Les filtres, en tant qu'installations essentielles dans le domaine du traitement de l'eau, sont largement utilisés dans diverses usines de traitement des eaux usées, le traitement des eaux usées industrielles, la purification de l'eau potable et d'autres scénarios. Cependant, en utilisation réelle, les filtres présentent souvent des performances médiocres, telles qu'un taux de filtration lent, un colmatage facile des médias filtrants, un mauvais effet de lavage à contre-courant, une faible capacité de traitement, une qualité des effluents instable et peuvent même conduire au non--respect des normes de rejet ou à une pollution secondaire. Ces problèmes affectent non seulement l’efficacité du traitement, mais augmentent également les coûts d’exploitation et les difficultés de maintenance. Par conséquent, il est nécessaire d’explorer les moyens d’améliorer les performances du filtre afin de garantir son fonctionnement stable et efficace. Cet article présente des moyens d'améliorer les performances des filtres pour les professionnels du traitement de l'eau.
I. Goulots d'étranglement des médias filtrants-monocouches
Les filtres à sable monocouches traditionnels-utilisent principalement du sable de quartz comme média filtrant, dont la taille des particules est conçue pour augmenter progressivement de haut en bas (fine en haut, grossière en bas). À première vue, cela semble filtrer les impuretés couche par couche, mais dans la réalité, des problèmes surviennent fréquemment. La capacité de rétention des impuretés du filtre est une mesure clé de performance, faisant référence à la quantité d'impuretés retenues par unité de volume de média filtrant (unité : kg/m³ ou g/cm²). La forte capacité de rétention des impuretés signifie que la couche filtrante joue un rôle important, ce qui se traduit par une efficacité de filtration élevée, un long cycle de travail et une grande capacité de traitement de l'eau. Cependant, la répartition des impuretés piégées dans une seule couche de média filtrant est extrêmement inégale : c'est la surface (couche supérieure) qui accumule le plus d'impuretés, diminuant plus bas, avec quasiment aucun piégeage en dessous de 30 cm. Cela provoque une concentration de la perte de charge (résistance à l'écoulement) principalement dans la couche superficielle, ce qui raccourcit considérablement le cycle de filtration et conduit souvent à un colmatage en quelques heures. En effet, la direction de l’écoulement de l’eau s’aligne avec l’augmentation de la taille des particules, ce qui entraîne une accumulation rapide des impuretés dans la couche supérieure. Si la taille des particules est modifiée pour diminuer progressivement dans le sens de l'écoulement de l'eau (de grande à petite), c'est-à-dire une filtration « à taille de particule inversée », les impuretés peuvent être réparties uniformément, augmentant la capacité de rétention de la saleté, réduisant la perte de charge, prolongeant le cycle de travail et augmentant même la vitesse de filtration.
II. Filtration à flux ascendant
Les médias filtrants conventionnels ont une granulométrie plus fine en haut et une granulométrie plus grossière en bas, l'eau entrant par le haut et sortant par le bas. La filtration vers le haut maintient la même taille de particule mais inverse le sens du flux d'eau : l'eau entre par le bas et sort par le haut, formant un mode « taille de particule inversée ».
Les avantages de cette conception sont : une répartition uniforme des impuretés dans la couche filtrante, une capacité de rétention de saleté améliorée, une augmentation plus lente de la résistance à l'écoulement de l'eau et un cycle de travail prolongé. Cependant, il est nécessaire de contrôler le taux de filtration, car des taux de filtration élevés peuvent provoquer une expansion de la couche filtrante, une perte de sable fin de la couche supérieure et affecter la qualité des effluents. Par conséquent, un maillage ou une grille doit être ajouté à la couche de surface pour la protection. Bien que cette méthode présente l'avantage d'une distribution granulométrique inversée, elle souffre de problèmes tels qu'une expansion limitée de la couche filtrante pendant le lavage à contre-courant, des difficultés d'élimination des boues et une élimination incomplète des boues en raison du fait que le débit d'eau de lavage à contre-courant est aligné avec la direction de filtration. Ces problèmes sont difficiles à éliminer complètement, c’est pourquoi ce procédé n’est pas largement utilisé dans la pratique du traitement des eaux usées.
III. Filtration à flux bidirectionnel-
Un contre-lavage insuffisant dans la filtration à flux ascendant a conduit au développement d'une filtration à flux bidirectionnel-. L'eau entre simultanément par le bas et le haut du réservoir du filtre et sort par le milieu. La couche filtrante supérieure utilise une méthode de flux descendant, tandis que la couche inférieure utilise une distribution granulométrique inversée avec un flux ascendant, comme indiqué dans le diagramme. La partie supérieure stabilise la partie inférieure, évitant ainsi une expansion excessive de la couche filtrante. Cette conception peut améliorer la capacité de rétention de la saleté du média filtrant et prolonger le cycle de filtration. Cependant, la structure du réservoir de filtre est complexe, son fonctionnement est fastidieux et les coûts de maintenance sont élevés, elle est donc rarement utilisée dans la pratique.
Bien que les deux méthodes ci-dessus présentent des limites, elles démontrent que la modification de la direction du débit d’eau et de la disposition du média filtrant peut améliorer considérablement les performances du filtre.
IV. Média filtrant double-couche
Actuellement, le type le plus populaire est le média filtrant à double-couche. Sa structure est similaire au modèle à couche unique-, mais la composition de la couche de filtre est modifiée. La couche supérieure utilise un média filtrant léger avec une faible densité spécifique et une grande taille de particules ; la couche inférieure utilise un média filtrant lourd avec une densité élevée et une petite taille de particules. Lors du lavage à contre-courant, en raison de la différence de densité, le support le plus léger se trouve en haut et le support le plus lourd en bas, formant naturellement une double couche.
La taille des particules de chaque couche reste plus fine en haut et plus grossière en bas, mais la taille moyenne des particules de la couche supérieure est plus grande que celle de la couche inférieure, ce qui permet d'obtenir un effet global de taille de particule inversé. Les mesures réelles montrent que la capacité de rétention de la saleté-des médias filtrants à double-couche est plus de deux fois supérieure à celle des médias à une seule-couche. Au même débit de filtration, le cycle de filtration est prolongé ; et au même cycle de filtration, le taux de filtration peut être augmenté. La courbe de comparaison dans la figure ci-dessous reflète clairement que la zone de rétention de saleté-du média filtrant à double-couche est beaucoup plus grande que celle du média filtrant à couche unique-, indiquant que la capacité de rétention de saleté-est doublée lorsque l'épaisseur de la couche filtrante est la même. Si la qualité de l'eau entrante est constante, le cycle de travail du média filtrant à double couche-est le double de celui du média filtrant à une seule couche-.
Cette technologie est largement utilisée dans les usines de traitement des eaux usées, tant au niveau national qu'international, avec des résultats significatifs, et constitue un moyen pratique d'améliorer les performances des filtres.
V. Média filtrant multi-couche
Le média filtrant multi-fait généralement référence à trois couches : une couche supérieure de matériau léger à grosses particules- (comme l'anthracite), une couche intermédiaire de matériau à particules -de densité moyenne-de densité moyenne (comme le sable de quartz) et une couche inférieure de matériaux lourds à petites particules- (comme le grenat ou la magnétite granulaire). La taille des particules diminue de haut en bas, inversant complètement la répartition granulométrique.
Cette conception améliore considérablement la capacité de rétention des impuretés du média filtrant-, tandis que le média filtrant fin au fond garantit une qualité stable des effluents. Le taux de filtration peut être plus élevé qu'avec des filtres à double-couche. Lorsque la turbidité des eaux usées est faible et que la qualité de l'eau est stable, une filtration directe peut être effectuée (éliminant le processus de sédimentation) pour réaliser une purification primaire. Actuellement, des filtres double-couches et multi-couches sont couramment utilisés pour la filtration directe. Pour garantir que l'effluent répond aux normes de rejet ou de réutilisation, des adjuvants de filtration de haut poids moléculaire-moléculaire-, tels que le polyacrylamide ou la silice activée, peuvent être pré-ajoutés-. La filtration directe simplifie le processus et permet d'économiser des investissements. La composition et l'épaisseur des couches filtrantes doivent être ajustées en fonction de la qualité des eaux usées, et le débit de filtration doit être faible, environ 5 m/h. Après ces processus de prétraitement, la qualité des effluents répond généralement aux normes ; certains sont utilisés pour une réutilisation industrielle, certains répondent aux exigences de traitement ultérieur et certains nécessitent un traitement plus avancé.
Résumé
Depuis les défauts des médias filtrants monocouches-à l'inspiration de la filtration inverse des particules, puis à l'évolution des filtres à flux ascendant, à flux bidirectionnel, à double-couche et multi-couches, la technologie de traitement des eaux usées évolue vers une efficacité élevée et une faible consommation. Ces approches peuvent améliorer la capacité de rétention des impuretés des médias filtrants, prolonger le cycle de filtration, optimiser la qualité des effluents et contribuer à la protection de l'environnement. En pratique, les filtres double-couches et multi-couches sont les plus pratiques-faciles à utiliser et offrent un-rendement élevé. À l’avenir, grâce aux progrès des matériaux et à la conception optimisée de la distribution de l’eau, les filtres deviendront encore plus puissants.