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I filtri a base di materiali granulati sono utilizzati per la depurazione delle acque di scarico dopo la sedimentazione. I filtri possono essere di due tipi:

• A pressione;
• A caduta semplice.

Il materiale filtrante di tali filtri può essere costituito sia dai materiali naturali sia da quelli artificiali. I materiali filtranti naturali sono sabbia quarzosa, ghiaia, antracite, argilla espansa ecc. I materiali filtranti artificiali sono polistirene, nitron, lavsan ecc. I materiali naturali sono utilizzati sotto forma di granuli, mentre quelli artificiali sia sotto forma di granuli sia sotto forma di fibre.

I filtri a pressione possono essere suddivisi in verticali e in orizzontali. Tali filtri rappresentano generalmente un serbatoio che lavora sotto pressione di 0.6 MPa. I filtri sono disposti in senso orizzontale per aumentare la superficie filtrante. La filtrazione avviene in senso verticale dall'alto in basso con la velocità che varia da 4 a 17 m/h. Il tempo di filtrazione dipende della qualità di acque reflue e varia da 8 a 40 ore.

Le fasi del ciclo di funzionamento del filtro a base del materiale granulare:

1. Alimentazione dell'acqua da chiarificare; 2. Uscita dell'acqua di lavaggio; 3. Punto di uscita dell'acqua chiarificata; 4. Uscita del primo filtrato; 5. Immissione dell'aria compressa; 6. Alimentazione dell'acqua di lavaggio; 7. Bocca di accesso rotondo; 8. Bocca ovale; 9. Dispositivo di distribuzione superiore; 10. Strato filtrante; 11. Raccordo per scarico/carico idraulico del filtro.

La filtrazione diventa più efficace nel caso dell'aggiunta nell'acqua del coagulante A1₂ (SO₄)₃ e del flocculante PAA. I filtri vengono puliti tramite il sistema di drenaggio nel senso dal basso in alto. Nel caso in cui le dimensioni delle particelle di sabbia siano di 0,7-0,8 mm, l'intensità del lavaggio varia da 10 a 12 l / (с *m²).

Nella tabella che segue, sono riportate le caratteristiche tecniche dei filtri in pressione.

L'area di filtrazione dei filtri a base di materiali granulari a pressione viene determinata secondo la seguente formula:

F = Q / (m·υp - 3,6·n·W·t1 - n·t2·υp)

Dove:

Q – portata media giornaliera della stazione mc/g.; m – tempo di funzionamento della stazione, h; υ_p – velocità di progetto del processo di filtrazione, m/h; n- numero di lavaggi di ogni singolo filtro durante 24 ore a regime standard di esercizio; W – intensità di lavaggio l/(с·mq); t₁ – durata del lavaggio, h; t₂ – tempo del fermo del filtro durante il lavaggio, h (supponiamo pari a 0.33h.)

Il più semplice filtro è un serbatoio con fondo a griglia. In tale filtro lo strato di materiale depositato sul fondo serve da mezzo filtrante. Durante il processo di filtrazione la pressione è generata per la pressione idrostatica della colonna d'acqua.

Tale tipo di filtro è un ibrido tra il filtro vero e proprio e il decantatore, in quanto, da una parte, permette un'evacuazione più efficace del liquido dai sedimenti, ma dall'altro canto non permette di evacuare tutto il liquido dato che le particelle solide trattengono sulla superficie e nei pori una certa quantità di esso. Una certa quantità del liquido rimane sempre tra le particelle solide anche grazie all'azione delle forze capillari.

Il valore delle forze capillari nei mezzi filtranti può essere determinato in conformità ai dati riportati nella seguente tabella:

La coesione superficiale dipende della viscositàà che, a suo turno, varia notevolmente con la temperatura del fluido. Con l'aumento della temperatura la viscosità del liquido si abbassa e per tale ragione la filtrazione diventa più efficace alle temperature elevate il che permette di ottimizzare lo scolo del fluido. 

Nel caso in cui la presenza del filtrato attratto tra le particelle del deposito sia indesiderabile, il filtrato può essere eliminato tramite lavaggio dei sedimenti con il fluido di lavaggio. Il fluido di lavaggio viene erogato nella stessa direzione della sospensione da filtrare. È importante che lo strato da lavare non abbia delle interruzioni e/o fessure che possono compromettere la qualità e l'uniformità del lavaggio.

La granulometria del mezzo filtrante dipende dalle dimensioni delle particelle solide da filtrare. Più piccole sono le particelle solide, più fine deve essere la granulometria dello strato filtrante. Il mezzo filtrante a base di materiali granulari può essere composto da carbone, scoria, sabbia quarzosa, marmo frantumato, coke, amianto e minerali.

Nella scelta del materiale granulare si deve tener conto del tipo della sospensione da filtrare. Le soluzioni saline e quasi tutti gli acidi sono filtrati attraverso la sabbia quarzosa di granulometria fine che non si diluisce nella sospensione e non forma con essa il legame chimico. Nel caso della filtrazione del liquido alcalino il mezzo filtrante può essere realizzato in marmo frantumato o in calcare puro.

Per la filtrazione dei liquidi contenenti le resine, è più adatto il carbone vegetale di granulometria grossa. Il processo di separazione delle resine dal liquido è condizionato inoltre dall'effetto di adsorbimento.

Con il tempo lo strato granulare del filtro viene intasato con aumento delle perdite di carico. Per pulire il filtro a base del materiale granulare si procede al controlavaggio quando l'acqua viene indirizzata dal basso in alto. In alcuni casi i filtri, oltre ad essere lavati con acqua, possono essere puliti con l'aria compressa o rimescolati con speciali agitatori meccanici.

I filtri più diffusi sono quelli a sabbia che vengono generalmente utilizzati per la depurazione delle acque reflue. Tali filtri rappresentano normalmente i serbatoi con diversi strati di sabbia o di ghiaia. I filtri a sabbia possono essere chiusi cioè lavorare sotto una certa pressione pari a 1,5-2 kgN/cmq generata da una semplice pompa o aperti cioè lavorare sotto azione della pressione idraulica della colonna d'acqua la cui altezza è pari a 1-1,5mt.

Il filtro a sabbia di tipo chiuso rappresenta un serbatoio verticale riempito con sabbia. All'interno del serbatoio è collocato il collettore con due rami di tubazioni perforate. Nella parte inferiore del fondo conico del serbatoio si trova il dispositivo per il lavaggio del letto di sabbia. La sabbia che si trova nella parte inferiore dell'apparecchio viene convogliata con l'acqua in alto e depurata, dopodiché l'acqua di lavaggio viene evacuata tramite l'apposita tubazione. La sospensione da filtrare viene erogata sotto pressione, passa attraverso il letto di sabbia dopo di che viene raccolta nel collettore ed evacuata tramite la tubazione.

I filtri di questo tipo possono funzionare alle temperature elevate (fino a 400°C) o, nel caso della versione realizzata in acciaio speciale, anche alle temperature fino a 700°C Per tale motivo sono frequentemente utilizzati per la depurazione dei gas di alte temperature.

La depurazione dei gas dalle polveri avviene tramite il passaggio dei gas attraverso lo strato sfuso alto di 100 mm composto da granuli di dimensioni che variano da 2 a 5 millimetri. Lo strato filtrante viene rigenerato tramite l'agitazione meccanica combinata con il controlavaggio ad aria. Durante il controlavaggio l'aria polverosa passa attraverso il ciclone e viene mescolata con il gas da depurare.

I filtri a base di materiali granulari che hanno trovato una larga applicazione nel processo di depurazione dei gas di alte temperature, servono inoltre a trattenere le polveri abrasive e quelle ad alta resistività. Sono utilizzati nei casi in cui l'uso dei filtri elettrici e quelli a manica non è conveniente.

Si distinguono due tipi principali dei filtri a base di materiali granulari: 1) filtri di riporto; 2) filtri rigidi porosi.

I filtri di riporto a base dei materiali granulari hanno uno strato filtrante composto dai granuli di forma sferica (sabbia, argilla espansa, ghiaia, roccia frantumata, segatura ecc.) scelti in funzione dei requisiti del processo. I granuli di dimensioni che variano da 0,2 a 2,0 millimetri devono formare lo strato filtrante alto di 10-15 centimetri.

I filtri a base di materiali granulari offrono una serie di vantaggi. Sono di soluzione costruttiva semplice, adatte a depurare i fumi di temperature elevate e l'aria contenente i mezzi aggressivi e l'alta concentrazione di polveri. Oltre alla funzione di filtrazione i granuli del filtro possono servire da materiale assorbente, catalizzatore e veicolo termico.

In funzione della tipologia della polvere da abbattere e il regime di funzionamento i filtri a base di materiali granulari possono garantire la depurazione dei fumi con efficienze di captazione delle polveri da 95 a 99% a velocità di filtrazione che varia da 10 a 40 metri al minuto. La resistenza idraulica degli stessi varia da 1300 a 3000 Pa.

I filtri rigidi porosi sono realizzati normalmente in ceramica o in metalloceramica. Nonostante il grande vantaggio degli stessi che consiste nell'elevata resistenza alle temperature alte (fino a 1300°C), tali filtri sono molto costosi, difficilmente rigenerabili e hanno un'elevata resistenza idraulica.

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