Brevet FR2663559A1 — publié le 19911227

La présente invention concerne un dispositif destiné à effectuer l'évacuation de l'eau de lavage des filtres à matériau filtrant granulaire et la récupération des particules de matériau granulaire entraînées avec l'eau pendant le lavage. Le lavage des filtres à matériau filtrant granulaire, qui devient nécessaire au bout d'un certain temps de fonctionnement, plus ou moins long, du filtre, est classiquemnt effectué par retour de fluides de lavage Plusieurs modes de lavage sont connus, à savoir retour d'eau seule ou brassage de la masse filtrante à l'air seul et rinçage à l'eau sans air, ou lavage combiné à l'air et à l'eau injectés simultanément dans la masse Ce dernier type de lavage est particulièrement avantageux parce qu'il met en oeuvre des énergies d'agitation plus importantes et des temps de lavage réduits Il est utilisé depuis longtemps pour laver les filtres à sable Son efficacité n'est aujourd'hui plus à démontrer Cependant, jusqu'à présent, le lavage combiné à l'air et à l'eau (ou lavage hydropneumatique) ne pouvait aisément être appliqué au lavage des filtres à matériaux légers ou des filtres multicouches En effet, les matériaux légers, tels que l'anthracite, ont une masse volumique faible de l'ordre de 1 500 Kg/ms. Il se produit alors, pendant la phase de décolmatage à l'eau et à l'air un phénomène de flottation des particules de matériau filtrant; lorsque le niveau de l'émulsion eau-air atteint le déversoir de la goulotte de reprise des eaux de lavage, une fraction importante de la masse filtrante est alors entraînée à l'égout. Pour l'éviter, une technique connue consiste à relever de façon importante le niveau du déversoir de reprise des eaux de lavage de manière à ce que le matériau entraîné ait le temps de décanter avant le déversement à l'égout. Cette solution présente les inconvénients immédiats d'augmenter considérablement la hauteur des ouvrages ainsi que la durée et les volumes d'eau nécessaires. On a déjà proposé diverses solutions au problème, très général, de la reprise et de l'évacuation de l'eau ayant servi au lavage du matériau filtrant granulaire des filtres du genre considéré, quel que soit leur type, en particulier lorsque la masse filtrante est constituée de matériau de faible densité, sans que la reprise et l'évacuation de cette eau s'accompagne d'un entraînement intempestif du matériau. L'une de ces solutions (Brevet US 4 479 880) consiste à équiper les Boulottes de reprise d'eau de lavage de systèmes déviant les courants ascendants d'air et d'eau Les courants ainsi défléchis arrivent au droit de plaques comportant une partie horizontale perforée et une partie inclinée. Le matériau entraîné se sépare, au-dessus de la plaques perforée, des bulles d'air auxquelles il est attaché et décante vers le lit filtrant dans la zone délimitée par la partie inclinée de la plaque. Cette solution présente de nombreux inconvénients dont les principaux sont les suivants: L'air, défléchi dans le premier temps, remonte le long des plaques inclinées et traverse la plaque perforée en provoquant un barrage à l'écoulement vers le déversoir de la goulotte et en empêchant le matériau de décanter vers le lit filtrant La zone dite de décantation est alors mise en turbulence et l'effet de décantation du matériau devient impossible Au contraire, les particules de matériau séparées de l'air sont à nouveau entraînées dans cette turbulence vers le déversoir. Une autre solution connue (Brevet US 4 478 726) consiste en un dispositif constitué par une plaque horizontale placée au droit du déversoir d'une goulotte de reprise des eaux de lavage L'eau et l'air ascendant sont, dans ces conditions, déviés par la plaque au droit du déversoir Le matériau se détache des bulles d'air à l'extrémité de la plaque, puis décante sur sa partie horizontale et revient à l'intérieur du filtre par l'intermédiaire d'un espace ménagé au droit du déversoir. Les inconvénients les plus importants d'un tel dispositif sont les suivants: l'air qui s'évacue à l'extrémité de la plaque, provoque, comme dans la solution précédente, un barrage à l'écoulement vers le déversoir et surtout une forte turbulence dans la zone o devrait se faire la décantation des particules de matériau tendant à les remettre en suspension, de plus, la plaque horizontale délimite une zone de décantation qui doit être très importante car les vitesses de décantation des matériaux filtrants utilisés sont faibles et les particules sont entraînées par le flux de déversement Pour que la décantation ait lieu, il faut que la plaque ait des dimensions très importantes; l'air accumulé sous la plaque ne peut pas être évacué Cette quantité d'air, de plus en plus importante au cours du lavage, empêche la recirculation des particules de matériau vers le lit filtrant Il se produit alors une accumulation de matériau au droit du déversoir et le matériau est alors entraîné au déversoir et de là à l'égout; lors de l'arrêt du lavage air et eau, une quantité importante de matériau reste sur la plaque sans retour possible vers la masse filtrante Ce matériau ne peut alors être évacué que par l'installation complémentaire de dispositifs de rinçage ou de balayage compliqués ou coûteux. Encore une autre solution (Brevet US 4 076 625) consiste en un dispositif équipant des goulottes de reprise en eau de lavage, sous la forme de baffles symétriques servant de déflecteurs à l'écoulement de l'air et de l'eau. Si, grâce à ce dispositif, il ne se produit pas d'accumulation de matériau granulaire, ce dispositif offre néanmoins un inconvénient majeur lors de la phase de rinçage En effet, l'eau de rinçage destinée à évacuer hors du filtre le résultat du décolmatage à l'air et à l'eau est, elle aussi, défléchie par les baffles L'écoulement ne peut se faire qu'entre les baffles pour se déverser dans la goulotte de reprise des eaux La quantité d'eau de rinçage accumulée pendant le décolmatage entre les dispositifs équipant chaque goulotte représente un volume important d'eau qui ne pourra pas être rincée, ou tout au moins le sera au prix d'une durée très importante de rinçage De plus, l'écoulement dans l'espace ménagé entre les baffles servant de déflecteurs est à contre courant du fluide et du matériau Le dimensionnement de ces organes déflecteurs conduit à des dispositifs de grand encombrement qui nécessitent au-dessus du matériau des hauteurs très importantes d'eau. Enfin, un tel système ne peut pas équiper les filtres à déversoir unique longitudinal. Une dernière solution connue (Brevet Français 85 05986) possible porte sur un dispositif utilisant une pluralité de plaques verticales, ou plats, régulièrement espacées, disposées en quinconce et situées en amont d'une zone de décantation. Les particules de matériau séparées des bulles d'air lors de leur passage entre les plats décantent dans une zone "tranquillisée" et retournent vers le lit filtrant par l'intermédiaire d'un espace calibré, ménagé sous les plats. L'eau de lavage se déverse alors après la zone de décantation dans une goulotte de reprise. Cette solution est applicable aux matériaux de masse volumique de l'ordre de 1 700 Kg In 13 Nais, pour des matériaux de masse volumique de l'ordre de, ou inférieure à, 1 500 Kg/me et dont la vitesse de décantation est de l'ordre de m/h, la zone de décantation à prévoir devrait avoir des dimensions très importantes, donc pénalisantes pour le coût de l'ouvrage. L'invention concerne un dispositif qui permet d'éviter ces inconvénients: Le dispositif suivant l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte un organe calibré de collecte et d'évacuation de l'eau sale; des cloisons internes et externes placées de part et d'autre de l'organe de collecte, délimitant à l'intérieur des cloisons internes une zone de récupération de l'eau, et, entre les cloisons internes et externes, des zones de tranquillisation de l'écoulement favorisant la séparation, par décantation à co- courant descendant, des particules de matériau granulaire et de l'eau sale à évacuer; un déflecteur destiné à éviter la perturbation des zones précédentes par le mélange triphasique eau air matériau granulaire formé au cours du lavage, placé sous lesdites zones et orientant ledit mélange triphasique vers une zone de dégazage extérieure o l'air est évacué avant que le mélange, devenu diphasique, entre dans les zones de tranquillisation/décantation. On a décrit ci-après des mises en oeuvre de ce dispositif, à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés sur lesquels La Figure 1 est une vue partielle en coupe d'un mode de réalisation de 1 ' invention, La Figure 2 est une vue partielle, en perspective, de ce même mode de réalisation, La Figure 3 est une vue partielle en coupe d'un deuxième mode de réalisation, La Figure 4 est une vue partielle en coupe d'un troisième mode de réalisation de l'invention. Conformément à l'invention et suivant l'une de ses caractéristiques, l'organe 11 de reprise de l'eau de lavage consiste en un tube étant à un niveau plus élevé que les cloisons internes et externes. Le dispositif suivant l'invention comporte deux cloisons internes séparatrices 10 et 1 Oa, constituées chacune, soit d'une partie verticale et d'une partie oblique dans les deux premiers modes de réalisation proposés à titre d'exemples (Figures 1, 2 et 3), soit d'une seule partie verticale dans le troisième mode de réalisation (Figure 4), disposées symétriquement de part et d'autre du plan vertical passant par l'axe de l'organe de collecte 11, les parties obliques, formant entre elles un angle convergent dans les deux premiers modes de réalisation, délimitant ainsi entre elles une zone tranquille. Le dispositif suivant l'invention comporte également deux cloisons externes tranquillisatrices 20 et 20 a, extérieures aux précédentes, parallèles aux parties obliques des cloisons 10 et 10 a dans les deux premiers modes de réalisation, obliques et convergentes dans le troisième mode de réalisation, les espaces ainsi formés entre les cloisons 10 et 20 d'une part, 1 Qa et 20 a d'autre part, constituant des zones d'écoulement tranquillisé favorisant la séparation à co-courant descendant du matériau granulaire et de l'eau sale Ces zones peuvent comporter des cloisons constituées par des tubes, lames, nids d'abeille ou tout autre dispositif analogue, non représenté sur les figures et destiné à réduire encore le diamètre hydraulique, et par conséquent la turbulence. Au-dessous du débouché de ces zones tranquilles, est disposé un déflecteur, constitué par exemple par un tube 13, à section polygonale, disposé de façon à ce que ses arêtes 13 a dévient les courants ascendants de mélange triphasique vers l'extérieur des zones tranquilles. Le dispositif fonctionne de la façon suivante Alors que la filtration dans le lit filtrant constitué de matériau filtrant granulaire 14 a lieu de haut en bas, le lavage du matériau s'effectue de bas en haut comme le montrent les flèches F. Le mélange triphasique constitué par les fluides de lavage air et eau et par les particules de matériau granulaire arrachées à la masse filtrante pendant le lavage, rencontre le déflecteur 13 et dans ces conditions les bulles d'air se trouvent déviées vers la surface 15 de l'eau dans l'appareil filtrant, à l'extérieur des cloisons 20, 20 a. Les particules de matériau granulaire que ces bulles ont entraînées viennent ensuite, avec l'eau qui les véhicule, dans les zones de séparation à concourant descendant ménagées entre les cloisons 10/20 et l Oa/20 a, d'o elles sortent, décantées, dans une zone 16 non perturbée, ce qui favorise la restitution vers le lit filtrant des particules de matériau séparées de l'eau, cette dernière s'écoulant alors vers l'organe 11 de reprise. L'utilisation, conformément à l'invention, comme organe de reprise de l'eau ayant servi au lavage, d'un tube à orifices calibrés présente des effets techniques particulièrement bénéfiques. En effet, après le lavage à l'air et à l'eau, la phase de rinçage des tranches d'eaux sales accumulées au-dessus du lit filtrant se trouve ainsi facilitée. Lorsque le rinçage à l'eau seule s'effectue, le débit d'eau injectée augmente, la perte de charge dans les trous se trouve alors augmentée et le niveau d'eau 15 monte dans le filtre Dans le premier et le troisième modes de réalisation (Figures 1, 2 et 4), il atteint un déversoir général 17, disposé sur un côté de l'ouvrage, de préférence perpendiculairement aux tubes La plus grande partie de l'eau chargée s'évacue alors librement et directement tout au long du déversoir, en ne transitant que partiellement par les zones de séparation, c'est-à- dire sans aucun accroissement des temps de lavage ou des débits qui caractérisent les procédés et dispositifs utilisés jusqu'à présent. Dans le deuxième mode de réalisation (Figure 3), le niveau d'eau 15 atteint les bords supérieurs 18 de la goulotte qui sert ainsi de déversoir On obtient donc, pendant la phase de rinçage, une longueur de déversoir égale au double de la longueur des goulottes, ce qui réduit encore le temps de rinçage et les distorsions d'écoulement hydraulique. Pour expliciter ce mode de fonctionnement, on a tracé un plan de coupe dans l'axe X,Y de la Figure 3 et représenté, à gauche (I) les niveaux d'eau en période de lavage, et à droite (II) ces niveaux en période de rinçage. D'une façon générale, l'invention présente, par rapport aux dispositions connues, des avantages remarquables. L'utilisation de zones de séparation a pour conséquence que l'ensemble du dispositif présente des dimensions comparables aux goulottes classiques de reprise des eaux des filtres à matériaux granulaires, par exemple 200 x 400 mm. L'encombrement est donc réduit, le dispositif ne nécessite aucune augmentation de la hauteur des ouvrages, de la durée ou du débit d'eau de lavage Il en découle qu'il peut parfaitement et facilement s'adapter à des ouvrages existants; par exemple, à des filtres à matériau léger qui ne pouvaient pas être lavés simultanément à l'air et à l'eau. Les paramètres tels que l'angle d'inclinaison des cloisons sur le plan vertical médian et leur écartement peuvent être ajustés pour s'appliquer à n'importe quel système triphasique, selon l'espace et les possibilités dont on dispose. Ce qui suit est un exemple de réalisation de l'invention, appliqué au cas d'un filtre d'une surface de 4 m 2 dont le matériau filtrant granulaire a une masse volumique de l'ordre de 1 500 Kg/me et une vitesse de décantation de 70 m/h Ce filtre est lavé à l'air et à l'eau avec des débits respectifs de 60 ir P/h/mun de filtre et 5 r P Ih Im 2 de filtre puis rincé à l'eau seule au débit de 20 mi/h/m 2 de filtre Chaque décanteur est constitué de plaques inclinées de 200 mm de longueur faisant avec la verticale un angle de 45 et espacées entre elles de 5 cm Le tube de collecte de l'eau de lavage et de rinçage a un diamètre de 60 mm percé de trous de 20 mm de diamètre régulièrement espacés tous les 100 mm. REVENDICATIONS 1 Dispositif destiné à effectuer l'évacuation de l'eau de lavage des filtres à matériau filtrant granulaire, lavés simultanément à l'eau et à l'air, tels que ceux utilisés notamment dans le traitement de l'eau, et la récupération des particules de matériau filtrant granulaire entraînées par l'eau pendant le lavage, caractérisé en ce qu'il comporte: un organe calibré ( 11) de collecte et d'évacuation de l'eau sale des cloisons internes et externes ( 10,l Oa 20,20 a) placées de part et d'autre de l'organe de collecte, délimitant à l'intérieur des cloisons internes une zone de récupération de l'eau, et, entre les cloisons internes et externes, des zones de tranquillisation de l'écoulement favorisant la séparation, par décantation à co-courant descendant, des particules de matériau granulaire et de l'eau sale à évacuer, un déflecteur ( 13) destiné à éviter la perturbation des zones précédentes par le mélange triphasique eau air matériau granulaire formé au cours du lavage, placé sous lesdites zones et orientant ce mélange vers une zone de dégazage extérieure, o l'air est évacué avant que le mélange, devenu diphasique, entre dans les zones de tranquillisation/décantation. 2 Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe de collecte de l'eau de lavage est constitué par un tube ( 11) muni d'orifices calibrés ( 12). 3 Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe de collecte de l'eau de lavage est constitué par une goulotte ouverte ( 11) dont les bords supérieurs ( 18) sont à un niveau plus élevé que les cloisons internes et externes. 4 Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le calibrage des orifices ( 12) du tube de reprise ( 11) est choisi de façon à ce que, lors de l'opération de rinçage à l'eau seule à grand débit, grâce à la perte de charge déterminée par ces orifices calibrés se traduisant par une élévation du niveau de l'eau se trouvant dans le filtre, l'eau sale est évacuée directement par un déversoir ( 17). Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 et 3, caractérisé en ce que le calibrage des orifices ( 12) de la goulotte de collecte ( 11) est choisi de façon à ce que, lors de l'opération de rinçage à l'eau seule à grand débit, grâce à la perte de charge déterminée par ces orifices calibrés se traduisant par une élévation du niveau de l'eau se trouvant dans le filtre, l'eau sale est évacuée directement par les bords supérieurs ( 18) de la goulotte, faisant office de déversoirs. 6 Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe de décantation comporte deux parois internes ( 1 Ol Oa), placées symétriquement de part et d'autre d'un plan médian vertical passant par l'axe de l'organe de collecte ( 11), délimitant entre elles une zone non perturbée favorisant le retour du matériau granulaire vers le milieu filtrant tandis que l'eau est évacuée par l'organe ( 11), et une ou plusieurs parois externes tranquillisatrices ( 20,20 a) associées aux parois internes et constituant avec ces dernières des zones de séparation à co-courant descendant. 7 Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que les espaces existant entre les parois internes et externes sont cloisonnés par des tubes, des lames, des cloisons en forme de nid d'abeille ou tout autre dispositif approprié pour réduire le diamètre hydraulique, et donc la turbulence. 8 Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que les parois externes sont des plaques parallèles à la partie oblique des parois internes. 9 Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le déflecteur 13 est placé sur le trajet du mélange triphasique, au front des zones de séparation à co-courant descendant, pour écarter les bulles d'air de cette zone et leur permettre de s'échapper vers la surface du filtre. Dispositif suivant la revendication 9, caractérisé en ce que le déflecteur 13 est constitué par un tube à section polygonale, orienté de façon à ce que ses arêtes produisent la déviation des bulles d'air.