Aula 14 - Filtração

8/16/2019 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.


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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.


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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)). Quandoos flocos são fortes → ↓ penetração do floco, não sendo importante a

espessura do filtro → ↓ corrida do filtro e ↑ E% (independente do afluente)


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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 departículas 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.


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6. Tamanho e distribuição dos grãos: tamanho efetivo (Tef = d10) e

coeficiente de desuniformidade (Cd = d60/d10). Determinação por ensaiogranulométrico.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)

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

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)


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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.


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TIPOS DE FILTROSEMPREGADOS 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


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TIPO DE TRATAMENTO

Valores Máximos para Água Bruta

Turbidez(uT)

Cor Verd.(uH)

Coliformes/100mLNMP

Totais Termot.

Filtração lenta 10 5 2000 500

Pré-filtro+filtro lento 50 5 10.000 3.000FIME (filtração em múltiplasetapas)

100 10 20.000 5.000

Filtração direta ascendente 100 100 5.000 1.000

Filtração direta descendente 25 25 2.500 500Filtração direta descendentecom 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


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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.

FunçãoEspessura

(cm)Φ pedregulho

(mm)Taxa de Filtração

(m³/m².dia)Velocidade

Superficial (m/s)

Melhoria da AB20 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


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Pré Filtros

Qualidade da água dos mananciais


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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


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Pré FiltrosPré-filtraçãoem pedregulho

e areia grossaPré-filtração

dinâmicaFiltro lento


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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.


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Filtros lentos

Camada de lodo sobre a areia no

filtro lento


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Desempenho da filtração lenta na remoção de patogênicos


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Práticas indesejadas na filtração lenta


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Práticas indesejadas na filtração lenta


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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.


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Filtros Rápidos de Gravidade Descendente


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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 tambémdescargas de fundo intermediárias durante a carreira do filtro.


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Filtros Rápidos de Gravidade Ascendente

Filtro ascendente

Fluxo da água


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Dupla Filtração

Filtrosdescendentes

Filtrosascendentes



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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 estruturainspecionável.


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Blocos Cerâmicos ou Plásticos (Leopold )

Perda de Carga: gráficos fornecidos pelo fabricante.


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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.


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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 PEDREGULHOSESPESSURA

(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.


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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)



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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

imp H

Tempo

P e r d a

d e

c a r g a

Tempo

T u r b i d e z e f l u e n t e

Etapa inicial

Etapa intermediária

Traspasse

imp t H H H 0

EUA: descarte da águaproduzida após lavagem


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Filtros Rápidos de Gravidade Descendente


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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%.



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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


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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


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TAXA DE FILTRAÇÃO E PERDA DE CARGA VARIÁVEIS (Taxa Decli nan te )

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


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TAXA DE FILTRAÇÃO E PERDA DE CARGA VARIÁVEIS (Taxa Decli nan te )


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Lavagem superficial

Filtros descendentes

DETALHES DE FILTROS


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Lavagem dos filtros

Haste de madeiracom peneiras

Controle da expansão

DETALHES DE FILTROS


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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

DIMENSIONAMENTO


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Especificação dos Filtros

FILTROMeio

FiltranteEspessura

Mín. (m)Φefetivo (mm)Cuniformidade

Tx. Filtração(m³/m².d)

LENTO Areia 0,90 0,25 – 0,35 ≤ 6,0< 3,0

RÁPIDOSIMPLES

Areia 0,450,45 – 0,55

≤ 180,01,4 – 1,6

RÁPIDODUPLO

Areia 0,25

0,40 – 0,45

≤ 360,01,4 – 1,6

Antracito 0,450,80 – 1,00

≤ 1,4

DIMENSIONAMENTOFILTRO RÁPIDO

DIMENSIONAMENTO


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Dimensionamento da Entrada e Saída do Filtro

Tubulação Diâmetro (mm) ParâmetrosEntrada 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 paraLavagem

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


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Diâmetro da Tubulação de Água de Lavagem

Área da Câmara do Filtro (m²) Ø Tubulação (mm)2,5 125

7,5 20010,0 25015,0 30020,0 35030,0 40045,0 50065,0 60080,0 700


DIMENSIONAMENTO


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Dimensões Verticais do Filtro Rápido Descendente

ALTURADIMENSÃO (m)

Mínima Máxima Usual

Fundo Falso (H1)Ø* + 0,25 - -

0,50 - -

Laje do Fundo Falso (H2) Cálculo EstruturalCamada 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 oLeito (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



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Práticas indesejadas na filtração rápida

FILTROS RÁPIDOS


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FILTROS RÁPIDOS


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FILTROS RÁPIDOS

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