Brevet FR2338066A1 — publié le 19770812

La présente invention a pour objet un dispositif pour l'épura- tion ou purification des liquides, comportant au moins un matériau filtrant disposé dans un récipient filtrant dont la densité varie en fonction de la densité du liquide à filtrer ; un tel dispositif est notamment prévu pour le traitement des eaux usées. Pour réaliser des dispositifs d'épuration d'eau, on sait utiliser aussi bien du sable dont la densité est supérieure à celle de 1' eau que des matières plastiques dont la densité est inférieure à celle de l'eau. Par exemple, en ce qui concerne les matières plastiques, on sait utiliser du polyéthylène, du polystyrène en mousse sous forme de billes ou des billes creuses de silicates artificiels. Pour juger de la qualité d'un dispositif d'épuration, les ca ractéristiques importantes à considérer sont-l'efficacité dans 1' épuration de l'eau qui est inversement proportionnelle à la vitesse de filtrage, la durée de vie, la capacité de-lavage à contre-courant, le degré d'épuration obtenu avec cette dernière opération, la quantité de corps étrangers retenus par le matériau filtrant, et les frais de fonctionnement, en tenant compte des dépenses dtinvestisse- ment par rapport à la quantité d'eau épurée.On a cherché à améliorer le rendement des dispositifs d'épuration connus en diminuant la vitesse de filtrage grâce à une augmentation de la section transversale du filtre, ce qui augmente notablement les dépenses d'investissement et les frais de fonctionnement ; on a également cherché à obtenir ce même résultat en diminuant le calibrage moyen du granulat utilisé comme matériau filtrant, ce qui entraîne une diminution du débit tout en augmentant simultanément la diminution de pression sur la surface de la couche de matériau filtrant, et entraîne donc aussi une augmentation des frais de fonctionnement en diminuant en même temps la quantité d'eau purifiée. L'invention a pour but de créer un dispositif pour l'épuration des liquides du type décrit au début qui, avec des frais dtinves- tissement comparables à ceux des dispositifs connus et des frais de fonctionnement réduits à un minimum, permette d'obtenir un rendement maximal et bénéficie d'une durée de vie élevée. Ce résultat est obtenu par l'invention grace au fait qu'il est prévu au moins deux matériaux filtrants constitués d'un granulat de matière plastique approprié, de densités légèrement différentes, l'une des densités étant supérieure et l'autre inférieure à la densité du liquide traité. Selon un mode de réalisation particulièrement avanta geux, le rapport entre la densité du matériau de filtrage de liquide le plus léger, celle du liquide et celle du matériau de filtrage le plus lourd est de l'ordre de 0,8/1/1,2 et est de préférence égal ou inférieur à 0,9/1/1,1. Un avantage majeur de l'invention réside dans le fait que, sans augmentation de pression supplémentaire, la vitesse de filtrage est diminuée de moitié et que,par conséquent, le rendement du dispositif d'épuration est pratiquement doublé, les frais de fonctionnement étant en même temps diminués car la moitié de l'eau à filtrer traverse le matériau de filtrage à densité supérieure et le matériau de filtrage à densité inférieure à celle de l'eau. Un autre avantage de l'invention est que le volume des impuretés retenues est doublé sans que les dépenses d'invertissement soient supérieures à celles d'un dispositif d'épuration ne comportant qu'une couche filtrante. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, le récipient de filtrage comporte pour le lavage à contre-courant une conduite d'arrivée pour l'agent de lavage dans la zone ou à l'inté- rieur de chaque conduite de sortie pour le liquide, et une conduite d'évacuation de l'agent de lavage dotée d'une soupape dans l'espace libre, séparée par le tamis coaxial formant écran, tandis que, selon un développement particulièrement avantageux, il est prévu une autre arrivée d'agent de lavage dans la zone de l'espace libre s'effectuant par les conduites d'arrivée tangentielles pour le liquide ou par des conduites tangentielles de même genre. Un autre avantage du mode de réalisation décrit, ci-dessus est représenté par les facilités exceptionnelles de lavage à contre-courant offertes par le dispositif d'épuration selon l'invention. En particulier l'eau de lavage introduite sous pression par les conduites d'arrivée débouchant tangentiellement dans l'espace libre provoque dans le récipient de filtrage une rotation du liquide et des grains de matériau filtrant séparés par la même mécaniquement les uns des autres, le liquide entrant en même temps dans un mouvement tourbillonnaire balayant le filtre coaxial qui se trouve ainsi nettoyé dans les meilleures conditions possibles. L'effet de lavage à contrecourant peut être amélioré si, tout en introduisant de l'air ou de 1' eau par l'ouverture d'évacuation inférieure, on soulève la couche filtrante de granulat et on la brasse violemment. Notamment en liaison avec le dispositif d'épuration ci-dessus décrit, on utilise avantageusement comme matériau filtrant un granulat de matière plastique qui se présente sous la forme d'un cylindre dont le rapport entre la longueur et le diamètre est compris entre 0,5/1 et 1/1 qui possède une surface réelle plus grande d'au moins 40 à 50 % que la surface geometxique, dont la capacité hygroscopique est aussi réduite que possible et dont la charge électrostatique par l'air est aussi élevée que possible. Néanmoins, ce type de granulé est remarquablement apte à être utilisé, non seulement pour le dispositif d'épuration décrit ci-dessus, mais aussi pour tous les autres types de dispositifs d'épuration d'eau. En particulier, dans certaines applications - le matériau filtrant ayant la densité la plus faible est une matière plastique ayant une densité d'environ 0,8 notamment polyéthylène, polypropylène ou polycarbonate cellulaire approprié, tandis que le matériau filtrant ayant la densité la plus forte est un polycarbonate non cellulaire -il est prévu un récipient de filtrage cylindrique comportant pour le liquide une arrivée supérieure et une arrivée inférieure respectivement séparées du matériau filtrant par un tamis de séparation, ainsi qu'une arrivée médiane, tandis que chacun des deux matériaux filtrants de densités différentes occupe une fraction du volume du récipient de filtrage allant d'un sixième à un tiers, et que la longueur du récipient de filtrage est au moins égale à deux fois et de préférence égale à trois fois son diamètre - un tamis est disposé concentriquement à la paroi du récipient dans l'espace libre entre les matériaux filtrants séparés l'un de 1' autre par le liquide - au moins une conduite d'arrivée de liquide débouche tangentielle- ment au centre dans l'espace libre entre les matériaux filtrants séparés l'un de l'autre par le Iiquide,en formant un cyclone owert des deux côtés ;; - il est prévu deux conduites d'arrivée pour le liquide qui débouchent tangentiellement à l'extérieur du tamis coaxial dans l'espace libre entre les matériaux filtrants séparés l'un de l'autre par le liquide, et les deux conduites d'arrivée débouchant au bord de 1' espace libre sont inclinées en sens opposé par rapport à l'axe longitudinal du récipient de filtrage, de sorte que, lors de son introduction, le liquide est guidé suivant des trajectoires optimales in clinées vers le haut et vers le bas,de formes hélicoîdales et spira lées,à l'intérieur de l'espace libre et par dessus le tamisooncentrique. - le récipient de filtrage présente sous la forme d'une colonne compartimentée par des tamis de séparation et, entre deux tamis de séparation successifs,sont disposés alternativement deux matériaux filtrants de densités légèrement différentes, et un tamis coaxial dans l'espace libre entre ces matériaux et une arrivée d'une part ou une conduite de sortie d'autre part - il est prévu un système d'électrodes analogue à celui que propose la demande de brevet allemand ayant fait l'objet de la publication préalable 2 MS & 5 ainsi que le dispositif sous forme de colonne montante dans un lit bactérien selon cette même demande de brevet - le granulat de matière plastique utilisé comme matériau filtrant est de forme cylindrique, le rapport entre la longueur et le diamètre étant de l'ordre de 0,5 pour 1 à 1 pour I. D'autres développements avantageux de l'invention sont définis au cours du présent mémoire. En particulier, dans un mode de réalisation du dispositif selon l'invention où l'eau à épurer est introduite tangentiellement et où les conduites d'arrivée sont disposées à l'extérieur du tamis coaxial, on obtient premièrement pendant l'opération de filtrage active un effet d'épuration optimal grâce au fait que l'eau est maintenue en mouvement rotatoire et que les lits filtrants sont brassés violemment, tandis que, deuxièmement, pendant l'opération de lavage à contrecourant, on empêche les conduites d'arrivée de s'engorger d'une part en disposant les conduites d'arrivée derrière le filtre coaxial et, d'autre part, en amenant sous pression l'eau de lavage également par les conduites d'arrivée. D'autres avantages'*de l'invention consistent en ce que cette dernière permet de construire des dispositifs d'épuration très peu encombrants tout en multipliant les surfaces filtrantes. C'est en particulier le cas lorsque le dispositif d'épuration est réalisé en forme de colonne. Lorsqu'on utilise le dispositif d'épuration selon 1' invention pour le traitement d'eaux usées biologiques, par exemple celles qui proviennent d'installations de pisciculture, un avantage supplémentaire est qu'en donnant une forme tubulaire à l'installation de filtrage, le filtrage peut être effectué sous une pression élevée, et, en même temps, la solubilité en oxygène est augmentée tandis que le rendement en oxygène et les réactions biologiques sont améliorés. De plus, on a avec le dispositif selon l'invention l'assurance que le matériau filtrant est traversé de façon régulière et que l'eau à épurer effectue un parcours de longueur optimale dans le matériau filtrant. En outre, on a un effet de lavage à contre-courant optimal sans que, pendant ce lavage à contre-courant du matériau filtrant risque d'être évacué ou d'engorger certaines des conduites. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple, en référence au dessin annexé dans lequel - la figure 1 représente en élévation latérale et en coupe un dispositif d'épuration de liquide selon l'invention comportant deux matériaux filtrants de densités différentes - la figure 2a représente par dessus un tamis coaxial et une conduite d'arrivée de liquide dans l'espace compris entre les matériaux filtrants de densité différente sous forme d'un cyclone ouvert des deux cotés - la figure 2b représente de la même façon que la figure 2a un autre mode de réalisation dans lequel il est prévu deux conduites d'arrivée qui débouchent dans la zone marginale dans l'espace entre les deux matériaux filtrants de densités ;; - la figure 3 représente un autre mode de réalisation de l'in- vention dans lequel le récipient de filtrage est en forme de colonne et est compartimenté par des tamis. Selon le mode de réalisation représenté à la figure 1, le dispositif d'épuration de liquide 10 comprend un récipient de filtrage 12 de forme cylindrique, dont la longueur est représentée environ double du diamètre mais qui est de préférence au moins trois fois plus grande que ce diamètre. Le récipient de filtrage 12 contient deux matériaux filtrants 14 et 16 dont les densités sont légèrement différentes, l'une des densités étant supérieure et l'autre inférieure à la densité du liquide à purifier. De plus, le récipient de filtrage 12 comporte deux tamis de séparation 20, disposés l'un dans sa partie supérieure et l'autre dans sa partie inférieure et maintenant les matériaux filtrants de densité différente écartés respectivement d'un écoulement supérieur et d'un écoulement inférieur 32 pour le liquide à épurer.Une arrivée 26 pour le liquide à purifier est prévue sensiblement au milieu du récipient filtrant 12. En outre, dans cette zone, il est prévu dans l'espace qui, pendant le passage du liquide à épurer, est maintenu dégagé des matériaux filtrants 14 et 16, un tamis coaxial 24 qui fait écran pour une conduite d'évacuation 28 munie d'une soupape 30 pour l'agent de lavage à contre-courant en la maintenant à l'abri des matériaux filtrants. Une soupape de sortie 32 est prévue au fond du récipient de filtrage 12. On peut introduire l'agent de lavage à contre-courant dans le récipient de filtrage 12 aussi bien par les conduites d'évacuation 22 que par la conduite d'arrivée 26, ces conduites étant munies à cet effet de soupapes appropriées permettant de passer d'une façon simple du fonctionnement comme filtre au fonctionnement en lavage à contrecourant, et inversement. La figure 2a montre un mode de réalisation de la conduite d' arrivée 26' qui débouche au centre de l'espace libre forme entre les matériaux filtrants 14 et 16 maintenus séparés l'un de l'autre par le liquide pendant le fonctionnement du dispositif d'épuration de liquide ; ce débouché s'effectue sous forme d'un cyclone 34 ouvert des deux cotés, à l'intérieur du tamis coaxial 24. La figure 2b montre une variante de réalisation dans laquelle il est prévu pour le liquide à purifier deux conduites d'arrivée 26" qui débouchent tangentiellement à l'extérieur du tamis coaxial 24 au bord de l'espace libre entre les matériaux filtrants maintenus séparés l'un de l'autre par le liquide, et qui sont inclinées en sens inverse l'une de l'autre par rapport à l'axe longitudinal du récipient de filtrage 12; de façon que le liquide introduit à cet endroit sous pression soit guidé suivant des parcours hélicoîdaux et spiralés dirigés vers le haut et vers le bas, et atteigne la totalité de ltes- pace libre 18 entre les matériaux filtrants maintenus séparés et le tamis coaxial 24. Le mode de réalisation représenté à la figure 3 se différencie du mode de réalisation représenté à la figure 1 en ce que le récipient de filtrage 44 est notablement plus long et se présente sous la forme d'une colonne compartimentée par une multiplicité de tamis 20. Entre deux tamis successifs 20 sont disposés alternativement deux matériaux filtrants 14 et 16 de densités différentes et, soit une arrivée 46 à laquelle est associé un tamis coaxial, soit une évacuation 44, de telle façon que la disposition des matériaux filtrants telle que la prévoit le mode de réalisation représenté à la figure 1 se répète successivement plusieurs fois. La largeur de maille du tamis de séparation 20 et du tamis coaxial 24 est de l'ordre de grandeur de 2 à 4 mm. Dans le mode de réalisation représenté, les matériaux filtrants utilisés sont constitués par un granulat de matière plastique de forme cylindrique qui présente un rapport entre la longueur et le diamètre de l'ordre de 0,5 pour 1 à 1 pour 1, qui comporte une surface réelle supérieure d'au moins 40 à 50 % à la surface géométrique, dont l'hygroscopicité est aussi faible que possible, et dont la charge électrostatique à l'air est aussi élevée que possible. Selon le mode de réalisation représenté, le granulat de matière plastique à plus faible densité est constitué de polyéthylène (PE) et le granulat de matière plastique à densité plus élevée de polycarbonate (PC).Le rapport entre la densité du matériau filtrant le plus léger, celle du liquide et celle du matériau filtrant le plus lourd est de l'ordre de 0,8/1/1,2 et est de préférence égal ou inférieur à 0,9/1/1,1. Le diamètre des grains cylindriques du granulat est de l'ordre de 2 à dimn, Dans ce qui suit va être expliqué la manière de fonctionnement dumode de réalisation représenté à la figure I en liaison avec la variante de la figure 2b concernant la disposition de l'arrivée, en supposant que ce dispositif est utilisé pour le traitement de l'eau et qu'on utilise l'eau comme liquide de lavage à contre-courant. Avant l'introduction de l'eau à épurer,les deux matériaux filtrants de densités différentes sont placés l'un sur l'autre ou éventuellement aussi mélangés sur le tamis de séparation 20 le plus bas. On ouvre l'évacuation supérieure et l'évacuation inférieure 22, la soupape de sortie 32 et la soupape 30 prévue dans la conduite d'évacuation étant fermée.On introduit alors sous pression l'eau à purifier par les deux conduites d'arrivée 26" qui débouchent tangentiel liment à l'extérieur du tamis coaxial 24 au bord du récipient de fil trage 12.Etant donné que les deux conduites d'arrivée 26t' sont inclinées en sens inverse l'une de l'autre par rapport à l'axe longitudinaldu récipient de filtrage 12,1'eau à purifier introduite tangen tellement suit des parcours inclinés vers le haut et vers le bas,en partie hélicoidaux et en partie spiralés,de sorte qu'elle brasse en les faisant tourbillonner les grains de granulat des deux matériaux filtrants. Pendant que le récipient de filtrage 12 se remplit avec l'eau à purifier, les grains de granulé du matériau filtrant 16 ayant la densité la plus forte retombent vers le fond tandis que les grains du matériau filtrant 14 ayant la densité la plus faible remontent vers la surface jusqu'à ce qu'ils soient arrêtés par le tamis de séparation 20 et forment en avant de ce tamis 20 une couche filtrante. Etant donné que l'eau à purifier se déplace le long de parcours en partie hélicoldaux et en partie spiralés,l'eau contenue dans le récipient de filtrage 12 est maintenue en permanence en mouvement rotatoire, et le traitement s'effectue uniformément en tous les points du récipient de filtrage ; toute formation de couche d'impuretés en dessous de la surface des matériaux filtrants est impossible, car les particules de matière plastique en rotation agissent comme agitateur dans une passoire et répartissent ainsi les impuretés dans tout le volume des matériaux filtrants.Les matériaux filtrants opèrent ainsi de façon optimale sur la totalité de leur volume de filtrage et on évite que leur rôle de filtrage se limite à leur surface, ce qui assure une durée de vie maximale de tels filtres.Etant donné que la largeur des mailles du filtre de séparation 20 et du filtre coaxial 24 est sensiblement égale à 50 à 80 % du diamètre du granulat, on évite que le granulat ne sorte du récipient de filtrage indépendamment du courant de circulation rotatoire. Lorsque les matériaux filtrants sont totalement chargés d'impuretés, il faut procéder au lavage à contre-courant. A cet effet, on vide le récipient de filtrage 12 à l'aide de la soupape d'évacuation 32 puis on introduit l'eau de lavage sous pression par les conduites de sortie 22 jouant en même temps le rôle de conduites d' amenée d'eau de lavage. En outre, selon l'invention, on introduit de l'eau de lavage sous une pression#levée par les conduites d'arrivée 26" débouchant tangentiellement dans la partie médiane du récipient de filtrage 12 à l'extérieur du tamis coaxial 24. L'eau de lavage se trouvant dans le récipient de filtrage 12 peut repartir par la soupape ouverte 30 dans la conduite de sortie 28. Juste avant l'introduction de l'eau de lavage, les deux matériaux filtrants étaient superposés ; sous l'action de l'eau de lavage pénétrant à la fois par les conduites de sortie 22 et par les conduites d'arrivée 26", ils sont énergiquement mis en mouvement rotatoire, de sorte que les grains de matériaux filtrants sont séparés mécaniquement les uns des autres et balaient en même temps dans un mouvement tourbillonnaire le tamis coaxial 24, nettoyant ainsi ce tamis. Outre ce mode d'amenée de l'eau de lavage, il est également possible, lors du lavage, de soulever à l'aide d'air ou d'eau,amenés par exemple par la soupape d'évacuation 32, le lit formé par les matériaux filtrants.Au cours de cette opération, les grains des deux matériaux filtrants sont mélangés, mais ils frottent les uns contre les autres et se séparent à nouveau les uns des autres, de sorte que la saleté qui s'est déposée sur eux est totalement détachée et évacuée. En même temps, l'introduction spécialement prévue de l'eau de lavage par les conduites d'arrivée 26" débouchant tangentiellement à l'extérieur du tamis coaxial 24 empêche tout dépôt dans le tamis coaxial de particules de saleté qui risqueraient à la longue de 1' obstruer. A la fin de l'opération de lavage, l'eau qui se trouve dans le récipient de filtrage 12 est évacuée par la soupape d'évacuation 32 jusqu'à ce que le récipient soit vide. L'opération'de filtrage peut alors de nouveau recommencer. Dans le mode de réalisation représenté à la figure 3, il est possible, si cela apparaît nécessaire pour des raisons économiques, de supprimer la couche la plus basse de matériau filtrant à densité supérieure à celle de l'eau, ainsi que la branche de conduite de sortie qui lui est associée. Il est expressément déclaré ici que le contenu de la demande de brevet allemand ayant fait l'objet de la publication préalable 2 315 615 ainsi que celui des modèles d'utilité allemands G 74 347 85.6 et G 75 01 842.7 font partie de la divulgation du présent mémoire. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour l'épuration des liquides comportant au moins un matériau filtrant disposé dans un récipient de filtrage dont la densité est différente de celle du liquide à filtrer, caractérisé en ce qu'il est prévu au moins deux matériaux filtrants constitués par des granulats de matière plastique appropriée de densités légèrement différentes, l'une de ces densités étant supérieure et l'autre inférieure à la densité du liquide. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport entre la densité du matériau filtrant le slus léger, celle du liquide et celle du matériau filtrant le plus lourd est de l'ordre de 0,8/1/1,2 et est notamment égal ou inférieur à 0,9/1/1,1. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractéristé en ce que le matériau filtrant ayant la densité la plus faible est une matière plastique ayant une densité d'environ 0,8 notamment polyéthylène, polypropylène ou polycarbonate cellulaire approprié, tandis que le matériau filtrant ayant la densité la plus forte est un polycarbonate non cellulaire. 4. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est prévu un récipient de filtrage cylindrique comportant pour le liquide une arrivée supérieure et une arrivée inférieure respectivement séparées du matériau filtrant par un tamis de séparation, ainsi qu'une arrivée médiane, en ce que chacun des deux matériaux filtrants de densités différentes occupe une fraction du volume du récipient de filtrage allant d'un sixième à un tiers, et en ce que la longueur du récipient de filtrage est au moins égale à deux fois et de préférence égale à trois fois son diamètre. 5. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'un tamis est disposé concentriquement à la paroi du récipient dans l'espace libre entre les matériaux filtrants séparés l'un de l'aute par le liquide. 6. Dispositif selon une quelconque des revnedications 1 à 5, caractérisé en ce qu'au moins une conduite d'arrivée de liquide débouche tangentiellement au centre dans l'espace libre entre les matériaux filtrants séparés l'un de l'autre par le liquide, en formant un cyclone ouvert des deux côtés. 7. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il est prévu deux conduites d'arrivée pour le liquide qui débouchent tangentiellement à l'extérieur du tamis coaxial dans l'espace libre entre les matériaux filtrants séparés 1' un de l'autre par le liquide,et en ce que les deux conduites d'arrivée débouchant au bord de ltespace libre sont inclinées en eus orpo- par par rapport à l'exe longitudincl du récipient e filtre, de sorte que, lors de son introduction, le liquide est guidé suivant des trajectoires optimales inclinées vers le haut et vers le bas, de formes hélicoidales et spiralées, ~i l'intérieur de l'espace libre et par dessus le tamis concentrique. 8. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le récipient de filtrage se présente sous la forme d'une colonne compartimentée par des tamis de séparation et en ce qu'entre deux tamis de séparation succes#ifs sont disposés alternativement deux matériaux filtrants de densités lé~è- revent différentes, et un tamis coaxial dans 11 espace libre entre ces matériaux et une arrivée d'une part ou une corite Ce sortie d'autre part. 9. Dispositif, notamment selon une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le granulat de matière plus tique utilise comme matériau filtrant est de forme cylindrique, le rapport entre la longueur et lu diamètre étant de l'ordre de G,5 pour 1 à pour 1.