La filtrazione nella potabilizzazione e depurazione delle acque

Filtrazione nelle Acque

Negli anni sono stati sviluppati diversi meccanismi di filtrazione, in particolare troviamo due grandi categorie: filtrazione su mezzi granulari (il più usato e la sabbia) e membrane. Con la filtrazione rimuoviamo particelle di circa 1000 micron. Se vogliamo rimuovere particelle più piccole o che hanno un tempo di sedimentazione troppo lungo (perchè hanno densità simile all'acqua) possiamo rimuoverle con la filtrazione su sabbia fino a 100 micron, fino ad arrivare alla microfiltrazione, ultrafiltrazione, nanofiltrazione, osmosi inversa che rimuove particelle ioniche. La filtrazione a membrana è una filtrazione compatta che in poco spazio tratta elevati flussi ma ha il problema di essere energivora perchè più è stretto il diametro dei pori del filtro maggiore sarà la pressione da fornire affinchè l'acqua passi la membrana. Uno svantaggio dell'osmosi inversa è che ciò che passa attraverso la membrana, che quindi risulta puro (permeato), è una percentuale dell'acqua con cui abbiamo alimentato il sistema perchè si viene a formare un residuo (concentrato) che è quello che contiene tutti i sali che non sono passati ma che rimangono in fase liquida. In genere la percentuale del concentrato (o brine) è circa del 40 % e deve essere smaltito.

Filtrazione a Dischi Rotanti Autopulenti

Si hanno dei dischi sulla quale è montata una reticella di diametro opportuno. L'acqua viene spruzzata con degli ugelli attraverso la reticella, i solidi vengono trattenuti e l'acqua viene raccolta in una tramoggia in basso. Hanno il vantaggio di non richiedere acqua in pressione, costi energetici bassi e sono autopulenti.

Processo BAC (Biological Activated Carbon)

un processo combinato in cui si hanno due meccanismi: una filtrazione per cui le particelle presenti in acqua attraversano un letto filtrante e vengono rimosse, e la degradazione dei composti organici liberando degli spazi occupati inizialmente dalla frazione organica in forma particellare. Quindi si potrà rigenerare il materiale filtrante che quindi avrà una durata maggiore rispetto a quei materiali a ciclo unico. Se la sostanza organica è biodegradabile si sviluppano dei batteri che aderiscono al materiale adsorbente, per cui si ha una reazione veloce di rimozione tramite adsorbimento e dopo una degradazione più lenta che riguarda la frazione biodegradabile.

Filtrazione e Controlavaggio

La filtrazione è un processo fisico ampiamente utilizzato negli impianti di potabilizzazione e, durante gli ultimi decenni, anche in quelli di depurazione delle acque reflue. La rimozione di solidi sospesi avviene con tempi di sedimentazione eccessivamente lunghi. Si articola in due fasi: quella di filtrazione e quella di pulizia o rigenerazione, detta controlavaggio. - La fase di filtrazione consiste essenzialmente nel far passare l'acqua da trattare attraverso un letto di materiale 'filtrante', ossia un mezzo impaccato con una certa porosità (rete di canali) che consente il passaggio del liquido, ostacolando, invece, il cammino delle particelle sospese in esso. Le particelle si accumulano sulla superficie del letto in alcuni tipi di filtro (filtri lenti), e/o restano intrappolate negli interstizi del materiale poroso in altri (filtri rapidi), intasando progressivamente lo strato filtrante e determinando un aumento delle perdite di carico. La fase di filtrazione termina quando la percentuale di solidi sospesi presenti nell'effluente supera un livello accettabile oppure quando le perdite di carico raggiungono un determinato limite;

146Dobbiamo effettuare il controlavaggio o quando l'acqua prodotta comincia a essere torbida o quando la torbidità che è stata bloccata dal letto filtrante comporta delle perdite di carico idraulico per cui l'acqua non riesce più a passare, ovvero il filtro si è intasato. Idealmente entrambi questi eventi dovrebbero verificarsi simultaneamente in modo tale da avere un risparmio. Per fare ciò bisogna scegliere un filtro con un'opportuna granulometria in relazione alle caratteristiche delle particelle da rimuovere. Se le particelle del letto filtrante sono troppo fini i solidi da rimuovere si bloccheranno nella parte alta del filtro e quindi gli strati inferiori sono puliti. Se invece utilizzo una granulometria elevata delle particelle che compongono il letto filtrante i solidi attraversano il filtro senza essere rimossi. (domanda d'esame meccanismo filtro rapido e filtro letto)

Meccanismi di Rimozione in Filtri Rapidi

Vagliatura

Supponiamo di avere nell'acqua da filtrare particelle di diverse dimensioni. Il letto filtrante è costituito da tanti granelli con un certo diametro e dagli interspazi tra i granelli. Vagliatura: la particella A trascinata dai filetti fluidi che trasportano l'acqua viene bloccata in quanto il suo diametro è maggiore rispetto all'interspazio fra due granelli adiacenti.

Sedimentazione

Sedimentazione: la particella B trascinata dai filetti fluidi che trasportano l'acqua incrocia il granello di sabbia e poiché la particella ha una dimensione molto minore rispetto al granello, essa sedimenta sulla superficie del granello.

Intercettazione

Intercettazione: la particella C nel suo moto verso il basso lambisce il granello di sabbia, si possono sviluppare delle forze di attrazione elettrostatica che legano la particella al granello.

Diffusione

Diffusione: la particella D di piccole dimensioni non si muove lungo la direzione del filetto fluido ma in maniera casuale perchè risente della turbolenza presente dovuta al fatto che l'acqua passa attraverso spazi che variano in continuazione perchè ci sono i granelli. Nel suo moto incontra il granello e si instaurano delle forze attrattive.

Nel momento in cui il filtro va a rimuovere per vagliatura alcune particelle il filtro cambia manmano che procede il suo funzionamento in quanto delle particelle piccole che prima sarebbero passate dall'interspazio fra due granelli vengono invece bloccate. Tale processo è chiamato maturazione del filtro che non avviene se non ci sono particelle grosse.

Efficienza di Rimozione delle Particelle

100 Efficienza di rimozione A /B Diffusione Vagliatura, sedimentazione ed intercettazione 0 10-2 10-1 1 10 100 Dimesione della particelle, um 147Come si vede dal diagramma l'efficienza di rimozione, per particelle molto piccole ha una rimozione del 100%, scende a circa il 60% con la dimensione di 1 micron e poi risale. Questo perchè se rimuovo particelle molto piccole vuol dire che il meccanismo favorito è la diffusione, ma più crescono le particelle più diminuisce il contributo della diffusione e aumenta il contributo degli altri meccanismi di rimozione fino ad arrivare al 100% con particelle del diametro di 10 micron.

Qualità dell'Effluente e Perdite di Carico

Terminal acceptable headloss Effluent quality - and headloss Headloss through filter End of | filter run! Limiting effluent quality Effluont quality Tino or volume of filtrato Sulle ascisse troviamo il tempo o il volume d'acqua trattato e cerchiamo di valutare la qualità dell'effluente. All'inizio la qualità è buona ma col tempo qualche particella passa fino a raggiungere la qualità effluente limitante, il che significa che la torbidità è tale da dover effettuare il controlavaggio. La linea rossa indica le perdite di carico e possiamo notare che all'aumentare del tempo aumentano le perdite perchè il filtro si intasa e l'acqua passa con più difficoltà, perciò dobbiamo aumentare il carico idraulico. Dopo un certo tempo si raggiungono le perdite di carico limite, dobbiamo interrompere il ciclo anche se il filtro avrebbe potuto continuare a svolgere la sua funzione. Possiamo cercare di modificare le perdite di carico in maniera tale da addolcire la pendenza della retta fino alla linea nera in quanto contemporaneamente si raggiungerà la perdita di carico limite e la qualità effluente limitante.

Per evitare che il filtro si intasi troppo velocemente possiamo diminuire il dosaggio di coagulante, facendo dei fiocchi più piccoli che penetrano nel letto filtrante senza intasarne la parte superiore. Però se diminuiamo troppo la dose di coagulante essi potrebbero non essere rimossi per vagliatura o addirittura non essere rimossi e quindi si raggiungerebbe la qualità effluente limitante prima. Ad esempio se le perdite di carico limite si raggiungono ai 2/5 del tempo alla quale si raggiungerebbe la qualità effluente limitante, dobbiamo cercare di raggiungere entrambe le situazioni ai 4/5 di quel tempo e in questo modo avremo guadagnato 2/5. Se la pressione è elevata può succedere che i fiocchi bloccati per vagliatura si sfaldino, per tale motivo è possibile usare dei polimeri per aumentarne la resistenza meccanica.

Filtri Pre-Coat

Esiste una categoria di filtri andati in disuso, ovvero i Pre-Coat (rivestimento). Si utilizzavano dei dischi con membrana attraverso la quale si fsceva passare una soluzione liquida contenente granelli di diatomee che venivano bloccati dal filtro, creando una sorta di strato filtrante e dopo si faceva passare l'acqua da trattare. Nel momento in cui il filtro si saturava si rimuoveva lo strato di precoat dell'ordine di qualche millimetro e in fase liquida si separava il materiale filtrante da ciò che era stato rimosso.

È importante anche l'installazione di filtri anche negli impianti di depurazione per aumentare la percentuale di solidi sospesi rimossa dagli effluenti delle unità di sedimentazione secondaria. Ciò aumenta del 10% i costi di trattamento della linea acqua ma consente una migliore qualità dell'effluente.

Classificazione dei Filtri

148Nel tempo sono stati progettati e realizzati numerosi tipi di filtri che possono essere classificati in modi diversi;

• I filtri a gravità sono contenuti in vasche di acciaio, legno o calcestruzzo, aperti nella parte sommitale e operano a pressione atmosferica; in genere sono preferiti all'altro tipo perché possono funzionare unicamente per mezzo della pressione fornita dall'altezza di carico dell'acqua al di sopra del letto filtrante e perché l'apertura superiore rende facili le ispezioni e la manutenzione.
• I filtri a pressione sono posti in contenitori cilindrici chiusi, in metallo o vetroresina rinforzata, ad asse verticale od orzzontale; un sistema di distribuzione nella parte superiore fa arrivare l'acqua a contatto con gli strati di materiale filtrante ad una pressione compresa fra i 50 e i 100 psi. I meccanismi di funzionamento nei due tipi sono essenzialmente gli stessi.

Filtro Granulare a Gravità

Elfluent leval during filtering Water level during backwashing How filter operates! 1. Open valve A. (This allows elfluent to flow to filter.) 2. Open valve B. (This allows effiuont to flow through litter.) Washwetor trough 3. During filter operatinn, all other valves are closed. How filter is backwashed: Influent A Sand 2. Close valve BI whan water in liltur drops down to top of overtidw. X Air Drain effluent C Gravoi D B Controllor Backwash water (Usually filterod and chlorinated secondary effluant) Underdrain system 1. Close valve A 3. Open valvaa C and D. (This allows water from wash water tank to flow up through the filtering medium, loosening up the sand and washing the accumulated solids det of the filter Fittor backwash water is returned to head end of treatment plant.) Strutture in cemento armato che compongono una vasca a fondo drenante che viene riempita con del ghiaietto per proteggere il fondo drenante e sostiene un letto di sabbia(1m) che sta sopra. Si apre la valvola A dell'influente e si chiudono le altre valvole per riempire il filtro. Per gravità l'acqua tende a passare dal materiale filtrante se c'è un carico idraulico sufficiente per spingere l'acqua. Si apre la valvola B dell'effluente. Il filtro col passare del tempo si intasa, l'acqua risale fino a raggiungere un livello limite e bisogna interrompere il ciclo di filtrazione. A questo punto si chiude la valvola A di alimentazione, scende un po' il livello fino a quando non si chiude anche B, si apre la valvola D dalla quale entra l'acqua di controlavaggio che serve a fluidificare il letto filtrante e a rimuovere la tobidità intrappolata nella porosità. Nel corso degli anni si vide che l'acqua di controlavaggio era anche il 15% dell'acqua prodotta, quindi si cominciò a utilizzare dell'acqua con aria insufflata che migliora l'effetto di fluidificazione risparmiando pure acqua (7%). All'inizio del controlavaggio esce acqua sporca, poi acqua pulita che viene trasportata verso canali rovesci che scaricano attraverso la valvola c verso la sedimentazione delle acque di controlavaggio, che poi verranno rimesse in testa all'impianto di filtrazione o coagulazione.

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