La scienza dietro i filtri a sabbia: come funzionano?

I filtri a sabbia sono una componente essenziale dei sistemi di trattamento dell'acqua e sfruttano un'affascinante serie di principi scientifici per purificare l'acqua. Solo negli Stati Uniti, ogni giorno vengono trattati oltre 600 miliardi di galloni d'acqua mediante sistemi di filtrazione a sabbia, il che evidenzia il loro ruolo fondamentale nel garantire l'accesso all'acqua pulita. Comprendere i complessi meccanismi alla base del loro funzionamento significa garantirne l'efficienza e l'affidabilità nel filtrare le impurità. Questo articolo tratta i principi scientifici alla base dei filtri a sabbia, spiegandone il funzionamento e i principi che ne regolano l'efficacia.

Architettura dei filtri a sabbia:

Un tipico filtro a sabbia è un capolavoro di precisione ingegneristica. Il cuore del filtro risiede negli strati di sabbia e ghiaia accuratamente selezionati. Le dimensioni e la gradazione di queste particelle sono fondamentali per una filtrazione efficiente.

Ø Materiali filtranti:  Le particelle di sabbia hanno in genere un diametro compreso tra 0,3 e 1,2 millimetri, con un coefficiente di uniformità (una misura della variazione dimensionale) compreso tra 1,2 e 1,5. Questa gamma specifica garantisce spazi porosi ottimali tra i grani, consentendo il flusso dell'acqua e intrappolando efficacemente contaminanti di varie dimensioni. Sotto lo strato di sabbia si trova uno strato di ghiaia, il cui diametro varia solitamente da 2 a 5 millimetri. Questo strato fornisce supporto strutturale e impedisce alle particelle di sabbia più fini di migrare nel sistema di drenaggio sotterraneo.

Ø Sistema di distribuzione: Per ottenere prestazioni ottimali è fondamentale che il flusso d'acqua sia uniforme sul letto filtrante. Ciò si ottiene attraverso un sistema di distribuzione ben progettato, che può assumere varie forme. In alcuni filtri, una piastra forata o una rete di tubi distribuiscono l'acqua in entrata in modo uniforme sulla superficie del letto di sabbia. Un altro design comune prevede l'utilizzo di ugelli che distribuiscono strategicamente l'acqua per ridurre al minimo la canalizzazione all'interno del filtro.

Ø Sistema di drenaggio sotterraneo:  Situato nella parte inferiore del filtro, il sistema di drenaggio facilita la raccolta e la rimozione dell'acqua filtrata. Di solito è costituito da una rete di tubi o canali inseriti in uno strato di ghiaia o pietrisco. La progettazione del sistema di drenaggio sotterraneo garantisce una raccolta efficiente dell'acqua filtrata, riducendo al minimo la perdita di carico (caduta di pressione) durante il flusso dell'acqua.

Funzionamento dei filtri a sabbia:

Il processo di purificazione all'interno di un filtro a sabbia è un'interazione di meccanismi fisici, chimici e biologici. Ogni meccanismo svolge un ruolo specifico nella rimozione dei contaminanti e nel garantire la produzione di acqua pulita.

1 Filtrazione fisica:

Quando l'acqua scorre verso il basso attraverso il letto di sabbia, entrano in gioco diversi meccanismi fisici:

Ø Sforzandosi:  Le particelle più grandi, che superano le dimensioni degli spazi porosi tra i granelli di sabbia, rimangono fisicamente intrappolate nel letto filtrante. Questo è il meccanismo principale per rimuovere i solidi sospesi come sabbia, limo e alghe.

Ø Sedimentazione:  Le particelle più piccole, sotto l'influenza della gravità, si depositano fuori dalla colonna d'acqua e si depositano negli spazi vuoti tra i granelli di sabbia. Questo meccanismo è particolarmente efficace per rimuovere le particelle più pesanti che non possono essere intrappolate efficacemente mediante la sola filtrazione.

Ø Intercettazione:  Anche le particelle più piccole degli spazi dei pori possono essere rimosse tramite intercettazione. Quando l'acqua scorre attorno ai granelli di sabbia, queste particelle più piccole possono entrare in contatto con la superficie dei granelli e rimanere intrappolate a causa delle loro dimensioni e della forma irregolare dei granelli di sabbia.

2 Filtrazione chimica:

Mentre i meccanismi fisici rimuovono la maggior parte dei contaminanti, i filtri a sabbia possono anche contribuire a un certo grado di filtrazione chimica. Alcuni contaminanti, come il ferro e il manganese, possono aderire alla superficie dei granelli di sabbia attraverso un processo chiamato adsorbimento. Questo adsorbimento può essere influenzato da fattori quali la carica superficiale dei granelli di sabbia e le proprietà specifiche dei contaminanti.

3 Filtrazione biologica:

Una caratteristica apprezzabile dei filtri a sabbia è la loro capacità di supportare la filtrazione biologica. Le superfici dei granelli di sabbia diventano un rifugio per la crescita di una comunità microbica diversificata, formando un biofilm. Questo biofilm svolge un ruolo cruciale nella purificazione dell'acqua, degradando la materia organica e gli agenti patogeni. I microrganismi presenti nel biofilm utilizzano i contaminanti organici come fonte di cibo, scomponendoli in composti più semplici. Inoltre, alcuni batteri presenti nel biofilm possono competere con i batteri patogeni e persino predarli, riducendone ulteriormente il numero nell'acqua filtrata.

Filtrazione avanzata della sabbia:

Sebbene i principi fondamentali sopra delineati rimangano fondamentali, sono state sviluppate diverse tecniche avanzate di filtrazione a sabbia per affrontare sfide specifiche e migliorare l'efficienza del trattamento.

1 Coagulazione e flocculazione:

In situazioni con elevata torbidità o elevato contenuto di materia organica, è possibile incorporare fasi di coagulazione e flocculazione prima della filtrazione a sabbia. I coagulanti destabilizzano le particelle sospese, facendole raggruppare in fiocchi più grandi. I flocculanti collegano poi questi fiocchi, formando aggregati ancora più grandi che vengono rimossi più facilmente tramite filtrazione a sabbia. Questa fase di pretrattamento riduce significativamente il carico sul filtro a sabbia, consentendogli di funzionare in modo più efficiente e di prolungare il tempo di funzionamento del filtro tra un controlavaggio e l'altro.

2 Filtrazione multimediale:  

Una variante del tradizionale filtro a sabbia è il filtro multimediale. Questo tipo di filtro utilizza strati di diversi supporti con dimensioni e densità variabili. Ad esempio, una configurazione comune potrebbe comprendere strati di antracite (carbone), sabbia e granato. I diversi supporti offrono una gamma più ampia di dimensioni dei pori, consentendo una rimozione più efficace di uno spettro più ampio di contaminanti. Inoltre, la disposizione multimediale può contribuire a ridurre al minimo la canalizzazione e a migliorare l'uniformità della filtrazione.

Come ottimizzare le prestazioni dei filtri a sabbia:

I filtri a sabbia, come qualsiasi sistema di filtrazione, richiedono una manutenzione periodica per garantire prestazioni ottimali. Nel tempo, i contaminanti si accumulano nel letto filtrante, causando un graduale aumento della perdita di carico e una riduzione dell'efficienza di filtrazione. Per risolvere questo problema si ricorre a un processo chiamato controlavaggio. Durante il controlavaggio, il flusso dell'acqua viene invertito. L'acqua pulita viene pompata verso l'alto attraverso il letto filtrante, espandendo il letto di sabbia e rimuovendo i contaminanti intrappolati. L'acqua di controlavaggio, carica dei contaminanti rimossi, viene quindi scaricata negli scarichi. La frequenza del controlavaggio dipende da vari fattori, come la qualità dell'acqua in ingresso e la velocità di filtrazione.