Saneamento Ambiental - Filtração

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Cursos: Bacharelado em Engenharia Civil e Tecnologia em Saneamento Ambiental
Disciplina: Saneamento I- Prof. Mauricio Barreto, Dr. 
Assunto: Filtração Baseado em: Luiz Di Bernardo, 2005; Marcelo Libânio, 2008. 
Filtração
Professor
Francisco Mauricio de Sá Barreto, Dr.
mauriciolicariao@gmail.com 
Curso: Saneamento Ambiental
Disciplina: Saneamento I
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Cursos: Bacharelado em Engenharia Civil e Tecnologia em Saneamento Ambiental
Disciplina: Saneamento I- Prof. Mauricio Barreto, Dr. 
Assunto: Filtração Baseado em: Luiz Di Bernardo, 2005; Marcelo Libânio, 2008. 
Filtração Rápida Descendente - FRD
 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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Assunto: Filtração Baseado em: Luiz Di Bernardo, 2005; Marcelo Libânio, 2008. 
 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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 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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 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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 Eficiência da Filtração
 Relacionada ás características:
 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.;
 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; 
 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:
 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: 
 etapa inicial, quando a água filtrada pode apresentar qualidade insatisfatória;
 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:
 Dispositivos para a medição da perda de carga;
 Medidor de vazão, quando esta é controlada à saída dos filtros;
 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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 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 rápidos ou 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
 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;
 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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 FRD de camada dupla – antracito e areia
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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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 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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Di Bernardo, 2005; Marcelo Libânio, 2008. 
Filtração Direta Descendente - FDD
 Características e funcionamento da FDD
 Surgiu principalmente da dificuldade do tratamento de águas com turbidez e cor verdadeira relativamente baixas em ETA’s do tipo ciclo completo (convencional). 
 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. 
 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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 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. 
 Etapas: 
 mistura rápida; 
 floculação; 
 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: 
 FDDSF
 FDDCF.
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Vantagens da FDD 
Em relação às ETA’s de ciclo completo, podem ser apontadas as seguintes vantagens da FDD:
 redução do investimento inicial (30 a 70%); 
 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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 Desvantagens da FDD 
 dificuldade no tratamento de água com turbidez e cor verdadeira alta; 
 
 necessidade de monitoramento contínuo e controle dos principais parâmetros de qualidade, tanto na água bruta quanto da filtrada;
 tempo relativamente curto para que o operador perceba qualquer mudança da água bruta;
 tempo médio de permanência da água na ETA relativamente pequeno para a oxidação de substâncias orgânicas presentes na água bruta;
 período inicial de melhora da qualidade do efluente mais longo.
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 Parâmetros que influenciam na tecnologia da FDD
 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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 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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 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.
 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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 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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		Característica
		Duas ou três camadas
		Areia praticamente uniforme
		Antracito
		
		Antracito
		Areia
		Granada
		
		
		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
 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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 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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Assunto: Filtração Baseado em: Luiz Di Bernardo, 2005; Marcelo Libânio, 2008. 
 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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Cursos: Bacharelado em Engenharia Civil e Tecnologia em Saneamento Ambiental
Disciplina: Saneamento I- Prof. Mauricio Barreto, Dr. 
Assunto: Filtração Baseado em: Luiz Di Bernardo, 2005; Marcelo Libânio, 2008. 
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Assunto: Filtração Baseado em: Luiz Di Bernardo, 2005; Marcelo Libânio, 2008. 
 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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Assunto: Filtração Baseado em: Luiz Di Bernardo, 2005; Marcelo Libânio, 2008. 
Vantagens:
 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.
 Desvantagens:
 Limitações relativas à qualidade de água;
 Possibilidade de ocorrer fluidificação do meio;
 Qualidade inferior da água obtida no inicio do funcionamento.
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Dupla Filtração - DF
 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:
 valores relativamente  (maiores do que aqueles recomendados para a FDA ou FDD) de concentração de algas, cor verdadeira, turbidez ou coliformes;
 suspeita da presença de vírus, protozoários e outros patogênicos;
 variações bruscas dos parâmetros de qualidade;
 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.
 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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Assunto: Filtração Baseado em: Luiz Di Bernardo, 2005; Marcelo Libânio, 2008. 
 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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Assunto: Filtração Baseado em: Luiz Di Bernardo, 2005; Marcelo Libânio, 2008. 
 Considerações do sistema de dupla filtração
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		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
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