids apparent de la masse filtrante dans l’eau.

Fig. 24. — Filtre à siphon partialisé.

• 1. Eau filtrée (réserve)
• 2. Siphon partialisé.
• 3. Amorcage.
• 4. Restitution eau de lavage.

c : l’ensemble des pertes de charge hydrauliques des tuyaux de répartition du vannage, de sorties brusques, etc., qui sont spécifiques pour chaque installation,

d : dans les variantes de filtres munies d’une couche de gravier-support les pertes de charge dans le gravier, calculables d’après les équations du milieu poreux, doivent être ajoutées. Elles sont en général inférieures à 20 à 30 cm.

12.6. Le lavage à l’air et l’eau.

Actuellement on utilise de plus en plus le lavage des sables filtrants à l’air, suivi d’un lavage à l’eau et comprenant dans la plupart des cas une courte phase intermédiaire de superposition des lavages air et eau. Au départ, il s’agit d’une technique spécifiquement européenne. Elle présente l’immense avantage d’éviter, par une plus grande homogénéisation de la couche filtrante et un lavage plus efficace, la formation de centres de fermentation et d’agglomérats dans la masse filtrante des stations de traitement d’eau de surface. La formation éventuelle d’une croûte superficielle sur le sable filtrant est d’abord combattue par un lavage à l’air. Les débits nécessaires dans cette phase s’élèvent à, au moins, 15 m/h pour l’air et généralement à 40 à 60 m/h.

Après la phase de lavage à l’air, normalement de l’ordre de 2 à 3 min., on superpose graduellement le lavage à eau classique. Cette opération va de pair avec un arrêt de l’insufflation d’air de lavage pour éviter un entraînement de la masse filtrante. La phase de superposition est généralement inférieure à 1 min. Vient ensuite la période de lavage à l’eau seule.

Dans le traitement d’une eau de surface préalablement coagulée, floculée et sédimentée, le cycle de filtration, ou la durée entre deux lavages consécutifs de filtres rapides classiques sur sable de type ouvert et à écoulement libre, doit normalement s’élever à au moins 24 h et est susceptible d’atteindre en conditions normales de fonctionnement des installations, 40 à 60 h, soit en moyenne deux jours.

12.7. Évacuation des eaux de lavage.

L’évacuation des eaux de lavage à contre-courant se fait par un ensemble de goulottes. Dans le cas de filtres ouverts ces goulottes garantiront une chute libre d’au moins 5 à 10 cm par rapport au niveau hydrostatique d’introduction des eaux à filtrer. Dans le cas de filtres hermétiques sous pression, les goulottes d’évacuation sont généralement noyées dans la couche d’eau et peuvent être constituées de tuyaux perforés.

Les eaux de lavage des filtres sur sable contiennent des matières en suspension qu’il est éventuellement nécessaire de traiter dans une station de traitement des boues appropriée.

Leur concentration varie en fonction de la durée du cycle de lavage. En règle générale la concentration maximale au début du lavage est inférieure à 1 g de matière sèche par litre d’eau, le plus souvent voisine de 0,5 g/l, tandis que très rapidement (après 2 à 3 min.), la concentration tombe à des valeurs voisines de 0,1 g/l. Pour un filtre à sable fonctionnant normalement, la durée de débordement de l’eau de lavage ne devra pas dépasser 15 min. Compte tenu de l’ensemble des paramètres engagés : charge superficielle en filtration, vitesse des eaux de lavage, durée du cycle de filtration, on peut estimer que les pertes de production pour lavage ne dépasseront pas 5 %, dans la plupart des cas.

Pour une installation neuve les premiers cycles de lavage donneront lieu à l’entraînement de sable fin ainsi que de tous autres matériaux généralement indésirables dans la masse filtrante, tels que parcelles de bitume, de revêtement intérieur des tuyaux d’admission d’eau ou autres débris de l’installation de concassage ou de tamisage des milieux filtrants, etc. Il est dès lors normal qu’en début de mise en route une installation à sable filtrant on assiste à l’apparition temporaire de dépôts noirâtres ou grisâtres à la surface de la masse filtrante. Ceux-ci n’ont pas de conséquences à long terme et sont appelés à disparaître après quelques cycles de filtration et de lavage. Si au bout de quelques semaines de filtration (de l’ordre de 8 à 10 semaines par exemple) ces phénomènes n’ont pas disparu, il y a lieu d’effectuer une expertise sérieuse du sable filtrant. L’évacuation du sable fin doit s’arrêter après 1 mois ou 2 d’opération. Si le sable continue à être entraîné après les premiers trente lavages il y a lieu d’examiner les critères hydrauliques des conditions de lavage, la granulométrie de la masse filtrante et sa résistance à l’usure.

13. CONCLUSION

La filtration sur sable constitue un moyen de séparation économique de première importance dans les stations de

Traitement d’eau. Cette opération s’intègre dans un ensemble d’opérations de traitement comprenant en plus la désinfection, la stérilisation, la coagulation/floculation, etc.

La filtration sur sable est généralement subdivisée en filtration lente et en filtration rapide, quoique cette distinction soit quelque peu conventionnelle quant à son principe mais réelle quant à ses modalités d’exploitation.

Comme nous l’avons souligné, la filtration lente est une imitation plus précise de processus naturels d’infiltration et peut par ailleurs constituer une étape préparatoire à la réalimentation artificielle des nappes. Par contre, la filtration rapide sur sable, généralement sans effets biologiques auxiliaires, est un moyen plus artificiel, généralement plus économique, utilisé dans des stations de traitement.

Les objectifs de la filtration rapide sont d’obtenir à tout moment une eau contenant des concentrations de matières en suspension inférieures à 50 µg/l, ou en tout cas à 100 µg/l, et une turbidité inférieure à 0,3 à 0,5 ppm de SiO₂ (standard allemand) soit environ 4 gouttes de mastic (standard français).

Une eau d’abord filtrée sur sable et ensuite désinfectée doit normalement être stérile. De plus, outre les bactéries, les micro-organismes (y compris les nématodes, les amibes, etc.) seront complètement éliminés.

Pour les eaux préalablement coagulées-floculées la valeur-guide ou objectif de qualité de fer ou d’aluminium dissous doit être inférieure à 50 µg/l. En aucun cas une eau ayant subi une filtration rapide après les opérations préliminaires de coagulation/floculation/sédimentation ou encore une eau traitée par floculation/filtration ne peut contenir plus de 100 µg/l de fer ou d’aluminium dissous. Si cette valeur était dépassée, il y a lieu de revoir la filtration et de définir des modalités plus performantes pour son application.

Dr W. MASSCHELEIN