Filtração Rápida Descendente - Conceitos e Mecanismos

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Aula 07: Filtração
Baseado em: Luiz Di Bernardo, 2005; Marcelo Libânio, 2008. 
Prof. Mauricio Barreto, Dr. 
FiltraFiltraççãoão
Professor
Francisco Mauricio de Sá Barreto, Dr.
barreto@ifce.edu.br 
Curso: Saneamento Ambiental
Disciplina: Saneamento ISaneamento I
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Filtração Rápida Descendente - FRD
I. Introdução
� Filtração:
� Remoção de partículas suspensas e coloidais e de microrganismos 
presentes na água que escoa através de um meio poroso. 
� Processo final de remoção de impurezas em uma ETA e, portanto, 
principal responsável pela produção de uma água com qualidade 
condizente com os padrões de potabilidade. 
� Após período de funcionamento, há necessidade de limpeza dos 
filtros, geralmente realizado por meio de introdução de água em 
sentido ascensional com velocidade relativamente alta para 
promover a fluidificação parcial do leito granular com liberação das 
impurezas.
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� FRD surgiram da necessidade de uma maior Q para o atendimento 
de grandes cidades. 
� Os processos de clarificação (coagulação, floculação e decantação) 
que antecedem os FRD permitem o aproveitamento de águas 
superficiais menos resguardadas e mais próximas dos centros de 
consumo. 
� Essa modalidade de filtração é típica de ETA’s de ciclo completo 
(ou ETA’s Convencionais). 
� Os FRD eram denominados (até meados da década de 60) de 
Filtros Convencionais, quando operavam com taxa de filtração 
constante de 120 m3/m2.dia, e meio filtrante constituído de areia. 
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� O desenvolvimento de novas pesquisas, passou-se ao uso de 
meios filtrantes de camada dupla (antracito e areia) empregando-
se Taxas de Filtração (TF) de até 300 m3/m2.dia. 
� Passaram a ser denominados de filtros de alta taxa e, 
atualmente, há instalações funcionando com TF de até 600 
m3/m2.dia. 
� Taxas máximas de filtração a serem adotadas para FRD são: 
- 180 m3/m2.dia para camada simples e 
- 360 m3/m2.dia para camada dupla.
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II. Filtração de ação de profundidade e de ação superficial
� Na FRD, com ação de profundidade, as impurezas são retidas 
ao longo do meio filtrante, em contraposição à de ação 
superficial (filtros lentos), em que a retenção é significativa 
apenas no topo do leito filtrante. 
� Desta forma, a filtração com ação de profundidade pode ser 
entendida como o resultado de uma sucessão de estágios 
relativos à colmatação das subcamadas que compõem o leito 
filtrante.
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Figura - Esquema vertical de um filtro rápido.
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Foto: Filtros.
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Foto: Filtro de fluxo descendente.
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Figura: filtros
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Figura - Vista parcial da bateria de filtros da ETA Gravatá
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III. Mecanismos da filtração
� Filtração resulta da ação de três mecanismos distintos: 
� transporte; aderência, e desprendimento. 
� Transporte: responsável por conduzir as partículas suspensas 
para a proximidade da superfície coletora (grãos de antracito, areia 
ou outro material granular), podendo permanecer aderida à
superfície destes por meio de forças superficiais, que resistem às 
forças de cisalhamento resultantes das características do 
escoamento ao longo do meio filtrante. 
� Quando tais forças superam as forças de aderência, tem-se o 
desprendimento. 
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� Se a TF permanecer constante, a velocidade de escoamento nos 
poros (velocidade intersticial) aumenta em função das partículas 
retidas, causando o arraste dessas partículas para as subcamadas 
inferiores do meio filtrante até aparecer no efluente filtrado, 
ocasionando o fenômeno denominado de transpasse.
� Quando há o transpasse, significa que foi ultrapassada a 
capacidade do leito filtrante (LF) em reter impurezas, ocasionando 
também, o aumento no nº de organismos no efluente. 
� Como conseqüência, há dois efeitos negativos que podem interferir 
na eficiência da desinfecção: elevação da turbidez e incremento no 
nº de organismos.
� A situação ideal é aquela em que o início do transpasse e a perda 
de carga limite no meio filtrante ocorram simultaneamente.
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IV. Eficiência da Filtração
� Relacionada ás características:
a) Suspensão: tipo, tamanho e massa especifica das partículas, 
resistências das partículas retidas às forças de cisalhamento, 
temperatura da água, concentração de partículas, pH da água, etc.;
b) Meio Filtrante: tipo do material granular, tamanho efetivo, 
tamanho do maior e do menor grão, coeficiente de 
desuniformidade, massa específica do material granular, espessura 
da camada filtrante; 
c) Hidráulicas: taxa de filtração, carga hidráulica disponível, 
método de controle da taxa e do nível da água nos filtros. 
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� A interrupção de uma carreira de filtração (tempo entre o início 
da operação e o momento da retirada do filtro para lavagem) ocorre 
por dois motivos:
a) transpasse da turbidez;
b) igualdade entre a perda de carga total e a carga hidráulica 
disponível.
� A carreira de filtração pode ser dividida em três etapas: 
a) etapa inicial, quando a água filtrada pode apresentar qualidade 
insatisfatória;
b) etapa intermediária, na qual há produção de água com qualidade 
desejada;
c) etapa do transpasse, caracterizada pelo aumento contínuo da 
turbidez da água filtrada.
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� Nas ETA’s é desejável que o encerramento da carreira de 
filtração (CF) se dê sempre pela perda de carga limite, porém com 
duração mínima de 24 horas.
� A operação de FRD deve ser controlada por meio dos seguintes 
itens:
a) Dispositivos para a medição da perda de carga;
b) Medidor de vazão, quando esta é controlada à saída dos filtros;
c) Tomada de água saída de cada filtro (determinação da turbidez).
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Conceito de perda de carga no MF em 
uma unidade de escoamento descendente
Conceito de perda de carga no MF em uma unidade de 
escoamento ascendente.
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V. Meio Filtrante
Na maioria dos filtros empregados no tratamento de água, o MF 
assenta-se sobre camada de cascalho, pedregulho ou seixos rolados, 
denominada camada suporte. O MF e a TF guardam entre si relação 
intrínseca. 
A partir da TF a ser utilizada (o que definirá os filtros como rápidosou lentos) estabelece-se o tipo de MF e vice-versa.
Definido o MF, estabelecem-se as TF passíveis de serem aplicadas. 
E pela conjunção de ambos, define-se o nível inicial de operação, a 
partir da perda de carga (perda de carga no MF limpo adicionada à
do sistema de drenagem e tubulações), estima-se o nível d’água para 
lavagem e, conseqüentemente, a altura do filtro. 
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No Brasil, utilizam-se quase que exclusivamente MF constituídos 
por areia, nos denominados de filtros de areia ou de camada simples, 
ou areia e antracito nos filtros de camada dupla. 
Nos EUA, é comum o emprego de meios triplos, com a inserção 
camada de granada ou ilmenita sob as de areia e antracito. 
Também de uso incipiente, no Brasil o carvão ativado granular é
empregado como MF, objetivando principalmente a adsorção de 
pesticidas ou de outros compostos orgânicos capazes de conferir 
odor e sabor à água tratada. 
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�Material do leito filtrante dos FRD
a) FRD convencional: operados com taxa inferior a 200 m3/m2.dia, 
recebendo a água decantada como afluente: 
- Espessura da camada: 0,6 a 0,7 m;
- Coeficiente de desuniformidade: < 1,7;
- Tamanho dos grãos: 0,42 a 1,41 mm;
- Tamanho efetivo: 0,45 a 0,55 mm;
b) FRD praticamente uniforme: operados com taxa de variação 
constante, inferior a 360 m3/m2.dia:
- Espessura da camada: 1,0 a 1,2 m;
- Coeficiente de desuniformidade: < 1,25;
- Tamanho dos grãos: 0,84 a 1,68 mm;
- Tamanho efetivo: 0,9 a 1,2 mm;
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c) FRD de camada dupla – antracito e areia
0,9 a 1,10,40 a 060Tamanho efetivo
0,71 a 2,00,42 a 1,41Tamanho dos grãos
< 1,6< 1,6Coeficiente de desuniformidade
0,45 a 0,600,2 a 0,3Espessura da camada
AntracitoAreiaCaracterística
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Foto: Camadas constituintes do filtro: carvão, antracito, areia e pedregulho em 
diferentes granulométricas e fundo falso em PVC.
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VI. Lavagem dos FRD 
� À medida que o filtro vai funcionando acumula impurezas entre 
os interstícios do LF, aumentando progressivamente a perda de 
carga e redução de sua capacidade de filtração. 
� Quando a perda de carga atinge um valor pré-estabelecido ou a 
turbidez do efluente atinge além do máximo de operação, deve ser 
feita a lavagem. 
� O tempo em que um filtro passa trabalhando entre uma lavagem e 
outra consecutiva é chamada de carreira de filtração. 
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� Uma CF fica em torno de 20 a 30 horas, podendo em situações 
esporádicas, principalmente no início do período chuvoso, ocorrer 
mais de uma lavagem por dia.
� A lavagem dos FRD é geralmente feita utilizando-se água no 
sentido ascensional para promover a fluidificação e, 
conseqüentemente, acarretar uma expansão adequada no meio 
filtrante, com liberação das impurezas retidas.
� Durante a lavagem a água deve atingir taxas da ordem de 800 a 
1300 m3/m2/dia, durante 6 a 10 minutos. 
� A água de lavagem é completamente tratada, proveniente de 
reservatórios em cota mais alta, ou ser impulsionada por bombas 
(mais raro).
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Foto: Lavagem dos filtros.
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Foto: Início da lavagem dos filtros. Lavagem contra-corrente de água.
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Foto: Lavagem dos filtros com água em fluxo ascendente.
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Foto: Final da lavagem dos filtros. Entrada de água decantada.
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Foto: Água de lavagem dos filtros retorna ao início do processo, na 
bacia de tranquilização.
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Figuras - Lavagem de filtros.
Na foto de cima o início (areia fluidificando)
e na de baixo a lavagem em pleno
Funcionamento (observar o 
funcionamento das calhas coletoras)
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Figura - Fotografia de um filtro seco onde se vê a malha de tubos do 
sistema fixo de contracorrente ou lavagem auxiliar.
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Filtração Direta Descendente - FDD
I. Características e funcionamento da FDD
a) Surgiu principalmente da dificuldade do tratamento de águas 
com turbidez e cor verdadeira relativamente baixas em ETA’s do 
tipo ciclo completo (convencional). 
b) Nessas ETA’s a coagulação, mesmo com essas características, é
realizada no mecanismo varredura, concorrendo para a formação de 
flocos com baixa velocidade de sedimentação e difíceis de serem 
removidos por sedimentação. 
c) Pra contornar essa situação, em algumas ETA’s de ciclo 
completo, a água bruta foi coagulada no mecanismo 
adsorção/neutralização de cargas e eventualmente floculada, 
passando em seguida pelos decantadores, antes de ser submetida á
filtração. 
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d) No entanto, em razão dos baixos valores do gradiente de 
velocidade nos decantadores, havia formação de flocos com 
características impróprias para que a filtração resultasse eficiente. 
II. Etapas: 
a) mistura rápida; 
b) floculação; 
c) filtração.
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� Existência da etapa de floculação:
- qualidade da água bruta (tamanho das partículas);
- características do meio filtrante; e 
- taxa de filtração. 
� Em função da existência ou não da floculação, a FDD pode ser 
classificada em: 
a) FDDSF
b) FDDCF.
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III.Vantagens da FDD 
Em relação às ETA’s de ciclo completo, podem ser apontadas as 
seguintes vantagens da FDD:
a) redução do investimento inicial (30 a 70%); 
b) custo menor de operação e manutenção;
c) redução do consumo de coagulante;
d) produção de menor volume de lodo;
e) diminuição do consumo de energia elétrica;
f) facilidade no tratamento com baixa turbidez.
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IV. Desvantagens da FDD 
a) dificuldade no tratamento de água com turbidez e cor verdadeira 
alta; 
b) necessidade de monitoramento contínuo e controle dos principais 
parâmetros de qualidade, tanto na água bruta quanto da filtrada;
c) tempo relativamente curto para que o operador perceba qualquer 
mudança da água bruta;
d) tempo médio de permanência da água na ETA relativamente 
pequeno para a oxidação de substâncias orgânicas presentes na água 
bruta;
e) período inicial de melhora da qualidade do efluente mais longo.
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V. Parâmetros que influenciam na tecnologia da FDD
1. Qualidade da água bruta
� Limites máximos e a freqüência - emprego da FDD:
� Turbidez (uT): 100% do tempo < 100;
� Cor verdadeira (uH): 100% do tempo < 100;
� COT (mg/L): 100% do tempo < 5;
� SST (mg/L): 95% do tempo < 50; 100% do tempo < 150;
� Concentração de algas (UPA/mL): 100% do tempo < 1000;
� Escherichia coli (NMP/mL): 100% do tempo < 500;
� Coliformes totais (NMP/mL): 100% do tempo < 2.500;
� Ferro total (mg/L): 100% do tempo < 10;
�Manganês (mg/L): 100% do tempo < 2.
Observação: os valores limites de turbidez e cor verdadeira não 
devem ocorrer ao mesmo tempo.
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2. Coagulação e produtos químicos
� Coagulação: 
Mecanismo de adsorção/neutralização de cargas. 
� Coagulantes comumente utilizados: sulfato de alumínio, 
sulfato férrico, sulfato ferroso clorado, cloreto férrico, cloreto de 
polialumínio e polímeros sintéticos catiônicos. 
� Pelo fato de o tempo de permanência na ETA ser relativamente 
curto (10 a 40 min.), é necessário ensaio de bancada diversas 
vezes por dia ou ter-se uma instalação piloto de escoamento 
contínuo com características similares à ETA para o controle das 
dosagens dos coagulantes primários e dos auxiliares em relação 
á qualidade da água bruta.
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3)Mistura rápida (G e t de agitação)
As ETA’s costumam utilizar valor de G na mistura rápida na 
faixa de 400 a 1200 s-1. O t da mistura é, geralmente, inferior a 
60 s.
3) Existência da floculação (G e t de agitação)
Existem varias faixas de valores na literatura sugeridos para os
parâmetros envolvidos na floculação em se tratando do uso da 
FDD. 
Di Bernardo (1993) sugere as seguintes faixas:
- t de floculação (min.): 4 a 12;
- G (s-1): 20 a 100.
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3) Taxa de filtração e meio filtrante
É imprescindível a realização de uma investigação experimental 
para a determinação da taxa de filtração, tendo a sua estreita relação 
com a granulometria do meio filtrante, qualidade da água bruta e 
dosagens de produtos químicos. 
Por essa razão, fica difícil fixar a taxa de filtração. Há menção na 
literatura de ETA nos Estados Unidos com taxa de filtração da 
ordem de 600 m3/m2.dia. 
A maioria das instalações de FDD possui meio filtrante constituído 
de antracito e areia ou de antracito e de areia e granada. Taxas de 
filtração de até 400 m3/m2.dia são utilizadas quando o meio 
filtrante é formado por camadas de antracito e areia. 
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Duas ou três camadas Característica Antracito Areia Granada 
Areia praticamente 
uniforme Antracito 
Tamanho dos grãos (mm) 0,71 a 2,40 0,45 a 2,00 0,21 a 0,59 1,0 a 1,68 1,0 a 2,4 
Tamanho efetivo (mm) 1,0 a 1,3 0,5 a 0,6 0,25 a 0,35 1,1 a 1,3 1,2 a 1,5 
CD < 1,6 < 1,6 < 1,6 < 1,25 < 1,3 
Espessura da camada (m) 0,5 a 0,8 0,2 a 0,3 0,10 a 1,5 1,0 a 1,5 1,2 a 1,8 
 
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Filtração Direta Ascendente - FDA
I. Considerações
� Os filtros com FDA (Filtros Russos) são aplicados como unidades 
completas de clarificação, isto é, sem unidades anteriores 
(floculadores e decantadores) ou posteriores de tratamento. 
� A água bruta é coagulada no mecanismo de neutralização de 
cargas e introduzida na parte inferior da unidade filtrante, a qual 
deve possuir fundo e sistema de drenagem apropriados, camada de 
pedregulho adequada e meio filtrante constituído unicamente de 
areia. 
� Na camada de pedregulho ocorre a formação intensa de flocos, a 
qual é responsável pela remoção de pelo menos 50% das impurezas. 
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� A coagulação/floculação realizadas no meio poroso e na 
presença de substâncias previamente precipitadas conduzem a 
resultados excelentes, com economia de reagentes de 15 a 30%.
� À medida que a água coagulada atravessa o meio filtrante, as 
impurezas vão sendo parcialmente retidas e em parte deslocadas 
sob a forma de flocos, de uma subcamada para a seguinte, onde 
ocorre uma retenção e um novo deslocamento parcial. 
� A remoção de partículas da água ao longo do leito filtrante que 
ficam aderidas aos grãos de areia resulta da ação das forças 
moleculares de adesão.
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� Podem ocorrer as seguintes situações separadamente ou 
combinadas na filtração ascendente:
- fluidificação dos menores grãos da camada de areia estratificada 
em virtude da taxa de filtração ser elevada;
- ruptura ou cisalhamento de alguma seção da camada de areia em 
decorrência da elevada perda de carga resultante da retenção de 
impurezas.
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Filtro ascendente.
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II. Funcionamento dos FDA
� A água bruta chega em uma câmara de carga (cada filtro possui 
uma câmara individual), na qual o nível vai variar em função do 
tempo de funcionamento, ou seja, da quantidade de impurezas 
retidas no meio granular. 
� Para evitar o arraste de ar pela tubulação de alimentação do 
filtro, o fundo da câmara de carga deve se situar, no mínimo, 1,5 
m abaixo da calha coletora de água no interior do filtro. 
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� Considerando um único filtro, o coagulante é aplicado por meio 
de injetor na tubulação na saída da câmara de carga; a água 
coagulada entra na parte inferior do filtro, passa pelo sistema de 
drenagem, pela camada suporte e pela areia, sendo coletada em 
calhas ou tubos perfurados devidamente situados na parte superior 
da unidade filtrante. 
� Em decorrência da retenção substancial de impurezas na camada 
de pedregulho e subcamadas inferiores de areia (camada com os 
maiores grãos), a operação é geralmente realizada com descargas 
de fundo intermediárias, ou seja, durante a carreira de filtração, é
introduzida água filtrada (geralmente por meio de bombeamento) 
na interface pedregulho/areia e, simultaneamente, é aberta a 
descarga de fundo, ocasionando a retirada de grande parte das 
impurezas retidas naquela região dos materiais granulares.
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III. Qualidade da água bruta
� A FDA geralmente é recomendada para águas provenientes de 
açudes ou represas, ou seja, para águas de baixa turbidez, não 
sujeitas a variações repentinas de qualidade. 
� Esses filtros são aplicáveis a água com as seguintes 
características:
- pouco poluídas e contaminadas;
- turbidez (25 uT) e cor verdadeira (20 uH), aproximadamente;
- coliformes totais e fecais de, respectivamente, 5.000 e 1.000 
(NMP/100 mL);
- COT: 3 mg/L.
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� Reduções das dimensões da ETA pela eliminação das unidades 
de floculação e decantação;
� Redução quantidade de coagulante utilizado, não sendo 
necessário formar flocos grandes e densos;
� Filtração no sentido do grão + para o -, em camada simples de 
areia, utilizando a sua altura total para a retenção de impurezas ao 
contrário do que ocorre nos filtros convencionais de escoamento 
descendente;
� Redução da perda de carga durante a filtração em decorrência da 
remoção de uma grande quantidade substancial de impurezas na 
porção do meio filtrante de maior granulometria;
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� Apresentam períodos de funcionamento mais longo.
V. Desvantagens:
� Limitações relativas à qualidade de água;
� Possibilidade de ocorrer fluidificação do meio;
� Qualidade inferior da água obtida no inicio do funcionamento.
Aula 07: Filtração
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Dupla Filtração - DF
I. Considerações
Em decorrência das limitações de qualidade da água bruta no 
tratamento por meio da (FDA) ou da (FDD), a DF surge como uma 
alternativa atrativa, eliminando a necessidade do tratamento em 
ciclo completo, quando a água a ser tratada apresenta uma das 
seguintes condições:
a. valores relativamente � (maiores do que aqueles recomendados 
para a FDA ou FDD) de concentração de algas, cor verdadeira, 
turbidez ou coliformes;
b. suspeita da presença de vírus, protozoários e outros patogênicos;
c. variações bruscas dos parâmetros de qualidade;
d. necessidade de dosagens elevadas de alcalinizante (ou 
acidificante) e de coagulantes.
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� Na DF os filtros ascendentes realizam as funções para os quais 
são mais indicados: a floculação, decantação e a filtração preliminar, 
competindo aos filtros descendentes, com leito de material mais 
fino, a função complementar, isto é, a filtração mais perfeita e 
segura.
II. Funcionamento da DF
� O afluente do FA é a água coagulada. A introdução de coagulante 
pode ser efetuada na câmara de carga (CC), geralmente antes da 
divisão para diferentes unidades de DF, ou na tubulação do FA, 
quando se tem somente uma unidade de DF. 
� A água coagulada é distribuída na parte inferior do FA por meio de 
um sistema apropriado de drenagem, passa inicialmente pela camada 
suporte (de pedregulho) e em seguida pela areia grossa ou somente 
pela camada de pedregulho, dependendo do tipo de FA.
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� O sistema de drenagem tem varias finalidades, quais sejam: 
distribuir uniformemente a água coagulada, distribuir a água para a 
lavagem e realizar a descarga de fundo das impurezas retidas na 
camada de pedregulho. 
� A operação de descarga de fundo pode ser realizada durante a 
carreira de filtração, denominada descarga de fundo intermediária 
(DFI), ou no final da carreira de filtração, antes da lavagem.
� Da tubulação de água para lavagem da interface pedregulho-areia, 
tem-se a derivação e por meio de tubulação perfurada, é aplicada a 
água para lavagem da interface pedregulho-areia, simultaneamente 
à execução da descarga de fundo.
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� A água pré-filtrada é coletada por meio de calhas geralmente 
situadas a cerca de 0,6 a 1,0 m acima do topo da camada de areia
grossa no FAAG ou 0,4 a 0,6 m acima do topo da camada de 
pedregulho de menor tamanho do FAP. 
� Em seguida a água pré-filtrada é encaminhada ao FD (se 
necessário, pode ser desviada deste por meio da tubulação de 
descarga de água de lavagem do FA) e o efluente do FD (água 
filtrada final) é conduzido à câmara de contato para receber os 
produtos químicos (cloro, flúor, etc.). 
� Tanto a lavagem do FA quanto a do FD podem ser realizadas 
com água filtrada, proveniente de reservatório elevado ou semi-
enterrado e bombeado direto. 
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� A lavagem do FA ou do FD depende do valor da carga 
hidráulica final fixada em cada filtro. Nem sempre a lavagem 
de um filtro requer que o outro filtro da unidade de DF tenha 
de ser lavado.
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III. Considerações do sistema de dupla filtração
Dados Dupla filtração com FA em areia grossa 
Dupla filtração com 
FA em pedregulho 
Características da água bruta 
- Turbidez (uT) – 100% do tempo 
- Cor verdadeira (uH) – 100 % do tempo 
- SST (mg/L) – 100% do tempo 
- E. coli (NMP/100mL) 
- C. totais (NMP/100mL) 
- COT (mg/L) 
- Densidade algas (UPA/mL) 
 
<150 
<100 
<150 
<2.500 
<10.000 
< 5 
<1000 
 
<200 
<100 
<200 
<1.500 
<5.000 
< 5 
<2.500 
- Parâmetros de projeto 
-Taxa de filtração no FA (m3/m2dia) 
- Taxa de filtração no FD (m3/m2dia) 
- Número de descargas de fundo intermediárias no 
filtro ascendente durante a carreira de filtração 
(m3/m2dia) 
- taxa de aplicação de água na interface (m3/m2dia) 
- mecanismo de coagulação 
 
120 a 240 
200 a 400 
> 4 
 
600 a 1000 
neutralização de cargas 
 
80 a 180 
120 a 240 
> 4 
 
600 a 1000 
neutralização de 
cargas