FR2544995A1 - Filtre a plusieurs couches, notamment pour aquarium - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE LES FILTRES. ELLE SE RAPPORTE A UN FILTRE FORME DE PLUSIEURS COUCHES SPIRALEES 7, 8 DONT L'UNE EST UNE MATIERE DE FILTRATION GROSSIERE ET L'AUTRE UNE MATIERE DE FILTRATION FINE. LA DISPOSITION SPIRALEE PERMET UNE CIRCULATION RADIALE ET UNE CIRCULATION TANGENTIELLE, SI BIEN QUE LA PERTE DE CHARGE EST FAIBLE, MEME APRES ENCRASSEMENT. IL EST AVANTAGEUX QUE LA COUCHE DE FILTRATION 8 CONTIENNE DES MICRO-ORGANISMES QUI, EN PRESENCE DE METHANOL, CATALYSENT LA DENITRIFICATION. APPLICATION AUX FILTRES UTILISES POUR L'EPURATION DE L'EAU DES AQUARIUMS.
Description
La présente invention concerne un filtre destiné au traitement d'un ou plusieurs courants de liquide et/ou de gaz, surtout de liquide, le filtre comprenant au moins deux couches de matières de filtration, grossière et fine, qui alternent radialement et qui sont enroulées ensemble en spirale, la matière de filtration grossière et la matière fine ayant une perméabilité permettant le passage de particules relativement grosses et relativement petites respectivement.
Un filtre du type indiqué précédemment peut être considéré comme plus ou moins connu d'après le mode de réalisation de la figure 2 de la demande de brevet japonais n0 56.087415. Ce filtre connu est utilisé pour la purification de l'eau dans un aquarium, les raccordements pour la transmission de l'eau à traiter et l'évacuation de l'eau traitée étant formés aux extrémités opposées d'un ensemble formant filtre de forme pratiquement cylindrique. Un tel filtre connu est réalisé de manière que la couche grossière de filtration permette la retenue des particules grossières et la couche fine celle des particules fines.Un inconvénient de ce filtre connu est que la plus grande partie du liquide à traiter circule uniquement dans le plan d'une couche de filtration grossière, car l'eau a peu tendance à passer à travers la couche de filtration fine et cette tendance diminue encore lorsque la pollution augmente au cours du fonctionnement. En conséquence, les particules relativement petites ne sont pas retirées du liquide.
Le fonctionnement de ce type de filtre connu ne donne pas parfaitement satisfaction.
L'invention concerne un filtre du type indiqué précédemment et qui ne présente#pas ces inconvénients.
Le filtre selon l'invention est réalisé de manière que, jusqu'a' un encrassement très élevé du filtre, la circulation préférentielle de l'eau s'effectue en direction radiale et directement à travers les couches de filtration fines.
Le filtre selon l'invention se caractérise en ce que
- les couches de filtration sont pratiquement composées de fibres et/ou de fils non-tissés de synthèse,
- les couches de filtration grossières ont chacune une épaisseur de 5 à 50 mm alors que les couches de filtration fines ont chacune une épaisseur de 1 à 20 mm,
- a l'état propre et non encrassé, les resistances R1 des couches grossières et R2 des couches fines à la circulation, comme indiqué dans la suite du présent
et
- à l'état propre et non encrassé, les coefficients d'ouverture 0i des couches grossières et 02 des couches fines, comme indiqué dans la suite du présent mémoire sont tels que#0,95 < 01 < 1 et 0,8 < 02 < 1, respectivement,
- a l'état propre et non encrassé du filtre, la perméabilité des couches de filtration grossière et fine , mesurée pour des particules pratiquement sphériques ayant des diamètres D1 et D2 pour les couches gros sière et fine respectivement est telle que D1 < 10 mm et
D2 < 1mm, et
- la construction est telle que l'un au moins des courants massiques à traiter peut être transmis dans l'ensemble spiralé formant filtre à la surface externe de celui-ci et peut être évacué ou renvoyé dans la partie centrale de l'ensemble spiralé formant filtre.
- les couches de filtration sont pratiquement composées de fibres et/ou de fils non-tissés de synthèse,
- les couches de filtration grossières ont chacune une épaisseur de 5 à 50 mm alors que les couches de filtration fines ont chacune une épaisseur de 1 à 20 mm,
- a l'état propre et non encrassé, les resistances R1 des couches grossières et R2 des couches fines à la circulation, comme indiqué dans la suite du présent
et
- à l'état propre et non encrassé, les coefficients d'ouverture 0i des couches grossières et 02 des couches fines, comme indiqué dans la suite du présent mémoire sont tels que#0,95 < 01 < 1 et 0,8 < 02 < 1, respectivement,
- a l'état propre et non encrassé du filtre, la perméabilité des couches de filtration grossière et fine , mesurée pour des particules pratiquement sphériques ayant des diamètres D1 et D2 pour les couches gros sière et fine respectivement est telle que D1 < 10 mm et
D2 < 1mm, et
- la construction est telle que l'un au moins des courants massiques à traiter peut être transmis dans l'ensemble spiralé formant filtre à la surface externe de celui-ci et peut être évacué ou renvoyé dans la partie centrale de l'ensemble spiralé formant filtre.
Un mode de réalisation avantageux de filtre se caractérise, selon l'invention, en ce que sa construction est telle que, par spire du filtre spiralé, le rapport des résistances R1 et R2 à la circulation et les épaisseurs des couches grossière et fine sont tels que la fraction du courant massique total s'écoulant en direction radiale à travers une spire, à l'état propre et non encrassé, est supérieure à 50 % et de préférence à 90 %. Cette fraction du courant massique total par spire peut être calculée approximativement d'après la formule
dans laquelle R1 et R2 sont les résistances indiquées de circulation, S1 et S2 les épaisseurs des couches grossière et fine respectivement, exprimées en mètres, et r le rayon de la spire exprimé en mètres.
dans laquelle R1 et R2 sont les résistances indiquées de circulation, S1 et S2 les épaisseurs des couches grossière et fine respectivement, exprimées en mètres, et r le rayon de la spire exprimé en mètres.
On obtient des résultats favorables avec un filtre selon l'invention dans lequel la couche grossière est formée pratiquement d'un feutre de filaments synthétiques filés à l'état fondu constitués par exemple d'un polyamide ou d'un polyester, les filaments étant sensiblement sinueux et étant fixés les uns aux autres en leurs points de croisement, leur diamètre étant compris entre 0,2 et 1,5 mm. Des feutres de ce type et un procédé de fabrication de tels feutres sont décrits dans le brevet allemand n0 2 530 499.Selon l'invention, la couche de filtration fine est pratiquement formée d'une nappe de fibres dont les fibres, de préférence crepées et qui peuvent etre formées par exemple de téréphtalate de polyéthylène, ont une densité linéaire de 1 à 50 décitex, et sont disposées d'une manière aléatoire telle que la masse volumique est comprise entre 0,01 et 0,25 g/cm2, les fibres étant raccordées les unes aux autres par un agent de liaison qui peut être par exemple à base d'un polyacrylate. Un mode de réalisation efficace se caractérise selon l'invention en ce que le filtre spiralé contient trois à 100 spires et a une longueur, parallèlement à l'axe d'enroulement de la spirale, comprise entre 5 et 500 cm.
Lorsque la matière de filtration fine selon l'invention contient des micro-organismes, le filtre peut être utilisé pour la mise en oeuvre de diverses opérations.
Un mode de réalisation particulièrement favorable se caractérise selon l'invention en ce qu'il contient une certaine quantité de matière organique qui vient au contact du courant massique à traiter, la matière organique pouvant être par exemple à base de méthanol ou de stéarate de calcium et, sous l'influence des micro-organismes qui jouent le rôle de catalyseur, la matière permet une dénitrification des nitrates contenus dans les courants massiques à traiter. Un mode de réalisation simple se caractérise selon l'invention en ce que le filtre contient du méthanol qui est présent dans un réservoir ayant une paroi perméable aux liquides.Le méthanol est alors libéré progressivement par la paroi perméable qui peut être formée par exemple de "Nylon" 6, et il réagit alors avec le nitrate présent dans le fluide à traiter avec formation d'azote gazeux et de C02. Un autre mode de réalisation de filtre se caractérise selon l'invention en ce que des granulés contenant du stéarate de calcium sont répartis dans le filtre. Comme le stéarate de calcium se dissout difficilement, il est aussi libéré progressivement et réagit avec le nitrate présent en formant de l'azote gazeux et C02
Le filtre selon l'invention convient particulièrement bien à la purification de l'eau d'un aquarium, notamment d'eau -de mer, d'une mare à poissons ou de toute autre réserve destinée à contenir des poissons, des tortues ou d'autres animaux aquatiques. Le filtre selon l'invention peut aussi avantageusement être utilisé pour l'enlèvement des particules de poussière des gaz.
Le filtre selon l'invention convient particulièrement bien à la purification de l'eau d'un aquarium, notamment d'eau -de mer, d'une mare à poissons ou de toute autre réserve destinée à contenir des poissons, des tortues ou d'autres animaux aquatiques. Le filtre selon l'invention peut aussi avantageusement être utilisé pour l'enlèvement des particules de poussière des gaz.
Le filtre selon l'invention convient aussi avantageusement à l'exécution de transformation biochimique, par.exemple la transmission de l'ammonium en nitrate, la transformation du sucre en méthane ou en alcool, et des opérations analogues.
Le filtre selon l'invention peut aussi être utilisé pour la suppression, par un processus biologique, des matières donnant des odeurs nauséabondes, présentes dans un courant gazeux. Dans ces deux dernières opéra- tions précitées et dans les procédés de dénitrification, les micro-organismes jouent le rôle d'un catalyseur.
Le filtre selon l'invention est formé d'une combinaison optimale et d'un arrangement optimal de deux matières différentes de filtration ayant des résistances particulières à la circulation. En conséquence, la matière de filtration grossière n'a qu'une fonction de filtration faible ou nulle. La filtration des particules grossières et fines est essentiellement assurée par la matière de filtration fine et d'une manière telle que la filtration des petites particules s'effectue dans une couche contenant des micro-organismes et qui s'est modérément encrassée après un certain temps de fonctionnement, alors que les grosses particules sont fixées dans les parties relativement propres de matière de filtration fine, à un autre emplacement dans l'ensemble de filtration.
Les avantages importants du filtre selon 1 'inven- tion sont les suivants
- une longue durée d'utilisation du fait de la grande capacité de stockage de saletés avec une faible perte de charge,
- une bonne combinaison de filtration bilogique et de filtration mécanique, pour des particules grossières et fines,
- pas de formation de courants en "court-circuit" ou de poches stagnantes,
- intéraction intensive des matières liquides, gazeuses et solides,
- dimension pouvant être très variable et pouvant être optimisée pour une large gamme d'applications,
- chargement du filtre de manière simple à l'aide de micro-organismes immobilisés ou d'autres particules et substances ayant des fonctions spéciales, et
- la formation d'une cartouche spiralée de filtration selon l'invention qui permet un démontage et un nettoyage faciles.
- une longue durée d'utilisation du fait de la grande capacité de stockage de saletés avec une faible perte de charge,
- une bonne combinaison de filtration bilogique et de filtration mécanique, pour des particules grossières et fines,
- pas de formation de courants en "court-circuit" ou de poches stagnantes,
- intéraction intensive des matières liquides, gazeuses et solides,
- dimension pouvant être très variable et pouvant être optimisée pour une large gamme d'applications,
- chargement du filtre de manière simple à l'aide de micro-organismes immobilisés ou d'autres particules et substances ayant des fonctions spéciales, et
- la formation d'une cartouche spiralée de filtration selon l'invention qui permet un démontage et un nettoyage faciles.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels
la figure 1 représente un filtre selon l'invention, entouré par un boîtier
la figure 2 représente le filtre de la figure 1, en coupe transversale à la fente d'entrée
la figure 3 représente un appareil destiné à déterminer la résistance à la circulation de la matière de filtration grossière ; et
la figure 4 représente un appareil destiné à déterminer la résistance à la circulation de la matière de filtration fine.
la figure 1 représente un filtre selon l'invention, entouré par un boîtier
la figure 2 représente le filtre de la figure 1, en coupe transversale à la fente d'entrée
la figure 3 représente un appareil destiné à déterminer la résistance à la circulation de la matière de filtration grossière ; et
la figure 4 représente un appareil destiné à déterminer la résistance à la circulation de la matière de filtration fine.
Sur la figure 1, le boîtier est formé par un robuste tube cylindrique 1 de matière plastique dont la surface circonférentielle externe a une fente 2 d'entrée d'un liquide à traiter. A ces deux extrémités, le tube 1 a des couvercles 3 et 4. Une tuyauterie 5 de sortie dépasse par le couvercle 4. La tuyauterie 5, à l'autre extrémité, est supportée dans le couvercle 3 d'une manière qui n'est pas représentée sur la figure 1. La tuyauterie de sortie, sur toute sa longueur dans le tube 1, a un très grand nombre d'orifices 6 d'entrée. Un ensemble spiralé de filtration est placé à l'intérieur du tube 1 et sa construction est telle qu'il comprend essentiellement une couche 7 de filtration indiquée schématiquement par les traits sinusoïdaux 7 et une couche de filtration fine 8 indiquée par un trait net noir. Les couches de filtration grossière et fine sont enroulées en spirale.
Par raison de simplicité, le mode de réalisation représenté n'a que sept spires. En réalité, le nombre de spires est en général compris entre 5 et 100.
On considère maintenant la définition des différents termes et expressions utilisés dans le présent mémoire.
La résistance R1 à la circulation présentée par la couche de filtration grossière à l'état propre et non encrassé est mesurée par rapport à l'eau à l'aide de l'appareil schématiquement représenté sur la figure 3.
Une tuyauterie transparente graduée verticalement 10 est placée au centre d'un récipient cylindrique 9 et dix spires (cinq seulement sont représentées sur la figure 1) sont formées de la matière de filtration grossière 11, avec un film 12 de matière plastique, étanche au liquide.
L'extrémité antérieure de l'ensemble spiralé double ainsi formé est fixée à la tuyauterie 10 en un point auquel celle-ci a une fente axiale 13. La tuyauterie 10, avec l'ensemble de filtration doublement spirale, est placée au fond du récipient 9, dans une couche de sable 14 dont le rôle est de fermer l'extrémité inférieure de la tuyauterie 10 et de l'ensemble spiralé. De l'eau propre est transmise avec un débit constant dans la tuyauterie centrale 10, dans le sens de la flèche 15, et elle s'écoule par la fente 13 puis, en spirale, à travers la matière de filtration grossière 11. Comme le récipient 9 a un orifice 16 de sortie à une hauteur A de la surface du sable, l'eau quitte le récipient 9 par cette ouverture 16 (flèche 17).Le niveau 27 du liquide dans le récipient 9, à la surface circonférentielle externe de la spire, dépend de la position de l'ouverture 16 de sortie de dimension suffisamment grande. Etant donné la résistance à la circulation subie par l'eau lorsqu'elle circule en spirale dans la matière de filtration grossière, le niveau 18 dans les spires successives augmente progressivement de l'extérieur vers l'intérieur.
La différence de hauteur B entre le niveau 26 d'alimentation dans la tuyauterie 10 et le niveau 27 dans le récipient 9 en dehors de la spirale est une mesure de la perte de charge de l'eau lorsqu'elle circule dans la matière spiralée de filtration grossière 11. La différence de pression B peut etre mesurée en cm d'eau puis transformée çn kPa. La valeur déterminée de la résistance
R, à la circulation peut alors être calculée d'après la formule
dans laquelle B est la valeur obtenue avec l'appareil de la figure 3 exprimée en kPa,
L est la longueur totale de la couche de filtration grossière mesurée dans la direction de la spirale et expri mée en mètres, et V est la vitesse, en m/s, à laquelle l'eau circule en spirale dans la matière spiralée de filtration grossière 11.La vitesse V est calculée d'après la formule
dans laquelle Q représente le débit volumique constant exprimé en mays au point 15 d'entrée de l'eau dans l'appareil et 51 est l'épaisseur exprimée en m, de la couche de matière de filtration grossière 11 mesurée en direction perpendiculaire au plan de cette matière (voir aussi figure 3). Ainsi, on constate selon l'invention que la résistance spécifiée Rt présentée à la circulation par la matière de filtration grossière est telle que
R, à la circulation peut alors être calculée d'après la formule
dans laquelle B est la valeur obtenue avec l'appareil de la figure 3 exprimée en kPa,
L est la longueur totale de la couche de filtration grossière mesurée dans la direction de la spirale et expri mée en mètres, et V est la vitesse, en m/s, à laquelle l'eau circule en spirale dans la matière spiralée de filtration grossière 11.La vitesse V est calculée d'après la formule
dans laquelle Q représente le débit volumique constant exprimé en mays au point 15 d'entrée de l'eau dans l'appareil et 51 est l'épaisseur exprimée en m, de la couche de matière de filtration grossière 11 mesurée en direction perpendiculaire au plan de cette matière (voir aussi figure 3). Ainsi, on constate selon l'invention que la résistance spécifiée Rt présentée à la circulation par la matière de filtration grossière est telle que
La résistance R2 de circulation subie par l'eau lorsqu'elle traverse la couche de filtration fine à l'état propre et non encrassé, est mesurée avec l'appa reil représenté schématiquement sur la figure 4.Il comporte un récipient 19 contenant une tuyauterie formée de deux parties 20 et 21. Un morceau de matière 22 de filtration fine est serré entre les flasques des parties 20 et 21 de tuyauterie. De l'eau propre est transmise au-dessus de là matière 22, dans la direction indiquée par la flèche 25, avec un débit constant Q exprimé en m3/s.
Après traversée de la matière 22, l'eau s'écoule par la tuyauterie 21 jusqu'au récipient 19 qui a une ouverture 23 de sortie. L'eau quitte le récipient 19 comme indiqué par la flèche 24. La hauteur de la colonne d'eau E (voir figure 4) dépend de la résistance de la matière 22 de filtration. La valeur déterminée de la résistance R2 de la matière de filtration fine est alors calculée d'après la formule
dans laquelle E représente la différence de nive#au indiquée sur la figure 4 et mesurée en cm de liquide puis exprimée en ripa. V est la vitesse de circulation, exprimée en m/s, de l'eau à travers la matière de filtration grossière 22, et s représente l'épaisseur de la matière 22 de filtration exprimée en m.La vitesse de circulation V est calculée d'après la formule
dans laquelle Q représente le débit volumique d'alimentation en m3/s et F le diamètre de la matière de filtration qui est serrée. On constate selon l'invention que la résistance spécifiée Ri à la matière de filtration fine est telle que
Les coefficients d'ouverture # 1 et O2 des matières de filtration grossière et fine respectivement sont calculés d'après la formule (rapport/dimension),
Vt étant le volume circonfé externe total de
la matière de filtration respective, c'est-à-dire le produit de la longueur par l'épaisseur et par la largeur, et V représentant le volume libre respectif, égal au
o volume circonférentiel total (Vt) de la matière respective de filtration réduit du volume de la masse des fils de la couche formée Le volume Vt des couches de filtration est déterminé par mesure des dimensions externes d'un morceau représentatif de ces matières. Le volume de la masse des fils est déterminé par immersion du même morceau des matières dans de l'eau contenues dans un bécher ou une éprouvette graduée de manière que de l'air ne soit pas introduit, le niveau de l'eau étant lu avant et après immersion.
dans laquelle E représente la différence de nive#au indiquée sur la figure 4 et mesurée en cm de liquide puis exprimée en ripa. V est la vitesse de circulation, exprimée en m/s, de l'eau à travers la matière de filtration grossière 22, et s représente l'épaisseur de la matière 22 de filtration exprimée en m.La vitesse de circulation V est calculée d'après la formule
dans laquelle Q représente le débit volumique d'alimentation en m3/s et F le diamètre de la matière de filtration qui est serrée. On constate selon l'invention que la résistance spécifiée Ri à la matière de filtration fine est telle que
Les coefficients d'ouverture # 1 et O2 des matières de filtration grossière et fine respectivement sont calculés d'après la formule (rapport/dimension),
Vt étant le volume circonfé externe total de
la matière de filtration respective, c'est-à-dire le produit de la longueur par l'épaisseur et par la largeur, et V représentant le volume libre respectif, égal au
o volume circonférentiel total (Vt) de la matière respective de filtration réduit du volume de la masse des fils de la couche formée Le volume Vt des couches de filtration est déterminé par mesure des dimensions externes d'un morceau représentatif de ces matières. Le volume de la masse des fils est déterminé par immersion du même morceau des matières dans de l'eau contenues dans un bécher ou une éprouvette graduée de manière que de l'air ne soit pas introduit, le niveau de l'eau étant lu avant et après immersion.
On décrit maintenant quelques modes de réalisation de filtre selon l'invention, à titre purement illustratif.
On utilise, pour la purification de l'eau d'un aquarium ayant une capacité de 400 dm3, contenant environ 15 terrapènes adultes, un filtre selon l'invention ayant une longueur de 40 cm et un diamètre de 15 cm, placé dans une tuyauterie cylindrique de chlorure de polyvinyle des mêmes dimensions. La tuyauterie a une fente longitudinale de 30 cm de longueur et 3 cm environ de largeur. La tuyauterie est fermée, à une extrémité, par un couvercle étanche et, à l'autre extrémité, par un couvercle par lequel pénètre une tuyauterie de sortie ayant un diamètre interne de 3 cm. Cette tuyauterie de sortie passe par le centre creux de l'ensemble de filtration sur une distance d'environ 5 cm.
L'ensemble de filtration comprend une couche d'une manière de filtration grossière sous forme d'une couche de feutre "Enka" de 0,7 cm d'épaisseur et une couche d'une matière de filtration fine sous forme d'une nappe de fibres de polyester de 0,3 cm d'épaisseur.
Les deux couches ont été enroulées en spirale l'une autour de l'autre de manière que, au centre, un espace creux d 3 cm de diamètre soit formé, sept spires de chaque couche étant disposées autour de cet espace.
La spire interne est formée d'une nappe de fibres non tissées et la couche externe de feutre "Enka"O Ce filtre est placé au fond de l'aquarium et raccordé à une pompe ayant un débit d'environ 600 dm3/h, l'eau recirculant par l'intermédiaire d'une buse de pulvérisation ee, éventuellement, d'un filtre biologique. Un ou deux jours après, l'aquarium très pollué est parfaitement propre et, L'équarium étant peuplé d'une manière dense de terrapènes, le filtre a une durée d'utilisation de deux ou trois mois.
Le nettoyage de l'ensemble de filtration comprend simplement l'extraction de la tuyauterie et le déroulement.
La saleté qui s'est rassemblée est retirée par rinçage avec un fort jet d'eau dirigé transversalement à la matière de filtration. Ensuite, les couches sont enroulées à nouveau et remises dans la tuyauterie et peuvent alors être utilisée à nouveau. La résistance totale à la circulation présentée par l'ensemble de filtration, pour ce débit, est comprise entre 5 cm d'eau à l'état propre et 30 cm d'eau pour une pollution correspondant à 150 g de matière sèche au total. L'accumulation de la saleté dans les spires externes correspondait à 300 g de matière sèche par m2 de couche de filtration et, dans les couches internes, elle diminue progressivement jusqu a 50 gXmz environ.
On utilise une variante du filtre décrit prece- demment pour l'épuration d'un aquarium ou d'une mare ayant un volume de 5 à 10 m3.
A cet effet, on réalise deux filtres semblables mesurant chacun 1 m de longueur et 15 cm de diamètre.
Le débit total de la pompe, circulant dans les deux filtres, est d'environ 3 000 dm3/h. Le cas échéant, l'eau recircule par l'intermédiaire d'une fontaine.
Les grands aquariums étaient peuplés d'environ dix carps adultes et de quelques autres gros poissons. Après trois jours, la profondeur de transparence a augmenté de 10 à 300 cm. La buse de pulvérisation de la fontaine ne s'est pas bouchée. Le filtre ne nécessite aucun nettoyage avant deux mois.
Dans la mare qui est à l'air libre et qui présente une accumulation intense d'algues, l'eau a recirculé avec un débit d'environ 1 000 dm3/h. Après une semaine, la profondeur de transparence est passée de 15 c jusqu'au fond (75 cm). L'épuration est réalisée une fois par mois environ en été et une fois tous les trois mois en déhors de cette période.
Dans une autre variante, on utilise un filtre pour un aquarium ayant un volume de 200 dm3 et contenant environ soixante poissons tropicaux. Ce filtre a une longueur de 20 cm et un diamètre de 18 cm. L'eau recircule avec un débit d'environ 150 dm3/h. Le filtre a une durée d'utilisation de plus d'un an avant que son nettoyage soit nécessaire.
On utilise une combinaison de trois ensembles différents de filtration destinés à un aquarium tropical.
L'aquarium contient une collection de coraux, de poissons coraliens, d'anémones de mer et de divers animaux du type du homard. Une population de ce type est très sensible aux contaminations. L'utilisation d'une filtration biologique peut provoquer une accumulation de nitrate qui peut être nuisible aux espèces animales sensibles.
En outre, une aération intense est nécessaire afin que l'eau reste saturée d'oxygène. il faut aussi noter que le débit de recirculation reste relativement élevé afin que l'eau soit toujours en mouvement. Le filtre comprend trois ensembles : un pour la filtration mécanique (A), un pour la dénitrification biologique (B) et un pour l'oxydation bilogique des composés du carbone et de l'azote (nitrification) (C). On place une cloison inclinée ayant un bord de débordement à liun des coins de l'quarium.
Un trou d'évacuation de 4 cm de diamètre est formé au centre de la partie inférieure de l'espace triangulaire séparé par la cloison. La hauteur de la cloison est de 50 cm. Une tuyauterie bien ajustée est placée dans le trou d'évacuation. Elle est ouverte à son extrémité supérieure qui se trouve à 1 cm au-dessous du bord de débordement. Sur sa longueur, la tuyauterie a environ vingt trous de 2 cm de diamètre. Deux ensembles spiralés séparés de filtration selon l'invention sont montés sur cette tuyauterie. Chaque ensemble comporte environ sept spires si bien que la couche grossière externe de la matière à base du feutre "Enka" est contiguë aux trois parois de l'espace fermé. Les extrémités supérieure et inférieure des ensembles de filtration sont fermées par un couvercle circulaire de chlorure de polyvinyle qui s'ajuste sur la tuyauterie d'évacuation.L'ensemble inférieur de filtration a une hauteur de 10 cm et l'ensemble supérieur une hauteur de 37 cm. Un tube de matière plastique est placé sur l'ensemble inférieur. Une petite ouverture d'environ 0,5 cm de diamètre est formée dans ce tube. En conséquence, l'évacuation de l'eau par l'intermédiaire du filtre inférieur est limitée à 15 dm3/h environ alors que le filtre supérieur permet une évacuation d'environ 400 dm3/h. L'ensemble supérieur de filtration joue le rôle d'un dispositif de filtration mécanique.
Dans le cas d'une contamination beaucoup trop élevée, l'eau peut s'écouler directement par le trou supérieur de la tuyauterie d'évacuation. Dans ce cas, le filtre mécanique doit être nettoyé.
L'ensemble inférieur de filtration joue le rôle d'un dispositif de dénitrification biologique.
A cet effet, une partie de la couche de filtration grossière est remplacée par un sac de matière plastique contenant environ 100 cm3 de méthanol. La matière plastique du sac a une perméabilité au méthanol telle que 100 cm3 diffusent à travers la paroi du sac en trois mois environ.
La couche de filtration fine est chargée d'environ 1 g de bactéries qui, dans l'eau de mer, peuvent utiliser le méthanol pour la réduction du nitrate en azote gazeux. Les colonies de bactéries présentes sous forme de flocs de boues sont fixées dans les pores de la matière de filtration fine par immersion de celle-ci dans une suspension de ces flocs et d'eau salée. Ensuite, l'ensemble de filtration est placé en position dans l'aquarium.
L'eau des deux spires spîraléescircule vers une buse rotative de pulvérisation par l'intermédiaire d'une tuyauterie placée sous l'aquarium. Le bras de pulvérisation a des trous de manière qu'il doit entraîné en rotation sous l'action de l'eau sous pression. Le bras de la buse est monté au-dessus d'un troisième ensemble de filtration spiralé à deux couches de 30 cm de hauteur et 30 cm de diamètre. Cet ensemble est placé dans une tuyauterie de chlorure de polyvinyle de même diamètre, fermée à son extrémité supérieure. Un fond ayant une tuyauterie d'évacuation de 2,5 cm de diamètre est placé à l'extrémité inférieure de cette tuyauterie de chlorure de polyvinyle. Une couche d'une matière de filtration grossière est placée sur le fond, sous l'ensemble de filtration.La partie supérieure de l'ensemble est recouverte de quelques couches d'une matière de filtration fine. La tuyauterie d'évacuation redescend sur 10 cm environ et se termine au-dessus d'un réservoir d'eau de 20 x 40 x 40 cm pouvant contenir 25 dm3 environ. Dans ce réservoir, une pompe qui renvoie l'eau vers l'aquarium par un tube est disposée de manière qu'elle donne un débit d'environ 420 dm3/h. Etant donné la descente libre de l'eau dans la tuyauterie d'évacuation de 10 cm, de l'air est aspiré avec elle. Cet air est transmis par l'intermédiaire de l'ensemble spiralé de filtration selon l'invention, plus précisément par l'intermédiaire de la couche de la matière de filtration grossière et par les ouvertures d'alimentation formées dans la paroi externe de l'ensemble de filtration. De cette manière, l'air présent dans le filtre est ventilé automatiquement.
La combinaison du bras portant la buse et de la ventilation dans l'ensemble permet la saturation totale de l'eau par l'oxygène. Dans la structure de la matière fine (nappe de fibres de polyster), tous les types de microorganismes destinés à l'oxydation des matières organiques, de l'ammoniac et des sulfures, se déposent spontanément.
Un fonctionnement sûr des combinaisons des filtres nécessite l'installation d'abord du filtre mécanique et du filtre biologique, avec le bras de pulvérisation. Après quelques semaines, le filtre de dénitrification anaérobie peut alors être placé au-dessous du filtre mécanique.
La libération éventuelle de sulfure, de nitrite ou de matières organiques par le filtre anaérobi peut alors être arrêtée à nouveau par le filtre biologique aéré.
Suivant la production d'ammonium dans 1'aquarium, la durée d'utilisation du filtre de dénitrification est de deux à trois mois. Un nouveau sac de méthanol doit alors être placé dans ce filtre. Les deux autres ensembles de filtration ont une durée d'utilisation supérieure à 1 an. L'espace délimité dans le réservoir d'eau peut être rempli en partie de petits morceaux de coraux et de coquilles. Ces matières maintiennent la dureté de l'eau et le degré d'acidité à la valeur nécessaire.
Dans le cas de l'interruption du fonctionnement de la pompe, le réservoir se remplit d'eau jusqu'à ce que le niveau de l'eau dans l'aquarium soit tombe au-dessous de celui du bord de débordement. L'utilisation de méthanol comme matière organique présente l'avantage de ne peut être concomitant d'une réduction de sulfate en sulfure.
Le filtre selon l'invention peut aussi être avantageusement utilisé dans un appareil de fabrication d'un gaz par voie biochimique. Dans un mode de réalisation, on utilise un ensemble de filtration spirale' à deux couches selon l'invention comprenant quinze spires, ayant un diamètre de 34 cm et une longueur de 50 cm.
La couche de matière de filtration fine, c'est-à-dire la nappe de fibres, est chargée d'environ 100 g de bactéries provoquant la fermentation en méthane, par m par une opération d'immobilisation. L'ensemble de filtration est immerge verticalement mais sur quelques centimètres seulement, dans un réservoir cylindrique d'eau.
L'eau est évacuée par un dispositif de débordement quelconque à partir de l'extrémité inférieure de la partie centrale de l'ensemble de filtration. L'entrée de liquide formant l'alimentation se trouve à l'extérieur du réservoir. L'ensemble de filtration est protégée contre l'air ambiant par un réservoir cylindrique retourné dans lequel le gaz formé est collecté et évacué par l'intermédiaire d'un gazomètre de type humide. On peut utiliser une pompe pour la recirculation de l'eau.
Des eaux usées contenant environ 20 g/dm3 de glucose, d'acide acétique ou d'un autre composé organique pouvant fermenter, sont transmises à cet appareil à raison de 30 dm3/d. On ajoute à l'eau de l'hydroxyde de sodium afin que l'anhydride carbonique qui se dégage soit neutralisé, ainsi que les matières minérales favorisant la croissance des bactéries. La valeur de consommation d'oxygène chimique (valeur CZV déterminée suivant la norme NEN 3235-5.3) de l'eau circulant dans ce filtre tombe de 21 à 0,8 g/dm3 pour une production journalière de 200 dm3 de gaz formé biochimiquement et contenant environ 8Q % de méthane. L'effluent de cet appareil contient moins de 110 g/dm3 de matière en suspension. La production journalière de cet appareil est d'environ 2 à 5 m3 de gaz par m3 de volume du réacteur.
Un avantage important de la construction et de la structure spéciales de l'ensemble spiralé de filtration selon l'invention est que, à tous les endroits du filtre, le liquide à traiter se divise en un courant radial et en un courant tangentiel, suivant le degré local de pollution, les deux courants étant ensuite remélangés et à nouveau divisés, etc. Ce phénomène doit être attribué au fait que, dans le filtre propre, la résistance à l'écoulewlent radial à travers les couches de filtration est bien inférieurs à la résistance à la circulation tangentielle.Cependant, la résistance de la la matière de filtration fine dépend du degré local d'encrassement après un certain temps de fonctionnement alors que la résistance de la matière de filtration grossière n'est influencée que faiblement ou même pas du tout par l'encrassement du filtre. En conséquence, le courant radial prévaut automatiquement dans les spires propres lorsque le courant tangentiel prévaut dans les spires encrassées.
Un autre avantage de l'ensemble de filtration selon l'invention est que, suivant la quantité de liquide à traiter ainsi que la nature et la quantité de saleté contenue et la résistance permise dans l'ensemble de filtration, le nombre de spires et la dimension axiale du filtre peuvent être Optimisés d'une manière simple.
Dans le mode de réalisation de l'invention dans lequel le filtre contient des micro-organismes, ceux-ci peuvent être immobilisés artificiellement ou spontanément et ils ont une fonction métabolique spéciale telle que la création de méthane, d'hydrogène, d'alcool, la dénitrification, la nitrification ou la biodégradation.
Le filtre selon l'invention diffère des filtres bien connus notamment en ce que le support est formé d'une structure fibreuse ayant un arrangement spécial qui permet au liquide de passer à travers et en conséquence dans une grande mesure à travers la couche de la masse biochimique entourée par la structure fibreuse, au lieu de circuler le long d'une couche de vase portée par un support non perméable. Un contact très intensif en résulte donc, et, en outre, la filtration mécanique est bien plus efficace.
Un autre avantage important de l'ensemble de filtration selon l'invention est que, lorsqu'une région particulière du filtre s'encrasse, la filtration mécanique est automatiquement assurée par une autre région du filtre, ayant une masse biologique ou non. Le fluide à traiter s'coule finalement à travers les parties encras scies de moins en moins, si bien que la perte de charge n'augmente pas beaucoup. La circulation du fluide à traiter est cependant invariablement telle que les parties relativement encrassées restent en contact permanent avec le fluide et conservent donc une fonction de filtration biologique.
Après fonctionnement du filtre selon l'invention pendant le certain temps, le liquide de certaines régions du filtre s'écoule donc essentiellement le long d'une couche de masse biologique ; dans d'autres régions, l'écoulement s'effectue une masse biologique moins dense et dans d'autres régions à travers une structure relativement propre ayant des pores importants. L'avantage est que les filtres selon l'invention ont une durée d'utilisation relativement grande avant que leur rinçage soit nécessaire, et la perte de charge dans l'ensemble du filtre augmente faiblement. En outre, une fonction biologique très intensive et un degré poussé de filtration mécanique sont obtenus pour les particules de dimensions très variables.La longue durée d'utilisation du filtre selon l'invention a un effet favorable sur l'action biologique, celle-ci nécessitant un certain âge de la masse biologique.
Dans le filtre selon l'invention, la variation voulue du diamètre de circulation s'effectue automatiquement dans les régions qui se sont fortement encrassées.
La circulation perpendiculairement à la couche dense de masse biologique diminue donc progressivement et une circulation le long de cette couche, à une vitesse bien plus élevée, augmente progressivement. En conséquence, une quantité de plus en plus faible de saleté se dépose dans les parties qui se sont déjà encrassées, celles-ci ne se bouchant jamais complètement, si bien qu'elles continuent à fonctionner pendant une longue durée.
Quelques autres avantages importants du filtre selon l'invention sont sa légèreté et sa structure rigide et cohérente, si bien que la matière de support de filtre ne se déforme pas, la régénération de la matière étant en outre facile le cas échéant en cas d'encrassement trop important. Un autre avantage de ce filtre est que la sélection convenable de la matière permet l'introduction de micro-organismes particuliers dans le support, par une simple opération d'immobilisation.
Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs qui viennent dlêtre décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention.
Claims (11)
1. Filtre destiné au traitement d'un ou plusieurs courants de liquide, de gaz, ou de liquide et de gaz, le filtre comprenant au moins deux couches de matières de filtration grossière et fine (7, 8) qui alternent radialement et sont enroulées collectivement en spirale, les matières de filtration grossière et fine ayant des perméabilités correspondant à des particules relativement grosses et relativement petites respectivement, caractérisé en ce que
- le filtre est essentiellement formé de fils, de fibres ou de fils et de fibres synthétiques non tissés,
- les couches de filtration grossières (7) ont chacune une épaisseur comprise entre 5 et 50 mm alors que les couches de filtration fines (8) ont chacune une épaisseur de 1 à 20 mm,
- à l'état propre et non encrassé, les résistances R1 et R2 à la circulation présentées par les couches de filtration grossière et fine (7, 8) sont respectivement telles que
et
- la construction est telle que l'un au moins des courants massiques à traiter peut être transmis dans l'ensemble spiralé de filtration à sa surface externe et peut être évacué ou renvoyé dans la partie centrale de l'ensemble spiralé.
- à l'état propre et non encrassé, la perméabilité des couches de filtration grossière et fine (7, 8), mesurée pour des particules pratiquement sphériques ayant des diamètre D1 et D2 pour les couches de filtration grossière et fine respectivement, est telle que D1 < 10 mm et D2 < 1 mm, et
- à l'état propre et non encrassé, les coefficients d'ouverture 1 et O2 des couches de filtration grossière et fine (7, 8) respectivement sont tels que 0,95 < 1 < 1 et 0,8 < 02( < 1,
2. Filtre selon la revendication 1, caractérisé e c que la construction est telle que, par spire du filtre spirale', le rapport des résistances de circulation
R1 et R2 et les épaisseurs des couches de filtration grossière et fine (7, 8) sont tels que la fraction du courant massique total s'écoulant en direction radiale à travers une spire à l'état propre et non encrassé, est supérieure à 50 % et de préférence à 90 %.
3. Filtre selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la couche de filtration grossière (7) est formée pratiquement d'un feutre de filaments synthétiques filés à l'état fondu, constitué par exemple de polyamide ou de polyester, de forme sensiblement sinueuse et fixés les uns aux autres à leurs points de recoupement, ces filaments ayant un diamètre compris entre 0,2 et 1,5 mm.
4. Filtre selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la couche de filtration fine (8) est formée pratiquement par une nappe de fibres de préférence crêpées, formées par exemple de téréphtalate de polyéthylène, ayant une densité linéaire de 1 à 50 décitex et disposée de façon aléatoire telle que la masse volumique est comprise entre 0,01 et 0,25 g/cm2, les fibres étant raccordées les unes aux autres par un agent de liaison, par exemple à base de polyacrylate.
5. Filtre selon l'une quelconque des revendications p#récédentes, caractérisé en ce que le filtre spiralé a trois à cent spires et a une longueur, mesurée paroi lèlement à l'axe d'enroulement de la spirale, comprise entre 5 et 500 cm.
6. Filtre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la matière de filtration fine (8) contient des micro-organismes.
7. Filtre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il contient une certaine quantité de matière organique destinée à venir au contact du courant massique à traiter, la matière organique étant par exemple à base de méthanol ou de stéarate de calcium et étant capable d'assurer, sous l'influence de micro-organismes jouant le rôle d'un catalyseur, la dénitrification des nitrates contenus dans les courants massiques à traiter.
8. Filtre selon la revendication 7, caractérisé en ce que le filtre contient du méthanol présent dans un réservoir ayant une paroi perméable au liquide, par exemple de "Nylon" 6.
9. Filtre selon la revendication 7, caractérisé en ce que des granulés contenant du stéarate de calcium sont répartis dans le filtre.
10. Aquarium, notamment pour eau de mer, sous forme d'une mare à poissons ou d'une autre réserve destinée à contenir des poissons, des tortues ou d'autres animaux aquatiques, caractérisé en ce qu'il comporte un filtre selon l'une quelconque des revendications précédentes, qui lui est raccordé afin qu'il assure la purification de l'eau.
11. Filtre selon l'une quelconque des revendicatuons 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est destiné à la mise en oeuvre d'une conversion biochimique telle que la conversion d'ammonium en nitrate, du sucre en méthane, de substances organiques en C02 et en autres substances, ou de sucre en alcool.
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| NL8301515A NL8301515A (nl) | 1983-04-29 | 1983-04-29 | Filter voor het behandelen van een of meer vloeistof en/of gasstromen en het uitvoeren van biochemische omzettingen. |
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