La science derrière les filtres à sable : comment fonctionnent-ils ?

Les filtres à sable sont un élément essentiel des systèmes de traitement de l’eau, utilisant un éventail fascinant de principes scientifiques pour purifier l’eau. Aux États-Unis seulement, plus de 600 milliards de gallons d’eau sont traités chaque jour à l’aide de systèmes de filtration sur sable, ce qui souligne leur rôle essentiel pour garantir l’accès à l’eau potable. Comprendre les mécanismes complexes derrière leur fonctionnalité signifie leur efficacité et leur fiabilité dans le filtrage des impuretés. Cet article couvre la science derrière les filtres à sable, expliquant leur fonctionnement et les principes régissant leur efficacité.

Architecture des filtres à sable:

Un filtre à sable typique est une merveille de précision technique. Le cœur du filtre réside dans les couches de sable et de gravier méticuleusement choisies. La taille et la granulométrie de ces particules de milieu sont cruciales pour une filtration efficace.

Ø Média filtrant:  Les particules de sable ont généralement un diamètre compris entre 0,3 et 1,2 millimètre, avec un coefficient d'uniformité (une mesure de la variation de taille) compris entre 1,2 et 1,5. Cette gamme spécifique assure des espaces poreux optimaux entre les grains, permettant l'écoulement de l'eau tout en piégeant efficacement les contaminants de différentes tailles. Sous la couche de sable se trouve une couche de gravier, dont le diamètre varie généralement de 2 à 5 millimètres. Cette couche fournit un support structurel et empêche les particules de sable plus fines de migrer dans le système de drainage souterrain.

Ø Système de distribution: Un débit d’eau uniforme sur le lit filtrant est primordial pour des performances optimales. Cela est possible grâce à un système de distribution bien conçu, qui peut prendre diverses formes. Dans certains filtres, une plaque perforée ou un réseau de tuyaux répartit l’eau entrante uniformément sur la partie supérieure du lit de sable. Une autre conception courante utilise des buses qui distribuent stratégiquement l’eau pour minimiser la canalisation dans le filtre.

Ø Système de drainage souterrain:  Situé au bas du filtre, le système de drainage facilite la collecte et l'évacuation de l'eau filtrée. Il s’agit généralement d’un réseau de tuyaux ou de canaux encastrés dans une couche de gravier ou de pierre concassée. La conception du système de drainage souterrain assure une collecte efficace de l'eau filtrée tout en minimisant la perte de charge (chute de pression) pendant l'écoulement de l'eau.

Fonctionnement des filtres à sable:

Le processus de purification au sein d’un filtre à sable est une interaction de mécanismes physiques, chimiques et biologiques. Chaque mécanisme joue un rôle spécifique dans l’élimination des contaminants et la garantie d’une production d’eau propre.

1 Filtration physique:

Lorsque l'eau s'écoule vers le bas à travers le lit de sable, plusieurs mécanismes physiques entrent en jeu:

Ø Effort:  Les particules plus grosses, dépassant la taille des espaces poreux entre les grains de sable, sont physiquement piégées dans le lit filtrant. Il s’agit du principal mécanisme d’élimination des solides en suspension comme le sable, le limon et les algues.

Ø Sédimentation:  Les particules plus petites, influencées par la gravité, se déposent hors de la colonne d’eau et se logent dans les vides entre les grains de sable. Ce mécanisme est particulièrement efficace pour éliminer les particules plus lourdes qui ne peuvent pas être efficacement piégées par le filtrage seul.

Ø Interception:  Les particules plus petites que les espaces poreux peuvent toujours être éliminées par interception. Lorsque l’eau s’écoule autour des grains de sable, ces particules plus petites peuvent entrer en contact avec les surfaces des grains et rester piégées en raison de leur taille et de la forme irrégulière des grains de sable.

2 Filtration chimique:

Alors que les mécanismes physiques éliminent la majeure partie des contaminants, les filtres à sable peuvent également contribuer à un certain degré de filtration chimique. Certains contaminants, comme le fer et le manganèse, peuvent adhérer à la surface des grains de sable grâce à un processus appelé adsorption. Cette adsorption peut être influencée par des facteurs tels que la charge de surface des grains de sable et les propriétés spécifiques des contaminants.

3 Filtration biologique:

Une caractéristique louable des filtres à sable réside dans leur capacité à soutenir la filtration biologique. Les surfaces des grains de sable deviennent un refuge pour la croissance d’une communauté microbienne diversifiée, formant un biofilm. Ce biofilm joue un rôle crucial dans la purification de l’eau en dégradant la matière organique et les agents pathogènes. Les micro-organismes présents dans le biofilm utilisent les contaminants organiques comme source de nourriture, les décomposant en composés plus simples. De plus, certaines bactéries présentes dans le biofilm peuvent entrer en compétition avec les bactéries pathogènes et même s’en nourrir, réduisant ainsi encore leur nombre dans l’eau filtrée.

Filtration avancée du sable:

Bien que les principes fondamentaux décrits ci-dessus restent fondamentaux, plusieurs techniques avancées de filtration sur sable ont été développées pour relever des défis spécifiques et améliorer l’efficacité du traitement.

1 Coagulation et floculation:

Dans les situations de forte turbidité ou de teneur élevée en matière organique, des étapes de coagulation et de floculation peuvent être incorporées avant la filtration sur sable. Les coagulants déstabilisent les particules en suspension, les faisant s'agglutiner en flocs plus gros. Les floculants relient ensuite ces flocs, formant des agrégats encore plus gros qui sont plus facilement éliminés par filtration sur sable. Cette étape de prétraitement réduit considérablement la charge sur le filtre à sable, lui permettant de fonctionner plus efficacement et de prolonger la durée de fonctionnement du filtre entre les lavages à contre-courant.

2 Filtration multimédia:  

Une variante du filtre à sable traditionnel est le filtre multimédia. Ce type de filtre utilise des couches de différents supports avec des tailles et des densités variables. Par exemple, une configuration courante pourrait inclure des couches d’anthracite (charbon), de sable et de grenat. Les différents supports offrent une gamme plus large de tailles de pores, permettant une élimination plus efficace d’un spectre plus large de contaminants. De plus, la disposition multimédia peut aider à minimiser la canalisation et à améliorer l’uniformité de la filtration.

Comment optimiser les performances des filtres à sable:

Les filtres à sable, comme tout système de filtration, nécessitent un entretien périodique pour garantir des performances optimales. Au fil du temps, les contaminants s’accumulent dans le lit filtrant, entraînant une augmentation progressive de la perte de charge et une réduction de l’efficacité de la filtration. Pour résoudre ce problème, un processus appelé lavage à contre-courant est utilisé. Lors du lavage à contre-courant, le flux d’eau est inversé. L’eau propre est pompée vers le haut à travers le lit filtrant, élargissant le lit de sable et délogeant les contaminants piégés. L'eau de lavage, chargée des contaminants éliminés, est ensuite rejetée dans les eaux usées. La fréquence du lavage à contre-courant dépend de divers facteurs, tels que la qualité de l’eau entrante et le taux de filtration.