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Systèmes de filtration en profondeur
Configurations, performances et critères de sélection des filtres à sable lents, des filtres gravitaires rapides et des filtres sous pression.
1. Vue d’ensemble des filtres en profondeur
La filtration en profondeur est un procédé de séparation physique dans lequel l’eau traverse un lit de média granulaire poreux, tandis que les particules en suspension sont retenues dans toute l’épaisseur du lit filtrant, et non uniquement à sa surface. Ce mécanisme de rétention répartie permet une élimination progressive des contaminants au fur et à mesure que l’eau traverse les différentes couches du média, caractérisées par des espaces interstitiels de tailles variées.
Les systèmes de filtration en profondeur sont largement utilisés comme élément essentiel des filières de traitement de l’eau à barrières multiples. Ils servent d’unités de prétraitement primaire ou secondaire en amont de procédés plus sensibles, tels que les systèmes membranaires, où ils réduisent le potentiel de colmatage et stabilisent la qualité de l’eau d’alimentation. Ils sont également largement employés dans les usines de production d’eau potable pour le contrôle de la turbidité ainsi que dans les applications industrielles nécessitant une élimination fiable des particules et un polissage de l’eau avant son utilisation dans les procédés ou avant les étapes de traitement de haute pureté.
L’un des principaux avantages de la filtration en profondeur réside dans sa grande capacité de rétention des matières solides, qui permet au filtre d’absorber une charge particulaire importante avant d’atteindre la perte de charge maximale admissible. Les filtres peuvent ainsi fonctionner pendant de longues périodes, allant de plusieurs heures à plusieurs jours, avant qu’un contre-lavage ne soit nécessaire pour restaurer leur perméabilité et leurs performances hydrauliques. Cette flexibilité opérationnelle rend les filtres en profondeur particulièrement adaptés aux variations de la qualité de l’eau d’alimentation.
Types de filtres
1. Filtration lente sur sable
Les filtres lents sur sable sont des bassins ouverts, généralement construits en béton ou en terre, comprenant une cuve de filtration remplie d’un lit de média granulaire reposant sur une couche de gravier. Ils sont également équipés d’un système de drainage inférieur pour la collecte de l’eau filtrée, ainsi que de dispositifs de régulation du débit et d’évacuation nécessaires à l’exploitation et à la maintenance.
Ces systèmes se distinguent par leur forte capacité d’élimination des agents pathogènes, résultant de la combinaison de mécanismes physiques, chimiques et biologiques au sein du lit filtrant. Parmi les mécanismes essentiels figure l’activité biologique de la couche appelée schmutzdecke, dans laquelle les communautés microbiennes contribuent à l’élimination des pathogènes par compétition pour les nutriments et par prédation.
Grâce à cette combinaison de mécanismes, la filtration lente sur sable peut assurer une excellente qualité de traitement en une seule étape. Elle peut être mise en œuvre à différentes échelles, depuis les installations municipales centralisées jusqu’aux petits systèmes d’alimentation en eau et aux unités domestiques, en particulier lorsqu’une solution nécessitant peu d’énergie et peu de produits chimiques est recherchée.
Une turbidité de l’eau brute allant jusqu’à 10 NTU est généralement recommandée pour ce type de filtration. Lorsque la turbidité de l’eau d’alimentation est plus élevée, des étapes de prétraitement telles qu’une filtration grossière ou une décantation assistée sont généralement nécessaires afin de garantir un fonctionnement stable et d’éviter un colmatage excessif du lit filtrant.
Les filtres lents sur sable peuvent produire une eau dont la turbidité est inférieure à 1 NTU, tout en assurant une forte élimination des micro-organismes pathogènes. Les performances rapportées comprennent une réduction supérieure à 95 % des bactéries et des virus, ainsi qu’une élimination supérieure à 99 % des protozoaires tels que Giardia et Cryptosporidium.
Les performances de la filtration lente sur sable dépendent de plusieurs paramètres de conception et d’exploitation, notamment la taille effective des grains de sable, la profondeur du lit filtrant, la température et la chimie de l’eau, en particulier sa dureté. Les caractéristiques du sable sont déterminantes, avec une taille effective généralement comprise entre 0,15 et 0,35 mm. Des grains plus fins améliorent généralement l’efficacité d’élimination, mais peuvent également accélérer l’augmentation de la perte de charge.
Filtre lent sur sable
2. Filtres gravitaires rapides
Les filtres gravitaires rapides sont des bassins rectangulaires ouverts fonctionnant à des vitesses de filtration comprises entre 5 et 15 m/h, généralement plus élevées que celles des filtres lents sur sable. Ils sont constitués d’une cuve ou d’un bassin rempli de média filtrant, reposant sur une couche de gravier servant de support.
Ils utilisent un sable plus grossier, avec une taille effective comprise entre 0,45 et 0,55 mm, ou un média bicouche composé d’anthracite sur sable, afin d’améliorer la filtration en profondeur et de prolonger les cycles de filtration. L’eau s’écoule par gravité vers le bas jusqu’au système de drainage inférieur, qui collecte l’eau filtrée.
Les filtres gravitaires rapides peuvent être exploités seuls ou associés à des procédés de prétraitement, selon la turbidité de l’eau brute. Ils offrent de bonnes performances pour des turbidités de l’ordre de 25 NTU. Au-delà de cette valeur, il est recommandé de les associer à un filtre grossier ascendant (Upflow Roughing Filter) ou à un procédé de coagulation-floculation afin d’améliorer les performances du traitement.
Le nettoyage du média filtrant est assuré par un contre-lavage, utilisant un flux d’eau ascendant, éventuellement complété par un balayage à l’air (air scour), afin de fluidiser le lit filtrant. Le contre-lavage inverse le sens normal de circulation de l’eau en pompant de l’eau propre à travers le système de drainage inférieur vers le lit filtrant.
Ce flux ascendant provoque une expansion du lit filtrant de 20 à 50 %, fluidisant les grains de sable et décollant les matières accumulées. Les solides sont ensuite entraînés vers les goulottes de débordement situées en partie supérieure du filtre, avant d’être évacués avec les eaux de lavage.
Bassin ouvert de filtration gravitaire rapide
3. Filtres sous pression
Les filtres à sable sous pression sont des cuves cylindriques fermées, fabriquées en PRV (FRP), en acier inoxydable ou en acier au carbone, et fonctionnant généralement à une pression comprise entre 3 et 6 bar. L’eau circule de haut en bas à travers un lit filtrant monocouche composé de sable, bicouche composé d’anthracite et de sable, ou tricouche composé d’anthracite, de sable et de grenat.
L’eau pénètre dans la cuve sous pression grâce à une pompe d’alimentation, puis s’écoule vers le bas à travers plusieurs couches de média, généralement disposées du plus grossier au plus fin. L’eau filtrée quitte le système à la pression de fonctionnement, ce qui élimine généralement le besoin d’une pompe de remise en pression.
Les principaux composants comprennent la ou les cuves de filtration, les dispositifs d’entrée et de sortie d’eau avec leurs organes de commande, le système de drainage inférieur destiné à collecter l’eau filtrée, les médias filtrants, les pompes ou un réservoir d’eau surélevé, ainsi qu’un système d’air comprimé facultatif pour le contre-lavage.
L’eau filtrée est ensuite acheminée, par l’intermédiaire du système de drainage inférieur, vers les étapes de traitement suivantes. Au fil du temps, les matières retenues s’accumulent dans le lit filtrant, ce qui nécessite un contre-lavage périodique. Pendant cette opération, l’eau est injectée de bas en haut afin de fluidiser et de rincer le lit, de décoller les solides piégés et de rétablir les performances du filtre.
Cuve industrielle de filtration sous pression en PRV (FRP)
Analyse comparative des différents types de filtres en profondeur
