多滤层过滤可以是向下的，也可以是向上的，其目的是避免非均质滤层滤池所固有的表面堵塞和过滤速度受到限制的缺点。
为了提高这种滤池的滤速和延长其运行时间，常用有效粒径大于其下面砂料的轻质材料来代替上面一层细砂。这种较轻的材料一般为无烟煤，由于无烟煤的相对密度比砂小，在反冲洗后它们仍然能保留在滤池的上部，大的无烟煤粒使滤层上部形成较大的孔隙，减慢了孔隙中水流阻力增长的速度，使水中各种杂质有机会进入深层下部，使滤层得到较为充分合理的应用，从而延长过滤时间。试验和生产实践都证明，一般在相同周期下，其产水量约比砂滤料快滤池多0.5～1.0倍。对于老厂来说，把滤砂池改成双层滤料过滤是挖掘滤池潜力和提高出水量的有效途径之一。无烟煤的有效粒径较砂的有效粒径大2～3倍为宜。
选择每一滤层的粒径时，应使冲洗水流量相同时滤料膨胀程度也相同。这样可使滤料在重新开始过滤以前重新得到分级。
各种材料特别是上层滤料材料的均匀系数必须尽可能的低（不超过1.5），以防止杂质堵塞各滤层的表面。反冲洗流速的增加应与颗粒尺寸和水温成正比，每一滤层必须可以至少膨胀10%～15%。在某些场合下，必须采取措施使反冲洗水流速与水温相适应，
以便维持适当程度的膨胀且滤料又没有随排水流失的危险。在冲洗时，很难做到滤料一点不被冲走，所以每年必须补充5%～7%的滤料。在实际应用中，也有用3层或4层密料组成的滤池，相对密度越大且颗粒越小的放在滤床的最底层，例如相对密度为4.2的磁铁砂被用作砂层下的滤料。这种多层滤池和双层滤池一样可改善杂质向深层渗入的情况，但是无论哪种滤池都不能解决必须进行反冲洗这一固有缺点。
在这种系统中，滤床粒径自底部至顶部逐渐减小，目的还是使杂质能够渗入滤床源部，以便尽量利用过滤体和延长过滤周期。另外，由于水自底部向上流，因而砂层会承受一种浮力作用，这种作用随水头损失的增加而增大，可使滤床上部的细砂产生局部膨胀区，在恢复过滤以前，滤床会泄漏几分钟。为克服这一缺点，常在顶部埋置固定在边缘上有扁平栅条构成的水平格栅，用以稳定细砂。
这种格栅系统不能完全消除不希望有的突然膨胀，这种膨胀主要是在过滤水流量急剧或大幅度增加致使滤速加速时发生。为了进一步克服该缺点，应当采用更深的砂层。
每个滤池都必须装有流速测量装置和过滤水量计算仪表，以便根据过滤水量而不是水头损失来确定是否需要冲洗；必须制定严格的操作规程，以保证流量的缓慢变化。由于上向流滤池本身存在的问题尚未得到很好的解决，故在我国很少采用上向流滤池。
双向流式滤池是上向流滤池的改进形式，试图用池中的分流（从顶部向下流与从底部向上流）来截住上向流的滤池。双向流式滤池主要用于荷兰和苏联，在我国大庆油田也有应用。双向流式滤池允许过滤工作从两个相对的方向同时进行，其容量相等，从而使结构上和排水系统上都得到某些节省。
双向流式滤池存在一个固有的局限性，不能用以生产特别高质量出水。单一滤料双向流式滤池的最细滤料放在上半部下向流滤床的顶部。这使滤床的上半部构成一个快滤池或表面式过滤池，由它得出的水的质量最好也不会超过普通快滤池的水质；滤池的下半部是一个由粗到细的滤池，但在滤床上部出口处的最细颗粒比普通快滤池中成功应用的最细颗粒还要粗。显然，从这个滤床出来的水比下向流滤池产生的水质要差一些。双向流式双层滤料滤池构造比单一滤料双向式滤床要好，其优点是把细砂放在更靠近中间收集管的地方，这样便在由粗到细单一滤料（砂）的上向流床之上组成一个双层滤料（煤一砂）的下向流滤床，最细砂粒的粒度根据实际应用情况决定，这一点上仍有局限性，如果砂粒比普通快滤池中的砂更细，由于必须使它在滤床的下半部构成最好的上向流滤池，则在反冲洗时砂粒会由于太细而被过多地提升到煤层中去。如果要使砂粒的级配在上半部适合于双层滤料滤床，那么砂粒就显得太粗，而使下半部滤床上向流过滤得不到最佳过滤效果，不论哪一半出来的水质都比不上混合滤料滤池的出水水质，对于这样一个双重问题，很难简单地解决。
