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. Cette section explique le processus de filtration qui peut être utilisé en milieu rural pour améliorer la qualité de l’eau.
La filtration permet d'extraire les particules de l'eau. Chaque système de filtration est conçu en fonction d'une utilisation de l'eau déterminée (par exemple, usage domestique, eau potable, agriculture, industrie, etc.). Les deux types courants de matériaux filtrants sont le charbon et le duo sable/gravier. On utilise ces matériaux filtrants dans les filtres rapides traditionnels et les filtres biologiques.
Filtres rapides traditionnels
- le matériau filtrant capte les particules
- l'eau passe à travers le filtre assez rapidement
Filtres biologiques
- le matériau filtrant capte les particules
- l'eau passe à travers le filtre plutôt lentement
- l'eau est de plus purifiée par des organismes vivants
Il existe plusieurs autres types de matériaux filtrants (par exemple, anthracite, sable vert) selon le type de traitement d'eau recherché. L'eau traitée à l'aide de n'importe quel type de filtre doit être purifiée ou désinfectée avant d'être considérée saine à boire.
Filtres rapides traditionnels
Filtre à sable traditionnel
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. L'eau filtrée est recueillie dans un tuyau et acheminée vers la prochaine étape de traitement.
Le sable et le gravier captent :
- les petits insectes et organismes
- les algues
- le zooplancton
- les poussières en suspension
- les particules de « floc » formées par un prétraitement de coagulation
- toute autre particule plus grosse présente dans l'eau
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. Une fois le filtre nettoyé, il fonctionne à nouveau normalement. Après la filtration sur sable, l'eau doit être soumise à des procédés de traitement supplémentaires, comme la désinfection, avant d'être jugée potable ou propice à l'utilisation domestique.
Filtre au charbon traditionnel
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. Ce procédé aide à éliminer la couleur, le goût, l'odeur et les autres problèmes liés à la matière organique. La surface irrégulière et fissurée d'un gramme de charbon représente une superficie d'environ 600 à 1000 mètres carrés. Les micro-organismes se développent à l'intérieur des fissures en se nourrissant des nutriments contenus dans l'eau et des particules fixées au charbon.
Les caractéristiques fondamentales des filtres au charbon sont :
- le type de charbon actif en grain
- la durée du contact (c’est-à-dire, la durée de l'exposition de l'eau au charbon)
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. Le filtre laisse passer certains organismes et matières solubles (par exemple les bactéries et le calcium).
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. Une fois que le charbon atteint sa capacité d'adsorption, on dit qu'il est « épuisé ». Les matières organiques passent alors à travers le filtre, ce qui cause des problèmes de qualité de l'eau. Les filtres domestiques s'épuisent en un ou deux mois. Il faut remplacer ou régénérer le charbon épuisé, car le nettoyage à contre-courant ne remédie pas à l'épuisement. Seules les grandes usines municipales de traitement des eaux ont la capacité de régénérer le charbon. L'eau soumise à une filtration au charbon efficace doit être désinfectée et purifiée avant d'être potable ou propice à l'utilisation domestique.
Filtres biologiques
Filtre à sable biologique
Les filtres à sable lents biologiques fonctionnent principalement grâce à l'activité biologique, mais également au captage de particules dans le filtre à sable.
Les caractéristiques fondamentales des filtres à sable biologiques sont :
- le sable fin
- la vitesse de filtration lente et continue
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. La lenteur du débit de filtration (0,1 à 0,3 mètre par heure) et le film biologique rendent ce type de filtre très efficace pour extraire les particules minuscules de l'eau.
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. Le filtre laisse passer certains organismes et matières solubles (par exemple, les bactéries et le calcium). À force de fonctionner, le filtre finit par s'obstruer. L'eau ne réussit plus à passer lorsque le film biologique devient trop épais ou dense. Pour remédier à l'obstruction, il faut enlever le film biologique et gratter les premiers centimètres de sable.
Les filtres à sable lents ne fonctionnent pas bien si l'eau brute est trop sale ou trouble. Après la filtration biologique à sable lente, l'eau doit être soumise à des traitements supplémentaires, de désinfection notamment, avant d'être potable ou propice à l'utilisation domestique.
Filtre au charbon biologique
Le fonctionnement des filtres au charbon biologiques est semblable à celui des filtres au charbon traditionnels :
- l'eau passe lentement à travers un filtre au charbon actif en grain;
- les matières organiques solubles se fixent au charbon.
La différence entre les filtres au charbon biologiques et traditionnels est que les premiers sont conçus pour tirer profit de l'activité biologique. Les caractéristiques fondamentales des filtres au charbon biologiques sont :
- le type de charbon actif en grain;
- la durée du contact (c’est-à-dire, la durée de l'exposition de l'eau au charbon);
- l'activité biologique continue.
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. Le filtre laisse passer certains organismes et matières solubles (par exemple, les bactéries et le calcium).
Description de l'image ci-dessus
De petits micro-organismes présents dans les cercles fleurissent dans les crevasses des granules de carbone.
La biodégradation demande une durée de contact de 30 à 60 minutes (ce délai est encore plus long dans le cas de filtres domestiques); par conséquent, les grains de charbon actif des filtres biologiques sont bien plus gros que ceux des filtres au charbon traditionnels. Un filtre au charbon biologique bien conçu peut fonctionner efficacement durant sept ans avant que l'on doive remplacer le charbon, alors que les filtres au charbon traditionnels s'épuisent en un ou deux mois. 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. Le nettoyage à contre-courant périodique des filtres par soufflerie d'air et retour d'eau extrait les particules et les micro-organismes en décomposition accumulés des filtres au charbon biologiques. Le nettoyage à contre-courant n'élimine pas la matière adsorbée sur le charbon. L'eau soumise à la filtration biologique au charbon actif en grain doit être désinfectée et purifiée avant d'être potable ou propice à l'utilisation domestique.
