FILTRAÇAO

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ

INSTITUTO DE TECNOLOGIA

FACULDADE DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL

TRATAMENTO DE ÁGUAS DE ABASTECIMENTO

Prof.ª Luiza Girard / Monitora Brenda Piteira

1

FILTRAÇÃO

A filtração consiste na remoção de partículas suspensas e coloidais - responsáveis

pela cor e turbidez - e de microrganismos presentes na água que não foram removidos nos

processos anteriores e que podem interferir na eficácia do tratamento. O processo ocorre

basicamente pelo escoamento da água por um meio poroso capaz de realizar a remoção de

sólidos. Em geral, a filtração é o processo final de remoção de impurezas realizado em uma

ETA. Existem várias configurações de filtros, aplicadas dependendo das características da

água bruta e das finalidades do tratamento, os processos podem ser predominantemente

biológicos ou predominantemente físico químicos.

1 CONFIGURAÇÃO DOE FILTROS

1.1 Com relação ao tipo de filtração

Filtros lentos

Filtração rápida

Pré-filtração em pedregulho

1.2 Com relação ao sentido de escoamento

Filtração descendente

Filtração ascendente

Este material de apoio é destinado exclusivamente aos alunos da disciplina, para

servir como guia de estudo, não devendo ser distribuído e publicado.






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1.3 Com relação ao meio filtrante

A composição do leito filtrante pode ser por uma camada simples, quando é

composta por um só material, camada dupla – composta por dois tipos de material, e

raramente por camada tripla, onde usa-se três diferentes materiais que auxiliam a filtração.

Na prática, os leitos filtrantes mais utilizados são os de camada simples e dupla. Quanto ao

material do leito, pode-se utilizar areia, antracito e a granada. Em filtros lentos geralmente é

utilizada camada simples de areia, e em filtros rápidos, camada dupla de areia e antracito.

Camada Simples Camada Dupla Camada Múltipla






3

Figura 1 - Classificação dos tipos de filtração no tratamento de água

Fonte: Adaptado de Libânio (2005).

2 MECANISMOS DE FILTRAÇÃO

Os mecanismos da filtração podem ser classificados em:

2.1 Mecanismo de transporte

Este mecanismo é constitui fenômenos predominantemente físico e hidráulicos,

afetados pelos fatores responsáveis pela transferência de massa, como a temperatura que

influencia diretamente na viscosidade da água, na laminaridade do escoamento e nas

características dos grãos da camada filtrante (diâmetro, forma dos grãos, espessura,

porosidade, etc.).

A predominância de um ou outro mecanismo está ligada à distribuição das partículas

na água e aos fatores influentes da velocidade intersticial – porosidade e taxa de aplicação.

Fil

traç

ão

Pré-filtração em pedregulho

Lenta

Escoamento ascendente

Escoamento descendente

Pressão

Gravidade

Escoamento ascendente

Escoamento descendente

Escoamento

ascendente

Escoamento

descendente

Dois estágios

Precedida de floculação e decantação convencionais

Simultânea com microfloculação e microdecantação

Precedida de floculação e decantação convencionais

Simultânea com microfloculação e microdecantação






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2.1.1 Ação de coar

As partículas que tem dimensões maiores que os poros do material que constitui o

meio filtrante, ficam retidas superficialmente não podendo ser transportadas para as camadas

mais profundas.

2.1.2 Interceptação

A partícula, transportada por uma determinada linha de corrente pode, caso esteja

próximo ao coletor entrar em contato com esta, e de tal forma ficar retida na superfície do

grão do meio filtrante. Neste caso a distância entre a linha de corrente e a superfície do grão

deve ser no máximo igual ou inferior ao raio das partículas transportada. Quanto maior o

diâmetro, maior a eficiência da filtração.

2.1.3 Difusão

As moléculas de água, devido a sua energia interna apresentam-se em constante

movimento. Uma partícula presente em meio aquoso, devido ao seu continuo

bombardeamento pelas moléculas de água, adquire um movimento aleatório denominado

movimento browniano. Desta forma, a partícula pode ser transportada da sua linha de

corrente para a superfície de um coletor. Diâmetro inferior a 1um.

2.1.4 Impacto Inercial

As linhas de corrente ao se aproximarem da superfície dos grãos do meio filtrante se

deformam de tal forma a permitir o escoamento ao seu redor. Caso a partículas que esteja em

uma linha de corrente tenha inércia suficiente tendera a manter-se na sua trajetória inicial até

a superfície do coletor. Quanto maior o diâmetro, massa especifica e velocidade de

aproximação, maior o impacto.






5

2.1.5 Sedimentação

Uma partícula sendo transportada ao longo de uma linha de corrente, pode devido a

ação da gravidade se chocar com o coletor.

2.1.6 Ação Hidrodinâmica

As partículas transportadas em uma linha de corrente não são esféricas e apresentam

uma certa deformidade. Desta maneira, devido a existência de um gradiente de velocidade,

passam a adquirir um movimento de rotação em torno do seu eixo. Esse movimento faz com

que a partícula seja transferida para outra linha de corrente, o que pode ocasionar o seu

transporte para a superfície do coletor.

2.2 Mecanismo de aderência

Este mecanismo constitui fenômenos predominantemente químicos, tais como a

formação de pontes químicas – emprego de polímeros que auxiliem na coagulação – forças

eletrostáticas e de van der Waals, que são afetados por parâmetros intervenientes nas etapas

de coagulação e floculação.

2.2.1 Interação das forças eletrostáticas e de Van der Waals

As forças de Van der Waals dificilmente podem ser alteradas, para obtenção de um

potencial de mínima repulsão, é necessário alterar a magnitude das forças de repulsão. Por

isso é de grande importância a desestabilização das partículas coloidais para que a sua

remoção no processo seja eficiente.

2.2.2 Adsorção mutua

Envolve a formação de cadeias e pontes entre polímeros que estejam adsorvidos na

superfície da partícula e na superfície do coletor.






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2.2.3 Reações de hidratação

A presença da molécula de água adsorvida na superfície do coletor e da partícula

promove a aderência dos mesmos.

Figura 2 - Visão do processo de filtração

Fonte: Autor (2014).

Figura 3 - Mecanismos de transporte que ocorrem na filtração






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Fonte: Marcos Rocha Vianna (2002).

3 CARACTERÍSTICAS DO MEIO FILTRANTE

Algumas das principais características do meio filtrante de um filtro são:

3.1 Tamanho e distribuição dos grãos

Para essa determinação, há necessidade de realização de ensaios granulométricos.

Tamanho efetivo: diâmetro da peneira que deixa passar 10% em peso de uma amostra

de grãos.






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Coeficiente de uniformidade: quociente entre o diâmetro da peneira que permite a

passagem de 60% em peso de uma amostra e o tamanho efetivo.

𝐶𝑑 = 𝑑60𝑑10⁄

3.2 Esfericidade

A esfericidade ou coeficiente de esfericidade é a relação entre a área superficial de

uma esfera e a de um grão de igual volume. É importante para a determinação da perda de

carga no meio filtrante e relacionada à porosidade do meio filtrante, consequentemente da

capacidade de armazenamento das partículas, permitindo carreiras de filtração mais longas.

3.3 Porosidade

Consiste na razão entre o volume de vazios e o volume dos grãos no meio filtrante.

A medida em que cresce a esfericidade dos grãos, o volume de vazios diminui e,

consequentemente, a porosidade, portanto, grãos com maiores angulações e triturados

apresentam maior porosidade.

3.4 Velocidade de aproximação e velocidade intersticial

A velocidade de aproximação nada mais é do que a taxa de aplicação. A velocidade

intersticial é o quociente entre a velocidade de aproximação e a porosidade dos grãos.

𝑉𝑖 =𝑉𝑎

𝑃

3.5 Densidade

É uma propriedade que apesar de não influenciar no processo de filtração, é de suma

importância do processo de lavagem dos filtros no caso de filtros rápidos de lavagem por

fluxo ascensional.






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3.6 Dureza

Traduz a resistência dos grãos constituintes do meio filtrante à fragmentação, fator

importante na vida útil do filtro.

Figura 4 - Diferentes formas do grão de areia

Fonte: Libânio apud Fair et al (2005)

Figura 5 - Principais características do meio filtrante

Fonte: Libânio apud Cleasby e Logsdon (2005)






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4 FILTRAÇÃO LENTA

(taxa de aplicação segundo a NBR12216: 6m3/m2d)

A filtração lenta é considerada resultante de mecanismos de transporte, de aderência

e de atividade biológica. Porém os mecanismos de aderência são pouco relevantes pois não

há processo de coagulação quando há emprego de filtros lentos, o que reduz este tipo de

mecanismo. A taxa de filtração chega a ser 200 vezes menor do que a aplicada em filtros

rápidos, consequentemente a área consideravelmente grande é necessária para a produção do

mesmo volume de água.

Destinados a potabilizar águas brutas de excelente qualidade física, química e físico-

química, os filtros lentos são capazes de propiciar águas tratadas com expressivas reduções

no índice de coliformes, entre outras melhorias. Porém dependendo da qualidade da água a

ser tratada, é empregada a pré-filtração, afim de amortecer a turbidez antes de chegar nos

filtros, evitando perda rápida destes.

Segundo a NBR 12216/92, a filtração lenta só pode ser aplicadas em águas do tipo B,

definidas pela mesma norma como águas subterrâneas ou superficiais, oriundas de bacias

hidrográficas não-protegidas com características físico-químicas e biológicas definidas e que

possam enquadrar-se nos padrões de potabilidade após os processos de tratamento, onde não

seja utilizada a coagulação. As características de águas do tipo B estão inseridas na tabela a

seguir.

Tabela 1-Classificação das águas naturais para abastecimento público

Variáveis Limites

𝑫𝑩𝑶𝟓 (mg/L)

- média

- máxima, em qualquer amostra

Coliformes (NMP/ 100mmL)

1,5 – 2,5

3 – 4






11

- média mensal em qualquer mês

- máximo

pH

Cloretos

Fluoretos

100 – 5000

> 5000 em menos de 20% das amostras

5 – 9

50 – 250

1,5 – 3,0

Fonte: Adaptado de NBR 12216 (1992)

A manutenção do filtro dá-se pelo aumento da perda de carga neste, pois quando

ocorre a sua colmatação, há dificuldade para que ocorra a filtração, e há acúmulo e

extravasamento de água na superfície. Ou então o filtro é perdido pelo rompimento da

película biológica.

Os filtros lentos de areia precisam ser limpos periodicamente, quando a camada

superficial deve ser raspada. Essa operação é realizada de 2 a 6 meses dependendo da turbidez

e da concentração de algas na água bruta. Essa operação tem duração de 1 a 2 dias.

As desvantagens do filtro lento são a necessidade de grandes áreas, pequenas taxas

de aplicação, levando a inviabilidade de uso em grandes demandas e o processo de limpeza,

que além da necessidade de retirar o meio filtrante para limpeza – o que nem sempre conta

com sistema automatizado – após a retirada da película biológica, o efluente tratado aumenta

sua qualidade de acordo com o crescimento de uma nova película.

As vantagens são a excelente qualidade do efluente final (com expressiva redução de

coliformes), o aparecimento gradual de perda de carga, e menor geração de lodo por não

haver processo de coagulação, o que prolonga o seu tempo de carreira.






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Figura 6 - Filtro lento descendente

Fonte: Pyper, Longsdon (1991)

Figura 7 - Esquema dos componentes de filtração lenta de fluxo descendente

Fonte: Marcos Rocha Vianna (2002)

M

A

B

C

DE F

G

HS chm utzdecke

Lei to Fi ltran te

Á gua S obrenadanteV entilação

A . E xtravasor

B . V álvula de contro le do a fluente

C . V á lvula de drenagem da água sobrenadante

D . V á lvula de drenagem da água in te rstic ial

E . V álvula para preenchim en to do f iltro com água tratada

F. V álvu la para reservação de água de lavagem

G . V álvula de Á gua tra tada

H . V e rtedor para " inundação" do lei to

M . M edidor de vazão

S istem a de D renagem






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4.1 Filtração lenta de fluxo descendente

Em filtros lentos de fluxo descendente, a retenção das partículas na superfície da camada

filtrante é favorecida pelo tempo de detenção da água na unidade. Pelo fato de a maioria das partículas

serem retidas na superfície do filtro, a região interna não é sobrecarregada, aumentando sua vida útil.

A retenção de organismo e de outros contaminantes no topo do leito filtrante pode

levar dias ou até semanas, tempo denominados de período de amadurecimento do filtro.

A baixa concentração de mecanismos de aderência, de unidade de pré-desinfecção

acompanhadas de um alto tempo de detenção, contribuem para a formação de uma película biológica

na superfície da camada filtrante (formação de filme biológico em torno dos grãos que auxiliam a

filtração). A contribuição de processos biológicos na purificação da água bruta dá-se pela formação

desta película, pois os microrganismos consomem os substratos presentes na água (depuração

biológica).

No início da camada de areia tem sido aceita a existência de 3 zonas distintas, como

mostra a figura abaixo:

Figura 8- Regiões da película biológica

Fonte: Autor (2014)

Superfície de coesão: resulta da retenção de partículas em suspensão, coloidais,

organismos em geral, algas, etc. Os microrganismos são adsorvidos na superfície dos

grãos e utilizam a matéria orgânica como fonte de alimento.

Superfície de coesão

Zona autótrofa

Zona heterótrofica

Película Biológica






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Zona autótrofa: localiza-se imediatamente abaixo da superfície de coesão, com o

desenvolvimento da vida vegetal, onde há síntese da matéria orgânica a partir de

substâncias simples como CO2 e H2O e o fornecimento de O2 para o meio.

Zona heterótrofa: se estende até cerca de 40 cm, os microrganismos e multiplicam em

grande escala, nesta etapa ocorre a mineralização.

Nos filtros lentos de fluxo descendente (mais comuns no Brasil), a lavagem do leito

filtrante é feita manualmente, através da remoção, com o auxílio de enxada, de sua camada

superficial (aproximadamente 2,5 cm de areia), onde se desenvolve praticamente toda a

comunidade microbiana responsável pela filtração.

A areia removida é então transportada para um lavador de areia, onde é enxaguada.

Após lavagem essa areia é novamente introduzida no filtro lento (pode-se também acumulá-

la e só repor totalmente toda a areia removida após sucessivas lavagens, quando a espessura

do leito filtrante estiver reduzida a aproximadamente 50 cm).

4.2 Filtração lenta de fluxo ascendente

Nesse tipo de filtro, a água é filtrada inicialmente pela camada suporte e após, pela

camada filtrante. A formação biológica que auxilia o processo de filtração é formada mais

comumente no interior da camada filtrante e na sua superfície, visto o tipo de fluxo. Alguns

pesquisadores acreditam na maior eficiência deste tipo de filtro pois a água passa

primeiramente por uma granulometria mais grosseira na camada suporte, e pela formação

biológica relevante tanto no meio filtrante como na sua superfície.

RESUMO FILTRAÇÃO LENTA

Meio poroso: areia sustentada por camadas de seixos

Fenômenos que ocorrem durante a filtração:






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- ação mecânica de coar;

- sedimentação de partículas sobre grãos de areia;

- formação de película gelatinosa na areia.

Objetivos:

- remoção de cor

- remoção de turbidez

- tratamentos sem auxílio de coagulantes

- abastecimento de pequenas comunidades.

Forma: retangular (grandes devido a baixa taxa de filtração)

Composição:

- caixa de alvenaria ou concreto

- sistema de dreno

- camadas de seixos (0,30 a 0,45 m)

- camada de areia (0,90 m)

Taxa de filtração: 4 a 6 m3/m2.d

Tamanho efetivo: 0,25 a 0,35mm

Coeficiente de uniformidade: 2 e 3

Operação:

- o carregamento do filtro é ascendente;

- após carrega o filtro, abre-se o influente e descarga;

- no início da operação a água é de má qualidade;

- a água é desprezada até que se obtenha a qualidade desejada.

Amadurecimento do filtro

- o filtro funciona inicialmente somente p/descarga;






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- começa a haver retenção de material grosseiro em suspensão (algas,

protozoários, etc.)

- forma-se uma camada de lodo (camada biológica);

- adsorção de partículas menores pela película gelatinosa;

- melhor qualidade da água;

- tempo de amadurecimento de 2 a 3 semanas;

- fornece água de boa qualidade por 2 a 6 meses.

Perda de carga

- devido ao aumento da camada e lodo;

- maior resistência a passagem da água;

- perda de vazão;

- limites de perda de 0,90 a 1,50m (recomendado de 1,2m).

Lavagem do filtro

- fecha-se o afluente e seca-se o filtro;

- expõe-se a camada de lodo;

- remove-se a camada de lodo;

- remove-se uma camada de 1 a 2,5cm de areia com lodo (caso necessário);

- lava-se a areia removida (que retorna p/ o filtro antes do inicio da nova

operação);

- Utiliza-se mais de uma unidade de filtração.

Desvantagens:

- pouca eficiência na clarificação de águas altamente turvas e/ou coloridas;

- difícil operação quanto há variação acentuada da qualidade da água a ser

tratada.






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5 FILTRAÇÃO RÁPIDA

5.1 Filtração rápida descendente

Os filtros rápidos descendentes consistem em um leito de material granular (areia e/ou

antracito), disposto sob uma camada suporte que é apoiada sob um fundo falso, de acordo

com a figura a seguir.

Figura 9 - Filtro rápido descendente


O leito filtrante é disposto em série onde ocorrerá a filtração propriamente dita da

água em tratamento. Pode ser de camada única ou dupla (areia e antracito), menos

comumente é utilizada a camada tripla (areia, antracito e granada). Sendo o antracito (carvão






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mineral) mais leve ele deve ser disposto sob a areia; pois quando ocorre lavagem em contra-

corrente (ascendente), o antracito permanecerá na posição superior. Essa diferença de pesos

específicos faz com que o antracito possa ser especificado com grãos maiores que a areia.

Isso permite que os filtros com areia e antracito trabalhem com taxas superiores do

que os filtros de areia apenas, pois a água passa primeiro pelo antracito que tem grãos maiores

(e retém a maior parte dos flocos) e depois pela areia que retém as impurezas remanescentes.

A taxa de filtração de acordo com profundidade entre 120 a 360 m³/m².d. Pela NBR

12216 – taxa -180 m3/m².dia

A camada suporte é normalmente constituída de seixo, colocados em camadas de

granulometria decrescente no sentido ascendente. Essa estratificação é necessária para

satisfazer duas finalidades.

a) difundir uniformemente o escoamento sob a área total do leito de areia durante a

operação de lavagem em conta-corrente.

b) suportar as camadas de areia de modo que elas não possam sair do filtro durante a

sua operação.

No caso dos filtros rápidos, na maioria das estações de tratamento de água brasileiras,

os materiais filtrantes ficam estratificados no interior dos filtros.

Quando o filtro é colocado em funcionamento as partículas presentes na água a ser

filtrada vão ficando retidas ao longo de seu leito filtrante. Após um determinado período, há

a necessidade de lavar o filtro. O intervalo de tempo entre o início da filtração e o início da

lavagem é denominado “carreira de filtração”.

A interrupção de uma carreira de filtração pode ocorre por 2 motivos:

Transpasse na turbidez limite;

Uso total da perda de carga disponível.






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5.2 Filtros Rápidos Ascendentes

São constituídos por uma camada espessa de areia (2 m) colocada sobre uma camada

suporte de seixos rolados. Também conhecidos como filtros russos ou clarificadores de

contato.

A água previamente coagulada é introduzida sob a camada suporte e escoa no sentido

ascendente até atingir as calhas coletoras da superfície. A lavagem é feita injetando-se água

no mesmo sentido, com velocidade suficiente para expandir o leito de areia, sendo recolhida

nas mesmas calhas coletoras da superfície.

Figura 10 - Filtro rápido ascendente


Alguns criticam esta disposição, pois consideram que um pequeno descuido do

operador possa permitir contaminação da água tratada, caso ele manobre as comportas de

modo equivocado. Além disso, a contaminação pode ocorrer na calha pelo fato de

determinado instante passar água de lavagem e em outro, água filtrada. Outra desvantagem é

que a filtração direta ascendente só deve ser utilizada em águas com baixa cor e turbidez,






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pois isso pode fazer com que eles colmatem rapidamente, e com isso, lavagens mais

frequentes são necessárias.

Outros estudos apontam para a conveniência de se instalar uma malha de tubos

perfurados no interior da camada suporte, com o objetivo de lavá-la melhor (uma espécie de

sistema auxiliar de lavagem, semelhante ao que existe nos filtros de fluxo descendente).

No entanto, os fluxos ascendentes constituem importante alternativa para o

tratamento de água, uma vez que a camada suporte exercer importante papel na filtração.

A taxa máxima nos filtros ascendentes de acordo com NBR 12216 é de 120 m3/m2dia.

As experiências piloto de Di Bernardo, no entanto, vêm mostrando que essa taxa pode chegar

a 300 m3/m2.dia.

A grande vantagem da filtração ascendente é que ocorre a formação de flocos nos

poros do material mais grosso do meio filtrante. Funcionando dessa forma, a filtração direta

dispensa as unidades de decantação, com isso ocorre: redução das dimensões da estação e de

custos; filtração no sentido favorável de redução da porosidade; utiliza todo o meio filtrante.






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Figura 11 - Filtro de fluxo ascendente com calha coletora comum para água filtrada e água de lavagem


5.3 Lavagem dos filtros rápidos

Em filtros com fluxo descendente, a lavagem é realizada em contra corrente com

velocidade ascensional da água de 7 a 8 vezes maior que a velocidade de filtração. Esse

processo ocorre em duas circunstâncias: quando for atingida a perda de carga máxima

suportada hidraulicamente pela instalação ou quando houver um risco de deterioração da

qualidade da água filtrada se o filtro continuar em operação. Em filtros ascendentes, é

realizada na mesma direção do fluxo de filtração, a lavagem é feita com velocidade tal que

possa ocorre a fluidificação do leito, ou seja, as partículas possam ficar suspensas no meio

liquido.

A NBR 12216/92 recomenda que a lavagem possa promover uma expansão

no leito filtrante de 20% a 30 %.






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Para melhorar as condições de lavagem podem ser utilizadas as lavagens auxiliares

superficial e subsuperficial, que são esguichos colocados na superfície para quebrar a crosta

superficial de sujeiras dos leitos.

Um dos processos de lavagem mais utilizados no Brasil é a lavagem via reservatório

por gravidade, onde reserva-se água tratada que irá efetuar a limpeza em um reservatório de

cota superior, posicionado para que ocorra o escoamento da água com vazão e velocidade

desejadas para efetuar a limpeza. O esquema desse tipo de lavagem está disposto na figura a

seguir.

Figura 12 - Corte de sistema de lavagem de filtros via reservatório, por gravidade.


A lavagem pode ainda ser realizada com ar e água independentemente ou

simultaneamente. Neste caso o ar envolve os grãos de areia e a água lava os espaços entre os

grãos, levando consigo os flocos removidos diminuindo consideravelmente o volume de água

gasto nesta operação.

A lavagem inadequada dos filtros pode causar:






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a) o aparecimento de bolas de lodos no interior do meio filtrante;

b) menor volume de água produzido na carreira de filtração;

c) água de pior qualidade;

d) aumento da perda de carga.

6 PERDA DE CARGA EM FILTROS

A carreira de filtração pode ser dividida em 3 etapas (figura abaixo):

a) Etapa Inicial: quando o efluente pode apresentar qualidade insatisfatória devido a

água de lavagem remanescente no interior dos filtros.

b) Etapa Intermediaria: durante a qual há produção de água filtrada com qualidade

desejável.

c) Etapa de Transpasse: caracterizada pelo aumento continuo da turbidez da água

filtrada.

A situação ideal é aquela em que o início do transpasse e a perda de carga limite no

meio filtrante ocorrem simultaneamente. Nas ETAS é desejável que o final da carreira de

filtração ocorra pela perda de carga limite.

Na carreira de filtração de um filtro, a perda de carga total é composta por dois termos:

a perda de carga do meio filtrante limpo – a presença do meio filtrante contribui para a perda

de energia da água afluente ao filtro – e a perda de carga devido à retenção de impurezas – a

medida em que a unidade filtra a água, as impurezas nela contida vão aderindo ao meio

filtrante, contribuindo para alterações no valor da porosidade no meio filtrante, na superfície

específica e na velocidade intersticial; todas estas alterações ocasionam um aumento da perda

de carga com o tempo, fazendo com que uma maior energia seja dispendida para que uma

mesma quantidade de água, por unidade de tempo, passe no meio filtrante.

A figura a seguir mostra a composição da perda de carga no meio filtrante.






24

Figura 13 - Esquema ilustrativo de perda de carga no funcionamento de filtros


A perda de carga em filtros é dividida em: turbulentas e laminares. As chamadas

turbulentas são localizadas e contínuas, resultante do escoamento através do sistema de

drenagem (fundo do filtro, sobre o qual localiza-se o meio filtrante) e demais tubulações e

peças utilizadas, as quais conectam os filtros um ao outro e ao tanque de contato.

As perdas de carga laminares ocorrem na camada filtrante e na camada suporte devido

o regime de escoamento laminar nestas. A perda de energia na camada filtrante sofre

influência das propriedades físicas da água – como a viscosidade –, da dimensão de grãos e

vazios, da espessura da camada filtrante e da taxa de filtração.

Através da equação da perda de carga:

ℎ𝑓 =𝑓 × 𝐿

𝐷×𝑣2

2𝑔

Podemos observar que ela é diretamente proporcional ao material constituinte da

tubulação – coeficiente de atrito f -, ao seu comprimento L e ao quadrado da velocidade de

escoamento. E inversamente proporcional ao diâmetro da tubulação.

0H

impH

impt HHH 0






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Em filtros rápidos, há dois tipos de perda: na filtração (a modelagem matemática é

somente aplicada à recém lavados e de escoamento laminar) e durante a lavagem com

escoamento ascendente (velocidade ascensional). Em filtros lentos ocorre somente perdas na

filtração, pois o processo de lavagem requer a disposição da camada filtrante em tanque para

lavagem.

Figura 14 - Perda de carga em filtros de escoamento descendente

Fonte: Libânio, 2005.






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Figura 15 - Perda de carga em filtros de escoamento ascendente


RESUMO DA FILTRAÇÃO RÁPIDA

Características

- elevada capacidade de filtração (tx =120m3/ m2.dia a 360 m3/ m2.dia);

- filtra água previamente coagulada;

- forma: retangular;

- são lavados com água tratada no sentido ascencional;

- pequenas áreas.

Composição

- caixa de concreto;

- sistema de canalização central e lateral;

- camada filtrante;

- camada suporte;






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- fundo falso.

Tipos de filtros rápido

- filtro rápido de gravidade/pressão de camada simples

- filtro rápido de gravidade/pressão de duas camadas

Areia preparada: quartzo ou sílica

- espessura mínima da camada – camada simples: 45 cm

- espessura mínima da camada – camada dupla: 25 cm

- tamanho efetivo -camada simples: 0,45 a 0,55 mm

- tamanho efetivo -camada dupla: 0,40 a 0,45 mm

- coeficiente de uniformidade: menor que 1,6 (geralmente 1,4 a 1,6)

Antracito

- espessura mínima da camada: 45 cm

- tamanho efetivo: 0,80 a 1 mm

- coeficiente de uniformidade: menor que 1,4

Altura de água sobre o leito filtrante

- camada simples: 1,40 a 1,80 m

- camada dupla: 1,80 a 2,40 m

Lavagem dos filtros

- inversão de corrente;

- areia fica em suspensão ou expansão na água

- velocidade;

- suficiente para expandir a areia;

- insuficiente para carreá-la pela canaleta de água de lavagem;

- quando a perda de carga atinge seu máximo ou por transpasse.

7 CAMADA SUPORTE






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O número de subcamadas e diâmetros extremos dos grãos dos seixos que constituem

a camada suporte dependem da granulometria do material filtrante a ser colocado sobre ela e

do diâmetro dos orifícios do fundo falso sobre o qual ela se apoia. Impede-se, desta forma,

que os grãos se percam através desses orifícios, permanecendo sempre sobre a camada

suporte. No caso de fundos falsos patenteados, seus fabricantes apresentam recomendações

para a camada suporte ideal que deverá ser colocada sobre eles. Vigas californianas também

requerem camadas suporte de espessuras maiores que as exigidas por fundos falsos

patenteados. De modo geral, aplicam-se às camadas suporte as seguintes características:

a) espessura mínima igual ou superior a duas vezes a distância entre os bocais do fundo do

filtro, porém não inferior a 25 cm;

b) material distribuído em estratos com granulometria decrescente no sentido ascendente,

espessura de cada estrato igual ou superior a duas vezes e meia a dimensão característica dos

seixos maiores que o constituem, porém não inferior a 5 cm;

c) cada estrato deve ser constituído por seixos de tamanho máximo superior ou igual ao dobro

do tamanho dos menores;

d) os seixos maiores de um estrato devem ser iguais ou inferiores aos menores do estrato

situado imediatamente abaixo;

e) o estrato situado diretamente sobre os bocais deve ser constituído de material cujos seixos

menores tenham o tamanho pelo menos igual ao dobro dos orifícios dos bocais e dimensão

mínima de 1 cm;

f) o estrato em contato direto com a camada filtrante deve ter material de tamanho mínimo

igual ou inferior ao tamanho máximo do material da camada filtrante adjacente.

Em caso de filtro de fluxo ascendente, a espessura mínima da camada suporte deve ser de

0,40 m, sendo que cada estrato deve ter espessura mínima de 7,5cm.






29

8 SISTEMA DE FUNDO FALSO

Embora haja sistemas de fundo falso constituído de material poroso, a grande

maioria é dotada de orifícios, que estabelecem a comunicação entre o leito filtrante e a

camada suporte. Este sistema funciona promovendo a distribuição da água no momento de

lavagem, e no caso de filtros de fluxo ascendente, essa distribuição promove o transporte da

água por toda a superfície do leito filtrante.

Os fundos falsos mais utilizados dividem-se em dois grupos: os patenteados, que

são comprados por fabricantes, com configurações diferenciadas dependendo da necessidade

de uso – caso dos bocais, comercialmente conhecidos como crepinas, e dos blocos perfurados

– e aqueles que podem ser construídos no canteiro de obras – que são os tubos perfurados e

as vigas californianas.

8.1 Bocais

Figura 16 - Bocais utilizados em fundos falsos de filtros







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8.2 Blocos Perfurados: Leopold

Figura 17 - Fundo falso composto por blocos perfurados Leopold


Figura 18 - Corte de filtro contendo blocos perfurados no fundo falso







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8.3 Tubulação Perfurada – Sistema Manifold

Figura 19 - Sistema Manifold em fundo falso de filtros







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8.4 Vigas Pré-Fabricadas – Vigas Californianas

Figura 20 - Estrutura de vigas californianas







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Figura 21 - Emprego de vigas californianas em filtro


Figura 22 - Funcionamento da entrada e descarga de água utilizando vigas californianas







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9 CALHAS DE ÁGUA DE LAVAGEM E DE ÁGUA FILTRADA

As calhas em filtros de fluxo descendente são utilizadas para recolher a água de

lavagem do meio filtrante e conduzi-las ao sistema de esgotamento da ETA. Em filtros de

fluxo ascendente, é utilizada tanto para recolher a água de lavagem quanto para recolher a

água tratada proveniente da filtração.

Dispostas sempre acima do leito filtrante, é preferível que tenham fundo em formato

V, pois o fundo em formato plano possibilidade turbulências indesejáveis na água recolhida

e também propiciam o acúmulo de sujeiras quando escoa sobre ela a água de lavagem.

Figura 23 – Disposição de calhas coletores em filtros







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Figura 24- Diferentes geometrias das calhas coletoras


10 CORTES DE FILTROS

Figura 25 - Corte típico de um filtro

Fonte: Autor (2014)






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Figura 26 - Filtro rápido de escoamento descendente com camada simples

Fonte: Libânio (2005)






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Figura 27 - Corte de filtro lento de escoamento ascendente

Fonte: Valencia (1992)

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