EIN 283 Filtres Sable 2005

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LE THÈME DU MOIS L’EAU POTABLE N° 283 - L’EAU, L’INDUSTRIE, LES NUISANCES - 55 I l est traité dans cet article des filtres à sable monocouche, utilisés pour la pro- duction d'eau destinée à la consomma- tion humaine. Il vient à la suite de l’article intitulé “Le sable de filtration” paru dans le n° 278 du mois de janvier 2005. Ces filtres ont pour but essentiel la réduc- tion de la turbidité par piégeage des matières en suspension (MES) dans la masse granulaire. Ils peuvent être placés : - soit en tête de filière quand il s’agit d’eaux peu chargées (15 à 20 mg/l de MES au maxi- mum), l’injection du coagulant s’effectuant en amont immédiat du poste de filtration, on parle alors de floculation directe sur filtre, - soit après une floculation-décantation pour les eaux chargées. La masse granulaire des filtres constitue également un milieu propice au développe- ment d’une biomasse, qui va agir sur cer- tains polluants dissous et donc améliorer la qualité de l’eau filtrée. Pour cette raison, l’exploitation d’un poste de filtration devra faire en sorte de permettre le développe- ment et la conservation de cette biomasse. Optimisation de la qualité de l'eau décantée Lorsque les filtres sont installés en aval d’un décanteur, il est important d'optimiser au maximum la qualité de l'eau décantée, car plus sa turbidité sera élevée, plus élevée sera celle de l’eau filtrée. Une mauvaise décantation conduira également à des pertes en eau excessives, du fait du raccour- cissement des cycles entre deux lavages. Pour améliorer la décantation, on veillera à un bon dimensionnement des décanteurs, fonction de la teneur en MES de l'eau brute, mais aussi de la viscosité de l'eau, et donc de sa température. Plus celle-ci sera basse, plus faible sera la vitesse de décantation des flocs. On s'attachera aussi à optimiser les doses de coagulant et de floculant, en réali- ABSTRACT Sand filters: optimization of their performances. Sand filters for drinking water supply can be optimized to improve filtered water turbidity and water losses. Various methods are descri- bed, including optimization of design (choice of sand, depth of sand, hydraulic distribution, water height), and operation (decrease starts and stops, sand quality control, turbidity decrease after backwashing, backwashing pro- cedure improvement). Regulation and clogging control are described too. Finally, operating troubles are listed and solutions are proposed. Filtres à sable : optimisation de leurs performances Dans une usine d'eau potable, les filtres à sable jouent souvent un rôle essentiel. Il est donc important de chercher à optimiser leurs perfor- mances, tant au niveau de leur conception que de leur exploitation, pour améliorer la qualité de l'eau filtrée et minimiser les pertes en eau. Guénaëlle Mauguin, GLS

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filtration sur sable

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L E T H È M E D U M O I S

L’EAU POTABLE

N° 283 - L’EAU, L’INDUSTRIE, LES NUISANCES - 55

I l est traité dans cet article des filtres àsable monocouche, utilisés pour la pro-duction d'eau destinée à la consomma-

tion humaine. Il vient à la suite de l’articleintitulé “Le sable de filtration” paru dans len° 278 du mois de janvier 2005.Ces filtres ont pour but essentiel la réduc-tion de la turbidité par piégeage desmatières en suspension (MES) dans lamasse granulaire. Ils peuvent être placés :- soit en tête de filière quand il s’agit d’eauxpeu chargées (15 à 20 mg/l de MES au maxi-mum), l’injection du coagulant s’effectuanten amont immédiat du poste de filtration, onparle alors de floculation directe sur filtre,- soit après une floculation-décantation pourles eaux chargées.La masse granulaire des filtres constitueégalement un milieu propice au développe-ment d’une biomasse, qui va agir sur cer-tains polluants dissous et donc améliorer laqualité de l’eau filtrée. Pour cette raison,

l’exploitation d’un poste de filtration devrafaire en sorte de permettre le développe-ment et la conservation de cette biomasse.

Optimisation de la qualitéde l'eau décantéeLorsque les filtres sont installés en aval d’undécanteur, il est important d'optimiser aumaximum la qualité de l'eau décantée, carplus sa turbidité sera élevée, plus élevéesera celle de l’eau filtrée. Une mauvaisedécantation conduira également à despertes en eau excessives, du fait du raccour-cissement des cycles entre deux lavages.Pour améliorer la décantation, on veillera àun bon dimensionnement des décanteurs,fonction de la teneur en MES de l'eau brute,mais aussi de la viscosité de l'eau, et doncde sa température. Plus celle-ci sera basse,plus faible sera la vitesse de décantation desflocs. On s'attachera aussi à optimiser lesdoses de coagulant et de floculant, en réali-

ABSTRACTSand filters: optimizationof their performances.Sand filters for drinking water supply can be

optimized to improve filtered water turbidity

and water losses. Various methods are descri-

bed, including optimization of design (choice of

sand, depth of sand, hydraulic distribution,

water height), and operation (decrease starts

and stops, sand quality control, turbidity

decrease after backwashing, backwashing pro-

cedure improvement). Regulation and clogging

control are described too. Finally, operating

troubles are listed and solutions are proposed.

Filtres à sable :optimisation deleurs performances

Dans une usine d'eau potable, les filtres à sable jouent souvent un rôleessentiel. Il est donc important de chercher à optimiser leurs perfor-mances, tant au niveau de leur conception que de leur exploitation, pouraméliorer la qualité de l'eau filtrée et minimiser les pertes en eau.

Guénaëlle Mauguin, GLS

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sant régulièrement des jar-tests sur l'eaubrute et tout au moins, à chaque variationsignificative de la qualité de celle-ci.La concentration en oxydant dans l’eaudécantée doit être la plus faible possible,afin de permettre le développement de labiomasse sur les grains de sable.Enfin, les purges des décanteurs seront opti-misées pour éviter les remontées de bouesau niveau des goulottes de reprise de l’eaudécantée, ce qui aurait pour conséquenced’accélérer le colmatage des filtres.

Optimisation de la qualitéde l'eau filtréeLe décret 2001-1220 relatif aux eaux desti-nées à la consommation humaine fixe unelimite de qualité pour la turbidité de 1 NFU(hors augmentation éventuelle due à un trai-tement de neutralisation ou de reminéralisa-tion), avec une référence de qualité de 0,5NFU. Le traitement de désinfection serad'autant plus efficace que la turbidité del'eau filtrée sera faible.Au niveau de la conception des filtres, laqualité de l'eau filtrée va dépendre de plu-sieurs paramètres :- hauteur de la couche filtrante : plus lahauteur est importante, meilleure sera laqualité. En général, on choisira une hauteurde couche supérieure ou égale à 1.000 fois lataille effective du sable (par exemple950 mm de hauteur pour un sable ayant unTEN de 0,95 mm).- taille effective du sable (1) : cette taillecorrespond à l’ouverture de maille théoriquepar laquelle passe 10 % m/m des grains. Pluselle sera faible, meilleure sera la qualité dutraitement. Un compromis devra néanmoinsêtre trouvé en prenant en compte la fré-quence des lavages, car plus la taille effec-tive sera faible, plus le colmatage serarapide. En général, la taille effective la plus

couramment utilisée est de 0,95 mm.- forme des grains (1) : une forme ronde desgrains améliore la qualité du traitement : cesgrains de sable s'imbriquent mieux les unsdans les autres que les grains anguleux, cequi diminue les espaces entre grains, et doncaméliore l’effet tamisage. On préférera doncun sable de rivière roulé par rapport à unsable de mer broyé présentant des arêtesvives.- répartition homogène de l'eau à traiter

sur l'ensemble des filtres d'une

batterie : il est important d'avoir une bonnerépartition hydraulique, pour ne pas défavo-riser un ou plusieurs filtres de la batterie.Lorsque la batterie est constituée de filtresouverts en béton, la meilleure façon d'obte-nir une bonne répartition est de prévoir,dans le canal d'alimentation, un déversoiralimentant chaque filtre (figure 1). On peutégalement prévoir sur des filtres déjàconstruits, l'ajout de diaphragmes réglablessur les entrées de chaque filtre, pour par-faire la répartition.Lorsqu’il s’agit de filtres métalliques souspression, la répartition du débit s’effectueraen opposant l'entrée et la sortie générale desfiltres (figure 2). Ainsi, le premier filtre, quiest le plus favorisé à l'alimentation, est leplus défavorisé côté récupération de l'eaufiltrée, ce qui équilibre les débits sur l’en-semble des filtres de la batterie.

- hauteur d’eau au-dessus du média : pluselle sera importante, plus les cycles entredeux lavages seront longs et moins lesrisques de mise en dépression, et donc dedégazage, seront importants. Tout prolonge-ment de la filtration au-delà de la valeurmaximum admise pour le colmatage,entraîne un dégazage qui diminue les perfor-mances des filtres (figure 3).- conception des parties internes du bas-

sin filtrant : tout doit être mis en œuvrepour assurer, d’une manière homogène surtoute la surface du bassin, la reprise de l’eaufiltrée ainsi que la distribution des fluides delavage (densité des buselures : 50 au m2 envi-ron - parfaite horizontalité du plancher - pré-sence d’une couche de sable support et dediffusion noyant les buselures – orifices cali-brés pour la distribution des fluides delavage sur toute la longueur du bassin…).Au niveau de l'exploitation des filtres, laqualité de l'eau filtrée va dépendre de plu-sieurs paramètres :- limitation du nombre de démarrages et

d'arrêts de l’usine : il sera recherché untemps de fonctionnement plus long, en dimi-nuant le débit de production, pour une pro-duction journalière constante. Cela permetde supprimer les “à-coups” à chaque reprisede la filtration, afin d’éviter la dégradationmomentanée de la qualité de l'eau filtrée. Ilpeut donc être intéressant de prévoir desvariateurs de fréquence sur les pompes d'ali-mentation, pour adapter la production à lademande, ou bien d'augmenter la capacitéde stockage de l'eau traitée pour lisser laproduction.- contrôle du sable filtrant : le niveau dumédia doit être contrôlé régulièrement (tousles 6 mois), et un ajustement doit être fait encas de pertes de sable. De plus, la tailleeffective et le coefficient d'uniformité du

Figure 1 : Répartition de l’eau sur une batterie de filtres ouverts.

Figure 2 : Répartition de l’eau sur une batterie de filtres fermés sous-pression.

(1) Se reporter à l’article “Le sable de filtration” paru dans le n° 278 du mois de janvier 2005.

Veuillez noter à ce sujet l’erratum suivant pour la formule de la perméabilité du média :

K = [150 × (0,72 + 0,028T) × f 3 × Ds × ϕ2] / (1 - f 2), (Ds n’est pas à la puissance 2)

avec K : perméabilité du média en m/h et non pas en m/s.

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sable doivent également être contrôlés (tousles 2 ans) et comparés aux caractéristiquesinitiales du sable. Lorsque les valeurs mesu-rées ont varié de plus de 10 % par rapportaux valeurs initiales, le sable doit êtrechangé.- qualité de l’eau de lavage : le lavage doits’effectuer à l’aide d’eau filtrée non chlorée,afin de ne pas détruire la biomasse.- mise à clair du filtre ou maturation : àla reprise de la filtration après un lavage, ilest momentanément observé un pic de turbi-dité sur l'eau filtrée, correspondant autemps nécessaire au re-compactage du lit età la reconstitution de la biomasse épura-trice. Pour éviter cela, il est généralementprévu une mise à l'égout des premières eauxfiltrées (mise à clair) pendant une duréeréglable (15 à 30 minutes). Cependant, lamise à clair peut être avantageusement rem-placée par une période de maturation du

filtre, correspondant à un arrêt prolongé (15minutes à 1 h) avant la reprise de la filtra-tion, ce qui permet de diminuer égalementles pertes en eau (figure 4).

Choix de la régulation et du modede contrôle du colmatageUne bonne régulation du débit d'eau filtréepermet d'améliorer la qualité du traitement,en maintenant le débit à une valeur prochedu nominal.En effet, dans le cycle de filtration, plus lefiltre se colmate, plus son débit va diminuer.Il faut donc prévoir un système de régula-tion créant une perte de charge artificielle

lorsque le filtre est propre, perte qui va dimi-nuer au fur et à mesure que le filtre se col-mate, pour compenser le colmatage et doncmaintenir un débit constant.Différents systèmes de régulation peuventêtre mis en œuvre :- siphons partialisés : un flotteur installédans le filtre régule l'entrée d'air au col d'unsiphon installé sur la sortie de l'eau filtrée,l'air créant une perte de charge plus oumoins importante, pour compenser le col-

Figure 3 : Évolution des lignes de charge dans lacouche filtrante au cours d’un cycle entre deuxlavages.

Figure 4 : Évolution type de l’eau filtrée pour diffé-rents temps de maturation (Tm après lavage).

Figure 5 : Décrément avec vanne de régulation à papillon.

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matage du filtre.- vannes à papillon avec commande

pneumatique et positionneur asservi àune sonde de niveau installée au-dessus dulit filtrant : lorsque le niveau monte dans lefiltre, la vanne s'ouvre pour compenser lecolmatage.- vannes à membrane à commande

hydraulique, avec pilote à flotteur installédans le filtre : lorsque le niveau monte dansle filtre, le pilote commande l'ouverture dela vanne pour compenser le colmatage.Les différents types de régulation sontcaractérisés par un décrément, qui est lavariation maximum de niveau observée dansle filtre, correspondant à l'inertie du systèmede régulation. Il sera donc recherché ledécrément le plus faible et le plus stablepossible.Avec un siphon partialisé, le décrément estde l’ordre de 5 à 7,5 cm.Une vanne papillon doit être correctementinstallée pour un fonctionnement optimum(contre-pression nécessaire à l’aval). Danscertains cas, on observe un phénomène de“pompage” de la vanne, conduisant à undécrément important (figure 5).Une vanne à membrane hydraulique conduità un décrément faible (figure 6), ce qui enfait un équipement très fiable pour la régula-tion des filtres.Pour chaque mode de régulation, il peut êtreprévu un système différent pour contrôler lecolmatage et déclencher un lavage. Pour unsiphon partialisé, il peut être utilisé un seuilsur un vacuostat installé au col du siphon,mesurant le vide et donc reflétant le degréde colmatage. Pour une vanne à papillon ouune vanne à commande hydraulique, il peutêtre utilisé un seuil sur l'indicateur de posi-tion de la vanne, permettant de détecter sonouverture maximum correspondant au col-

matage maximum du filtre.Dans tous les cas, la mesure du colmatagepourra être faite par installation d'un cap-teur de pression sous le plancher des filtres,avec éventuellement une mesure du niveauau-dessus du filtre, pour trouver par diffé-rence la valeur du colmatage du média.Cette mesure du colmatage est très impor-tante, car c'est elle qui va permettre à l'ex-ploitant de savoir à quel moment il faut laverun filtre, pour optimiser la qualité de l'eaufiltrée et les pertes en eau.

Optimisation du lavagedes filtresLes séquences de lavage courantes desfiltres monocouches sont les suivantes :1 - arrêt de la filtration2 - détassage à l'air seul3 - lavage à l’air + eau à petit débit4 - rinçage à l'eau à grand débit5 - mise à clair ou maturation6 - reprise de la filtration.Les fréquences et la durée de lavage doivent

être optimisées à chaque changement signi-ficatif de la qualité de l'eau brute à traiter :lorsque l'eau est peu chargée, les lavagespeuvent être espacés, mais on peut aussiréduire la durée de certaines séquences(notamment le rinçage final), ce qui permetde diminuer les pertes en eau. En général,on peut arrêter le rinçage lorsque la turbiditédes eaux sales de lavage est de l’ordre de 10à 15 NFU (figure 7). Au-delà, on ne gagnerapas sur la qualité de l'eau filtrée et la fré-quence de lavage des filtres. De plus, onrisque de réduire la biomasse plus quenécessaire, ce qui pourrait entraîner unallongement du temps de maturation.Il est donc important de contrôler régulière-ment la turbidité des eaux sales pour optimi-ser la durée de certaines séquences. Dans lemeilleur des cas, il peut être prévu l’installa-tion d’un turbidimètre sur la sortie des eauxsales pour contrôler l’efficacité et la duréedu lavage.La durée de la séquence de lavage "air + eauà petit débit" sera optimisée par rapport à ladurée de la séquence "rinçage à l'eau", qui sefait à un débit plus important (au moinsdeux fois plus élevé que celui du lavage), etqui conduit donc à des pertes en eau plusimportantes.En ce qui concerne la vitesse de rinçage, elledoit être de l’ordre de 20 m/h à 10 °C, et seracorrigée en fonction de la températuremoyenne de l’eau (tableau 1).Dans certains cas, il est uniquement prévuun détassage à l’air, suivi d’un rinçage àl’eau. Cette méthode est également trèsconsommatrice d'eau, et n’est adaptéequ’aux eaux brutes peu chargées.

Figure 6 : Décrément avec vanne de régulation à membrane à commande hydraulique.

Figure 7 : Évolution de la turbidité des eaux sales de lavage.

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Le lavage des filtres doit être initié parun seuil sur la mesure de colmatage dumédia. Il peut également être prévu unturbidimètre sur chaque sortie d'eau fil-trée, permettant d'une part une sur-veillance en continu du traitement, etd'autre part de déclencher à bonescient un lavage (sur seuil de turbiditéhaute).Dans tous les cas, si la qualité de l'eaubrute est bonne, et si le colmatagemaximum n'est pas atteint au boutd'une semaine environ, il est conseilléde procéder à un lavage forcé pourdécompacter le média et éviter la for-mation de passages préférentiels.Si un filtre a été mis à l'arrêt pendantune durée prolongée, il est nécessairede procéder à un lavage avant saremise en service, pour supprimer lesurplus de biomasse, et éviter unedégradation de la qualité de l'eau filtréeà la remise en service.

Problèmes d'exploitation

Pertes de sable

Les pertes de sable peuvent être dues :- à un franc-bord insuffisant entre leniveau du média et le niveau du déver-soir de sortie des eaux sales. Un mini-mum de 400 à 500 mm est nécessairepour éviter tout entraînement intem-pestif de média.- à un débit trop important lors de laséquence de lavage "air + eau", provo-quant une forte agitation à la surfacedu sable, avec risque de départ dans leseaux sales.Dans certains cas, il peut être utile deprévoir un piège à sables sur la sortiedes eaux sales pour éviter leur entraî-

nement dans le réseau d’évacuation ouvers la filière de traitement des boues.

Crevaison des filtres

Le phénomène de crevaison d'un filtrecorrespond à un pic très important surla turbidité de l'eau filtrée. Cela reflèteun passage préférentiel qui s'est créédans le média (appelé aussi "renard"),provoquant le passage d'eau brutedirectement dans l'eau filtrée.Ce phénomène est fréquent lorsque leslavages ne sont pas réalisés à temps oumal conduits :- durée de chaque séquence trop faible,- débit d'eau de rinçage trop faible.Tout cela conduit à un mauvais lavage,ne permettant pas une éliminationtotale des MES retenues dans le filtre,ni une homogénéisation correcte dumédia avant la reprise de la filtration.La fréquence et/ou la durée des lavagesdoivent dans ce cas être optimisées.

ConclusionLes filtres à sable sont un poste essen-tiel dans une usine d'eau potable, puis-qu'ils sont bien souvent la dernièreétape du traitement avant la désinfec-tion finale. Une optimisation de leursperformances est donc importante,tant au niveau de leur conception quede leur exploitation, dans un objectifd'amélioration de la qualité de l'eau fil-trée, mais aussi d'optimisation despertes en eau.L’amélioration des performances serad’autant plus nécessaire que la réfé-rence de qualité concernant la turbiditéde l’eau traitée tendra vers 0,2 NFU, cequi risque d’être le cas dans un procheavenir. ■

Teau (°C) 0 5 10 15 20 25 30 35Facteur k 0,90 0,95 1 1,05 1,09 1,14 1,18 1,22

Tableau 1 : facteur de correction de la vitesse de rinçage enfonction de la température de l’eau(Vr à X°C = kVr à 10°C)

Nota : à ces vitesses, l’expansion du sable est nulle, ce qui garantit l’homogénéité de la couche filtrante, et donc une filtration en pro-

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