Chapitre 5 - La filtration sur sable

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Chapitre 5 - La filtration sur sable

Chapitre 5 -La filtration sur sableGCI 720 - Conception : usine de traitement deseaux potablesAutomne 2014


La filtration de l’eau potable• La filtration est la barrière ultime et obligatoire de lafilière de traitement des eaux dans la majeure partiedes cas. Elle vise à réaliser ou à compléter, à traversun lit filtrant, la réduction des particules en suspension,des coliformes, des virus, des parasites ainsi que laturbidité. Sans elle, plusieurs filières de traitement nepourraient obtenir de crédits pour l’enlèvement desvirus et des kystes de protozoaires© Hubert Cabana, 2013 2


La filtrationhttp://www.cee.vt.edu/ewr/environmental/teach/wtprimer/rapid/rapid.html© Hubert Cabana, 2013 3


Filtration• Généralités• Processus de filtration• Classification des filtres• Filtration lente• Filtration rapide• 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© Hubert Cabana, 2013 4


Généralités• Différents mécanismes sont impliqués dans lafiltration granulaire :• Filtration• Sédimentation• Impaction• Interception© Hubert Cabana, 2013 5


GénéralitésLiaisons physico-chimiques entre lecolloïde et le média; Interactionscolloïdes/colloïdes© Hubert Cabana, 2013 6


GénéralitésWorld Health Organization, 1974© Hubert Cabana, 2013 7


Au cours de l’opération↑ Filtration↑ Vitesse de l’eau dansles pores↑ Taux de cisaillement↑ Perte de charge dansle filtre© Hubert Cabana, 2013 8


Nécessité de rétrolavage1210dV/dt8642Filtration (t f )Nettoyage (tn)003691512182124273033t© Hubert Cabana, 2013 9


Classification des filtres• Taux de filtration• Par force utilisée pour déplacer le liquide• Direction de l’écoulement© Hubert Cabana, 2013 10


Taux de filtrationfiltration lente sur sable• Dans les circonstances appropriées, la filtrationlente sur sable est, non seulement la technologiela moins onéreuse et la plus simple de filtration,mais aussi le plus efficace pour le traitement deseaux.• Ses avantages pratiques ont été démontrés surune longue période, et elle est encore la méthodeprivilégiée pour la purification de l'eau danscertaines parties du monde© Hubert Cabana, 2013 11


Filtration lente sur sableTypiquement, le taux de filtration (Q/A) varie entre 0.1 – 10 m 3 m -2 j -1© Hubert Cabana, 2013 12


Filtration lente sur sableTemps de séjour : 3-12 hRéaction photochimiques et biologiquesPhénomènes biologiquespermettant la transformationde la matière organique© Hubert Cabana, 2013 13


Filtration lente sur sableAvantages• Aucun élément mécanique;• Nécessite pas l’ajout deproduits chimiques;• Nécessite des maintenancespériodiques;• Produit une eau de grandequalité;• Peut être utilisée/implémentédans des pays en voie dedéveloppementInconvénients• Nécessite de grandessurfaces et de grandesquantité de médias filtrant;• Des eaux très chargéespeuvent colmater rapidementces filtres;• Les eaux peu chargées enmatière organique peuventlimiter l’enlèvementbiologique• Limitation dans les paysfroids© Hubert Cabana, 2013 14


Filtration rapide sur sable• Ce type de filtration est utilisée lorsque l’usine doitfournir de grande quantité d’eau (> 0.5 m 3 /s),lorsque les terrains sont limités et/ou que le prixdes médias filtrant est élevé;• « Absence » des processus biologiques• Technologie de choix en Amériquedu Nord;© Hubert Cabana, 2013 15


Filtration rapide sur sable• Taux de filtration plus élevés : 120 – 240 m 3 m -2 j -1• Bassins en béton ou en acier;Technique de l’ingénieur, 2000Qasim et al., 2000© Hubert Cabana, 2013 16


Filtration rapide sur sable• Ce type de procédé nécessite préalablement une étape decoagulation/floculation/(décantation)• Possibilité de l’utiliser pour éliminer les flocs produitsdirectement;• Possibilité de coagulation avant filtration• Eau brute avec faible turbidité• Dosage faible de coagulant ~ 2-5 mg/l© Hubert Cabana, 2013 17


Filtration rapide sur sable• 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 cestechnologies• Typiquement petites installations• Gravitaire : Doit typiquement surmonter une perte de charge de 2-3mètres• Bassins ouverts• Utilisé dans la majorité des usines© Hubert Cabana, 2013 18


Filtration sous pressionTechnique de l’ingénieur, 2000© Hubert Cabana, 2013 19


High rate filtrationhttp://www.recsupply.com© Hubert Cabana, 2013 20


Sens de l’écoulement• Filtration descendante ou ascendanteQasim et al., 2000© Hubert Cabana, 2013 21


Média filtrant utilisé© Hubert Cabana, 2013 22


Média filtrant• Différentes configurations possibles :• Couche de granulométrie uniforme (sable)• Bicouche (ex : anthracite + sable)• Multicouche (ex : Sable + Anthracite + Grenat)© Hubert Cabana, 2013 23


Caractéristiques du média• Forme du granulat utilisé :• Sphérique• Ex : Sables de rivière• Anguleux• Ex : Anthracitefiltrant• On obtient des qualité d’eau filtrée semblables avec unmatériau anguleux de taille effective plus faible quecelle d’un matériau à grain sphérique;• À granulométrie égale, la perte de charge estsupérieure pour des matériaux sphériques que desmatériaux anguleux© Hubert Cabana, 2013 24


Sable vs anthracite© Hubert Cabana, 2013 25


Paramètres clefs de la sélectiond’un média filtrant• Taille effective (d 10 ) : est le diamètre du tamis quilaisse passer 10% massique du média filtrant;• Coefficient d’uniformité : d 60 /d 10Qasim et al., 2000© Hubert Cabana, 2013 26


Choix de la granulométrie d’unecouche filtrante unique• En supposant que la hauteur de la couche estadaptée (essais de colonne) et que d 60 /d 10 ~ 1.2 –1.8• d 10 ~ 0.3 – 0.5 mm• Utilisé pour filtration très rapide sous pression (600 – 1 200 m 3 m -2j -1 ). Colmatage rapide. Lavage du média à l’eau.• d 10 ~ 0.6 – 0.8 mm• Filtration sans décantation préalable ou coagulation sur filtre (si eaupeu chargée); filtration d’eau décantée à faible vitesse (150 m 3 m -2j -1 ) si on peut accepter une plus grande perte de charge; Peut êtreutilisée dans un filtre hétérogène (bi- ou multi-couches).Granulométrie couramment utilisée en Amérique du Nord.© Hubert Cabana, 2013 27


Choix de la granulométrie d’unecouche filtrante unique• d 10 ~ 0.9 – 1.35 mm• Granulométrie couramment utilisée en Europe dans des systèmesà couche homogène.• d 10 ~ 1.35 – 2.5 mm• Dégrossissage des eaux industrielles ou traitement tertiaire deseaux usées. Utilisation comme couche support de matériaux de 0.4– 0.8 mm.• d 10 ~ 3 – 25 mm• Utilisé comme couche de support.© Hubert Cabana, 2013 28


Nature du milieu poreux• Le sable de silice (ρ relative ~ 2.55-2.65) a été lepremier matériau utilisé et reste encore le matériaude base de la majorité des filtres• En plus, les matériaux suivants sont courammentutilisés :• Anthracite (ρ relative ~ 1.5-1.75)• Grenat (ρ relative ~ 4.0-4.3)• Ilménite (ρ relative ~ 4.5)© Hubert Cabana, 2013 29


Design des médias filtrantsCouche filtrante unique• 1 seul matériau utilisé, typiquement du sable• Matériau dont les propriété sont biens définiesMatériauTaille effective(mm)Coefficientd’uniformitéProfondeur (cm)Anthracite 0.5 – 1.5 1.2 – 1.7 50 – 150Sable 0.45 – 1.0 1.2 – 1.7 50 - 150© Hubert Cabana, 2013 30


Design des médias filtrantsCouche filtrante unique• Problème de stratificationLa zone effective de filtration estconsidérablement réduite; Les particulespassant au travers de cette couche fine ontpeu de chance d’être interceptées par lesparticules grossières du filtre. La quantité dematériel pouvant être récupérée diminueconsidérablement ce qui réduit la durée defiltration et augmente le temps derétrolavage.t 12t 231RétrolavageLa qualité de l’effluent ne rencontre plus les critères dequalité© Hubert Cabana, 2013 31


Design des médias filtrantsCouche filtrante unique• Pour minimiser la problématique de la stratificationinversée,• Utilisation de particules uniformes dont le• d 10 ~ 0.6 – 6 mm et• d 60 /d 10 ~ 1.2 – 1.4• Pour palier à la diminution des particules « fines » lahauteur du lit est généralement augmentée (1.2 – 2.4 m)© Hubert Cabana, 2013 32


Design des médias filtrantsBicouche• Typiquement, utilisation de l’anthracite et du sablepour 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 » desable;© Hubert Cabana, 2013 33


Design des médias filtrantsBicoucheQasim et al., 2000© Hubert Cabana, 2013 34


Design des médias filtrants• TypiquementBicoucheMatériauTaille effective(mm)Coefficientd’uniformitéProfondeur (cm)Sable 0.45 – 0.6 1.2 – 1.7 20 – 40Anthracite 0.7 – 2.0 1.3 – 1.8 30 - 60© Hubert Cabana, 2013 35


Design des médias filtrantsmulticouche• Permet d’améliorer le temps de filtration et laqualité de l’eauQasim et al., 2000© Hubert Cabana, 2013 36


Design des médias filtrantsmulticouche• Permet d’améliorer le temps de filtration et laqualité de l’eauMatériauTaille effective(mm)Coefficientd’uniformitéProfondeur (cm)Anthracite 1.0 – 2.0 1.4 – 1.8 50 – 130Sable 0.40 – 0.80 1.2 – 1.7 20 – 40Grenat 0.2 – 0.8 1.5 – 1.8 5 - 15© Hubert Cabana, 2013 37


Design des médias filtrants• L’efficacité des filtres est fonction des propriétésphysiques du lit :• Porosité du lit;• Ratio : profondeur média : diamètre moyen des particules• Nécessite des essais pilotes• Données historiques© Hubert Cabana, 2013 38


Design des médias filtrantsdiamètre moyen et profondeurD 10 : l ~ 1020 (si onconsidère l’ensembledes particules)D 10 : l ~ 980 (si on faitune moyennepondérée pourchaque strate)Qasim et al., 2000© Hubert Cabana, 2013 39


Perte de charge dans un filtre© Hubert Cabana, 2013 40


Perte de charge• Il est possible d’estimer la perte de charge dans unfiltre en opération à l’aide de différents modèles(Carmen-Kozeny, Fair-Hatch, etc.)• Nécessite des données expérimentales• Réf : Tableau 10-4 de Qasim.© Hubert Cabana, 2013 41


Perte de charge vs opération© Hubert Cabana, 2013 42


Perte de charge vs opération• Doit atteindre t 2 (pression max acceptable) avant t 1(crevaison du filtre)Pour des flocs coagulés avec des sels métalliques−0.950.75 −0.45t1= a ∗v∗ K ∗d10−−t 1


Perte de charge vs opération• On cherche donc à ce quett⎛a⎞t 1


Influence des paramètresQualité del’eau filtréeDurée descyclesDiamètre desgrains ↑Hauteur decouche ↑Vitesse defiltration ↑Perte dechargedisponible ↑= ou ↓ ↑ = ou ↓ = ou ↓↑ ↑ ↓ ↑Charge au m 2 ↑ ↑ = ↑© Hubert Cabana, 2013 45


Contrôle des filtres© Hubert Cabana, 2013 46


À taux de filtration constant• Débit réparti également entre tous les filtres.Kawamura, 2000© Hubert Cabana, 2013 47


À taux de filtration constant• Hauteur d’eau constante dans l’entrée© Hubert Cabana, 2013 AWWA, 1990 48


À taux de filtration constant• Niveau variable dans l’inlet© Hubert Cabana, 2013 AWWA, 1990 49


À taux de filtration variable© Hubert Cabana, 2013 50


ComparaisonQasim et al., 2000© Hubert Cabana, 2013 51


http://www.hitachi-pt.comhttp://www.mesaaz.govLavage des filtres© Hubert Cabana, 2013 52


Rétrolavage des filtres• Les filtres lents et rapides doivent subir un lavagepour une régénération de leur pouvoir filtrant;• 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.© Hubert Cabana, 2013 53


Rétrolavage des filtresKawamura, 2000© Hubert Cabana, 2013 54


Rétrolavage des filtres• Lavage à contre-courant des filtres avec de l’eau(ou eau+air);• Vitesse de l’écoulement doit être suffisante pourfluidiser le lit© Hubert Cabana, 2013 55


Rétrolavage des filtres• Lavage ascendant en utilisant de l’eau• Lavage ascendant en utilisant de l’eau + appointd’air• Lavage ascendant en utilisant de l’eau + lavage dela surface© Hubert Cabana, 2013 56


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;• Cisaillement au niveau des particules;• Les petites particules (initialement retenues) ayant unevitesse terminale de chute libre inférieure sont emportées© Hubert Cabana, 2013 57


Lavage ascendant à l’eau1. 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.© Hubert Cabana, 2013 58


Vitesse de sédimentation• La vitesse de sédimentation peut être déterminéepar la loi de Stoke ou de Newton (selon lesconditions)StokeNewtonut=D2p( ρ − ρ )p18µfgut= 1. 75gDp( ρ − ρ )ρpff© Hubert Cabana, 2013 59


Vitesse de sédimentation© Hubert Cabana, 2013 60


Vitesse de sédimentation• Il est important – surtout dans des médias multicouches-que la vitesse de sédimentation soitrelativement semblable pour l’ensemble desconstituants du média filtrant.• Le diamètre des particules doit donc êtresoigneusement sélectionné© Hubert Cabana, 2013 61


Vitesse de sédimentation• La procédure de design :1. Déterminer le sable adéquat pour la filtration (lab)2. Déterminer le diamètre du second média à utiliser pourque u tsable ~ u tanthracited10,2=d10,1⎛⎜⎜⎝ρρrelative,1relative,2−1−1⎞⎟⎟⎠2/3© Hubert Cabana, 2013 62


Débit d’eau de lavage• La vitesse ascendante de l’eau doit être :• Inférieur à la vitesse terminale du média filtrant (min : 30cm/min)• Supérieure à celle des flocs (2.5 – 25 cm/min)© Hubert Cabana, 2013 63


Débit d’eau de lavageHypothèses :• Régime de Newton• T = 20°C• ρ sable = 2610 kg/m 3 ; ρ anthracite = 1500 kg/m 3uutt= 10d=604.7d60(sable)(anthracite)© Hubert Cabana, 2013 64


Débit d’eau de lavage• Des essais en laboratoire démontrent que lavitesse ascendante de l’eau doit êtreapproximativement égale à 10% de la vitesse desédimentation du média filtrant.UUbb==d600.47d60(sable)(anthracite)© Hubert Cabana, 2013 65


Débit d’eau de lavageQasim et al., 2000© Hubert Cabana, 2013 66


Débit d’eau de lavage• Le design est typiquement fait pour unetempérature de l’eau de 20°C. Les propriétés del’eau changeant en fonction de la T°, il estimpératif de corriger.AWWA, 1990© Hubert Cabana, 2013 67


Perte de charge• Lors du rétrolavage (de la fluidisation du média), laperte de charge est égale à la masse de médiaprésent-∆ P = Lg (1 - ε ) (litρp−ρf)© Hubert Cabana, 2013 68


Durée du cycle de lavage• La durée du lavage dépend de la qualité de l’eau àtraiter, de la nature des flocs, de la présence delavage à l’air, etc.• Typiquement, un cycle complet de lavage dureentre 8 et 15 minutes.• Au Québec, chaque filtre est nettoyé à toutes les12-24 heures.© Hubert Cabana, 2013 69


Quantité d’eau de lavagenécessaire• La quantité d’eau nécessaire dépend du débit etdu temps de rétrolavage nécessaire;• Typiquement : 4-5% de l’eau traitéequotidiennement est utilisée pour le lavage et lerinçage des filtres.© Hubert Cabana, 2013 70


Amélioration du rétrolavage• Nettoyage de surface• Nettoyage à l’airQasim et al., 2000© Hubert Cabana, 2013 71


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;• Rotatifs• Q=1.2 – 2.4 m 3 /m 2 h• Fixes• Q=5 – 10 m 3 /m 2 h• Pression 350 – 520 kPa• Situées à 2.5 – 5 cm du média filtrant© Hubert Cabana, 2013 72


Nettoyage de surfaceAWWA, 1990© Hubert Cabana, 2013 73


Nettoyage à l’airKawamura, 2000© Hubert Cabana, 2013 74


• Typiquement :Nettoyage à l’air• Pour média monocouche (d 10 = 0.5mm)• Injection d’air• Q = 18-36 m 3 /m 2 h• Rétrolavage à l’eau• Q = 12-20 m 3 /m 2 h• Pour média bicouche (d 10, sable = 0.5mm + d 10, anthracite = 1mm )• Injection d’air• Q = 55-91 m 3 /m 2 h• Rétrolavage à l’eau• Q = 37-49 m 3 /m 2 h© Hubert Cabana, 2013 75


Nettoyage à l’air• Utilisation simultanée (air+eau)• Pour média monocouche (d 10 = 1mm)• Injection d’air : Q = 37-73 m 3 /m 2 h + Rétrolavage à l’eau : Q = 15m 3 /m 2 h© Hubert Cabana, 2013 76


Remise en marche1,210,8Turbidité (UTN)0,60,40,200 5 10 15 20 25 30Temps après rétrolavage (min)© Hubert Cabana, 2013 77


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;• Pré-conditionnement du filtre• Ajout de coagulant pour déstabiliser les particules etfavoriser leur sédimentation.© Hubert Cabana, 2013 78


Récupération des eaux de lavage• Le rétrolavage doit être le plus « vertical » possible• Utilisation de goulottes pour récupérer l’eau derétrolavage.Qasim et al., 2000© Hubert Cabana, 2013 79


Récupération des eaux de lavageQasim et al., 2000© Hubert Cabana, 2013 80


Récupération des eaux de lavageS t,D≤uflocubπ ≤ πS= distance centre à centre entre les goulottes (m);D= distance entre le haut du lit fluidisé et le sommet de la goulotte (m).© Hubert Cabana, 2013 81


Récupération des eaux de lavage• L’expérience démontre que S ~ 1.5 – 2.0 H 0 ;• H 0 = Distance entre le lit au repos et le sommet dela goulotte.• Typiquement : H 0 = 0.66 – 1.0 m• La distance entre le fond de la goulotte et le hautdu lit au repos est minimalement de 0.2 m.© Hubert Cabana, 2013 82


Sous drainage© Hubert Cabana, 2013 83


Gravier• Permet une distribution uniforme des flux (eauxtraitée et eau de lavage);• Protège des buselures de la colmatation• Typiquement de 4-6 m de gravier.© Hubert Cabana, 2013 84


Buselures• Le choix dépend du type de lavage• À eau seulement• Eau +air• Permet :1. Récupération de l’eau filtrée2. Répartir l’eau de lavage© Hubert Cabana, 2013 85


Système de sous-drainage© Hubert Cabana, 2013 86


Critères de conception© Hubert Cabana, 2013 87


Critères de conception –les filtres• Le nombre minimal de filtres pour de petitesinstallation (


• Filtre lent :Critères de conception –les filtres• 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 m 2 , moyenne 56 m 2 ;• Profondeur : 4.5 – 7.6 m, moyenne 5.2 m;© Hubert Cabana, 2013 89


• Filtre rapideCritères de conception –les filtres• Largeur :3-6 m, moyenne 5 m;• Ratio longueur : largeur : 2:1 – 4:1 (moyenne 3:1);• Surface du filtre : 25-80m 2• Ratio profondeur/d 10• > 1000 monocouche de sable ou bicouche;• > 1250 tricouche (anthracite, sable, grenat) et pour matérielgrossier (1.5 mm>d 10 >1.0 mm)• >1250-1500 pour matériel très grossier (2.0 mm>d 10 >1.5 mm)• La profondeur du lit doit être >2m si filtration directe ou > 1m siclarification préalable (MDDEFP, 2013)© Hubert Cabana, 2013 90


Critères de conception –les médias filtrants et les taux defiltrationCritères du MDDEP© Hubert Cabana, 2013 91


Critères de conception –rétrolavage• Voir Figure 10.11 Qasim et al., 2000© Hubert Cabana, 2013 92


Lectures et exercices suggérées• Qasim, Edward et Zhu, (2000). Water WorksEngineering. 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).© Hubert Cabana, 2013 93

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