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Etude sur la filtration d'eau par le sable
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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
© Hubert Cabana, 2009 2
La filtration
© Hubert Cabana, 2009 3
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
© Hubert Cabana, 2009 4
Généralités
� Différents mécanismes sont impliqués dans la filtration granulaire :� Filtration� Sédimentation� Impaction� Interception
© Hubert Cabana, 2009 5
Généralités
© Hubert Cabana, 2009 6
Liaisons physico-chimiques entre le colloïde et le média; Interactions colloïdes/colloïdes
Généralités
© Hubert Cabana, 2009 7
World Health Organization, 1974
Au cours de l’opération
© Hubert Cabana, 2009 8
↑ Filtration↑ Vitesse de l’eau dans les pores↑ Taux de cisaillement↑ Perte de charge dans le filtre
Nécessité de rétrolavage
6
8
10
12
dV
/dt
6
8
10
12
dV
/dt
Nettoyage (t
© Hubert Cabana, 2009 9
0
2
4
6
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33
t
dV
/dt
0
2
4
6
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33
t
dV
/dt
Filtration (tf)
Nettoyage (tn )
Classification des filtres
� Taux de filtration
� Par force utilisée pour déplacer le liquide
� Direction de l’écoulement
© Hubert Cabana, 2009 10
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
© Hubert Cabana, 2009 11
Filtration lente sur sable
© Hubert Cabana, 2009 12
Typiquement, le taux de filtration (Q/A) varie entre 0.1 – 10 m3 m-2 j-1
Filtration lente sur sable
Temps de séjour : 3-12 hRéaction photochimiques et biologiques
Phénomènes biologiques permettant la transformation de la matière organique
© Hubert Cabana, 2009 13
Filtration lente sur sable
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
© Hubert Cabana, 2009 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;
© Hubert Cabana, 2009 15
Filtration rapide sur sable
� Taux de filtration plus élevés : 120 – 240 m3 m-2 j-1
� Bassins en béton ou en acier;
© Hubert Cabana, 2009 16
Technique de l’ingénieur, 2000
Qasim et al., 2000
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;directement;• Possibilité de coagulation avant filtration
• Eau brute avec faible turbidité• Dosage faible de coagulant ~ 2-5 mg/l
© Hubert Cabana, 2009 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
© Hubert Cabana, 2009 18
Filtration sous pression
© Hubert Cabana, 2009 19
Technique de l’ingénieur, 2000
High rate filtration
© Hubert Cabana, 2009 20
http://www.recsupply.com
Sens de l’écoulement
� Filtration descendante ou ascendante
© Hubert Cabana, 2009 21Qasim et al., 2000
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)
© Hubert Cabana, 2009 23
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
© Hubert Cabana, 2009 24
Sable vs anthracite
© Hubert Cabana, 2009 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
© Hubert Cabana, 2009 26Qasim et al., 2000
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� 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.
© Hubert Cabana, 2009 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)
© Hubert Cabana, 2009 29
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)
© Hubert Cabana, 2009 30
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
Design des médias filtrantsCouche 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
© Hubert Cabana, 2009 31t1t2t3
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.
Design des médias filtrantsCouche filtrante unique
� 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)
© Hubert Cabana, 2009 32
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;
© Hubert Cabana, 2009 33
Design des médias filtrantsBicouche
© Hubert Cabana, 2009 34Qasim et al., 2000
Design des médias filtrantsBicouche
� Typiquement
Matériau Taille effective (mm)
Coefficient d’uniformité
Profondeur (cm)
© Hubert Cabana, 2009 35
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
© Hubert Cabana, 2009 36Qasim et al., 2000
Design des médias filtrantsmulticouche
� Permet d’améliorer le temps de filtration et la qualité de l’eau
Matériau Taille effective (mm)
Coefficient d’uniformité
Profondeur (cm)
© Hubert Cabana, 2009 37
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
© Hubert Cabana, 2009 38
Design des médias filtrantsdiamètre moyen et profondeur
D10 : l ~ 1020 (si on considère l’ensemble
© Hubert Cabana, 2009 39
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
© Hubert Cabana, 2009 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.
© Hubert Cabana, 2009 41
Perte de charge vs opération
© Hubert Cabana, 2009 42
Contrôle des filtres
© Hubert Cabana, 2009 43
À taux de filtration constant
� Débit réparti également entre tous les filtres.
© Hubert Cabana, 2009 44
Kawamura, 2000
À taux de filtration constant
� Hauteur d’eau constante dans l’entrée
© Hubert Cabana, 2009 45AWWA, 1990
À taux de filtration constant
� Niveau variable dans l’inlet
© Hubert Cabana, 2009 46AWWA, 1990
À taux de filtration variable
© Hubert Cabana, 2009 47
Comparaison
© Hubert Cabana, 2009 48
Qasim et al., 2000
Lavage des filtres
© Hubert Cabana, 2009 49
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.
© Hubert Cabana, 2009 50
Rétrolavage des filtres
© Hubert Cabana, 2009 51
Kawamura, 2000
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 litfluidiser le lit
© Hubert Cabana, 2009 52
Rétrolavage des filtres
� 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
© Hubert Cabana, 2009 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;• 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
© Hubert Cabana, 2009 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)
© Hubert Cabana, 2009 56
( )µ
ρρ
18
2gD
ufpp
t
−=
Stoke
( )
f
fpp
t
gDu
ρ
ρρ −= 75.1
Newton
Vitesse de sédimentation
© Hubert Cabana, 2009 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
© Hubert Cabana, 2009 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 2. Déterminer le diamètre du second média à utiliser pour
que utsable ~ utanthracite
© Hubert Cabana, 2009 59
3/2
2,
1,
1,102,101
1
−
−=
relative
relativedd
ρ
ρ
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)
© Hubert Cabana, 2009 60
Débit d’eau de lavage
Hypothèses : � Régime de Newton� T = 20°C� ρsable = 2610 kg/m3 ; ρanthracite= 1500 kg/m3
© Hubert Cabana, 2009 61
e)(anthracit
(sable)
60
60
7.4
10
du
du
t
t
=
=
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.
© Hubert Cabana, 2009 62
e)(anthracit
(sable)
60
60
47.0 dU
dU
b
b
=
=
Débit d’eau de lavage
© Hubert Cabana, 2009 63Qasim et al., 2000
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.
© Hubert Cabana, 2009 64
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 −=∆
© Hubert Cabana, 2009 65
)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.
© Hubert Cabana, 2009 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 � Typiquement : 4-5% de l’eau traitée quotidiennement est utilisée pour le lavage et le rinçage des filtres.
© Hubert Cabana, 2009 67
Amélioration du rétrolavage
� Nettoyage de surface
� Nettoyage à l’air
© Hubert Cabana, 2009 68
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
© Hubert Cabana, 2009 69
Nettoyage de surface
© Hubert Cabana, 2009 70
AWWA, 1990
Nettoyage à l’air
© Hubert Cabana, 2009 71
Kawamura, 2000
Nettoyage à l’air
� 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
© 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 m3/m2h
© Hubert Cabana, 2009 73
Remise en marche
0,8
1
1,2
Tu
rbid
ité (
UT
N)
© Hubert Cabana, 2009 74
0
0,2
0,4
0,6
0 5 10 15 20 25 30
Tu
rbid
ité (
UT
N)
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.
© Hubert Cabana, 2009 75
Récupération des eaux de lavage
� Le rétrolavage doit être le plus « vertical » possible� Utilisation de goulottes pour récupérer l’eau de
rétrolavage.
© Hubert Cabana, 2009 76
Qasim et al., 2000
Récupération des eaux de lavage
© Hubert Cabana, 2009 77
Qasim et al., 2000
Récupération des eaux de lavage
ππ
≤≤floct
u
u
D
S ,
© Hubert Cabana, 2009 78
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).
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.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.
© Hubert Cabana, 2009 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.
© Hubert Cabana, 2009 81
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
© Hubert Cabana, 2009 82
Système de sous-drainage
© Hubert Cabana, 2009 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 : � Pour les autres :
© Hubert Cabana, 2009 85
5.02.1 QN =
N = nombre de filtresQ= débit journalier max (MGD, 1 MGD = 3785 m3/j)
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;
© Hubert Cabana, 2009 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)
© Hubert Cabana, 2009 87
Critères de conception –les médias filtrants et les taux de
filtration
© Hubert Cabana, 2009 88Critères du MDDEP
Critères de conception –rétrolavage
� Voir Figure 10.11 Qasim et al., 2000
© Hubert Cabana, 2009 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).
© Hubert Cabana, 2009 90