Filtração

A filtração consiste na remoção de partículas

suspensas e coloidais e de microrganismos

presentes na água que escoa através de um

meio granular.

Calha coletora de água de lavagem

Leito Filtrante

Camada suporte

Fundo falso

Fundo verdadeiro Água de lavagem

Água filtrada

Sentido de Filtração

Sentido de Lavagem

Partes constitutivas de um sistema de filtração

Materiais filtrantes: composição, granulometria e altura;

Camada suporte: Granulometria, altura;

Fundo falso: Coleta de água filtrada e introdução de água

de lavagem;

Partes constitutivas de um sistema de filtração (continuação)

Sistema de coleta de água de lavagem;

Tubulações, válvulas e comportas de entrada de água decantada, saída de água filtrada e introdução e coleta de água de lavagem .

Na filtração, geralmente o regime de escoamento é laminar e envolve os mecanismos:

Ação de superfícieÉ o efeito físico de coar e ocorre no topo e camadas iniciais.

Ação de profundidadeOcorre na profundidade do leito filtrante e envolve mecanismos de transporte.

Em geral a retenção de impurezas no leito é

considerada como o resultado de dois mecanismos

distintos, porém complementares:

Transporte; Aderência.

Inicialmente as partículas devem aproximar-se da

superfície dos grãos e posteriormente devem

permanecer aderidas a estes resistindo as forças de

cisalhamento resultantes das características

hidrodinâmicas do escoamento ao longo do meio

filtrante.

Classificação dos Processos de Filtração

Com relação a taxa de filtração:Com relação a taxa de filtração:

Filtração rápida;Filtração rápida; Filtração lenta.Filtração lenta.

Com relação ao sentido de escoamento:Com relação ao sentido de escoamento: Ascendente;Ascendente; Descendente.Descendente.

Filtração Lenta

Filtração Rápida

Filtração Rápida

Características da água bruta

Filtração direta Filtração em linha

Tubidez (UNT) 50 (15)

25 (5)

Cor real (U.C) 50 (Cor aparente < 20)

25 (Cor aparente < 15)

Densidade algal (UPA/ml)

1.000 (500)

500 (100)


Com relação ao meio filtrante:Com relação ao meio filtrante:Camada simples Camada dupla Camada Camada simples Camada dupla Camada

triplatripla

Areiaou Antracito

Areia

Antracito

Areia

Antracito

Granada


Com relação ao seu controle hidráulico:Com relação ao seu controle hidráulico:Taxa de filtração constante;

Sem variação de nível; Com variação de nível.

Taxa de filtração declinante.

Perfis hidráulicos típicos para ETAs

Filtração direta ascendente


Filtração direta descendente sem floculação


Tratamento convencional

Partes constitutivas de um sistema de filtração (continuação)

Sistema de coleta de água de lavagem;

Tubulações, válvulas e comportas de entrada de água decantada, saída de água filtrada e introdução e coleta de água de lavagem .

Característica dos meios filtrantes


A partir da curva de distribuição granulométrica são definidos os parâmetros que caracterizam o meio filtrante:

Tamanho do maior e menor grão;

Tamanho efetivo: D10 que corresponde ao tamanho para o qual se obtém 10 % (em peso) do material que passa;

Coeficiente de Desuniformidade (CD)CD= D60/D10);


Forma do grão e geometria dos grãos: Coeficiente de esfericidade (Ce; superfície específica e

diamentro volumétrico dos grãos); Fator de forma (F)

Porosidade ( = volume vazios/volume total meio filtrante).

Solubilidade em ácido clorídrico e hidróxido de sódio;

Massa específica ( - kg/m3).


Diâmetro

Porc

en

tag

em

qu

e p

assa

(%)

d10 d60dmenor grão dmaior grão

10

60

d

dCU

Característica dos meios filtrantesMeio Filtrante d10 (mm) C.U. Altura (m)

CAMADA ÚNICA Areia 0,45-0,55 <1,6 0,60-0,80 Areia 0,80-1,20 <1,5 1,20-1,80 Antracito 1,1-1,5 <1,5 1,20-1,80 AREIA-ANTRACITO Areia 0,45-0,55 <1,6 0,15-0,30 Antracito 0,90-1,10 <1,8 0,30-0,60 AREIA-ANTRACITO-GARNET Areia 0,45-0,55 <1,6 0,15-0,30 Antracito 0,90-1,10 <1,8 0,30-0,60 Garnet 0,20-0,30 ------ 0,10-0,15


De acordo com a NBR 12216/92:

Filtros de uma camada de areia:

Espessura mínima de 45 cm;

Tamanho efetivo: 0,45 a 0,55 mm;

Coeficiente de uniformidade: 1,4 a 1,6.



Filtros de fluxo ascendente

Espessura mínima: 200 cm;


Coeficiente de uniformidade: ≤ 2



Filtros de camada dupla: Areia:



Coeficiente de uniformidade: 1,4 a 1,6.

Antracito:



Coeficiente de uniformidade: ≤ 1,4



Filtros de camada dupla:

Areia Antracito

Espessura da camada 15 a 30 45 a 60

Tamanho efetivo 0.5 a 0.6 0.8 a 1.1

Coeficiente de uniformidade <1.5 <1.5

Menor grão 0.42 0.59

Maior grão 1.41 2.0

Características hidráulicas

TAXA DE FILTRAÇÃO:

Camada Suporte

A camada suporte (número de sub-camadas e diâmetros extremos dos grãos dos seixos rolados que a constituem) depende:

Do material filtrante a ser colocado sobre esta;

Do método de lavagem do filtro;

Do fundo falso sobre o qual se apóia.

A altura mínima do fundo deve ser maior que 0,5m e D + 0,25m.

Camada Suporte

Cada camada componente do meio suporte deve ser a mais uniforme possível. dmax/dmín = 2;

O diâmetro do menor grão da camada inferior do meio suporte deve ser cerca de 2 a 3 vezes o diâmetro do orifício do sistema de drenagem;

O diâmetro do menor grão da camada superior do meio suporte deve ser cerca de 4 a 4,5 vezes o valor do diâmetro efetivo do material filtrante

Camada Suporte

Entre as camadas que compõem o meio suporte, a relação entre o diâmetro do maior grão e o diâmetro do menor grão da camada adjacente deve ser igual a 4;

A espessura mínima de cada camada componente do meio suporte deve ser igual a 7,5 cm ou três vezes o diâmetro máximo do grão.

Fundo dos filtros

1. Bocais;

2. Blocos;

3. Tubulações perfuradas;

4. Vigas pré-fabricadas

Blocos

Camada Suporte e Fundo dos Filtros

Camada suporte para blocos Cerâmicos

Camada Espessura (cm) Tamanho (mm)

1º 15 1.6 – 3.2

2º 5 3.2 – 6.4

3º 5 6.4 – 12.5

Fundo 15 12.5 – 19

Total 40

Camada Suporte e Fundo dos Filtros

Camada suporte para fundo falso com bocaisCamada Espessura (cm) Tamanho

(mm)

Pedrisco 7 – 7.5 4.8 – 2.4

1º 7 – 7.5 12.5 – 4.8

2º 7 – 10.0 19.0 – 12.5

3º 7 – 10.0 38 – 19

Fundo 12 – 15 63 – 38

Total 40 a 50

Camada suporte utilizada pela COPASA para fundos falsos queutilizam vigas californianas (Vianna,2005)



Qualidade da água;

Habilidade de operação;

Características do meio;

Carga hidráulica.



Filtro de uma camada: 180 m3/m2dia.

Filtro de camada dupla: 360 m3/m2dia.

OBS: Em caso de filtros de fluxo ascendente, a taxa de filtração deve ser de 120 m3/m2dia.


Lei de Darcy

V = K x i, onde:

V = Velocidade de descarga em (cm/s ou m/s)K = Constante de permeabilidade (cm/s ou m/s)i = Gradiente hidráulicoi = h/L, onde:L = Altura da amostra (cm)h = Carga hidráulica (cm)


PERDA DE CARGA EM MATERIAIS FILTRANTES LIMPOS

Fórmula de Fair et al. (1968) para grãos não esféricos de meios filtrantes limpos estratificados:

Xi: porcentagem em peso da fração que passa

Deq: média geométrica das aberturas das duas peneiras consideradas;

ρa: massa específica da água (kg/m3);Ce: coeficiente de esfericidade correspondente a cada subcamada do

material granular (1,0 é a esfera ideal)ε : porosidade do meio;

n

i

n

ia Deq

Xi

gCe

V

Deq

Xi

Ce

V

gL

H

13

2

1223

2 )1(75,1

)1(150

Índices Físicos AREIA ANTRACITO CAG GARNET Massa específica (Kg/m3)

2.650

1.450-1.730

1.300-1.500

3.600-4.200

Porosidade 0,42-0,47 0,56-0,60 0,50 0,45-0,55 Coef. de esfericidade 0,7-0,8 0,46-0,60 0,75 0,60

Lavagem dos Filtros

Os filtros rápidos são lavados a contra-corrente (por inversão de fluxo) com ou sem auxílio de ar, com uma vazão capaz de asseguram uma expansão adequada para o meio filtrante.

A lavagem deverá promover a expansão de 20 a 30 % (NBR 12216/1992);

A velocidade ascensional deverá ser estar entre 0,6 e 1,0 m/min e o tempo de lavagem deve estar entre 10 e 15 minutos.

Lavagem dos Filtros

A água para lavagem pode ser armazenada na caixa dos próprios filtros (filtros auto laváveis) ou em reservatórios específicos para este fim.

A NBR 12216 estabelece que:

os reservatórios devem ter capacidade para armazenar o volume necessário para lavagem de dois filtros com velocidade superior a 0,60 m/min, durante 10 minutos;

a lavagem do filtro de fluxo descendente deve ser complementada por agitação auxiliar do material filtrante.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Vel

oci

dad

e A

scen

cio

nal

(cm

/s)

Expansão (%)

Expansão de Meios Filtrantes

Areia-Antracito

Areia-CAG

Lavagem dos Filtros

Com bomba

Reservatório elevado

Métodos de Lavagem dos Filtros

MÉTODOS DE LAVAGEM MEIO FILTRANTE

a. Lavagem somente com água no sentido ascensional;

b. Lavagem auxiliar superficial e lavagem simultânea ou não com água no sentido ascensional;

c. Lavagem auxiliar sub-superficial e lavagem simultânea ou não com água no sentido ascensional;

d. Insuflação de ar e lavagem simultânea ou não com água no sentido ascensional;

Convencional-areia <10000 m3/d;

Convencional-areia com operação qualificada;

Antracito e areia em estações com operação qualificada;

Antracito e areia ou areia praticamente uniforme com operação qualificada.

Lavagem auxiliar superficial/subsuperficial

Sistema de coleta de água de lavagem dos filtros:

S

L

D

H0

DLHDL 0.5,0

00 5,25,1 HSH

H0=Altura entre a borda superior da calha de água de lavagem e o topo do material filtranteS=Espaçamento entre as calhas

L=Espessura da camada filtrante

D=altura da calha de água de lavagem

L

Sistema de coleta de água de lavagem dos filtros:

Rio das Velhas - MG

Rio Manso - MG

Dimensionamento da calha de coleta de água de lavagem:

B

5,10..38,1 hBQ

h0

Número e Forma dos Filtros

Tamanho ETA e Taxas de filtração;

Número de etapas: no mínimo 3 filtros e 4 no caso de taxa

declinante variável;

De fatores econômicos que levam em conta o volume de

concreto, o diâmetro das canalizações, comportas e válvulas, etc;

Condições de lavagem;


Q (m3/dia)

5,0.2,1 QN

ETA Filtros Vazão (m3/s)

Araras – SP 6 0,4 Campinas – SP 16 2,1 Fortaleza – CE 10 6 Guaraú – SP 48 33 Morro Redondo – MG 6 0,75 Rio Manso – MG 10 4,1 Rio das Velhas – MG 16 6 São Carlos 7 0,5


Área dos Filtros

• É limitada pelas condições operacionais e pelas características dos componentes de veiculação de água no filtro;• Filtros simples devem ter área inferior à 70 m2;• Os maiores meios filtrantes apresentam área inferior a 170 m2;• A NBR 12216 estabelece que a taxa máxima de filtração não deve ser superior a 50% da taxa média do sistema.


Os filtros normalmente são de seção quadrada ou retangular e as

dimensões são estabelecidas considerando-se:

Tipo de fundo de filtro;

Tipo de lavagem auxiliar;

Espaçamento e dimensões das calhas de coleta de água de

lavagem.

CRITÉRIOS PARA ENCERRAMENTO DA CARREIRA DE FILTRAÇÃO

Turbidez da água filtrada superior a um valor pré-

determinado (geralmente superior a 0,5 uT);

Perda de carga igual ou superior a carga hidráulica máxima disponível (geralmente da ordem de 2,0 a 3,0 metros)

Carreira de filtração com duração superior a 40 horas.

PARTES CONSTITUTIVAS DE UM SISTEMA DE FILTRAÇÃO

Tubulações, válvulas e comportas de entrada de água decantada, saída de água filtrada e introdução e coleta de água de lavagem

PARTES CONSTITUTIVAS DE UM SISTEMA DE FILTRAÇÃO

Velocidades nos dispositivos de veiculação de água: Alimentação do filtro - 0,6 a 1,8 m/s; Tubulação de água filtrada - 0,9 a 1,8 m/s; Drenagem da água de lavagem - 1,2 a 2,4 m/s; Alimentação de água de lavagem - 2,4 a 3,7 m/s; Drenagem do filtro -3,7 a 4,8 m/s.

Filtro de fluxo descendente com perda de carga total e velocidade de aproximação

variáveis: arranjo de filtro

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