Filtre À Sable [PDF]

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République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de L’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Ecole Polytechnique d’Oran - MAURICE Audin -

Filtration sur sable Département de génie des procédés 2ème année Dessalement des eaux LAOUARDJ ISLEM FORLOU Charef 2021/2022

Sommaire : I. Introduction II. Processus de filtration III. Classification des filtres IV. Différentes configurations possible V. Les paramètres de filtre VI. Lavage de filtre VII. Sous drainage

I. Introduction : La filtration est la barrière ultime et obligatoire de la filière de traitement des eaux dans la majeure partie des cas. Elle vise à réaliser ou à compléter à travers un lit filtrant la réduction des particules en suspension, des coliformes, des virus, des parasites ainsi que la turbidité. Sans elle, plusieurs filières de traitement ne pourraient obtenir de crédits pour l’enlèvement des virus et des kystes de protozoaires.

II. Processus de Filtration : L’eau à filtrer percole à travers un lit filtrant, dont les caractéristiques et la hauteur de couche doivent être adaptées à l’eau à traiter et au type de filtre choisi. Les matières en suspension sont retenues dans les espaces intergranulaires, sur la plus grande partie de la hau­teur de couche. Différents mécanismes sont impliqués dans la filtration granulaire : * Filtration

* Sédimentation

* Impaction

* Interception

Fig.1: Déformation mécanique des colloïdes ( colmatage dans les canaux interstitiels)

Fig.2: Liaisons physico-chimiques entre le colloïde et le média; Interactions colloïdes/colloïdes

III. Classification de filtres : Les filtres peuvent être classés selon 3 paramètres : 1. Taux de filtration : On a 2 type de filtration; rapide et lente.  Filtration lente : Dans les circonstances appropriées, la filtration lente sur sable est non seulement la technologie la moins onéreuse et la plus simple de filtration mais aussi le plus efficace pour le traitement des eaux. Ses avantages pratiques ont été démontrés sur une longue période, et elle est encore la méthode privilégiée pour la purification de l'eau dans certaines parties du monde. Typiquement, le taux de filtration (Q/A) varie entre 0,1 – 10 m 3 m-2 j-1 . La vitesse de filtration doit être entre 0,1 et 0,2 m/h et le profondeur de lit est entre 0,6 -1,2 m

Fig.3: Schéma d’une filtration lente

Avantages et inconvénients : o Avantages : – Aucun élément mécanique. – Nécessite pas l’ajout de produits chimiques. –

Nécessite des maintenances périodiques.

– Produit une eau de grande qualité. – Peut être utilisée/implémenté dans des pays en voie de développement.

o Inconvénients : − Nécessite de grandes surfaces et de grandes quantité de médias filtrant. − Les eaux très chargées peuvent colmater rapidement les filtres. − Les eaux peu chargées en matière organique peuvent limiter l’enlèvement biologique. − Limitation dans les pays froid

 Filtration Rapide : Un filtre à sable rapide est peu efficace lorsqu'il doit traiter une eau n'ayant pas bénéficié d'une coagulation et d'une floculation. Un tel filtre élimine en effet difficilement les particules non absorbées par le floc, et ce même s'il est constitué d'une épaisse couche de sable fin. Ce type de procédé nécessite préalablement une étape de coagulation/floculation (il est utilisé pour éliminer les flocs produits directement), généralement la dose de coagulant est de 2 -5 mg/l. * Taux de filtration plus élevés : 120 – 240 m3 m-2 j-1. * La vitesse de filtration doit être 5 - 6 m/h.

*

La profondeur totale du support varie

généralement de 0,6 à 1,8m.

Fig.4: Schéma d’une filtration rapide

2. Par force utilisée pour déplacer le liquide : soit sous pression soit gravitaire (cette paramètre est seulement pour la filtration rapide).  Filtration sous pression : bassins sous pression en acier. Le coût de construction de ces bassins limite l’utilisation de ces technologies.

Fig.5: Schéma d’une filtration sous pression

 Gravitaire : Doit typiquement surmonter une perte de charge de 2-3m. – Bassins ouverts. – Utilisé dans la majorité des usines. 3. Direction de l’écoulement : Filtration descendante ou ascendante.

Fig.6: Schéma d’une filtration ascendante

Filtration descendante : Fig.5

IV. Différentes configurations possibles: Le sable peut être utilisé seul ou avec d'autres médias filtrants, nous pouvons donc avoir 3 configurations différentes : * Couche de granulométrie uniforme (sable). * Bicouche (ex : anthracite + sable). * Multicouche (ex : Sable + Anthracite + Grenat)

V. Les paramètres de filtre : Le sable de silice ( ρrelative ~ 2.55-2.65) a été le premier matériau utilisé et reste encore le matériau de base de la majorité des filtres avec une hauteur de 0,8 à 1,2m (dépend de type de filtre) . 

Taille effective (d10) : est le diamètre du tamis qui laisse à passer 10% massique du matériel.



Coefficient d’uniformité (CU = d60/d10): est le rapport des ouvertures des mailles laissant passer respectivement 60% et 10%.



La porosité ԑ : est le rapport des volumes des vides dans le matériau sur le volume total.

1. choix de la granulométrie d’une couche filtrante: •

d10 ~ 0.3 – 0.5 mm: Utilisé pour filtration très rapide sous pression (600 – 1 200 m 3 m-2 j-1). Colmatage rapide. Lavage du média à l’eau.

•

d10 ~ 0.6 – 0.8 mm: Filtration sans décantation préalable ou coagulation sur filtre (si eau peu chargée); filtration d’eau décantée à faible vitesse (150 m 3 m-2 j-1) si on peut accepter une plus grande perte de charge.

•

d10 ~ 0.9 – 1.35 mm: Granulométrie couramment utilisée en Europe dans des systèmes à couche homogène.

•

d10 ~ 1.35 – 2.5 mm: Dégrossissage des eaux industrielles ou traitement tertiaire des eaux usées. Utilisation comme couche support de matériaux de 0.4 – 0.8 mm.

•

d10 ~ 3 – 25 mm: Utilisé comme couche de support.

Fig.7: Efficacité du filtre en fonction de la granulométrie

2. Turbidité : La turbidité désigne la teneur d'un fluide en matières qui le troublent, elle est généralement causée par des matières en suspension et des particules colloïdales qui absorbent, diffusent ou réfléchissent la lumière. •

NTU < 5

eau incolore

•

5 < NTU < 30

eau légèrement colorée

•

NTU > 50

eau colorée

•

NTU > 200

eau de surface "Africaine"

La variation de la turbidité de l'effluent du filtre en fonction du temps est en général représentée par une courbe semblable à celle de la Figure.8. Au début de la période d'utilisation du filtre, la turbidité, relativement élevée, diminue rapidement pour atteindre un plateau. Ce plateau, maintenu pendant plusieurs heures, est suivi d'un accroissement rapide de la turbidité. Lorsque la turbidité de l'effluent est de 1 unité néphélométrique, on lave le filtre. 

Fig.8: Variation de la Turbidité en fonction du temps

3. Perte de charge : On peut facilement mesurer la perte de charge totale à travers un filtre à l'aide de deux conduites transparentes installées verticalement dans la galerie des filtres. Une conduite est reliée à l'affluent du filtre (si celui-ci est submergé) et l'autre, à l'effluent. La différence des niveaux de l'eau dans ces deux conduites correspond à la perte de charge.

Fig.9: variation des pertes de charge en fonction de l'épaisseur du milieu filtrant et du temps de filtration

4. Optimisation de l'utilisation d'un filtre : Pour optimiser l'utilisation d'un filtre, on doit le faire fonctionner de telle sorte que, lorsque la turbidité de l'effluent atteint la valeur maximale permise, les pertes de charge atteignent, elles aussi, leurs limites maximales permises.

Fig.10: Variation de la perte de charge et de la turbidité en fonction du temps

L'utilisation d'un filtre n'est pas optimale lorsque les deux situations ci-dessous se produisent. * Les pertes de charge atteignent leurs valeurs maximales alors que la turbidité est toujours faible. Pour corriger cette situation, on peut soit accroître la charge superficielle afin d'augmenter la valeur des forces de cisaillement (et permettre ainsi une meilleure pénétration du floc), soit augmenter le diamètre effectif du milieu filtrant. * La turbidité atteint sa valeur maximale alors que les pertes de charge sont toujours faibles. Pour corriger cette situation, on peut soit réduire la charge superficielle afin de ne pas briser le floc, soit additionner un polymère destiné à renforcer le floc, soit diminuer le diamètre effectif du milieu filtrant.

VI. Lavage de filtre : Le lavage est une opération très importante : lorsqu’il est insuffisant, il entraîne rapidement le colmatage permanent de certaines zones, ne laissant à l’eau qu’un passage réduit ; la perte de charge s’accroît alors plus vite, la filtration devient localement plus rapide et moins efficace. Pour laver le matériau filtrant, on le soumet à un courant d’eau, circulant de bas en haut et réparti unifor­ mément sur toute la surface du fond du filtre. Le lavage se fait suivant les étapes ci-dessous : 1. Détassage à l’eau faible ( 5-7 m3/(m2.h)) pendant 2min. 2. Lavage à fort débit d’air ( peut atteindre 60 m 3/(m2.h) ) et faible débit d’eau pour brasser le matériau et décoller les impuretés. 3. Dégazage pendant quelques minutes pour éviter l’embolie de filtre. 4. Rinçage à fort débit d’eau (peut atteindre 20 m 3/(m2.h)) pour éliminer les impuretés, jusqu’à obtenir de l’eau claire.

VII. Sous drainage: Après la filtration l'eau est évacuée du réservoir de filtration vers le réservoir de stockage en passant par un lit de gravier qui supporte le sable et permet la distribution uniforme des flux. Sous ce dernier on trouve des planchers à buselures qui permet le passage de l'eau traitée de filtre vers le bac de stockage, la buselure comporte une tête à fentes fines s’opposant au passage du matériau filtrant et une queue constituée par un tube comportant un trou à sa partie

Fig.11: Buselure en période de lavage de filtre à l’air et à l’eau

Fig.12: Plancher à dallettes en béton préfabriquées