La ciència darrere dels filtres de sorra: com funcionen?

Els filtres de sorra són un component essencial dels sistemes de tractament d'aigua, i utilitzen una fascinant gamma de principis científics per purificar l'aigua. Només als Estats Units, més de 600.000 milions de galons d'aigua es tracten cada dia mitjançant sistemes de filtració de sorra, cosa que destaca el seu paper fonamental per garantir l'accés a aigua neta. Comprendre els mecanismes complexos que hi ha darrere de la seva funcionalitat significa la seva eficiència i fiabilitat a l'hora de filtrar les impureses. Aquest article tracta la ciència que hi ha darrere dels filtres de sorra, explicant el seu funcionament i els principis que regeixen la seva eficàcia.

Arquitectura dels filtres de sorra:

Un filtre de sorra típic és una meravella de precisió dissenyada. El cor del filtre rau en les capes de sorra i grava meticulosament seleccionades. La mida i la gradació d'aquestes partícules del medi són crucials per a una filtració eficient.

Ø mitjans filtrants:  Les partícules de sorra solen tenir un diàmetre d'entre 0,3 i 1,2 mil·límetres, amb un coeficient d'uniformitat (una mesura de la variació de la mida) entre 1,2 i 1,5. Aquesta gamma específica garanteix espais porosos òptims entre els grans, permetent el flux d'aigua alhora que atrapa eficaçment contaminants de diverses mides. Sota la capa de sorra hi ha una capa de grava, que normalment té un diàmetre d'entre 2 i 5 mil·límetres. Aquesta capa proporciona suport estructural i evita que les partícules de sorra més fines migrin al sistema de drenatge subterrani.

Ø Sistema de distribució: Un flux d'aigua uniforme a través del llit filtrant és fonamental per a un rendiment òptim. Això s'aconsegueix mitjançant un sistema de distribució ben dissenyat, que pot adoptar diverses formes. En alguns filtres, una placa perforada o una xarxa de canonades distribueix l'aigua entrant uniformement per la part superior del llit de sorra. Un altre disseny comú utilitza broquets que distribueixen estratègicament l'aigua per minimitzar la canalització dins del filtre.

Ø Sistema de drenatge subterrani:  Situat a la part inferior del filtre, el sistema de drenatge inferior facilita la recollida i eliminació de l'aigua filtrada. Normalment consisteix en una xarxa de canonades o canals incrustats en una capa de grava o pedra triturada. El disseny del sistema de drenatge subterrani garanteix una recollida eficient de l'aigua filtrada alhora que minimitza les pèrdues de càrrega (caiguda de pressió) durant el flux d'aigua.

Funcionament dels filtres de sorra:

El procés de purificació dins d'un filtre de sorra és una interacció de mecanismes físics, químics i biològics. Cada mecanisme té un paper específic en l'eliminació de contaminants i la garantia de la producció d'aigua neta.

1 Filtració física:

A mesura que l'aigua flueix cap avall a través del llit de sorra, entren en joc diversos mecanismes físics:

Ø Forçant:  Les partícules més grans, que superen la mida dels espais porosos entre els grans de sorra, queden atrapades físicament dins del llit filtrant. Aquest és el mecanisme principal per eliminar sòlids en suspensió com la sorra, el llim i les algues.

Ø Sedimentació:  Les partícules més petites, influenciades per la gravetat, es dipositen fora de la columna d'aigua i s'allotgen als buits entre els grans de sorra. Aquest mecanisme és particularment eficaç per eliminar partícules més pesades que poden no ser atrapades eficaçment només amb esforç.

Ø Intercepció:  Les partícules més petites que els espais porus encara es poden eliminar mitjançant la intercepció. A mesura que l'aigua flueix al voltant dels grans de sorra, aquestes partícules més petites poden entrar en contacte amb les superfícies dels grans i quedar atrapades a causa de la seva mida i la forma irregular dels grans de sorra.

2 Filtració química:

Mentre que els mecanismes físics eliminen la major part dels contaminants, els filtres de sorra també poden contribuir a cert grau de filtració química. Certs contaminants, com el ferro i el manganès, poden adherir-se a la superfície dels grans de sorra mitjançant un procés anomenat adsorció. Aquesta adsorció pot estar influenciada per factors com la càrrega superficial dels grans de sorra i les propietats específiques dels contaminants.

3 Filtració biològica:

Una característica aplaudible dels filtres de sorra rau en la seva capacitat de suportar la filtració biològica. Les superfícies dels grans de sorra es converteixen en un refugi per al creixement d'una comunitat microbiana diversa, formant un biofilm. Aquest biofilm juga un paper crucial en la purificació de l'aigua degradant la matèria orgànica i els patògens. Els microorganismes del biofilm utilitzen contaminants orgànics com a font d'aliment, descomponent-los en compostos més simples. A més, alguns bacteris dins del biofilm poden competir i fins i tot alimentar-se de bacteris patògens, reduint encara més el seu nombre a l'aigua filtrada.

Filtració de sorra avançada:

Tot i que els principis bàsics descrits anteriorment continuen sent fonamentals, s'han desenvolupat diverses tècniques avançades de filtració de sorra per abordar reptes específics i millorar l'eficiència del tractament.

1 Coagulació i floculació:

En situacions amb alta terbolesa o alt contingut de matèria orgànica, es poden incorporar passos de coagulació i floculació abans de la filtració amb sorra. Els coagulants desestabilitzen les partícules en suspensió, fent que s'agrupin en flòculs més grans. Els floculants formen un pont entre aquests flocs, formant agregats encara més grans que s'eliminen més fàcilment mitjançant la filtració de sorra. Aquest pas de pretractament redueix significativament la càrrega del filtre de sorra, permetent-li funcionar de manera més eficient i allargar el temps de funcionament del filtre entre retrorentats.

2 Filtració multimèdia:  

Una variació del filtre de sorra tradicional és el filtre multimèdia. Aquest tipus de filtre utilitza capes de diferents mitjans amb mides i densitats variables. Per exemple, una configuració comuna podria incloure capes d'antracita (carbó), sorra i granat. Els diferents medis proporcionen una gamma més àmplia de mides de porus, cosa que permet una eliminació més eficaç d'un espectre més ampli de contaminants. A més, la disposició multimèdia pot ajudar a minimitzar la canalització i millorar la uniformitat de la filtració.

Com optimitzar el rendiment dels filtres de sorra:

Els filtres de sorra, com qualsevol sistema de filtració, requereixen un manteniment periòdic per garantir un rendiment òptim. Amb el temps, els contaminants s'acumulen dins del llit filtrant, cosa que provoca un augment gradual de les pèrdues de càrrega i una reducció de l'eficiència de filtració. Per solucionar això, s'utilitza un procés anomenat rentat a contracorrent. Durant el rentat a contracorrent, el flux d'aigua s'inverteix. L'aigua neta es bomba cap amunt a través del llit filtrant, expandint el llit de sorra i desplaçant els contaminants atrapats. L'aigua de rentat a contracorrent, carregada amb els contaminants eliminats, es descarrega com a residus. La freqüència del rentat a contracorrent depèn de diversos factors, com ara la qualitat de l'aigua d'entrada i la taxa de filtració.