La filtrazione è un processo usato per la rimozione di solidi sospesi (SS) non colloidali.
La tecnica filtrante più diffusa nella potabilizzazione delle acque è la filtrazione rapida, nella quale i solidi sospesi vengono trattenuti in un letto filtrante.

Il processo di filtrazione rapida

Nonostante il nome suggerisca il contrario, nella filtrazione rapida si opera con ridotte velocità di flusso, tramite due fasi sequenziali:

  1. Prima fase:
    Contatto tra i SS trasportati dal liquido e i granuli del letto filtrante, mediante i meccanismi di seguito illustrati.
    filtrazione dei solidi sospesi
  2. Seconda fase:
    Adesione dei SS ai granuli del filtro grazie a forze elettrostatiche (migliorabili con opportuni pretrattamenti).

Caratteristiche del mezzo filtrante

I granuli di un letto filtrante (di solito di sabbia, antracite o carbone attivo) devono essere:

  • sufficientemente piccoli, senza però arrivare ad un intasamento troppo rapido;
  • più possibile uniformi per evitare di perturbare eccessivamente il flusso;
  • chimicamente inerti, per non dare problemi igienici.

Per migliorare l’efficacia del trattamento è possibile diversificare la granulometria del letto filtrante, usando granulometrie più fini per gli strati più bassi.

Il ciclo di funzionamento

Via via che i solidi sospesi si sedimentano, si ha un intasamento progressivo finché il letto filtrante non più in grado di trattenerli: a questo punto si verifica la “perforazione del filtro”.

Schematizzazione intasamento progressivo filtro

Schematizzazione dell’intasamento progressivo di un filtro

Si procede quindi col controlavaggio, usando flussi d’aria+acqua direzionati verso l’alto, per fluidificare il letto filtrante allontanando tra loro i granuli e favorendo l’asportazione dei SS trattenuti.
Il controlavaggio è fondamentale per il corretto funzionamento del filtro e rappresenta circa la metà dell’intero costo di impianto. Viene attivato appena prima della perforazione del filtro e quindi tarato sulla massima perdita di carico; è quindi importante un’adeguata strumentazione di misura dei parametri idraulici di esercizio.

Spesso si preferisce operare a carico costante, introducendo una perdita di carico accessoria a valle, tramite una regolazione che varia con l’intasamento del filtro.

Schematizzazione filtro con regolatore di valle

Schematizzazione filtro, con R*=regolatore di valle

La modellazione

Le tradizionali leggi del moto di un fluido in un mezzo poroso (es. Darcy, Rose, Carmen-Kozeny) non sono sufficienti poiché le caratteristiche del letto filtrante variano con l’aumentare dell’intasamento del filtro.
I parametri in gioco sono:

  • caratteristiche acqua in ingresso (concentrazione di solidi sospesi da rimuovere, temperatura, viscosità)
  • caratteristiche filtro (altezza del letto filtrante, dimensione granuli, porosità, coefficiente di sfericità, e uniformità)
  • caratteristiche processo (carico idraulico di esercizio, tempo di contatto, velocità filtrazione)

La maggiore complessità sta nel definire una legge per l’andamento del deposito di SS sui granuli del letto filtrante. Operativamente, si ricorre quindi a dimensionamenti empirici:

  1. si sceglie un carico idraulico accettabile;
  2. si fissa una perdita di carico limite, sulla base del profilo idraulico d’impianto e di un adeguato franco di sicurezza prima della perforazione del filtro;
  3. si calcola la permeabilità del filtro a intasamento completo;
  4. si ricava l’altezza del filtro con una tradizionale legge del moto fluido in mezzo poroso, in condizione di completa perforazione.

Nel caso di trattamento di acque per impianti industriali, la filtrazione avviene spesso in pressione. Il funzionamento è analogo a quello per gravità finora descritto e avviene in serbatoi cilindrici ad asse verticale (o meno frequentemente orizzontale).

schematizzazione filtro pressione

Schematizzazione filtro in pressione

Altre tecniche di filtrazione

Oltre alla filtrazione rapida ci sono altri tipi di filtrazione:

  • A. Microstacciatura
    Si tratta di una filtrazione di superficie ad opera di teli filtranti molto fini. È un processo continuo, a differenza delle altre tipologie che hanno un funzionamento basato su cicli di intasamento e successiva pulizia. Viene usata prevalentemente come stadio finale di pretrattamento, meno frequentemente in sede di trattamento finale. In questo caso, è comunque impiegato in parallelo con un’unità di filtrazione rapida.

Microstaccio

Microstaccio

  • B. Filtrazione pre-coat
    Questo tipo di filtrazione si effettua con particolari filtri costituiti da candele porose attraversate da acqua in pressione; queste candele sono in pratica dei cilindri ceramici cavi e porosi.
    Per evitare un rapido intasamento, vengono rivestite da terre di diatomee, un materiale granulare fine composto dagli scheletri fossili di alghe; queste aiutano la filtrazione e, una volta intasate, possono essere rigenerate tramite contro lavaggio.

  • Schematizzazione filtro precoat

    Schematizzazione filtro precoat

  • C. Bio-filtrazione
    È una filtrazione lenta su sabbia molto fine. Consiste nel favorire, sui granuli del filtro, la formazione di una membrana biologica in grado di trattenere le particelle da rimuovere biologicamente.

  • Schematizzazione bio-filtro

    Schematizzazione bio-filtro