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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 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 → nível d’água para lavagem 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 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↑ 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. d e d - diâmetro da peneira que passa 10% e 60% do peso dos grãosd10 e d60 - diâmetro da peneira que passa 10% e 60% do peso dos grãos = 1 ,2 0 A b e r tu r a d a m a lh a (m m ) 5 0 , 8 0 3 8 , 1 0 2 5 , 4 1 9 , 1 0 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 7 5 % q u e p a s s a d a a m o s t r a t o t a l 1 0 0% 9 0% 8 0% 7 0% 6 0% D 6 0 Cd = 1,4 - 1,6 (areia) e 1,4 (antracito) = 0 ,6 9 1 ,7 4=_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ = 0 ,6 9 = 1 ,2 0D =U C = % q u e p a s s a d a a m o s t r a t o t a l D iâm e tro d o s g r ã o s (m m ) 1 0 1 0 010 ,1 5 0% 4 0% 3 0% 2 0% 1 0% 0% 6 0 D 1 0 1 0D 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 Pressão AscendenteFILTRAÇÃO Rápida Pressão 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 (uT) (uH) 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 500Filtração direta descendente 25 25 2.500 500 Filtração direta descendente com floculação 50 50 5.000 1.000 Dupla filtração 150 75 5000 5.00 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.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 0,1020 4,75 – 16 20 16 - 25 Controle de Picos 20 1,4 – 2,8 48 a 120 0,10 a 0,1510 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 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 18,71ª 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 grossaPré-filtraçãoPré-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. � 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 Lentos de Escoamento Ascendente � Pouco utilizados. � Operam à taxas de 2,7 a 3,6 m³/m².dia.� Operam à taxas de 2,7 a 3,6 m³/m².dia. � A água passa inicialmente pela camada suporte para então seguir para o leito filtrante. � Acredita-se que a comunidade microbiana se desenvolve em grande parte do leito filtrante. � Lavagem realizada por descarga de fundo com maiores carreiras de filtração. A parcela de sólidos não removida durante a lavagem assegura arecomposição da comunidade microbiana. 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.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);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 EM ETA’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.� 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 Fluxo da água Filtro ascendente Dupla Filtração Filtros ascendentes TIPOS DE FILTROS EMPREGADOS EM ETA’s Filtros descendentes ACESSÓRIOS DOS FILTROS SISTEMAS DE DRENAGEM OU FUNDOS FALSOS Acomodam a camada suporte e o meio filtrante. Fluxo DescendenteFluxo 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.� 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.�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 CalifornianasVigas 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 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 7,5Primeira 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. ACESSÓRIOS DOS FILTROS � 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) CARREIRAS DE FILTRAÇÃO � ↑Perda de carga; ↑NA no filtro; ↓Porosidade do meio; ↑Velocidade intersticial Possibilidade de traspasse → lavagem do filtro. OPERAÇÃO DOS FILTROS Possibilidade de traspasse → lavagem do filtro. � Carreira de filtração < 96 h → compactação do meio filtrante, dificultando lavagem posterior. 0H∆∆∆∆ impH∆∆∆∆ P e r d a d e c a r g a impt HHH ∆∆∆∆++++∆∆∆∆====∆∆∆∆ 0 Tempo Tempo T u r b i d e z e f l u e n t e Etapa inicial Etapa intermediária Traspasse 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. OPERAÇÃO DOS FILTROS � 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%. 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. CONTROLE DOS FILTROS � 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 CONSTANTETAXA 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. 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. CONTROLE DOS FILTROS 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. 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% � 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) DETALHES DE FILTROS Filtros descendentes Lavagem superficial DETALHES DE FILTROS Lavagem dos filtros Controle da expansão Haste de madeira com peneiras ÁGUA DE LAVAGEM Qualidade da água de lavagem D u r a ç ã o i d e a l d a l a v a g e m d o f i l t r o D u r a ç ã o i d e a l d a l a v a g e m d o f i l t r o Especificação dos Filtros DIMENSIONAMENTO FILTRO RÁPIDO 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 0,40 – 0,45 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 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 DIMENSIONAMENTO FILTRO RÁPIDO 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/sVmax = 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 Diâmetro da Tubulação de Água de Lavagem DIMENSIONAMENTO FILTRO RÁPIDO 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 40030,0 400 45,0 500 65,0 600 80,0 700 Dimensões Verticais do Filtro Rápido Descendente ALTURA DIMENSÃO (m) Mínima Máxima Usual DIMENSIONAMENTO FILTRO RÁPIDO ALTURA 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(H4) 2 Camadas 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 Práticas indesejadas na filtração rápida FILTROS RÁPIDOS FILTROS RÁPIDOS FILTROS RÁPIDOS
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