Un filtre à sable ou un filtre à medium granulaire est un filtre utilisant du sable ou un autre type de medium granulaire comme medium filtrant. Il servent principalement à filtrer des eaux, bien qu'ils puissent aussi servir pour des gaz (dont l'air). Il sont souvent utilisés en préfiltration, une filtration plus fine étant appliquée par la suite au fluide, avec un filtre à tamis ou un filtre à cartouches par exemple. Description Ces filtres sont composés d'une épaisse de couche de medium filtrant, 1 à 2 mètres de sable, placée dans un bassin ouvert ou une enceinte fermée. Le filtre fonctionne par effet de tamisage, les particules plus grosses que les intervalles entre les grains restant bloquées tandis que le reste du fluide s'écoule. Les impuretés à filtrer s'accumulent en surface du sable, formant le "gâteau". Le filtre peut continuer à être utilisé tant que tous ses espaces vides (entre les grains de sable) ne sont pas occupés par des particules. Il est ensuite nettoyé par passage d'un fluide à contre-courant, puis peut être utilisé à nouveau.

Filtres classiques à courant descendant normal Le liquide à filtrer est introduit sous pression en haut du filtre, passe dans le lit de sable, dans des buses, et est recueilli au fond du filtre. Le lit filtrant est très souvent constitué d’une couche de granulométrie unique, variant de 0,3 à 1,5 mm, homogène, reposant sur un gravier grossier. La hauteur de sable fin réellement utilisée pour la filtration n'est que de quelques dizaines de centimètres, ces filtres ont donc une faible capacité de rétention. Ces filtres sont utilisés pour des liquides peu chargés ou peu floculés, à faible vitesse, et sont lavés à l'eau filtré.

Filtres à drains à double courant Le liquide est introduit à la fois par la partie supérieure et par la partie inférieure (plancher crépiné) de l’appareil. Par le haut, l'injection de liquide crée un effet de piston hydraulique qui maintient le médium filtrant en place et facilite l’alimentation inférieure sans soulèvement des couches. Un drain est situé au milieu du médium, récupérant l'eau filtrée par le bas et le haut. Cela permet une utilisation de toute la couche de sable. Ces filtres sont lavés à l’eau brute.

Filtres à grilles Une grille de fers plats sur chant est située à 100 mm de profondeur dans le medium. La filtration s'effectue du bas vers le haut : en montant, le liquide entraine le sable qui créé des voutes dans les mailles de la grille, stabilisant le medium. Une fois sortie du filtre par le haut, l’eau filtrée tombe librement par débordement. Le lavage s’effectue à l’eau brute.

Dimensionnement Un filtre à sable peut permettre, en fonction de la granulométrie du sable, de filtrer des particules juqu'à une taille d'une centaine de micromètres.

Types de particules La taille et la forme des grains (ronds ou à arrêtes vives), est choisie en fonction du type de particules à retenir. Leur taille varie générallement de 0,5 à 3,5 mm. Il s'agir généralement de sable de mer, sable de rivière, silex, ou sable avec zéolite. D'autres matériaux peuvent également être utilisés : anthracite ou marbre (permettent d'éviter que de la silice issue du sable soit entraînée dans l'eau), bauxite (pour la filtration des aluminates), corindon (filtration des liquides à forte densité). La couche totale mesure 1 à 2 m de hauteur, les grains les plus fins sont situés en haut de celle-ci.

Vitesse d'écoulement du fluide La vitesse d'écoulement dans le fluide doit être suffisamment lente pour permettre une bonne filtration, sans colmatage rapide du sable. Pour de l'eau servant à l'irrigation, la vitesse doit être inférieure à 100 m/h. Pour de l'eau ultra propre, une vitesse de filtration supérieure à n'est pas efficace. La vitesse de passage du fluide à filtrer dépend du type de filtre, de la charge du liquide en sédiments et de la finesse de filtration recherchée. +Type de fluideVitesse de passage du fluide dans le filtre (en )eau contenant des substances organiques ou minérales fines8 à 20eau chargées en sédiments minéraux ou métallurgiques peu colmatants (exemple : battitures en sidérurgie)20 à 30eau de piscines prétraitées40 à 50 Pour un filtre à eau, la pression de fonctionnement est généralement de propre, et sale.

La surface du filtre doit être calculée en prenant en compte la vitesse de filtration et le débit souhaitée dans le pire des cas (quand le filtre est sale), selon la formule : (avec le débit en , la surface en et la vitesse en ) .

Nettoyage Après filtration ou traitement, le nettoyage du filtre s'effectue par envoi d’air et d’eau à contre-courant sous pression par des buses. Cela retourne le sable afin de le nettoyer (retro-flush). La masse doit être brassée afin d'éviter la formation de canaux préférentiels pour l'écoulement des fluides, et pour la détasser. Les débits des fluides de nettoyage sont d’environ 50 à à une pression de 50 à pour l'air et de 20 à à une pression de pour l'eau. En fin de lavage, après arrêt de l’air, le débit est réduit progressivement de façon à permettre un reclassement du lit filtrant.

Pour un filtre à eau, pour éviter d'envoyer du sable dans le circuit d'eau lors des opérations de maintenance, les tuyauteries d’arrivée et de sortie doivent être équipées de vannes d’arrêt. Le tube de sortie du filtre doit être transparent, pour pouvoir visualiser la turbidité du fluide en sortie.

Pour un filtre à eau, la durée de vie du sable varie de 3 à 5 ans dans le filtre. Sa qualité doit être vérifiée régulièrement, et un nettoyage chimique régulier suivi d’un contre lavage est conseillé.

Utilisations

Les filtres à sables sont particulièrement utilisés en tant que filtres à eau. Ils permettent d'éliminier l'azote ammoniacal des eaux faiblement concentrées (1mg N/L, eaux superficielles). Leur performance seules ne sont pas suffisante pour le traitement de l'eau potable, et ils ne permettent pas l'élimination des pesticides, mais ils sont fréquemment utilisés en complément d'autres techniques. Ainsi, ils sont utilisés en préfiltrage pour les stations d'épurations, complétés par des filtres UV. Ils sont intégrés dans des système d'assainissement des eaux en contexte industriel (brasserie, prétraitement de l'eau en microélectronique), pour le traitement des effluents liquides de décharges, en filtration et désinfection de l'eau dans les piscines publiques, en traitement secondaire du lactoserum dans l'industrie fromagère. Ils peuvent être utilisés pour filtrer des eaux d'irrigation, en amont d'un filtre à tamis.

En tant que filtre à air, les filtres à sables sont utilisés pour filtrer les vapeurs des fours à plomb, en préfiltre dans le traitement de l'air des abris de la protection civile, ou pour filtrer un air susceptible de contenir des radio-nucléides après un accident d'une installation nucléaire.

Protection en cas d'accident nucléaire Dans l'hypothèse de la fusion d'un réacteur nucléaire, des gaz chauds seraient produits par l’attaque du radier en béton par du corium, ainsi que de la vapeur d'eau en cas de brèche du circuit primaire. La pression augmenterait alors dans le bâtiment du réacteur, pouvant conduire à une perte de confinement. Une procédure pouvant alors être mise en oeuvre est de filtrer l'air par un filtre à sable et de canaliser les rejets filtrés vers une cheminée. Le filtre à sable permettrait une filtration des aérosols radioactifs (notamment césium), mais pas tous (iode gazeux I2 est peu retenu par ces filtres, par exemple). Il s'agit d'un dernier recours en cas d'accident grave, qui consiste à choisir ainsi de relâcher un peu de radioactivité, de façon contrôlée, plutôt que de risque la destruction du bâtiment du réacteur.

En France, des filtres à sables sont installés sur les EPR, suivant la procédure dite U5, des études sur l'efficacité du procédé ayant été menée par l'IRSN dans les années 1990. Cela fait suite à l'accident de Three Miles Islands. Des incertitudes existent cependant concernant l'efficacité de ces filtres. Notamment, depuis l'accident de Fukushima, il est admis que ces filtres ne tiennent pas en cas de séisme.

Histoire

Le filtre à sable est utilisé dans le traitement des eaux du monde entier depuis le xixe siècle.

Dans certaines cultures traditionnelles proches des rivières, l'eau n'est pas prélevée directement dans la rivière, mais dans un puits creusé sur la berge, l'eau ayant été naturellement filtrée par le principe du filtre à sable.

Notes et références

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