traitement par filtration

1. VII. Filtration
La filtration est un procédé utilisant le passage d'un mélange solide-liquide à travers un milieu
poreux (filtre) qui retient les solides et laisse passer les liquides (filtrat).
Procédés
La filtration "dans la masse" est la technique principalement utilisée dans l'épuration des
effluents de traitements de surfaces.
VII. 1. Théorie de la filtration dans la masse
VII. 1.1 Mécanismes de capture
Pour effectuer une filtration en profondeur, dite « dans la masse », la suspension s'écoule au
travers d'une ou plusieurs couches de matériau granulaire ; les particules sont alors retenues à
l'intérieur de cette masse filtrante.
Le procédé a fait l'objet de très nombreuses études visant à modéliser les phénomènes de
capture et de rétention des particules au sein du milieu poreux.
Les principaux mécanismes pouvant assurer la mise en contact de particules avec le matériau
granulaire sont les suivants :

2. • Sédimentation
Les particules de masse volumique différente de celle du fluide sont soumises à la gravité. Leur
capture résulte du contact éventuel avec un grain pendant leur chute.
• Interception
Une particule de masse volumique apparente nulle se déplace suivant un filet fluide. Elle peut
du fait de son encombrement sphérique venir au contact d'un grain de matériau filtrant.
• Diffusion par mouvement brownien
Les petites particules se déplaçant dans un champ de vitesse non uniforme subissent des effets
hydrodynamiques (effet Magnus) qui peuvent provoquer la migration latérale de ces particules
et leur mise en contact avec le milieu granulaire.

3. VII. 1.2 Mécanismes de rétention des particules
Les phénomènes de rétention sont essentiellement imputables aux forces d'attraction de Van der
Waals et aux forces de répulsion liées à l'existence de charges superficielles sur les grains et les
particules.
D'autres phénomènes interviennent également : la poussée axiale du fluide qui peut maintenir
une particule sur un site donné, les forces de frottement ou encore la création de liaisons
électriques dans le cas des particules colloïdales.

4. VII. 1.3 Mécanismes prépondérants dans la filtration en profondeur
Selon la taille des particules en suspension, trois types de filtration doivent être distingués :
 La filtration des grosses particules, ou filtration mécanique, elle concerne les particules de taille
supérieure à 30 microns. Dans ce type de filtration, les effets de volume l'emportent sur les
phénomènes de surface. Les mécanismes de capture sont dans ce cas la sédimentation,
l'interception et les effets hydrodynamiques. La rétention est, quant à elle, liée au frottement et à
la poussée du fluide.

5.  La filtration des petites particules, ou filtration physico-chimique
Elle s'applique aux particule de l'ordre du micron, pour lesquelles les effets de surface de l'emportent.
La capture a lieu essentiellement par interception. La rétention est, quant à elle, liée aux forces de Van
der Waals et aux forces électrocinétiques.
 La filtration colloïdale
Elle concerne les particules de taille inférieure à 0,1 micron.
La capture a lieu par interception ou par diffusion, la rétention est imputable aux forces
électrocinétiques de Van der Waals mais aussi aux forces chimiques.
Dans ce type de filtration, les phénomènes qui prédominent sont ceux relatifs aux grosses particules (= à
30 microns) et, pour une moindre part, ceux qui s’appliquent aux particules de taille comprise entre 3 et
30 microns pour lesquelles les phénomènes de volume et surface sont du même ordre d'importance.

6. VII. 2. Profils de concentration et perte de charge des filtres à sable
La concentration en particules solides du fluide et du lit sont des fonctions à la fois du temps et de
la profondeur considérée dans le lit.
L'évolution de la concentration et de la rétention au sein d'un filtre à lit épais au cours d'un cycle
de filtration est donnée sur la figure suivante.

7. De même, la perte de charge résultante du colmatage du filtre et l'évolution de turbidité sont
représentés sur la figure suivant.
Profils de la concentration du liquide et de la rétention dans un lit épais

8. Technologies
En épuration d'effluents de traitements de surfaces, les filtres sont utilisés essentiellement pour
retenir les matières en suspension qui s’échappent du décanteur.
Dans la filière de détoxication, la filtration sur sable doit être considérée comme une étape de
finition. Elle joue également un rôle de sécurité en cas de dysfonctionnement ponctuel de la
floculation-décantation.

10. VII. 3. Caractéristiques d'un équipement de filtration sur sable
Filtre
- Corps :
• dimensions : hauteur totale, hauteur cylindrique, diamètre intérieur,
• revêtement intérieur,
• systèmes de répartition et de collecte des effluents.
- Équipements annexes :
• conduites d'arrivée et d'évacuation (nature, diamètre),
• trappes d'accès,
• vannes,
• capteurs (pression et débit).
- Matériau filtrant :
• nature,
• granulométrie,
• hauteur de remplissage.

11.  Fonctionnement :
• vitesse de filtration,
• pression de service,
• mode de lavage (séquences, paramètres de déclenchement).
Les filtres les plus couramment utilisés sont les filtres à sable sous pression et les filtres à lavage en
continu.
VII. 4. Filtres à sable sous pression
L'efficacité d'un filtre à sable sous pression dépend de plusieurs facteurs :
• nature, granulométrie, porosité, épaisseur du lit filtrant,
• caractéristiques de la suspension à filtrer : composition, concentration et taille des particules,
• conditions hydrauliques et physico-chimiques de fonctionnement.

12. Les filtres à sable sous pression différent notamment par :
• le matériau de construction (acier protégé, polyester armé,).
• les caractéristiques du matériau filtrant (sable, anthracite,), le nombre de couches filtrantes,
• la nature des équipements hydrauliques et mécaniques,
• le mode de lavage : eau seule, eau et ait,
• la nature du support du matériau filtrant : drains, crépines.
• la géométrie cuves verticales ou horizontales.
Les filtres à sable sous pression travaillent en discontinu avec des phases successives de filtration et de lavage
nécessitant :
• soit un stockage tampon suffisant pour les périodes de lavage,
• soit l'installation d'un deuxième filtre en parallèle.

14. VII. 4.2 Paramètres de fonctionnement
- Vitesse de filtration
Avec les caractéristiques granulométiques du sable, la vitesse de filtration est un des paramètres
déterminants dans la bonne marche de l'installation.
Il est donc recommandé d'imposer, lors de l'installation, le débit de traitement afin que la
gamme des vitesses soit de 10à 15 m/h pour la vitesse nominale et de 20 m/h pour la vitesse
maximale admissible.
- Pressions de service
Les pressions de service sur les filtres à sable peuvent dépendre de nombreux facteurs :
• nature du sable,
• degré colmatant de l'eau à filtrer,
• caractéristiques hydrauliques de l'installation.

15. - Pertes de charges
• filtre propre :0.3 à 0,5 bar.
• filtre colmaté : 0,8 à 1,2 bar suivant le matériel.
La mesure de pression différentielle permet de détecter le colmatage du filtre et de
déclencher les opérations de lavage
VII.4.3 Lavage
Le filtre à sable doit être équipé de tous les organes nécessaires pour assurer un
lavage du milieu filtrant à contre-courant.
- L'utilisation simultanée d'air surpressé et d'eau présente les avantages suivants :
• pas d'extension du lit de sable générant un classement des fines particules en
surface, qui diminue la capacité du filtre,
• réduction du volume d'eau nécessaire.

16. - Pour les filtres de grande capacité, les moyens suivants sont recommandés :
• Surpresseur d’air.
• groupe de pompage d'eau de lavage,
• bac de stockage d'eau propre d'un volume suffisant.
- Origine, volume et destination de l'eau de lavage
L'eau utilisée peut être de l'eau filtrée, stockée en sortie de station dans une cuve tampon qui peut dans certains
cas faire office de stock de sécurité pour contrôle avant rejet.
La quantité d'eau nécessaire au lavage est de l'ordre de 0,4 fois le débit horaire de filtration. Les eaux de lavage
chargées en MES, souvent à caractère toxique, doivent être envoyées en tête de station ou dans la cuve de
stockage des boues décantées.

17. - Caractéristiques principales
• durée du lavage : environ 20 min,
• vitesse de lavage : 12 à 15 m/h,
• volume d'eau nécessaire pour un lavage 0,4 Q (en m3),
• capacité de rétention : 1 à 5 kg de MS/m3 sable.
Avantages :
- Compacité des installations
- Efficacité avec des valeurs généralement comprises entre 5 et 10 mg de M.E.S. par litre d'eau
filtrée
- Sécurité des résultats
Inconvénients :
- caractère discontinu du procédé
- risque de prise en masse du média filtrant avec la présence de sels incrustants (gypse, carbonate de
calcium)

18. VII. 5. Filtre à sable à lavage en continu
VII. 5.1 Principe de fonctionnement
Dans les filtres à sable à lavage continu, l'eau à traiter traverse, de bas en haut, un lit de sable et
est évacuée en surface par un déversoir. Le sable chargé en matières retenues est continuellement
repris en tond de filtre par air-lit vers un système de lavage.

19. VII. 5.2. Paramètre de fonctionnement
- La granulométrie du sable doit être choisie en fonction de l’effluent à traiter
- Le dimensionnement est calculé sur des vitesses ascensionnelles de 8 à 12 m/h.