FILTRATION LENTE SUR SABLE : PRESENTATION GENERALE

La filtration lente est une méthode d'épuration biologique qui consiste à faire passer l'eau à traiter à travers un lit de matériau filtrant à une vitesse de 0,1 à 0,2 m/h. Le matériau filtrant le plus approprié est le sable. Au cours de ce passage, la qualité de l'eau s'améliore considérablement par la diminution du nombre de micro- organismes (bactéries, virus, kystes), par l'élimination de matières en suspension et colloïdales et par des changements dans sa composition chimique. A la surface du lit se forme une mince couche appelée "membrane biologique". Cette mince couche superficielle est essentielle, car c'est là que le processus d'épuration se déroule.

Avantages

Cette méthode de purification est souvent la plus économique en pays en développement et offre l'avantage d'une grande efficacité et d'une exploitation simple. Ainsi, elle répond aux besoins d'amélioration de la qualité de l'eau tout en offrant la possibilité d'associer la collectivité à la gestion, à l'entretien et à l'exploitation des installations.

Son aptitude à apporter une amélioration simultanée des qualités physiques, chimiques et bactériologiques de l'eau brute représente un avantage considérable par rapport à d'autres techniques : celui d'accéder à une qualité d'eau satisfaisante sans rajouter d'autres étapes dans le processus de purification. Ceci contribue largement à en faire une technique appropriée spécialement pour les collectivités des pays en développement. A noter que son efficacité et son coût ont suscité un nouvel intérêt dans les pays développés. D'ailleurs, des villes comme Londres et Amsterdam ont toujours eu des stations de filtration lente sur sable.

Inconvénients

Effets des algues sur les filtres => Les algues se développent dans l'eau stagnante sous l'influence des rayons du soleil à condition que cette eau contienne des substances nutritives tels que des nitrates et des phosphates. Bien qu'à strictement parler, elles ne participent pas au mécanisme de filtration, certains types d'algues sont importants au fonctionnement d'un filtre biologique. Ces effets peuvent être bénéfiques ou nuisibles, selon les conditions. Par ailleurs, sous certaines circonstances (climat, qualité de l'eau brute) une prolifération de certains types d'algues peut provoquer un colmatage rapide du lit filtrant et par conséquent poser des problèmes d'exploitation. Couvrir les filtres aide à résoudre ce problème si la prolifération prend place dans la couche d'eau surnageante.

Il convient de souligner que la filtration lente n'est pas une panacée à tous les problèmes de traitement de l'eau et qu'elle a certaines limitations. Un accroissement de la quantité des matières solides en suspension dans l'eau brute, tel qu'on le constate de plus en plus fréquemment, oblige à des nettoyages à intervalles trop fréquents. En conséquence, si la turbidité dépasse 30 Unités Néphélométriques de Turbidité (UNT) pendant de longues périodes, un prétraitement par décantation, préfiltration à flux horizontal ou vertical, ou autres types de prétraitement sont indispensables.

Eléments de base d'une Filtration Lente sur Sable

Une installation de Filtration Lente sur Sable se compose fondamentalement d'un bassin contenant une couche surnageante d'eau brute, un lit filtrant avec des drains, et un système de régulation et de commande du filtre (cf. les deux schémas ci-dessous).

Les composantes d’un filtre lent avec contrôle de débit à l’entrée (Source : Centre International de l’Eau et de l’Assainissement / IRC, 1991, La filtration

lente sur sable pour l’approvisionnement en eau potable, document technique n°24, La Hague)

a. Vanne d'amenée d'eau non-filtrée et de contrôle de débit b. Vanne de vidange pour évacuation de l'eau surnageante c. Vanne pour recharger le lit filtrant en eau propre d. Vanne de vidange pour drainer le lit filtrant et la chambre de sortie e. Vanne de chasse pour vider le réservoir d'eau traitée f. Vanne de sortie vers le réservoir principal du réseau de distribution g. Déversoir h. Mesure de débit

Les composantes d’un filtre lent avec contrôle de débit à la sortie (Source : Centre International de l’Eau et de l’Assainissement / IRC, 1991, La filtration

lente sur sable pour l’approvisionnement en eau potable, document technique n°24, La Hague)

a. Vanne d'amenée d'eau non-filtrée

b. Vanne de vidange pour l'évacuation de l'eau surnageante c. Vanne pour recharger le lit filtrant en eau propre d. Vanne de vidange pour drainer le lit filtrant et la chambre de sortie e. Vanne régulation de la vitesse de filtration f. Vanne de chasse pour vider le réservoir d'eau filtrée g. Vanne de sortie vers le réservoir principal du réseau de distribution h. Déversoir i. Mesure de Débit

L'ouvrage d'entrée

En général, les fonctions de l'ouvrage d'entrée sont les suivantes :

assurer une répartition de l'eau brute sur tout le filtre ; diminuer l'énergie de l'eau arrivant, de façon à éviter les turbulences pouvant

perturber la membrane biologique ; assurer la hauteur constante de l'eau surnageante ;

La couche d'eau surnageante

Le but principal de cette couche est de maintenir une charge suffisante pour faire passer l'eau brute au travers du lit filtrant à la vitesse voulue. De plus, elle permet un temps de rétention de plusieurs heures de l'eau à traiter. Durant cette période, les matières en suspension peuvent se déposer et s'agglomérer, grâce à des phénomènes physiques ou (bio)chimiques.

Le lit de matériau filtrant

En principe à granulométrie fine, le lit filtrant peut être constitué de n'importe quel matériau stable. On emploie le plus fréquemment le sable car il est bon marché, inerte, durable, et donne d'excellents résultats (voir schéma ci-dessous). On choisit normalement du sable dont la dimension des grains se situe entre 0,15 et 0,30 mm (il faut parfois le tamiser) et dont le coefficient d'uniformité est inférieur à 2 (bien qu'acceptable jusqu'à 5). Pour le bon fonctionnement du processus d'épuration, il faut prévoir un lit filtrant d'une hauteur minimum de 0,6 mètre.

Efficacité du filtre en fonction de la granulométrie (Source : Centre International de l’Eau et de l’Assainissement / IRC, 1991, La filtration lente sur sable pour l’approvisionnement en eau potable, document technique n°24, La

Hague)

Le réseau de drains

Ce réseau de drains répond aux buts suivants :

assurer un passage sans obstacle pour la collecte de l'eau traitée ; soutenir le lit du matériau filtrant ; garantir une vitesse de filtration uniforme sur toute la surface du filtre.

Dispositifs de régulation

Les opérations les plus importantes à réaliser chaque jour sont:

- assurer l'alimentation en eau brute;

- régulariser la vitesse de filtration (0,1-0,2m/h).

L'ouvrage de sortie

Les fonctions de l'ouvrage de sortie sont :

maintenir une charge suffisante dans le lit filtrant sur toute sa hauteur, en évitant ainsi le phénomène de bulles d'air sous la membrane biologique,

s'assurer que la vitesse de filtration ne soit pas influencée par les fluctuations du débit de sortie.

L'ouvrage de sortie des installations de Filtration Lente su Sable avec contrôle de débit à la sortie se compose habituellement d'une chambre avec un déversoir-en-V, un peu au-dessus du niveau du lit filtrant. A l'aide d'un flotteur calibré, on peut mesurer le débit. A noter qu'en passant par le déversoir l'eau se réoxygène, ce qui améliore son goût. Pour les installations ayant un contrôle de débit à l'entrée, l'ouvrage de sortie ne comprend pas le déversoir et le flotteur, qui se trouvent dans ce cas à l'entrée de l'eau brute.

Principe du procédé de traitement

L'épuration débute dans la couche d'eau brute surnageante, où les particules plus fines peuvent s'agréger en particules plus grosses par des interactions physiques ou (bio)chimiques. Le nombre de bactéries va diminuer, et il se produira une certaine réduction des matières organiques, résultant de la consommation par les algues ou d'une oxydation chimique.

L'élimination des impuretés et l'amélioration considérable de la qualité physique, chimique et bactériologique de l'eau brute s'effectue, en majeure partie, dans le lit filtrant et notamment dans la membrane biologique en haut du lit filtrant. Cette membrane est constituée d'une grande variété de micro- organismes très actifs (bactéries, protozoaires, bactériophages), qui dégradent les matières organiques. Une forte proportion des matières minérales en suspension est retenue par l'effet de tamisage.

La zone 'biologique' active où s'accomplissent les mécanismes d'épuration s'étend jusqu'à 0,4-0,5 m de la surface du lit filtrant, mais son activité diminue au fur et à mesure que l'eau s'épure et renferme moins de matières organiques et d'éléments nutritifs. A une plus grande profondeur dans le lit filtrant, les produits des processus biologiques sont éliminés davantage encore par des processus physiques (adsorption) et une action chimique (oxydation).

Le procédé d’épuration agit de manière efficace avec des vitesses d'écoulement faibles et un temps de rétention suffisant avant la filtration. Pour répondre à ces critères, il est généralement conseillé d'adapter des installations où la filtration lente sur sable est le seul traitement possible et de maintenir la vitesse de filtration entre 0,1 et 0,2 m/h. En plus, il faut que l'eau ait une teneur en oxygène suffisante, parce que l'activité de la biomasse diminue considérablement si celle-ci tombe à moins de 0,5 mg/1. Ce phénomène peut être évité par une aération de l'eau brute.

Rendement de filtres lents sur sable (Source : Centre International de l’Eau et de l’Assainissement / IRC, 1991, La filtration lente sur sable pour

l’approvisionnement en eau potable, document technique n°24, La Hague)

Les filtres à sable

Description

Les filtres à sable sont des dispositifs de gestion des eaux pluviales destinés au traitement des eaux de ruissellement en provenance d'immeubles résidentiels et commerciaux, des terrains de stationnement et des routes. Conçus principalement pour la gestion de la qualité des eaux pluviales, ils sont généralement peu utiles pour la gestion quantitative.

Comme leur nom l'indique, les filtres à sable fonctionnent par filtration des eaux pluviales à travers des lits de sable et d'autres matériaux filtrants. Ils peuvent être de grande ou de petite taille et peuvent être relativement complexes.

Dans un filtre à sable, les eaux pluviales sont acheminées vers un basin pour ensuite être filtrées à travers la couche de gravier et le filtre géotextile qui retient les sédiments. L'eau passe ensuite dans la couche de sable d'une épaisseur d'au moins 0,5 m. Lors du passage des eaux pluviales à travers ces couches, les polluants comme les métaux lourds, les sédiments, les bactéries E. coli et le phosphore sont retenus. L'effluent se dirige ensuite vers les tuyaux souterrains pour être emporté ailleurs.

Analyse de l'efficacité

En 1990, la Municipalité régionale d'Ottawa-Carleton a fait construire un immense filtre à sable pour traiter les eaux pluviales d'un bassin versant d'environ 44 ha afin d'améliorer la qualité des eaux de ruissellement se déversant dans la rivière Rideau durant la saison de baignade. L'usage des terrains qui sont tributaires des eaux de ruissellement dirigées sur le filtre à sable était surtout commercial ou industriel, et on s'attend à une mise en valeur accélérée de ces terrains à l'avenir.

Le filtre à sable est constitué :

d'une couche de pierre et de gravier de 0,30 m d'épaisseur, d'une couche de sable de 1,55 m d'épaisseur et d'une série de tranchées remplies de gravier.

La couche de pierre et de gravier est capable de supporter le poids des véhicules d'entretien. La fibre géotextile est intercalée entre le sol naturel et les couches supérieures pour empêcher que la terre n'atteigne la couche de matériau filtrant. Des tuyaux perforés installés dans les tranchées de gravier canalisent l'eau ainsi filtrée vers un égout pluvial qui aboutit dans la rivière Rideau.

L'évaluation du rendement des installations est en cours depuis 1992. Les résultats de l'évaluation montrent que le rendement des installations dépasse les attentes en ce qui a trait à la rétention des métaux lourds, des sédiments, des bactéries E. coli et du phosphore. Le taux de rétention des polluants excède régulièrement les 95 % suivant l'apport de polluants.

Il faut noter que les installations ne fonctionnent qu'à 45 % de leur capacité puisque le bassin versant en amont n'est que partiellement aménagé. On s'attend à ce que le taux de rétention de polluants diminue à la suite de l'augmentation du débit.

De manière générale, la rétention des polluants dans les filtres à sable varie en fonction de l'emplacement, des eaux de ruissellement et du climat. Globalement, la rétention des sédiments et des métaux-traces est meilleure que pour les polluants solubles puisque les filtres fonctionnent par filtration des particules contenues dans les eaux pluviales. Le tableau ci-dessous présente l'efficacité de rétention pour divers polluants.

Polluant Efficacité de la rétentionNutriments végétaux

Phosphore totalAzote total Modérée

ModéréeSédiments Très élevéeMétaux-traces (liés au sédiments) Très élevéeMatière organique

Mesure de la demande chimique et biochimique en oxygène (DCO et DBO)

Modérée

Huiles et graisses ÉlevéeBactéries Modérée

Source : Compilé à partir de Schueler 1987; Schueler et coll., 1992; US EPA, 1990; Phillips, 1992; Birch et coll., 1992 et autres.

Analyse économique et financière

Les frais de construction et d'entretien des filtres à sable varient en fonction du type de filtre (c'est-à-dire de sa complexité), de sa taille, de son emplacement — hors-sol ou souterrain — ainsi que de la qualité et de la quantité des eaux pluviales traitées. Parallèlement, cette variabilité ressort dans l'étendue et la non-disponibilité relatives des estimations de coûts.

On a trouvé plusieurs estimations du coût unitaire de l'eau pluviale traitée dans les filtres à sable. Selon l'une de ces estimations, l'installation d'un tel système au Canada coûterait entre 5 000 et 10 000 $. Une deuxième estimation tirée de l'Environmental Protection Agency des É.-U. suggère plutôt des coûts de l'ordre de 70 à 555 $ par m³ d'eau de ruissellement traitée. Le coût annuel d'entretien prévu est d'environ 5 % du coût de construction.

Un inconvénient majeur qui a limité la généralisation des filtres à sable tient du fait qu'ils requièrent souvent une superficie relativement grande. Par exemple, aux É.-U., les règlements visant les filtres à sable souterrains exigent une superficie d'un pied carré de filtre pour un ou deux gallons d'eau pluviale. Ainsi, un propriétaire-occupant devrait mettre de côté jusqu'à 200 pi² (~ 20 m²) pour un tel filtre qui coûterait environ 4 000 $.

Problèmes de mise en œuvre

Emplacement – Les filtres à sable s'adaptent d'emblée à l'espace disponible et aux débits prévus. Ils sont particulièrement adaptés aux maisons en bande ou en grappes et aux ensembles urbains densifiés où l'espace restreint limite l'utilisation des autres méthodes de gestion des eaux pluviales2.

Facteurs esthétiques – Les gros filtres à sable hors-sol sans recouvrement gazonné sont peu esthétiques dans les zones résidentielles et pourraient laisser échapper des odeurs désagréables. Un aménagement paysager constitué de haies et d'autres barrières naturelles pourrait améliorer l'apparence des filtres à sable hors-sol. Restreindre l'accès à la partie du terrain occupée par le filtre à sable pourrait mécontenter certains propriétaires-occupants.

Climat – L'efficacité des filtres à sable aussi bien hors-sol que souterrains sera réduite durant les mois d'hiver en raison du gel des tuyaux d'amenée et de sortie. L'arrivée du printemps rétablira le fonctionnement normal du filtre.

Entretien – Les filtres à sable possèdent une longue durée utile et retiennent bien les polluants s'ils ont été entretenus fréquemment et adéquatement. Un entretien typique consiste à racler la surface du sable et à le débarrasser des détritus accumulés. Lorsque le filtre se colmate, il suffit de remplacer les premiers pouces de sable contaminé par du sable propre.

1 Compilé à partir de Schueler 1987; Schueler et coll., 1992; US EPA, 1990; Phillips, 1992; Birch et coll., 1992 et autres.

2 Voir le document de la US Environmental Protection Agency intitulé Developments in Sand Filter Technology to Improve Runoff Quality, 1994

5 Matériaux5.1 Sable et graviersLe sable doit être lavé de façon à éliminer les fines inférieures à 80 μm (0,08 mm).Le sable roulé siliceux lavé est le matériau le plus adapté. Ce dernier est stable à l'eau et permet de reconstituer un milieuépurateur. Sa courbe granulométrique s'inscrit dans le fuseau donné en Annexe A. Le sable issu de carrières calcaires est interdit.En présence de conditions spécifiques, l'aptitude à l'épuration d'autres sables doit faire l'objet d'une évaluation par tierce partie.Les fournisseurs de granulats doivent remettre une fiche datée des caractéristiques et de l'origine des matériaux.L'Annexe A est transmise avec la commande et le fournisseur assure de délivrer un granulat conforme à l'exigence.Le déchargement direct du sable dans l'excavation doit être évité pour réduire la ségrégation du matériau.NOTEPour les systèmes de traitement qui utilisent le sol en place (tranchées et lit d'épandage), un sable quelconque est suffisantpour réaliser le lit de pose des équipements de pré-traitement et des canalisations (tuyaux pleins).Les graviers doivent être lavés de façon à éliminer les fines inférieures à 80 μm (0,08 mm). Les graviers roulés ou concasséssont stables à l'eau. La granulométrie des graviers est comprise entre 10 mm et 40 mm.