Traitement de l'eau potable : les différents types de filtration

La filtration désigne l’épuration de substances liquides ou gazeuses au moyen de divers procédés de filtration. La filtration est un procédé de séparation mécanique basé exclusivement sur un processus physique. Dans ce contexte, les termes filtration et filtrage sont considérés comme équivalents. La filtration est indispensable pour le traitement de l'eau potable. C'est la seule façon d'assurer une protection fiable contre les germes et bactéries nocifs.

Traitement de l'eau potable : zoom sur la propreté de l'eau

La filtration de l’eau permet d’éliminer les hormones, les pesticides, les nitrates, les nitrites, les résidus de médicaments et éventuellement les métaux lourds présents dans l’eau. Le choix d'un procédé de filtration particulier dépend de la qualité de l'eau brute et des exigences vis-à-vis du produit final (eau potable, eau de process, eau à usage médical).

Les filtres sont utilisés par les fournisseurs d'eau pour le traitement de l’eau potable fournie aux municipalités conformément à la législation sur l'eau potable. Pour des raisons d'hygiène, de plus en plus de particuliers utilisent également des filtres à eau supplémentaires.

Les principes de base de la filtration de l'eau

La filtration de l'eau est un élément central du traitement de l'eau potable. Elle sert à éliminer les impuretés de l'eau et à la rendre sûre d’utilisation. Il existe différentes méthodes de filtration, qui sont utilisées en fonction du type d'impuretés et du niveau de pureté de l'eau souhaité.

Les trois principales méthodes de filtration sont les suivantes :

• La filtration de surface
• La filtration en profondeur
• La filtration sur support

La filtration de surface
 

La filtration de surface s’effectue dans de grands bassins ou cuves de filtration remplis d'un milieu filtrant tel que du sable, du gravier ou du charbon actif. En raison de leur taille, les particules sont retenues directement à la surface du milieu, car leur diamètre est supérieur à la taille des pores du milieu filtrant.

Ce type de filtration ne nécessite généralement qu'une couche peu profonde de milieu filtrant et peut également être réalisé avec des membranes très fines. Les filtres à membrane, dont les pores ne dépassent pas 0,2 μm, sont principalement utilisés pour la filtration de grade stérile dans le secteur médical pour fournir une protection fiable contre les germes hydriques, tels que les légionelles ou les Pseudomonas. Les filtres en tissu sont utilisés dans les stations d'épuration, par exemple.

Exemples : filtres à membrane, cartouches filtrantes, micro-tamis, filtres en tissu

La filtration en profondeur
 

Pendant le processus de filtration, l'eau s'écoule à travers le milieu filtrant. Les plus grosses particules sont retenues dans les couches supérieures et les plus petites dans les couches profondes. Le diamètre des particules est inférieur au diamètre des pores, de sorte que les particules pénètrent dans les pores et sont retenues dans le milieu filtrant.

La filtration en profondeur nécessite une couche filtrante de matériaux granuleux en vrac d'une épaisseur considérable, généralement de 1 à 2 mètres, pour isoler efficacement les particules de la phase aqueuse. Cette méthode est particulièrement adaptée aux applications polluantes pour lesquelles les méthodes de filtration superficielle telles que les filtres à membrane ne sont pas suffisantes en raison de leur durée de vie limitée.

Ce type de filtration assure un haut degré d’épuration en éliminant les particules très fines.

La Filtration sur support
 

La filtration sur support combine des éléments de la filtration de surface et de la filtration en profondeur. Les particules retenues forment un gâteau de filtration sur le milieu filtrant. Ce gâteau de filtration, dont l'épaisseur et la densité peuvent varier selon l'application et le type de particule, contribue à la séparation des particules ou forme la couche filtrante proprement dite. Il augmente la résistance au débit d'eau et augmente ainsi la pression dans le système de filtration.
 

La filtration sur support nécessite un milieu filtrant qui laisse passer le liquide et retient les solides, ainsi qu’une différence de pression. Le milieu filtrant peut être plat (textile et treillis métallique, papier ou carton) ou disposé en couche (couches de sable ou d’aggloméré).

Cette méthode est utilisée dans divers domaines, par exemple dans les stations d'épuration, où elle contribue à séparer efficacement les solides de l'eau.

Méthodes de filtration particulières

Outre les méthodes de filtration classiques, il existe des procédés de filtration spéciaux qui conviennent particulièrement à certaines applications en raison de leurs propriétés et mécanismes uniques. Parmi ces méthodes de filtration spéciales, on compte la filtration sur membrane et la filtration au charbon actif. Ces deux méthodes ont fait leurs preuves dans différents domaines et offrent des solutions efficaces pour l'élimination des impuretés au niveau microscopique. Les sections suivantes présentent ces deux méthodes de filtration plus en détail avec leurs applications, leurs avantages et leurs fonctionnalités.

La filtration sur membrane
 

Dans la méthode de filtration sur membrane, l’eau est filtrée à travers une fine paroi à pores fins (la membrane) qui, selon la nature de la membrane, peut retenir les particules les plus petites, telles que les virus et les bactéries. On parle alors de filtration de grade stérile. La majorité des filtres à membrane est constituée de matériaux polymères, c'est-à-dire de plastiques. Certains secteurs utilisent également des membranes céramiques ou métalliques.

On distingue différents procédés membranaires, tels que la microfiltration (MF), l'ultrafiltration (UF), la nanofiltration (NF) et l'osmose inverse (RO). Les deux premiers procédés peuvent être décrits comme des tamis fins à action mécanique, composés de membranes fabriquées artificiellement avec un diamètre de pore défini. Il est important pour le bon fonctionnement de la membrane que le diamètre des pores augmente dans le sens de la purification de l’eau. La nanofiltration et l'osmose inverse utilisent des membranes (respirantes) denses à diffusion ouverte.

Le principe de l'osmose inverse a été découvert dans les années 1950 dans le cadre du dessalement de l'eau de mer. C’est une méthode éprouvée, qui permet par exemple de générer de l’eau potable presque 100 % pure à partir d’eau de mer. Dans le cadre de ce processus, l'eau est pressée à travers une membrane synthétique semi-perméable qui laisse passer uniquement les molécules d’eau et ce, dans une seule direction.

Il existe différentes géométries de membrane, telles que la membrane de surface, la membrane à fibres creuses, les monocanaux, les éléments multicanaux, les disques et les membranes à poche. Pour assurer l'hygiène de l'eau dans le secteur médical, on utilise principalement des membranes à fibres creuses utilisées comme filtres terminaux.
 

Filtration au charbon actif
 

La filtration au charbon actif repose essentiellement sur le principe de l'adsorption. Les polluants tels que les poussières ou les métaux lourds présents dans un liquide ou un gaz sont éliminés au moyen de filtres au charbon actif. Dans le traitement de l’eau potable, les filtres au charbon actif sont utilisés pour la rétention par adsorption des substances organiques et des substances qui donnent une odeur ou un goût à l’eau, ou pour filtrer les résidus de médicaments dans l’eau.

En raison de la technologie d'adsorption utilisée, le pouvoir absorbant du charbon actif étant limité, il est nécessaire de le remplacer ou de le régénérer après la charge. Si un charbon actif n'est pas remplacé ou régénéré à temps, il peut être surchargé et il est alors possible que la concentration du filtrat en substances indésirables soit supérieure à celle de l'eau brute. De plus, le carbone réagit comme un agent réducteur permettant d’éliminer les oxydants tels que l'ozone et le chlore de l'air usé ou des eaux usées. Les filtres au charbon actif sont également proposés avec un noyau composé de membranes, ce qui permet de combiner les avantages des deux types de filtres.

Autres procédés chimiques et biologiques

Il existe par ailleurs divers procédés chimiques et biologiques pour le traitement de l'eau, tels que la désinfection ou l'oxydation biochimique. Tous ces procédés ont leur raison d’être. Le choix de l’un ou l’autre dépend des substances spécifiques présentes dans l'eau à purifier et de la qualité de l'eau souhaitée.

Illustrations adaptées de Förster B, Caesar T: Luftfiltration. In: Reinraumtechnik. Springer 2012