• des argiles,
• des limons, des sables,
• du plancton,
• des bactéries,
• des parasites et parfois des virus.

Ces particules peuvent également être générées dans la chaîne de traitement de l'eau,
(par exemples) :

• cas de flocs d'hydroxyde métallique produits dans une étape de coagulation / floculation,
• précipités de carbonate insolubles résultant d'un adoucissement chimique,
• précipité d'oxyde de manganèse formé lors d'une préoxydation.

En complément de sa fonction principale de séparation, ou clarification, la filtration permet également de réaliser des traitements de naturebiologique.
Dans ce cas, la masse filtrante ne limite pas son rôle à celui d'un tamis vis-à-vis des matières en suspension, mais se comporte comme un support permettant l'accrochage et le développement de biomasse active.
C'est grâce à cette propriété des filtres que sont possibles des traitements tels que :
la déferrisation et la démanganisation biologiques,

• la nitrification de l'azote ammoniacal,
• la dénitrification,
• l'assimilation de carbone organique biodégradable.

La filtration est une opération extrêmement courante, qui trouve sa place dans toutes les filières de potabilisation (si l'on exclut le cas des eaux dont les qualités naturellement exceptionnelles permettent une distribution directe, ou après désinfection).

3) Filtration en ligne ("in line filtration" ou "contact filtration").
Dans le cas de la filtration en ligne, le prétraitement se résume à une coagulation, la floculation se déroulant directement dans le filtre (ex 1) ou dans un ouvrage de contact intermédiaire (ex 2).

> ex 1 : coagulation sur filtre :

 
 

> ex 2 : filtration en ligne avec contact intermédiaire :

• de la vitesse de filtration, exprimé par le quotient du débit (Q) sur la surface de la masse filtrante (Sf), soit V(m/h) = Q(m₃/h) / Sf(m²),
• des pertes de charge (perte d'energie potentielle se traduisant par une différence de niveau d'eau) qu'ils occasionnent,
• du cycle de filtration (durée de fonctionnement entre deux opérations de lavage).

Développée au XIXème siècle, la filtration lente sur sable (quelques mètres par m² et par jour) reproduit le phénomène naturel de la percolation des eaux pluviales à travers les sols.
Cette technique permet d'obtenir des eaux d'excellente qualité, mais nécessite la mise en oeuvre de surfaces de filtration très importantes. En outre, elle n'est pas adaptée au traitement d'eaux turbides.
A la fin du XIXème et au début du XXème siècle, la multiplication des unités de potabilisation conduit au développement de la filtration rapide sur sable.
Les vitesses de filtration mises en oeuvre sont 10 à 100 fois plus importantes que dans le cas de la filtration lente, soit 5 à 6 m³/h / m².
Mais contrairement à la filtration lente, qui constitue dans la majorité des cas un traitement de l'eau à part entière, la filtration rapide implique preque toujours l'utilisation de réactifs chimiques, et de traitements en amont du filtre (coagulation, floculation, décantation).

Bien que connus depuis le début du siècle, les filtres multicouches (constitués de plusieurs couches de matériaux filtrants de granularité et/ou de nature différente), et principalement bicouche, n'ont été sont qu'au cours des années 1960. Ils offrent une alternative techniquement intéressante aux filtres monocouche à sable, car ils permettent de filtrer à des vitesses plus importantes, ou encore de traiter des eaux plus chargées en matières en suspension, et ce, par filtration directe.

Filtres ouverts :
Un filtre de ce type (conception française) est constitué le plus généralement d'un bassin rectangulaire en béton armé - divisé en deux compartiments horizontaux par un faux-plancher situé à quelques décimètres au-dessus du radier.
Un matériau filtrant (le plus souvent du sable) est déposé sur ce faux-plancher et constitue un lit dont l'épaisseur est de l'ordre de 1 m, (de 0,70, à 1,20m).

Exemple de filtre (coupe schématique) :
Avec:

1	Admission de l'eau
2	Sable filtrant
3	Plancher de béton
4	Crépines (passage de l'eau filtrée, ainsi que de l'eau et de l'air de lavage)
5	Poutres de soutien
6	Sortie de l'eau filtrée et admission de l'eau de lavage
7	Admission de l'air de lavage
8	Goulotte d'évacuation des eaux sales de lavage

L'eau décantée est admise au-dessus du lit filtrant, traverse celui-ci de haut en bas, traverse également le faux-plancher qui comporte les dispositifs nécessaires à cet effet, et pénètre dans le faux fond (entre faux-plancher et radier) d'où, filtrée et débarrassée de ses impuretés les plus fines, elle est évacuée à l'extérieur.

Filtres sous pression :
Les filtres de ce type sont en cuves fermées, cylindres, horizontaux ou verticaux, suivant les surfaces de filtration désirées, et fonctionnant sous pression.
Dans ces filtres fermés, les dispositifs de régulation sont adaptés à leur mode de fonctionnement, et les planchers filtrants souvent remplacés par des raquettes perforées, munies elles-mêmes de buselures ou simplement noyées dans du gravier.

Exemple de filtre (coupe schématique) :
:

COLMATAGE ET REGULATION DES FILTRES.
Le mécanisme de la filtration consiste dans l'adsorption et la rétention sur les grains de matériaux filtrant des particules floculées.
Ce phénomène a pour conséquence, un grossissement des grains réduisant la dimension des espaces interstitiels et la section de passage offerte à l'eau.
Le "colmatage" qui se produit ainsi accroît la perte de charge due au fonctionnement du filtre.

La perte de charge se manifeste, le filtre étant en fonctionnement à un débit donné, par la différence de niveau entre le plan d'eau sur le filtre et le plan d'eau dans une cuve de réception d'eau filtrée, à la sortie du filtre.

Les filtres peuvent fonctionner selon deux modes :

• Filtres à vitesse décroissante :
Au cours d'un cycle de filtration, la perte de charge dans le lit filtrant augmente.
Si la perte de charge totale disponible est fixée, et en l'absence de système de régulation de la vitesse de filtration, le débit d'eau filtrée tend naturellement à diminuer au fur et à mesure de la rétention des particules.
Parallèlement, le niveau d'eau au-dessus de la masse filtrante s'élève jusqu'à un niveau limite, à partir duquel le lavage du filtre est déclenché.
Les filtres fonctionnant sur ce principe sont parfois appelés filtres à niveau variable ou encore filtres à encrassement ("declining rate filters").
Dans les installations utilisant cette technique de filtration, le débit total est réparti entre tous les filtres, qui travaillent à une vitesse de filtration différente selon leur degré de colmatage.

• Filtres à vitesse de filtration constante :
Ces filtres sont équipés de systèmes de régulation, permettant de maintenir la vitesse de filtration à une valeur constante, malgré le degré de colmatage.

La régulation peut être basée sur :

• la détection d'une élévation du plan d'eau au-dessus du filtre {régulation amont),
  Dans ce cas, l'alimentation du filtre en eau floculée est assurée, par déversoir ou orifice calibré, de telle manière que chaque filtre reçoive un débit d'eau en principe constant (égal au quotient du débit général par le nombre de filtres en service).
• la détection d'une diminution du débit d'eau filtrée (régulation aval),
  Dans ce cas, l'alimentation en eau floculée de chaque bassin filtrant est libre et le contrôle de l'organe compensateur est assuré par le plan d'eau dans la cuve de réception, équipée en cuve de jaugeage par déversoir ou orifice calibré.

Les systèmes de régulation les plus efficaces assurent à la fois un débit d'eau filtrée constant, et un niveau d'eau fixe au-dessus du matériau filtrant.

• lorsqu'une consigne de perte de charge maximale est atteinte,
• en cas de dégradation de la qualité de l'eau filtrée,
• par horloge.

Lorsqu'un filtre est mis à l'arrêt pour lavage, en période de production d'une installation comprenant N filtres, la totalité du débit est répartie sur les (N-1) filtres restant en service ; pour des raisons évidentes,
le sur-débit accepté par ces (N-1) filtres doit rester raisonnable.
C'est pourquoi, une unité de traitement destinée à produire 24h/24 devra comporter un nombre suffisant de filtres. Pour une petite unité de traitement comportant moins de 4 filtres, le lavage sera effectué hors des périodes de production.

Le lavage est réalisé à contre courant du sens de filltration, à l'aide d'eau filtrée, avec ou sans procédures auxiliaires (air, balayage de surface du matériau).

Les différentes procédures habituelles d'un lavage peuvent être :

• 1ère phase : détassage,
  Injection d'air à contre courant, dans le but de détasser le lit de matériau qui s'est progressivement compacté au cours du cycle de filtration.
  
• 2ème phase : lavage,
  Lavage à contre-courants simultanés d'air et d'eau filtrée.
  Pendant cette phase, les forces de cisaillement exercées sur les dépôts, conjuguées aux frottements des grains entre eux, permettent de décoller les particules ayant adhéré aux grains au cours du cycle de filtration.
  
• 3ème phase : rinçage,
  Injection d'eau seule, à une vitesse supérieure à celle de la phase de lavage.
  Cette phase de rinçage a pour objet d'entraîner hors de la masse filtrante les matières en suspension décrochées lors de la phase de lavage air + eau.

Le lavage d'un filtre à sable selon cette technique (air + eau) nécessite au total un volume d'eau de lavage d'environ 4 m³/m² de surface filtrante.
Dans ces conditions, à raison d'un lavage par filtre et par 24 heures, la perte en eau due au lavage s'élèvera à environ 3 % de la production.

Nota : lien vers des filtres sous-pression de technologie OTV (Wéolia Water Techologies).