Medias de filtration biologique

Lorsque l’eau a subi un premier traitement la débarrassant de ses plus grosses particules, on peut ensuite la faire transiter dans le filtre biologique. Avec les supports, ce dernier abrite les bactéries utiles à l’épuration de l’eau. Pour de plus amples explications concernant l’épuration de l’eau, consultez le cycle de l’azote dans la section chimie du bassin.

Avant de passer en revue les différents systèmes de filtration, je vais vous détailler les principaux types de médias qui peuvent servir dans un biofiltre. L’intérêt d’un support bactérien est d’offrir un maximum de surface pour la colonisation bactérienne, tout en offrant la possibilité d’une bonne circulation d’eau, mais cela ne suffit pas...

Si le support ne convient pas, les bactéries peuvent souffrir de "stress" ! Dans ces conditions, elles ne pourront ni croître, ni se multiplier car leur fonctionnement métabolique est au ralenti. Quelques conditions peuvent placer les bactéries en état de stress; par exemples, les variations importantes des paramètres physico-chimiques de l’eau, ou encore la mauvaise qualité d’un support.

Lorsqu’une cellule entre en contact avec une surface, elle peut s’y fixer de manière temporaire ou permanente; les forces d’attraction qui entrent en jeu sont chimiques et électrostatiques.

Disons que si une surface est chargée positivement, et que la couche ionique autour de la bactérie l’est négativement, il y aura une forte attraction entre les deux. Au niveau du matériau, un état de surface lisse ne permet pas un développement optimal du biofilm. La vitesse du courant de l’eau, la lumière ont une influence également...

Mais si toutes les conditions sont réunies, on assiste alors à la reprise d’une activité normale; la croissance se produit et après quelques cycles de division, les nouvelles bactéries se détachent des cellules parentales pour aller coloniser une autre surface.

Les tapis japonais

C’est sans doute le matériau le plus utilisé en filtration biologique !

Ces tapis offrent une structure aérée qui permet un bon passage de l’eau tout en offrant une surface de qualité pour les colonies bactériennes. On les place dans la chambre du filtre en position verticale, posés non pas sur le fond de la chambre mais sur une grille, et souvent séparés les uns des autres par des intercalaires (constituées dans des chutes de tapis).

Si la filtration mécanique qui précède est de type "ultrafine" comme un tambour, il est possible de se passer d'intercalaires et les tapis pourront être installés les uns contre les autres, si cela s'avère nécessaire (manque de place).

Le sens des tapis est controversé mais pour ma part - dans un filtre à plusieurs chambres - ils se placent perpendiculairement au sens du flux de l’eau: cela favorise la pénétration du fluide dans le tapis tout en réduisant les zones mortes. Vu sa structure, ce tapis ne nécessite pas d’entretien particulier. Si le filtre biologique est constitué d'une grande chambre unique, mieux vaut alors placer les tapis dans le sens du flux de l'eau.

Si la filtration mécanique située en amont n’est pas efficace, les tapis se salissent plus vite et il suffit de les rincer avec de l’eau du bassin de façon alternée. Une forte aération qui est nécessaire pour les bactéries doit aussi normalement éviter les dépôts de saletés dans les tapis.

L’épaisseur des tapis est de 3,5 ou 3,8 cm et mesurent soit 1,2 m / 1,0 m, soit 1,0m / 2,0 m.
Ces tapis offrent une surface de 275 à 300 m² par m³.
La surface est finalement moyenne par rapport à d'autres medias, mais la matière de ces tapis ainsi que sa texture en font un media incontournable capable de supporter des colonies bactériennes résistantes.

Les Matalas

Le fabricant propose une gamme de produits différents en polypropylène dont les tapis ordinaires mais également des tubes ou des tapis circulaires. Les tapis circulaires peuvent servir dans des vortex (voir filtration mécanique). Dans les filtres multichambres, les tapis ordinaires peuvent très bien convenir; comme les tapis japonais, ils se coupent facilement à l'aide une disqueuse et ils sont disponibles dans plusieurs densités.

Les tapis de faible densité sont surtout destinés à répartir le flux d’eau dans la chambre: cela permet une relative décantation et d’éviter le colmatage des tapis suivants. On peut également réaliser des préfiltres mécaniques indépendants en utilisant exclusivement les matalas noirs.

Les tapis moyens, tout comme les tapis japonais abritent des bactéries nitrifiantes assurant la nitrification. Quant aux tapis ayant les plus fortes densités, ceux-ci présentent des performances accrues. Après une filtration mécanique par tambour, il est possible de réaliser un filtre biologique alternant tapis japonais et Matala. Un bon compromis !

Les matalas sont disponibles en tapis de 1,00 m par 1,20 m pour 4 cm d'épaisseur.

Densité du Matala

Matala noir: 140 à 165 m²/m³ (M-150)
Matala noir: 180 à 200 m²/m³ (M-190)
Matala vert: 270 à 300 m²/m³ (M-280)
Matala bleu: 360 à 400 m²/m³ (M-380)
Matala gris: 450 à 500 m²/m³ (M-500)
Matala brun: 580 à 650 m²/m³ (M-650

La pouzzolane

Le terme « pouzzolane » vient de Pozzuoli, ville italienne située près de Naples (Vésuve). La pouzzolane est une roche volcanique à structure alvéolaire, dont la composition varie en fonction du site d’extraction: on ne la trouve pas exclusivement près du Vésuve... de nombreuses carrières existent, par exemple en Auvergne.

Cette roche est très microporeuse, de ce fait elle peut abriter une colonie importante de bactéries utiles à notre filtre. On estime la porosité d’un matériau en mesurant le volume d’eau nécessaire à la saturation d’un volume donné de ce matériau.

Cet avantage ne procure pas une surface extraordinaire pour les bactéries, il n’y a d’ailleurs pas que la surface qui soit à prendre en compte, mais il permet de raccourcir sensiblement le temps de démarrage du cycle de l’azote.

Le biofilm s’accroche plus vite et plus facilement que sur des supports synthétiques, plus vite même que sur du gravier ordinaire. Une seconde particularité de la pouzzolane est d’allonger le temps de séjour des déchets azotés dans les filtres ruisselants: cela ne signifie pas que l’eau reste plus longtemps dans le filtre, cela signifie que la structure de la pouzzolane permet de retenir plus longtemps les particules.
 
Avec une meilleure oxygénation, ceci explique pourquoi les filtres semi-humides possèdent de meilleurs rendements que les filtres dont les supports sont immergés.

Dans cette configuration, sans filtration mécanique super efficace, la pouzzolane est championne pour piéger les MES: pour preuve, il suffit de rincer un compartiment rempli de cette roche et de comparer avec un second rempli de substrat synthétique...
 
Cette qualité en fait un gros défaut: rares sont ceux qui disposent d’une filtration mécanique très efficace et dans ce cas, il faut donc s’efforcer de rincer régulièrement ces masses filtrantes en les disposant non pas en vrac dans le filtre, mais dans des sacs ou paniers facilitant les manutentions.

Ce matériau devrait donc être utilisé uniquement dans les filtres qui bénéficient d’une préfiltration mécanique très fine, et pour baignade uniquement !

Le colmatage d’un matériau poreux n’est pas uniquement dû aux MES (colmatage physique), car l’activité bactérienne est également productrice de boues et de sous-produits qui peuvent colmater la pouzzolane (colmatage biologique).
Si la dénitrification est possible dans un matériau poreux non colmaté, un filtre colmaté qui n’est pas bien entretenu peut très facilement provoquer de la fermentation, phénomène qu’il faut absolument éviter.

Alfagrog

Ce matériau est obtenu par cuisson, en combinant plusieurs types d’argiles portés à haute température. Le produit fini est donc une céramique très poreuse dont les caractéristiques sur le plan pratique, sont semblables à celles de la pouzzolane.

L’Alfagrog est plus friable que la pouzzolane: elle est donc peut-être moins durable, cependant elle offre une surface largement supérieure, le fabricant cite 45 m² par litre. Une autre différence concerne le pH qui varie de 6,5 à 7,00 pour la pouzzolane et de 7,6 à 7,9 pour l’Alfagrog.
 
Ce matériau est très utilisé en Grande-Bretagne et nécessite, comme la pouzzolane, une préfiltration mécanique très performante. Il existe quantité de produits similaires (toujours des produits chauffés à haute température - scories) dont il faut vérifier les caractéristiques: les grandes marques sont connues, leurs produits sont fiables et les prix restent très corrects.

Les medias en plastique

Les médias en plastique sont souvent proposés à l’achat d’un système de filtration et conviennent bien pour le démarrage d’une nouvelle installation, lorsque le budget demande quelques "aménagements" !
Ils existent dans de très nombreuses formes et parmi celles-ci, les flocors ou les bioballes sont les plus connues: comme les flocors.

En général, ce sont des médias de qualité médiocre qui possèdent une surface relativement modeste (150 à 200 m²/m³): en comparant avec d’autres produits, il faut donc en prévoir plus. Pour ce genre de matériel, mieux vaut se référer à des marques réputées car la composition des plastiques est fort variable et le risque d’une toxicité n’est pas nulle: certaines substances chimiques peuvent migrer et diffuser dans l’eau (plastique au cadmium etc.)

Concernant le biofilm: il s’accroche bien sur le "plastique" s’il est rugueux: une texture irrégulière fait souvent la différence avec un produit à texture lisse qu’il vaut mieux délaisser. L’avantage de ces matériaux est d’éviter le colmatage des surfaces.

Kaldnes - Hel-X

Les Kaldnes sont des médias à utiliser dans des filtres de type fluidisé. Les éléments ne sont donc pas entassés dans un compartiment du filtre, mais circulent dans celui-ci, forcés par un flux d'air. Ces médias ont été développés en Norvège conjointement par un institut de recherche et par l’université norvégienne des sciences et des technologies.

Le support le plus connu de cette société est le Kaldnes K1 qui présente une surface de 800 m²/m³ et dont la densité est légèrement inférieure à 1 pour permettre la flottaison. Lorsque le biofilm s’est développé, la densité du matériau est normalement proche de 1, et cette propriété permet donc de fluidiser parfaitement dans le filtre le lit de Kaldnes.

Dans le cas qui nous occupe principalement, c’est-à-dire la nitrification, les concepteurs préconisent une forte aération de la chambre pour imprimer le mouvement de ces médias; il est prévu de réaliser des produits de densité supérieure pour une utilisation en eau de mer (aquariums-pisciculture) ou dans des filtres anoxiques de dénitrification.

Lorsque le bain de Kaldnes est en mouvement, la forme particulière (roue dentée) de ces médias permet, par friction, de décrocher en permanence les tissus morts des supports. Ainsi, d’après ces chercheurs, le biofilm est constamment régénéré et donc, plus efficace.
Les medias génériques de type Helix (Hel-X)  sont inspirés de Kaldnes: ils développent une surface de 720 m2 /m3 pour une surface protégée de 590 m2 / m3 et s'utilisent de la même manière. Certains sont en PP d'autres en plastique: ces derniers, en plastique ou matière recyclée ne permettent pas une biologie optimale.