I filtri, in quanto strutture principali nel campo del trattamento delle acque, sono ampiamente utilizzati in vari impianti di trattamento delle acque reflue, nel trattamento delle acque reflue industriali, nella purificazione dell'acqua potabile e in altri scenari. Tuttavia, nell'uso reale, i filtri spesso presentano prestazioni scadenti, come velocità di filtrazione lenta, facile intasamento dei mezzi filtranti, scarso effetto di controlavaggio, capacità di trattamento ridotta, qualità dell'effluente instabile e possono persino portare alla non-conformità con gli standard di scarico o all'inquinamento secondario. Questi problemi non solo influiscono sull’efficienza del trattamento ma aumentano anche i costi operativi e le difficoltà di manutenzione. Pertanto, è necessario esplorare modi per migliorare le prestazioni del filtro per garantirne un funzionamento stabile ed efficiente. Questo articolo illustra i modi per migliorare le prestazioni dei filtri per i professionisti del trattamento dell'acqua.
I. Colli di bottiglia dei mezzi filtranti-a strato singolo
I tradizionali filtri a sabbia a strato singolo- utilizzano principalmente sabbia di quarzo come mezzo filtrante, con dimensioni delle particelle progettate per aumentare gradualmente dall'alto verso il basso (fine nella parte superiore, grossolana nella parte inferiore). A livello superficiale sembra che questo filtri le impurità strato dopo strato, ma nel funzionamento reale sorgono spesso problemi. La capacità di trattenere lo sporco- del filtro è una misura chiave delle prestazioni, facendo riferimento alla quantità di impurità trattenute per unità di volume del mezzo filtrante (unità: kg/m³ o g/cm²). L'elevata capacità di trattenere lo sporco- implica che lo strato filtrante svolge un ruolo significativo, con conseguente elevata efficienza di filtrazione, lungo ciclo di lavoro e grande capacità di trattamento dell'acqua. Tuttavia, la distribuzione delle impurità intrappolate in un singolo strato di media filtrante è estremamente disomogenea: la superficie (strato superiore) accumula la maggior parte delle impurità, diminuendo più in basso, con quasi nessun intrappolamento al di sotto dei 30 cm. Ciò fa sì che le perdite di carico (resistenza al flusso) si concentrino principalmente nello strato superficiale, accorciando notevolmente il ciclo di filtrazione e spesso portando all'intasamento nel giro di poche ore. Questo perché la direzione del flusso dell'acqua si allinea con l'aumento delle dimensioni delle particelle, provocando un rapido accumulo di impurità nello strato superiore. Se la dimensione delle particelle viene modificata per diminuire gradualmente lungo la direzione del flusso dell'acqua (da grande a piccola), ovvero con la filtrazione con "dimensione delle particelle inversa", le impurità possono essere distribuite uniformemente, aumentando la capacità di trattenere lo sporco-, riducendo la perdita di carico, estendendo il ciclo di lavoro e persino aumentando la velocità di filtrazione.
II. Filtrazione a flusso ascendente
I media filtranti convenzionali hanno una granulometria più fine nella parte superiore e una granulometria più grossolana nella parte inferiore, con l'acqua che entra dall'alto ed esce dal basso. La filtrazione a flusso ascendente mantiene la stessa dimensione delle particelle ma inverte la direzione del flusso dell'acqua: l'acqua entra dal basso ed esce dall'alto, formando una modalità di "dimensione delle particelle inversa".
I vantaggi di questo design sono: distribuzione uniforme delle impurità nello strato filtrante, migliore capacità di trattenere lo sporco-, aumento più lento della resistenza al flusso d'acqua e ciclo di lavoro prolungato. Tuttavia, è necessario controllare la velocità di filtrazione, poiché velocità di filtrazione elevate possono causare l’espansione dello strato filtrante, la perdita di sabbia fine dallo strato superiore e influire sulla qualità dell’effluente. Pertanto, è necessario aggiungere una rete o una griglia allo strato superficiale per proteggerlo. Sebbene questo metodo abbia il vantaggio di una distribuzione granulometrica inversa, presenta problemi quali la limitata espansione dello strato filtrante durante il controlavaggio, la difficoltà nella rimozione dei fanghi e la rimozione incompleta dei fanghi a causa dell'allineamento del flusso dell'acqua di controlavaggio con la direzione di filtrazione. Questi problemi sono difficili da eliminare completamente, quindi non sono ampiamente utilizzati nella pratica del trattamento delle acque reflue.
III. Filtrazione del flusso a due vie-
Il controlavaggio insufficiente nella filtrazione con flusso ascendente ha portato allo sviluppo della filtrazione a flusso bidirezionale. L'acqua scorre contemporaneamente dal fondo e dall'alto del serbatoio del filtro e fuoriesce dal centro. Lo strato filtrante superiore utilizza un metodo di flusso verso il basso, mentre lo strato inferiore utilizza una distribuzione granulometrica inversa con un flusso verso l'alto, come mostrato nel diagramma. La parte superiore stabilizza la parte inferiore, impedendo un'eccessiva espansione dello strato filtrante. Questo design può migliorare la capacità di trattenere lo sporco-del mezzo filtrante ed estendere il ciclo di filtrazione. Tuttavia, la struttura del serbatoio del filtro è complessa, il funzionamento è complicato e i costi di manutenzione sono elevati, quindi nella pratica viene utilizzato raramente.
Sebbene i due metodi precedenti presentino dei limiti, dimostrano che la modifica della direzione del flusso dell’acqua e della disposizione del mezzo filtrante può migliorare significativamente le prestazioni del filtro.
IV. Mezzo filtrante a doppio-strato
Attualmente, il tipo più popolare è il mezzo filtrante a doppio-strato. La sua struttura è simile al modello a-livello singolo, ma la composizione del livello filtro è cambiata. Lo strato superiore utilizza media filtranti leggeri con basso peso specifico e particelle di grandi dimensioni; lo strato inferiore utilizza mezzi filtranti pesanti con elevato peso specifico e piccole dimensioni delle particelle. Durante il controlavaggio, a causa della differenza di gravità specifica, il mezzo più leggero si trova sopra e il mezzo più pesante è sotto, formando naturalmente un doppio strato.
La dimensione delle particelle di ciascuno strato rimane più fine nella parte superiore e più grossolana nella parte inferiore, ma la dimensione media delle particelle dello strato superiore è maggiore di quella dello strato inferiore, ottenendo un effetto complessivo di dimensione delle particelle inversa. Le misurazioni effettive mostrano che la capacità di trattenere lo sporco-dei mezzi filtranti a doppio-strato è più del doppio di quella dei mezzi filtranti a-strato singolo. A parità di velocità di filtrazione il ciclo di filtrazione risulta prolungato; e nello stesso ciclo di filtrazione è possibile aumentare la velocità di filtrazione. La curva di confronto nella figura seguente riflette chiaramente che l'area di trattenimento dello sporco-del media filtrante a doppio-strato è molto più grande di quella del media filtrante a-strato singolo, indicando che la capacità di trattenere lo sporco-è raddoppiata quando lo spessore dello strato filtrante è lo stesso. Se la qualità dell'acqua affluente è costante, il ciclo di lavoro del media filtrante a doppio-strato è doppio rispetto a quello del media filtrante a-strato singolo.
Questa tecnologia è ampiamente utilizzata negli impianti di trattamento delle acque reflue sia a livello nazionale che internazionale, con risultati significativi, e rappresenta un modo pratico per migliorare le prestazioni dei filtri.
V. Mezzo filtrante multi-strato
I media filtranti multi-strato si riferiscono in genere a tre strati: uno strato superiore di materiale leggero-con particelle grandi (come l'antracite), uno strato intermedio di materiale-particolato medio e densità media-(come sabbia di quarzo) e uno strato inferiore di materiale pesante-con particelle piccole (come granato o magnetite granulare). La dimensione delle particelle diminuisce dall'alto verso il basso, invertendo completamente la distribuzione delle dimensioni delle particelle.
Questo design migliora significativamente la capacità di trattenere lo sporco-del mezzo filtrante, mentre il mezzo filtrante fine sul fondo garantisce una qualità stabile dell'effluente. La velocità di filtraggio può essere superiore rispetto ai filtri a doppio-strato. Quando la torbidità delle acque reflue è bassa e la qualità dell'acqua è stabile, è possibile eseguire la filtrazione diretta (eliminando il processo di sedimentazione) per ottenere la purificazione primaria. Attualmente, per il filtraggio diretto vengono comunemente utilizzati filtri a doppio-strato e multi-strato. Per garantire che l'effluente soddisfi gli standard di scarico o riutilizzo, è possibile aggiungere pre-coadiuvanti di filtrazione ad alto peso molecolare-, come la poliacrilammide o la silice attivata. La filtrazione diretta semplifica il processo e consente di risparmiare investimenti. La composizione e lo spessore degli strati filtranti dovrebbero essere adeguati alla qualità delle acque reflue e la velocità di filtrazione dovrebbe essere bassa, circa 5 m/h. Dopo questi processi di pretrattamento, la qualità degli effluenti generalmente soddisfa gli standard; una parte viene utilizzata per il riutilizzo industriale, una parte soddisfa i successivi requisiti di trattamento e una parte richiede un ulteriore trattamento avanzato.
Riepilogo
Dalle carenze dei media filtranti a strato singolo-, all'ispirazione della filtrazione a particelle inverse e poi all'evoluzione dei filtri a flusso ascendente, a flusso bidirezionale, a doppio-strato e a multi-strato, la tecnologia di trattamento delle acque reflue si sta sviluppando verso un'elevata efficienza e un basso consumo. Questi approcci possono migliorare la capacità di trattenere lo sporco-dei mezzi filtranti, estendere il ciclo di filtrazione, ottimizzare la qualità degli effluenti e contribuire alla protezione dell'ambiente. In pratica, i filtri a doppio-strato e multi-strato sono i più pratici-facili da usare e ad alto-rendimento. In futuro, con i progressi nei materiali e nella progettazione ottimizzata della distribuzione dell’acqua, i filtri diventeranno ancora più potenti.