Etude sur la filtration d'eau par le sable

Chapitre 5 -La filtration sur sableLa filtration sur sable

GCI 720 - Conception : usine de traitement des eaux potables

Automne 2009

1© Hubert Cabana, 2009

La filtration de l’eau potable

� 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 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

La filtration

http://www.cee.vt.edu/ewr/environmental/teach/wtprimer/rapid/rapid.html

Filtration

� Généralités� Processus de filtration

� Classification des filtres� Filtration lente� Filtration rapideLe milieux poreux utilisé� Le milieux poreux utilisé� Sélection du média� Perte de charge associée

� Système de contrôle des filtres� Lavage des filtres� Sous drainage� Critères de design des filtres

Généralités

� Différents mécanismes sont impliqués dans la filtration granulaire :� Filtration� Sédimentation� Impaction� Interception

Généralités

Liaisons physico-chimiques entre le colloïde et le média; Interactions colloïdes/colloïdes

Généralités

World Health Organization, 1974

Au cours de l’opération

↑ Filtration↑ Vitesse de l’eau dans les pores↑ Taux de cisaillement↑ Perte de charge dans le filtre

Nécessité de rétrolavage

Nettoyage (t

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33

Filtration (tf)

Nettoyage (tn )

Classification des filtres

� Taux de filtration

� Par force utilisée pour déplacer le liquide

� Direction de l’écoulement

Taux de filtrationfiltration lente sur sable

� 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. eaux.

� Ses avantages pratiques ont été démontrés sur une longue période, et elle est encore la méthode privilégiée pour la purification de l'eau danscertaines parties du monde

Filtration lente sur sable

Typiquement, le taux de filtration (Q/A) varie entre 0.1 – 10 m3 m-2 j-1

Temps de séjour : 3-12 hRéaction photochimiques et biologiques

Phénomènes biologiques permettant la transformation de la matière organique

Avantages

� Aucun élément mécanique;� Nécessite pas l’ajout de

produits chimiques;

Inconvénients

� Nécessite de grandes surfaces et de grandes quantité de médias filtrant;

� Des eaux très chargées produits chimiques;

� Nécessite des maintenances périodiques;

� Produit une eau de grande qualité;

� Peut être utilisée/implémenté dans des pays en voie de développement

� Des eaux très chargées peuvent colmater rapidement ces filtres;

� Les eaux peu chargées en matière organique peuvent limiter l’enlèvement biologique

� Limitation dans les pays froids

Filtration rapide sur sable

� Ce type de filtration est utilisée lorsque l’usine doit fournir de grande quantité d’eau (> 0.5 m3/s), lorsque les terrains sont limités et/ou que le prix des médias filtrant est élevé;

� « Absence » des processus biologiques � Technologie de choix en Amérique du Nord;

� Taux de filtration plus élevés : 120 – 240 m3 m-2 j-1

� Bassins en béton ou en acier;

Technique de l’ingénieur, 2000

Qasim et al., 2000

� Ce type de procédé nécessite préalablement une étape de coagulation/floculation/(décantation)

� Possibilité de l’utiliser pour éliminer les flocs produits directement;directement;• Possibilité de coagulation avant filtration

• Eau brute avec faible turbidité• Dosage faible de coagulant ~ 2-5 mg/l

� Ces filtres peuvent être gravitaires ou sous pression

� Sous pression : bassins sous pression en acier� Le coût de construction de ces bassins limite l’utilisation de ces

technologies� Typiquement petites installations

� Gravitaire : Doit typiquement surmonter une perte de charge de 2-3 mètres� Bassins ouverts� Utilisé dans la majorité des usines

Filtration sous pression

Technique de l’ingénieur, 2000

High rate filtration

http://www.recsupply.com

Sens de l’écoulement

� Filtration descendante ou ascendante

Média filtrant utilisé

Média filtrant

� Différentes configurations possibles :

� Couche de granulométrie uniforme (sable)

� Bicouche (ex : anthracite + sable)

� Multicouche (ex : Sable + Anthracite + Grenat)

Caractéristiques du média filtrant

� Forme du granulat utilisé :� Sphérique

• Ex : Sables de rivière

� Anguleux• Ex : Anthracite• Ex : Anthracite

� On obtient des qualité d’eau filtrée semblables avec un matériau anguleux de taille effective plus faible que celle d’un matériau à grain sphérique;

� À granulométrie égale, la perte de charge est supérieure pour des matériaux sphériques que des matériaux anguleux

Sable vs anthracite

Paramètres clefs de la sélection d’un média filtrant

� Taille effective (d10) : est le diamètre du tamis qui laisse passer 10% massique du média filtrant;

� Coefficient d’uniformité : d60/d10

Choix de la granulométrie d’une couche filtrante unique

� En supposant que la hauteur de la couche est adaptée (essais de colonne) et que d60/d10 ~ 1.2 –1.8� d10 ~ 0.3 – 0.5 mm

• Utilisé pour filtration très rapide sous pression (600 – 1 200 m3 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 m3 m-2

j-1) si on peut accepter une plus grande perte de charge; Peut être utilisée dans un filtre hétérogène (bi- ou multi-couches). Granulométrie couramment utilisée en Amérique du Nord.

Choix de la granulométrie d’une couche filtrante unique

� d10 ~ 0.9 – 1.35 mm• Granulométrie couramment utilisée en Europe dans des systèmes

à couche homogène.

� d10 ~ 1.35 – 2.5 mm� 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.

Nature du milieu poreux

� 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

� En plus, les matériaux suivants sont couramment utilisés :� Anthracite (ρrelative ~ 1.5-1.75) � Grenat (ρrelative ~ 4.0-4.3)� Ilménite (ρrelative ~ 4.5)

Design des médias filtrantsCouche filtrante unique

� 1 seul matériau utilisé, typiquement du sable

� Matériau dont les propriété sont biens définies

Matériau Taille effective Coefficient Profondeur (cm)

Matériau Taille effective (mm)

Coefficient d’uniformité

Profondeur (cm)

Anthracite 0.5 – 1.5 1.2 – 1.7 50 – 150

Sable 0.45 – 1.0 1.2 – 1.7 50 - 150

� Problème de stratification

La zone effective de filtration est considérablement réduite; Les particules passant au travers de cette couche fine ont peu de chance d’être interceptées par les

Rétrolavage

t1t2 La qualité de l’effluent ne rencontre plus les critères de qualité

peu de chance d’être interceptées par les particules grossières du filtre. La quantité de matériel pouvant être récupérée diminue considérablement ce qui réduit la durée de filtration et augmente le temps de rétrolavage.

� Pour minimiser la problématique de la stratification inversée,

� Utilisation de particules uniformes dont le � Utilisation de particules uniformes dont le • d10 ~ 0.6 – 6 mm et • d60/d10 ~ 1.2 – 1.4

� Pour palier à la diminution des particules « fines » la hauteur du lit est généralement augmentée (1.2 – 2.4 m)

Design des médias filtrantsBicouche

� Typiquement, utilisation de l’anthracite et du sable pour former 2 couches distinctes filtrantes

� Différence de densité relative (1.55 vs 2.65)• Donc, sable sédimente plus rapidement qu’anthracite

� Différence de diamètre effectif• Permet de faire une couche « grossière » d’anthracite et « fine » de

sable;

� Typiquement

Profondeur (cm)

Sable 0.45 – 0.6 1.2 – 1.7 20 – 40

Anthracite 0.7 – 2.0 1.3 – 1.8 30 - 60

Design des médias filtrantsmulticouche

� Permet d’améliorer le temps de filtration et la qualité de l’eau

Design des médias filtrantsmulticouche

� Permet d’améliorer le temps de filtration et la qualité de l’eau

Profondeur (cm)

Anthracite 1.0 – 2.0 1.4 – 1.8 50 – 130

Sable 0.40 – 0.80 1.2 – 1.7 20 – 40

Grenat 0.2 – 0.8 1.5 – 1.8 5 - 15

Design des médias filtrants

� L’efficacité des filtres est fonction des propriétés physiques du lit : � Porosité du lit;� Ratio : profondeur média : diamètre moyen des particules

� Nécessite des essais pilotes

� Données historiques

Design des médias filtrantsdiamètre moyen et profondeur

D10 : l ~ 1020 (si on considère l’ensemble

considère l’ensemble des particules)

D10 : l ~ 980 (si on fait une moyenne pondérée pour chaque strate)

Qasim et al., 2000

Perte de charge dans un filtre

Perte de charge

� Il est possible d’estimer la perte de charge dans un filtre en opération à l’aide de différents modèles (Carmen-Kozeny, Fair-Hatch, etc.)

� Nécessite des données expérimentales

� Réf : Tableau 10-4 de Qasim.

Perte de charge vs opération

Contrôle des filtres

À taux de filtration constant

� Débit réparti également entre tous les filtres.

Kawamura, 2000

� Hauteur d’eau constante dans l’entrée

� Niveau variable dans l’inlet

À taux de filtration variable

Comparaison

Qasim et al., 2000

Lavage des filtres

http://www.hitachi-pt.com http://www.mesaaz.gov

Rétrolavage des filtres

� Les filtres lents et rapides doivent subir un lavage pour une régénération de leur pouvoir filtrant;

� Rétrolavage lorsque : � Rétrolavage lorsque :

1. Perte de charge supérieure à la valeur de design;2. Diminution de la qualité de l’eau (turbidité);3. Temps d’opération dépassé.

Kawamura, 2000

� Lavage à contre-courant des filtres avec de l’eau (ou eau+air);

� Vitesse de l’écoulement doit être suffisante pour fluidiser le litfluidiser le lit

� Lavage ascendant en utilisant de l’eau

� Lavage ascendant en utilisant de l’eau + appoint d’aird’air

� Lavage ascendant en utilisant de l’eau + lavage de la surface

Lavage ascendant à l’eau

� Lors du lavage, il y a expansion du média filtrant (fluidisation);� Séparation des particules

• Augmentation de l’espace entre les particules;• Augmentation de la porosité du lit;• Augmentation de la porosité du lit;

� Cisaillement au niveau des particules;� Les petites particules (initialement retenues) ayant une

vitesse terminale de chute libre inférieure sont emportées

Lavage ascendant à l’eau

1. Vitesse de sédimentation du média filtrant;

2. Débit d’eau de lavage;

3. La perte de charge acceptable lors du lavage;

4. La durées du cycle de lavage;

5. Le volume d’eau nécessaire.

Vitesse de sédimentation

� La vitesse de sédimentation peut être déterminée par la loi de Stoke ou de Newton (selon les conditions)

ρρ −= 75.1

Newton

� Il est important – surtout dans des médias multi-couches- que la vitesse de sédimentation soit relativement semblable pour l’ensemble des constituants du média filtrant.

� Le diamètre des particules doit donc être soigneusement sélectionné

� La procédure de design :

1. Déterminer le sable adéquat pour la filtration (lab)2. Déterminer le diamètre du second média à utiliser pour 2. Déterminer le diamètre du second média à utiliser pour

que utsable ~ utanthracite

1,102,101

relative

relativedd

Débit d’eau de lavage

� La vitesse ascendante de l’eau doit être :

� Inférieur à la vitesse terminale du média filtrant (min : 30 cm/min)

� Supérieure à celle des flocs (2.5 – 25 cm/min)

Hypothèses : � Régime de Newton� T = 20°C� ρsable = 2610 kg/m3 ; ρanthracite= 1500 kg/m3

e)(anthracit

(sable)

� Des essais en laboratoire démontrent que la vitesse ascendante de l’eau doit être approximativement égale à 10% de la vitesse de sédimentation du média filtrant.

e)(anthracit

(sable)

47.0 dU

� Le design est typiquement fait pour une température de l’eau de 20°C. Les propriétés de l’eau changeant en fonction de la T°, il est impératif de corriger.

AWWA, 1990

Perte de charge

� Lors du rétrolavage (de la fluidisation du média), la perte de charge est égale à la masse de média présent

ρρε −=∆

)fplitLP ρρε −=∆ ( ) - (1 g -

Durée du cycle de lavage

� La durée du lavage dépend de la qualité de l’eau à traiter, de la nature des flocs, de la présence de lavage à l’air, etc.

� Typiquement, un cycle complet de lavage dure entre 8 et 15 minutes.

� Au Québec, chaque filtre est nettoyé à toutes les 12-24 heures.

Quantité d’eau de lavage nécessaire

� La quantité d’eau nécessaire dépend du débit et du temps de rétrolavage nécessaire;

� Typiquement : 4-5% de l’eau traitée � Typiquement : 4-5% de l’eau traitée quotidiennement est utilisée pour le lavage et le rinçage des filtres.

Amélioration du rétrolavage

� Nettoyage de surface

� Nettoyage à l’air

Qasim et al., 2000

Nettoyage de surface

� Démarrage : 1-3 minute(s) avant le rétrolavage, arrêt 5-10 minutes avant la fin.

� Typiquement :� Buses de 2.4 - 3.1 mm;� Espacées de 5 – 8.6 cm;� Espacées de 5 – 8.6 cm;� Rotatifs

• Q=1.2 – 2.4 m3/m2h

� Fixes• Q=5 – 10 m3/m2h

� Pression 350 – 520 kPa� Situées à 2.5 – 5 cm du média filtrant

Nettoyage de surface

AWWA, 1990

Nettoyage à l’air

Kawamura, 2000

� Typiquement :

� Pour média monocouche (d10 = 0.5mm)• Injection d’air

• Q = 18-36 m3/m2h • Q = 18-36 m3/m2h • Rétrolavage à l’eau

• Q = 12-20 m3/m2h

� Pour média bicouche (d10, sable = 0.5mm + d10, anthracite = 1 mm )• Injection d’air

• Q = 55-91 m3/m2h • Rétrolavage à l’eau

• Q = 37-49 m3/m2h

� Utilisation simultanée (air+eau)

� Pour média monocouche (d10 = 1mm)• Injection d’air : Q = 37-73 m3/m2h + Rétrolavage à l’eau : Q = 15

m3/m2h m3/m2h

Remise en marche

ité (

0 5 10 15 20 25 30

ité (

Temps après rétrolavage (min)

Remise en marche

� Au drain � Récupération de l’eau vers la réserve d’eau de lavage

• Grande quantité d’eau relativement propre…

� Diminution du taux de filtration;� Diminution du taux de filtration;

� Pré-conditionnement du filtre� Ajout de coagulant pour déstabiliser les particules et

favoriser leur sédimentation.

Récupération des eaux de lavage

� Le rétrolavage doit être le plus « vertical » possible� Utilisation de goulottes pour récupérer l’eau de

rétrolavage.

Qasim et al., 2000

≤≤floct

π≤≤buD

S= distance centre à centre entre les goulottes (m);D= distance entre le haut du lit fluidisé et le sommet de la goulotte (m).

� L’expérience démontre que S ~ 1.5 – 2.0 H0;

� H0 = Distance entre le lit au repos et le sommet de la goulotte.la goulotte.� Typiquement : H0 = 0.66 – 1.0 m

� La distance entre le fond de la goulotte et le haut du lit au repos est minimalement de 0.2 m.

Sous drainage

Gravier

� Permet une distribution uniforme des flux (eaux traitée et eau de lavage);

� Protège des buselures de la colmatation

� Typiquement de 4-6 m de gravier.

Buselures

� Le choix dépend du type de lavage

� À eau seulement� Eau +air� Eau +air

� Permet : 1. Récupération de l’eau filtrée2. Répartir l’eau de lavage

Système de sous-drainage

Critères de conception

Critères de conception –les filtres

� Le nombre minimal de filtres pour de petites installation (<90 l/s) est de 2;

� Pour les autres : � Pour les autres :

5.02.1 QN =

N = nombre de filtresQ= débit journalier max (MGD, 1 MGD = 3785 m3/j)

� Filtre lent : � Largeur d’un filtre : 3 – 6 m, moyenne 4.9 m;� Ratio longueur : largeur : 2:1 – 4:1 (moyenne 3:1);� Surface du filtre : 25-100 m2, moyenne 56 m2;� Profondeur : 4.5 – 7.6 m, moyenne 5.2 m;

� Filtre rapide� Largeur :3-6 m, moyenne 5 m;� Ratio longueur : largeur : 2:1 – 4:1 (moyenne 3:1);� Surface du filtre : 25-80m2

� Ratio profondeur/d10

• > 1000 monocouche de sable ou bicouche;• > 1250 tricouche (anthracite, sable, grenat) et pour matériel

grossier (1.5 mm>d10>1.0 mm)• >1250-1500 pour matériel très grossier (2.0 mm>d10>1.5 mm)

Critères de conception –les médias filtrants et les taux de

filtration

Critères de conception –rétrolavage

� Voir Figure 10.11 Qasim et al., 2000

Lectures et exercices suggérées

� Qasim, Edward et Zhu, (2000). Water Works

Engineering. Planning, Design & Operation.� Chapitre 10� Exercices suggérés : 10.4 et 10.11

� Chapitre 9 du guide de conception du MDDEP (section traitant de la filtration).

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