FILTRATION

Généralités. — La filtration est le mode de purification des eaux le plus employé. Plus rapide et souvent plus complet que la décantation, il permet de dépouiller une eau louche ou trouble de ses substances en suspension.

En même temps, mais c'est là un point secondaire, dans le plus

grand nombre des cas, il peut enlever à l'eau une partie de ses substances en dissolution.

Les nombreuses discussions qu'ont soulevées les questions dalimentation des villes ont abouti à cette conclusion que l'eau potable devait être prise de préférence dans les sources, qui fournissent presque toujours des eaux plus agréables, plus fraîches et plus limpides que les eaux de rivières.

La filtration en grand des énormes quantités d'eau qu'exigent les grandes cités est un problème souvent insoluble et l'on voit des villes comme Paris éluder cette difficulté en allant chercher au .loin, à l'imitation des Romains, les eaux potables qui leur sont nécessaires.

Indépendamment d'une plus grande pureté et d'une constance de température assurée, le coût de cette eau amenée, cependant à grands frais, par de longs aqueducs, est souvent moindre que celui d'une eau qui serait empruntée aux fleuves et devrait subir une clarification complète par le filtrage.

L'industrie n'a pas les mêmes raisons de préférer à l'eau de rivière l'eau des sources ou des puits ; aussi emploie-t-elle largement la filtration comme méthode d'épuration. Il en est de même de nombre de villes, que certaines raisons, parmi lesquelles on peut placer en première ligne les raisons économiques, forcent à introduire Teau de rivière dans l'alimentation.

Matières filtrantes. — Les substances employées à la filtration des eaux sont très nombreuses et ont des actions très diverses.

Parmi les plus économiques et les plus employées, on trouve les cailloux, le gravier, le sable, le grès pulvérisé, les scories, le mâchefer, la ponce ; puis des substances fibreuses, animales, végétales ou minérales, comme le poil de vache, la laine, le crin, la ton tisse de draps, le coton, la ouate, les copeaux ou fibres de bois, la paille, la pâte à papier, les substances dites : laines ou cotons minéraux, laines de scories, laines de verre, l'amiante ; les éponges, fréquemment employées à cause de leurs qualités spéciales, malgré leur coût relativement élevé. On emploie également les tissus de coton, de drap, de flanelle, d'amiante, les feutres, les papiers de fibres végétales ou de tontisse de draps.

non collés ; les plaques ou vases poreux de terre cuite, de plâtre, de sable aggloméré au silicate de soude, les pierres poreuses; grès filtrants, pierre de lieds.

D'autres substances employées comme filtres exercent ou contribuent à développer des actions chimiques assez énergiques en même temps qu'elles retiennent les matières en suspension, tels sont : les charbons de bois ou d'os, en fragments, en poudre ou agglomérés.

Enfin on fait usage de substances qui ne jouent qu'accessoirement le rôle de filtres et auxquelles on demande surtout une action chimique comme chaux, carbonate de baryte, fer en limaille ou tournure, oxydes de fer, etc.

Action des filtres sur les matières en suspension. — Les filtres agissent sur l'eau de dilTérentes façons, selon leur composition ; les tissus, les terres cuites agissent principalement par leur surface. Présentant aux substances en suspension des pores étroits, ils s'opposent plus ou moins efficacement à leur passage. Il s'ensuit un encrassement rapide de cette surface et la nécessité de nettoyages fréquents. On n'obtient de grands débits qu'en développant le plus possible les surfaces.

Les fibres jouent un rôle intermédiaire entre celui des étoffes et celui du sable et se rapprochant plus ou moins de l'un ou de l'autre, selon qu'on les comprime plus ou moins fortement.

Les éponges attirent dans leur masse les impuretés insolubles, s'en imprègnent, elles agissent souvent d'une façon très commode, mais ont l'inconvénient de nécessiter des nettoyages fréquents et parfois fort difficiles. Certaines eaux les putréfient, les rendent glaireuses et les mettent rapidement hors de service.

Etude analytique de Taction des filtres à sable. — Le sable, le gravier et autres matériaux incohérents du même genre ont un rôle plus complexe dans la filtration que les tissus ou terres cuites.

A surface égale et toutes choses étant égales d'ailleurs, ces filtres débitent plus d eau limpide que les filtres d'étoffes ou de corps poreux, ce qui tient à ce qu'ils agissent par leur masse.

En analysant leur fonctionnement, on voit qu'ils retiennent les corps en suspension de différentes façons :

1® Filtration par la surface ou tamisage, — Une partie des impuretés s'arrête dans les interstices laissées par les éléments de la première couche que rencontre le liquide : couche supérieure si le liquide va de haut en bas ; couche inférieure dans le cas contraire. Une certaine quantité qui a trouvé des pertuis suffisants continue sa route et s'arrête enfin dans la masse. Peu à peu cette première couche s'obstrue en arrêtant les impuretés les plus grosses qui ne peuvent franchir ses pores, puis il se forme par l'arrêt d'autres substances plus fines, une couche filtrante qui devient le véritable agent de la clarification. Le débit diminue considérablement et un nettoyage devient nécessaire.

On prolonge l'action du filtre en le composant d'éléments de grosseurs décroissantes ; les premières couches ne se chargent plus alors que des impuretés les plus grossières. D'autre part, leurs pores étant plus gros, elles sont plus longtemps à s'obstruer. Il se fait dans la masse du filtre un classement des dépôts par ordre de grosseur et le fonctionnement se trouve prolongé.

2^ Filtration pai' dimintiiion de la section offerte. — Les fragments composant le filtre ne sont pas absolument réguliers ; leur disposition respective varie, il arrive donc qu'une parcelle de substance a pu rencontrer dans un certain nombre de couches des passages suffisants et qu'elle se trouve bloquée finalement dans un pertuis plus étroit, où elle s'arrête et peut contribuer ellemême à l'arrêt d'autres corpuscules.

3** Filtration par les chocsy changement de direction. — Certains précipités chimiques ne deviennent rapidement visibles que par l'agitation. Disséminés d'abord dans la masse liquide, on voit leurs molécules s'agglomérer et se former en flocons plus ou moins gros, qui s'attachent aux parois des vases ou prennent une densité suffisante pour tomber au fond.

Les filtres à sable, gravier, grès, etc., agissent de cette façon; par suite des chocs et des changements de direction, les précipités agglomérés se collent aux surfaces des éléments incohérents au milieu desquels ils circulent et y restent malgré le courant.

4** Action de Masse, — On peut admettre que les éléments des

filtres retiennent les substances solides ou gazeuses qui arrivent à leur contact, grâce à l'attraction non douteuse qu'exerce leur masse sur les petites particules cheminant au milieu d'elles, mais cette action n'est efficace que si d'autres amènent le contact de ces particules et des éléments du filtre, sans cela les microbes ou leurs germes seraient retenus plutôt que les autres substances, puisqu'ils ont une moindre masse, et cette action n'est qu'accessoire, autrement les filtres formés de corps de grande masse seraient plus efficaces que ceux dont les éléments ont une masse faible.

5** Filtration par décantation, — Il s'opère dans les filtres une décantation rapide. Cette action est mise en évidence par les expériences suivantes de MM. A. Vancklyn et Th. Chapmann*.

« Lorsqu'on ajoute à une eau séléniteuse, disent ces auteurs, une petite quantité de carbonate de soude, dans le but d'empêcher les dépôts calcsdres, on remarque que le précipité de carbonate de chaux, comme tous les précipités en général, se dépose graduellement.

€ La partie supérieure s'éclaircit la première ; le précipité continue à descendre, une seconde couche, puis une troisième, etc., s'éclaircissent jusqu'à ce que tout le précipité soit déposé. Si l'on a pris 15 à 20 litres d'eau dans un grand vase en verre, il faut environ six heures pour que tout le carbonate se dépose.

« Si maintenant on divise le vase en six tranches, au moyen de diaphragmes placés horizontalement, il est évident que le liquide sera bien plus vite clair puisque le dépôt de la première couche ne se formera pas dans la seconde, puis dans la troisième, etc., mais que chaque couche pourra s'éclaircir en même temps.

« Il ne faudra donc que le sixième du temps pour que le dépôt du précipité puisse s'effectuer et l'expérience ne dure plus, en effet, qu'une heure.

« Dans le but d'essayer plus complètement cette méthode, nous avons fait construire une caisse de bois ayant une base de 88 centimètres carrés et une hauteur de 50 centimètres. Cette caisse était divisée en tranches horizontales au moyen de 24 plaques de

* Analyse des eauxy par MM. Wancklyn et Chapmann. Moniteur scientifique, Quesneville, année 1881, p. 7.

zinc percées chacune de six trous de 2 centimètres placés sur le tour et ne correspondant pas dans le sens vertical.

« On fît une seconde boite semblable, quant aux dimensions, mais sans diviser cette dernière au moyen de plaques.

« Les choses étant ainsi disposées, on fît arriver dans les deux bottes de Teau contenant de la craie en suspension; cette eau mit huit heures à s*éclaircir dans la boite sans plaques et trentecinq minutes seulement dans l'autre boite.

€ On put même se servir de la caisse divisée pour clarifier continuellement de Teau trouble, et on obtint ainsi SO litres d'eau filtrée par heure. En augments^nt la vitesse on n'obtint plus que de l'eau trouble.

« Pour rendre plus complète l'analogie entre l'action du filtre par dépôts successifs et le filtre de sable, on fit l'expérience suivante :

c La caisse, qui avait été laissée telle quelle, fut remplie de morceaux d'ardoise, qui devaient présenter une grande surface pour le dépôt, puis on envoya de l'eau trouble. On vit alors qu'on pouvait faire passer dans ce filtre une plus grande quantité d'eau que dans le cas où on avait employé des plaques de zinc. Cependant, lorsque la vitesse était supérieure à 68 litres par heure, l'eau sortait assez trouble, et si l'on augmentait la vitesse jusqu'à 80 litres par heure, elle le devenait complètement. »

L'analyse de ces phénomènes indique bien qu'il y a une décantation dans le filtre formé de matériaux incohérents de gros échantillon, comme dans la cuve cloisonnée. Il n'y a pas de raisons pour qu'il n'en soit pas de même dans les filtres à gravier et à sable.

Fonctionnement des filtres sans pression et à pression. — La filtration peut s'effectuer sous une pression plus ou moins élevée, d'où la classification des filtres, en filtres ordinaires sans pression et en filtres à pression. On entend par les premiers, ceux dans lesquels la surface de la couche liquide en contact avec le filtre communique librement avec l'atmosphère. Dans les seconds, la couche filtrante est enfermée dans un récipient, le plus souvent métallique, où l'eau, amenée par un tuyau, transmet une pression relativement élevée.

lo2 EPURATION DES EAUX

On pourrait ajouter à ces deux classes de filtres celle, moins importante, des filtres à dépression, où Ton favorise le mouvement du liquide au moyen du vide.

Quelle que soit la pression dans le filtre, la vitesse du liquide dépend de la différence de pression de Teau à Tentrée et à la sortie et de la perte de charge due à la résistance de la matière filtrante.

Dans les filtres opérant par tamisage (filtres en terre cuite par exemple), en augmentant la pression à l'entrée, celle de sortie restant identique, on augmente la vitesse et le rendement du filtre, sans que la filtration soit moins efficace. Quelle que soit la poussée exercée, les pores du filtre continuent à ne pas livrer passage aux corpuscules dont les dimensions sont supérieures aux leurs, et Taugmentation de débit n'entraîne pas une diminution de pureté.

Il en est autrement des filtres à gravier, sable, etc., agissant, comme nous l'avons vu, par toute leur masse. L'arrêt des impuretés dû à la décantation et à l'adhérence aux surfaces frottées par le liquide ne se fait plus quand on a atteint une certaine vitesse et le liquide passe trouble.

Une augmentation brusque de pression de l'eau à filtrer, dans un filtre de ce genre, amène forcément le passage d'eau trouble si le filtre fonctionnait à une vitesse voisine de la vitesse-limite.

Dans un filtre à sable, on peut augmenter graduellement la pression dans certaines conditions et arriver finalement à une pression bien supérieure à celle que l'on aurait pu donner dès le début, mais cela tient évidemment à Taugmentation de résistance du filtre due à l'encrassement ; la pression augmente, mais la vitesse ne varie pas et Jes dépôts ne sont pas entraînés.

Les filtres dits sans pression sont le plus comunément employés par les grandes installations comme celles que nécessite l'approvisionnement des villes. On les retrouve avec de moindres dimensions dans les usines et surtout dans les habitations particulières. Les filtres à pression sont surtout des appareils d'industrie. Ils sont entrés dans les usages domestiques avec l'emploi des terres cuites poreuses.

Les dispositions des filtres sont très variables. Ils peuvent

PROCÉDÉS EMPLOYÉS A L'ÉPURATlOiN DES EAUX 153

être construits de façon à ce que le courant d'eau qui les traverse soit vertical, ascendant ou descendant, ou encore horizontal.

On cherche autant que possible à faciliter leur nettoyage au moyen de courants inverses, comme nous le verrons à l'article spécial que nous consacrons à la description des filtres les plus répandus.

Actions des filtres sur les corps en dissolution. — Les filtres ont une action sur les corps en dissolution dans Teau, analogue à celle qu'exercent les terres sur les eaux qui se trouvent en contact avec elles. L'attraction exercée sur les substances en solution, faible pour certains corps constituant les filtres, comme le sable par exemple, peut être considérable pour d'autres, comme le noir animal qui absorbe énergiquement certains gaz, substances organiques ou sels minéraux contenus dans l'eau. Par suite de l'état particulier où se trouvent alors ces substances, leur composition chimique peut être modifiée. On sait que l'occlusion exalte les propriétés de certains gaz. L'hydrogène occlus du palladium est un exemple typique de ce fait. Il en est de même de l'oxygène absorbé par le charbon.

La substance du filtre exerce donc sur le liquide qui passe à son contact une sélection qui en change la teneur en éléments dissous, et, grâce à elle, il se passe des réactions chimiques qui modifient la nature de ces substances.

D'après WalkhofT, le charbon animal absorbe les phosphates en grande quantité, beaucoup moins les chlorures alcalins et le salpêtre. D'après MM. Leplay et Cuisinier qui ont étudié l'action du noir animal sur les jus sucrés, ce produit possède trois propriétés qui s'épuisent successivement par le travail.

l^ La propriété absorbante des matières visqueuses azotées ;

2** La propriété absorbante pour les alcalis libres, les sels de chaux, les matières salines ;

3"* La propriété absorbante pour les matières colorées.

On a pu voir dans les expositions d'hygiène récentes des filtres formés de noir animal en grains plus ou moins gros, et d'amiante imprégnée et recouverte de charbon très fin, dépouiller l'eau de la presque totalité de ses microbes et lui enlever une partie de la

154 EPURATION DES EAUX

chaux, de la magnésie, de rammoniaque, du fer qu'elle contenait et même la débarrasser de sels métalliques (plomb, zinc) introduits à dessin pour prouver la puissance épurante du filtre.

MM. A. Wancklyn et Ghapmann {loco citalo) ont fait une série d'expériences pour déterminer Faction du noir animal sur les substances azotées.

Ils firent passer sur un filtre de charbon poreux, de 1 décimètre de hauteur, une eau ayant la composition suivante :

Sur un litre.

Ammoniaque libre 0™»,02

— des matières albumliioîdes 14

C'est-à-dire une eau chargée de matières azotées, mais contenant peu d'ammoniaque libre.

Après trois filtrations, on eut les résultats suivants.

Sur un litre.

Ammoniaque libre 0"*,14

— des matières azotées 01

En employant de la même manière des solutions étendues d'urine, de lait, on obtint un résultat analogue, c'est-à-dire une destruction des matières organiques azotées avec production d'ammoniaque comme résultat de leur destruction.

La filtration était très rapide et la destruction l'était également. Ainsi, dans l'exemple cité plus haut, on régla la vitesse de manière à faire passer 225 centimètres cubes en une minute.

Les mêmes chimistes ont essayé la puissance oxydante du filtre de charbon sur diverses substances organiques, ils employèrent pour cela un filtre de 13 décimètres d'épaisseur.

Dans une eau contenant :

Par litre.

Ammoniaque libre 0^,00

— des matières azotées 04

On fit dissoudre 14"^,2 de sulfate de quinine par litre ; la liqueur ainsi obtenue a donné au titrage.

Par litre.

Ammoniaque libre 0"s,00

— des matières azotées 48

Le filtre fut mouillé avec de l'eau pure, puis lorsqu'il eut été bien égoutté, on y versa de la solution de sulfate de quinine ; le premier litre de la liqueur filtrée fut rejeté (eau déplacée par le* sulfate de quinine). On a essayé ensuite successivement chaque demilitre de liqueur filtrée et on obtint les résultats suivants :

SUR UN UTRE

Ammoniaque libre. Ammoniaque des matières azotées.

No 1 0'»?,24 0«|Ç,04

La substance azotée fut donc détruite et la liqueur filtrée ne contenait presque plus de sulfate de quinine.

On réussit de la même façon à enlever la morphine à une solution de 1*',320 de chlorydrate de morphine dans un litre d'eau.

Dans une solution de S*', 739 de chlorydrate de morphine dans 3 litres d'eau, on enleva les 29/30™" de la morphine par 6 passages successifs à travers le filtre.

Le même filtre ayant servi à la morphine enleva à l'eau, contenant 0'', 1263 de strychnine par litre, Talcaloïde qu'elle contenait, au point que les expérimentateurs purent en boire, sans le moindre inconvénient, 300 centimètres cubes qui, sans la filtration, eussent contenu iO'"^ de strychnine, dose toxique.

Effet comparatif des divers filtres sur les substances en solution. — M. Witt a fait une série d'expériences intéressantes sur l'effet comparatif des filtres à sable et à charbon sur les matières en dissolution dans l'eau.

Sur un. filtre formé de morceaux de charbon de bois de la grosseur d'une noix, on fit passer de l'eau de la Tamise qui, avant filtration, contenait :

Sur 1000 parties.

Résidu solide d'évaporatioa • 35,1

Sels minéraux 33,7 dont 2,00 de chlorure de sodium.

Matières organiques 1,3

EPURATION DES EAUX

On trouva les résultats suivants,' en rapportant à 100 parties de chacun des principes étudiés.