Brevet FR2927995A1 — publié le 20090828

DISPOSITIF DE MESURE DE PRESSION D'EAU DANS UN LIT FILTRANT, ET PROCEDE DE FILTRATION UTILISANT CE DISPOSITIF. L'invention est relative à un dispositif de mesure de pression d'eau dans un lit filtrant. On rappelle qu'un lit filtrant, également dénommé filtre biologique, est prévu pour être traversé par une eau à traiter et en éliminer la pollution. Le lit filtrant comporte une couche de matériau granulaire placée sur un plancher support perforé pour permettre le passage de l'eau à traiter à travers le plancher et le matériau granulaire. De tels lits filtrants sont connus et décrits notamment dans le � Mémento Technique de l'Eau � de la société DEGREMONT, 10ème édition Tome 2, pages 935-946. Généralement, les lits filtrants sont du type à courant ascendant, c'est-à-dire que l'eau à traiter est injectée en partie basse du lit et monte à travers le matériau granulaire. Le passage d'un certain flux hydraulique à travers un lit filtrant engendre une perte de charge qui dépend de la granulométrie du matériau granulaire, de la vitesse de passage dans celui-ci et de l'ensemencement biologique. La perte de charge créée par cette résistance à l'écoulement du fluide se traduit, en chacun des points situés à l'intérieur du lit filtrant, par une pression qui, pour un courant ascendant, va décroissant lors de la progression ascensionnelle dans le lit ou massif filtrant. Pour un matériau non ensemencé, la progression de la pression en fonction de la hauteur dans le lit filtrant est inversement proportionnelle à la distance au plancher. Dès l'instant où un lit filtrant voit son matériau filtrant colonisé par de la boue activée, la progression de la pression hydraulique en fonction de la hauteur est altérée par une disposition intrinsèque de la biomasse produite entre les couches profondes et les couches superficielles du matériau. La perte de charge est, en général, plus élevée dans les couches inférieures du lit filtrant, dans le cas d'un courant ascendant, que pour les couches supérieures. II est possible par exemple, pour un filtre ayant une couche filtrante de 3 mètres, de voir se concentrer la grande majorité de la biomasse (>70%) sur une hauteur de filtration inférieure à 1 mètre située en fond d'ouvrage. Le fonctionnement d'un lit filtrant dans ces conditions n'est pas optimal, et il est important 2 pour optimiser l'efficacité du traitement de coloniser biologiquement les couches supérieures qui ne sont pas ou peu utilisées dans le cas évoqué. Il apparaît ainsi que l'optimisation du fonctionnement d'un lit filtrant passe par la connaissance de phénomènes sis en profondeur dans le matériau filtrant, et en particulier de la perte de charge à différents niveaux de ce lit filtrant. L'invention a pour but, surtout, de fournir un dispositif de mesure de pression d'eau dans le lit filtrant qui soit simple et robuste et qui permet de déterminer les pertes de charge à différentes profondeurs du matériau, sans gêner l'exploitation du lit filtrant. Selon l'invention, un dispositif de mesure de pression d'eau dans un lit filtrant est caractérisé en ce qu'il comprend un tube enveloppe suffisamment rigide pour être enfoncé dans le lit filtrant à une profondeur déterminée, et au moins un tube de mesure logé dans le tube enveloppe, l'extrémité inférieure du tube de mesure sortant du tube enveloppe pour baigner dans le milieu aqueux du lit filtrant et en rapporter les conditions de pression. Avantageusement, le ou chaque tube de mesure est un tube 20 souple. De préférence, le dispositif comprend un faisceau de tubes de mesure souples logés dans le tube enveloppe, les axes des tubes souples étant sensiblement parallèles à celui du tube enveloppe à l'intérieur de ce dernier. 25 L'extrémité inférieure de chaque tube de mesure peut être prolongée par une partie recourbée vers le haut, et être munie d'une crépine. La crépine est tournée vers le haut. Les tubes de mesure sont avantageusement transparents et rassemblés en position haute pour permettre une lecture du niveau de 30 liquide dans chaque tube. En partie haute, les tubes de mesure peuvent sortir latéralement du tube enveloppe par une même ouverture. Le dispositif de mesure est avantageusement équipé d'un moyen de prise d'échantillons par aspiration à l'extrémité supérieure des tubes de mesure. 35 Le moyen de prise d'échantillons peut comprendre une pompe aspirante, de préférence de type manuelle à piston, pour l'aspiration et un ensemble de robinets pour relier la pompe aspirante avec un tube de mesure déterminé et isoler les autres tubes de mesure. Les extrémités hautes des tubes de mesure peuvent être reliées à une potence horizontale fixée au tube enveloppe. La potence peut être formée par un tuyau, et la liaison de chaque extrémité avec le tuyau est assurée par un raccord muni d'un robinet, qui permet d'établir ou de supprimer la communication entre une extrémité associée et l'intérieur du tuyau, lequel est relié au moyen de prise d'échantillons. L'invention consiste également en un procédé de filtration sur un lit filtrant, en particulier à courant ascendant, selon lequel on met en place dans le lit filtrant un dispositif de mesure tel que défini précédemment, caractérisé en ce que l'on modifie la vitesse de passage de l'eau dans le lit filtrant en fonction des résultats obtenus à l'aide du dispositif de mesure. L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'un exemple de réalisation décrit avec référence aux dessins annexés, mais qui n'est nullement limitatif. Sur ces dessins : Fig. 1 est une vue schématique en élévation, avec parties coupées, d'un dispositif de mesure de pression d'eau dans un lit filtrant 20 selon l'invention. Fig. 2 est une section horizontale à plus grande échelle du dispositif de mesure. Fig. 3 est une vue en élévation partielle, à plus grande échelle que sur Fig.1, d'une partie du dispositif de mesure avec une extrémité 25 d'un tube de mesure. Fig. 4 est une vue à plus grande échelle que sur Fig.1 de la partie supérieure du dispositif de mesure, et Fig. 5 est une vue schématique des extrémités hautes parallèles des tubes de mesure. 30 En se reportant à Fig. 1 des dessins, on peut voir, schématiquement représenté, un lit filtrant 1 comprenant un plancher support 2 muni de perforations 2a et une couche 3 de matériau granulaire supportée par le plancher 2, et entourée par des parois verticales. La couche 3 peut atteindre une hauteur de plusieurs mètres, 35 notamment d'environ 3 m. Le lit filtrant est du type à courant ascendant, c'est-à-dire que l'eau à traiter est injectée par une canalisation J dans un espace fermé 4 situé sous le plancher 2. Un moyen de pompage (non représenté), disposé en amont, débite l'eau à traiter dans la canalisation J. Le moyen de pompage est avantageusement à débit réglable afin de permettre de modifier la vitesse de passage du liquide. L'eau à traiter s'écoule en montant comme illustré par les flèches F. Le lit filtrant est fermé sur le dessus par un couvercle S. La pression hydraulique, pour un courant ascendant, est maximale au niveau du plancher 2 et minimale au niveau de la surface supérieure 5 de la couche 3. Une nappe 6 d'eau recouvre la surface supérieure 5 du lit et s'élève jusqu'à un niveau 6a. L'eau traitée passe par dessus un déversoir et est récupérée dans une rigole R d'où elle est évacuée par une canalisation 6b. Une boucle de recirculation est avantageusement prévue et comprend un branchement 6c sur la canalisation 6b. Une pompe P, à débit réglable, est installée sur le branchement 6c qui rejoint la canalisation J. En agissant sur le débit de la pompe P, on modifie le taux de recyclage d'eau traitée et le débit d'eau injectée dans l'espace 4. La vitesse de passage dans le lit 3 peut ainsi être modifiée. Lors du fonctionnement du lit filtrant, le matériau granulaire de la couche 3 du filtre est colonisé par de la boue activée et la production de biomasse a tendance à être plus forte dans les couches profondes du lit filtrant, voisines du plancher 2, que dans les couches superficielles. Il en résulte une hétérogénéité entre la partie inférieure et la partie supérieure du lit filtrant avec colmatage plus rapide de la partie inférieure, et perte de charge plus accentuée dans cette partie inférieure. Des puits ou � renardages � peuvent se produire, auquel cas le lit filtrant n'est pas exploité dans de bonnes conditions. L'évolution de la perte de charge dans le lit filtrant en fonction de la distance H au plancher 2 est un paramètre qui, s'il était bien connu, permettrait d'améliorer le fonctionnement en agissant sur la vitesse de passage de l'eau dans le lit filtrant. Selon l'invention, pour déterminer l'évolution de la perte de charge dans le lit filtrant 1, on prévoit un dispositif T de mesure de pression d'eau dans le lit filtrant. Le dispositif T comprend un tube enveloppe 7, notamment un tube métallique, suffisamment rigide pour être enfoncé dans le lit filtrant 1 à une profondeur déterminée et au moins un tube de mesure 8a, de préférence souple, logé dans le tube enveloppe 7. L'extrémité inférieure 9a du tube de mesure 8a sort du tube 7, par une ouverture 7a (Fig.3) pratiquée dans ce tube 7, pour baigner dans le milieu aqueux du filtre 1 et en rapporter les conditions de pression à l'extrémité supérieure du tube de mesure 8a. De préférence, le dispositif comprend un faisceau de tubes de mesure souples 8a, 8b, 8c, 8d logés dans le tube enveloppe 7, les axes des tubes souples étant sensiblement parallèles à celui du tube enveloppe à l'intérieur de ce dernier. Selon l'exemple représenté sur Fig. 1 et Fig. 4, quatre tubes souples 8a-8d sont prévus dans le tube enveloppe 7. Cet exemple n'est pas limitatif et on peut prévoir un nombre supérieur de tubes souples, par exemple sept tubes comme illustré sur Fig. 2, avec un tube central entouré de six tubes sensiblement tangents extérieurement. A titre d'exemple non limitatif, le tube enveloppe 7 peut avoir un diamètre extérieur d'environ 30 à 40 mm, tandis que les tubes de mesure 8a... 8d ont un diamètre d'environ 10 mm. L'extrémité inférieure, telle que 9a, de chaque tube de mesure sort latéralement du tube enveloppe 7, à travers une ouverture telle que 7a (Fig.3) pour baigner dans le milieu aqueux du lit filtrant. Les extrémités 9a... 9d sont espacées verticalement, de préférence selon une distance régulière E, l'extrémité la plus basse 9a étant voisine de l'extrémité inférieure du tube 7. L'extrémité inférieure 9a... 9d de chaque tube de mesure est prolongée par une partie 11 (Fig.3) recourbée vers le haut et munie, à son extrémité supérieure, d'une crépine 10. Avantageusement, la partie recourbée 11 est formée par un tube métallique, notamment un tube en acier inoxydable, cintré en U dont la branche proche du tube rigide 7 est engagée dans l'extrémité 9a du tube souple 8a et dont l'autre branche est munie de la crépine 10. La concavité de la partie 11 est orientée vers le haut, de même que la crépine 10, afin d'éviter l'entrée de bulles d'air dans le tube de mesure 8a. La crépine 10 est avantageusement en acier inoxydable et est munie de trous dont le diamètre est au plus égal à 1 mm. L'ensemble de la crépine 10 et de la partie 11 est démontable, et est porté par un élément transversal 12 fixé au tube support 7. Les tubes de mesure souples 8a... 8d sont de préférence transparents et réalisés en matière plastique. Les extrémités hautes 13a- 13d (Fig.1 et 4) des tubes de mesure sont rassemblées pour permettre une lecture du niveau de liquide dans chaque tube souple. Ces extrémités hautes 13a-13d sont sensiblement parallèles avec leurs axes dans un même plan. Le tube enveloppe 7 a une longueur supérieure d'environ 2.5 m à la hauteur du lit filtrant 3. La longueur du tube enveloppe 7 peut être de l'ordre de 5.5 m pour une hauteur d'environ 3m du lit filtrant. En partie haute, les tubes de mesure 8a-8d sortent latéralement par une même ouverture 14 (Fig.4) ménagée dans la paroi du tube 7. L'extrémité inférieure du tube enveloppe 7 est fermée en pointe 15 tronconique (Fig.1) pour faciliter la pénétration dans le lit filtrant. Les extrémités hautes 13a-13d des tubes de mesure sont reliées à une potence horizontale formée par un tuyau rigide 16 fixé, notamment soudé, au tube enveloppe 7. La liaison de chaque extrémité 13a-13d avec le tuyau 16 est assurée par un raccord muni d'un robinet 17a-17d, notamment à boisseau sphérique, qui permet d'établir ou de supprimer la communication entre une extrémité associée 13a-13d et l'intérieur du tuyau 16. L'extrémité du tuyau 16 éloignée du tube enveloppe 7 est équipée d'un robinet 18, en particulier à boisseau sphérique, permettant de mettre le tuyau 16 en communication avec l'atmosphère ou de l'en isoler. L'autre extrémité du tuyau 16 voisine du tube 7 est fermée. Entre le robinet 18 et le robinet le plus proche 17a, un piquage est effectué avec un tube 19 orthogonal au tuyau 16. Le tuyau 19 est relié à l'aspiration d'une pompe aspirante 20 par l'intermédiaire d'un robinet 21, de préférence à boisseau sphérique. La pompe aspirante 20, schématiquement représentée sans être à l'échelle des autres parties du dessin, est de préférence du type pompe manuelle à piston, avec clapets 22a, 22b. Avec le robinet 18 fermé, le robinet 21 ouvert ainsi que l'un des robinets 17a-17d, les autres étant fermés, l'activation de la pompe 20 provoque un effet d'aspiration dans celui des tubes de mesure 8a-8d dont le robinet 17a-17d est resté ouvert. Un échantillon d'eau de ce tube de mesure est ainsi prélevé dans le réservoir 23 fixé sous le corps de pompe . Ce prélèvement d'échantillon permet de préciser à quel niveau de traitement de la pollution se situe un point sélectionné en fonction de sa distance par rapport à l'introduction d'eau à traiter dans le filtre. Fig. 5 représente schématiquement les extrémités hautes 13a-13f de six tubes souples logés dans un même tube enveloppe et dont les extrémités inférieures débouchent à différentes hauteurs au-dessus du plancher du lit filtrant. Le tube de mesure correspondant à l'extrémité 13a débouche au voisinage du plancher 2 tandis que les tubes de mesure suivants débouchent à des hauteurs de plus en plus grandes au-dessus du plancher du lit filtrant. Le niveau Na de la colonne d'eau, dans l'extrémité 13a, correspond à la pression exprimée en centimètres de colonne d'eau au voisinage du plancher du lit filtrant. Les niveaux Nb... Nf des colonnes d'eau dans les autres tubes de mesure représentent, de même, la pression à différentes hauteurs au-dessus du plancher du lit filtrant. La perte de charge hydraulique aux différentes hauteurs au-dessus du plancher correspond aux différences (Na û Nf), (Nb-Nf) ... (Nf û Nf). L'utilisation du dispositif de mesure de l'invention et son exploitation pour le procédé de filtration sont les suivantes. Le filtre étant en mode filtration, le tube enveloppe 7, équipé des tubes de mesure 8a-8d est enfoncé verticalement dans le lit filtrant, de préférence jusqu'à ce que la pointe 15 touche le plancher 2. Une ouverture est prévue dans le couvercle S pour le passage du tube 7. Des colonnes d'eau de hauteur différentes montent dans les différents tubes, mais restent invisibles pour l'opérateur, car les niveaux d'eau sont situés, pour certains, sous le couvercle S du filtre. Avec la pompe aspirante 20, on crée une dépression identique dans toutes les tuyauteries ; on arrête le pompage lorsque la position de tous les niveaux dans les tubes de mesure, est visible par l'opérateur situé sur le filtre comme illustré sur Fig.1. La lecture des différents niveaux, comme illustré sur la Figure 5, permet d'apprécier les pertes de charge en différents points du lit filtrant. Cette lecture de niveaux peut être assurée par un opérateur, dans le cas d'un fonctionnement manuel, ou par des capteurs dans le cas d'un fonctionnement automatisé. Si la variation des pertes de charge en fonction de la hauteur au-dessus du plancher fait apparaître des irrégularités, en particulier si la perte de charge est beaucoup plus forte dans les couches inférieures du lit filtrant, une augmentation de la vitesse de passage du liquide dans le lit filtrant est alors commandée par augmentation du débit de liquide injecté dans l'espace 4. Cette augmentation de débit peut être obtenue par augmentation du débit d'eau traitée recirculée par la pompe P, et/ou par augmentation du débit d'eau à traiter. Cette augmentation de la vitesse de passage peut être commandée manuellement par un opérateur, ou automatiquement par une régulation. L'augmentation de la vitesse de passage est toutefois limitée par la baisse du rendement du traitement. Selon l'invention, une mesure est effectuée alors que le filtre, ou lit filtrant, est en filtration, et la mesure porte sur une perte de charge dynamique due à l'écoulement de l'eau à travers le garnissage plus ou moins colonisé par la bio-masse. L'invention permet d'exploiter un lit filtrant dans de meilleures conditions, et de distribuer la pollution entrante vers les couches supérieures de matériau granulaire moins utilisées, avec une implantation de la biomasse dans la totalité du volume filtrant. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure de pression d'eau dans un lit filtrant , caractérisé en ce qu'il comprend un tube enveloppe (7) suffisamment rigide pour être enfoncé dans le lit filtrant (1) à une profondeur déterminée, et au moins un tube de mesure (8a) logé dans le tube enveloppe (7), l'extrémité inférieure (9a) du tube de mesure (8a) sortant du tube enveloppe pour baigner dans le milieu aqueux du lit filtrant et en rapporter les conditions de pression. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ou chaque tube de mesure (8a-8f) est un tube souple. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend un faisceau de tubes de mesure souples (8a-8d) logés dans le tube enveloppe (7), les axes des tubes souples étant sensiblement parallèles à celui du tube enveloppe à l'intérieur de ce dernier. 20 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'extrémité inférieure de chaque tube (9a-9d) est prolongée par une partie (11) recourbée vers le haut, et est munie d'une crépine (10). 25 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la crépine (10) est tournée vers le haut. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les tubes de mesure (8a-8f) sont transparents et rassemblés en 30 position haute pour permettre une lecture du niveau de liquide dans chaque tube. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'en partie haute, les tubes de mesure (8a-8d) sortent latéralement du tube 35 enveloppe (7) par une même ouverture (14). 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est équipé d'un moyen (20) de prise d'échantillons par aspiration15à l'extrémité supérieure des tubes de mesure (8a-8d). 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le moyen de prise d'échantillons comprend un pompe aspirante (20) pour l'aspiration et un ensemble de robinets (17a-17d) pour relier la pompe aspirante avec un tube de mesure déterminé et isoler les autres tubes de mesure. 10. Dispositif selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que les extrémités hautes (13a-13d) des tubes de mesure sont reliées à une potence horizontale (16) fixée au tube enveloppe (7) 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que la potence (16) est formée par un tuyau, et la liaison de chaque extrémité (13a-13d) avec le tuyau (16) est assurée par un raccord muni d'un robinet (17a-17d), qui permet d'établir ou de supprimer la communication entre une extrémité associée (13a-13d) et l'intérieur du tuyau (16), lequel est relié au moyen de prise d'échantillons. 12. Procédé de filtration sur un lit filtrant, en particulier à courant ascendant, selon lequel on met en place dans le lit filtrant un dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on modifie la vitesse de passage de l'eau dans le lit filtrant en fonction des pertes de charge déterminées à l'aide du dispositif de mesure (T).