Brevet FR2725379A1 — publié le 19960412

La présente invention concerne le domaine général de la séparation des phases d'un milieu complexe ; elle concerne plus particulièrement une installation de filtration d'un liquide ou d'un gaz qui contient des matières en suspension, ainsi que le procédé de mise en oeuvre de cette installation. I1 existe de nombreux types d'installations de filtration adaptées pour séparer des particules ou matières en suspension dans un liquide ou un gaz. L'opération de filtration permet de concentrer les particules pour obtenir un sous-produit solide ou semi-solide ; le liquide ou le gaz est, lui, débarrassé de tout ou partie des particules qu'il renfermait avant filtration. Le domaine de la filtration est extrêmement vaste; il se caractérise néanmoins par un facteur permanent: 1'élément filtrant sur lequel passe le produit à filtrer et qui retient ou sépare les particules solides. Le filtre est par définition un corps poreux au travers duquel on fait passer le fluide. On en connait différents types tels que des grilles, toiles, membranes, céramiques Leur structure et leur diamètre de pore sont adaptés en fonction du ou des produits que l'on désire séparer et en fonction du degré de filtration désiré. Cependant, d'une manière générale, plus les particules à filtrer sont fines, moins le système est performant, plus sa capacité diminue, plus il est complexe et coûteux. Aussi, dans de nombreux domaines, la solution idéale n'existe pas ; c'est le cas, notamment, pour la déshydratation des boues de stations d'épuration (fines particules du type bactéries, présentes en quantité considérable et diluées dans de grands volumes d'eau), pour la filtration de liquides de nettoyage, (dont le recyclage dépend), pour le dépoussiérage de l'air, pour la filtration de bio-produits ou encore la filtration de produits chimiques, agro-alimentaires, voire pharmaceutiques. Pour ces différents domaines, il existe des solutions mais leurs contraintes, leurs performances ou leur coût en limitent l'emploi. La présente invention a pour but de proposer une installation de filtration qui soit très simple à mettre en oeuvre et qui présente une efficacité intéressante dans des conditions difficiles et reconnues délicates, c'est-à-dire pour le traitement de liquides ou de gaz chargés en fines particules dont la taille est de l'ordre du micron ou de quelques dizaines de microns. Cette installation de filtration est du type comprenant - une alimentation en liquide ou gaz à traiter, - un organe de filtration, ou filtre, ainsi que - des moyens d'évacuation et/ou de stockage du fluide filtré, d'une part, et des solides retenus, d'autre part. Selon l'invention, cette installation comporte un organe de filtration en matière spongieuse élastique ; de préférence le matériau utilisé est de l'éponge et plus particulièrement de l'éponge cellulosique. Toujours selon l'invention, l'installation comporte des moyens aptes à imprimer au filtre des mouvements de compression et de décompression successifs. L'utilisation d'un matériau spongieux élastique, à titre d'organe filtrant assure, de par sa structure macro et micro-poreuse, une filtration très efficace des particules que l'on désire séparer. Au cours de l'opération de filtration, le matériau s'imprègne du fluide ; les particules solides retenues pénètrent de quelques millimètres dans la matière spongieuse ou restent bloquées en surface et le fluide filtré traverse ladite matière et peut être récupéré ou stocké en aval. Etant donné l'élasticité de la matière utilisée, la phase de filtration proprement dite peut être accompagnée d'un mouvement de compression. Ainsi, au cours de la ou des phases de retour en position stable, la matière spongieuse élastique, type éponge cellulosique, expulse ou rejette vers la surface une grande partie des solides qu'elle retenait dans son réseau poreux.L'opération de décompression permet de "vider" le filtre ; une fois la couche de matières solides ou semi-solides évacuée, le filtre peut de nouveau être utilisé avec une efficacité optimale. Dans le cas du traitement d'un fluide gazeux, les caractéristiques du filtre en forme d'éponge cellulosique nécessiteront la présence et le maintien d'une humidité pour conserver la souplesse du matériau. Selon une première forme de réalisation, l'installation comprend un support en forme de plaque perforée sur laquelle repose l'une des faces du filtre, ainsi que des moyens aptes à appliquer une pression sur la face opposée dudit filtre. Ces moyens particuliers peuvent se présenter sous la forme d'un rouleau presseur animé d'un mouvement de va-et-vient parallèlement au plan du filtre ; les particules solides retenues par le filtre peuvent être évacuées par des moyens racleurs, aspirateurs ou autres. Selon un autre mode de réalisation particulièrement intéressant, l'installation de filtration comprend - un tambour constitué d'un filtre pris en sandwich entre deux cylindres perforés, l'un externe, l'autre interne ; le cylindre interne délimitant un espace vide axial, - un carter fixe qui entoure ledit tambour, - des moyens d'entrainement en rotation dudit tambour autour de son axe, - une alimentation en fluide à traiter, disposée dans l'espace vide axial du tambour, - des moyens d'évacuation du fluide filtré, au niveau du carter fixe, - des moyens d'évacuation des solides retenus, disposés dans l'espace vide axial. De préférence, ces moyens d'évacuation sont constitués par un racleur longitudinal disposé contre le cylindre perforé interne. Un cône d'évacuation centré sur l'axe du tambour reçoit les solides raclés et les dirige vers une goulotte de récupération qui les oriente à l'extérieur du tambour de filtration. Bien entendu, d'autres moyens d'évacuation peuvent également être envisagés du type aspiration, expulsion par jets d'air, ou autres ... Selon une disposition préférée, le filtre est précontraint entre les deux cylindres perforés qui le cloisonnent. Toujours selon l'invention, le cylindre perforé externe peut avantageusement être constitué de deux demicoquilles solidarisées par des moyens de rappel genre ressorts ou vérins destinés à favoriser l'opération de décompression du filtre et, donc, l'expulsion des matières solides retenues. A titre de variante, l'installation de filtration peut colporter un organe de filtration soumis à des moyens du type aspiration ou poussée pneumatique, aptes à lui imprimer les mouvements de compression et de décompression successifs. L'invention concerne également le procédé de filtration pour la mise en oeuvre de l'installation cidessus décrite. Ce procédé consiste à faire passer le liquide ou le gaz à travers le filtre en matière spongieuse élastique et à imprimer audit filtre des mouvements de compression et de décompression successifs. Toujours selon l'invention, ce procédé comprend une opération complémentaire d'évacuation des solides retenus sur le filtre, laquelle opération est réalisée en cours de phase de décompression. Mais l'invention sera encore illustrée sans être aucunement limitée, par la description suivante de différents modes de réalisation particuliers, donnés à titre d'exemples et représentés sur les dessins annexés dans lesquels - les figures la à le illustrent les différentes étapes du procédé de filtration conforme à la présente invention - la figure 2 est une représentation schématique d'une forme de réalisation possible de l'installation de filtration - la figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'un autre type d'installation de filtration - la figure 4 est une coupe de la figure 3 selon 4-4 - la figure 5 montre l'installation des figures 3 et 4 en cours de fonctionnement et en phase de compression - la figure 6 est une vue en coupe de la figure 5 selon 6-6 - la figure 7 montre la même installation, en phase de décompression - la figure 8 est une vue en coupe transversale de la figure 7 selon 8-8 - la figure 9 illustre une variante du tambour de filtration adapté pour favoriser l'opération de décompression du filtre. Dans l'installation et le procédé de filtration selon l'invention, l'organe filtrant utilisé consiste en une matière spongieuse élastique type éponge, et plus particulièrement en de l'éponge cellulosique. L'épaisseur du matériau est choisie en fonction du type et du degré de filtration désirés. A titre indicatif, pour le traitement des boues de stations d'épuration, on peut avantageusement utiliser une éponge cellulosique brune, qualité gros travaux, distribuée par la Société FACEL, 25190 St-HYPOLYTE - FRANCE. Les épaisseurs choisies peuvent être de l'ordre de 6 à 12 cm. A titre indicatif, un matériau de ce type qui a une épaisseur de 12 cm au repos peut être aplati jusqu'à obtenir une épaisseur de l'ordre de 5 cm. La composition de ce matériau, pour 1 gramme de matière sèche, s'établit comme suit - cellulose : 0,84 g - fibres de lin : 0,14 g - pigment de coloration : 0,003 g - composition élémentaire : magnésium : 52 mg ; azote: 0,470 mg ; potassium : 0,343 mg ; cuivre : 0,183 mg zinc : 0,118 mg ; phosphore : 0,010 mg ; chrome : inférieur ou égal à 0,005 mg ; plomb : inférieur ou égal à 0,005 mg. Telle qu'on l'a représentée sur la figure 1, la filtration sur éponge 1 consiste à apporter le fluide à filtrer 2 en surface (figure la). On provoque ensuite d'une manière ou d'une autre (pression, aspiration, force centrifuge...), un mouvement d'aplatissement dans le sens de passage du fluide (figure lb) et on laisse se faire (ou provoquer, ou accélérer) le retour au volume initial (figure lc). Cette succession de compression et de décompression agit à la manière d'une pompe qui force le fluide à passer au travers de l'éponge. Sous l'effet du mouvement, les particules solides 3 se concentrent et sont rejetées en surface ; le colmatage ou la saturation ne sont que très progressifs. Le fluide filtré 4 passe au travers de l'éponge (figure ld) ; il peut être évacué ou récupéré par tout moyen approprié. Lorsque la couche de matières solides commence à limiter l'efficacité du filtre, elle est évacuée par tout moyen approprié (figure le) et l'installation de filtration peut être utilisée à nouveau. Ce genre d'installation présente le grand intérêt de mettre en oeuvre des moyens exclusivement physiques pour parvenir à une séparation efficace des différentes phases. La configuration de l'installation et le procédé de mise en oeuvre peuvent varier, notamment en fonction des fluides (liquide ou gaz) à filtrer et de la source du mouvement d'aplatissement/relâchement utilisée. En particulier, les temps des phases de compression et de décompression ainsi que la fréquence des opérations d'évacuation du produit solide sont adaptés cas par cas. Egalement, le cycle, qui comprend l'apport de produit à filtrer, les mouvements de l'éponge et la collecte des particules séparées peut être discontinu, semi-continu ou continu, selon les moyens et le procédé utilisés. Appliquée sur des boues de stations d'épuration, cette technique permet de séparer la totalité des particules (essentiellement des bactéries) et d'obtenir un effluent sans matières en suspension, d'une part, et un produit pâteux ou solide, d'autre part. La figure 2 montre une installation complète de filtration utilisant le principe qui vient d'être décrit. Cette installation comprend une plaque d'éponge cellulosique 1 dont l'épaisseur est voisine de 12 cm, posée horizontalement sur une plaque perforée 6 qui lui sert de support. Cet ensemble est disposé au-dessus d'un bac 7 à fond légèrement conique dont la sortie 8 est connectée à une pompe à vide 9. Un rouleau compresseur 10 est positionné sur la surface amont de la plaque d'éponge 1 et est animé d'un mouvement de va-et-vient parallèlement au plan de ladite plaque 1. Ce mouvement, selon la double flèche d'orientation 11, est réalisé par l'intermédiaire de moyens moto-réducteurs 12 adaptés. La plaque perforée 6 consiste en une tôle dont le taux de perforation est le plus élevé possible en liaison avec les moyens de compression utilisés. La largeur du rouleau compresseur 10 correspond sensiblement à celle de la plaque d'éponge 1 ; d'autre part, le mouvement alternatif de va-et-vient permet au rouleau 10 de circuler sur toute la longueur de ladite plaque 1. Une pompe 15 assure l'alimentation en fluide à filtrer 2 (un effluent liquide par exemple) par l'intermédiaire d'une rampe 17 disposée juste devant le rouleau 10. La rampe 17 est solidaire de la structure qui porte le rouleau compresseur 10 et elle se déplace selon le même mouvement que ce dernier par l'intermédiaire des moyens moto-réducteurs 12. L'installation comporte également un dispositif 18 d'aspiration des particules déshydratées retenues par le filtre. Ce dispositif est disposé juste derrière le rouleau compresseur 10 et il est relié à la pompe à vide 9. Cette dernière est associée à un jeu d'électrovannes 19 et 20 qui permettent l'aspiration alternative par le fond du bac 7 et par le dispositif d'aspiration 18. L'effluent filtré 4 est stocké dans une cuve 21 et les boues déshydratées 3 sont cloisonnées dans une enceinte séparée 22. En outre, l'installation peut être complétée par un dispositif 24 d'apport d'air chaud sur la surface de l'éponge 1, disposé derrière le rouleau compresseur 10 au niveau des moyens d'aspiration 18. L'air chaud peut être celui produit par la pompe à vide 9 ; il permet de compléter la déshydratation des boues retenues sur la face amont du filtre. Le dispositif d'aspiration 18 des particules déshydratées et le dispositif d'apport d'air chaud 24 sont solidarisés à la structure porteuse du rouleau compresseur 10 et entrainés par les moyens moto-réducteurs 12. Le déplacement du rouleau 10 sur la surface de l'éponge assure une compression immédiatement suivie d'une phase de relâchement (décompression). L'effluent peut traverser le filtre 1 par simple gravité, après imprégnation ; la compression facilite cette opération. Juste après le passage du rouleau 10, l'éponge 1 reprend son volume initial en rejetant en surface les particules qui l'ont préalablement pénétrée. La vitesse de déplacement du rouleau 10 est choisie en fonction des caractéristiques de filtration désirées, tout comme les cycles d'alimentation en effluent à traiter et d'aspiration des boues déshydratées. Une conception voisine d'installation peut consister à remplacer le rouleau 10 par un plateau presseur animé d'un mouvement vertical. Les moyens d'alimentation en fluide et d'aspiration ou de reprise des particules solides retenues seront alors adaptés en conséquence. Les figures 3 à 8 montrent un autre type de conception d'installation de filtration reprenant le principe de séparation conforme à la présente invention. Cette installation est constituée d'un tambour 30, dont l'axe horizontal 31 est supporté par des paliers 32, et qui est entrainé en rotation par des moyens moteurs 33. Les paliers 32 et la motorisation 33 sont portés par un châssis 34. Le tambour 30 est constitué d'un filtre annulaire 1 en matière spongieuse élastique, type éponge cellulosique. Ce filtre est pris en sandwich entre deux cylindres perforés, l'un externe 35 et l'autre interne 36 entre lesquels il est tassé ou précontraint. A titre purement indicatif, l'épaisseur de l'éponge 1 peut être de l'ordre de 12 cm, au repos, l'espace entre les deux cylindres perforés 35 et 36 étant de l'ordre de 7 à 8 cm. Ces cylindres 35 et 36 sont obtenus à partir de tôles dont le taux de perforation est le plus élevé possible. Le complexe filtrant constitué des cylindres perforés 35 et 36 et de l'éponge cellulosique 1 est monté sur l'axe 31 par l'intermédiaire d'un disque porteur 37 situé du côté de la motorisation 33. Au niveau de la face opposée, le chant de l'éponge 1 est masqué par un simple anneau métallique 38 permettant d'accéder de l'extérieur à l'espace vide axial 40 délimité par le cylindre interne 36. Le tambour tournant 30 est capoté par un carter fixe 41 de diamètre légèrement supérieur. Ce carter 41 comporte une ouverture axiale 42 permettant d'accéder de l'extérieur à l'espace vide axial 40. Sous l'axe 31 du tambour 30, on remarque la présence d'une rampe 43 d'alimentation en fluide à filtrer. Cette rampe 43 vient de l'extérieur ; elle s 'étend dans l'espace vide axial 40 en passant par l'ouverture 42 du carter 41 et elle est montée en porte-à-faux sur le châssis 34 de l'installation. En partie basse, le carter comporte une ouverture 44 destinée à l'évacuation du fluide filtré. Sur les figures 3 et 4, on remarque encore la présence d'un racleur longitudinal 45 porté par le carter 41 et qui s 'étend dans l'espace vide axial 40, en partie haute, contre le cylindre perforé interne 36. Ce racleur 45 coopère avec un cône de reprise 46 pour assurer l'évacuation des matières solides retenues par le filtre vers une goulotte de récupération 47. Le fonctionnement de cette installation va maintenant être expliqué en liaison avec les figures 5 à 8. Telle qu'on l'a représentée sur les figures 5 et 6, l'opération de filtration est réalisée en faisant tourner le tambour 30 autour de son axe 31 par l'intermédiaire de la motorisation 33. Le tambour 30 est entraîné à une vitesse de l'ordre de 500 à 700 tours/mn, par exemple, de façon à comprimer le filtre 1 contre le cylindre perforé externe 35 par la force centrifuge. Le tambour 30 est alimenté en fluide à traiter 2 et la force centrifuge force ledit fluide à passer au travers de l'éponge 1. Le fluide filtré 4 est recueilli par le carter 41 et il est évacué par simple gravité au niveau de son orifice bas 44. Malgré la précontrainte du filtre 1 entre les deux cylindres perforés 35 et 36, la rotation du tambour 30 est de préférence adaptée pour décoller la face amont du filtre de son cylindre support 36. Cette opération de compression est réalisée tant que l'organe de filtration fonctionne de façon efficace. Lorsque les matières solides doivent être évacuées, la vitesse de rotation du tambour 30 est abaissée de façon à permettre au filtre 1 de reprendre son encombrement initial, en appui sur le cylindre interne 36. La décompression et ce contact contre le cylindre perforé 36 provoquent l'expulsion des matières solides 3 ayant pénétré l'éponge. Cette configuration est visible sur les figures 7 et 8. Le racleur 45 peut alors jouer pleinement son rôle ; il décolle les matières solides déshydratées de la surface de l'éponge 1 et du cylindre perforé 36 de façon à permettre leur reprise par le cône d'orientation 46. A l'extrémité du tambour 30, les matières solides 3 sont reprises par la goulot te 47 pour être évacuées vers l'extérieur où elles seront stockées. Conformément à la représentation schématique de la figure 9, le cylindre perforé externe 35 peut être constitué de deux demi-coquilles 35' et 35" solidarisées entre elles par des moyens de rappel 50 (ressorts, vérins, pneumatiques ou hydrauliques...). Le cylindre 35 est monté flottant sur le filtre 1. Cette caractéristique permet d'améliorer le décolmatage du filtre lors de la ou des phase(s) de décompression. En effet, au cours de la phase de filtration, la force centrifuge provoque l'écartement des deux demi-coquilles ; lors du ralentissement les ressorts ou vérins 50 plaquent les demi-coquilles contre le filtre, ce qui confère une force supplémentaire à la décompression pour expulser les solides retenus. Les cycles de compression et de décompression sont adaptés en fonction des caractéristiques de l'installation et en fonction du fluide traité. A titre d'exemple, un tambour de filtration de cette structure, ayant un diamètre de 0,5 m et une longueur de 0,4 m peut filtrer des boues de stations d'épuration à 5 Z en poids de matières sèches à un débit de l'ordre de 300 litres/heure. Le produit pâteux ou solide récolté est constitué de matières sèches à raison de 25 Z en poids. Les signes de référence insérés après les caractéristiques techniques mentionnées dans les revendications ont pour seul but de faciliter la compréhension de ces dernières et n'en limitent aucunement la portée. - REVENDICATIONS 1.- Installation de filtration d'un liquide ou d'un gaz contenant des matières en suspension, laquelle installation comprend une alimentation en liquide ou gaz à traiter, un organe de filtration, et des moyens d'évacuation et/ou de stockage du liquide ou gaz filtré, d'une part et des solides retenus, d'autre part, caractérisée en ce qu'elle comporte un organe de filtration (1) en matière spongieuse élastique. 2.- Installation de filtration selon la revendication 1, caractérisée en ce que le matériau utilisé à titre de filtre (1) est de l'éponge et plus particulièrement de l'éponge cellulosique. 3.- Installation de filtration selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens aptes à imprimer au filtre (1) des mouvements de compression et de décompression. 4.- Installation de filtration selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comporte un support en forme de plaque perforée (6) sur laquelle repose l'une des faces du filtre (1), et des moyens aptes à appliquer une pression sur sa face opposée. 5.- Installation de filtration selon la revendication 4, caractérisée en ce que les moyens aptes à appliquer une pression sur la face supérieure du filtre (1) consistent en un rouleau presseur (10) animé d'un mouvement de va-et-vient parallèlement au plan dudit filtre (1). 6.- Installation de filtration selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comprend - un tambour (30) constitué d'un filtre (1) pris en sandwich entre deux cylindres perforés, l'un externe (35), l'autre interne (36), lequel cylindre interne (36) délimite un espace vide axial (40), - un carter fixe (41) entourant ledit tambour (30), - des moyens (33) d'entraînement en rotation dudit tambour (30) autour de son axe (31), - une alimentation (43) en fluide à traiter, disposée dans l'espace vide axial (40), - des moyens (44) d'évacuation du fluide filtré (4), au niveau du carter fixe (41), - des moyens (45, 46, 47) d'évacuation des solides (3) retenus, disposés dans l'espace vide axial (40). 7.- Installation de filtration selon la revendication 6, caractérisée en ce que les moyens d'évacuation des solides (3) retenus par le filtre (1) sont constitués par : - un racleur longitudinal (45) disposé contre le cylindre perforé interne (36), - un cône d'évacuation (46) centré sur l'axe (31) du tambour (30), et - une goulotte (47) de récupération dirigeant lesdits solides (3) à l'extérieur du tambour de filtration (30). 8.- Installation de filtration selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, caractérisée en ce qu'elle comporte un filtre (1) précontraint entre les deux cylindres perforés (35 et 36). 9.- Installation de filtration selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisée en ce qu'elle comporte un cylindre perforé externe (35) constitué de deux demi-coquilles (35' et 35") solidarisées par des moyens de rappel (50) genre ressorts ou vérins. 10.- Installation de filtration selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que les moyens d'évacuation des solides retenus consistent en un système d'aspiration (24). 11.- Installation de filtration selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comporte un organe de filtration soumis à des moyens du type aspiration ou poussée pneumatique aptes à lui imprimer des mouvements de compression et de décompression successifs. 12.- Procédé de filtration d'un liquide ou d'un gaz contenant des matières en suspension, pour la mise en oeuvre de l'installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il consiste à faire passer ledit liquide ou gaz à travers le filtre (1) en matière spongieuse élastique, et à imprimer audit filtre des mouvements de compression et de décompression successifs. 13.- Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comprend une opération complémentaire d'évacuation des solides (3) retenus par le filtre, au cours de la phase de décompression.