la filtrazione in volume operata su materiali inerti granulari naturali

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La filtrazione in volume, ossia la rimozione di solidi sospesi in unliquido, operata utilizzando un mezzo poroso (inerti granulari), èun processo “naturale” che avviene all’interno del mezzo stesso econsente di separare dall’acqua una grande varietà di sostanzeindesiderabili e/o nocive e di ottenere molteplici utili effetti (vediTabella 1).

In ogni caso, il primo fondamentale obiettivo è il raggiungimen-to della limpidezza che è la caratteristica più immediatamentericonducibile al concetto di separazione, insieme alla rimozione dialtri parametri estetici (colore, odore, eccetera). Conseguenza diquesto obiettivo è che, insieme alle sostanze inorganiche, presentinell’acqua, vengono rimosse anche altre sostanze organiche sospe-se, soprattutto microrganismi. Le equazioni di base che regolano imeccanismi della filtrazione si fondano sulle seguenti assunzioni(L. Coccagna ed Al., 2005):■ Il volume dei solidi sospesi rimossi (c. d. deposito specifico “q”) è

uguale al volume dei solidi depositati ed accumulati nel letto fil-trante;

■ La rimozione dei solidi sospesi lungo la profondità del letto èproporzionale alla concentrazione dei solidi in sospensione pre-senti nell’acqua attraverso un fattore di proporzionalità deno-minato coefficiente del filtro (λ), che rappresenta la geometria(a variabilità temporale) del filtro stesso;

■ Il coefficiente del filtro, per un qualsiasi strato, tende ad aumen-tare poiché aumenta l’intasamento;

■ I cambiamenti di porosità (n), provocati dai solidi sospesi depo-sitati ed accumulati, influenzano il grado di rimozione dei soli-di sospesi lungo la profondità del letto, fino al punto in cui siha il break-through cioè la comparsa di torbidità nel filtrato ol’impaccamento totale del filtro (vedi Figura 1);

SCIENZA E INQUINAMENTO �

■ L’efficienza del filtro dipende dall’area superficiale disponibileper raccogliere le particelle e dalla velocità di attraversamentodell’acqua, questa ultima definita come rapporto tra la portataidraulica (Q) e la superficie orizzontale del letto filtrante (S).

Un mezzo poroso esplica azione di filtrazione in volume, neiriguardi dei solidi sospesi contenuti all’interno di un liquido, nelsenso che può produrre, con meccanismi diversi, la loro rimozio-ne dalla corrente fluida. I meccanismi alla base del fenomenoassumono importanza relativa diversa in funzione, essenzialmen-te, delle dimensioni e della densità dei solidi da rimuovere.

La filtrazione in volume è sostanzialmente costituita da tre mec-canismi:■ Il trasporto;■ L’attacco;■ Il distacco.

Il meccanismo di trasporto, a sua volta, è influenzato dall’intera-zione di cinque forze:■ Gravitazionale - sedimentazione con velocità dipendente dalla

dimensione e dal peso specifico dei solidi sospesi nel fluido;■ Inerziale - tendenzialità al proseguimento del moto rettilineo

uniforme per effetto della massa inerziale posseduta dalle parti-celle sospese, a cambiamenti direzionali delle linee di flusso;

■ Idrodinamica - moto di rotazione, impresso per gradiente divelocità all’interno dei meati, che tende ad avvicinare le parti-celle sospese nel fluido ai granuli del mezzo filtrante (Figura 2);

■ Elettrostatica - modificazione della posizione relativa fra leparticelle solide sospese;

■ Diffusionale - energia termica di moto, c.d. Browniano, posse-duta dalle molecole del fluido.

Da un punto di vista operativo,risulta estremamente difficilevalutare l’importanza relativadelle diverse forze; in ogni caso,si può affermare che per diame-tri estremamente piccoli (< 1µm), il meccanismo di rimo-zione più importante è la “dif-fusione”, mentre per particelledi diametro maggiore ruolodeterminante lo assume il mec-canismo di “stacciatura” ossiala semplice occlusione dei pori(tale intercettazione interviene

�

La filtrazione in volume operata su materiali inerti granulari naturali� Luigi Fanizzi - Ecoacque srl – Giovinazzo@@ [email protected]

TRATTAMENTO EFFETTI

Filtrazione in volume • Rimozione di solidi sospesi su mezzi inerti granulari naturali. (inorganici ed organici);

• Precipitazione e rimozione di Ferro e Manganese;

• Possibilità di correzione pH-metrica di acque acide;

• Possibilità di aumento della mineralizzazionedi acque a basso contenuto salino;

• Possibilità di adsorbimento e flocco-coagulazione in linea.

Tabella 1 – Effetti ottenibili con filtrazione in volume, operata su mezzi granulari inerti.

L’AMBIENTE 3/06 • 11


quando il raggio della particella da rimuovere risulta superiore alladistanza tra la superficie del granulo di materiale filtrante e la lineadi flusso relativa alla particella sospesa; vedi Figura 2).

La combinazione delle cinque forze rende conto, inoltre, di unacomune constatazione sperimentale ossia dell’esistenza di un mini-mo d’efficienza filtrativa, per particelle di dimensioni di circa 2 µm÷ 4 µm (vedi Figura 3). Questo minimo è determinato, come giàevidenziato, dalla prevalenza delle forze di diffusione per le parti-celle più piccole (l’aumento del moto disordinato rende più pro-babile la loro collisione con la superficie dei granuli filtranti) e delleforze gravitazionali per quelle di dimensioni maggiori.Il meccanismo d’attacco, invece, è alquanto più complesso, inquanto fortemente modificabile mediante un condizionamentochimico di coagulazione e flocculazione (modifica delle dimensio-ni del fiocco ⇑ e variazione temporale della fase d’intasamento ⇓ ).

Le forze di attacco, infatti, sono prevalentemente di natura che-mio-fisica e comprendono le forze di Van der Waals, interazionielettrocinetiche superficiali e di adsorbimento.Infine il meccanismo del distacco è essenzialmente descrittomediante (L. Coccagna ed Al., 2005):■ Effetto valanga (c.d. avalanche effect), cioè particelle già tratte-

nute dal mezzo filtrante sono rimosse a causa della collisionecontro di esse di altre particelle;

■ Forza di taglio (c.d. shear force) che consiste nell’aumento dellavelocità dell’acqua attraverso gli spazi interstiziali, a mano amano che questi diminuiscono di dimensione e, quindi, nell’a-sportazione dello sporco precedentemente trattenuto.

Questi ultimi due fenomeni sono, evidentemente, quelli chedeterminano il break-through, ma sono anche quelli che, soprat-tutto, vengono sfruttati nella fase di lavaggio del filtro. L’aumento di velocità dell’acqua, infatti, incrementa la forza ditaglio mentre la fluidificazione del letto (c.d. condizione di loose),pure ottenuta con l’aumento di velocità ed eventualmente anchecon l’insufflazione d’aria compressa, favorisce e massimizza loscontro tra i granuli del materiale inerte filtrante, ricoperti dellasporcizia stacciata. Nella Figura 4 l’aumento lineare di perdita dicarico evidenzia che, in condizioni normali, il flusso dell’acquaattraverso il filtro è laminare.

Riguardo alle varie tipologie costruttive ed operative dei filtri, sipossono avere diverse classificazioni. Di seguito se ne elencano lepiù diffuse:■ Numero degli strati filtranti - Un filtro può essere costituito

da un solo strato filtrante (monostrato), da due (bistrato o dual-media) o più strati (multi o pluristrato);

■ Forza di spinta - Un filtro può operare graviticamente oppurein pressione;

■ Direzione del flusso - Nella maggior parte dei casi, il flussodell’acqua “in servizio” è diretto dall’alto verso il basso (equi-corrente o in corrente);

■ Velocità di filtrazione - La velocità di filtrazione influenza nonsolo il rendimento, ma anche lo stesso meccanismo di filtra-zione, posto che il contenuto in solidi sospesi totali sia rela-tivamente basso;

■ Filtri rapidi - Si tratta di filtri monostrato a sabbia in cui lavelocità è dell’ordine di 5 m/h ÷ 15 m/h;

■ Filtri ultrarapidi - Si tratta, in genere, di filtri bi/multistrato incui la velocità può anche superare i 20 m/h;

Figura 1 – Andamento della torbidità dell’acqua, durante un tipicociclo di filtrazione.

Figura 3 - Efficienza di rimozione, delle sostanze sospese, in funzionedelle dimensioni dei grani filtranti.

Figura 2 - Interazioni: A) di stacciatura e B) idrodinamiche, nei meatidel filtro.

Figura 4 – Profilo delle perdite di carico, durante un tipico ciclo difiltrazione.


SCIENZA E INQUINAMENTO ��

t = tempo, misurato dall’inizio dell’esercizio del trattamento difiltrazione (c.d. tempo di servizio);

λλ = resistenza del mezzo filtrante (c.d. coefficiente del filtro).

Dall’analisi della relazione di bilancio materiale dell’Iwasaki, sipuò osservare come la differenza di massa tra ingresso ed uscitadel filtro, sia dovuta a due contributi: l’uno che tiene conto deldeposito sul mezzo filtrante granulare (c.d. guscio esterno), l’altrodell’accumulo nella porosità del mezzo stesso. Altre informazioni,riguardanti il comportamento del filtro sono:■ La rimozione dei solidi sospesi è tanto minore quanto è mag-

giore la porosità del mezzo filtrante (essendo, sempre, n < 1,0).In altre parole, quanto più è fine il mezzo filtrante granulare,tanto migliore è la sua capacità di filtrazione. Nei filtri vengo-no trattenute, infatti, particelle di grandezza inferiore a quelladegli spazi vuoti e ciò perché l’effetto filtrazione si basa nonsoltanto su una stacciatura tridimensionale (s. volumica) maanche su un concomitante assorbimento capillare (V. Sarnoed Al., 1983). Gli interstizi del letto si ostruiscono progressiva-mente. Le particelle della sospensione superano lo strato inta-sato ed occupano quello immediatamente successivo (lo stratod’intasamento si sposta progressivamente nel senso del flusso;vedi Figura 1);

■ L’aumento del deposito specifico (q) modifica la geometriadei meati, in quanto è come se si formasse, nel filtro, uno stra-to filtrante più fine a mano a mano che l’esercizio del tratta-mento di filtrazione procede (tale accumulo è sempre minoreprocedendo dall’alto della superficie del letto filtrante, versoil basso dello stesso);

■ Il deposito specifico “q”, è molto maggiore negli strati piùsuperficiali e, per effetto dell’accumulo, istante per istante, laporosità degli stessi tende a diminuire dall’alto verso il basso delletto filtrante, con un conseguente aumento della capacità diritenzione.

Inoltre, in base a quanto evidenziato, sull’operatività dei filtri sipossono effettuare le due seguenti osservazioni (L. Coccagna edAl., 2005):■ Qualsiasi letto filtrante, a seguito di un controlavaggio che lo

fluidifica (condizione di loose), subisce inevitabilmente unaristratificazione con le particelle più fini che vanno a posizio-narsi alla superficie del letto formando uno strato a minorporosità che accentua il problema sopra esposto a causa della

■ Sagoma e materiale costruttivo - Si possono avere filtri circo-lari o quadrati, in acciaio o in materiale plastico, aperti (c.d. gra-vitimetrici) o chiusi (c.d. in pressione);

■ Portata costante - Nei filtri gravitimetrici il mantenimento diuna portata costante si può ottenere consentendo l’aumento dellivello d’acqua sopra la superficie del letto.

Nei filtri in pressione la conservazione della portata costante èrelativamente semplice sia perché una perdita di carico fino a 0,5bar (50,66 kPa ≡ 5 m c.a.) determina una caduta di portata, inesercizio, non superiore al 10% della portata iniziale e sia perché,spesso, per conseguire tale condizione, viene installato, in aggiun-ta, un secondo filtro in parallelo (L. Coccagna ed Al., 2005).

Nelle Tabelle 2 e 3, sono sintetizzati gli utilizzi più comuni e lepeculiarità costruttive ed applicative dei filtri mono e multistrato.

Il processo di filtrazione in volume può essere analizzato attraver-so relazioni che descrivono il fenomeno di ritenzione dei solidi daparte del “letto” filtrante e la conseguente variazione delle perditedi carico all’interno del mezzo poroso. In tal modo si ottengonoinformazioni sulla quantità di particelle rimosse, sulla loro distri-buzione lungo l’intera altezza del letto filtrante, sulle caratteristi-che dei mezzi porosi da impiegarsi ed ancora sui carichi necessariaffinché il processo abbia luogo (P. Sirini, 2002).Dal punto di vista analitico, può essere ricavata una prima equa-zione, detta di continuità, a mezzo di un bilancio di materia ese-guito su un volume elementare di letto filtrante (T. Iwasaki, 1937):

Q ⋅⋅ ϑϑC = S ⋅ ϑq − n ⋅ ϑqϑϑx ϑt ϑt

ϑC = (1 − n) ⋅ ϑq ossia (K.J. Ives, 1964) ϑC = − λ ⋅ Cϑx v ϑt ϑx

dove:C = concentrazione della sospensione nell’acqua in trattamento;x = distanza tra la superficie del filtro ed un dato punto del letto

filtrante;n = porosità del mezzo filtrante;v = velocità trasversale attraverso il filtro (pari al rapporto tra por-

tata e superficie ossia Q/S);q = volume dei solidi depositati nel letto filtrante (c. d. deposito

specifico),

MATERIALE FILTRANTE CARATTERISTICHE TIPO D’INTERVALLO IMPIEGHI USUALIPRINCIPALI GRANULOMETRICO

n = 0,40Sabbia/ γa = 1.600,00 Kg•m-3 0,4 mm ÷ 1,2 mm Filtri monostrato

Graniglia silicea ψ = 0,80 1,0 mm ÷ 2,0 mm Filtri bi/multistrato

u = d60/d10 ≤ 1,50 2,0 mm ÷ 4,0 mm Sottoletto

n = 0,60Pomice γa = 400,00 Kg•m-3 0,5 mm ÷ 1,0 mm Filtri monostrato

ψ = 0,75 1,0 mm ÷ 2,0 mm Filtri multistrato


n = 0,50Carbone γa = 800,00 Kg•m-3 0,5 mm ÷ 1,5 mm Filtri monostrato

antracitico ψ = 0,70 1,5 mm ÷ 3,0 mm Filtri bi/multistrato


Tabella 2 – Minerali inerti granulari naturali di più comune utilizzo e loro specifico impiego.

( )



maggiore capacità ritentiva degli strati più superficiali. Nei fil-tri multistrato il mantenimento della stratigrafia granulometri-ca è ottenuto utilizzando minerali a diverso peso specificocosicché il minerale di taglia più piccola e densità più elevata,come ad esempio la graniglia silicea o quarzite ( SiO2 > 95 % eAl2O3 > 2,5%), può stratificarsi sul fondo e quello meno densoma di taglia più grossa, come ad esempio il carbone antracitico(Carbonio fisso > 75% e Ceneri < 20%), può stratificarsi allasuperficie;

■ Il maggior accumulo di sedimenti, negli strati superficiali delfiltro, è dovuto, come visto, al fatto che non solo questi lavora-no maggiormente ma, temporalmente, tendono a lavorare sem-pre di più. E’ quindi necessario disporre di una porosità decre-scente dall’alto verso il basso del letto filtrante (dualmedia), nelverso del flusso della corrente d’acqua (capacità ritentiva cre-scente). I maggiori vantaggi sono attribuibili, quindi, ai filtribistrato rispetto ai monostrato. Meno vantaggi sono, invece,ascrivibili ai filtri trimedia o pluristrato.

La risoluzione dell’equazione di continuità richiede la determina-zione della funzione “ϑC/ϑx”. Attraverso osservazioni sperimen-tali, è stato possibile constatare che, lì dove si era assunto qualeprincipale meccanismo di rimozione la stacciatura meccanica tri-dimensionale, il gradiente della concentrazione di solidi all’inter-no del fluido lungo l’altezza del letto del filtro può essere posto infunzione del deposito specifico q(t). Si è osservato che il gradien-te di concentrazione lungo l’altezza del mezzo filtrante varia ingenere nel tempo; nell’ipotesi semplificativa che la curva C(x)normalizzata rispetto alla concentrazione iniziale C0 non vari inmodo significativo nel tempo (concentrazione di solidi sospesi

nell’influente relativamente bassa) e che la quantità di solidipresenti nell’unità di volume di letto filtrante sia sensibilmenteinferiore alla quantità massima di solidi depositati nella medesi-ma unità di volume, per la descrizione analitica della summen-zionata curva normalizzata, per filtri monostrato in pressione conriempimento granulare inerte siliceo (sabbia/d10 ≅ 1 mm), inmancanza di dati diretti, può semplificatamente assumersi:

C(x)/C0 = 1,00 per xi = 0 cm (quota sommitale del filtro)

C(x)/C0 ≅≅ ___1___ per xi > 0 cm e con b = 0,30xi b

La determinazione delle perdite di carico, attraverso un mezzo fil-trante, si esegue considerando che le stesse risultano dalla sommadi due contributi: (1) un primo contributo relativo alle condizio-ni di funzionamento a filtro pulito (letto filtrante non contenen-te solidi); (2) un secondo conseguente al deposito di solidi nel fil-tro durante il tempo d’esercizio dello stesso.Il primo addendo (espresso in m c.a.), risulta essere una funzionedelle caratteristiche del mezzo filtrante e del fluido, nonché dellecondizioni idrauliche al contorno, che determinano il valore dellaportata filtrante. Partendo da queste considerazioni, è stata ricavata la relazione diRose-Kozeny (G. M. Fair ed Al., 1968):

∆H0 = (1,068/ψ) ⋅ CD ⋅ (1/n4) ⋅ (H/d) ⋅ (v2/g)ove

CD = (24/Re) + (3/Re0,5) + 0,34

è il coefficiente di resistenza o fattore d’attrito ed Re è il numero

TIPOLOGIA COSTRUTTIVA FILTRO MONOSTRATO FILTRO MULTISTRATO

Sabbia/Graniglia s./Pomice: Carbone antracitico/Pomice:d10 = 1,0 mm d10 = 1,6 mm;

Minerale filtrante Sabbia/Graniglia silicea:d10 = 0,8 mm;

Filtri gravitimetrici: 0,8 m (< 1,5 m):1,0 m ÷ 1,5 m 0,5 m c. antracitico/pomice

Profondità del letto Filtri in pressione: 0,2 m sabbia1,5 m ÷ 2,5 m 0,1 m graniglia silicea

Velocità di filtrazione 5,0 m/h ÷ 15,0 m/h 15,0 m/h ÷ 20,0 m/h

Post-sedimentazione Filtrazione direttaUtilizzo tipico Post-flocco-coagulazione (flocco-coagulazione in linea)

Carico massimo di solidi sospesi totali 10 mgSST/L ÷ 25 mgSST/L 100 mgSST/L ÷ 200 mgSST/L

Legata ai processi sedimentativi Utilizzabile direttamenteVersatilità ovvero flocco-coagulativi nei processi chimici e chemio-fisici

di monte di adsorbimento

Lavaggio Acqua/Acqua ed aria AcquaMassima perdita di carico ammissibile 15 kPa ÷ 30 kPa 40 kPa ÷ 80 kPa

Tabella 3 – Differenze costruttive ed operative tra filtri mono e multistrato.


SCIENZA E INQUINAMENTO ��

to considerato (generalmente vengono considerati uguali strate-relli discreti, di 5 cm per volta). I valori di C1 e C2, per ciascunostrato, si calcolano, invece, conoscendo la funzione della curvanormalizzata “C(x)/C0”, in funzione della profondità; per cui sulprimo strato, può scriversi:

C1 = C0

C2 = [C(x)/C0] ⋅ C0 ≅ (1/xi0,3) ⋅ C0

i risultati ottenuti, per i singoli strati, per comodità di calcolo,sono riportati in tabella (vedi Tabella 4).

La perdita di carico totale, espressa in m .c.a., è data dalla sommadi tutte le perdite incontrate su tutta l’altezza del filtro (calcolatestrato per strato) più quelle dovute al filtro pulito, ossia:

∆HT = ∆H0 + Σi ∆Hi(t)

Le altezze dei letti filtranti (in metri), sono determinate secondole formule lineari di G. Rossetti (mod. 1996):

Hmonostrato = 0,50 + 0,135 ⋅ vHdualmedia = 0,50 + 0,050 ⋅ v

con “v” espressa in metri orari (velocità di filtrazione). L’effetto fil-trante o capacità di filtrazione, si calcola secondo la formula diA. Hazen (1910):

dp = 0,01 ⋅ (dg ⋅ v)0,5

dove:dp = diametro ideale, in mm, delle particelle separate per filtra-zione;dg = diametro del materiale granulare filtrante, in mm;v = velocità di filtrazione, in m/h.

Come risulta dalla precedenteformula, uno dei fattori deter-minanti per l’effetto filtrazioneè la velocità lineare (G. Rossetti,1996). Durante la fase di filtra-zione, alla quale segue il neces-sario ripristino della massa fil-trante, il filtro accumula sostan-ze sospese, la cui quantità risul-ta funzione della natura dellestesse (vedi Tabella 5).

La potenzialità ciclica, per il fil-tro, può essere, infine, calcolatacon la seguente formula (G.Rossetti, 1996):

QC = VF ⋅ Ass(Ce – Cu)

dove :QC = quantità filtrata, perciclo, espressa in m3;Ass = accumulo sostanze filtrabi-li, in Kg/m3 di massa filtrante;VF = volume di massa filtran-te, espressa in m3;

di Reynolds:

Re = v ⋅ d/ν

conv = velocità di filtrazione (imposta) o c.d. carico idraulico superfi-ciale, espresso in Darcy (m/s);d = diametro medio del granulo filtrante, espresso in metri (m);n = porosità del mezzo filtrante (%);H = altezza complessiva del letto filtrante, espressa in metri (m);g = accelerazione gravitimetrica (costante fisica notoriamente paria 9,81 m/s2);ψψ = fattore di forma o c.d. coefficiente di sfericità (numero puro =1,0 per granuli perfettamente sferici);νν = viscosità cinematica del fluido (per l’acqua, a 20 °C, il valoreè pari a 1,003 ⋅ 10-6 m2/s).Il secondo termine, della relazione delle perdite di carico, deveessere relazionato necessariamente alla concentrazione in solidisospesi del fluido ed alla entità spazio-temporale della rimozionedi solidi dall’unità di volume nel letto filtrante. Da un punto divista operativo, per il calcolo della perdita di carico sullo strato i-esimo ∆Hi (espressa in m c.a.), al prefissato tempo d’esercizio “t”(espresso in ore), si usa la relazione di G. Fair –J. Geyer (1954):

∆Hi(t) = 0,005 ⋅ qi2,15(t)ove qi(t) è la quantità di solidi depositatisi sullo strato i-esimo(espressa in mgSST/cm3) al tempo di filtrazione t (h), a partire daltempo t = 0 h, e si calcola con l’espressione:

qi(t) = v ⋅ (C1 – C2) ⋅ t/x

ove “v” è la velocità di filtrazione espressa in L/cm2 ⋅ h (10m3/m2⋅h ≡ 1 L/cm2 ⋅ h), “x” è lo spessore dello strato considera-to (espresso in centimetri); “C1” e “C2”, sono le rispettive con-centrazioni (in mgSST/L), nell’affluente e nell’effluente dello stra-

Strati Profondità xi C (x)/Co C1 C2 C1 – C2 q1 (12h) ∆Hi (12 h) (cm) (cm) (mgSST/L) (mgSST/L) (mgSST/L) (mgSST/cm3) (m c.a.)

0 1,00 20,000 ÷ 5 5 0,62 20,00 12,34 7,66 18,38 2,615 ÷ 10 10 0,50 12,34 10,02 2,32 5,56 0,20

10 ÷ 15 15 0,44 10,02 8,88 1,15 2,76 0,0415 ÷ 20 20 0,41 8,88 8,14 0,73 1,76 0,0220 ÷ 25 25 0,38 8,14 7,61 0,53 1,27 0,0125 ÷ 30 30 0,36 7,61 7,21 0,41 0,97 0,0030 ÷ 35 35 0,34 7,21 6,88 0,33 0,78 0,0035 ÷ 40 40 0,33 6,88 6,61 0,27 0,65 0,0040 ÷ 45 45 0,32 6,61 6,38 0,23 0,55 0,0045 ÷ 50 50 0,31 6,38 6,18 0,20 0,48 0,0050 ÷ 55 55 0,30 6,18 6,01 0,17 0,42 0,0055 ÷ 60 60 0,29 6,01 5,80 0,21 0,51 0,0060 ÷ 65 65 0,29 5,80 5,80 0,00 0,00 0,0065 ÷ 70 70 0,29 5,80 5,80 0,00 0,00 0,0070 ÷ 75 75 0,29 5,80 5,80 0,00 0,00 0,0075 ÷ 80 80 0,29 5,80 5,80 0,00 0,00 0,00

Σ∆Hi (12 h) 2.88

Tabella 4 – Andamento della quantità di solidi depositatisi “qi” nel mezzo inerte granulare, lungo l’altezzadel filtro, in funzione dei parametri t (= 12 h), x (= 5 cm) e v (= 1 L ⋅ cm-2 ⋅ h-1).



Ce = sostanze da separare, in ingresso al filtro, in Kg/m3 d’acqua;Cu = sostanze residue, in uscita dal filtro, in Kg/m3 d’acqua.

Il rapporto:η = Ce – Cu

Ceè definito rendimento percentuale del filtro mentre, con l’ovviosignificato dei simboli, il rapporto (K. J. Ives, 1964):

Ss = 6 ⋅ (1 – n) ψ ⋅ d

è definito superficie specifica del supporto inerte granulare(cm2/cm3).La torbidità inorganica è quella che più comunemente causa laformazione dei depositi sul granulo. Come già evidenziato, que-sto guscio di sporco viene eliminato sotto l’effetto concomitantedelle forze di taglio (velocità dell’acqua) e dell’effetto valanga (col-lisione intergranulare). Siccome quest’ultimo è assai più efficace, si tende a limitare laportata del lavaggio a valori di subfluidificazione (subloose), inten-dendo con questo termine, la possibilità per ciascun granulo dimuoversi, sotto la spinta dell’acqua, abbastanza liberamente,risultando tuttavia sempre ostacolato nel suo movimento daglialtri granuli adiacenti, così da risultare in continuo rotolamentoda un lato ed in collisione dall’altro. Questo risultato viene comu-nemente garantito con un’espansione di circa il 20% del letto delfiltro (vedi realizzazione impiantistica di Figura 5; ECOAC-QUE‚, 2006). Nel caso di lavaggio di carboni attivi granulari (c.d.CAG; ga = 500,00 Kg ⋅ m-3), l’espansione richiesta è in generepiù elevata (anche fino al 50%), in quanto questo minerale nonha la funzione di trattenere particelle in sospensione (ad esso,

infatti, essendo demandatol’adsorbimento, la sporciziatrattenuta dovrebbe essere pocae di bassa densità) ed in quantosi preferisce privilegiare la forzadi taglio rispetto alle collisioni,che comporterebbero anche unconsumo del carbone a causadegli attriti (L. Cuccagna edAl., 2005). Assai più delicato èil problema del deposito super-ficiale, la cui eccessiva compat-tezza può causare il fenomenodenominato delle mud balls.Esse si formano a partire dadepositi superficiali non com-pletamente disgregati e non tra-

scinati fuori dal filtro dopo illavaggio. La loro crescita è per-ciò continua, ciclo di filtrazio-ne dopo ciclo di filtrazione, edurante ciascun lavaggio ten-dono a penetrare sempre più inprofondità nel letto proprio acausa del loro incrementodimensionale ed al conseguenteaumento della velocità di preci-

pitazione. In termini di prevenzione, soprattutto nel caso di filtrichiusi in pressione, è raccomandato di non eccedere nelle perditedi carico consentite in servizio, per evitare un’eccessiva compatta-zione del cake superficiale. Per i filtri monostrato il sistema dilavaggio più comune è quello realizzato con acqua e aria, immes-se insieme o separatamente. L’immissione contemporanea richie-de che il materiale filtrante abbia densità e dimensioni tali da con-sentire il trascinamento fuori dai filtri per effetto delle bollicined’aria che aderendo alla superficie dei granuli, ne diminuiscono ladensità apparente. Al fine di limitare i rischi associati a rivolgi-menti del sottoletto è necessario effettuare un’oculata scelta dellostesso o preferire un lavaggio con sola acqua ovvero con acqua earia separatamente. Per l’immissione separata occorre drenarel’acqua dal filtro fino a circa 0,20 m ÷ 0,30 m al di sotto dellasuperficie, onde evitare che, a causa del ribollimento dell’acqua,dovuto all’aria, parte del minerale finisca nelle canalette di rac-colta dell’acqua trattata dei filtri a gravità o nell’analoga “pipa” deifiltri in pressione (L. Coccagna ed Al., 2005). In taluni casi s’ini-zia con un breve e poco intenso lavaggio con sola acqua, quantobasta per far rigonfiare il letto compattato dalla precedente perdi-ta di carico. Successivamente si procede con l’immissione di aria(le tubazioni di distribuzione di aria ed acqua possono coincide-re od essere separate) ad una portata specifica che può arrivarefino a 60 m3/ora per m2 di superficie per una durata di qualcheminuto (2 ÷ 5 minuti). Infine si effettua il lavaggio di preserviziocon sola acqua, alla portata di progetto (v = 30 m/h).

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[6] V. Sarno e L. Federiconi (1983), “Il trattamento delle acqueper usi vari”, Ed. Hoepli, Milano;

[7] G. Rossetti (1996), “Manuale Rossetti sul trattamento delleacque”, II Ed., Ed. Maggioli, Rimini;

[8] V. Petrone (2000), “L’industria chimica”, II Edizione, Ed.Siderea, Roma;

[9] P. Sirini (2002), “Ingegneria sanitaria-ambientale”, Ed.McGraw-Hill. Milano;

[10]L. Coccagna e C. Lasagna (2005), “I materiali filtranti gran-ulari”, Collana Fondazione AMGA, Ed. Franco Angeli,Milano. ■

SOSTANZE DA SEPARARE FILTRI MONOSTRATO FILTRI DUALMEDIA

Fiocchi colloidali 1,5 Kg/m3 2,0 Kg/m3

Solidi sospesi in acqua 3,0 Kg/m3 5,5 Kg/m3

Carbonato di calcio 4,0 Kg/m3 5,0 Kg/m3

Tabella 5 – Accumulo approssimativo di sostanze secche “Ass”, espresso in chili per metro cubo di massafiltrante (mod. G. Rossetti, 1996).

Figura 5 – Fitro a sabbia VTR con valvola a 6 vie.

la filtrazione in volume operata su materiali inerti granulari naturali

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