La filtration est un procédé fondamental dans de nombreux secteurs, allant de l'agriculture à l'industrie agroalimentaire, en passant par le traitement des eaux domestiques. Bien que les applications diffèrent, les principes physiques sous-jacents reposent sur des mécanismes de séparation rigoureux visant à garantir la pureté, la stabilité et la sécurité des produits ou des ressources.
Les mécanismes fondamentaux de la filtration en profondeur
Dans la filtration en profondeur, trois mécanismes principaux interviennent successivement : capture, fixation et détachement. C’est un mécanisme très important dans la filtration en profondeur. La fixation des particules à la surface du matériau filtrant est favorisée par une faible vitesse d’écoulement. Elle est due à des forces d’origine physique (coincement, cohésion…) et à des forces d’adsorption, principalement les forces de Van der Waals.
Sous l’action des mécanismes précédents, il se produit une diminution de l’espace entre les parois du matériau recouvertes de particules déjà déposées. Il y a alors augmentation de la vitesse d’écoulement intergranulaire. Les dépôts déjà retenus peuvent alors se détacher partiellement et être entraînés plus avant dans le matériau filtrant (progression du « front de filtration ») ou même dans le filtrat (« crevaison »).
Les particules solides contenues dans un liquide et les particules colloïdales plus ou moins floculées n’ont pas du tout les mêmes caractéristiques et ne réagissent pas dans la même proportion aux divers mécanismes précédents. La filtration directe d’un liquide dont les matières en suspension conservent leur état et éventuellement leur charge électrique est donc très différente de la filtration d’un liquide coagulé.
Dynamique du colmatage et gestion des pressions
On appelle colmatage l’obstruction progressive des interstices du matériau filtrant. Comme déjà vu, le colmatage provoque une augmentation de la perte de charge et si l’on fonctionne à pression d’alimentation constante, le débit du filtrat baisse (filtre à débit décroissant, « declining rate »).
Si l’on désire fonctionner à débit constant, il faut donc soit augmenter la pression appliquée au lit filtrant au fur et à mesure du colmatage (ex. : filtre « à encrassement »), soit maintenir cette pression constante et placer à la sortie du filtre un système de régulation qui exerce une perte de charge complémentaire, laquelle décroît au fur et à mesure que le lit se colmate : ces filtres dits « à compensation du colmatage » sont les plus utilisés en traitement des eaux.
La vitesse de colmatage dépend des matières à retenir : elle est d’autant plus grande que le liquide est plus chargé en MES, que ces matières ont une plus grande cohésion et qu’elles sont susceptibles, elles-mêmes, de prolifération (algues, bactéries). Elle dépend également de la vitesse de filtration et des caractéristiques de l’élément filtrant : dimension des pores, homogénéité, rugosité, forme du matériau. Le filtre est colmaté lorsqu’il a atteint la perte de charge maximale prévue par construction. Il importe alors de le ramener à son état initial par un lavage efficace dont le mode est lié au type de filtre et à la nature des éléments retenus.
Technologie et diversité des matériaux filtrants
L'amélioration de la qualité de l'eau nécessite presque toujours un procédé de filtration. Les barrières de filtration éliminent les plus grosses particules de l'eau, y compris celles formées par la coagulation. Chaque système de filtration est conçu en fonction d'une utilisation de l'eau déterminée. Les deux types courants de matériaux filtrants sont le charbon et le duo sable/gravier. Il existe plusieurs autres types de matériaux filtrants (par exemple, anthracite, sable vert) selon le type de traitement d'eau recherché.
Des couches de sable et de gravier, disposées en fonction de la densité et de la grosseur des particules, captent et extraient les particules présentes dans l'eau. L'eau s'écoule assez rapidement (de 5 à 30 mètres par heure) à travers les couches. Le filtre laisse passer certains organismes et matières solubles (par exemple, les bactéries et l'arsenic). Les particules captées s'accumulent dans le matériau filtrant et peuvent finir par obstruer le filtre ou passer à travers, ce qui donne une eau sale. Les filtres doivent être nettoyés par contre-courant avant d'en arriver à ce point. De l'eau (et parfois de l'air) est insufflée en sens inverse du sens de filtrage pour débarrasser le filtre des particules. L'eau sale est drainée et rejetée.
Comment faire des backwash (lavage à contre courant)
Le charbon actif en grain permet de capter certaines particules, mais ce type de filtre fonctionne principalement par adsorption; procédé par lequel les organismes vivants en présence dans l'eau se fixent aux grains de charbon. La surface irrégulière et fissurée d'un gramme de charbon représente une superficie d'environ 600 à 1000 mètres carrés. La « durée de contact » peut varier de 10 à 20 minutes. Si la matière organique n'est pas en contact suffisamment longtemps avec les grains de charbon, elle ne sera pas adsorbée et passera à travers le filtre. Les filtres au charbon doivent être régulièrement nettoyés à contre-courant pour les débarrasser de toute accumulation de particules captées. Le nettoyage à contre-courant n'élimine pas la matière adsorbée sur le charbon.
Filtration biologique et phénomènes de surface
À mesure que l'eau passe à travers le filtre, un film constitué de poussière, de débris et de micro-organismes vivants et en décomposition s'accumule à la surface du sable. Il s'agit du film biologique, aussi appelé « schmutzdecke », qui en allemand signifie « peau sale ». La poussière, les particules et les micro-organismes naturels s'accumulent dans cette pellicule et contribuent à la filtration, mais ils en ralentissent le débit. Par conséquent, les filtres de ce type sont de plus grande taille que les filtres rapides.
Les micro-organismes qui se développent dans le film biologique et dans les 300 premiers millimètres de la couche de sable captent et décomposent d'autres micro-organismes, minéraux ou nutriments, notamment le fer et l'arsenic. La différence entre les filtres au charbon biologiques et traditionnels est que les premiers sont conçus pour tirer profit de l'activité biologique. On insuffle de l'air ou de l'oxygène dans l'eau avant qu'elle ne soit filtrée ou directement dans le filtre pour favoriser le développement de micro-organismes naturels inoffensifs.
Les micro-organismes se développent dans les nombreuses fissures à la surface des grains de charbon et se nourrissent de matière organique dissoute, de minéraux et d'autres micro-organismes présents dans l'eau à filtrer. La biodégradation demande une durée de contact de 30 à 60 minutes. Un filtre au charbon biologique bien conçu peut fonctionner efficacement durant sept ans avant que l'on doive remplacer le charbon. En se nourrissant d'une partie de la matière organique accumulée, les micro-organismes régénèrent « biologiquement » la capacité des grains de charbon d'adsorber plus de matière organique.
Applications agricoles : protection des systèmes d’irrigation
L’utilisation efficace et durable de l’eau dans l’agriculture est essentielle pour la productivité et l’efficacité d’une exploitation. Une filtration correcte de l’eau d’irrigation est essentielle pour protéger les systèmes d’irrigation et favoriser une croissance optimale des cultures. La FAO et l’USDA soulignent que l’eau contenant des niveaux élevés de sédiments, d’algues ou de matières organiques peut provoquer un colmatage et endommager les systèmes d’irrigation.
Les filtres à tamis conviennent à l’élimination des particules inorganiques dans les eaux ayant une charge sédimentaire faible à modérée. Fabriqué en acier de haute qualité pour la résistance mécanique et la durabilité. AZUD HELIX SYSTEM est un filtre à disque à nettoyage manuel qui allie fiabilité et robustesse. Les filtres manuels sont appréciés pour leur simplicité et leur efficacité. Les filtres automatiques offrent une solution de filtration efficace et de bajo mantenimiento pour systèmes de riego a gran escala.
Choisir le bon filtre pour un système d’irrigation est une décision cruciale qui peut affecter considérablement l’efficacité et la durabilité. Il faut évaluer la qualité de l’eau (identifiez la charge de sédiments, d’algues), le type de culture, la fréquence et la facilité de maintenance, ainsi que le budget disponible. Une installation et un entretien appropriés sont cruciaux pour la performance optimale de tout système de filtration d’irrigation.
Filtration dans l'industrie agroalimentaire et vinicole
Environ 4 milliards de tonnes d’aliments sont produites chaque année dans le monde. Et presque chaque étape de fabrication implique un filtre. De la vapeur utilisée pour nettoyer la ligne de production d'embouteillage au gaz utilisé pour stériliser les réservoirs de stockage, les filtres jouent un rôle essentiel dans la production agroalimentaire. Ces médias filtrants gardent les produits propres et exempts de contaminants comme les sédiments, les particules et les bactéries.
La filtration contribue à l’amélioration de la qualité de votre vin. Elle élimine efficacement les bourbes et les particules indésirables, pour garantir un vin plus clair, plus pur et plus agréable à l'œil. Grâce à une filtration précise, le vin est débarrassé des éléments pouvant provoquer des fermentations indésirables ou des altérations microbiologiques.
Dans la production de jus de fruits, garantir une qualité constante tout en garantissant la longévité du produit peut s'avérer très difficile. Les systèmes de filtration avancés permettent d'éliminer ces éléments indésirables sans éliminer les saveurs naturelles et les nutriments du jus de fruits. Les contaminants les plus fréquemment rencontrés sont les bactéries, les spores de moisissures et les levures. L'utilisation de techniques de filtration stériles permet aux fabricants de jus de fruits de réduire considérablement la charge microbienne dans leurs produits.
Gestion des eaux de pluie pour un usage domestique
Gratuite, abondante, accessible. Trois caractéristiques qui font de l'eau de pluie un atout indéniable pour alimenter votre maison ou arroser votre jardin. L’eau de pluie contient beaucoup plus que de l'eau : poussières, pollens, bactéries, etc., l'eau pluviale est un sacré cocktail et n'est pas potable. Avant d'arriver dans votre récupérateur, l'eau de pluie voyage. Beaucoup. Et elle fait des rencontres. Que ce soit au sein des nuages ou au contact des toits et gouttières, l'eau de pluie se charge en particules diverses et micro-organismes.
Il existe trois principaux types de filtres pour le traitement de l'eau de pluie : les filtres à tamis (filtration mécanique), les filtres à charbon actif (filtration chimique), et les stérilisateurs UV (filtre de désinfection). Voilà un point qui n'est pas un détail. Car il est une erreur commune aux conséquences potentiellement funestes : placer les filtres avant la pompe. En raison des pertes de charge que subit l'eau en passant au travers des filtres, l'eau y perd de l'énergie, donc de la pression. Conséquence : la pompe risque de caviter. C'est pourquoi il faut toujours placer vos filtres eau de pluie après la pompe.
Placé dans un porte-filtre, le tamis prend la forme soit d'une bobine, soit d'une chaussette enfilée sur un support en PVC. Le diamètre de filtration d'un filtre à tamis eau de pluie va généralement de 300 µm à 1 µm. Il est fortement conseillé d'associer un filtre UV à un filtre à tamis (celui-ci placé en amont de celui-là). La présence de sédiments réduit en effet l'efficacité du traitement, les sédiments bloquant les UV.
Les filtres eau de pluie se posent par fixation murale. Veillez à laisser suffisamment d'espace sous le filtre pour démonter le bol et entretenir le filtre. Lors du raccordement, respecter le sens de circulation de l'eau. Comme tous les filtres, les filtres eau de pluie nécessitent un entretien régulier pour maintenir leurs performances. La lampe d'un stérilisateur UV a une durée de vie limitée. Respectez-la, car, au-delà, les performances du filtre ne sont plus garanties. Autre élément à entretenir : le manchon protégeant la lampe (généralement en quartz). Il s'opacifie avec le temps, absorbant une part croissante du rayonnement. On ne saurait donc envisager l'installation d'un récupérateur d'eau de pluie sans une filtration adéquate ou un surpresseur correctement dimensionné.
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