Os filtros de areia são divididos em dois principais grupos: filtros de gravidade e filtros de pressão. Os princípios dos dois grupos de filtros são idênticos. Os filtros de pressão operam a elevadas pressões com taxa de até 900 m³/m².d, sendo indicadas para águas de baixa cor e turbidez.
Os filtros de gravidade geralmente são operados com taxa de filtração entre 120 a 180 m³/m².d (simples camada) e 360 m³/m².d (dupla camada) com espessura de 45 cm (areia em simples camada) e 25 + 45 cm (areia + antracito) de acordo com a NBR 12216/1992 (ABNT, 1992).
A filtração em areia envolve uma variedade complexa de mecanismos, tais como: transporte, fixação e desprendimento dos flocos de lodo. Mecanismos de transporte importantes incluem interceptação, forças inerciais, decantação, difusão, condições hidrodinâmicas e correspondem ao deslocamento de uma pequena partícula no fluido até a superfície do meio filtrante.
Nesses mecanismos a eficiência da remoção de sólidos em suspensão dependem das características granulares do meio filtrante, taxa de filtração,
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temperatura, densidade do efluente e tamanho das partículas em suspensão (FAUST; ALY, 2018).
A decantação é provavelmente o mecanismo mais importante para as partículas em suspensão entre 4 e 20 µm de tamanho. As partículas coloidais menores que 1 µm de diâmetro são influenciadas por difusão e tendem a desviar dos fluxos em direção ao meio filtrante, dependendo da interação eletrostática entre as partículas e o meio filtrante (GUCHI, 2015).
São necessários mecanismos de fixação para reter o material suspenso, uma vez que ele se aproximou da superfície do meio filtrante ou dos sólidos previamente fixados. Os mecanismos de fixação incluem forças de Van Der Waals, interações eletrostáticas, pontes químicas e adsorção específica. A eficiência dos mecanismos de fixação pode ser afetada pelos coagulantes aplicados no pré-tratamento e pelas características químicas da água ou efluente e do meio filtrante (FAUST; ALY, 2018).
Entretanto, os efeitos das forças de Van Der Waals, somente serão significativas quando a partícula superar qualquer barreira eletrostática de repulsão e atingir a superfície do meio granular (GUCHI, 2015).
Na filtração lenta em areia, ocorre a formação de uma camada rica em microrganismos no topo do filtro (conhecida por Schmutzdecke). Entretanto, a filtração lenta requer um grande volume de área para a implantação da unidade quando comparada à filtração rápida. Assim, não é recomendada em áreas densamente povoadas ou em áreas onde o custo territorial é elevado. Outras limitações relacionados a filtração lenta incluem baixa taxa de filtração e elevado período de tempo para obtenção da Schmutzdecke.
Diferentemente de outros filtros, que podem ser restaurados rapidamente após a limpeza, a filtração lenta em areia precisa de tempo para o crescimento do consórcio microbiano o que limita a eficiência do sistema. Uma variedade de diferentes fatores pode afetar o desempenho desse sistema de filtração, tais como: a presença de cafeína, hormônios estrogênicos e outros compostos orgânicos contidos no afluente (D’ALESSIO et al., 2015).
Além disso, os sólidos suspensos em excesso aceleram o processo de colmatação, reduzindo a capacidade do tratamento. É esperada melhora na remoção de metais, especificamente sob condições de maior conteúdo orgânico total no efluente a ser tratado, maior profundidade do leito de areia e menor taxa de filtração
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(HOSLETT et al., 2018).
Outro possível sistema é a filtração rápida em areia, sendo um processo de filtração física, pois não produz uma camada biológica significativa. Portanto, requer prévias etapas e pós-tratamento para remover substâncias potencialmente toxicas e agentes patogênicos. Além disso, é um processo de tratamento comum para as áreas urbanas onde o uso da terra tem um custo elevado (HOSLETT et al., 2018).
Os filtros rápidos de areia, exigem menos trabalho devido ao elevado volume de efluente tratado e são mais eficientes em águas com alta turbidez. Por outro lado, os custos de operação e manutenção dos filtros rápidos de areia são mais altos em comparação com o filtro lento, devido à maior complexidade do controle do filtro e do sistema de retrolavagem (SPELLMAN, 2014).
A oxidação heterogênea e oxidação biológica de espécies metálicas, tais como Fe2+ e Mn2+ ocorre principalmente nas superfícies de material granular, uma vez
que os contaminantes adsorvem ao meio filtrante ou são oxidados por microrganismos ligados a superfície do grão (VRIES et al., 2017).
A areia virgem apresenta uma pequena capacidade de remover traços de metais que podem ser tóxicos ou cancerígenos (CHAUDHRY; KHAN; ALI, 2017). Essa capacidade pode ser significativamente melhorada pelo revestimento de areia com óxidos de Fe ou Mn. Esses aditivos à base de metal aumentam a área de superfície e os recursos de adsorção da areia (WANG et al., 2009).
O papel do desprendimento dos flocos de lodo como mecanismo de filtração também é importante, pois durante a filtração granular profunda, os sedimentos se acumulam no filtro, sendo removidos pelos mecanismos anteriormente mencionados. As partículas contidas no filtro estão em equilíbrio com as forças de cisalhamento hidráulico que tendem a separá-las e levá-las para camadas mais profundas através do filtro. Como a presença de sólidos faz com que o volume intersticial diminua, isso causa um aumento na velocidade do efluente no interstício dos grãos e as camadas obstruídas se tornam menos eficientes na remoção de sólidos, que passam para a parte inferior e menos obstruída do meio granular (FAUST; ALY, 2018).
Em sistemas de filtração rápida, a granulometria desempenha uma função muito importante, pois existem etapas unitárias preliminares ao processo e as dimensões dos grãos de areia fazem parte das principais características do sistema.
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Entretanto, o desenvolvimento de diversas classes de compostos orgânicos tais como, pesticidas, fármacos, produtos de higiene pessoal, entre outros, e que estão presentes nos efluentes domésticos, não são removidos eficientemente por sistemas de tratamento convencionais, tais como a filtração em areia.