Filtres à sable à gravité rapide : développements dans la conception des planchers filtrants

Il existe différentes conceptions pour les drains souterrains - importants lors de l'élimination des solides en suspension de l'eau potable. David Shepherd de Severn Trent Services Ltd nous présente quelques développements récents.

La performance des filtres à eau potable dans l'élimination des solides en suspension dépend de manière cruciale de la conception du sous-drain du filtre et du support du média filtrant. Il existe actuellement un certain nombre de technologies de plancher filtrant à gravité rapide différentes, y compris le bloc TETRA LP (Low Profile), qui compte de plus en plus d'installations à travers l'Europe.

Le nettoyage total du média est la condition essentielle pour qu'un filtre gravitaire rapide fonctionne de manière efficace et efficiente dans toutes les conditions de chargement. Le lavage à contre-courant des filtres à gravité est nécessaire pour éliminer les solides collectés par le média pendant le cycle de filtration. Un flux d'eau ascendant ou une combinaison d'air et d'eau pour fluidifier et récurer le média est nécessaire.

Bien que le média filtrant approprié soit important pour la performance des filtres à gravité rapide, les preuves suggèrent que les performances de filtration et de lavage à contre-courant dépendent fortement de la conception du sous-drain du filtre et du support du média filtrant. Le développement récent d'un double drain latéral parallèle s'est avéré fournir une distribution uniforme de l'eau et de l'air de lavage à contre-courant. Dans le double drain latéral parallèle, des plaques de plastique fritté sont utilisées pour remplacer les couches de support de gravier dans les filtres. Des plaques composites de différentes porosités sont également utilisées.

Le sous-drain du filtre : fonctions et types

Les principaux composants d'un filtre à sable à gravité rapide sont le média filtrant, les couches de support de gravier et le sous-drain du filtre. Le sous-drain sert à supporter le média filtrant et le gravier; recueillir uniformément l'eau filtrée au fond du filtre ; et de répartir uniformément l'air et l'eau au fond du filtre pendant le rétrolavage. La clé de ces fonctions est l'uniformité de la filtration et de la distribution de l'air et de l'eau de lavage à contre-courant. La régularité de la distribution de l'eau de lavage à contre-courant revêt une importance particulière. L'efficacité du filtre dépend de l'efficacité du cycle de lavage à contre-courant.

Au Royaume-Uni, les principaux types de drains souterrains utilisés sont le collecteur et le type latéral, le plancher de plénum ou le type à buse et le drain souterrain à double bloc de type latéral parallèle. Ce dernier est un développement relativement nouveau sur le marché qui est de plus en plus utilisé.

En-tête et type latéral

Le type le plus simple de drain souterrain est le type collecteur et latéral (Figure 1). Dans ce type de drain souterrain, l'eau de lavage à contre-courant pénètre dans le fond du filtre par un tuyau ou un canal sous pression appelé collecteur. Des conduites dites latérales sont reliées à angle droit au collecteur et sont enfouies dans les graviers du filtre. Les canalisations latérales distribuent l'eau de lavage à travers une série d'orifices.

Le plus grand inconvénient du collecteur et du drain latéral est la difficulté d'obtenir une distribution uniforme de l'eau de lavage à contre-courant. La vitesse élevée de l'eau de lavage à contre-courant dans le collecteur fait que la pression statique du collecteur est la plus élevée à la fin. De ce fait, les embranchements à l'extrémité du collecteur reçoivent la majeure partie du débit. Ceci peut être surmonté en redistribuant la perte de charge du collecteur vers les orifices des conduites latérales. Pour que cela soit efficace, la perte de charge aux orifices doit être de l'ordre de 2 à 3 m – un débit qui augmente les coûts de pompage. Un autre problème avec ce type de sous-drain est qu'il n'y a pas d'orifices dans le collecteur. Sans flux de lavage à contre-courant, cette zone n'est pas correctement nettoyée.

Type de plancher de plénum

Les drains de fond de plénum ou de type buse consistent en un faux plancher traversé par des buses ou des crépines (Figure 2). Les systèmes de buse ont de grands orifices et nécessitent l'utilisation de graviers pour empêcher le fluide de pénétrer dans la buse. Les systèmes de crépine utilisent de fines ouvertures pour retenir le média filtrant. Les conceptions de plancher de plénum peuvent souffrir des mêmes problèmes de distribution hydraulique que les conceptions d'en-tête et latérales. La vitesse de l'eau entrante est telle que le débit est le plus grand à l'entrée et près des côtés à moins que le plénum ne soit très grand. De plus, l'espacement des buses est souvent assez large (jusqu'à 200 mm) comprenant 40 à 60 par m3 d'espace au sol du filtre et des points morts peuvent se produire lors du rétrolavage.

Il existe d'autres défis liés à l'utilisation d'un drain de fond de type plénum. Le faux fond du drain souterrain est intrinsèquement susceptible de défaillance structurelle. Lors d'un lavage à contre-courant, une pression ascendante considérable est exercée sur la face inférieure du plénum. Ceci est exacerbé si les crépines sont bloquées par des solides en suspension ou des morceaux de sable et de gravier qui peuvent se trouver dans l'eau de lavage à contre-courant. Des cycles de lavage à contre-courant répétés peuvent provoquer une rupture du sol en raison de flexions répétées. Le nettoyage des crépines ne peut être effectué qu'en retirant le média filtrant. La maintenance est compliquée par le fait que l'accès du personnel à la zone du plénum présente un risque pour la santé et la sécurité. Enfin, les buses du drain de plancher du plénum sont souvent endommagées lors de l'installation du système.

Conception latérale à deux passages

Le drain latéral à deux passages a été conçu pour surmonter les problèmes des systèmes les plus couramment utilisés. Les problèmes de distribution uniforme sont résolus en utilisant deux dérivations parallèles (Figure 3). Le latéral central (d'alimentation) a des orifices sur sa longueur s'étendant jusqu'à un second latéral parallèle appelé latéral de compensation. Lors du lavage à contre-courant, l'eau pénètre dans le collecteur central à partir d'un tuyau ou d'un canal sous pression et est ensuite distribuée dans le collecteur de compensation par des orifices dans ce collecteur. Comme dans toute dérivation unique, le débit le plus élevé se produira par les orifices les plus éloignés du point d'entrée. Cette variation de débit est égalisée dans le tuyau latéral de compensation, permettant au système de fournir une distribution uniforme de l'eau de lavage à contre-courant sur l'ensemble du fond du filtre tout en minimisant la perte de charge.

L'application pratique de cette conception utilise des blocs préformés en polyéthylène haute densité (Figure 4) qui incorporent le chargeur et les latéraux de compensation dans les blocs. Les blocs s'emboîtent et sont disposés bout à bout en rangées de sorte que les embranchements soient alignés en continu sur l'ensemble du filtre (Figure 5). Les rangées de blocs sont placées les unes à côté des autres sur toute la largeur du filtre, et les blocs au-dessus du canal sont ancrés avec des tiges d'ancrage spéciales et le petit espace entre les rangées est rempli de coulis. Cela a pour effet de verrouiller les blocs ensemble pour former un sol plat et de niveau.

Comparé aux conceptions traditionnelles de drain souterrain, le système latéral à deux passages offre une distribution plus uniforme de l'eau et de l'air de lavage à contre-courant ; la construction simple du compartiment du filtre permet d'avoir un sol plan et plat ; il n'y a pas de plancher de plénum à tomber en panne et pas de buses ou de crépines à bloquer ; et l'installation est simple.

Utilisation du décapage à l'air

Les solides piégés et les produits chimiques de traitement de l'eau peuvent adhérer fortement au média filtrant. La méthode traditionnelle de nettoyage d'un filtre consistait à pomper de l'eau propre du fond du lit à une vitesse suffisante pour fluidifier le média. Les solides attachés sont cisaillés et retirés. Le problème avec cette méthode est que l'action de cisaillement peut ne pas être suffisante pour éliminer le floc chimique de tous les supports. Si le média n'est pas complètement nettoyé, les accumulations de solides peuvent créer des boules de boue, ce qui peut provoquer des blocages dans le filtre et entraîner une détérioration des performances. Une façon de surmonter ce problème consiste à inclure un lavage à l'air ou un lavage combiné à l'air et à l'eau dans le cycle de lavage à contre-courant.

Dans la conception du bloc à deux passages, l'air et l'eau entrent dans le tuyau d'alimentation. Les orifices situés près du haut de la conduite latérale d'alimentation déchargent l'air de lavage à contre-courant dans la conduite latérale de compensation. Des orifices plus grands situés plus bas dans le collecteur évacuent l'eau de lavage à contre-courant dans le collecteur de compensation. Le mélange d'air et d'eau est ensuite évacué par des orifices au sommet de la dérivation de compensation.

Couches de support de gravier

Les couches de support de gravier empêchent le média filtrant fin de pénétrer dans le drain souterrain et de le bloquer et aident à répartir l'eau de lavage à contre-courant et l'air dans le filtre. Normalement, plusieurs couches de gravier sont utilisées. Dans la forme la plus simple, le gravier de plus grande taille (environ 20 mm) se trouve au fond. Au-dessus se trouvent des couches de gravier plus fin jusqu'à 2 mm au sommet. Chaque couche a une épaisseur d'environ 50 mm et l'épaisseur totale de gravier peut atteindre 300 mm. Lorsque le lavage à l'air est utilisé dans le lavage à contre-courant, il est habituel d'utiliser une configuration en "sablier". Cette configuration est efficace pour limiter la pénétration des fluides dans le drain souterrain et pour empêcher la formation de monticules de gravier en raison d'un choc hydraulique lors du lavage à contre-courant.

Récemment, des plaques de rétention de média ont été développées, capables de remplir les fonctions des couches de gravier à une profondeur beaucoup plus petite. Les plaques de rétention des médias sont des plaques moulées poreuses en polyéthylène haute densité et fixées au bloc de sous-drain à l'aide de vis autotaraudeuses. Les bords de la plaque sont scellés avec un mastic polyuréthane approuvé, et les bords exposés sont également scellés pour éviter les fuites latérales. La plaque a une épaisseur d'environ 30 mm et est utilisée pour remplacer des couches de gravier jusqu'à 300 mm d'épaisseur. En conséquence, soit le filtre peut être moins profond, soit une plus grande profondeur de média peut être utilisée. La perte de charge à travers une plaque de rétention des médias est identique ou inférieure à celle du gravier qu'elle remplace.

Trois types de plaques de rétention sont disponibles. La plaque à simple porosité est disponible auprès de deux fabricants. Il a une seule couche de porosité de 500 ou 700 microns. Une plaque bi-composée de deux couches de 300 microns (couche supérieure) et 500 microns et une plaque triple avec une couche de 300 microns prise en sandwich entre deux couches externes de matériau de 500 microns sont disponibles auprès d'un fabricant. La plus grande taille de pores est utilisée pour protéger le matériau plus fin contre le blocage. La plus grande taille de pores est excellente pour la plupart des applications de filtration et est particulièrement adaptée aux applications avec du grenat fin et du charbon actif.

Utilisation commerciale

Le double drain latéral a été développé pour la première fois aux États-Unis dans les années 1970. Les blocs d'origine se composaient d'un seul latéral principal et de deux latéraux secondaires et mesuraient 300 mm de haut sur 250 mm de large.

La conception actuelle a été développée à la fin des années 1990 et s'appelle un bloc à profil bas (bloc LP). Il s'agit d'un bloc unique mesurant 412 mm de large sur 225 mm de haut. Le bloc est divisé en deux canaux. Le profil inférieur du bloc permet un filtre moins profond ou une plus grande profondeur de média. De plus, la zone latérale principale du bloc est plus grande que les autres blocs, de sorte que la distribution est excellente à des longueurs plus longues jusqu'à 10 m. Le bloc plus large nécessite également moins de temps d'installation et moins de coulis entre les rangées par rapport aux autres blocs. La conception à double bloc de drainage latéral peut être adaptée aux applications de rénovation ainsi qu'aux nouvelles constructions.

Résultats d'exploitation

L'étendue de la mauvaise distribution dans un filtre est déterminée en mesurant la pression des prises dans les chambres secondaires des blocs le long d'un latéral. Le pourcentage de mauvaise distribution est calculé à partir de la formule : Mauvaise distribution (%) = (1-√(Min Press/Max Press)) × 100. Le pourcentage de mauvaise distribution doit être inférieur à 10 %.

conclusion

Le drain de fond latéral double parallèle est un drain de fond de type bloc modulaire qui offre aux utilisateurs plusieurs avantages, notamment sa facilité d'installation, l'uniformité de la distribution, la conception plus compacte du filtre et l'amélioration de la sécurité de l'opérateur.