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Guide des médias filtrants : maîtriser l’élimination des contaminants physiques
Types, propriétés, critères de sélection et applications des médias filtrants granulaires pour les systèmes de filtration en profondeur
1. Médias filtrants : rôle dans la filtration en profondeur
Les performances d’un système de filtration en profondeur dépendent fondamentalement du choix du média filtrant. Celui-ci détermine l’efficacité d’élimination des particules, l’évolution de la perte de charge, les besoins en contre-lavage, la durée des cycles de filtration et la longévité du média. Dans les filtres en profondeur, qu’ils soient sous pression ou gravitaires, les médias granulaires sont disposés en une ou plusieurs couches à l’intérieur de la cuve ou du bassin filtrant.
Chaque type de média présente des caractéristiques physiques spécifiques qui définissent son adéquation à l’application :
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Densité : elle influence le comportement du média pendant le contre-lavage. L’anthracite, plus légère, se dilate plus facilement que le sable, plus dense, ce qui favorise un nettoyage efficace du lit filtrant.
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Granulométrie taille effective et coefficient d’uniformité : la taille effective influence la rétention initiale des particules, tandis que le coefficient d’uniformité contribue à maintenir une porosité homogène du lit et à limiter les phénomènes de cheminement préférentiel.
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Dureté et durabilité : une dureté élevée sur l’échelle de Mohs améliore la résistance à l’usure provoquée par les contre-lavages répétés et permet de préserver l’intégrité du lit filtrant pendant plusieurs années d’exploitation.
Le choix du média doit établir un équilibre entre la qualité de l’eau brute et les contraintes opérationnelles, notamment la perte de charge disponible et les conditions de contre-lavage. Un dimensionnement approprié permet d’éviter le passage prématuré des particules, la déstabilisation du lit et la formation de boules de boue, tout en garantissant des performances constantes dans des applications allant des usines municipales aux unités de traitement décentralisées.
En résumé, une sélection optimale des médias transforme la filtration en profondeur en un procédé robuste, fiable et nécessitant peu de maintenance, adapté aux charges de turbidité et aux conditions spécifiques du site.
Mécanismes d’élimination des particules
La filtration en profondeur élimine les particules grâce à cinq mécanismes physiques agissant simultanément dans toute l’épaisseur du lit filtrant :
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Tamisage : les particules dont la taille est supérieure aux espaces intergranulaires sont physiquement bloquées et retenues dans le lit.
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Impact inertiel : les particules les plus lourdes ne parviennent pas à suivre les trajectoires courbes de l’eau autour des grains du média et entrent en collision avec leur surface.
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Interception : les particules qui suivent les lignes d’écoulement entrent directement en contact avec les grains du média lorsque ces lignes passent à proximité de leur surface.
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Croissance biologique : les biofilms présents à la surface du média adsorbent et biodégradent les particules organiques, en particulier dans les filtres lents.
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Adsorption : les fines particules colloïdales sont attirées puis retenues à la surface des grains du média sous l’effet des forces électrostatiques et des forces de van der Waals.
Types de médias filtrants
1. Sable : média traditionnel en silice ou en quartz
Le sable siliceux est le média filtrant le plus largement utilisé dans le monde. Il se caractérise par une densité élevée, avec une masse volumique relative généralement comprise entre 2,60 et 2,65, ainsi que par une bonne dureté et une grande inertie chimique. Il est extrait, lavé, calibré et contrôlé conformément aux normes AWWA B100 et EN 12904. Il peut être utilisé seul dans les filtres à sable monocouche ou associé à d’autres matériaux dans les filtres multimédias.
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Avantages : faible coût, disponibilité généralisée, longue durée de vie, performances éprouvées et spécifications simples.
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Inconvénients : poids élevé, besoin d’une vitesse de contre-lavage importante et colmatage rapide de la surface lorsque l’eau d’alimentation présente une forte concentration en matières en suspension et que le sable est utilisé seul.
2. Anthracite : média léger à base de charbon
L’anthracite est un média filtrant obtenu à partir de charbon concassé, avec une masse volumique relative généralement comprise entre 1,40 et 1,60. Il constitue généralement la couche supérieure des filtres bicouches et multimédias. Sa faible densité lui permet de se repositionner au-dessus du sable, plus dense, après le contre-lavage, maintenant ainsi une disposition granulométrique du plus grossier au plus fin, indispensable à une véritable filtration en profondeur.
Sa surface rugueuse favorise l’adsorption des particules et augmente la capacité de rétention des solides. L’anthracite utilisé comme média filtrant est généralement conforme aux normes AWWA B100 et EN 12909.
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Avantages : prolonge les cycles de filtration, facilite le contre-lavage grâce à sa faible densité et améliore la filtration en profondeur lorsqu’il est associé au sable.
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Inconvénients : moins dur que le sable, il peut subir une certaine attrition au fil du temps et n’est généralement pas adapté à une utilisation comme média unique.
3. Grenat : média dense pour la filtration fine et le polissage
Le grenat, dont la masse volumique relative est généralement comprise entre 3,8 et 4,2, est utilisé comme couche inférieure de polissage dans les filtres tricouches. Sa très forte densité lui permet de rester sous les couches d’anthracite et de sable pendant le contre-lavage.
Sa granulométrie fine, généralement comprise entre 0,2 et 0,4 mm, assure une excellente filtration de finition. Le grenat utilisé comme média filtrant est généralement conforme à la norme AWWA B100.
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Avantages : constitue la couche de filtration conventionnelle la plus fine dans les lits multimédias, reste stable au fond du filtre grâce à sa densité élevée et améliore la qualité de l’eau filtrée ainsi que le SDI.
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Inconvénients : coût plus élevé que celui des médias conventionnels, inadéquation à une utilisation comme média unique et nécessité d’une vitesse de contre-lavage élevée.
4. Média en verre : AFM® (Activated Filter Media)
L’AFM® (Activated Filter Media), dont la masse volumique relative est généralement comprise entre 2,4 et 2,52 kg/L, est un média filtrant fabriqué à partir de verre recyclé modifié. Sa surface durablement hydrophile et chargée négativement améliore la capture des particules grâce à des mécanismes d’adsorption électrostatique.
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Avantages : capacité à éliminer des particules jusqu’à environ 1 µm, matériau non biodégradable limitant le risque de formation de biofilm, surface présentant des propriétés bactériostatiques et excellente réduction du SDI.
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Inconvénients : coût plus élevé, disponibilité plus limitée et nécessité d’un système de drainage inférieur compatible avec les caractéristiques du média.
5. Zéolite : média minéral naturel Turbidex®
Le Turbidex® est un média filtrant naturel à base de zéolite, principalement constitué de clinoptilolite, avec une masse volumique relative généralement comprise entre 2,2 et 2,4. Sa charge de surface spécifique et sa structure poreuse permettent une meilleure élimination des colloïdes et des particules fines que le sable conventionnel. Il est particulièrement efficace pour réduire le SDI en amont des membranes d’osmose inverse.
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Avantages : vitesse de filtration élevée pouvant atteindre 37 m/h, excellente réduction du SDI et capacité à fonctionner à un débit environ 2 à 3 fois supérieur à celui d’un filtre à sable équivalent.
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Inconvénients : coût plus élevé que celui du sable et absence de résistance intrinsèque au développement microbien.
Filtres monocouches et filtres multimédias
Les filtres monocouches utilisent une seule couche de sable calibré. La majorité des matières solides est donc retenue près de la surface du lit filtrant, ce qui limite l’utilisation de toute sa profondeur.
Les filtres multimédias utilisent deux ou trois couches de matériaux présentant des granulométries et des densités différentes. Cette configuration permet de répartir la rétention des particules sur toute la profondeur du lit filtrant.
Par conséquent, les filtres multimédias offrent généralement des cycles de filtration plus longs, une capacité de rétention des solides plus élevée et des besoins de contre-lavage moins fréquents que les filtres monocouches.
Comparaison entre les filtres à sable monocouches et les filtres à sable multimédias
Quand utiliser chaque média : guide de sélection
Les filtres monocouches utilisent une seule couche de sable calibré. La majorité des matières solides est donc retenue près de la surface du lit filtrant, ce qui limite l’utilisation de toute sa profondeur.
Les filtres multimédias utilisent deux ou trois couches de matériaux présentant des granulométries et des densités différentes. Cette configuration répartit la rétention des particules sur toute la profondeur du lit filtrant.
Par conséquent, les filtres multimédias offrent généralement des cycles de filtration plus longs, une capacité de rétention des solides plus élevée et des contre-lavages moins fréquents que les filtres monocouches.
