Aula 14 - Filtração

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FILTRAÇÃO 
ASPECTOS TEÓRICOS 
MECANISMOS DA FILTRAÇÃO 
TRANSPORTE: físicos e hidráulicos. São influenciados pela temperatura da 
água, pelo padrão de escoamento, pelas características do meio filtrante e 
pela taxa de filtração. 
1. Coagem: retenção de partículas e responsável pela perda de carga no 
meio filtrante. Muito importante em estações de filtração direta → ↑ risco 
de erosão de flocos, mas também favorece para remoção de partículas 
menores. Em ETAs convencionais, ↓ relevância deste mecanismo → 
flocos maiores serão retidos no decantador, dificultando também a 
retenção de colóides (bactérias, protozoários, etc.) 
2. Sedimentação: escoamento laminar no interior do meio filtrante → 
interstícios como pequenas unidades de sedimentação. 
FILTRAÇÃO 
ASPECTOS TEÓRICOS 
MECANISMOS DA FILTRAÇÃO 
ADERÊNCIA: processos químicos e biológicos. 
1. Van der Waals: redução da distância entre partículas e grãos → favorece 
forças de atração. 
2. Forças Eletrostáticas: meio filtrante é negativamente carregado → 
atração de partículas com menor risco de traspasse da partícula durante a 
carreira do filtro. 
3. Pontes Químicas: uso de auxiliares de filtração → cadeias poliméricas 
aderidas às partículas passíveis de serem adsorvidas por outras partículas 
ou pelo meio filtrante. 
FILTRAÇÃO 
ASPECTOS TEÓRICOS 
MEIO FILTRANTE 
Apoiado sobre camada-suporte, tem relação direta com a taxa de filtração. 
Tipo de filtro (rápido ou lento) → taxa de filtração → tipo de meio → perda 
de carga no filtro 
Características do Meio Filtrante 
1. Espessura da camada filtrante: meios com maior penetração (flocos 
fracos) → ↑ corrida do filtro → ↓ E% (SS efluente = f(SS afluente)). Quando 
os flocos são fortes → ↓ penetração do floco, não sendo importante a 
espessura do filtro → ↓ corrida do filtro e ↑ E% (independente do afluente) 
FILTRAÇÃO 
ASPECTOS TEÓRICOS 
MEIO FILTRANTE 
2. Esfericidade: relação entre a área superficial de uma esfera e a de um 
grão de mesmo volume → determinação de hf no meio filtrante e da 
velocidade ascensional. 
3. Porosidade: relaciona-se com a capacidade de armazenamento de 
partículas e conseqüentemente na carreira do filtro. É determinado pela 
relação entre volume de vazios e de grãos. 
↑ esfericidade → ↓vazios intergranulares e ↓porosidade 
4. Densidade: deve ser considerada na disposição do filtro e sua 
manutenção após lavagem ascensional. 
5. Dureza: resistência dos grãos à fragmentação → vida útil do meio. 
 
FILTRAÇÃO 
ASPECTOS TEÓRICOS 
6. Tamanho e distribuição dos grãos: tamanho efetivo (Tef = d10) e 
coeficiente de desuniformidade (Cd = d60/d10). Determinação por ensaio 
granulométrico. 
d10 e d60 - diâmetro da peneira que passa 10% e 60% do peso dos grãos 
 
=0,69
1,74=_____________
=0,69
=1,20D
=UC=
=1,20
Abertura da malha (mm)
50
,80
38
,10
25
,4
19
,10
9,5
2
4,7
6
2,0
0
1,2
0
0,6
0
0,4
2
0,3
0
0,1
5
0,0
75
% 
qu
e p
ass
a d
a a
mo
str
a t
ota
l
Diâmetro dos grãos (mm)
10 10010,1
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
D
60
D10
60
10D
Cd = 1,4 - 1,6 (areia) e 1,4 (antracito) 
FILTRAÇÃO 
ASPECTOS TEÓRICOS 
CARACTERÍSTICA AREIA ANTRACITO CARVÃO ATIVADO 
Densidade 2,65 1,45 a 1,73 1,3 a 1,5 
Porosidade (%) 42 a 47 56 a 60 50 
Esfericidade (ψ) 0,7 a 0,8 0,46 a 0,60 0,75 
ANTRACITO 
 ↑ Porosidade → ↑ Penetração → ↑ Carreira do filtro. 
 Produz efluente de pior qualidade → aplicado associado à Areia. 
 Permite elevação da taxa de filtração. 
 Areia + Antracito = redução de 50% da perda de carga no filtro. 
 
TIPOS DE FILTROS 
EMPREGADOS EM ETA’s 
TIPO DE FILTRO 
Tipo de filtro → volume a ser tratado e qualidade da água bruta 
FILTRAÇÃO 
 Pré Filtração 
 Lenta 
Ascendente 
Descendente 
 Rápida 
Pressão 
Ascendente 
Descendente 
Gravidade 
Ascendente 
Descendente 
TIPOS DE FILTROS 
EMPREGADOS EM ETA’s 
TIPO DE TRATAMENTO 
Valores Máximos para Água Bruta 
Turbidez 
(uT) 
Cor Verd. 
(uH) 
Coliformes/100mL 
NMP 
Totais Termot. 
Filtração lenta 10 5 2000 500 
Pré-filtro+filtro lento 50 5 10.000 3.000 
FIME (filtração em múltiplas 
etapas) 
100 10 20.000 5.000 
Filtração direta ascendente 100 100 5.000 1.000 
Filtração direta descendente 25 25 2.500 500 
Filtração direta descendente 
com floculação 
50 50 5.000 1.000 
Dupla filtração 150 75 5000 5.000 
Tratamento convencional 250 - 20.000 5.000 
NMP= Número máximo provável 
TIPOS DE FILTROS 
EMPREGADOS EM ETA’s 
Pré Filtros 
Minimizar o aporte de SS nas unidades de filtração lenta, além de reduzir os 
picos de SS, algas, cor e coliformes afluentes na ETA. 
Filtros Dinâmicos: filtração vertical com escoamento horizontal. Apenas 10% 
da vazão de escoamento é efetivamente filtrada. Limpeza feita com aumento 
da velocidade superficial → arraste do material depositado. 
Função 
Espessura 
(cm) 
Φ pedregulho 
(mm) 
Taxa de Filtração 
(m³/m².dia) 
Velocidade 
Superficial (m/s) 
Melhoria da AB 
20 3,35 – 4,75 
12 a 48 0,05 a 0,10 20 4,75 – 16 
20 16 - 25 
Controle de 
Picos 
20 1,4 – 2,8 
48 a 120 0,10 a 0,15 10 2,8 – 4,75 
10 4,75 – 12,5 
TIPOS DE FILTROS 
EMPREGADOS EM ETA’s 
Pré Filtros 
Qualidade da água dos mananciais 
TIPOS DE FILTROS 
EMPREGADOS EM ETA’s 
Pré Filtros 
Filtros de Escoamento Horizontal: Separação entre camadas por paredes 
perfuradas → perda de carga nos orifícios → primeira camada com 4 – 8 cm 
superior à última. Limpeza por descarga de fundo. 
Taxas de filtração = 14 a 48 m/dia 
Camada Φ pedregulho (mm) 
1ª Camada 25 a 18,7 
2ª Camada 18,7 a 9,5 
3ª Camada 9,5 a 4,7 
TIPOS DE FILTROS 
EMPREGADOS EM ETA’s 
Pré Filtros 
Pré-filtração 
em pedregulho 
e areia grossa 
Pré-filtração 
dinâmica 
Filtro lento 
TIPOS DE FILTROS 
EMPREGADOS EM ETA’s 
Filtros Lentos de Escoamento Descendente 
 Indicados para AB de boa qualidade (< 10 NTU). 
 Operam à taxas de 2 a 6 m³/m².dia, requerendo assim grandes áreas. 
Indicados para pequenas comunidades. 
 Elevado tempo de detenção no filtro → formação de película biológica na 
superfície) → depuração mais acentuada produzindo água de melhor 
qualidade com expressiva redução de patogênicos. 
 Limpeza: raspagem periódica (1 a 2 cm), com carreiras de 45 a 180 dias. 
 Eficiência do processo após lavagem requer maturação do meio filtrante. 
TIPOS DE FILTROS 
EMPREGADOS EM ETA’s 
TIPOS DE FILTROS 
EMPREGADOS EM ETA’s 
 
Filtros lentos 
Camada de lodo sobre a areia no 
filtro lento 
TIPOS DE FILTROS 
EMPREGADOS EM ETA’s 
Desempenho da filtração lenta na remoção de patogênicos 
TIPOS DE FILTROS 
EMPREGADOS EM ETA’s 
Práticas indesejadas na filtração lenta 
TIPOS DE FILTROS 
EMPREGADOS EM ETA’s 
Práticas indesejadas na filtração lenta 
TIPOS DE FILTROS 
EMPREGADOS EM ETA’s 
Práticas indesejadas na filtração lenta 
TIPOS DE FILTROS 
EMPREGADOS EM ETA’s 
Filtros Rápidos de Pressão 
 Utilizados em instalações industriais ou compactas. São de rápida 
instalação, requerem pouco espaço e podem ser desmontadas. 
 Operam à taxas de até 900 m³/m².dia, sendo então indicadas para águas de 
baixas cor e turbidez. 
 Lavagem é feita de maneira ascensional, iniciada quando a perda de carga 
alcança 3,5 m sem que haja traspasse. 
 Dificuldade em se fazer controle visual do processo e do leito filtrante. 
TIPOS DE FILTROS 
EMPREGADOS EM ETA’s 
Filtros Rápidos de Gravidade Descendente 
 Largamente utilizados devido às elevadas taxas de filtração assimiladas. 
 Concepção deve vislumbrar futura ampliação. 
 Recomenda-se instalação de, no mínimo, 4 filtros com área máxima de 
100 m² cada. 
 NBR 12.216: 
Taxa = 180 m³/m².dia (camada simples) e 360 m³/m².dia (camada dupla); 
Espessura = 45 cm (areia – simples) e 25 + 45 cm (areia + antracito); 
Cd = 1,4 - 1,6 (areia) e 1,4 (antracito); 
Tef = 0,45 - 0,55 mm (areia) e 0,40 - 0,45 + 0,8 - 1,0 mm (areia + antracito). 
TIPOS DE FILTROS 
EMPREGADOS EMETA’s 
Filtros Rápidos de Gravidade Descendente 
TIPOS DE FILTROS 
EMPREGADOS EM ETA’s 
Filtros Rápidos de Gravidade Ascendente 
 Constituídos apenas de areia. 
 Operam à taxas de 120 a 180 m³/m².dia. 
 Calhas coletoras coletam água de lavagem e água filtrada. 
 Requer maior consumo de água para lavagem. 
 Leito filtrante atua em toda sua extensão na retenção de partículas → perda 
de carga gradual → carreiras de filtração mais longas (72 – 96 h). 
 Lavagem ascensional precedida de descarga de fundo. Faz-se também 
descargas de fundo intermediárias durante a carreira do filtro. 
TIPOS DE FILTROS 
EMPREGADOS EM ETA’s 
Filtros Rápidos de Gravidade Ascendente 
Filtro ascendente 
Fluxo da água 
Dupla Filtração 
Filtros 
descendentes 
Filtros 
ascendentes 
TIPOS DE FILTROS 
EMPREGADOS EM ETA’s 
ACESSÓRIOS DOS FILTROS 
SISTEMAS DE DRENAGEM OU FUNDOS FALSOS 
Acomodam a camada suporte e o meio filtrante. 
Fluxo Descendente 
 Coletam água filtrada e distribuem uniformemente água de lavagem no leito. 
Fluxo Ascendente 
 Distribuem uniformemente a água a ser filtrada e a água de lavagem no leito 
filtrante. 
 Podem acumular sólidos → pré tratamento eficiente e prever estrutura 
inspecionável. 
ACESSÓRIOS DOS FILTROS 
SISTEMAS DE DRENAGEM OU FUNDOS FALSOS 
Blocos Cerâmicos ou Plásticos (Leopold) 
 Perda de Carga: gráficos fornecidos pelo fabricante. 
ACESSÓRIOS DOS FILTROS 
SISTEMAS DE DRENAGEM OU FUNDOS FALSOS 
Tubos Perfurados 
 Malha de tubos de PVC perfurados com orifícios voltados para baixo. 
 Φ = 6,5 a 15,8 mm; Espaçamento = 7,5 a 25 cm; Área = 0,2 a 0,33% da 
superfície do filtro. 
 Tubulações espaçadas de 20 a 30 cm. 
 Requer camada suporte mais espessa. 
Vigas Californianas 
 Vigas triangulares com orifícios de 12,7 a 25,4 mm espaçados em até 30 cm. 
Bocais 
 Assentados sobre a laje de fundo o filtro. Alguns podem dispensar a camada 
suporte. 
ACESSÓRIOS DOS FILTROS 
CAMADA SUPORTE 
Evita o arraste do meio filtrante pelos dispositivos de coleta de água tratada/de 
lavagem, além de auxiliar na distribuição da água de lavagem e retenção de 
partículas (filtros ascendentes). 
Especificações da Camada Suporte de Pedregulho (Bocais)* 
SUBCAMADA 
TAMANHOS DOS PEDREGULHOS 
ESPESSURA 
(cm) 
Mínimo Máximo 
(mm) (pol) (mm) (pol) 
Primeira 2,4 3/32 4,8 3/16 7,5 
Segunda 4,8 3/16 12,5 1/2 7,5 
Terceira 12,5 1/2 19,0 3/4 10,0 
Quarta 19,0 3/4 38,0 1 1/2 10,0 
Quinta 38,0 1 1/2 63,0 2 1/2 15,0 
TOTAL 50,0 
* Demais sistemas de drenagem: página 333. 
CALHA COLETORA 
 Deve ser instalada acima da cota de expansão do meio suporte. 
 Espaçamento entre bordas: > 1,0 m; < 6.NA → não superando 3,0 m. 
 Descarga livre: Q = C.1,38.b.(h)3/2 
Q de lavagem (m³/s) 
 C = n° calhas / filtro 
 b = base da calha (m) 
 h = NA na calha (m) 
 
 
ACESSÓRIOS DOS FILTROS 
CARREIRAS DE FILTRAÇÃO 
 ↑Perda de carga; ↑NA no filtro; ↓Porosidade do meio; ↑Velocidade intersticial 
Possibilidade de traspasse → lavagem do filtro. 
 Carreira de filtração < 96 h → compactação do meio filtrante, dificultando 
lavagem posterior. 
OPERAÇÃO DOS FILTROS 
0H
impH
Tempo 
P
e
rd
a
 d
e
 c
a
rg
a
 
Tempo 
T
u
rb
id
e
z 
e
fl
u
e
n
te
 
Etapa inicial 
Etapa intermediária 
Traspasse 
impt HHH  0
EUA: descarte da água 
produzida após lavagem 
OPERAÇÃO DOS FILTROS 
Filtros Rápidos de Gravidade Descendente 
LAVAGEM DO MEIO FILTRANTE 
 Carreira = f(eficiência das etapas anteriores + taxa de filtração). 
 Filtros Rápidos: fluxo de lavagem ascendente com fluidificação do meio. 
 Água de Lavagem: Reservatórios elevados, bombeamento do tanque de 
contato, filtros autolaváveis. 
 Reservatórios: Volume = lavagem de 2 filtros, com enchimento em 60 min. 
 Descendente: Vascensional > 60 cm/min; T = 10 min; Expansão = 20 – 50%. 
 Ascendente: Vascensional > 80 cm/min; T = 15 min; Expansão = 20 – 50%. 
 
OPERAÇÃO DOS FILTROS 
Controle → taxa de filtração e perda de carga (vazões afluente e efluente) 
TAXA DE FILTRAÇÃO CONSTANTE E PERDA DE CARGA VARIÁVEL 
 O volume de água afluente se mantém constante → ↑Hf. 
 Lavagem do filtro ocorre quando o nível sobre o filtro se eleva ao máximo, 
precedendo ao instante de traspasse. 
 Operação simples, muito utilizado em ETA’s de menor porte. 
 
TAXA DE FILTRAÇÃO E PERDA DE CARGA CONSTANTE 
 Instalação de válvula e controlador de vazão na saída da água filtrada, 
conectada ao controlador de nível no interior do filtro. 
 ↑ Nível no interior do filtro → válvula se abre → ↓Hf. 
 Lavagem do filtro ocorre quando a vávula se abre completamente. 
CONTROLE DOS FILTROS 
TAXA DE FILTRAÇÃO VARIÁVEL E PERDA DE CARGA CONSTANTE 
 Nível de água afluente se mantém constante no interior do filtro com auxílio 
de válvula de bóia. 
 Redução gradativa da vazão afluente → Hf constante. 
 Requer significativo volume de reservação a montante dos filtros para o 
excedente de vazão. 
CONTROLE DOS FILTROS 
TIPOS DE FILTROS 
EMPREGADOS EM ETA’s 
TAXA DE FILTRAÇÃO E PERDA DE CARGA VARIÁVEIS (Taxa Declinante) 
 Não requer controlador de Q → princípio dos vasos comunicantes. 
 Entrada submersa do afluente → garante redução progressiva da taxa com a 
medida que se aumenta da perda de carga. 
 Filtros em paralelo mais limpos → recebem maior vazão. 
 Lavagem do filtro ocorre quando NA atinge o máximo de operação. 
 Produção de água por carreira de filtração: taxa declinante produz 13 – 65% 
mais água do que sistemas de taxa constante. 
TIPOS DE FILTROS 
EMPREGADOS EM ETA’s 
TAXA DE FILTRAÇÃO E PERDA DE CARGA VARIÁVEIS (Taxa Declinante) 
Lavagem superficial 
Filtros descendentes 
DETALHES DE FILTROS 
Lavagem dos filtros 
Haste de madeira 
 com peneiras 
Controle da expansão 
DETALHES DE FILTROS 
ÁGUA DE LAVAGEM 
Qualidade da água de lavagem 
D
u
ra
ç
ã
o
 i
d
e
a
l 
d
a
 
la
v
a
g
e
m
 d
o
 f
il
tr
o
 
Especificação dos Filtros 
FILTRO 
Meio 
Filtrante 
Espessura 
Mín. (m) 
Φefetivo (mm) 
Cuniformidade 
Tx. Filtração 
(m³/m².d) 
LENTO Areia 0,90 
0,25 – 0,35 
≤ 6,0 
< 3,0 
RÁPIDO 
SIMPLES 
Areia 0,45 
0,45 – 0,55 
≤ 180,0 
1,4 – 1,6 
RÁPIDO 
DUPLO 
Areia 0,25 
0,40 – 0,45 
≤ 360,0 
1,4 – 1,6 
Antracito 0,45 
0,80 – 1,00 
≤ 1,4 
DIMENSIONAMENTO 
FILTRO RÁPIDO 
Dimensionamento da Entrada e Saída do Filtro 
Tubulação Diâmetro (mm) Parâmetros 
Entrada de Água Decantada Ø > 1.460 (Q/N)0,5 
Q – vazão da ETA (m³/s) 
Vmax = 0,60 m/s 
Saída de Água Filtrada Ø > 1.030 (Q/N)0,5 
Q – vazão da ETA (m³/s) 
Vmax = 1,20 m/s 
Entrada de Água para 
Lavagem 
Ø > 72,5 (S)0,5 
S – área de 1 câmara (m²) 
Q – vazão de lavagem (m³/s) 
Vmax = 3,60 m/s 
Saída de Água para Lavagem Ø > 102,6 (S)0,5 
S – área de 1 câmara (m²) 
Q – vazão de lavagem (m³/s) 
Vmax = 3,60 m/s 
Dreno de Fundo Ø > 17,67 (S)0,5 
N = número de câmaras 
DIMENSIONAMENTO 
FILTRO RÁPIDO 
Diâmetro da Tubulação de Água de Lavagem 
Área da Câmara do Filtro (m²) Ø Tubulação (mm) 
2,5 125 
7,5 200 
10,0 250 
15,0 300 
20,0 350 
30,0 400 
45,0 500 
65,0 600 
80,0 700 
DIMENSIONAMENTO 
FILTRO RÁPIDO 
Dimensões Verticais do Filtro Rápido Descendente 
ALTURA 
DIMENSÃO (m) 
Mínima Máxima Usual 
Fundo Falso (H1) 
Ø* + 0,25 - - 
0,50 - - 
Laje do Fundo Falso (H2) Cálculo Estrutural 
Camada Suporte (H3) 0,30 0,55 0,50 
Leito Filtrante 
(H4) 
1 Camada Areia 0,60 0,80 0,70 
2 Camadas 
Areia 0,15 0,35 0,25 
Antracito 0,45 1,00 0,70 
Lâmina Máxima sobre o 
Leito (H5) 
1 Camada 1,40 1,80 1,60 
2 Camadas 1,80 2,40 2,20 
Borda Livre (H6) 0,25 0,40 0,30 
* Diâmetro da tubulação de água para lavagem do filtro 
DIMENSIONAMENTO 
FILTRO RÁPIDO 
Práticas indesejadas na filtração rápida 
FILTROS RÁPIDOS 
FILTROS RÁPIDOS 
FILTROS RÁPIDOS