Parmi ces solution nous
avons choisi de nous intéresser au filtre à sable biologique car c'est une
méthode efficace, naturelle, qui fonctionne quelque soit la météo, qui est
relativement facile à mettre en œuvre et qui ne nécessite aucune source
d'énergie.
Fonctionnement du filtre à sable
Ses composants
Le
filtre à sable biologique est un récipient rempli de sable fin avec du gravier
au fond pour le drainage. Ce sable est maintenu sous l'eau grâce à un système de siphon. On peut voir de quels éléments il se compose ci-dessous :
Mécanismes de purification de l'eau
Il élimine les bactéries et même
les virus (selon des tests effectués en laboratoire) grâce à des actions
biologiques et mécaniques.
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Action biologique : le sable est maintenu sous l'eau pour favoriser le développement de
micro-organismes sur la surface du sable (2 premiers cm). Ces micro-organismes
mangent les bactéries, ils forment ainsi une couche biologique. C'est l'élément clé de la
purification de l'eau.
Le filtre est opérationnel au bout de 30 jours d'utilisation quotidienne, c'est le temps nécessaire pour la couche biologique soit suffisamment développée.
On peut voir ci-dessous un graphique représentant l'efficacité de traitement les 30 premiers jours d'utilisation :
-
Action mécanique : les bactéries sont retenues par les grains de sable,
elles sont coincées ou se collent sur les grains. Enfin en profondeur les
bactéries n'ont plus assez d'oxygène pour survivre.
Ci dessous un schéma résume ces mécanismes :
Efficacité
L’efficacité du filtre a été prouvée scientifiquement. Il est préférable que la turbidité soit inférieur à 50 NTU
Utilisation
Des règles sont à respecter pour que la filtration soit efficace :
Il faut effectuer au moins une filtration par jour et laisser un temps de pause d'au moins une heure à 48h maximum entre chaque filtration.
Cette période de pause est nécessaire afin que les micro-organismes de la couche biologique aient le temps d'éliminer les pathogènes. En versant l'eau pour la filtrer, on chasse l'eau traitée qui a stagné dans le filtre.
Entretien
- Il faut veiller à ce que le robinet soit propre (désinfecté). Par contre le réservoir ne doit pas contenir de produits chimique.
- Au bout d'un certain temps le débit du filtre devient trop lent pour l'utilisateur, cela est dû à la couche de sable qui se colmate en surface. Pour rétablir un débit normal il suffit de pratiquer la procédure du "remuer-jeter" :
1/ Remplir 1/3 du réservoir avec de l'eau
2/ Remuer légèrement la couche de sable en surface avec la paume de la main
3/ Écoper l'eau sale et la jeter en dehors du filtre
4/ Effectuer une filtration
Refaire cette procédure jusqu'à ce que le débit revienne à la normal. Cela perturbe la couche biologique, mais au bout de quelques jours d'utilisation le filtre redevient opérationnel.
Les caractéristiques techniques
Pour que le filtre à sable fonctionne il faut respecter des règles de conception :
Les dimensions
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Le diffuseur
Le diffuseur est une sorte de passoire qui permet de réduire l'écoulement de l'eau afin que la couche biologique ne soit pas perturbée. L'espacement des trous doit être de 2,5 cm et leur diamètre de 3 mm.
Le réservoir
Volume max. du réservoir = Volume de la porosité du sable
La capacité du réservoir ne doit pas dépasser le volume de la porosité du sable filtrant. Par porosité on entend : l'espace entre les grains de sable. Pour mesurer cette porosité il suffit de verser 1 volume de sable sec dans un même volume d'eau et de mesurer le volume d'eau qui reste au dessus du sable. On soustrait ce volume restant au volume d'eau total pour obtenir le volume de la porosité. Cette porosité est en général de 40% du volume de sable.
Cependant il faut aussi veillez à ce que la hauteur d'eau, réservoir rempli, ne dépasse pas 20 cm pour des question de pression.
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Le débit
Le taux de charge efficace du filtre est de : 400 L/h/m²
Il s'agit d'une indication de pression à ne pas dépasser pour le bon fonctionnement du filtre. Ce taux permet de calculer le débit normal du filtre avec cette formule :
Débit = Taux de charge x Surface de sable
Si le filtre a un diamètre de 46 cm la surface de sable est de 0,17 m²
Donc : Débit = 400 x 0,17 = 68 L/h -> 68/60 = 1,1 L/min
Le débit ne doit pas dépasser 6,7 L/min
Les modèles existants
Actuellement il existe deux modèles de filtres à sable : un en béton (version 10.0) et un en plastique (HydrAid). Le système du filtre à sable biologique a été inventé par le Dr. David Manz dans les années 90 et développé par CAWST fondé en 2001.
Ces modèles on des proportions optimales pour avoir une capacité de 12L/filtration, un débit correcte (de 0,4L/min) et faire des économie de matière (pas de surplus inutile). Ils sont ni trop grand ni trop petits et on une durée de vie assez longue (béton:+30 ans, plastique : +10 ans). Des tutoriels détaillés sont disponibles sur cawst.org pour fabriquer le modèle en béton.
Cependant ils sont difficiles à mettre en oeuvre. Le modèle en béton nécessite des coffrages en acier, il faut des connaissances en fabrication du béton et en ferronnerie. De ce fait le processus de fabrication est assez long et fastidieux.
Pour le modèle en plastique il faut l'acheter tout prêt.
Leur prix sont aussi relativement élevé pour une population pauvre :
béton -> 12 à 50 $* (les prix varies en fonction des pays)
plastique -> 75 $*
*prix de revient du filtre uniquement
On peut se poser la question du financement.
Au départ notre objectif était de créer un modèle de filtre à sable qui ne coûte quasiment rien en utilisant des matériaux de récupération. Cependant nous nous sommes rendu compte que cet objectif était impossible à atteindre. C'est pourquoi nous avons essayé de comprendre comment les filtres à sable étaient mis en place sur le terrain.
Nous nous sommes appuyé sur un article de l'association ACTED qui a distribué des filtres à sable en Haïti (en 2009).
Mise en place des filtres à sable sur le terrain
Quand on sait que le salaire moyen d'un haïtien est de seulement 2,1$/jour (63,3$/mois), on imagine bien qu'il n'est pas en mesure de se procurer les matériaux et les outils nécessaires à la fabrication d'un filtre à sable.
C'est pourquoi des association viennent en aide au population qui n'ont pas accès à l'eau potable en distribuant des filtre à sable.
C'est le cas de ACTED qui a collaborée avec le Programme d’appui aux initiatives du développement humain (PAIDEH), une ONG haïtienne, pour la fabrication et la promotion des filtres à sable.
L'association a renforcé les équipes de PAIDEH en formant des techniciens pour la fabrication des filtre à sable, mais aussi des formateurs pour éduquer les bénéficiaires et assurer le suivi.
CAWST a collaboré avec ses associations, en tant que consultant, pour les aider à fabriquer leur filtre à sable correctement, leur donner le savoir et les compétence nécessaire.
ACTED a ainsi distribué des filtres à sable à 1200 familles réparties dans trois villages.
Cette action faisait partie d'un projet financé par ACTED avec le soutien de l'Union Européenne et de l'Unicef.
Contexte & Problématique
Comme dans cet exemple, la mise en place de nos filtres à sable se ferait avec l'aide d'une association qui apporterait son soutien technique et financier.
Compte tenu des quantités d'eau nécessaires pour faire fonctionner un filtre à sable l'implantation de notre projet doit se faire dans des régions où la population a un accès à une source d'eau douce abondante (carte ci-contre). De ce fait les régions au climat sec ne sont pas propices à l'utilisation de filtre à sable (voir la carte ci-dessous).
Pour le design notre objectif était de créer un modèle de filtre à sable pour une utilisation familiale facile et rapide à mettre en oeuvre, contrairement aux modèles existants, avec des matériaux que l'on peut se procurer sur place, pour un coût raisonnable (inférieur aux modèles existants).
Prototypes
Nous avons expérimenté deux autres prototypes. Un composé d'un caisson en bois qui soutient un sac plastique contenant le sable et un petit modèle individuel avec un tube en pvc. Le premier nécessite beaucoup d'étapes de fabrication et des techniques particulières pour concevoir le sac (couture renforcée+colle ou thermosoudage plastique), ce qui rend sa mis en oeuvre complexe; le deuxième est une bonne solution mais le débit est faible et son utilisation réservée à une personne.
Fabrication
Nous avons constaté que dans les pays en voie de développement la population dispose de beaucoup de récipients pour stocker l'eau par manque d'eau courante. La solution la plus simple que nous avons trouvée est donc d'utiliser un fût métallique ou en plastique pour fabriquer notre filtre à sable.
- Pour le tuyau : des tubes pvc assemblés avec des coudes
- La traversée du tuyau à travers le fût est jointée avec du mastique d'étanchéité, cela revient moins chère qu'une traversé de parois à boulons et il permet de fabriqué plusieurs filtres à sable.
- Nous avons aussi ajouter un pré-filtre fait avec un tuyau souple et de la moustiquaire.
- Pour adapter le réservoir au fût et faire un couvercle nous avons découpé une plaque de bois.
Voir le tutoriel
Caractéristiques
Hauteur totale = 105 cm
Hauteur du fût = 85 cm
Hauteur de sable filtrant = 50 cm
Hauteur du réservoir = 15 cm (18 cm à raz bord)
Diamètre extérieur = 49 cm
Diamètre intérieur = 46 cm
Débit = 1,1 L/min
Volume par filtration = 17 L en 15 min
Volume porosité du sable = 32 L
Remarque : les dimensions ne sont pas idéal pour une filtration de 17 L car dans l'idéal le volume de la porosité doit être égale au volume du réservoir, hors notre bassine est limitée à 20 L et le fût n'est pas assez haut pour accueillir un réservoir de plus de 30 L (au raz bord).
COÛT DES MATÉRIAUX
Si on veut fabriquer un seul filtre à sable le coût est élevé, mais avec certains matériaux achetés en quantités supérieure on peut fabriquer d'autre filtres. Le coût par filtre est alors de 37,92€ et si l'on arrive à récupérer (gratuitement) certains matériaux le coût atteint 5,47€. On estime que le sable est aussi récupéré.
Sources :
Wikiwater
http://www.wikiwater.fr/e17-les-methodes-simples-de.html
CAWST* informations
https://www.cawst.org/services/expertise/biosand-filter/more-information
https://www.biosandfilters.info/faq
A Layman's guide to clean water
http://www.clean-water-for-laymen.com/biosand-filters.html
http://www.clean-water-for-laymen.com/biosand-filter.html
Tutoriel détaillé CAWST*
https://www.pseau.org/outils/ouvrages/cawst_manuel_du_filtre_biosable_conception_construction_installation_fonctionnement_et_entretien_2010.pdf
Article ACTED
http://www.acted.org/fr/les-filtres-sable-une-reponse-durable-aux-enjeux-de-l-eau-potable-en-haiti
Les modèles existants
Actuellement il existe deux modèles de filtres à sable : un en béton (version 10.0) et un en plastique (HydrAid). Le système du filtre à sable biologique a été inventé par le Dr. David Manz dans les années 90 et développé par CAWST fondé en 2001.
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Cependant ils sont difficiles à mettre en oeuvre. Le modèle en béton nécessite des coffrages en acier, il faut des connaissances en fabrication du béton et en ferronnerie. De ce fait le processus de fabrication est assez long et fastidieux.
Pour le modèle en plastique il faut l'acheter tout prêt.
Leur prix sont aussi relativement élevé pour une population pauvre :
béton -> 12 à 50 $* (les prix varies en fonction des pays)
plastique -> 75 $*
*prix de revient du filtre uniquement
On peut se poser la question du financement.
Au départ notre objectif était de créer un modèle de filtre à sable qui ne coûte quasiment rien en utilisant des matériaux de récupération. Cependant nous nous sommes rendu compte que cet objectif était impossible à atteindre. C'est pourquoi nous avons essayé de comprendre comment les filtres à sable étaient mis en place sur le terrain.
Nous nous sommes appuyé sur un article de l'association ACTED qui a distribué des filtres à sable en Haïti (en 2009).
Mise en place des filtres à sable sur le terrain
Quand on sait que le salaire moyen d'un haïtien est de seulement 2,1$/jour (63,3$/mois), on imagine bien qu'il n'est pas en mesure de se procurer les matériaux et les outils nécessaires à la fabrication d'un filtre à sable.
C'est pourquoi des association viennent en aide au population qui n'ont pas accès à l'eau potable en distribuant des filtre à sable.
C'est le cas de ACTED qui a collaborée avec le Programme d’appui aux initiatives du développement humain (PAIDEH), une ONG haïtienne, pour la fabrication et la promotion des filtres à sable.
L'association a renforcé les équipes de PAIDEH en formant des techniciens pour la fabrication des filtre à sable, mais aussi des formateurs pour éduquer les bénéficiaires et assurer le suivi.
CAWST a collaboré avec ses associations, en tant que consultant, pour les aider à fabriquer leur filtre à sable correctement, leur donner le savoir et les compétence nécessaire.
ACTED a ainsi distribué des filtres à sable à 1200 familles réparties dans trois villages.
Cette action faisait partie d'un projet financé par ACTED avec le soutien de l'Union Européenne et de l'Unicef.
Contexte & Problématique
Comme dans cet exemple, la mise en place de nos filtres à sable se ferait avec l'aide d'une association qui apporterait son soutien technique et financier.
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| Carte des rivières et lacs |
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| Carte mondiale des climats |
Prototypes
Nous avons expérimenté deux autres prototypes. Un composé d'un caisson en bois qui soutient un sac plastique contenant le sable et un petit modèle individuel avec un tube en pvc. Le premier nécessite beaucoup d'étapes de fabrication et des techniques particulières pour concevoir le sac (couture renforcée+colle ou thermosoudage plastique), ce qui rend sa mis en oeuvre complexe; le deuxième est une bonne solution mais le débit est faible et son utilisation réservée à une personne.
Fabrication
Nous avons constaté que dans les pays en voie de développement la population dispose de beaucoup de récipients pour stocker l'eau par manque d'eau courante. La solution la plus simple que nous avons trouvée est donc d'utiliser un fût métallique ou en plastique pour fabriquer notre filtre à sable.
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- Ce fût doit mesuré au moins 80 cm de haut et ne doit pas avoir contenu des produits toxiques.
- Pour le réservoir d'eau et le diffuseur nous avons utiliser une bassine que l'on a percée. - Pour le tuyau : des tubes pvc assemblés avec des coudes
- La traversée du tuyau à travers le fût est jointée avec du mastique d'étanchéité, cela revient moins chère qu'une traversé de parois à boulons et il permet de fabriqué plusieurs filtres à sable.
- Nous avons aussi ajouter un pré-filtre fait avec un tuyau souple et de la moustiquaire.
- Pour adapter le réservoir au fût et faire un couvercle nous avons découpé une plaque de bois.
Voir le tutoriel
Caractéristiques
Hauteur totale = 105 cm
Hauteur du fût = 85 cm
Hauteur de sable filtrant = 50 cm
Hauteur du réservoir = 15 cm (18 cm à raz bord)
Diamètre extérieur = 49 cm
Diamètre intérieur = 46 cm
Débit = 1,1 L/min
Volume par filtration = 17 L en 15 min
Volume porosité du sable = 32 L
Remarque : les dimensions ne sont pas idéal pour une filtration de 17 L car dans l'idéal le volume de la porosité doit être égale au volume du réservoir, hors notre bassine est limitée à 20 L et le fût n'est pas assez haut pour accueillir un réservoir de plus de 30 L (au raz bord).
COÛT DES MATÉRIAUX
Les prix sont ceux des magasins Brico en Belgique, Amazon.fr (coudes PVC), Ecocuves.be (fût en plastique) et Le Chien Vert (fil à coudre).
Si on veut fabriquer un seul filtre à sable le coût est élevé, mais avec certains matériaux achetés en quantités supérieure on peut fabriquer d'autre filtres. Le coût par filtre est alors de 37,92€ et si l'on arrive à récupérer (gratuitement) certains matériaux le coût atteint 5,47€. On estime que le sable est aussi récupéré.
CONCLUSION
Ce filtre répond à nos objectifs :
- Créer un modèle pour un usage familiale
- Créer un modèle facile et rapide à fabriquer sans compétences nécessaires
- Apporter des améliorations techniques : pré-filtre, débit plus élevé
- Utiliser des matériaux disponible sur place
- Réduire les coût des matériaux grâce à la récupération
Nous avons réussit à créer un modèle alternatif aux modèles conçu par CAWST. Du moment que l'on a bien assimilé le principe du filtre à sable et ses règles de conceptions on peut le fabriquer avec n'importe quel récipients étanches, d'une hauteur assez grande et non toxique. Une association pourra se charger du financement et de la fabrication des filtres à sable destinés aux populations pauvres.
Sources :
Wikiwater
http://www.wikiwater.fr/e17-les-methodes-simples-de.html
CAWST* informations
https://www.cawst.org/services/expertise/biosand-filter/more-information
https://www.biosandfilters.info/faq
A Layman's guide to clean water
http://www.clean-water-for-laymen.com/biosand-filters.html
http://www.clean-water-for-laymen.com/biosand-filter.html
Tutoriel détaillé CAWST*
https://www.pseau.org/outils/ouvrages/cawst_manuel_du_filtre_biosable_conception_construction_installation_fonctionnement_et_entretien_2010.pdf
Article ACTED
http://www.acted.org/fr/les-filtres-sable-une-reponse-durable-aux-enjeux-de-l-eau-potable-en-haiti
*Center for Affordable Water and Sanitation Technology
