Waterzuivering: een overzicht van de diverse manieren waarop water gefilterd kan worden

Filtratie is het proces waarin vloeistoffen en gasachtige substanties gezuiverd worden aan de hand van diverse filtermethodes. Het is een mechanisch scheidingsproces en is exclusief gebaseerd op een fysieke basis. Begrippen als filtratie, filtering en zuivering worden in deze context als synoniemen gebruikt. Filtratie is essentieel voor waterzuivering, want het is de enige betrouwbare manier om bescherming tegen schadelijke ziektekiemen en bacteriën te garanderen.

Waterfiltratie: waterkwaliteit als prioriteit

Door filtratie kunnen hormonen, pesticiden, nitraat, nitriet, farmaceutisch afval en zware metalen worden verwijderd uit het water. De keuze voor een specifiek filtratieproces hangt af van de kwaliteit van het ongezuiverde water en de vereisten voor het eindproduct (leidingwater, bedrijfswater, water voor medische doeleinden).

Waterfilters worden gebruikt door de lokale waterleveranciers bij het zuiveren van water Het water moet worden gezuiverd in overeenkomst met de richtlijnen en wetgeving voor drinkwaterstandaarden. Privéhuishoudens gebruiken momenteel ook steeds vaker aanvullende waterfilters om hygiënische redenen.

De diverse principes voor waterfiltratie

Waterfiltratie is een essentieel onderdeel van waterzuivering en wordt gebruikt om onreinheden te verwijderen en water geschikt te maken voor menselijke consumptie. Er bestaan diverse principes voor filtratie die worden toegepast op basis van de onreinheden en de uiteindelijk gewenste waterkwaliteit.

Er bestaan drie filtratieprincipes:

• Oppervlaktefiltratie
• Dieptefiltratie
• Koekfiltratie

Oppervlaktefiltratie

Oppervlaktefiltratie wordt toegepast in grote filterbassins of tanks die gevuld zijn met een filtermedium zoals zand, gravel of actief koolstof. Bij oppervlaktefiltratie worden de deeltjes tegengehouden door het filtermedium, omdat hun diameter groter is dan de poriegrootte van het filtermedium.

Deze vorm van waterfiltratie vereist doorgaans slechts een dun filtermedium en kan ook worden uitgevoerd aan de hand van zeer dunne membranen. Membraanfilters, die een poriegrootte van slechts 0,2 μm hebben, worden voornamelijk in de medische sector gebruikt voor steriele membraanfiltratie en bieden een betrouwbare bescherming tegen waterbacteriën als legionella en pseudomonas[FS2]. Stoffen filters worden gebruikt bij bijvoorbeeld rioolwaterzuivering.

Bijvoorbeeld: membraanfilters, filtercatridges, microzeven, stoffen filters

Dieptefiltratie
 

Tijdens het filtratieproces stroomt het water door een filtermedium. De grotere deeltjes worden in de bovenste lagen vastgehouden en de kleinere deeltjes in de diepere lagen. De diameter van het deeltje is groter dan de diameter van de porie. De deeltjes die door de poriën dringen worden zo in het filtermedium vastgehouden.

Bij dieptefiltratie is er een filterlaag nodig met samengepakte korrelige materialen en een aanzienlijke diepte, meestal 1 tot 2 meter, om de deeltjes effectief van het water te kunnen te scheiden. Deze methode is voornamelijk geschikt voor toepassingen met een hoge vuilbelasting waarbij oppervlaktefiltratiemethoden zoals membraanfiltratie niet volstaan vanwege de beperkte levensduur.

Dit filtratietype levert een hoge reinigingsprestatie, omdat zeer kleine deeltjes kunnen worden verwijderd.

Koekfiltratie
 

Koekfiltratie combineert elementen van oppervlakte- en dieptefiltratie. De deeltjes die worden tegengehouden vormen een filterkoek op het filtermedium. Deze filterkoek, die in dikte en dichtheid kan variëren afhankelijk van de toepassing en het deeltjestype, draagt bij aan het scheiden van deeltjes en vormt de uiteindelijke filterlaag. Koekfiltratie verhoogt de weerstand tegen de waterstroom en leidt dus tot een drukverhoging in het filtersysteem.

Voor koekfiltratie is een filtermedium vereist dat vloeistoffen doorlaat en vaste materialen tegenhoudt. Er is daarnaast ook een drukverschil nodig. Het filtermedium kan zowel plat (zoals textiel, draadgaas, papier of karton) als gelaagd zijn (zoals bij filters bestaande uit zand- of sinterlagen).

Deze methode wordt in diverse domeinen toegepast, zoals bij het zuiveren van afvalwater, waarbij de methode bijdraagt aan het effectief scheiden van water en vaste substanties.

Speciale filterprocessen

Naast de gebruikelijke waterfiltratiemethodes bestaan er eveneens speciale filtratieprocessen die, door hun unieke eigenschappen en mechanismes, geschikt zijn voor specifieke toepassingen. Twee van deze filtratiemethodes zijn membraanfiltratie en actieve koolstoffiltratie. Beide processen zijn effectief in verschillende domeinen en bieden efficiënte oplossingen voor het op microscopisch niveau verwijderen van vervuilende stoffen. In de volgende paragrafen, leggen we meer uit over deze twee filtratiemethodes, hun toepassing, de voordelen en de werking ervan.

Membraanfiltratie
 

Bij membraanfiltratie wordt het water gefilterd door een medium met kleine porien (een membraan) dat, afhankelijk van de aard, zelfs de kleinste deeltjes kan tegenhouden. Denk daarbij aan virussen en bacteriën. Dit soort filters worden ook wel steriele filters genoemd. De meeste membraanfilters zijn gemaakt van polymeren, zoals kunststoffen. In bepaalde domeinen worden echter membraanfilters van keramiek of metaal gebruikt.

We maken eveneens een onderscheid tussen verschillende soorten membraanfiltratie, zoals microfiltratie (MF), ultrafiltratie (UF), nanofiltratie (NF) en omgekeerde osmose (RO). De eerste twee processen kunnen worden omschreven als mechanische zeven. Ze bestaan uit kunstmatig gecreëerde membranen met poriën van een bepaalde diameter. Het is belangrijk voor de werking van het membraan dat de poriën groter worden in de richting van het zuivere water. Bij nanofiltratie en omgekeerde osmose wordt er gebruik gemaakt van compacte en ademende membranen.

Het principe van omgekeerde osmose werd in de jaren 50 ontdekt bij de ontzilting van zeewater. Het is een proces dat bijna 100% zuiver drinkwater kan genereren uit bronnen als zeewater. Bij het proces wordt water door een synthetisch, semipermeabel membraan geperst dat slechts in één richting en alleen voor watermoleculen doorlaatbaar is.

Er bestaan diverse membraangeometrieën zoals vlakke plaatmembranen, holle membraanvezels, monokanaalmembranen, membranen met meerkanaalselementen, schijfmembranen en zakmembranen. Holle membraanvezels worden vaak in de medische sector gebruikt om de waterkwaliteit te garanderen.

Waterzuivering met actieve koolstoffilters

Filtratie met actieve koolstoffilters is voornamelijk gebaseerd op adsorptie. Vervuilende substanties als stof en zware metalen worden met behulp van actieve koolstoffilters verwijderd uit vloeistoffen of gassen. Bij waterzuivering worden er actieve koolstoffilters gebruikt voor de adsorptie van organische stoffen en geur- en smaakstoffen, of om medicijnresten uit het water te filteren.

Door de adsorptietechnologie heeft actief koolstof slechts een tijdelijke absorptiecapaciteit. Dat betekent dat de koolstof periodiek moet worden vervangen nadat het is uitgeput. Indien de actieve koolstof niet op tijd wordt vervangen, raakt het overbelast en kan het filtraat een hoger aantal ongewenste stoffen bevatten dan het onbehandelde water. Bovendien werkt de koolstof ook als een reduceermiddel en is het geschikt voor het verwijderen van oxiderende stoffen zoals ozon en chloor uit afgevoerde lucht of bedrijfs- en afvalwater. Er zijn ook actieve koolstoffilters met membranen beschikbaar, zodat de voordelen van beide waterfiltermethodes kunnen worden gecombineerd.

Andere chemische en biologische processen

Er bestaan daarnaast diverse chemische en biologische processen voor waterzuivering, zoals desinfectie en chemische oxidatie. De verschillende processen hebben elk hun voor- en nadelen. De keuze hangt af van de substanties die in het water aanwezig zijn en van de uiteindelijk gewenste waterkwaliteit.

_{Gewijzigde illustraties van Förster B, Caesar T: Luftfiltration in Reinraumtechnik (luchtzuivering in schone ruimtes). Springer 2012}