Brevet FR2761900A1 — publié le 19981016

SYSTEME ET CARTOUCHE DE FILTRATION CONTENANT UN MATERIAU GRANULEUX ALVEOLAIRE La présente invention a pour objet des systèmes et des cartouches de filtration contenant un matériau granuleux alvéolaire. Le secteur technique de l'invention est le domaine des procédés de séparation entre fluide et solide dont la filtration est assurée par une substance filtrante non agglomérée.10 L'une des applications principales de l'invention est la réalisation de cartouches de filtre et de systèmes complets de filtration pour régénérer les eaux de piscine afin de pouvoir conserver la même eau en la maintenant dans un état de propreté satisfaisante; d'autres applications sont également possibles tel que le traitement des eaux pluviales avant leur rejet dans le milieu naturel, et chaque fois qu'un traitement physique d'effluents de toute nature est souhaité: on peut citer par exemple mais sans être limitatif, comme la présente description de l'invention en donne l'explication ci-après, la filtration des effluents des groupes septiques autonomes, individuelles ou collectives, des effluents de stations d'épuration, des effluents de sorties de bassins d'orage, des effluents de sorties de séparateurs d'hydrocarbure, des lixiviats avant traitement chimique, des déjections animales fluides (lisiers de porc, fientes d'élevage avicole.. ) avant traitement chimique également.... En effet, il existe à ce jour différents types de système de filtration, composés en général de lits successifs d'éléments filtrants, tel que décrit par exemple dans la demande de brevet FR 2502508 déposée le 30 mars 1981 sur une "structure de filtration, procédé de réalisation de telles structures et dispositif d'ultrafiltration", comportant essentiellement un support poreux en matériau fritté à grains relativement gros, portant une couche filtrante plus mince en un matériau également fritté à grains relativement fins.... On peut citer également la demande de brevet EP 634952 déposée sous priorité allemande du 6 avril 1992, intitulée "élément de filtrage avec un corps indéformable perméable et poreux en matière plastique"... On pourrait citer bien sûr bien d'autres dispositifs de filtration tels que ceux des circuits de régénération d'eau de piscine qui utilisent essentiellement du sable: celui-ci est disposé dans des réservoirs dans lequel on fait circuler l'eau mais avec l'inconvénient que le sable d'une part est de haute densité et d'autre part se tasse ce qui nécessite un inversement du circuit d'eau assez fréquent car sinon la porosité du sable diminue, augmentant la perte de charge dans le circuit et diminuant fortement son efficacité. Par ailleurs, pour réaliser les cartouches de filtre telles que celles citées et décrites dans les demandes de brevet ci-dessus, on utilise des matériaux spécifiques qui sont assez onéreux de fabrication et de mise en oeuvre, sans pour cela être d'une efficacité de rétention satisfaisante quelque soit les éléments en suspension dans le fluide qui les traverse, sauf à diminuer la porosité dudit filtre; mais cela augmente alors la perte de charge des circuits de circulation du fluide, nécessitant alors des installations importantes. Le problème posé est donc de pouvoir réaliser des systèmes de filtration pour traitement physique de fluide utilisant un matériau qui soit très peu coûteux à mettre en oeuvre, qui soit inerte vis à vis du fluide qu'il doit filtrer, et qui soit capable de retenir un maximum d'éléments en suspension dans celui-ci, tout en ayant une porosité pour le passage du fluide qui ne soit pas trop faible pour ne pas trop augmenter les pertes de charge, et qui soit facile de mise en oeuvre pour être incorporé dans tous circuits déjà existants par exemple. Une solution au problème posé est un système de filtration pour traitement physique de fluide et comportant un matériau granulaire inerte enfermé dans au moins une enveloppe dans laquelle ledit fluide peut circuler en traversant ledit matériau, tel que celui-ci à structure alvéolaire de densité inférieure à 1 est de la pouzzolane de granulométrie moyenne inférieure à 20 mm. Dans un mode préférentiel d'utilisation un tel système de filtration suivant l'invention est inclus dans un circuit de régénération et de recyclage d'eau contenu dans un réservoir de stockage et comportant au moins une pompe de circulation; ledit réservoir de stockage de l'eau peut être une piscine: l'aspiration de l'eau par ladite pompe est alors réalisée à travers un conduit dont l'orifice est disposé au niveau de la surface de l'eau de la piscine et comporte un panier faisant tamis pour la récupération des déchets; ce panier inclut suivant l'invention une cartouche filtrante de forme extérieure symétrique par rapport à l'axe d'arrivée du fluide dans ledit panier, et la pouzzolane remplissant ladite cartouche étant disposée en au moins une et de préférence deux couches perpendiculaires à cet axe, l'une pour arrêter les très fines particules telles que celles d'huile solaire étant constituée de grains fins de moins de 2 mm de diamètre et l'autre de grains compris entre 2 et 20 mm, et de préférence 2 à 15 ou même 2 à 6 mm; cette granulométrie est définie par l'équilibre à trouver entre l'efficacité de filtration, qui augmente bien entendu en diminuant la granulométrie car on augmente alors pour un volume de matériau donné la surface totale de celui-ci en contact avec le fluide passant entre les grains (par exemple une granulométrie de 20 à 50 mm donne une surface spécifique de contact de l'ordre de 200 m2 par m3 de pouzzolane, tandis qu'une granulométrie de 50/100 mm donne une surface spécifique de 100 m2 par m3), et les pertes de charge créées dans le circuit qui augmentent alors en même temps et dont il faut limiter la valeur sous peine de diminuer le débit et donc le taux de recirculation du fluide, à moins d'augmenter la puissance des équipements; l'homme du métier est à même de trouver le meilleur compromis suivant l'installation considéeree. Le résultat est d'une part de nouveaux systèmes de filtration et de cartouches répondant au problème posé sans avoir les inconvénients des filtres actuels et d'autre part une nouvelle application de la pouzzolane qui est certes un matériau connu mais utilisé ici comme seul matériau de filtration d'un fluide, disposé dans au moins une enveloppe fermée parcourue par ledit fluide qui traverse la pouzzolane dont la granulométrie moyenne utilisée est inférieure à 20 mm et dont la taille des grains est calibrée suivant l'objectif d'efficacité de filtration souhaitée. La pouzzolane est une variété de roche d'origine volcanique à structure alvéolaire, formée de scories restés à l'état meuble, que l'on trouve en très grande quantité dans les massifs volcaniques et donc d'un prix de revient très peu élevé; ses caractéristiques mécaniques sont également très favorables pour réaliser des filtres suivant l'invention en effet sa densité est assez faible, en moyenne de l'ordre de 0,980, du fait entre autres de sa porosité dite fermée grâce à des vacuoles dont certaines ne débouchent pas; de plus ces vacuoles sont d'une dimension supérieure à 100 microns, ce qui donne à la pouzzolane grâce aux vacuoles débouchantes, d'une part une grande perméabilité et une faible capacité de rétention d'eau, et d'autre part une porosité totale interne (prenant en compte la porosité à l'air et à l'eau) de l'ordre de 16 à 12 % par rapport au volume externe encombré du matériau pour des granulométries variant respectivement de 2/5 à 10/15 mm; comme la porosité totale externe qui tient compte des espaces entre grains est de l'ordre de 52 à 62 % pour les mêmes plages de granulométrie, on obtient une porosité totale de l'ordre de 68 à 74 % soit pratiquement constante dans la plage des granulométries considérées et même au delà. Ainsi cette porosité très élevée associée à la rugosité également très importante et à la grande surface spécifique de la pouzzolane, en fait, d'une manière nouvelle et inattendue qui n'était pas en effet connue pour cela malgré ses caractéristiques, un excellent matériau de filtration permettant aux divers éléments en suspension dans le fluide, qui la traverse donc assez facilement et que l'on veut ainsi filtrer, de s'accrocher et d'y être retenus, en choisissant une granulométrie strictement contrôlée appropriée à la nature des effluents à filtrer, que ce soit en circuit fermé ou ouvert. De plus, la pouzzolane est une roche siliceuse éruptive, donc bien inerte, dont la partie cristalline représente selon les gisements dont elles sont extraites entre 80 et 100 % du volume solide, le reste étant essentiellement vitreux et également inerte. Outre sa richesse en silice, les pouzzolanes contiennent également des oligo-éléments ce qui permet, en plus de l'efficacité du traitement physique, une meilleure qualité de l'eau ainsi filtrée; on sait en effet que les eaux minérales naturelles prennent leur source dans les massifs volcaniques dont elles se chargent de tels oligo-éléments. La pouzzolane est certes un produit connu et utilisée depuis l'époque romaine mais essentiellement comme agrégat essentiellement dans des ciments isolants et pour lesquels de nombreuses de demandes de brevet ont pu être déposées dont une des plus récentes FR 2730485 déposée 10 février 1995 en donne un exemple. La pouzzolane est citée également pour des utilisations dans des lits de filtration à cheminement lent avec d'autres matériaux en combinaison tel que par exemple décrit dans la demande de brevet EP 517236 déposée le 5 juin 1992, mais n'a cependant jamais été utilisée d'une part seule en tant que telle comme élément de filtration dans des circuits à circulation assez rapide, et d'autre part dans des caissons fermés pour le traitement d'effluents et suivant le mode de réalisation et surtout dans l'application principale de l'invention qui est la régénération d'eau telle que celle des piscines. On pourrait citer d'autres avantages de la présente invention, mais ceux cités ci-dessus en montrent déjà suffisamment pour en prouver la nouveauté et l'intérêt. La description et les figures ci-après représentent des exemples de mise en oeuvre et de réalisation de l'invention mais n'ont aucun caractère limitatif: d'autres réalisations sont possibles dans le cadre de la portée et de l'étendue de cette invention en particulier en changeant la forme des enceintes et des cartouches de filtre contenant ladite pouzzolane. La figure 1 est une vue schématique d'un circuit de régénération comprenant des éléments de filtration suivant l'invention pour l'application de traitement d'eau à partir d'un réservoir telle qu'une piscine. La figure 2 est une vue en coupe partielle d'un conduit appelé "skimmer" d'évacuation d'eau de piscine. La figure 3 est une vue partielle de la pompe de circulation du circuit de la figure 1 montée derrière un pré-filtre suivant l'invention. Les figures 4 à 6 représentent des vues perspectives en semi coupe d'exemples de réalisation de cartouches de filtration suivant l'invention. Des systèmes de filtration pour traitement physique de fluide comportent des matériaux granulaires inertes enfermés dans au moins une enveloppe 4, 10, 15 dans laquelle ledit fluide peut circuler en traversant ledit matériau. Suivant la présente invention ce matériau à structure alvéolaire de densité inférieure à 1, en fait de 0,980 en moyenne, comme indiqué précédemment est de la pouzzolane 42, 43, 44 de granulométrie moyenne inférieure à 20 mm et même de préférence 15 mm. Suivant la représentation des figures 4 et 6 ladite enveloppe 4,4', ' est une cartouche filtrante de forme extérieure symétrique par rapport à un axe XX' et de préférence cylindrique ou tronconique, la pouzzolane remplissant ladite cartouche étant disposée suivant au moins une, de préférence deux couches superposées de granulométries différentes, et perpendiculaires à l'axe XX' lequel axe XX' étant celui de l'arrivée du fluide pénétrant dans ladite cartouche, et les surfaces de l'enveloppe de celle-ci perpendiculaires auxdits axes XX' sont perforées; s'il y a donc deux couches la première 43 est constituée de grains fins de moins de 2 mm de diamètre et la deuxième 42 de grains compris entre 2 et 20 mm et de préférence 2 à 15 et même 2 à 6 mm, Suivant la représentation de la figure 4 la cartouche filtrante 4 comporte un passage creux 19 suivant son axe XX' pour la circulation du fluide et les surfaces de ce passage creux et de la forme extérieure de l'enveloppe de la cartouche sont perforées, permettant ainsi la circulation du fluide depuis ce passage 19 vers la périphérie de la cartouche perpendiculairement à l'axe XX'; de plus le fluide peut traverser ladite cartouche suivant l'axe XX' La cartouche 4, 4' de pouzzolane, placée dans ledit panier 3 du "skimmer" ou de toute goulotte de récupération des eaux de surface, a pour rôle de retenir pour sa part des éléments beaucoup plus fins que ledit panier lui-même et qui sont en suspension dans l'eau de la piscine 1, tels que de petites algues, du pollen, de l'huile solaire, des insectes de petites tailles, du limon, etc. Ladite cartouche 4,4' peut également comporter à sa partie supérieure une couche 41 de galets de chlore pour le traitement chimique de l'eau en complément de celui physico- chimique apporté par la pouzzolane. En fait pour de telles cartouches 4, 4' utilisées en tête du circuit de filtration dont l'orifice d'entrée du circuit 51 d'aspiration est disposé verticalement sous ledit panier 3, le passage creux 191 situé alors verticalement dans l'axe dudit orifice du conduit 51 est de diamètre inférieur à celui-ci pour forcer une partie du débit à traverser la cartouche du filtre qui entoure ledit passage, tout en laissant passer une partie du fluide, sans qu'il soit filtré par la pouzzolane mais uniquement grossièrement par le panier 3, afin de ne pas perturber la circulation hydraulique du système de traitement. Cependant, suivant la représentation de la figure 6 si on n'est pas limité en augmentation de perte de charge dans ledit circuit, ou si l'on utilise une granulométrie de pouzzolane assez importante, ladite cartouche filtrante 4', 10' peut ne pas comporter de tel passage central 191 et la surface extérieure périphérique peut être étanche ou non, alors que les faces opposées 21, suivant l'axe XX', sont nécessairement perforées pour assurer la circulation du fluide suivant cet axe XX' et dans toute la section de la cartouche. Suivant leur fonction de base, de telles cartouches représentées sur les figures 4 ou 6, sont destinées à être mise en place: - soit dans le panier 3 de récupération et de retenue de déchets flottants, tels que feuilles et autres objets de taille relativement importantes pouvant se déposer à la surface du bassin 1 telle que la piscine représentée sur la figure 1, soit dans le panier 9 des pré-filtres 8 qui précédent, dans ces circuits de traitement de l'eau, la pompe de circulation 11 et le filtre 15 proprement dit. Ces cartouches 4, 4', 10' peuvent être fabriquées avec une enveloppe externe en polyéthylène haute densité, de forme adaptée à leur destination, soit de préférence cylindrique ou tronconique de révolution, et remplies de pouzzolane à granulométrie strictement contrôlée. La cartouche 10,10' de pré-filtre 8 située en amont de la pompe de circulation 11, joue le même rôle que la cartouche précédente mais vient compléter celle-ci: en fonction des installations il y a lieu de différencier les granulométries de ces deux cartouches de pré-filtre placées sur le circuit 51 de filtration afin de pas perturber le système hydraulique. Suivant la représentation de la figure 5, la cartouche 10 de pré-filtre peut être une cartouche filtrante de forme extérieure symétrique par rapport à son axe XX' soit de préférence cylindrique de révolution, et composée de couches d'enveloppes poreuses remplies de fine de pouzzolane de moins de 2 mm de diamètre: elle comporte également en leur centre suivant l'axe XX' par un passage creux 192, permettant d'augmenter la surface de passage de l'eau à travers ces enveloppes et qui pénètre donc dans cet orifice 192 et circule vers la périphérie de la cartouche 10 pour être évacuée suivant un conduit disposé perpendiculaire à l'axe XX' à la périphérie de la cartouche 10 dans la paroi du récipient 8 qui la contient et à l'opposé de l'orifice d'arrivée du fluide dans ce récipient. La capacité de filtration de tels filtres 4, 4', 10,10' ainsi que celui du filtre 15 ci-après décrit, est donc due à la structure même de la pouzzolane et à ses propriétés physico-chimiques telles que rappelées en introduction. Dans la partie du circuit 52 de filtration située en aval de la pompe 11, le système de filtration comprend une capacité étanche formant enveloppe 15: celle-ci comportant au moins un orifice 12 d'arrivée du fluide muni de préférence d'un diffuseur 121 pour répartir ledit fluide sur toute la surface de la section du filtre et situé vers une extrémité, de préférence à sa partie supérieure, et un orifice 13, de sortie vers son autre extrémité opposée à la première soit de préférence à sa partie inférieure avec également de préférence un répartiteur de reprise du fluide sur le maximum de surface de la section de passage du filtre; laquelle capacité 15 est remplie de grains 16 de pouzzolane de moins de 20 mm de diamètre, soit en fait de préférence un mélange de granulométrie correspondant au deux types de celles utilisée pour les couches décrites dans les cartouches de pré-filtre 4,4',10', soit 0 à 2 mm correspondant à la fine de pouzzolane, et 2 à 6 ou 5/10, 10/15 jusqu'à /20 mm pour de la pouzzolane en grains de riz ou graviers respectivement; de plus ladite capacité étanche comprend au moins un bras malaxeur 18 interne, entraîné par un moteur externe 17 et qui est situé entre les deux orifices d'entrée et de sortie afin d'homogénéiser en permanence ou à la demande l'ensemble de la pouzzolane 16. En plus des propriétés particulières rappelées précédemment de la pouzzolane, un autre avantage de la pouzzolane dans un tel filtre 15 par rapport au sable, en général utilisé dans les circuits de traitement d'eau de piscine, réside dans le fait que la pouzzolane ne se tasse pas et qu'elle est moins dense que le sable traditionnellement utilisé: le passage de l'eau est ainsi plus aisé, avec une capacité de filtration supérieure compte tenu des propriétés physico-chimiques de la pouzzolane ci-avant rappelées. Suivant la représentation de la figure 1, le circuit 5 de régénération et de recyclage de l'eau contenu dans le réservoir 1 de stockage telle que la piscine, comprend donc au moins une pompe de circulation 11, au moins deux filtres si ce n'est trois, dont l'un, si ce n'est deux, sont placés en amont de la pompe 11 et sont des pré-filtres 4,4',10,10' tels que décrits précédemment, et l'autre placé en aval 15 est une capacité de filtration tels que décrite ci-dessus. Le circuit amont de la pompe 11 peut comporter également en parallèle au circuit 51 en provenance des "skimmers 2" ou autre goulotte de récupération de l'eau de surface, un conduit de vidange ou de recirculation 6 de l'eau en fond de bassin 1 et comportant une boite de dérivation 7 permettant, soit de vidanger ce bassin, soit d'envoyer la totalité de l'eau du bassin dans le circuit de filtration 52 afin de régénérer également la totalité de l'eau du bassin 1 et non pas seulement l'eau de surface. Le circuit 52 situé en aval de la pompe 11, comporte également d'une manière connue une vanne à quatre voies 14 permettant d'effectuer plusieurs types de connexions entre les quatre départs et arrivées d'eau que sont: l'arrivée 52 du circuit de filtration lui-même, l'arrivée d'eau 12 dans ledit filtre 15, la sortie 13, dudit filtre (cette sortie et cette entrée pouvant être du reste inversées), et le retour 132 au réservoir 1 à travers du reste suivant le cas des éléments de traitement complémentaires, alors plutôt chimiques que physiques du fluide, ou son évacuation vers un autre circuit externe quand on veut rincer par exemple la capacité 15; ces diverses connexions d'utilisation et d'installation sont du reste connues dans des systèmes existants dans lesquels les cartouches et les filtres suivant la présente invention peuvent être adaptés sans grande modification. REVENDICATIONS 1. Système de filtration pour traitement physique de fluide et comportant un matériau granulaire inerte enfermé dans au moins une enveloppe (4, 10, 15) dans laquelle ledit fluide peut circuler en5 traversant ledit matériau, caractérisé en ce que celui-ci à structure alvéolaire de densité inférieure à 1, est de la pouzzolane (42, 43, 44) de granulométrie moyenne inférieure à 20 mm. 2. Système de filtration suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite enveloppe (4, 4', 10') est une cartouche filtrante de forme extérieure symétrique par rapport à un axe (XX'), la pouzzolane remplissant ladite cartouche étant disposée en au moins une couche perpendiculaire à cet axe, lequel axe (XX') étant celui de l'arrivée du fluide et les surfaces de l'enveloppe perpendiculaire à celui-ci sont perforés. 3. Système de filtration suivant la revendication 2, caractérisé en que ladite cartouche filtrante comporte au moins deux couches de granulométrie différentes de pouzzolane, l'une étant constituée de grains fins de moins de 2 mm de diamètre et l'autre (42) étant constituée de grains compris entre 2 et 20 mm, 4. Système de filtration suivant la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la cartouche filtrante (4)comporte un passage creux (191) suivant son axe (XX') et les surfaces de ce passage creux et de la forme extérieure de l'enveloppe de la cartouche sont perforées. 5. Système de filtration suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite enveloppe (10) est une cartouche filtrante de forme extérieure symétrique par rapport à son axe (XX'), composée de couches d'enveloppes (20) poreuses remplies de fine de pouzzolane de moins de 2 mm de diamètre et comportant un passage creux (192) suivant son axe (XX'). 6. Système de filtration suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite enveloppe (15) est une capacité étanche comportant au moins un orifice (12) d'arrivée du fluide vers une de ses extrémités et un orifice (131) de sortie disposé vers une autre extrémité opposée à la première, laquelle capacité étant remplie de grains (16) de pouzzolane de moins de 20 mm de diamètre et comprenant au moins un bras malaxeur (18) interne situé entre les deux orifices d'entrée et de sortie. Il 7. Système de filtration suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est inclus dans un circuit de régénération et de recyclage d'eau contenu dans un réservoir (1) de stockage et comportant au moins une pompe de circulation (11). 8. Système de filtration suivant la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux filtres, dont l'un placé en amont de la pompe (11) est un pré-filtre (8) réalisé suivant l'une quelconque des revendications 2 à 4 et l'autre placé en aval de la pompe est une capacité (15) réalisée suivant la revendication 6. 9. Système de filtration suivant l'une quelconque des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que ledit réservoir (1) de stockage d'eau est une piscine dont l'aspiration de l'eau par la pompe (11) est réalisée à travers au moins un conduit (2) dont l'orifice est disposé au niveau de la surface de l'eau dans la piscine et comporte un panier (3) faisant tamis pour la récupération des déchets et incluant une cartouche filtrante (4, 4') réalisée suivant l'une quelconque des revendications 2 ou 3. 10. Application de la pouzzolane, matériau à structure alvéolaire de densité inférieure à 1, caractérisée en ce qu'elle est utilisée comme seul matériau de filtration de fluide, disposé dans au moins une enveloppe (4,10,15) fermée et parcourue par ledit fluide qui traverse la pouzzolane, et dont la granulométrie moyenne est inférieure à 20 mm.