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

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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

COM RELAÇÃO AO MEIO FILTRANTE:

Camada Simples Camada Dupla Camada Múltipla

Este material de apoio é destinado exclusivamente aos alunos da disciplina, não devendo ser

distribuído e publicado.


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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.


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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


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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/m

2d)

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.

M

A

B

C

DE F

G

HS c hm utz dec k e

Leito F iltran te

Á gua S obrenadanteV entilaç ão

A . E x trav as or

B . V álv ula de c ontrole do a fluente

C. V álv ula de drenagem da água s obrenadante

D. V álv ula de drenagem da água inters tic ialE . V álv ula pa ra preenc him en to do filtro c om água tratada

F. V álv ula para res erv aç ão de água de lav agem

G . V álv ula de Á gua t ratada

H. V ertedor para "inundaç ão" do le ito

M . M edidor de v az ão

S is tem a de Drenagem


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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

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/m

2.d

Tamanho efetivo: 0,25 a 0,35mm


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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.

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.

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);

- geralmente 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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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 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 de acordo com profundidade entre 120 a 360 m³/m².d. Pela NBR

12216 – taxa -180 m3/m².dia


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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 ou pelo uso total da perda de carga disponível.

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 injetando-

se 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

m3/m

2dia. As experiências piloto de Di Bernardo, no entanto, vêm mostrando que essa taxa

pode chegar a 300 m3/m

2.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.

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

RESUMO FILTRAÇÃO RÁPIDA

Filtração Rápida

Características:

- elevada capacidade de filtração (tx =120m3/ m

2.dia a 360 m

3/ m

2.dia);

- filtra água previamente coagulada;

- forma: retangular;

- são lavados com água tratada no sentido ascencional;

- pequenas áreas.


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Composição:

- caixa de concreto;

- sistema de canalização central e lateral;

- camada filtrante

- camada suporte

- fundo falso.

Tipos de filtros rápido:

- filtro rápido de gravidade de camada simples

- filtro rápido de gravidade 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 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

Mínimo: 0,60 m/min = 864 m3/m

2.dia

Ideal: 0,70 = 1,440 m3/m

2.dia

Máxima: 1,00 m/min = 1,440 m3/m

2.dia

Fórmula matemática → v =30 Te3/2

(1+0,06x) 9T+310

400

v = velocidade ascencional (pol./min)

T = temperatura

Te = diâmetro efetivo

x = expansão do 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 (2003); Andrade (2011?)

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