CAP 6 - FILTRAÇAO ALUNOS

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ INSTITUTO DE TECNOLOGIA FACULDADE DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL TRATAMENTO DE ÁGUAS DE ABASTECIMENTO Prof. Luiza Girard

Este material de apoio é destinado exclusivamente aos alunos da disciplina, não devendo ser distribuído e publicado.

FILTRAÇÃO A filtração consiste na remoção de partículas suspensas e coloidais e de microorganismos presentes na água que escoa por um meio poroso (remoção Sólido – Líquido). Em geral, a filtração é o processo final de remoção de impurezas realizado em uma ETA.

COM RELAÇÃO AO TIPO DE FILTRAÇÃO: 1. Filtros lentos 2. Filtração rápida COM RELAÇÃO AO SENTIDO DE ESCOAMENTO: 1. Filtração descendente 2. Filtração ascendente 

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COM RELAÇÃO AO MEIO M EIO FILTRANTE:

Camada Simples

Camada Dupla

Camada Múltipla

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1-MECANISMO DA FILTRAÇÃO Os mecanismos da filtração podem ser classificados em: Ação de coar Mecanismo de transporte Mecanismo de aderência   

VISÃO DO PROCESSO DE FILTRAÇÃO

a)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. b)Mecanismo de transporte: b.1)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 distancia 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. b.2)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. b.3)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. 2


Caso a partículas que esteja em uma linha de corrente tenha inércia suficiente tendera a manter-se na sua trajetória inicial ate a superfície do coletor. Quanto maior o diâmetro, massa especifica e velocidade de aproximação, maior o impacto. b.4)Sedimentação: uma partícula sendo transportada ao longo de uma linha de corrente, pode devido a ação da gravidade se chocar com o coletor. b.5)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.

c)Mecanismo de aderência c.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 3


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. c.2)Adsorção mutua: envolve a formação de cadeias e pontes entre polímeros que estejam adsorvidos na superfície da partícula e na superfície do coletor. c.3)Reações de hidratação: a presença da molécula de água adsorvida na superfície do coletor e da partícula promove a aderência dos mesmos.

2-FILTRAÇÃO LENTA (taxa NBR12216 - 6m3 /m2d) A filtração lenta é considerada resultante da ação de coar, de mecanismos de transporte, de aderência e de atividade biológica. A taxa de filtração chega a ser 200 vezes menor do que a aplicada em filtros rápidos, conseqüentemente 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 fisico-química, os filtros lentos são capazes de propiciar águas tratadas com expressivas reduções no índice de coliformes, entre outras melhorias. 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. No início da camada de areia tem sido aceita a existência de 3 zonas distintas.

A M B

Á gu a S ob re na da nt e Schmutzdecke

C

H

Ventilação

Leito Filtrante

Sistema de Drenagem Drenagem A . E x tra v as or B. V álvula de controle do afluente afluente E D C. Válvula de drenagem da água sobrenadante D. V álvula de drenagem da água intersticial intersticial G. Válvula de Á gua tratada tratada E. V álvula para preenchimento preenchimento do filtro filtro com água tratada tratada H. Vertedor para "inundação" do leito F. V álvula para para reservação de água de lavagem M. Medidor de vazão

G F

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a) Superfície de coesão: resulta da retenção de partículas em suspensão, coloidais, organismos em geral, algas, etc. Os microorganismos são adsorvidos na superfície dos grãos e utilizam a matéria orgânica como fonte de alimento. b) 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. c) Zona heterótrofa: se estende até cerca de 40 cm, os microorganismos e multiplicam em grande escala, nesta etapa ocorre a mineralização. Os filtros lentos de areia são basicamente um sistema em desuso, pois 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 área elevada e o processo de limpeza. No caso dos 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). As vantagens são a excelente qualidade do efluente final (com expressiva redução de coliformes).

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RESUMO FILTRAÇÃO LENTA  

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Meio poroso: areia sustentada por camadas de seixos Fenômenos que ocorrem durante a filtração: - 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 6


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Coeficiente de uniformidade: 2 e 3 Operação: - o carregamento do filtro é ascendente; - após carrega o filtro, abre-se o influente e descarga; - no inicio da operação a água é de má qualidade; - a água é desprezada ate que se obtenha a qualidade desejada.

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Amadurecimento do filtro - o filtro funciona inicialmente somente p/descarga; - 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.

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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).

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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); - geralmente utiliza-se mais de uma unidade de filtração.

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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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3-FILTRAÇÃO RÁPIDA DESCENDENTE Os filtros rápidos descendentes consistem em um leito de material granular (areia) dispostos sob uma camada suporte que é apoiada sob um fundo falso, de acordo com a figura a seguir.

O leito filtrante é disposto em série onde ocorrera a filtração propriamente dita da água em tratamento. Pode ser de camada única ou dupla (areia e antracito). Sendo o antracito (carvão mineral) mais leve ele deve ser disposto sob a areia; pois quando ocorre lavagem em contra-corrente (ascendente), o antracito antracito permanecera 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 filtração de acordo com profundidade entre 120 a 360 m³/m².d. Pela NBR 12216 – taxa -180 m3 /m².dia 8


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: limite te ou o u pelo uso total da perda de carga disponível. Transpasse na turbidez limi 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.

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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. Lavagem dos filtros É realizada em contra corrente 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 %. 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. A lavagem pode ainda ser realizada com ar e água independentemente ou simultaneamente. Neste caso o ar revolve 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: 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.

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4-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 injetandose água no mesmo sentido, com velocidade suficiente para expandir o leito de areia, sendo recolhida nas mesmas calhas coletoras da superfície.

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

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A taxa máxima nos filtros ascendentes de acordo com NBR 12216 é de 120 m /m dia. As experiências piloto de Di Bernardo, no entanto, vêm mostrando que essa taxa pode chegar a 300 m3 /m2.dia. 3

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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.

Filtro de fluxo ascendente: ascendente: calha coletora coletora comum para água filtrada e água de lavagem

RESUMO FILTRAÇÃO RÁPIDA 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. 12


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Composição: - caixa de concreto; - sistema de canalização central e lateral; - camada filtrante - camada suporte - fundo falso.

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Tipos de filtros rápido: - filtro rápido de gravidade de camada simples - filtro rápido de gravidade de duas camadas

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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)

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Antracito - espessura mínima da camada : 45 cm - tamanho efetivo: 0,80 a 1 mm - coeficiente de uniformidade: menor que 1,4

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Altura de água sobre o leito filtrante - camada simples: 1,40 a 1,80 m - camada dupla: 1,80 a 2,40 m

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Lavagem dos filtros: - inversão de corrente; - areia fica em suspensão ou expansão na água - velocidade; - suficiente para expandir a areia; - insuficiente para carrea-la pela canaleta de água de lavagem; - quando a perda de carga atinge seu máximo ou por transpasse.

Camada Suporte: O número de sub-camadas 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 apóia. Impede-se, desta forma, que os grãos se percam através desses orifícios, permanecendo sempre sobre a camada 

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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.

- Sistema de Fundo Falso: 1) Bocais

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2) Blocos Perfurados: (Leopold)

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3) Tubulação Perfurada – Sistema Manifold

4) Vigas Pré-Fabricadas – Vigas Californianas

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Velocidade ascencional (ABNT) É aproximadamente 7 a 8 vezes a velocidade da água a ser filtrada

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Mínimo: 0,60 m/min = 864 m3 /m2.dia Ideal: 0,70 = 1,440 m3 /m2.dia Máxima: 1,00 m/min = 1,440 m3 /m2.dia Fórmula matemática → v =30 Te3/2 (1+0,06x) 9T+310 400 v = velocidade ascencional (pol./min) (po l./min) T = temperatura Te = diâmetro efetivo x = expansão do leito leito

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Calhas de água de lavagem - As calhas de água de lavagem devem ter espaçamento máximo entre bordos de 2,10 m e entre borda-parede de 1,05 m)

CORTE TÍPICO DE UM FILTRO

Figuras: Marcos Rocha Vianna (2002); Ferreira Filho Filho (2003); Andrade (2011?) 19

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