Brevet FR2508339A1 — publié le 19821231

La présente invention se rapporte a un filtre qui contient une charge composée d'une matière adsorbante granuleuse, notamment du charbon activé, et qui comporte des parois latérales, un fond et un agencement destiné à fluidiser partiellement la partie supérieure de cette charge. L'invention concerne d'autre part un procédé destiné à retirer d'un filtre une matière adsorbante épuisée. Au cours de la filtration de l'eau sur des matières adsorbantes granuleuses, il se produit, en plus des processus purement mécaniques de filtration destinés à retenir les matières insolubles flottantes et en suspension, une adsorption, sur la très grande surface de la matière adsorbante, des matières organiques et inorganiques dissoutes. Le charbon activé représente un exemple de ces matières adsorbantes. Le charbon activé a sur les matières dissoutes dans l'eau une faculté de retenue spécifique à chacune de ces matières, c'est-à-dire qu'au cours du dépôt seule une quantité bien déterminée de chacune d'elles peut se déposer sur ce charbon. Lorsque la quantité déposée augmente, il se crée un front d'adsorption qui migre de haut en bas dans le lit de charbon activé.Plus la vitesse de filtration et plus la concentration des matières qui s'agit d'adsorber sont grandes, plus ce front se déplace rapidement dans le lit de filtration, en créant à un moment déterminé ce qu'on appelle une "percée de passage ou d'apparition", c'est-àdire que les matières ne sont plus retenues par adsorption et restent dans l'eau traitée. Le temps compris entre le début de la filtration et la première percée de passage des matières indésirables en solution dans l'eau est appelée durée de charge du charbon. Quand ce temps est atteint, il faut retirer du filtre le charbon épuisé et le remplacer par du charbon frais ou réactivé. Etant donné que les eaux traitées contiennent en général, non seulement des matières dissoutes, mais aussi des matières non dissoutes, il faut, pendant la durée de charge, débarrasser le filtre de ces impuretés par un rinçage à contre-courant à des intervalles déterminés. On le fait en envoyant de l'eau de rinçage, de bas en haut, dans le filtre, c'est-à-dire dans le sens opposé au sens normal d'écoulement. Cela dilate le volume du lit de charbon, les espaces des pores entre les particules de ce charbon deviennent plus grands et libèrent à nouveau les particules d'impuretés qui y sont emmagasinées. Le rinçage à contre-courant débarrasse bien le filtre à charbon activé des matières non dissoutes séparées, mais a dans la plupart des filtres le grave inconvénient de provoquer le mélange des couches de charbon. En raison de ce mélange, du charbon totalement ou partiellement chargé d'impuretés passe des couches supérieures aux couches inférieures, composées de charbon qui n'est pas encore chargé, et inversement. Cela repousse le front d'adsorption plus loin vers le bas, en raccourcissant dans une proportion importante la durée de charge. Il faut donc retirer le charbon du filtre plus tôt que le moment qui correspondrait en réalité à sa saturation complète. Un autre effet contribue encore à raccourcir la durée théorique de charge. Les diverses matières solubles contenUes dans l'eau sont en général adsorbées avec des in tensités différentes. Il arrive donc qu'une première matière soit d'abord adsorbée, mais soit délogée par une autre matière qui a une plus-grande affinité pour le charbon et que cette première matière se redépose à une profondeur plus grande. Ces matières difficilement adsorbables sont donc repoussées au cours de la phase de charge dans des couches de plus en plus profondes, jusqu'à être les premières à passer, c'est-à-dire à ne plus pouvoir être retenues. Les matières difficilement adsorbables déterminent donc la durée de fonctionnement du filtre. Au moment de la percée, seules les couches supérieures du lit filtrant sont saturées par les matières facilement adsorbables.La partie inférieure de la charge possède encore presque toute sa capacité de retenue de ces matières facilement adsorbables. Pour remédier aux inconvénients précités, on monte souvent deux filtres l'un derrière l'autre. Il est ainsi possible de rincer séparément le premier étage, dans lequel les particules d'impuretés insolubles sont ecueil- lies. Comme il n'est pas nécessaire de rincer le second étage, on évite le mélange des couches et le front d'adsorption n'est pas affecté. Lorsque les matières difficilement adsorbables dans le second étage effectuent leur percée, le charbon de ce second étage est introduit dans le premier. Le second étage est rempli de charbon activé frais ou de charbon réactivé. L'appareil à deux étages permet par conséquent de prolonger la durée de fonctionnement d'environ 50 % en moyenne. Mais il présente l'inconvénient d'être relativement encombrant. Le brevet DE-AS 2 505 794 a déjà décrit un filtre à un seul étage qui résoud en principe les problèmes exposes. Dans ce filtre, pour introduire l'eau de rinçage à contre-courant, un système de tubes percés d'un grand nombre de trous, en forme de grille ayant pratiquement la section de la charge de charbon, est disposé dans la partie supérieure de cette charge. Par conséquent, au moment du rin çage, seule la partie de la charge de charbon située au dessus de ce système est fluidisée. La partie inférieure de la charge n'est pas affectée. Dans ce filtre, le charbon épuisé de la partie supérieure de la charge est éliminé à l'état fluidisé par une canalisation ou par une rigole à déversoir. Mais le fait de monter un tel système de tubes à l'intérieur de la charge du charbon activé présente des inconvénients. Ce système ne peut être fabriqué économiquement, pour des raisons de statique, qu'à des diamètres relativement petits. Un système de ce genre ne convient donc que pour des filtres relativement petits. Il ressort des raisons précitées que, même avec un filtre relativement petit comme celui qui est décrit dans un exemple de réalisation, le rapport du diamètre à la hauteur est plus faible que dans les filtres habituels. Par suite, la vitesse de l'eau traitée et donc la perte de pression sont plus grandes. Le système de tubes incorporés provoque aussi des effets de bordure et perturbateurs indésirables, conformément aux lois de la mécanique des fluides.Un autre inconvénient réside dans le fait que, lorsque le charbon activé, devenu épuisé, est retiré, la grande quantité d'eau nécessaire pour le fluidifier est évacuée avec lui, ce qui exige des dispositifs de réception et de décantation de dimensions correspondantes. Il est encore connu, par ailleurs, de retirer le charbon, dans les très grands filtres notamment, à l'aide d'éjecteurs actionnés par de l'eau sous pression et disposés dans le lit filtrant ou à l'extérieur de ce lit. Lorsque le charbon est éjecté, il se forme dans le lit filtrant un affaissement en forme d'entonnoir, à angle de talus relativement raide d'environ 300. Il est connu d'ébouler ce talus en introduisant un agent de rinçage. Mais tout le lit filtrant est alors soumis à une turbulence. Comme on sait qu'il se produit un mélange intense dans une couche turbulente, il n'est pas possible avec ce procédé d'entraîner séparément, dans les filtres ordinaires, le charbon chargé d'impuretés de la partie supérieure de la charge. L'invention vise à permettre de fluidiser partiellement la partie supérieure de la charge, même dans un grand filtre ayant le rapport diamètre-hauteur habituel, sans installation de tubes gênants. Elle vise aussi à fournir un procédé destiné à retirer séparément les matières adsorbantes saturées de la partie supérieure en tirant parti de la fluidisation partielle et grâce auquel la quantité d'eau entrai- née avec le charbon est beaucoup plus faible qu'avec les dispositifs et procédés connus. Le premier but visé est obtenu grâce au fait que les ouvertures de sortie de l'agent de fluidisation sont disposées dans le fond du filtre et que la surface filtrante est plus petite à la partie supérieure de la charge qu'à une faible distance de ce fond. Dans un filtre qui présente ces caractéristiques, la quantité d'eau de fluidisation peut être déterminée de manière que, à la partie supérieure de la charge, la vitesse d'écoulement soit juste assez grande pour provoquer la fluidisation. Mais, dans la région inférieure, la vitesse d'écoulement est plus faible, de sorte que la couche de charbon activé n'est pas agitée. La réduction de surface filtrante doit être assez grande pour que l'effet désiré soit sûrement obtenu dans les conditions de service. Mais elle ne doit pas être trop grande, afin d'éviter des pertes de pression inutiles à la partie supérieure de la#charge. Conformément à l'invention, la surface filtrante est de 20 à 50 % plus petite à la partie supérieure de la charge qu'à proximité du fond du filtre. L'une au moins des parois latérales peut former un redan intérieur dans la région supérieure de la charge. Par ailleurs, un corps étrangleur ou de réduction de section, peut plonger dans la charge. Ces deux caractéristiques peuvent être utilisées séparément ou simultanément. Dans les zones de transition, les parois latérales et/ou le corps étrangleur peuvent avantageusement comporter, sur au moins une partie de la hauteur de la charge, des surfaces inclinées, faisant avec l'horizontale un angle d'au moins 300. De la sorte, on obtient un écoulement régulier du liquide introduit par le bas. La surface inclinée peut être disposée à peu près à mi-hauteur de la charge et faire avec l'horizontale un angle de 500 au maximum. Cette limite supérieure de l'angle d'inclinaison est destinée à assurer que la zone de transition, de la grande à la plus petite surface filtrante, est aussi étroite que possible. La transition par gradins ainsi formée fait que la séparation entre la partie supérieure fluidisée de la charge et la partie inférieure en repos est relativement nette, la surface de séparation restant pratiquement toujours à la même hauteur, quelles que soient les assez faibles variations éventuelles du débit de l'agent de fluidisation. La proportion de charge fluidisée est donc toujours la même. Si, par contre, la surface inclinée des parois latérales fait avec l'horizontale un angle plus raide, égal à 500 au moins, la zone de transition est élargie, pour un rapport donné entre les surfaces filtrantes, de sorte que cette zone se prolonge sur une partie importante de la hauteur de la charge ou même, si désiré, sur toute cette hauteur. Dans la région de cette zone de transition, il est possible de modifier à volonté la position de la surface de séparation entre la couche fluidisée et la couche calme, en modifiant le débit de l'agent de fluidisation. Le choix de l'angle d'inclinaison dépend, d'une part, de la plage de variation désirée de la hauteur de la surface de séparation et d'autre part de la netteté de séparation désirée. La plage de variation de cet angle, qui dans la plupart des cas pratiques, satisfait à ces deux conditions, est avantageusement comprise entre 600 et 750. Le filtre peut aussi comporter au moins une surface inclinée, disposée à peu près au milieu de la hauteur de la charge et faisant avec l'horizontale un angle de 300 à 500, ainsi qu'une autre surface inclinée, disposée dans la moitié supérieure de la charge et faisant avec l'horizontale un angle de 600 à 750. Cette combinaison présente des avantages particuliers, ainsi qu'on le décrira plus loin. La paroi latérale du filtre et/ou le corps étrangleur peuvent comporter des rigoles à déversoir destinées à amener l'eau brute et/ou à évacuer l'eau de rinçage. Cela permet d'utiliser les parois latérales, qui conformément à l'invention sont plus larges en haut, et éventuellement le corps étrangleur, pour amener l'eau brute et/ou pour évacuer l'eau de rinçage, ce qui rend l'installation particulièrement peu encombrante. Un éjecteur au moins peut être disposé dans la zone de transition. Il permet de retirer par aspiration la partie supérieure de la charge en tirant parti de la fluidisation partielle, sans créer de mélange des couches de la partie inférieure. Le procédé selon l'invention pour décharger la matière adsorbante épuisée d'un filtre selon l'invention, comportant au moins un éjecteur, consiste en la combinaison des étapes consistant à fluidiser seulement la partie supérieure de la charge, à provoquer cette fluidisation par intermittence et à retirer en l'éjectant la matière épuisée. Afin de niveler les talus qui se forment pendant l'aspiration, il suffit d'introduire l'agent de fluidisation par quelques à-coups de courte durée. La quantité d'eau nécessaire à cet effet est faible. Au cours de la vidange, il ne sort donc essentiellement, avec l'eau des pores du charbon activé, que la quantité d'eau d'alimentation de l'éjecteur. Cela permet de diminuer les dimensions des dispositifs de réception et de décantation. Trois exemples nullement limitatifs de l'invention vont être décrits plus en détail en regard des dessins annexés sur lesquels les figures 1, 2 et 3 représentent schématiquement trois formes de réalisation dè filtres selon l'invention. Le filtre de la figure 1 a une enveloppe rectangulaire 1, en béton armé par exemple, comportant deux parois latérales 2, 3 et deux autres qui y sont perpendiculaires et ne sont pas visibles sur la figure. Une charge granuleuse 6 de charbon activé repose sur un fond 4 percé d'un grand nombre d'orifices filtrants 5. Un corps étrangleur 7, qui a toute la largeur du filtre (c'est la dimension perpendiculaire au plan de la figure), plonge dans la charge 6 jusqu la moitié environ de la profondeur de celle-ci. Les parois latérales 2, 3 comportent en haut des rigoles 8, 10. Du côté intérieur, elles comportent à mi-hauteur, entre une face verticale à la partie inférieure et une face également verticale qui fait saillie vers l'intérieur à la partie supérieure, une zone de transition.Celle-ci est formée par des surfaces inclinées 11, 12, qui font avec l'horizontale un angle de 450 La hauteur de la zone de transition est faible par rapport à celle de la charge 6 et égale à environ 20 % de cette dernière hauteur. La partie inférieure du corps étrangleur 7 comporte aussi des deux côtés des surfaces in clinées 13 qui forment un V en section droite et qui se trouvent à la même hauteur que les surfaces 11, 12. Grâce au redan des parois latérales et au corps étrangleur, la surface filtrante, c'est-à-dire la section horizontale de la charge 6, est plus petite d'environ 25 % à la partie supérieure qu'à la partie inférieure. Plusieurs éjecteurs 14, répartis autour des parois latérales 2, 3, sont- disposés dans la zone de transition. Lorsque le filtre est en service normal, l'eau brute arrive par la rigole 9 du corps étrangleur 7, dont les flancs forment des déversoirs horizontaux. L'eau filtre parvient par les orifices filtrants 5 dans la chambre collectrice de filtrat, qui se trouve sous le fond du filtre, et elle en sort par des canalisations non représentées. Pour rincer à contre-courant, on injecte de manière usuelle dans la chambre collectrice de l'eau de rinçage, qui pénètre ensuite de bas en haut par les orifices 5 dans la charge 6. Cette eau circule de bas en haut à vitesse constante dans la partie inférieure de la charge et, dans la zone de transition, c'est-à-dire à hauteur des surfaces inclinées 11, 12 et 13, la réduction de la section de passage fait augmenter cette vitesse. Le débit est déterminé de façon que, à la partie inférieure, la vitesse d'écoulement soit un peu inférieure à la vitesse limite à laquelle la charge granuleuse est mise en turbulence. Cette partie de la charge reste donc en repos et le front d'adsorption qui y passe reste inaffecté. Mais, à la partie supérieure de la charge 6, la vitesse d'écoulement est suffisante pour fluidiser la matière granuleuse. Les particules insolubles d'impuretés, qui se sont rassemblées pratiquement dans la partie supérieure seulement, sont évacuées avec l'eau de rinçage. Cette eau chargée d'impuretés sort par les rigoles 8, 10. Lorsqu'est atteint le point de percée des matières difficilement adsorbables, le charbon activé qui constitue la partie supérieure de la charge est retiré. On le fait l'aide du ou des éjecteurs 14. Dès qu'il s'est forme un talus d'une certaine importance, de l'eau est envoyée un court instant de bas en haut, en quantité voulue pour fluidifier suffisamment la partie supérieure de la charge pour ébouler ce talus. La partie inférieure de la charge reste en repos. Quand le charbon activé de la partie supérieure a été retiré, la partie inférieure du filtre est vidée de la manière habituelle. Le filtre est alors empli à nouveau, la couche inférieure étant formée de charbon activé frais ou de charbon réactivé et la couche supérieure étant constituée par le charbon activé qui formait précédemment la couche inférieure et qui est encore largement exempt de matières facilement adsorbables. Le charbon activé chargé de matières polluantes, qui a été retiré de la partie supérieure de la charge, est mis au rebut ou envoyé à la réactivation. Il est aussi possible d'ébouler,à l'aide de jets d'air, les talus qui se forment au cours du déchargement au moyen d'un éjecteur. Dans ce cas, l'air injecté de bas en haut est dosé de manière que la partie inférieure du lit filtrant reste en repos et que seule la partie supérieure se dilate. L'utilisation de jets d'air a lieu par exemple dans les filtres dans lesquels le rinçage à contre-courant est effectué aussi par utilisation d'air et qui comportent par conséquent une installation de production d'air comprimé. Comme le fait apparaître la description, on réussit avec l'invention à associer la construction économique du filtre à un seul étage et les possibilités et avantages du système à deux étages. Abstraction faite de l'absence d'un corps étranleur, le filtre de la figure 2 diffère essentiellement de celui de la figure 1 en ce que les parois latérales 2, 3 comportent intérieurement, au-dessus d'une partie verticale qui s'étend sur le tiers inférieur environ de la charge 6 et sur toute la partie supérieure, jusqu'à la surface de cette charge 6, des surfaces intérieures 11', 12' inclinées, faisant avec l'horizontale un angle d'environ 700. Les faces intérieures, non visibles, des parois latérales parallèles au plan de la figure peuvent elles aussi être inclinées. De la sorte, la surface filtrante est plus petite d'environ 25 % à la surface de la charge 6 qu'à proximité du fond 4. Des éjecteurs 14 sont disposés dans la région inférieure de la large zone de transition. En service normal, l'eau arrive au filtre par des déversoirs non représentés, qui peuvent par exemple se trouver sur les parois latérales non figurées. L'eau filtrée parvient par les orifices filtrants 5 dans la chambre collectrice de filtrat qui se trouve sous le fond 4 du filtre et elle en sort par des canalisations non représentées. Pour exécuter le rinçage à contre-courant, on in jecte de la manière usuelle dans la chambre collectrice de l'eau de rinçage, qui passe ensuite de bas en haut dans la charge 6 par les orifices 5. Cette eau circule de bas en haut à vitesse constante dans le tiers inférieur de la charge 6 et sa vitesse s'accélère dans toute la zone de transition, c'est-à-dire à hauteur des surfaces inclinées 11', 12' Au début du rinçage à contre-courant, on règle d'abord le débit à une valeur relativement faible.En augmentant progressivement le débit, on arrive à un point où la vitesse d'écoulement atteint, d'abord à la surface de la charge 6, la valeur critique à laquelle la fluidisation commence. A mesure que le débit augmente, la limitecorres- pondant à la vitesse d'écoulement critique se déplace de haut en bas dans la charge 6. Par conséquent, une couche de plus en plus épaisse de la région supérieure de la charge 6 est fluidisée à mesure que le débit augmente. Le débit est accru jusqu'à ce que la couche fluidisée ait atteint l'épaisseur voulue. Il est possible de cette manière de faire correspondre exactement l'épaisseur de la couche fluidisée à la profondeur de pénétration des impuretés que le rinçage a pour rôle de chasser. La partie restante de la charge 6 reste en repos. Le mélange des couches de charbon activé est ainsi ramené au minimum inévitable. Il en est de même pour l'érosion provoquée par la fluidisation. Il est évident que la hauteur de la zone de transition à parois inclinés doit être adaptée aux conditions du cas particulier. Dans la for me de réalisation de la figure 2, elle représente les deux tiers de la hauteur totale. Dans d'autres cas il suffit qu'elle représente le tiers ou la moitié de la hauteur totale, tout en correspondant normalement à chaque fois à la partie supérieure de la charge 6. Dans le filtre de la figure 3, les surfaces intérieures lia, 12a des parois latérales 2, 3 ont, au-dessus du milieu environ de la hauteur de la charge 6, une inclinaison d'environ 700. Il y a en dessous une petite zone dans laquelle les surfaces intérieures iib, 12b sont inclinées d'environ 450 sur l'horizontale. 'En dessous de cette zone, les faces intérieures des parois 2, 3 sont verticales. Comme dans la forme de réalisation de la figure 1, un corps étrangleur 7, dont les flancs sont symétriques de la face intérieure de la paroi 2, 3 adjacente, plonge dans la charge 6 et présente des surfaces 13a et 13b inclinées par rapport à l'horizontale. Cette forme de réalisation réunit pour nombre d'applications Icls avantages du filtre de la figure 1 et ceux du filtre de la figure 2. Pour rincer à contre-courant, il est possible d'adapter l'épaisseur de la couche fluidisée à la profondeur de pénétration des impuretés. Lorsqu'il s'agit de remplacer la moitié supérieure de -la charge, de la manière décrite en détail précédemment, la zone de transition en gradins qui se trouve à mi-hauteur permet d'obtenir une séparation nette à une hauteur constante. Il va de soi qu'il est possible, sans s'écarter du domaine de l'invention, d'apporter diverses modifications aux filtres chargés d'une matière adsorbante granuleuse représentés et décrits. REVENDICATIONS 1. Filtre contenant une charge de matière adsorbante granuleuse, notamment du charbon activé, et comportant des parois latérales, un fond et un agencement destiné à fluidiser partiellement la partie supérieure de cette charge, filtre caractérisé en ce que les ouvertures de sortie (orifices 5) de l'agent de fluidisation sont disposées dans le fond (4;) de ce filtre et en ce que la section de la surface filtrante est plus petite,à la partie supérieure de la charge (6), qu a une plus faible distance de ce fond (4). 2. Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que, à la partie supérieure de la charge (6), la surface filtrante est plus petite de 20 à 50 % qu'd proximité du fond (4). 3. Filtre selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'une au moins des parois latérales (-2, 3) comporte dans la région supérieure de la charge (G) une partie faisant saillie vers l'intérieur. 4. Filtre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un corps étrangleur (7) qui plonge dans la charge (6). 5. Filtre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la paroi latérale (2, 3) et, éventuellement ou en variante, le corps étrangleur (7) comportent sur au moins une partie de la hauteur de la charge une surface inclinée (11, 12, 13; 11', 12'; pila, llb; 1'2a, 12b, 13a, 13b) faisant avec l'horizontale un angle d'au moins 300. 6. Filtre selon la revendication 5, caractérisé en ce que les surfaces inclinées (11, 12, 13) sont disposées sensiblement à mi-hauteur de la charge (6) et font avec l'horizontale un angle de 500 au maximum. 7. Filtre selon la revendication 5, caractérisé en ce que les surfaces inclinées (11', 12') font avec l'horizontale un angle d'au moins 500. 8. Filtre selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'angle est compris entre 600 et 750. 9. Filtre selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une surface inclinée (Llb, 12b, 13b) disposée sensiblement à mi-hauteur et faisant avec l'horizontale un angle de 30 à 500 et une autre surface inclinée (lIa, 12a, 13a), qui est disposée à hauteur de la moitié supérieure de la charge (6) et qui fait avec l'hori- zontale un angle de 60 à 750. 10. Filtre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la paroi latérale (2, 3) et éventuellement ou en variante le corps étrangleur (7), comportent des rigoles à derversoir (8, 9, 10) destinées à amener l'eau brute et, le cas échéant, à évacuer l'eau de rinçage. 11. Filtre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins un éjecteur (14) est monté dans la zone de transition. 12. Procédé pour évacuer d'un filtre selon la revendication 11, un produit adsorbant épuisé, procédé caractérisé par la combinaison des étapes suivantes a) on fluidise seulement la partie supérieure de la charge; b) on crée la fluidisation par intermittence; et c) on évacue par aspiration la matière adsorbante épuisée.