FILTRAÇAO
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FACULDADE DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL
TRATAMENTO DE ÁGUAS DE ABASTECIMENTO
Prof.ª Luiza Girard / Monitora Brenda Piteira
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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
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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.
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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
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- 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
Fonte: Marcos Rocha Vianna (2002)
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
Fonte: Marcos Rocha Vianna (2002)
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
Fonte: Marcos Rocha Vianna (2002).
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.
Fonte: Marcos Rocha Vianna (2002).
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.
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Figura 13 - Esquema ilustrativo de perda de carga no funcionamento de filtros
Fonte: Marcos Rocha Vianna (2002).
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
Fonte: Libânio, 2005.
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.
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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
Fonte: Marcos Rocha Vianna (2002)
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8.2 Blocos Perfurados: Leopold
Figura 17 - Fundo falso composto por blocos perfurados Leopold
Fonte: Marcos Rocha Vianna (2002)
Figura 18 - Corte de filtro contendo blocos perfurados no fundo falso
Fonte: Marcos Rocha Vianna (2002)
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8.3 Tubulação Perfurada – Sistema Manifold
Figura 19 - Sistema Manifold em fundo falso de filtros
Fonte: Marcos Rocha Vianna (2002)
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8.4 Vigas Pré-Fabricadas – Vigas Californianas
Figura 20 - Estrutura de vigas californianas
Fonte: Marcos Rocha Vianna (2002)
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Figura 21 - Emprego de vigas californianas em filtro
Fonte: Marcos Rocha Vianna (2002)
Figura 22 - Funcionamento da entrada e descarga de água utilizando vigas californianas
Fonte: Marcos Rocha Vianna (2002)
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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
Fonte: Marcos Rocha Vianna (2002).
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Figura 24- Diferentes geometrias das calhas coletoras
Fonte: Libânio, 2005.
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)