Etude sur la filtration d'eau par le sable

Chapitre 5 La filtration sur sable GCI 720 - Conception : usine de traitement des eaux potables Automne 2009 © Hubert Cabana, 2009

1

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 turbidité. Sans elle, plusieurs filières de traitement ne pourraient obtenir de crédits pour l’enlèvement des virus et des kystes de protozoaires

© Hubert Cabana, 2009

2

La filtration

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


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, 2009

4

Généralités Différents mécanismes sont impliqués dans la

filtration granulaire : Filtration Sédimentation Impaction Interception


5

Généralités

Liaisons physico-chimiques entre le colloïde et le média; Interactions colloïdes/colloïdes © Hubert Cabana, 2009

6

Généralités

World Health Organization, 1974 © Hubert Cabana, 2009

7

Au cours de l’opération

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


8

Nécessité de rétrolavage 12 10

6 4

Filtration (tf)

2

33

30

27

24

21

18

15

12

9

6

3

0

0

dV/dt

Nettoyage (tn)

8

t


9

Classification des filtres Taux de filtration Par force utilisée pour déplacer le liquide Direction de l’écoulement


10

Taux de filtration filtration 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. Ses avantages pratiques ont été démontrés sur une longue période, et elle est encore la méthode privilégiée pour la purification de l'eau dans certaines parties du monde


11

Filtration lente sur sable

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


12

Filtration lente sur sable Temps de séjour : 3-12 h Réaction photochimiques et biologiques

Phénomènes biologiques permettant la transformation de la matière organique


13

Filtration lente sur sable Avantages

Inconvénients

Aucun élément mécanique; Nécessite pas l’ajout de

produits chimiques; Nécessite des maintenances périodiques; Produit une eau de grande qualité; Peut être utilisée/implémenté dans des pays en voie de développement

Nécessite de grandes

surfaces et de grandes quantité de médias filtrant; 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


14

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;


15

Filtration rapide sur sable 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


16

Filtration rapide sur sable Ce type de procédé nécessite préalablement une étape de

coagulation/floculation/(décantation)

Possibilité de l’utiliser pour éliminer les flocs produits

directement;

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


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 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


18

Filtration sous pression

Technique de l’ingénieur, 2000


19

High rate filtration

http://www.recsupply.com


20

Sens de l’écoulement Filtration descendante ou ascendante

Qasim et al., 2000


21

Média filtrant utilisé © Hubert Cabana, 2009

22

Média filtrant Différentes configurations possibles : Couche de granulométrie uniforme (sable) Bicouche (ex : anthracite + sable) Multicouche (ex : Sable + Anthracite + Grenat)


23

Caractéristiques du média filtrant Forme du granulat utilisé : Sphérique • Ex : Sables de rivière Anguleux • 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 © Hubert Cabana, 2009

24

Sable vs anthracite


25

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

Qasim et al., 2000


26

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. © Hubert Cabana, 2009

27

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 • 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.


28

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)


29

Design des médias filtrants Couche filtrante unique 1 seul matériau utilisé, typiquement du sable Matériau dont les propriété sont biens définies 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


30

Design des médias filtrants Couche filtrante unique 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 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.

t21 t321 Rétrolavage

La qualité de l’effluent ne rencontre plus les critères de qualité © Hubert Cabana, 2009

31

Design des médias filtrants Couche filtrante unique Pour minimiser la problématique de la stratification

inversée,

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)


32

Design des médias filtrants Bicouche 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;


33

Design des médias filtrants Bicouche

Qasim et al., 2000


34

Design des médias filtrants Bicouche Typiquement

Matériau



Profondeur (cm)

Sable

0.45 – 0.6

1.2 – 1.7

20 – 40

Anthracite

0.7 – 2.0

1.3 – 1.8

30 - 60


35

Design des médias filtrants multicouche Permet d’améliorer le temps de filtration et la

qualité de l’eau

Qasim et al., 2000


36

Design des médias filtrants multicouche Permet d’améliorer le temps de filtration et la

qualité de l’eau

Matériau



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


37

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


38

Design des médias filtrants diamètre moyen et profondeur

D10 : l ~ 1020 (si on considère l’ensemble des particules) D10 : l ~ 980 (si on fait une moyenne pondérée pour chaque strate)

Qasim et al., 2000


39

Perte de charge dans un filtre


40

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.


41

Perte de charge vs opération


42

Contrôle des filtres © Hubert Cabana, 2009

43

À taux de filtration constant Débit réparti également entre tous les filtres.

Kawamura, 2000 © Hubert Cabana, 2009

44

À taux de filtration constant Hauteur d’eau constante dans l’entrée


AWWA, 1990

45

À taux de filtration constant Niveau variable dans l’inlet


AWWA, 1990

46

À taux de filtration variable


47

Comparaison

Qasim et al., 2000 © Hubert Cabana, 2009

48

http://www.hitachi-pt.com

http://www.mesaaz.gov

Lavage des filtres © Hubert Cabana, 2009

49

Rétrolavage des filtres Les filtres lents et rapides doivent subir un lavage

pour 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.


50

Rétrolavage des filtres


51

Rétrolavage des filtres Lavage à contre-courant des filtres avec de l’eau

(ou eau+air); Vitesse de l’écoulement doit être suffisante pour fluidiser le lit


52

Rétrolavage des filtres Lavage ascendant en utilisant de l’eau Lavage ascendant en utilisant de l’eau + appoint

d’air

Lavage ascendant en utilisant de l’eau + lavage de

la surface


53

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 une

vitesse terminale de chute libre inférieure sont emportées


54

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. © Hubert Cabana, 2009

55

Vitesse de sédimentation La vitesse de sédimentation peut être déterminée

par la loi de Stoke ou de Newton (selon les conditions)

Stoke

ut =

D (ρ p − ρ f )g 2 p

18µ

Newton

ut = 1.75


gDp (ρ p − ρ f )

ρf 56

Vitesse de sédimentation


57

Vitesse de sédimentation 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


58

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 pour

que utsable ~ utanthracite

d10, 2

 ρ relative,1 − 1   = d10,1   ρ − 1  relative, 2  © Hubert Cabana, 2009

2/3

59

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)


60

Débit d’eau de lavage Hypothèses : Régime de Newton T = 20°C ρsable = 2610 kg/m3 ; ρanthracite= 1500 kg/m3

ut = 10d 60

(sable)

ut = 4.7 d 60

(anthracite)


61

Débit d’eau de lavage 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.

U b = d 60

(sable)

U b = 0.47d 60

(anthracite)


62

Débit d’eau de lavage

Qasim et al., 2000


63

Débit d’eau de lavage 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 © Hubert Cabana, 2009

64

Perte de charge Lors du rétrolavage (de la fluidisation du média), la

perte de charge est égale à la masse de média présent

- ∆P = Lg (1 - ε lit ) ( ρ p − ρ f )


65

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.


66

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

quotidiennement est utilisée pour le lavage et le rinçage des filtres.


67

Amélioration du rétrolavage Nettoyage de surface Nettoyage à l’air


68

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 m3/m2h Fixes • Q=5 – 10 m3/m2h Pression 350 – 520 kPa

Situées à 2.5 – 5 cm du média filtrant © Hubert Cabana, 2009

69

Nettoyage de surface

AWWA, 1990 © Hubert Cabana, 2009

70

Nettoyage à l’air


71

Nettoyage à l’air Typiquement : Pour média monocouche (d10 = 0.5mm) • Injection d’air • 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 © Hubert Cabana, 2009

72

Nettoyage à l’air 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


73

Remise en marche 1,2

1

Turbidité (UTN)

0,8

0,6

0,4

0,2

0 0

5

10

15

20

25

30

Temps après rétrolavage (min)


74

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 et favoriser leur sédimentation.


75

Récupération des eaux de lavage Le rétrolavage doit être le plus « vertical » possible Utilisation de goulottes pour récupérer l’eau de rétrolavage.


76

Récupération des eaux de lavage


77

Récupération des eaux de lavage

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


78

Récupération des eaux de lavage L’expérience démontre que S ~ 1.5 – 2.0 H0; H0 = Distance entre le lit au repos et le sommet de

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.


79

Sous drainage © Hubert Cabana, 2009

80

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.


81

Buselures Le choix dépend du type de lavage À eau seulement Eau +air

Permet : 1. Récupération de l’eau filtrée 2. Répartir l’eau de lavage


82

Système de sous-drainage


83

Critères de conception © Hubert Cabana, 2009

84

Critères de conception – les filtres Le nombre minimal de filtres pour de petites

installation (<90 l/s) est de 2;

Pour les autres :

N = 1.2Q

0.5

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


85

Critères de conception – les filtres 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;


86

Critères de conception – les filtres 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)


87

Critères de conception – les médias filtrants et les taux de filtration

Critères du MDDEP


88

Critères de conception – rétrolavage Voir Figure 10.11 Qasim et al., 2000


89

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).


90

Etude sur la filtration d'eau par le sable

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