GENERALITES & HISTOIRE

PREAMBULE

Avant d’introduire un poisson dans son aquarium ou tout autre organisme vivant, l’eau qui est son milieu naturel est le premier facteur dont il faut s’inquiéter.

Source de vie, terrain d’évolution….cette eau circulera en milieu fermé à la différence des biotopes d’origine de nos protégés et aura par conséquence vite fait de se transformer d’un milieu de vie en le plus sordide égout si l’aquariophile n’y prend pas garde.

A cet état de fait, il n’existe qu’une solution pour gérer la qualité de l’eau de l’aquarium : La FILTRATION

La filtration connaît certainement dans ses développements, la plus grande diversité qui soit, et c’est sans doute la raison pour laquelle le sujet est parfois difficile à cerner.

D’une part, il existe de nombreux produits disponibles sur le marché, comme dans d’autres domaines certains sont très performants et d’autres moins et d’autre part.

D’autre part, certains passionnés ne renoncent pas à la tentation de se fabriquer leur propre système de filtration pour sortir de ces contraintes commerciales et s’offrir un système de filtration à leur dimension.

Face à l’offre grandissante et à un marketing relativement agressif, mieux vaut rester de marbre, de même avant de se lancer dans une construction hasardeuse aux résultats peu probants il vaut mieux se poser les bonnes questions avant d’arrêter un choix définitif.

Ainsi, avant de partir tête baissée et de foncer dans le mur, un tour d’horizon s’impose et il convient de prendre le temps de se poser les bonnes questions dont celles-ci :

• Qu’est ce qui existe en la matière ?
• Comment se fait la filtration de l’eau qui sort de mon robinet ?

Pour débuter cet article, après avoir rappelé les fondements de la filtration en préliminaire, et pour s’appuyer sur le diction “Qui peut le plus, peut le moins“, il m’a paru utile d’étudier ce qui se faisait à grande échelle dans une station d’épuration de l’eau.

Toujours sur le même principe cité précédemment, il sera possible de transposer les résultats obtenus et méthodes utilisées au niveau de l’aquariophilie !

• Mais qu’attend-on d’un système de filtration ?
• Qu’est ce que la filtration ? un filtre ?

Alimenté par un plan d’eau constamment pollué, le filtre doit répondre de manière satisfaisante à deux principaux critères et doit être capable :

• De neutraliser, dans un délai bien déterminé, les déchets azotés toxiques,
• D’accroître la limpidité de l’eau à un degré de qualité relatif, car dans bon nombre de cas, il est parfois possible d’obtenir des résultats honorables avec une seule ligne de filtration, mais plus souvent il est parfois indispensable de recourir à plusieurs circuits distincts pour rendre le bassin ou l’aquarium parfaitement limpide et sain.

Concernant l’aspect biologique, il faut bien savoir la chose suivante : Quelle que soit la nature du support, la surface de celui-ci doit permettre d’abriter suffisamment de colonies bactériennes indispensables à l’épuration.

Plus que le volume du bassin ou celui de l’aquarium, le volume du filtre biologique est donc directement lié à la quantité de nourriture distribuée quotidiennement, ainsi qu’au nombre et à la nature des poissons : c’est un paramètre qu’il conviendra de ne pas oublier sous réserve de mauvaises surprises ultérieures !

En ce qui concerne la limpidité de l’eau, il ne s’agit pas uniquement de se préoccuper de l’aspect esthétique du volume d’eau.

Le filtre biologique ne peut pas être alimenté par de l’eau chargée de Matières En Suspension (MES) ; sans filtration mécanique préalable, les supports se salissent inutilement et rendent la nitrification plus aléatoire.

La seconde raison est plus subjective car si vous créez un plan d’eau ou installez un aquarium, c’est d’abord et avant tout pour voir vos poissons….

En conséquence et à la lecture des lignes qui précèdent, on peut déjà retenir que:

• Les petits filtres que l’on rencontre très fréquemment en jardinerie, magasin de bricolage ou chez certains détaillants mal informés, sont beaucoup trop petits pour apporter toute satisfaction pour la maintenance de poissons.
• Il faut aussi bien distinguer deux types de filtrations:
• La filtration biologique

                               et

• La filtration mécanique

Post scriptum : Parfois, certains filtres effectuent simultanément ces deux phases.

Pour commencer en douceur….

 

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HISTORIQUE DE LA FILTRATION

Il y a environ 7000 an, Jéricho (Israël) stockait l’eau dans des puits qui étaient utilisés comme des sources.

Les hommes ont alors commencé à développer des systèmes de transport d’eau potable.

Le transport s’effectuait grâce à de simples canaux, des digues en sable ou en roche.

Plus tard, on a commencé à utiliser des sortes de canalisations.

L’Egypte utilisait des branches de palmier, la Chine et le Japon utilisaient du bambou.

Par la suite, on a commencé à utiliser l’argile, le bois et même le métal.

Le peuple Perse a recherché des rivières et des lacs souterrains.

L’eau arrivait par les trous des roches dans des puits dans les plaines.

Les premiers écrits mentionnent la filtration 4000 ans avec J.C. en Inde (sable – gravier, charbon de bois).

1000 ans avant J.C. en Chine, on avait coutume d’ajouter du sable fin au fond des sources.

Le lien entre la qualité de l’eau et la santé est connu depuis de nombreux siècles.

Une eau claire était considérée comme une eau propre.

Les régions de marais étaient associées à la fièvre.

La désinfection a été appliqué depuis des siècles.

Deux règles basiques datant d’avant 2000 av. J.C., stipulait que l’eau devait être exposée à la lumière de soleil et filtrée avec du charbon de bois et que l’eau impure devait être purifier en la faisant bouillir et en plongeant une pièce de cuivre dans l’eau avant de la filtrer.

Les premières peintures égyptiennes des XIIIe et XVe siècles avant notre ère représentent des appareils de sédimentation et des siphons à mèche.

On suppose que les anciens utilisaient l’alun pour éliminer les solides en suspension.

Des descriptions des civilisations antiques furent trouvées au sujet de l’eau bouillante et du stockage de l’eau dans des cuves argentées.

Pour réaliser la purification de l’eau, du cuivre, de l’argent et une électrolyse furent appliqués.

La désinfection a été appliquée pendant plusieurs décennies. Cependant, le mécanisme est connu depuis seulement cent ans. En 1680, Anthony van Leeuwenhoek développa le microscope.

Sa découverte des micro-organismes était considérée avec intérêt. Il a ensuite fallu deux cents ans aux scientifiques avant d’utiliser le microscope pour distinguer les micro-organismes des autres pathogènes.

Le premier filtre multiple fut développé en 1685 par le physicien Italien Lu Antonio Porzo. Le filtre était composé d’une unité de décantation et d’une unité de filtration au sable.

En 1746, le scientifique français Joseph Amy reçu le premier brevet pour la conception d’un filtre utilisé par les ménages vers 1750.

Le filtre était composé de laines, d’éponges et de charbon de bois.

Lors du dernier siècle, les hommes ont été touchés par de graves maladies tels que le choléra et la peste. L’origine de ces maladies était mal interprétée.

On a dit que ces maladies étaient une punition divine ou était causée par l’air impur ou par l’alignement des planètes.

En 1854, une épidémie de choléra tua de nombreuses personnes dans la ville de Londres.

John Snow, un docteur anglais, découvrit que l’épidémie de choléra était causé par une pompe d’eau souillée.

Il empêcha l’extension de cette épidémie en coupant cette pompe.

Après cela des scientifiques ont effectuer des études bactériologiques pour rechercher le développement, l’existence et l’identification des micro-organismes et l’élimination des micro-organismes de l’eau potable.

En 1806, une grande usine de traitement des eaux a commencé à fonctionner à Paris. Les filtres de l’usine étaient faits de sable et de charbon et étaient renouvelés toutes les six heures.

Les pompes étaient conduites par des chevaux travaillant en trois équipes.

L’eau a été décantée pendant 12 heures avant la filtration.

Dans les années 1870, les docteurs Robert Koch et Joseph Lister ont démontré que les micro-organismes présents dans les réserves d’eau peuvent provoquer des maladies.

Depuis lors, l’Amérique et d’autres pays du monde ont eu recours à plusieurs procédés de traitement de l’eau.

La guerre civile américaine a interrompu le développement de la filtration aux États-Unis ; Cependant, une fois le Nord et le Sud réunis, les États-Unis sont devenus un chef de file dans le domaine du traitement de l’eau.

En 1906, l’ozone est utilisé comme désinfectant à Nice, en France.

Pour la désinfection, l’ozone est peut-être encore la meilleure méthode possible à grande échelle.

En 1908, Jersey City Water Works (États-Unis) est devenu le premier service public américain à utiliser l’hyperchlorite de sodium pour la désinfection en 1908, et l’usine Bubbly Creek de Chicago a mis en place une désinfection au chlore régulière.

Peut-être sans le savoir, ils ont commencé cette pratique imparfaite qui a conduit à plus de problèmes de santé que nous pourrions jamais en connaître.

Voir l’article “Le chlore, les grandes entreprises et une mauvaise solution. Un autre poison dans notre eau.”

Allen Hazen a prouvé l’efficacité de la filtration en 1895. Le processus de traitement initial utilisait des filtres à sable lents pour fournir un produit plus esthétique.

En quelques années, la filtration était reconnue pour éliminer les particules indésirables et les bactéries mortelles, car les communautés qui l’utilisaient avaient moins de foyers de typhoïde.

Les améliorations significatives apportées au traitement de l’eau à la fin du 19ème siècle incluent le développement de filtres à sable rapides, de filtres, de filtres à sable lents améliorés et les premières applications de chlore et d’ozone pour la désinfection.

Au tournant du siècle, la chloration est devenue la méthode la plus populaire aux États-Unis et le nombre de cas de dysenterie typhoïde et de choléra a chuté alors que d’autres problèmes de santé ont commencé à augmenter.

En 1914, le département du Trésor des États-Unis a promulgué la première norme bactériologique du pays concernant l’eau potable, une limite maximale de 2 coliformes par 100 ml.

Dans les années 1920, l’utilisation de la filtration et de la chloration avait pratiquement éliminé les épidémies des principales maladies d’origine hydrique du paysage américain.

Ces deux décennies ont également été marquées par le développement de la flottation à l’air dissous, des premiers filtres à membrane, de la sédimentation par nappe de floc et du clarificateur à contact solide.

En 1940, l’équipement de dessalement a été développé.

Une étape majeure dans le développement de la technologie de dessalement est arrivée pendant la Seconde Guerre mondiale lorsque divers établissements militaires situés dans des zones arides ont eu besoin d’eau pour alimenter leurs troupes.

Jusqu’au 19ème siècle, la filtration n’avait comme objectif que d’améliorer l’aspect esthétique de l’eau.

Ensuite, on a montré que la filtration pouvait jouer un rôle sur la microbiologie : filtration lente.

De 1868 à 1903, Paul FAURE met au point et réalise des systèmes mécanisés permettant l’industrialisation de la fabrication de la porcelaine de limoges.

En 1903, son fils André FAURE, ingénieur des arts et manufactures, lui succède.

Il modernise les méthodes de préparation des pâtes céramiques et remplace le matériel existant par des machines automatiques.

La production s’oriente alors vers les broyeurs, délayeurs, agitateurs, tamis, filtres presses, pompes, dégazeurs…

Ensuite sont apparus les traitements combinés : physicochimiques (1920).

Puis sont apparues les filtrations à effet biologique (1960).

…les technologies modernes ont permis de mieux connaitre l’eau.

CONCLUSION de la 1ère partie de ce dossier

En plus des découvertes concernant les agents infectieux, il est également devenu évident que la pollution des ressources en eau potable par les déchets humains constituait un grave problème de santé publique.

A l’échelle de l’aquarium, la découverte et le développement des procédures de traitement (filtration et désinfection) et de contrôle sanitaire (les indicateurs de contaminations) ont engendré un essor de notre hobby qui n’aurait pas été possible sans la mise en place de mesures d’hygiène sanitaire telles que l’évacuation des déchets et des matières fécales. …

 

 

 

Principes généraux de la filtration & mécanismes de filtration

Quelques rappels & définitions sur les mécanismes de filtration

Pour bien appréhender ce qu’est la filtration au sein des microcosmes que sont les aquariums et les bassins, un rappel théorique est nécessaire.

En la matière, je pense que reprendre ce qui se fait à échelle plus grande en ce qui concerne de traitement de l’eau courante est certainement la meilleure approche qui puisse être faite sur ce sujet :

Ce qui est valable pour filtrer notre eau de consommation sera aussi valable pour la filtration de nos bacs.

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Une série de définitions pour commencer :

La filtration est un procédé destiné à clarifier un liquide qui contient des MES (Matière en suspension) en les faisant passer à travers un milieu poreux constitué d’un matériau granulaire.

                                                               ou/et

La filtration est un procédé physique destiné à clarifier un liquide qui contient des matières solides en suspension en le faisant passer à travers un milieu poreux.

                                                               et

La filtration a pour objectif, en partant d’une suspension de solides dans un liquide, d’obtenir:

• Autant que possible un liquide clair nommé filtrat qui est plus ou moins clarifié (par exemple pas de particules supérieures à 100, 10 ou 1 micron) ;
• Et d’autre part, un solide nommé “gâteau“, déposé sur le filtre ou soutiré en continu, et en fonction du milieu où il est situé et qui est plus ou moins sec.

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Quelques définitions utiles des principaux termes liés à la filtration…

Suspension : C’est la solution contenant le liquide et le solide alimentant l’unité de filtration ;

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Filtrat : C’est la solution contenant le liquide sans les particules solides retenues lors de la filtration ;

Certaines particules de petite taille peuvent néanmoins traverser le filtre, selon les cas ;

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Gâteau : C’est le solide accumulé sur le filtre support lors de la filtration.

Ce gâteau contient également entre les particules solides du liquide constituant la suspension ;

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Colmatage : Se dit d’un filtre quand les particules finissent par boucher les pores du filtre, conduisant à une baisse importante de débit de filtration.

Le colmatage peut être réversible ou irréversible.

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Lavage du gâteau : opération consistant à éliminer le liquide qui imprègne le gâteau, en le remplaçant par une solution de lavage (par exemple de l’eau) en fin d’un cycle de filtration ;

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Contre-lavage : C’est l’opération consistant à séparer le gâteau ou le solide retenu du média filtrant par circulation de liquide (ou de gaz) à contre courant au travers du filtre ;

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Essorage : C’est l’opération de mise en rotation du gâteau afin d’éliminer le liquide qu’il contient (liquide de lavage ou suspension d’alimentation), avant une éventuelle opération de séchage ;

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Séchage : C’est l’opération consistant à éliminer le liquide résiduel contenu dans le solide par circulation d’un gaz, en générale de l’air ;

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Filtration sur support : une toile filtrante (ou membrane poreuse) possédant des orifices de taille inférieure aux particules solides à filtrer assure la retenue du solide, qui forme ainsi un gâteau.

Le liquide traverse le gâteau et le média, et donne un filtrat plus ou moins exempt de particules solides ;

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Filtration sur pré-couche : Dans ce cas le média filtrant a des orifices de taille supérieure aux particules à filtrer.

Néanmoins certaines particules (tailles et formes diverses) sont retenues et après une courte période, une couche de solide se forme assurant la filtration à la taille requise. On parle alors de filtration sur pré-couche.

La solution ayant servi à former la pré-couche, non complètement clarifiée, peut-être recyclée.

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Filtration sur masse poreuse, ou filtration en profondeur : C’est la filtration des particules solides qui s’effectue au travers d’un lit assez épais, par exemple de sable, de papier ou de mousse par exemple.

Au cours de leurs trajets forcément sinueux, les particules en suspension heurtent celles du lit et s’y accroche progressivement.

Il y a alors accumulation de solide en profondeur, sans formation de gâteau.

Lorsque le lit est saturé, soit il y a perçage (des particules solides finissent par traverser le lit, soit, plus souvent, il y a colmatage. Dans le cas d’un filtre à sable, un contre-lavage avec mise en fluidisation du lit permet de recommencer un cycle de filtration ;

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Filtration sous pression, sous vide, par gravité : pour traverser le lit filtrant, la suspension a besoin d’une différence de pression de part et d’autre du média filtrant.

Cette différence de pression qui est la perte de charge au travers du filtre, peut être assurée soit :

• Par mise sous pression du filtre côté suspension ;
• Par mise sous vide en aval du filtre, côté filtrat ;
• Par gravité, la hauteur du lit et de la suspension.

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Filtres clarificateurs : leur objectif est de clarifier le liquide dont la teneur initiale en solide est en général inférieure à 0.15%.

Les débits traités sont important devant la quantité de solide retenu ;

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Filtres pour extraction de solides, ou filtres épaississeurs : leur objectif est de récupérer le solide, qui peut être en proportions importantes dans la suspension d’alimentation.

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L’accumulation de solide dans le gâteau ou le filtre est alors importante, nécessitant des volumes et des surfaces adaptées à l’épaisseur du gâteau obtenu.

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Rappel sur les principes fondamentaux de la filtration

La force motrice de la filtration est un général une différence de pression amont-aval, égale à la perte de charge du filtre (mesure par PDI).

Au cours de la filtration, l’accumulation de solide dans le gâteau ou dans la masse filtrante augmente la perte de charge pour un débit donné, ou réduit le débit de filtration pour une différence de pression donnée.

La surface filtrante (ou média filtrant) peut être constituée de nombreux matériaux parmi lesquels le papier, la toile, le verre fritté, le sable, du treillis inox, etc…

Le solide déposé sur le filtre (gâteau) joue lui aussi également le rôle de média filtrant.

Lors de la filtration, il se créée une résistance au passage du liquide liée entre autres à la porosité du milieu et à la viscosité.

Cette résistance se traduit par une perte de charge d’autant plus élevée que l’épaisseur du gâteau est importante ou que la vitesse du liquide est importante.

Ainsi, les éléments qui détermineront le débit de filtration sont :

• La surface du média filtrant,
• Sa résistance (liée à son épaisseur, sa porosité, la viscosité, etc.…),
• La pression appliquée de part et d’autre du milieu filtrant.

La force motrice de la filtration peut être obtenue par:

• Gravité (hauteur de suspension au dessus du media filtrant),
• Mise en pression de la suspension à filtrer (jusqu’à quelques bars),
• Mise sous vide en aval du filtre, la suspension étant alors en général à pression atmosphérique.

Cette réduction conduit à effectuer des cycles de filtration, avec remplacement ou lavage du média filtrant.

On connait tous cette corvée qui consiste à nettoyer les masses filtrantes de nos filtres !

La marche en mode continu peut être obtenue en disposant deux filtres en parallèles : l’un étant en service permanent et le second est activé pendant le reconditionnement du premier et alternativement).

Dans certains filtres, la suspension circule de façon tangentielle au média filtrant, limitant ainsi la croissance du gâteau et permettant un fonctionnement continu.

En dimensionnement de l’installation de filtration, de nombreux paramètres sont à prendre en compte parmi lesquels :

• Le mode de fonctionnement discontinu, semi-continu, ou continu : pour notre hobby et le bien être des poissons et organismes vivants du bac, ce mode “continu” doit être privilégié ;
• Le débit à traiter ;
• La perte de charge maximale admissible ;
• La viscosité de la solution, ce qui conditionne en partie la surface de filtration à utiliser et l’épaisseur maximale admissible du gâteau ;
• La quantité et la qualité des solides et du liquide à traiter : filtration à 0.1, 1, 10 ou 100 microns ou plus (tailles des particules arrêtées), lavage, essorage et/ou séchage du gâteau, etc…
• Le besoin d’adjuvant de filtration : noir de carbone, silice…. Ces adjuvants permettent une filtration plus sélective mais leur recours est très peu utilisé en aquariophilie.

En filtration centrifuge ou essorage, la pression motrice de la filtration est obtenue par mise en rotation de la suspension et du média filtrant dans une essoreuse.

Le filtrat est centrifugé puis sort vers l’extérieur, alors que le solide est retenu à l’intérieur du filtre de l’essoreuse.

Ces appareils sont en général utilisés en mode discontinu.

L’essorage se distingue de la centrifugation dans laquelle il n’y a pas de média filtrant pour séparer le solide du liquide. En centrifugation, le solide est récupéré dans la partie externe et le liquide dans la partie interne de la centrifugeuse.

Dans le processus de filtration, trois mécanismes principaux interviennent successivement :

• La capture ;
• La fixation ;
• Le détachement.

Leur importance dépend des caractéristiques des particules à retenir et du matériau filtrant mis en œuvre. 

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Les mécanismes de capture

Ils sont essentiellement de deux natures :

1. Le tamisage mécanique : il s’agit de la rétention des particules plus grosses que la maille du filtre ou que celle des éléments déjà déposés formant eux-mêmes matériau filtrant. Ce phénomène intervient d’autant plus que la maille du matériau filtrant est plus fine : il est de peu d’importance pour un lit filtrant composé de matériau relativement grossier, en revanche il est prépondérant dans une filtration sur support mince : tamis, manchon filtrant…

2. La rétention dans les espaces inter granulaires : Dans ce cas, il faut s’attacher à considérer la taille de la particule comparée à celle des pores de la masse filtrante. En effet, cette taille de pores, doit permettre aux particules de traverser le matériau filtrant sans être arrêtée. Pourtant, lors de sa trajectoire tortueuse dans le lit, à l’occasion de zones de moindre courant et des contacts particule/matériau vont permettre la capture des particules. C’est un mécanisme très important dans la filtration en profondeur.

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Les mécanismes de fixation

La fixation des particules à la surface du matériau filtrant est favorisée par une faible vitesse d’écoulement.

Elle est due à des forces d’origine physique (coincement, cohésion…) et à des forces d’adsorption.

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Les mécanismes de détachement

Sous l’action des mécanismes précédents, il se produit une diminution de l’espace entre les parois du matériau recouvertes de particules déjà déposées. Il y a alors augmentation de la vitesse d’écoulement inter granulaire. Les dépôts déjà retenus peuvent alors se détacher partiellement et être entraînés plus avant dans le matériau filtrant (progression du « front de filtration ») ou même dans le filtrat (« crevaison »).

Les particules solides contenues dans un liquide et les particules colloïdales plus ou moins floculées n’ont pas du tout les mêmes caractéristiques et ne réagissent pas dans la même proportion aux divers mécanismes précédents. La filtration directe d’un liquide dont les matières en suspension conservent leur état et éventuellement leur charge électrique est donc très différente de la filtration d’un liquide coagulé.

 

Le colmatage et le lavage du matériau filtrant

On appelle “colmatage” l’obstruction progressive des interstices du matériau filtrant.

Le colmatage, quand il survient, a pour conséquence directe et immédiate de provoquer une augmentation de la perte de charge si le système de filtration fonctionne à pression d’alimentation constante, le débit du filtrat baisse progressivement avec la production d’eau propre, ce qui a une incidence directe pour la vie aquatique dans l’aquarium.

• On parle alors d’une filtration à débit décroissant.

Si l’on désire fonctionner à débit constant, il faut donc :

• Soit augmenter la pression appliquée au lit filtrant au fur et à mesure du colmatage (ex. : filtre « à encrassement ») ;
• Soit maintenir cette pression constante et placer à la sortie du filtre un système de régulation qui exerce une perte de charge complémentaire, laquelle décroît au fur et à mesure que le lit se colmate : ces filtres dits « à compensation du colmatage » sont les plus utilisés en traitement des eaux.

 

La vitesse de colmatage dépend :

• Des matières à retenir : elle est d’autant plus grande que le liquide est plus chargé en MES (Matière en suspension), que ces matières ont une plus grande cohésion et qu’elles sont susceptibles, elles-mêmes, de prolifération (algues, bactéries) ;
• De la vitesse de filtration ;
• Des caractéristiques de l’élément filtrant : dimension des pores, homogénéité, rugosité, forme du matériau.

Le filtre est colmaté lorsqu’il a atteint la perte de charge maximale prévue par construction. Il importe alors de le ramener à son état initial par un lavage efficace dont le mode est lié au type de filtre et à la nature des éléments retenus.

Le temps de fonctionnement écoulé entre deux lavages successifs s’appelle un “cycle de filtration”.

 

Choix du mode de filtration

Le choix entre les divers types de filtration sur support ou sur lit granulaire dépend de plusieurs critères :

• Des caractéristiques du liquide à filtrer, de ses impuretés et de leur évolution dans le temps ;
• De la qualité du filtrat à obtenir et tolérances admises ;
• Des conditions d’installation ;
• Des possibilités et moyens disponibles pour le lavage.

La possibilité d’un lavage aisé, efficace et économique est aussi importante dans le choix du filtre que l’obtention de la meilleure qualité de filtration, étant donné que cette dernière ne se conserve dans le temps que si le lavage permet de retrouver en début de chaque cycle les caractéristiques d’un filtre propre.

Les différents types de filtration

Les différentes formes de filtration présentent des avantages mais aussi quelques inconvénients.

Il est donc indispensable de faire un tour d’horizon avant de se décider.

Lors de la construction d’une pièce d’eau ou de la mise en place d’un aquarium, le choix de la technique pour filtrer le bassin/aquarium est crucial et déterminant.

La filtration peut être réalisée en mode « pompée » ou « gravitaire » et suivant ce qui sera fait, le choix retenu conditionnera l’architecture de l’installation.

LA FILTRATION POMPÉE

La filtration dite « pompée » est la plus simple à réaliser.

Le filtre est situé au-dessus du niveau de l’eau.

La pompe est quant à elle directement placée dans le bassin et remonte l’eau dans le filtre.

Elle va donc traverser les différents compartiments de filtration puis retourner naturellement dans le bassin grâce à son écoulement.

 

• Les avantages

Le montage est simple et peut être rajouté à toutes les pièces d’eau déjà existantes. De plus, lors de l’arrêt de la pompe, le système ne peut pas déborder.

En revanche, avec ce système, en cas d’arrêt du fonctionnement de la pompe les masses filtrantes ne sont plus alimentées en eau.

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• Les inconvénients

Le filtre étant au-dessus de l’eau, il peut être difficile à cacher. La pompe installée dans le bassin va hacher les déchets avant l’arrivée au filtre.

Elle doit avoir une puissance significative pour assurer un débit suffisant, vu la différence de hauteur.

Un risque de vidage de la pièce d’eau est toujours possible en cas de fuite sur le circuit de la pompe.

Il est donc conseillé de ne pas mettre la pompe tout au fond du bassin/bac, mais plutôt de la placer sur une rehausse de 20 à 30 centimètres pour toujours garder suffisamment d’eau qui va assurer la survie des poissons.

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LA FILTRATION GRAVITAIRE

Avec ce procédé, le filtre est ici au même niveau que le bassin/bac et la pompe est placée en sortie de filtration.

Une ou plusieurs sorties sont réalisées dans le fond de la pièce d’eau à l’aide de bondes de fond et rejoignent la filtration.

On réalise également une ou plusieurs sorties sur les côtés du bassin, reliées par un skimmer et rejoignant la filtration.

La pompe est située après le filtre ou placée dans la dernière chambre pour ramener l’eau dans le bassin. Dans le cas d’un aquarium, si le principe reste identique à ce qui se fait en bassin, il faut identifier :

• Un circuit d’arriver d’eau avec un tuyau équipé d’une crépine allant jusqu’au filtre généralement équipé d’une pompe intégrée en fin de circuit de filtration ;
• Un circuit de refoulement de l’eau propre avec une sortie souvent équipée d’un système de brassage et oxygénation de l’eau.

 

• Les avantages

La filtration est enterrée pour un bassin ou dissimulée dans un meuble ou sous le support de l’aquarium.

Elle est donc plus facilement camouflable.

La pompe est à la fin de la filtration et ne brasse par conséquent dans ce cas que de l’eau propre, ce qui évite l’encrassement trop rapide de la pompe et des pièces constituantes qu’elles soient mobiles ou non.

Il peut être fait l’utilisation alors d’une pompe à sec, c’est-à-dire non immergée.

La différence de hauteur pour le retour d’eau est bien moins importante et permet l’utilisation d’une pompe basse consommation.

De plus, les déchets sont facilement aspirés sur le fond du bassin/bac : il y a ainsi peu ou pas de vase stagnante.

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•  Les inconvénients

La mise en forme demande plus de travail et nécessite des travaux importants dans le cas d’un bassin.

Pour un aquarium, il faut prévoir 2 tuyaux pour le fonctionnement du système de filtration, et garantir leur étanchéité.

En effet, tout le circuit doit être étanche sous risque de vider complètement le bassin/bac par gravité : le phénomène est plus prégnant dans le cas d’un aquarium installé dans une demeure: cela donne souvent lieu à des inondations !

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LA FILTRATION GRAVITAIRE VARIANTE OU SEMI-GRAVITAIRE

Dans cette variante, seule la filtration mécanique est gravitaire. Le principe reste le même que pour la filtration gravitaire, mais dans ce cas la pompe est placée avant la filtration biologique (filtre à pression, beads…).

 

• Les avantages

La filtration biologique peut être éloignée du bassin (cave, local technique, etc.).

Le circuit peut passer dans un écumeur ou un réacteur.

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OÙ INSTALLER LA FILTRATION ?

Le choix de l’emplacement de la filtration est important car, plus on s’éloigne du bassin et plus la puissance de la pompe doit être augmentée.

En filtration gravitaire, il faut essayer d’avoir la même longueur pour toutes les sorties afin d’assurer le même débit dans chaque ligne d’eau.

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Filtration pompée

Le choix du diamètre des tuyaux, la distance entre le bassin et le filtre ainsi que la hauteur entre la surface du bassin et l’entrée dans le filtre sont essentiels.

Mais, souvent le paramètre du diamètre du tuyau est négligé par les aquariophiles : en effet, plus le diamètre du tuyau en sortie de pompe sera petit et plus il y aura perte de débit.

Cet oubli conduit souvent au constat d’une filtration insuffisante de la part du filtre qui est alors jugé sous dimensionné. De même, plus la hauteur et la distance entre le bassin ou l’aquarium et le filtre sera grande et plus il y aura perte de débit.

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Filtration gravitaire

Ici, plus la filtration est éloignée du bassin et plus il y a perte de débit avec risque de dépôts importants dans les tuyaux.

Les tuyaux de diverses longueurs entraînent des différences de débits au détriment des plus longs, avec pour conséquence un risque de dépôts plus importants.

Une solution est de ramener toutes les sorties par le chemin le plus court vers un bac situé à côté du bassin ou aquarium; de là, on fait partir une canalisation unique, mais d’un diamètre en conséquence, vers la filtration.

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LE DIAMÈTRE DES TUYAUX

Choisir le diamètre des tuyaux est important pour assurer un débit élevé. Cet aspect est trop souvent négligé ou méconnu des aquariophiles qui n’en mesurent pas les conséquences : Un mauvais choix entraînera un fonctionnement altéré du filtre. 

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Filtration pompée

Le choix du diamètre du tuyau en sortie de pompe est souvent indiqué sur la notice de cette dernière.

Le fait de passer une voire deux tailles au-dessus de cette indication va améliorer les résultats de la pompe.

Attention : Un choix de diamètre trop important entraînera un risque de dépôts plus importants dans les tuyaux !

 

 

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Filtration gravitaire

Le choix du diamètre ainsi que celui du nombre de sorties dépendent du débit que l’on souhaite avoir dans le circuit.

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Valeurs déterminantes pour choisir le bon diamètre

Pour éviter les dépôts dans les tuyaux d’un système gravitaire, et afin de ne pas avoir une trop grande différence de niveau entre le bassin et le filtre,

il faut que la vitesse de l’eau soit comprise entre 0,4 mètre/seconde et 0,6 m/s.

Pour un bassin, ces valeurs permettent de calculer le débit qui peut passer dans un tuyau :

• DN 110 : 11.2 m3/h et 16.8 m3/h
• DN 125 : 17.7 m3/h et 26.5 m3/h
• DN 150 : 25.4 m3/h et 38.2 m3/h
• DN 200 : 45.2 m3/h et 67.9 m3/h
• DN 250 : 70.7 m3/h et 106.0 m3/h

Le tableau suivant donne les dimensions que doivent avoir les tuyaux des bondes de fond et des skimmers selon le volume du bassin et le taux de « recirculation » (durée nécessaire pour renouveler le volume d’eau du bassin exprimée en heure). 

Pour un aquarium, le calcul est plus fin et fait appel à un Calcul des dimensions qui peut être fait par tout le monde, selon la formule suivante :

LES TRAITEMENTS ÉPURATOIRES DANS LES STATIONS D’ÉPURATION…et l’AQUARIOPHILIE !

Ces traitements, en général assez peu connus, sont une chaîne de 4 phases qui peuvent être effectuées de différentes manières.

Toutes les installations d’assainissement des eaux usées reposent sur tout ou partie de cette chaîne. Les explications ci-dessous sont aussi générales que possible.

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PRETRAITEMENT

Les installations d’assainissement des eaux usées assurent toujours un prétraitement.

Il s’agit de retirer mécaniquement les éléments les plus accessibles.

 => Transposé au milieu aquariophile, c’est typiquement ce qui se fait avec :

• le “peigne” de la colonne d’eau d’un filtre extérieur à décantation :

ou

• la crépine d’un filtre interne ou extérieur :

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Les étapes du prétraitement

Le dégrillage retient les solides de taille importante.

Il y en a deux, un grossier pour les objets volumineux et un autre plus fin (environ 10 à 20 millimètres).

A savoir, les déchets, appelés « refus de dégrillage » sont soit incinérés, soit envoyés en décharge.

En aquariophilie, ces déchets sont éliminés par le lavage des masses filtrantes !

Vient ensuite le dessablage qui permet d’éliminer des solides fins grâce à leur poids sans prendre encore le temps d’une décantation.

On fait passer l’eau dans un canal à une vitesse modérée pour que le sable et les graviers tombent au fond.

Ceux-ci peuvent être réutilisés ou mis en décharge selon la qualité du lavage auquel ils seront soumis.

Le déshuilage/dégraissage consiste à enlever les matières flottantes en surface. L’injection de bulles aide à séparer les matières grasses de l’eau.

On parle de déshuilage pour une séparation liquide – liquide et de dégraissage pour une séparation solide – liquide.

Les matières ainsi recueillies seront incinérées ou mises en décharge, elles auraient nuit au traitement biologique.

Ce qui se fait à l’échelle d’une station d’épuration ne peut pas vraiment être reproduit, étape par étape dans les filtres de nos aquarium : ces opérations ne sont “distinctes” et différentiables mais elles sont toutes accomplies lors du passage de l’eau dans le filtre.

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Traitement primaire (sans ajout de réactifs) ou physico-chimique (avec ajout de réactifs)

Ce traitement consiste en la séparation des matières insolubles, par une décantation assistée ou non par des ajouts de réactifs.

Il se produit la même chose à grande échelle que dans le bécher des photos ci-contre : les matières en suspension (MES) coulent.

Plus elles sont fines et plus c’est long, d’où l’ajout de réactifs pour accélérer le processus.

On utilise l’une ou l’autre méthode selon le type d’installation : le traitement primaire pour les techniques extensives et le traitement physico-chimique pour les techniques intensives.

Cette dernière est plus chère et plus efficace.

Les MES plus lourdes que l’eau tombent au fond.

Il faut plutôt éviter d’avoir recours à cette méthode qui fait appel à des traitements chimiques. 

Certains fournisseurs proposent pourtant des “compléments” pour la filtration qui seront utilisés en cas exceptionnels et avec précaution.

Généralement ces produits sont connus sous l’appellation de “Conditionneurs d’eau”.

 La liste est longue et le coût d’emploi de ces produit est très variable !

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Les réactions du traitement physico-chimique

On provoque la coagulation avec des sels métalliques (Fe3+, Al3+).

Ils ont des charges positives et se lient aux particules à charges négatives.

Cela forme des particules un peu plus grosses et surtout neutres, qui vont donc arrêter de se repousser les unes les autres.

=> Cette démarche ne peut etre effectuée en aquarium : c’est un circuit fermé et un lieu de vie.

Ensuite, la floculation consiste à ajouter des polymères qui vont jouer le rôle de colle entre les éléments tellement petits qu’ils ne pouvaient pas couler assez vite.

A la fin de cette étape, on obtient des boues primaires ou des boues physico-chimiques, voir des boues mixtes si la station utilise les deux méthodes.

=> En aquarium, il faudra rechercher la réalisation d’une floculation naturelle grâce à une circulation maîtrisée de la vitesse de l’eau.

Plusieurs facteurs entrent en compte :

a. La température

b. La vitesse d’agitation et le temps de floculation : Le temps de floculation paramètre évolue de la même manière que la vitesse d’agitation.

Il faut une durée suffisamment importante pour que toutes les particules se rencontrent et puisse s’agglomérer, mais pas trop grande non plus pour éviter le phénomène inverse, et la remise en suspension de ces particules.

c. Le pH

d. La dose de coagulant : Ce facteur ne doit pas être pris en compte dans un aquarium.

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Traitement secondaire (épuration biologique)

Cette phase vise en particulier les éléments eutrophisants comme l’azote et le phosphore, sans oublier le carbone, constituant de base des matières organiques.

On reproduit artificiellement ou non le phénomène naturel d’autoépuration de l’eau grâce à des bactéries.

La présence de mauvaises bactéries (ou l’absence des bonnes souches) peut provoquer notamment :

• Un faible rendement biogaz du digesteur anaérobie ;
• Une mauvaise floculation et sédimentation ;
• Un excès de bactéries filamenteuses ;
• Un excès en phosphore ;
• Un faible rendement d’élimination de l’azote (NH4, NO3) ;
• La production d’odeurs désagréables ;
• Un excès de consommation de réactifs chimiques ;
• Dans un digesteur anaérobie, une production de mousses.

Il y a généralement trois façons de rétablir un bon traitement.

Premièrement, en modifiant les réglages d’exploitation, et en attendant que les bonnes souches colonisent à nouveau le milieu.

Deuxièmement, en éliminant complètement les micro-organismes en place lorsque la première solution n’a pas fonctionné.

Attention, cette méthode est peu recommandée, car la biomasse mettra encore plusieurs jours à se développer, donc l’eau ne sera pas correctement traitée pendant cette période.

La troisième solution consiste à injecter des bactéries spécialement sélectionnées, cultivées et multipliés, pour qu’elles reprennent l’avantage sur les bactéries indésirables présentes dans le milieu.

C’est la présence des différents polluants qui favorise le développement des bactéries adaptées à leur dégradation.

Certaines sont aérobies, c’est-à-dire qu’elles ont besoin d’oxygène pour vivre et remplir leur tâche, donc pour accélérer le processus, on peut aérer l’eau.

On utilise aussi des bactéries anaérobies (qui n’ont pas besoin d’oxygène) pour certaines réactions.

Les disques biologiques sont placés en série sur des axes en rotation lente, partiellement immergés pour être aussi en contact avec l’air.

Les disques biologiques sont placés en série sur des axes en rotation lente, partiellement immergés pour être aussi en contact avec l’air.

Il y a deux types de méthodes :

• Les cultures libres, où les bactéries évoluent librement dans l’eau, par exemple les boues activées ou le lagunage ;
• Les cultures fixes, où les bactéries sont fixées sur un support, par exemple les disques biologiques, les filtres à sable ou les lits bactériens.

Dans les lits bactériens, les pores de la pouzzolane servent de refuges aux bactéries épuratrices.

Il y a aussi des cultures fixées sur des supports fins, par exemple les filtres à sable biologiques.

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Le lagunage naturel (aérobie)

Le rayonnement solaire est la source d’énergie qui permet la production de matière vivante par les chaînes alimentaires aquatiques (chaînes trophiques).

L’épuration des effluents est réalisée essentiellement par des bactéries aérobies dont l’oxygénation est assurée par l’action chlorophyllienne de végétaux qui participent aussi à la synthèse directe de la matière organique.

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Le lagunage aéré

Contrairement au lagunage naturel où l’oxygène est fourni par la photosynthèse et le transfert à l’interface eau/atmosphère, dans le cas du lagunage aéré l’oxygène est produit artificiellement (aérateurs mécaniques, insufflation d’air…).

A la différence des “boues activées”, il n’y a pas de recirculation de la culture bactérienne.

C’est donc un procédé intermédiaire entre le lagunage naturel et les procédés biologiques traditionnels.

Le traitement se compose de deux types de lagunes :

• Lagune d’aération ;

et

• Lagune de décantation..

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Le lagunage anaérobie

Les lagunes « anaérobies » sont des bassins assez profonds où la dégradation a lieu en l’absence d’oxygène.

Pour garantir cette condition la profondeur du bassin doit être de l’ordre de 2,5 à 5 m.

L’eau n’est ni aérée ni agitée ni chauffée.

La dégradation anaérobie produit du CO2 et du méthane. Ces lagunes permettent une première réduction importante (jusqu’à 60%) des eaux usées.

Dans ces lagunes, le rendement d’épuration escompté dépend essentiellement du développement d’une fermentation méthanique.

Il n’est de ce fait applicable que sur des effluents à fortes concentrations et, le plus souvent, à titre de prétraitement avant un deuxième stade d’épuration de type aérobie.

Les principes fondamentaux de ce système d’épuration sont surtout utilisés en climat tropical.

Le lagunage à haut rendement : C’est une technique particulière où l’épuration des eaux usées est obtenue grâce à une production algale particulièrement intensive.

Dès sa création, le lagunage à haut rendement a été considéré non seulement comme une technique d’épuration des eaux usées, mais aussi comme un procédé de production d’une biomasse algale d’intérêt alimentaire, permettant donc une valorisation des eaux usées des villes et des industries agroalimentaires.

Le lagunage à haut rendement offre aujourd’hui certainement le plus grand potentiel de développement biotechnologique basé sur les micro-algues.

Le traitement secondaire s’achève par une dernière décantation, on récupère alors les boues essentiellement composées de bactéries.

Dans le cas des boues activées, une partie de ces boues de décantation est remise en amont pour apporter la population de bactéries nécessaires dans les cuves d’aération.

Les phases de traitement primaire et secondaire produisent des boues d’épuration à très forte teneur en eau.

Après un traitement visant pour l’essentiel à baisser leur teneur en eau et à stabiliser les boues primaires (par fermentation ou par compostage), les boues d’épuration liquides, pâteuses, solides ou sèches sont envoyées à leur destination finale : l’épandage agricole, la mise en décharge ou l’incinération.

La lagune anaérobie peut être utilisée pour traiter les effluents résiduaires urbains ou industriels.

La pollution décantable des effluents urbains forme des boues qui sont peu à peu digérées par voie ana­érobie (minéralisation de la matière organique et dégagement de CO₂, CH₄ et H₂S).

Il est utilisé en traitement primaire pour éliminer la partie organique décantable des effluents urbains et la pollution organique soluble facilement assimilable des effluents résiduaires industriels (surtout agro-alimentaire).

Du fait des processus de fermentation anaérobie mis en jeu, ce procédé n’est applicable que pour des effluents relativement concentrés (domestiques et industriels) et n’est efficace qu’à partir d’une température de 15 °C et optimale au-delà de 25 °C.

Les risques de nuisances olfactives existent dès que les concentrations en sulfates dépassent quelques dizaines de mg · L^–1 (une concentration de 100 mg · L^–1 doit être considérée comme haute).

Des solutions de couverture des bassins avec ou sans récupération du biogaz sont développées pour éliminer ces nuisances.

Le lagunage anaérobie est envisageable dans des sites suffisamment isolées et sous des conditions climatiques favorables de type méditerranéennes à tropicales.

=> En aquariophilie, cette technique est difficilement applicable, en revanche, elle peut s’appliquer dans le cadre d’un bassin extérieur.

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Traitement tertiaire (traitement complémentaire ou affinage)

Le traitement tertiaire consiste essentiellement en une désinfection de l’eau juste avant rejet, parfois aussi en un affinage préalable du traitement précédent.

Il est effectué de manière très variable, allant d’un simple ajout d’eau de javel ou de chlore justement dosé à un passage sous des lampes à UV.

Certains encore utilisent de l’ozone (un gaz fabriqué sur place car il est instable), d’autres stockent l’eau dans des bassins peu profonds favorisant l’action du soleil.

=> En aquariophilie, ces opérations ne sont pas réalisables…malheureusement !

…on ne peut retenir que l’emploi d’une lampe à ultraviolet !

C’est une méthode douce et naturelle qui n’utilise aucun produit chimique.

Les UVs détruisent les bactéries et micro-organismes qui résident dans l’eau.

Ils empêchent leur prolifération et vous offrent une eau dépourvue de risques microbiens.

Souvent, la filtration par UV est utilisée dans le traitement de l’eau de pluie.

En effet, l’eau peut être propice à la prolifération des micro-organismes.

Cette eau peut également contenir les déjections de certains être-vivants.

Cela peut être nocif et provoquer une couleur et odeur étrange de l’eau.

Pour que ce traitement soit possible, il faut que la qualité de l’eau soit compatible pour laisser passer les rayons UV.

Les principaux paramètres à prendre en compte sont au nombre de sept.

Il faut évaluer :

• la transmittance de l’eau, c’est la transparence de l’eau face au rayonnement UV émis à 254 nm ;
• la couleur, plus une eau sera claire, plus le rayonnement UV pourra la traverser ;
• sa turbidité, plus elle sera faible, moins le rayonnement UV émis sera freiné ou détourné de son chemin ;
• la teneur en fer et en manganèse de l’eau, qui sont des sels métalliques pouvant précipiter sur les gaines protectrices des lampes ;
• la teneur en matières organiques, qui peut absorber la lumière UV à 254 nm
• le caractère plus ou moins entartrant de l’eau.

Pour que le système soit efficace, il doit être en fonctionnement en continu mais sur une courte période de 48/72 H par exemple.

Une stérilisation complète de l’eau n’est pas souhaitable car l’eau doit rester biologiquement active.

La simple diminution du nombre des cellules nuisibles (germes, bactéries, virus..) est tout à fait acceptable et suffisante.

Les bactéries sont très utiles dans les processus de décomposition, c’est une des raisons pour lesquelles on n’emploiera pas ces appareils de façon continue et permanente dans les aquariums.

Un usage intensif et continu pourra également faire perdre aux poissons leur pouvoir de résistance aux infections bactériennes.