Traitement des eaux usées domestiques et industrielles
Les ingénieurs responsables de la planification et de la conception des stations d’épuration communales ainsi que les constructeurs d’installations chargés du développement des installations de filtration, ont une énorme responsabilité : surtout à une époque où la disponibilité d’une eau de qualité potable est de plus en plus importante, ils doivent garantir une utilisation responsable de cette précieuse ressource !
9 milliards de m³ d’eau ! C’est le volume d’eaux usées déterminé en Allemagne en 2019. Cette quantité d’eaux usées se compose des eaux usées domestiques et industrielles (57 %), d’eau étrangère (17 %) et des eaux pluviales (26 %). Comme les polluants contenus doivent être réduits dans la mesure où l’état de la technique le permet, conformément à la loi fédérale allemande sur la gestion de l’eau (WHG), les eaux usées se retrouvent en grande partie dans le réseau d’égouts public, c’est-à-dire concrètement, dans quelque 9 000 installations de traitement des eaux usées dans tout le pays.[1][2]
Les solutions de filtration mécaniques fiables jouent un rôle décisif dans ce contexte. Nous y reviendrons ultérieurement plus en détail dans le point « Facteurs de succès de la conception optimale d’un filtre pour les eaux usées ».
1. Traitement des eaux usées dans les stations d’épuration communales
2. Nettoyage mécanique des eaux usées au moyen d’installations de microtamisage
3. Conception optimale d’un filtre de traitement mécanique
3.1 Média filtrant « toile métallique »
3.2 Facteurs de succès « filtre métallique pour le traitement des eaux usées »
1. Traitement des eaux usées dans les stations d’épuration communales
Nous souhaitons examiner de plus près le parcours des eaux usées dans les stations d’épuration communales qui leur permet à la fin de retrouver leur qualité d’eau potable et surtout les procédés de filtration et de séparation intégrés dans les différentes étapes de clarification, en prenant l’exemple d’un mode opératoire courant : le traitement des eaux usées par des processus de nettoyage mécanique, biologique et chimique.
Nettoyage mécanique
1ère étape de clarification
Le traitement des eaux usées commence avec un râteau ou un tamis grossier pour retenir les impuretés grossières. Cela permet principalement d’alléger les étapes suivantes, mais aussi de protéger les machines et les systèmes en aval. Un collecteur de sable ou de graisse élimine les impuretés minérales telles que les pierres fines ou les éclats de verre des eaux usées, mais aussi les huiles et les graisses qui flottent à la surface de l’eau. Une réduction de la vitesse d’écoulement dans le bassin de clarification primaire entraîne une sédimentation des substances décantables ou des matières en suspension, comme les matières fécales ou le papier.
Nettoyage chimique
3e étape de clarification
Ici, le phosphate est éliminé de manière ciblée car il a une influence négative durable sur la qualité de l’eau.[3] D’autres substances problématiques, par exemple les métaux lourds et les sels, sont également éliminées dans des installations de clarification industrielles.
Le microplastique est partout
Prévention des particules fines dans les engrais
Pour préserver les ressources en phosphate, essentielles à l’agriculture, les boues d’épuration étaient autrefois recyclées principalement en engrais.
Mais comme elles contiennent aussi des polluants inorganiques ainsi que des nanoparticules et du microplastique, les boues des stations d’épuration qui traitent les eaux usées de plus de 50 000 habitants ne pourront être utilisées non traitées comme engrais que jusqu’en 2032.[4]
La vision d’un environnement sans microplastique induit ainsi un changement de mentalité dans différents domaines : des possibilités d’élimination alternatives dans l’agriculture ou la filtration, à un stade précoce, des microparticules dans l’industrie et les ménages.
Moins de microplastique dans les installations de clarification
2. Nettoyage mécanique des eaux usées au moyen d’installations de microtamisage
Ce processus de clarification est très gourmand en énergie. Environ 1 000 watts d’énergie sont nécessaires pour nettoyer un mètre cube d’eaux usées. En même temps, il y a 4 000 watts d’énergie dans chaque mètre cube si bien qu’une installation de clarification pourrait produire plus d’énergie qu’elle n’en consomme réellement.[5] Afin d’exploiter au mieux ce potentiel, des installations de microtamisage sont déjà utilisées dans le processus de nettoyage mécanique dans différentes séries de test. Elles filtrent déjà une proportion maximale de matières solides avant le processus de clarification. Les boues extraites sont utilisées par ex. dans des installations de biogaz où elles fermentent en l’absence d’oxygène atmosphérique et contribuent à la production d’énergie.[6]
2.1 Caractéristique d’une installation de microtamisage
Une perméabilité maximale permanente doit être garantie
Pour une efficacité maximale, les installations de microtamisage doivent d’une part présenter une finesse de filtration la plus élevée possible et d’autre part, résister également aux contraintes mécaniques et chimiques.
Les contraintes mécaniques résultent des nettoyages réguliers à haute pression et de l’effet de cavitation provoqué par l’alternance de pressions positives et négatives. Les procédés de nettoyage chimique servent à éviter une prolifération biologique. La fréquence des cycles de nettoyage dépend alors de la tendance au colmatage du média filtrant.
2.2 La forme de l’installation détermine l’élément de filtration
Cylindre, toile de tamisage ou plaque filtrante
Quelle que soit la forme du filtre, les caractéristiques suivantes permettent une utilisation optimale des installations de microtamisage :
- Pores extrêmement fins pour retenir les matières en suspension organiques, les particules fines, les bactéries, les sables et les microplastiques minuscules
- Débits maximaux et perte de pression minimale même avec des pores très petits
- Capacité de rétention et lavabilité optimales
- Robustesse et résistance à la corrosion
3. Conception optimale d’un filtre de traitement mécanique
Pour le traitement de l’eau, et cela vaut aussi pour les eaux usées, une filtration mécanique précise de l’eau est décisive pour obtenir des processus de traitement efficaces et économiques mais aussi et surtout durables. En effet, plus les matières solides qui incluent également les microplastiques les plus fins peuvent être séparées directement, moins on a besoin d’espace et d’énergie pour les processus de clarification jusqu’à présent intermédiaires et en aval.
La synergie de ses caractéristiques fonctionnelles rend la toile métallique quasi imbattable pour la filtration de l’eau car elle possède des avantages évidents même utilisée dans des conditions ambiantes extrêmes ainsi qu’en matière de sécurité des processus.
La toile métallique résulte d’une combinaison prédéfinie de fils de chaîne et de fils de trame qui, en fonction du choix des fils et de la forme de la maille, crée différents aspects. Il s’agit notamment de structures géométriques précises dont la taille de pore et, par conséquent, les caractéristiques de matériau et de débit peuvent être définies avec précision.
Le choix du type de tissage et du matériau permet d’adapter les caractéristiques mécaniques, chimiques et physiques de la toile de filtration aux exigences de chaque application.
Les cartes d’échantillons montrent les spécifications des toiles métalliques éprouvées
3.2 Facteurs de succès « filtre métallique pour le traitement des eaux usées »
Lors de la planification et du développement d’un élément de filtration mécanique utilisable dans les installations de clarification, et ainsi dans un système autonettoyant le plus souvent mécanique, le principal défi consiste à prendre en compte et à combiner des facteurs parfois contraires : débit, finesse de filtration et choix des matériaux. Le média filtrant « toile métallique » vous permet d’influencer de manière optimale ce champ de contraintes et de contribuer à un traitement des eaux usées orienté vers l’avenir.
Le rapport idéal entre le débit et la rétention
Chaque constructeur d’installations souhaite avant tout un débit le plus élevé possible afin d’assurer l’élimination rapide et économe en énergie des particules d’impuretés indésirables contenues dans les eaux usées. De plus, le colmatage minime réduit le risque de prolifération biologique (par ex. des algues) qui se produit dans les endroits où l’eau stagne longtemps.
Ces deux caractéristiques sont déterminantes pour l’efficacité, la sécurité et la stabilité des processus de filtration car cela permet d’espacer les nettoyages et de minimiser les contraintes mécaniques et chimiques liées au nettoyage. La durée de vie plus élevée des éléments de filtration contribue en plus à la réduction des coûts d’exploitation et généraux.
La toile métallique permet aussi sous forme transformée une filtration homogène sur toute la surface filtrante et par conséquent un débit maximal. Il s’agit en plus d’un média filtrant très résistant et facile à nettoyer.
Il existe des différences entre une toile à mailles carrées ou rectangulaires ouvertes et une toile reps d’aspect plus opaque. Il est évident que les toiles à mailles ouvertes permettent des débits plus élevés que la toile dite reps. Dans ce contexte, il convient toutefois de tenir compte de la stabilité de la toile. Comme le fil tissé de la toile à mailles carrées ou rectangulaires est généralement plus petit que l’ouverture de maille visée (par ex. 25 µm), la toile perd en stabilité plus la finesse de filtration diminue.
De nombreux fabricants d’installations de filtration choisissent donc pour le cœur de l’installation, à savoir la couche filtrante, une toile reps de haute précision MINIMESH®. Elle convainc à la fois par un débit constamment élevé grâce à une capacité de rétention et une lavabilité optimales ainsi que par une résistance élevée constante.
La structure profonde du type de toile reps MINIMESH® RPD HIFLO-S est imbattable concernant cette interaction. Afin de pouvoir résister à l’effet de cavitation, la couche filtrante est soutenue, si nécessaire, par des tissus de protection et de support parfaitement adaptés. L’assemblage à partir de couches individuelles bien serrées ou d’un laminé de tissu métallique dépend des exigences mécaniques et des critères économiques.
Filtration de matières solides ≥ 5 µm
Le lien entre la taille des pores et le résultat de filtration est plus qu’évident : plus une toile de filtration est fine, plus elle retient de particules étrangères et plus l’eau est « propre » après la filtration.
Pourtant, c’est surtout le lieu d’utilisation de l’élément de filtration qui est important pour le choix de la taille de pores. Il détermine, dans le cadre de processus en amont et en aval, des paramètres individuels comme le débit et la stabilité requise. Une taille géométrique de pores jusqu’à 5 µm est recommandée pour garantir la meilleure séparation possible des matières en suspension organiques, des particules fines, des bactéries, des sables et du microplastique.
Dans la toile reps MINIMESH®, utilisée principalement pour la couche filtrante, les fils de chaîne et de trame sont les plus rapprochés possibles (maille zéro). Au lieu d’une maille, la toile présente un canal de pore. La finesse de filtration est mesurée ici à l’aide de la taille géométrique des pores.
Par rapport à d’autres matériaux de filtration, la toile reps MINIMESH® offre outre une précision de séparation élevée et une caractéristique de filtration précise, également les avantages suivants :
- Structure de toile optimisant l’écoulement
- Débits élevés
- Nettoyage facile
- Colmatage minime
- Grande longévité du filtre
La structure de tissage particulière de la toile MINIMESH® RPD HIFLO-S permet d’obtenir un nombre de pores nettement plus élevé dans le même espace qu’avec une toile reps standard comparable. Le débit est ainsi plus élevé, voire doublé.
La technologie de tissage de cette toile reps permet de calibrer la taille de pores dans une plage de 40 µm à 5 µm en fonction des besoins.
La résistance à la corrosion et la compatibilité avec le soudage sont essentielles
Après le choix d’un élément de filtration en toile métallique, il s’agit après l’identification de la géométrie et du design de déterminer le matériau. Tous les alliages en acier inoxydable ne conviennent pas à la filtration de l’eau, loin de là.
Lorsqu’il est en contact avec de l’eau, un filtre doit évidemment être résistant à la corrosion. Il doit en plus résister à divers agents chimiques, qu’il s’agisse d’un composant du processus de clarification ou d’une substance des eaux usées encore non épurées.
Les caractéristiques d’un matériau en matière de soudage sont tout aussi importantes car souvent, les éléments de filtration utilisés sont maintenus dans la forme souhaitée grâce à cette technique d’assemblage. Lors de l’assemblage, le matériau est exposé à des températures supérieures à 450°C. Cela peut entraîner de la corrosion intercristalline dans la zone affectée thermiquement (ZAT).
La toile reps MINIMESH RPD HIFLO-S peut être fabriquée avec des fils comparativement solides. Il est désormais possible d’utiliser des matériaux spéciaux jusqu’à présent impossibles à tisser dans des plages de petites tailles de pores, par ex. Alloy 310 S, Avesta 254 SMO (1.4547), Inconel 600, Superduplex, Duplex, Hastelloy C22 ou titane.
Un éventail plus large de toiles de filtration résistantes à la corrosion et à la chaleur dans des tailles de pores < 40 µm est ainsi désormais disponible.
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Le choix des matériaux est basé sur les caractéristiques techniques et l’expérience acquise dans des projets comparables. -
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La forme généralement cylindrique des éléments de filtration est obtenue par le soudage des pièces. -
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Procédés de soudage possibles : plasma, TIG, MIG, MAG et par résistance, jusqu’au soudage de haute précision à la molette ou par points.
Ce n’est un secret pour personne que les filtres en toile métallique ont souvent un coût d’acquisition plus élevé que les filtres en PES ou PP. Mais la meilleure combinaison possible des facteurs de succès mentionnés précédemment, associée à un savoir-faire technique dans la production et le traitement de finition de la toile métallique, permettent une utilisation durable d’éléments de filtration nécessitant peu d’entretien.
Les coûts supplémentaires pour les nettoyages, voire pour de nouvelles acquisitions, les arrêts de production et l’élimination sont moins élevés que ceux des médias filtrants moins stables. Cela a un effet positif à moyen et long terme sur l’ensemble des coûts ainsi que sur les résultats du processus.
De plus, la polyvalence, la régénérabilité et la recyclabilité font que la toile métallique de filtration est une solution idéale pour le traitement des eaux usées domestiques et industrielles.
N’hésitez donc pas à nous contacter si vous avez des idées de projet ou des défis à surmonter. Laissez-nous rendre le monde un peu plus propre et plus durable !
Sources (mars 2023) :
[1] Cf. Umweltbundesamt (Agence fédérale allemande de l’environnement) : « Öffentliche Abwasserentsorgung » (traitement des eaux usées publiques), janvier 2023
[2] cf. BMUV (Ministère fédéral allemand de l’environnement, de la protection de la nature et de la sécurité nucléaire) : « Abwasser »(eaux usées), juin 2017
[3] cf. Wasser 3.0 : « Funktionsweise einer Kläranlage », (fonctionnement d’une installation de clarification), pas de date
[4] Cf. Umweltbundesamt (Agence fédérale allemande de l’environnement) : « Klärschlammentsorgung in Deutschland » (élimination des boues d’épuration en Allemagne), mars 2019
[5] cf. Hoyer, Jens : « Die Kläranlage der Zukunft » (l’installation de clarification du futur), Sächsische.de, mars 2017.
[6] cf. Fraunhofer IGB : « Energieeffiziente Kläranlagen und Biogasanlagen » (installations de clarification économes en énergie et installations de biogaz), juin 2022, page 3.
Chef de projet filtration d'eau
59302 Oelde, Allemagne