Brevet FR2446122A1 — publié le 19800808

La présente invention concerne un ensemble compact de séparation solide-liquide dont l'élément finisseur, le filtre à matériaux granuleux, a une forme particulière qui tout en augmentant fortement les performances de cet élément finisseur, permet d'intégrer à l'ensembleun décanteur lamellaire -élément dégrossisseur- de manière telle que le dit ensemble a un encombrement et une surface occupée au sol trés réduits. L'ensemble de séparation selon l'invention permet de séparer une eau brute des impuretés qu'elle contient dans le but dten faire une eau potable ou une eau à utilisation industrielle, comme de traiter une eau résiduaire avant son rejet ou sa réutilisation industrielle. S'agissant par exemple d'obtenir de l'eau potable en grande quantité -pour l'alimentation des villes, communes ou collectivités- à partir d'une eau brute relativement chargée, la technique actuelle consiste dans la quasi totalité des cas à mettre en oeuvre deux phases successives de traitement : décantation, généralement aprés conditionnement de l'eau par un ou plusieurs réactifs chimiques, puis filtration. Ces opérations s'effectuent dans des ouvrages séparés, hydrauliquement reliés entre eux par des conduites ou canaux ; les résultats obtenus -qualité de l'eau filtrée- sont essentiellement fonction du di mensionnerdent des dits ouvrages, lui même basé sur des lois bien connues des spécialistes du traitement deseaux : Vitesse de Hazen pour l'ouvrage décanteur, vitesse de filtration pour les filtres. Dimensionné en tenant compte des mêmes paramètres classiques que ci-avant cités, l'ensemble de traitement selon l'invention permet d'ab- tenir une qualité d'eau traitée en tout point identique à celle délivrée par une station conçue de manière actuellement classique mais en ne nécessitant une occupation au sol et un encombrement réduit d'environ la moitié par rapport aux ouvrages décanteurs et filtres équipant lesdites stations classiques. Cet avantage capital est rendu possible avec l'ensemble de traitement selon l'invention grâce à la forme du filtre le composant qui, permettant l'application du principe de filtration à vitesse décroissante dans la masse de m#atériau filtrant et cela avec un gradient de vitesse important de l'entrée de l'eau dans le filtre à sa sortie, libère un volume de filtre tel qu'en son lieu et place peut y être agencé un décanteur à lamelles. Bien que le principe de la filtration à vitesse décroissante et sa grande efficacité soit connus de certains spécialistes, cette technique n'est encore que trés peu employée ; une des raison en est que le procédé actuellement existant, utilisant un filtre en forme de cylindre dont une des bases repose au sol -filtration radiale à travers un anneau de matériau filtrant- voit l'effet recherché, gradient de vitesse décroissant, se réduire rapidement avec l'augmentation du diamètre du filtre en conséquence de la limitation du diamètre un tel filtre doit avoir une grande hauteur verticale ; de plus ce dernier facteur rend l'alimen- tation et la répartition de l'eau dans l'axe et sur toute la hauteur du filtre extrémement difficile à obtenir tout comme la récupération de 1' eau filtrée selon toute la surface latérale du cylindre extérieur limitant la masse filtrante. Avec l'ensemble de traitement selon la présente invention, de par la forme du filtre l'équipant, le gradient de vitesse dans la masse filtrante peut rester important quel que soit le débit d'eau à traiter puisqu'il est toujours simple de juxtaposer les blocs complets, cubiques ou parallélépipédiques des ensembles de traitement, bout à bout et/ou côte à côte latéralement en fonction du débit à traiter et de la géométrie du sol disponible ce dernier étant ainsi occupé sans aucune surface perdue. Hormis le filtre à vitesse de filtration décroissante ci-avant cité, la technique actuelle utilise, quasi universellement dés lors quss ils sont d'assez grandes dimensions, des filtres dont la masse granuleuse fixe est traverse à vitesse constante par l'eau à filtrer. L'inconvénient majeur de ce type de filtration réside dans le fait que pratiquement toutes les impuretés contenues dans l'eau à filtrer sont retenues dans les premières couches de matériaux granuleux traversées par l'eau ces premières couches vont donc se trouver assez rapidement colmatées ce qui oblige à laver le filtre sous peine de ne plus obtenir d'eau filtrée mais, plus grave, l'on observe souvent -notamment avec des granulométries de matériaux filtrants relativement importantes en regard de la vitessedes"claquages" des couches filtrantes trop colmatées avec formation de renards et entraînement dans l'eau filtrée des impuretés déja retenues dans le filtre. Quant à des assemblages ou superpositions permettant de regrouper dans un même bloc décanteur et filtre, la technique actuelle en connaît d'assez nombreux exemples entre autres, la disposition protégée par la demande de brevet n0 77 37846 déposée par la Société SULZER Frères, société anonyme, résidant en Suisse, où le liquide à traiter voit sa vitesse de circulation décroître d'abord avant l'entrée dans la partie décanteur puis décroître à nouveau jusqu'à son entrée dans la masse filtrante (tel qu'il ressort sans ambiguité des dessins anneXés,du dit brevet SULZER). Avec un gradient des vitesses de filtration décroissant de l'entrée de l'eau dans la masse filtrante à sa sortie tel qu'obtenu avec le filtre équipant l'ensemble de traitement selon la présente invention, les premières couches filtrantes sont traversées par l'eau à grande vitesse et le colmatage de surface nuisible est éliminé ; les impuretés en suspension ne peuvent être arrêtées que graduellement au sein même de la masse filtrante au fur et à mesure de la diminution de la vitesse de 1' eau à travers les matériaux granuleux selon le gradient prévu dépendant de l'inclinaison des parois du filtre choisi entre 40 et 65' par rapport à l'horizontale, et de la hauteur de matériaux granuleux filtrant mise en place et variable de 0,30 à 2,00 mètres. Garni de matériaux de granulomètrie homogène sur toute son épaisseur, le filtre équipant l'ensemble de traitement selon l'invention se comporte en fait comme un filtre classique qui serait garni de matériaux dont la granulométrie étagée diminue dans le sens de la filtration (filtres multicouches) : capacité de rétention des particules augnentée et colmatage de la surface du filtre éliminé ; comme le filtre selon l'invention peut être équipé en multicouches, il sera alors avantageusement utilisé seul en filtration directe, ou en aval du décanteur lamellaire de l'ensemble de traitement, dans le cas d'épuration d'eaux particulièrement chargées : eaux résiduaires par exemple das une filière de traitement physico-chimique, ou en vue d'une filtration biologique. Le lavage du filtre équipant l'ensemble de traitement s'effectue de manière classique, par retour d'eau seule lorsque le filtre est simplement garni de matériaux filtrants reposant sur des matériaux supports (graviers ou cailloux) et par envoi d'air et d'eau lorsque le matériau filtrant est supporté par un faux-fond garni de buselures ou de eries spéciales. Les débits instantanés d'eau necessaires tant au lavage qu'à l'éventuel hydroclassement de matériaux de granulométrie et de densité étagées (multicouches) seront plus faible que les débits de lavage utilisés pour les filtres de forme classique grâce au gradient de vitesse positif de l'eau de lavage qui circule alors dans le sens grande base vers petite base amenant un brassage qui de progressif devient ensuite de plus en plus turbulent et donc efficace. Le décanteur à lamelles équipant l'ensemble de traitement est conçu de manière à ce que vitesse de Hazen et nombre de Reynolds soient compatible avec le rendement de décantation à obtenir, l'inclinaison des lamelles, sensiblement égale à celle des parois du filtre, étant défini de manière à ce que les particules, flocs ou boues déposés sur lesdites lamelles chutent gravitairement jusqu'à la base de celles-ci, d'où elles seront évacuées et ce quel que soit le sens de circulation de l'eau entre chacune des lamelles. Dans sa forme préférentielle et à titre d'exemple de traitement d'une eau brute (le dessin annexe planche I. fig. 1 permettant d'en expliquer facilement son fonctionnement) l'ensemble de traitement objet de l'invention se compose d'une capacité de forme parallélépipédique intérieurement séparée par deux cloisons inclinées de 600 environ par rapport à l'horizontale. La partie centrale ainsi délimitée forme le filtre pris matiïue contenant le matériau filtrant de granulométrie homogène ou non dans ses couches. Les deux zones situées de part et d'autre du filtre forme le décanteur et sont garnies d'un empilement de lamelles disposées parallélement aux parois inclinées.Les parties restantes situées entre les dernières lamelles côté opposé au filtre et le bord délimitant lten- semble de traitement sont cloisonnées, dans l'exemple, de manière à assurer mélange des éventuels réactifs chimiques et conditionnement de l'eau en général avant entrée de celle-ci dans les zones de décantation. Le fonctionnement de l'ensemble de traitement est le suivant (planche I) l'eau brute à traiter entre dans l'ensemble de traitement en 1 dans un premier comportiment ou elle reçoit un ou plusieurs réactifs chimiques ; le brassage de l'eau -son conditionnement- est ensuite assuré par passages successifs dans les compartients suivants -2- puis l'eau pénètre dans la zone de décantation en partie basse des lamelles en 3. L'eau conditionnée traverse alors les espaces entre lamelles -4en abandonnant progressivement sur celles-ci les particules ou flocons qu'elle contient, ces particules glissant jusqu'au bas des lamelles sont ensuite collectées pour être évacuées vers l'extérieur -10 L'eau décantée collectée au sommet des lamelles, généralement (et dans l'exemple) recueillie par des conduites ,perforées -5- assurant la répartition de l'eau dans le décanteur, passe dans le filtre -6- par l'intermédiaire d'une goulotte ouverte évitant l'affouillement des couches de matériau filtrant. L'eau décantée traverse alors les couches supérieures de matériaux filtrants à grande vitesse, puis cette vitesse se réduisant progressivement, l'eau se sépare graduellement des dernières particules fines qu'elle contient avant d'atteindre la grande base du prisme constituant le faux-fond support de la masse filtrante en -7-. Par ce faux-fond muni de buses ou crépines retenant le matériau filtrant, l'eau filtrée passe alors dans la zone -8- d'où elle est récupérée pour être envoyée vers son utilisation -9-. Comme pour l'équipement du faux-fond du filtre, la régulation du débit d'eau à traiter (compensation du colmatage du filtre) peut être assuré par un système quelconque et rou par simple montée du niveau sur le filtre. Dans certains cas (autre que celui du croquis PL.I annexé) le conditionnement de lteau à traiter peut être effectué pour partie à l'extérieur de l'ensemble de traitement, l'eau conditionnée étant alors amenée directement de l'extérieur dans la zone 3 par l'intermédiaire d'une conduite ou d'un canal. L'exemple tel que ci-dessus décrit avec son fonctionnement se rapportant au dessin annexé pl. I n'est pas limitatif mais englobe au eontraire toutes les variantes combinant un ou des filtres de forme pris matique ou en tronc de pyramide permettant l'application du principe de filtration à vitesse décroissante dans une masse granuleuse ainsi que la combinaison du même filtre avec un décanteur à lamelles (exemples non limitatifs planche II). Sans entrer dans le détail de chacune, ces variantes peuvent être - construction et utilisation d'un ensemble avec filtre fonctionnant de bas en haut (par retournement du filtre), la petite base supportant alors par l'intermédiaire d'un faux-fond le matériau jil- trant ; dans cette variante une petite capacité, (ou goulotte ou cond#i- te) est nécessaire pour permettre le transit de l'eau décantée entre sortie du décanteur à lamelle et entrée sous le filtre si le sens de circulation de l'eau entre les lamelles se fait de bas en haut fig. 2 pl. Il, ce même transit s'effectuant directement si le sens de circulation de l'eau entre les lamelles s'effectue de haut en bas, fig. 5 pl.Il dans le même sens que la chûte gravitaire des particules déposées sur les lamelles, des collectes unitaires d'eau décantée devant toutefois avec cette dernière possibilité être mise en place entre chaque lamelles, prés de leur partie basse. - construction et utilisation d'un filtre double seul par superposition d'un filtre ou le fluide à filtrer circule de bas en haut avec un filtre ou le fluide à filtrer circule gravitairement dans la masse granuleuse fig. 4 pl. Il le fluide à filtrer étant amené au niveau des petites bases du filtre en regard l'une de l'autre, cette disposition necessite un équilibrage des débits d'eau filtrée et, ne pouvant être lavé que dans le même sens que la filtration, demande un débit instantané plus important que dans les autres variantes. - construction et utilisation d'un filtre seul, de forme prismatique ou en tronc de pyramide avec 2,3,4 (ou plus) côtés inclinés d'un angle se situant entre 40 et 65 par rapport à l'horizontale (4côtés, fig. 5 pl. II) ou d'un filtre seul à double pente (fig. 6 pi. II) permettant d'augmenter le gradient de la vitesse de filtration à mi-hauteur environ dans la masse granuleuse de matériaux filtrants. Sous sa forme préférentielle ou selon ses variantes, l'ensemble de traitement peut être construit en métal, plastique, fibre de verre, ciment ou autre matière pour être transportable lorsqu'vil est conçu pour traiter des débits relativement faibles ou au contraire bati pour demeurer à poste fixe lorsque les débits à traiter sont plus importants. L'ensemble de traitement, ou ses variantes, pouvant aussi, et souvent avantageusement être construit dans des ouvrages de génie civil déjà existants ou être construit pour être entièrement fermé et fonctionner sous pression (entre autre la forme de la fig. 4 pl. Il, ou la forme tronconique non représentée). REVENDICATIONS 1. Ensemble de traitement destiné à assurer la séparation solide liquide, particulièrement dans le domaine du traitement des eaux brutes - conditionnées ou non par des agents chimiques- dans le but d'en faire des eaux potables ou à usage industriel et dans le domaine du traitement des eaux usées en vue de leur réutilisation ou de leur amélioration avant rejet, caractérisé en ce que cet ensemble de traitement comporte un filtre à matériaux granuleux(homogènes ou non dans la granulométrie de ses cou- ches filtrantes) dont la forme prismatique ou en tronc de pyramide permet:: - d'une part la mise en oeuvre du procédé de filtration d'un liquide à vitesse décroissante selon les gradients que donnent des hauteurs de matériaux granuleux filtrant de 0,3 à 2,00m avec les parois du filtre inclinées de 40 à o50 sur l'horizontale contenant les dits matériaux filtrants. - d'autre part la combinaison par juxtaposition sur deux au moins des cotés inclinés du filtre d'un décanteur à lamelles inclinées d'un angle sensiblement égal à celui des parois du filtre ce qui assure à lten- semble de traitement encombrement et surface occupés au sol trés réduits. 2. Ensemble de traitement selon la revendication 1, - caractérisé par la forme inclinée de deux au moins des parois du filtre, permettant de n'utiliser, dans certains cas d'eau à traiter, que la partie filtre garnie de matériau filtrant homogène ou non dans la granulométrie de ses couches tout en conservant l'avantage d'une filtration à vitesse décroissante. 3. Ensemble de traitement selon les revendications 1 et 2 - caractérisé par le fait qu'il est possible de construire ou d'utiliser, lorsque le gradient des vitesses de filtration décroissantes doit être trés important, un filtre en forme de prisme à base en triangle équilatéral ou en forme de tronc de pyramide à base régulière de 4 à un nombre de cotés quelconques jusqu'à et y compris une base circulaire auquel cas la forme du filtre est un tronc de canezou un filtre avec changement des pentes des parois amenant un nouveau gradient des vitesses de filtration décroissante au sein même de la masse filtrante. 4. Ensemble de traitement selon les revendications 1,2 et 3, - caractérisé par le fait que l'ensemble de traitement ou son filtre seulement qu'il soit avec deux, trois, quatre côtés inclinés ou en forme de tronc de cône, peut être construit de manière à être utilisé avec sa petite base au sol, la filtration s'effectuant alors de bas en haut sur matériaux filtrants de granulométrie généralement décroissante dans le même sens que l'écoulement du fluide à filtrer c'est à dire de bas en haut, en concevant l'avantage de la vitesse décroissante de filtration que donne l'inclinaison des parois du filtre. 5. Ensemble de traitement selon les revendications 1,2,3, et 4, - caractérisé par le fait qu'il est possible de construire et d'utiliser un filtre double par superposition d'un filtre ou le fluide à filtrer circule de bas en haut avec un filtre ou le fluide à filtrer circule gravitairement ; le fluide à filtrer étant dans ce cas amené au niveau des deux petites bases du filtre double. 6. Ensemble de traitement selon les revendications 1,2,3,4 et 5, - caractérisé par le fait que l'ensemble complet ou le filtre seul peuvent être construit en tout ou partie dans des ouvrages de génie civil existants. 7. Ensemble de traitement selon les revendications 1,2,3,4,5, - caractérisé par le fait que tout ou partie de l'ensemble peut être construit en matériaux relativement légers (plastique, tale, fibre de verre etc...) pour être transportable ou au contraire construit en béton pour demeurer fixe lors du traitement de débit plus important. 8. Ensemble de traitement selon les revendications 1,2,3,4,5,6 > --caractérisé par le fait que tout ou partie de l'ensemble peut être prévu pour fonctionner à l'atmosphère ou au contraire sous pression.