Avaliação do tipo de material filtrante no comportamento hidráulico de filtros rápidos...

(1)

NÁDIA CRISTINA PIRES BRINCK

AVALIAÇÃO DO TIPO DE MATERIAL FILTRANTE NO

COMPORTAMENTO HIDRÁULICO DE FILTROS RÁPIDOS DE

CAMADA PROFUNDA NO TRATAMENTO DE ÁGUAS DE

ABASTECIMENTO

Tese apresentada à Escola

Politécnica da Universidade de São Paulo para obtenção do título de Doutor em Engenharia

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NÁDIA CRISTINA PIRES BRINCK

AVALIAÇÃO DO TIPO DE MATERIAL FILTRANTE NO

COMPORTAMENTO HIDRÁULICO DE FILTROS RÁPIDOS DE

CAMADA PROFUNDA NO TRATAMENTO DE ÁGUAS DE

ABASTECIMENTO

Tese apresentada à Escola

Politécnica da Universidade de São Paulo para obtenção do título de Doutor em Engenharia

Área de Concentração:

Engenharia Hidráulica e Sanitária

Orientador:

Prof. Dr.Sidney Seckler Ferreira Filho

(3)

AGRADECIMENTOS

Ao professor Sidney Seckler Ferreira Filho pela orientação e pelo constante apoio

transmitido durante todo o trabalho.

À minha família e aos amigos pelo afeto e compreensão.

À Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo (SABESP) pelo

suporte técnico dado para a execução do estudo experimental e a todos que

(4)

RESUMO

Neste projeto de pesquisa avaliou-se a etapa de filtração no processo de tratamento

de água para abastecimento público. Para isto, foi utilizado um sistema de filtração

piloto composto por quatro filtros rápidos por gravidade de camada profunda. Os

filtros piloto foram alimentados com água decantada da Estação de Tratamento de

Água Rio Grande, e operados com taxa de filtração de 500 m3/m2/dia. A concepção dos filtros variou em termos de material filtrante (areia e antracito), diâmetro dos

grãos e altura do leito. Os filtros foram avaliados em termos de turbidez, contagem

de partículas, evolução de perda de carga e velocidade ascensional de água de

lavagem. Na Etapa 1, operando-se filtros de areia e antracito com diferentes

diâmetros, o filtro de antracito com 1,3 mm de diâmetro e 120 cm de altura

apresentou melhor comportamento no tocante aos parâmetros avaliados. Na etapa

2, comparando-se filtros de areia e de antracito com mesmo diâmetro (1,3 mm) e

altura de leito (120 cm), mais uma vez o filtro de antracito foi superior. Acredita-se

que os índices físicos justifiquem esse comportamento. Na Etapa 3, conclui-se que o

aumento de altura de leito dos filtros de areia (1,3 mm) e antracito (1,3 mm) de 120

cm para 160 cm foi benéfico para ambos os materiais filtrantes em termos de

qualidade do efluente, mas muito mais significativo para o antracito, e não se

observou alteração de comportamento no tocante à evolução de perda de carga.

Com o ensaio de fluidificação e expansão do leito filtrante, conclui-se que,

considerando-se o mesmo tempo de duração da lavagem e a mesma expansão do

leito, o filtro de antracito possibilitou a utilização de menor velocidade ascensional de

água de lavagem, que representa grande economia com relação aos custos do

sistema de lavagem. Assim, em todos os aspectos estudados, o uso de antracito

(1,3 mm) como material filtrante para filtros rápidos por gravidade de camada

profunda se mostrou mais vantajoso.

Palavras-chave: Tratamento de águas de abastecimento. Filtração.

(5)

ABSTRACT

This project researched the filtration stage in the water treatment process for public

use. The research used a pilot filtration system based on four rapid gravity depth bed

filters, with a filtration rate of 500m3/m2/dia. The water used in the experiment came from sedimentation tank of the Rio Grande water treatment facility. During the

experimental phase the filters were loaded with different depth, used different filter

media (sand and anthracite) and used grain with different effective size. The filters

were evaluated in terms of turbidity, particle count, head loss and superficial velocity

of backwashing water. In the first part of the study, when analyzing the results of

filters loaded to a depth of 120 cm using both sand and anthracite with different size,

the anthracite filter with effective size of 1.3 mm was the one with the best results. In

the second part of the study, when comparing anthracite and sand with same the

effective size, the anthracite also presented better results. Finally when increasing

the depth of the filter, both sand and anthracite filters showed improved performance

in terms of effluent quality, but anthracite filters kept outperforming sand filters. In

both case, there were no evidences of changing in the head loss development. When

performing fluidization and expansion experiments, considering the same

backwashing cycle time and expansion of filter media, the anthracite filter allowed

lower superficial velocity which represents relevant economies in the washing system

costs. Therefore the use of anthracite (1.3mm) as a filter medium for rapid gravity

depth bed filters is recommended.

Key-words: Drinking water treatment. Filtration. Sand. Anthracite. Turbidity.

(6)

LISTA DE FIGURAS

Figura 3.1 – Etapas do processo de filtração com taxa constante ... 28

Figura 3.2 – Representação esquemática do funcionamento de filtros ... 29

Figura 3.3 – Mecanismos de transporte, aderência e desprendimento durante a filtração ... 30

Figura 3.4 – Mecanismos de transporte de partículas para a superfície de um coletor. ... 31

Figura 3.5 - Relação de diâmetro entre uma partícula de diâmetro conhecido e o diâmetro de seus interstícios. ... 32

Figura 3.6 – Interação entre partícula-polímero-coletor ... 37

Figura 3.7 – Curva granulométrica típica de um material filtrante. ... 40

Figura 3.8 – Evolução de perda de carga em um meio filtrante com o tempo ... 44

Figura – 3.9 – Evolução da perda de carga em função da velocidade de água de lavagem. ... 49

Figura 4.1 – Vista aérea da ETA Rio Grande ... 71

Figura 4.2 – Vista geral da Estação Elevatória da ETA Rio Grande ... 71

Figura 4.3 – Estrutura de chegada da água bruta à ETA Rio Grande ... 73

Figura 4.4 – Vista geral da ETA e seu sistema de filtração a jusante dos decantadores ... 73

Figura 4.5 – Vista geral da instalação piloto ... 74

Figura 4.6 – Vista geral das bombas centrífugas empregadas no bombeamento da água decantada até a caixa de nível constante ... 75

Figura 4.7 – Vista geral da caixa de nível constante ... 75

Figura 4.8 – Vista geral da tubulação de alimentação de água decantada a cada um dos filtros piloto ... 77

Figura 4.9 – Vista geral de um dos rotâmetros empregados no controle da vazão afluente a cada um dos filtros piloto instalado na linha de água decantada ... 77

Figura 4.10 – Vista geral de um dos quadros de piezômetros instalados em um dos filtros piloto ... 78

(7)

Figura 4.12 – Vista geral do fundo falso dos filtros piloto e respectivas tubulações de

introdução de água de lavagem e ar e coleta de água filtrada ... 80

Figura 4.13 – Vista geral do rotâmetro de controle de vazão de ar empregado

quando da lavagem dos materiais filtrantes com ar e água ... 80

Figura 4.14 – Vista geral de uma camada suporte montada para um dos filtros piloto

... 83

Figura 4.15 – Curva granulométrica da areia empregada na montagem do filtro piloto

F4 ... 85

F1 ... 85

Figura 4.17 – Curva granulométrica do antracito empregado na montagem do filtro

piloto F2 ... 86

Figura 4.18 – Curva granulométrica do antracito empregado na montagem do filtro

piloto F3 e F1 ... 86

Figura 4.19 – Curva granulométrica do antracito empregado na montagem dos filtros

piloto F1 e F3 ... 89

F2 e F4 ... 89

Figura 5.1 – Qualidade da água bruta, decantada e filtrada dos filtros piloto F2 e F3.

Carreira de Filtração 2 ... 96

Figura 5.2 – Qualidade da água filtrada dos filtros piloto F2 e F3. Carreira de

Filtração 2... 96

Figura 5.3 – Evolução de perda de carga dos filtros piloto F2 e F3. Carreira de

Filtração 2... 97

Figura 5.4 – Evolução temporal da perda de carga e penetração de impurezas para

o filtro piloto F2. Carreira de Filtração 2 ... 98

Figura 5.6 – Evolução temporal do parâmetro β para o filtro piloto F2. Carreira de

Filtração 2... 100

(8)

Figura 5.9 – Evolução temporal do parâmetro ψ para o filtro piloto F3. Carreira de

Figura 5.10 – Qualidade da água bruta, decantada e filtrada dos filtros piloto F2 a F4.

Figura 5.11 – Qualidade da água filtrada dos filtros piloto F2 a F4. Carreira de

5.12 – Evolução de perda de carga dos filtros piloto F2 a F4. Carreira de Filtração 3

... 104

Figura 5.15– Evolução temporal do parâmetro β para o filtro piloto F4. Carreira de

Figura 5.21 – Evolução de perda de carga dos filtros piloto F2 a F4. Carreira de

(9)

Filtração 10 ... 125

(10)

(11)

(12)

(13)

Figura 5.109 – Qualidade da água bruta, decantada e filtrada dos filtros piloto F1 a

F4. Carreira de Filtração 45 ... 171

(14)

(15)

Figura 5.131 – Vista dos grãos de antracito empregados na montagem dos filtros F1

e F3 (aumento de 10 vezes)... 189

Figura 5.132 – Vista dos grãos de areia empregados na montagem dos filtros F2 e

F4 (aumento de 10 vezes) ... 190

(16)

Figura 5.149 – Contagem de partículas para a água decantada e filtrada dos filtros

piloto F1 a F4. Carreira de Filtração 7 ... 206

Figura 5.154– Contagem de partículas para a água decantada e filtrada dos filtros

Figura 5.161 – Turbidez da água decantada em função dos seus valores de

(17)

Figura 5.162 – Contagem de partículas da água decantada em função da contagem

de partículas para a água filtrada (Filtro F1) para a faixa de 2 μm a 20 μm ... 213

de partículas para a água filtrada (Filtro F3) para a faixa de 2 μm a 20 μm. ... 214

Figura 5.166 – Qualidade da água decantada em função da contagem de partículas

para a água filtrada (Filtro F1) para a faixa de 2 μm a 20 μm ... 215

Figura 5.170 – Qualidade da água filtrada (Filtro F1) em função da contagem de

partículas para a água filtrada (Filtro F1) para a faixa de 2 μm a 20 μm ... 218

Figura 5.174 – Perda de carga em função da velocidade ascensional de água de

lavagem para os filtros piloto F1, F2, F3 e F4 ... 220

Figura 5.175 – Expansão dos materiais filtrantes dos filtros piloto em função da

velocidade ascensional de água de lavagem ... 223

Figura 5.176 – Perda de carga em função da velocidade ascensional de água de

lavagem para os filtros piloto F1 e F2 ... 225

Figura 5.177 – Expansão dos materiais filtrantes dos filtros piloto em função da

(18)

LISTA DE TABELAS

Tabela 3.1 – Propriedades típicas de materiais filtrantes utilizados na filtração de

águas de abastecimento ... 42

Tabela 3.2 – Definições de diâmetro virtuais de partícula ... 47

Tabela 3.3 – Características do antracito brasileiro ... 64

Tabela 3.4 - Granulometria típica de filtros para diferentes aplicações ... 65

Tabela 4.1 – Filtro Piloto F1. Características granulométricas dos materiais filtrantes empregados na operação do sistema de filtração em escala piloto ... 81

Tabela 4.5 – Características granulométricas dos materiais filtrantes empregados na montagem dos filtros piloto F1, F2, F3 e F4 ... 87

Tabela 4.6 – Filtro Piloto F1/F3. Características granulométricas dos materiais filtrantes empregados na operação do sistema de filtração em escala piloto ... 88

Tabela 4.7 – Filtro Piloto F2/F4. Características granulométricas dos materiais filtrantes empregados na operação do sistema de filtração em escala piloto ... 88

Tabela 4.10 – Quadro resumo dos ensaios de filtração realizados na condução dos ensaios de tratabilidade. Etapa 1 ... 94

(19)

Tabela 5.2 – Quadro resumo de valores de turbidez média e desvio padrão para

ensaios de filtração da Etapa 1 ... 139

Tabela 5.3 – Características granulométricas dos materiais filtrantes utilizados na

Etapa 2 ... 140

Tabela 5.5 – Características granulométricas dos materiais filtrantes utilizados na

Etapa 3 ... 191

Tabela 5.7 – Velocidades mínimas de fluidificação observadas e calculadas para os

filtros piloto F1, F2, F3 e F4. Etapa 1 ... 222

Tabela 5.8 – Velocidades mínimas de fluidificação observadas e calculadas para os

(20)

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ...23

2 OBJETIVOS ...25

3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ...26

3.1 HISTÓRIA DA FILTRAÇÃO ... 26

3.2 TEORIA DA FILTRAÇÃO ... 27

3.2.1 Mecanismos de transporte ... 30

3.2.1.1 Efeito de coar ... 31

3.2.1.2 Difusão ... 32

3.2.1.3 Sedimentação ... 33

3.2.1.4 Interceptação ... 33

3.2.1.5 Ação hidrodinâmica ... 34

3.2.1.6 Inércia ... 34

3.2.2 Mecanismos de aderência ... 34

3.2.2.1 Atração eletrostática ... 35

3.2.2.2 Forças de van der Waals ... 36

3.2.2.3 Hidratação ... 36

3.2.2.4 Adsorção mútua ... 37

3.2.3 Mecanismos de soltura ... 38

3.3 MATERIAIS FILTRANTES ... 38

3.3.1 Tamanho e distribuição do tamanho dos grãos ... 39

3.3.2 Forma e geometria dos grãos ... 40

3.3.3 Massa específica do grão ... 41

3.3.4 Dureza do grão ... 42

3.3.5 Porosidade do leito fixo ... 42

3.4 PERDA DE CARGA EM MEIOS FILTRANTES ... 44

3.5 LAVAGEM DE MEIOS FILTRANTES ... 48

3.5.1 Velocidade Mínima de Fluidificação (VMF) ... 49

3.5.2 Expansão do leito filtrante ... 53

3.5.3 Métodos de lavagem ... 59

(21)

3.5.3.2 Lavagem com água e sistema de lavagem superficial como auxiliar ... 60

3.5.3.3 Lavagem com ar unicamente seguido de água ... 61

3.5.3.4 Lavagem com ar e água simultaneamente ... 62

3.6 TIPOS DE FILTROS ... 62

3.6.1 Classificação de acordo com tratamento ... 62

3.6.2 Classificação de acordo com o material filtrante ... 63

3.6.3 Classificação com relação à taxa de filtração ... 66

3.6.3.1 Filtros lentos ... 66

3.6.3.2 Filtros rápidos ... 67

3.6.4 Classificação de acordo com o sentido do escoamento ... 68

3.6.5 Classificação de acordo com o arranjo hidráulico ... 69

3.6.6 Classificação de acordo com o mecanismo de ação ... 69

4 MATERIAIS E MÉTODOS ...70

4.1 APRESENTAÇÃO DA ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ÁGUA RIO GRANDE ... 70

4.2 DESCRIÇÃO DA INSTALAÇÃO PILOTO ... 74

4.3 DESCRIÇÃO DOS ENSAIOS EXPERIMENTAIS E MATERIAIS FILTRANTES EMPREGADOS ... 81

4.3.1 Etapa 1 ... 81

4.3.2 Etapa 2 ... 87

4.3.3 Etapa 3 ... 90

4.3.4 Roteiro de operação dos filtros piloto ... 91

4.3.5 Roteiro de lavagem dos filtros piloto ... 93

5 APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS

EXPERIMENTAIS ...95

5.1 APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS RELATIVOS AOS ENSAIOS DE FILTRAÇÃO – ETAPA 1 ... 95

(22)

5.5 APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS

RELATIVOS AOS ENSAIOS DE FLUIDIFICAÇÃO E EXPANSÃO ... 220

5.5.1 Apresentação e análise dos resultados experimentais relativos aos

ensaios de fluidificação e expansão – Etapa 1 ... 220

5.5.2 Apresentação e análise dos resultados experimentais relativos aos

ensaios de fluidificação e expansão – Etapa 2 e 3 ... 224

6 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES ... 228

REFERÊNCIAS ... 232

ANEXO A – Resultados referentes aos ensaios de filtração e

contagem de partículas da etapa 1 ... 235

ANEXO B – Resultados referentes aos ensaios de filtração e

contagem de partículas da etapa 2 ... 266

ANEXO C – Resultados referentes aos ensaios de filtração e

(23)

1 INTRODUÇÃO

Atualmente, mananciais para abastecimento público de grandes centros urbanos

vêm recebendo esgotos domésticos e efluentes industriais sem tratamento,

decorrente do crescimento populacional desordenado. Os nutrientes (nitrogênio e

fósforo) presentes em abundância nestes despejos tendem a causar

desenvolvimento excessivo de algas. Alguns gêneros de algas liberam toxinas

altamente solúveis que podem não ser retidas no tratamento convencional levando

um risco potencial ao consumidor.

O aumento na concentração de algas gera problemas no manancial e na estação de

tratamento. Segundo Di Bernardo (1995), podem ocorrer alterações diretas na

qualidade da água como o aumento de matéria orgânica e matéria dissolvida, o

aumento de pH e a diminuição do teor de oxigênio próximo ao sedimento. Isto leva a

efeitos no tratamento como o aumento de coagulante e alcalinizante para ajuste do

pH de coagulação, a formação de flocos leves necessitando do uso de polímeros

como auxiliar de coagulação para evitar a flotação dos mesmos, a diminuição da

eficiência de remoção de flocos por sedimentação gravitacional levando ao aumento

da turbidez e do número de partículas na água decantada, a obstrução do meio

filtrante, a redução da carreira de filtração e aumento do consumo de água para

lavagem, dentre outros.

O Reservatório do Rio Grande, utilizado para abastecimento público na Região

Metropolitana de São Paulo (RMSP), vem apresentando um aumento no grau de

eutrofização de seu corpo d’água e elevada concentração de algas, pelo fato de

receber uma grande carga de esgotos sanitários sem tratamento. Isto vem causando

dificuldades na operação da Estação de Tratamento de Água Rio Grande (ETA Rio

Grande) que é alimentada por este reservatório.

Atualmente, a ETA Rio Grande opera o seu sistema de filtração com duas diferentes

concepções: a ala “velha” que possui quatorze filtros de dupla camada

areia-antracito e a ala “nova” que apresenta quatro filtros de camada profunda de areia.

Com o aumento na concentração de algas na água bruta durante determinados

períodos do ano, exige-se uma maior aplicação de coagulante, aumento das

(24)

durante as suas operações de lavagem. E devido ao grande aumento na

concentração de algas na água bruta ao longo do tempo, o sistema de filtração

atualmente em operação na ala nova vem apresentando problemas de transpasse

de microrganismos, o que tem causado uma série de transtornos operacionais

durante a operação das suas carreiras de filtração.

Uma vez que está previsto a transformação dos filtros da ala velha, dupla camada

areia-antracito, para camada profunda de areia, fez-se necessário um estudo mais

pormenorizado do comportamento da concepção do sistema de filtração com

respeito à sua granulometria e taxas de filtração operacionais. Para tanto, foi

operado um conjunto de filtros piloto com diferentes concepções de filtros rápidos

por gravidade de camada profunda (granulometria, espessura e tipos de materiais

filtrantes) de modo que pudessem ser obtidos parâmetros de projeto a fim de

oferecer subsídios à reforma dos filtros atualmente existentes no Sistema Produtor

do Rio Grande.

É importante ressaltar que as propriedades de cada material filtrante podem afetar a

eficiência da filtração, a evolução da perda de carga através do meio, as taxas de

lavagem para o leito filtrante, e a durabilidade do material, em longo prazo, como

leito filtrante.

Assim, os estudos de filtração em escala piloto foram executados tendo por objetivo

avaliar o comportamento do sistema de filtração atualmente existente na ETA Rio

Grande com respeito à remoção de turbidez e partículas, evolução de perda de

carga, sistema de lavagem e demais parâmetros de controle, bem como estudar

diferentes concepções de filtros passíveis de serem implementados no Sistema

(25)

2 OBJETIVOS

.

Este projeto de pesquisa teve por objetivo estudar e avaliar a etapa de filtração no

processo de tratamento de água para abastecimento público através de um sistema

de filtração piloto composto por quatro filtros rápidos por gravidade de camada

profunda, com diferentes concepções (granulometria, espessura e tipos de materiais

filtrantes), instalados nas dependências da Estação de Tratamento de Água Rio

Grande, localizada no município de São Bernardo do Campo e operada pela

Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo (SABESP), a fim de se

otimizar a eficiência do sistema de filtração com respeito à remoção de material

particulado e evolução da perda de carga, comparando-se os resultados entre as

concepções de filtros estudadas.

Mais especificamente, o propósito deste estudo experimental foi:

• Estudar e avaliar quatro diferentes concepções de filtros piloto, usando como material filtrante areia e antracito, separadamente e em conjunto, com

diferentes granulometrias. Sendo que uma das concepções foi semelhante à

utilizada nos filtros da ETA Rio Grande;

• Estudar e avaliar a operação de dois filtros, um de areia e o outro de antracito, em condições idênticas, ambos com a mesma granulometria, que foi definida

através dos resultados da 1ª etapa;

• Estudar a operação de quatro filtros de diferentes profundidades, dois de areia e dois de antracito, a fim de avaliar a influência do aumento de leito

filtrante;

• Estudar e avaliar a fluidificação e expansão do leito dos filtros piloto a fim de definir parâmetros de dimensionamento do sistema de lavagem em

contracorrente com ar e água, sendo avaliadas as vazões de água de

lavagem necessárias para atingir determinados valores de expansão nos

meios filtrantes, determinar a velocidade mínima de fluidificação para

simultânea lavagem com ar e água e obtenção das curvas de evolução da

(26)

3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

3.1 HISTÓRIA DA FILTRAÇÃO

A filtração é conhecida pelo Homem desde os primórdios da humanidade.

Acredita-se que os homens das cavernas coletavam a água que pingava ou escorria de

rochas porosas ou dos interstícios entre rochas, por ser a mesma mais limpa.

No princípio, a filtração era utilizada com fins domésticos, onde se utilizavam pedras

porosas, esponjas marinhas, panos, lãs, etc.

Segundo Baker (1949 apud Montgomery 1985, p.153) o primeiro registro que se tem

do uso de filtros para tratamento de água ocorreu cerca de 3000 anos atrás, na

Índia.

Aplicações modernas de filtros para purificação de águas de abastecimento datam

do século XVIII.

A comercialização de água começou na França, por volta de 1856. Também nesta

época, surgiu uma polêmica a respeito da filtração. Alguns acreditavam que, na

filtração, as partículas maiores ficariam retidas nas camadas compostas por grãos

de areia de maior diâmetro, ou até mesmo nos cascalhos da camada suporte,

enquanto que as partículas menores seriam retidas na camada de areia de grãos

menores que estariam no topo do filtro. Portanto, o fluxo ascendente no processo de

filtração apresentaria melhores resultados. Mas, a experiência e a prática mostraram

que a filtração com fluxo descendente foi mais aceita.

Com o surgimento da bacteriologia, a filtração passou a ser mais valorizada e se

desenvolveu ao longo dos anos, através de unidades de filtração piloto instaladas

junto às estações de tratamento de água, ganhando mais atenção dos

(27)

3.2 TEORIA DA FILTRAÇÃO

A filtração de água para fins de abastecimento público é um processo de remoção

de material particulado já presente na água bruta ou gerado durante os processos

de tratamento. Neste processo a água passa através do leito filtrante, e os materiais

particulados são retidos na superfície do leito ou são coletados dentro de sua

profundidade. Os filtros têm sido efetivos na remoção de material particulado de

todos os tamanhos incluindo algas, compostos húmicos coloidais, vírus, fibras de

asbestos e particulados coloidais de argilas.

O material particulado na água causa aumento de turbidez. O nível de turbidez

selecionado para assegurar uma desinfecção adequada, raramente pode ser obtido

apenas pela etapa de coagulação e sedimentação. Assim, a filtração assume o

papel da barreira final do tratamento para remoção de partículas indesejáveis em

tratamento de água.

Até a década de 50, acreditava-se que os principais mecanismos de filtração eram

puramente físicos. Além das partículas do leito granular, as partículas que aderem

ao meio granular são também responsáveis pela filtração. Em 1964, O’Melia passou

a caracterizar o processo de filtração como uma combinação entre processos físicos

e químicos, onde a eficiência de remoção da partícula é determinada por várias

variáveis como o tipo de meio filtrante (tamanho, profundidade e material), a

composição química da água, a composição química da superfície das partículas e a

composição química da superfície do leito filtrante.

Segundo O’Melia et al. (1967), a filtração é composta por dois diferentes

mecanismos: um mecanismo de transporte, que envolve a passagem da partícula da

fase líquida até a superfície do meio filtrante, e um mecanismo de aderência, que

caracteriza as forças superficiais envolvidas entre as partículas e os grãos que

compõem o meio filtrante. Além destes mecanismos, Di Bernardo (2005) considera

também o desprendimento, que ocorre quando as forças de cisalhamento resultante

das características do escoamento ao longo do meio filtrante superam as forças de

aderência.

Segundo DI BERNARDO (2005), a carreira de filtração pode ser dividida em três

(28)

2. etapa intermediária, durante a qual há produção de água com qualidade

desejável;

3. etapa do traspasse, caracterizada pelo aumento contínuo da turbidez da água

filtrada.

Figura 3.1 – Etapas do processo de filtração com taxa constante Fonte: DI BERNARDO, 2005

Na etapa inicial da carreira de filtração, também chamada maturação, a produção de

água com qualidade insatisfatória tem sido creditada principalmente à lavagem.

Durante o processo de filtração, se a taxa de filtração permanecer constante, a

velocidade de escoamento nos poros (velocidade intersticial) aumenta em função

das partículas retidas, causando o arrastamento das partículas para subcamadas

inferiores do meio filtrante até aparecerem na água filtrada, ocasionando o

traspasse.

A situação ideal é aquela em que o início do traspasse e a perda de carga limite no

meio filtrante ocorrem simultaneamente (Figura 3.1).

Com a variação das características da água afluente aos filtros ou das condições de

operação da filtração, podem ocorrer duas situações que levem ao encerramento da

carreira de filtração (Figura 3.2): a turbidez da água filtrada é baixa, porém a perda

de carga total iguala-se à carga hidráulica disponível total (situação A), e quando a

evolução de perda de carga é baixa, porém ocorre o aumento contínuo da turbidez a

(29)

Figura 3.2 – Representação esquemática do funcionamento de filtros Fonte: DI BERBARDO, 2005

É importante salientar que, por segurança, durante a carreira de filtração não pode

ocorrer o traspasse, ou em caso extremo, a carreira de filtração deve ser encerrada

com o início do mesmo. Quando ocorre o traspasse significa que o meio filtrante não

é mais capaz de reter impurezas ocasionando o aumento do número de organismos

na água filtrada. Este aumento de turbidez e número de organismos podem

comprometer a desinfecção.

A Figura 3.3 apresenta uma ilustração simplificada dos mecanismos de transporte,

(30)

Figura 3.3 – Mecanismos de transporte, aderência e desprendimento durante a filtração Fonte: DI BERNARDO, 2005

Na Figura 3.3 pode-se observar que as partículas previamente removidas passam a

atuar como coletores adicionais.

3.2.1 Mecanismos de transporte

Os mecanismos de transporte são responsáveis por conduzir as partículas

suspensas para as proximidades das superfícies dos coletores (material granular

que compõe o leito filtrante), podendo permanecer aderidas a estes 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.

Os mais importantes mecanismos de transporte são: efeito de coar, difusão,

(31)

Figura 3.4 – Mecanismos de transporte de partículas para a superfície de um coletor. Fonte: IVES, 1970

3.2.1.1 Efeito de coar

Esta operação consiste basicamente na retenção de partículas incapazes de passar

através dos interstícios dos grãos do material filtrante, ou seja, ocorre na camada

(32)

Figura 3.5 - Relação de diâmetro entre uma partícula de diâmetro conhecido e o diâmetro de seus interstícios.

Fonte: HUISMAN, 1974

Grãos esféricos de tamanho uniforme retêm-se partículas com diâmetros iguais a,

aproximadamente, um sétimo de diâmetro dos grãos de areia.

Quanto maior o diâmetro do grão do material filtrante, maior será o interstício entre

os grãos (Figura 3.5). Portanto, por apresentarem diâmetro de grãos menor, os filtros

lentos são capazes de reter as menores partículas que não são retidas em filtros

rápidos.

Assim, o efeito de coar é considerado desprezível em filtros rápidos e mais eficientes

para a filtração lenta que usa diâmetros efetivos muito menores.

3.2.1.2 Difusão

O movimento browniano, devido à energia térmica das moléculas de água, provoca

uma movimentação aleatória das partículas suspensas, à medida que essas se

deslocam nas linhas de fluxo, através do meio filtrante (Figura 3.4b).

Partículas com diâmetros superiores a 1μ que são, face ao seu tamanho,

influenciadas pelos seus mecanismos de transporte gravitacionais, não são

significativamente removidas devido ao movimento browniano, uma vez que a

agitação térmica das moléculas de água não consegue agitá-las a distâncias

superiores a um ou dois de seus diâmetros. Por outro lado, nas partículas com

(33)

de fazer com que elas abandonem as linhas de corrente, sendo transportadas para a

superfície dos grãos de areia.

3.2.1.3 Sedimentação

A velocidade de sedimentação das partículas influencia o mecanismo de

sedimentação. As partículas de grande diâmetro e elevada densidade revelam

grande tendência de abandonar as linhas de fluxo e sedimentar sobre a superfície

dos grãos de areia voltados para a parte de cima dos leitos filtrantes (Figura 3.4d).

O mecanismo de sedimentação do leito filtrante aumenta proporcionalmente a razão

entre a velocidade de sedimentação das partículas e a taxa de filtração ou

velocidade de aproximação. Para uma mesma distribuição de partículas em

suspensão, os filtros lentos de areia proporcionariam, portanto, uma maior retenção

da material suspenso devido ao mecanismo de sedimentação, uma vez que operam

com taxas de filtração muito pequenas.

3.2.1.4 Interceptação

Neste mecanismo, as partículas carreadas nas linhas de fluxo que se aproximam

dos grãos de areia a distâncias menores do que o raio das próprias partículas são

interceptadas por esses grãos (Figura 3.4a). Esse efeito é tanto mais significativo

quanto maior for a relação entre o diâmetro das partículas que são removidas e o

diâmetro dos grãos. Portanto, deve ser mais significativo nos filtros lentos de areia

(34)

3.2.1.5 Ação hidrodinâmica

A ação hidrodinâmica provoca nas partículas de impureza um efeito similar

provocado pelo movimento browniano, porém devido a causas completamente

diferentes. Pelo fato de haver, nos poros do meio filtrante, um gradiente de

velocidade, as partículas adquirem uma rotação em torno de si próprias. Esse efeito,

conjugado com o desequilíbrio motivado pela não esfericidade da maioria das

partículas em suspensão, faz com que as mesmas adquiram uma espécie de

vibração aleatória, o que pode provocar a sua colisão com a superfície dos grãos de

areia (Figura 3.4e).

3.2.1.6 Inércia

As partículas com densidade elevada tendem, devido à sua inércia, a manter a

direção de escoamento, abandonando as linhas de fluxo à medida que essas se

desviam dos grãos de areia (Figura 3.4c). Esse desvio provoca a retenção dessas

partículas nos grãos do meio filtrante. A retenção por inércia é diretamente

proporcional à densidade e ao diâmetro das partículas e taxa de filtração, e

inversamente proporcional à densidade da água e ao diâmetro dos grãos. A inércia

mostra-se um mecanismo bastante importante na filtração do ar, devido à sua baixa

viscosidade, porém pouco significativo na filtração de água.

3.2.2 Mecanismos de aderência

As partículas tanto podem aderir diretamente às superfícies dos grãos como às

(35)

O fato de as partículas suspensas através dos mecanismos de transporte serem

carreadas para a superfície dos grãos de areia não significa que estas

permanecerão aderidas a essas superfícies. Se não houver uma “afinidade”

físico-química entre as superfícies dos grãos de areia e das partículas, e se determinadas

condições não forem satisfeitas, as partículas poderão retornar às linhas de corrente

e serem carreadas leito abaixo, onde terão novamente a possibilidade de serem

retidas ou atravessarão a camada filtrante, saindo com o efluente do filtro. Os

principais mecanismos de aderência que permitem essa permanência da partícula

junto aos grãos de areia são: atração eletrostática, forças de wan der Waals,

reações de hidratação, adsorção mútua e “mecanismos” de soltura.

3.2.2.1 Atração eletrostática

A interação elétrica da dupla camada entre duas partículas em meio líquido pode

provocar uma atração ou repulsão entre elas, dependendo das mesmas terem

potencial eletrocinético (potencial zeta ou mobilidade eletroforética) com sinais iguais

ou diferentes.

Devido à natureza de sua estrutura cristalina, o quartzo, de que se constitui a

maioria dos grãos utilizados nos meios filtrantes, possui carga elétrica negativa,

desenvolvendo, portanto, em meio líquido, um potencial zeta do mesmo sinal.

Poderá, então, atrair partículas carregadas positivamente, como cristais de

carbonato, flocos de hidróxido de ferro ou alumínio, e cátions de ferro, manganês,

alumínio e outros metais. Entretanto, as partículas coloidais (como, por exemplo, as

argilas que dão normalmente turbidez às nossas águas superficiais) e as bactérias

possuem carga elétrica negativa sendo normalmente repelidas quando, através dos

mecanismos de transporte, aproximam-se dos grãos de areia dos leitos filtrantes.

Esta é uma razão pelas quais tais impurezas não são removidas quando um filtro

com areia limpa é colocado em serviço.

Durante o processo de amadurecimento as partículas com carga negativa podem

acumular-se nos grãos de areia. Isto provoca uma reversão de carga, que torna esse

(36)

Nessas condições, o grão de areia passa a ter um potencial eletrocinético positivo,

podendo, então, remover as partículas carregadas negativamente, como por

exemplo, material coloidal de origem animal ou vegetal, e radicais do tipo dos

nitratos e fosfatos. Essa reversão de carga pode acontecer continuamente até que a

camada filtrante superior se sature e necessite ser removida.

3.2.2.2 Forças de van der Waals

As forças de van der Waals são forças atrativas entre átomos e moléculas e

contribuem para a interação das partículas suspensas com os grãos de areia nos

meios filtrantes. Entretanto, sua atuação é muito limitada porque têm significado

apenas quando a distância entre as partículas e os grãos de areia é inferior a 0,05μ.

A ação combinada da dupla camada e das forças de van der Waals é geralmente

estudada em conjunto, estabelecendo-se uma resultante entre as duas ações para

determinar a magnitude das forças resultantes.

Embora não se possa alterar as forças de van der Waals, é possível atuar sobre o

potencial zeta das partículas, de modo a promover a aderência aos grãos de areia.

Seria interessante, por exemplo, estudar a aplicação de polieletrólitos catiônicos

durante a fase inicial de um filtro lento, a fim de provocar a reversão de carga das

partículas de areia, permitindo, desde o início da operação, a remoção de partículas

coloidais e bactérias, as quais são carregadas negativamente.

3.2.2.3 Hidratação

Neste mecanismo, a aderência pode ocorrer através formação de uma ponte de

hidrogênio entre a superfície das partículas e os grãos de areia, pois ambas

(37)

de uma ligação relativamente fraca, podendo ser rompida por energia térmica das

moléculas de água.

3.2.2.4 Adsorção mútua

Este mecanismo envolve a formação de cadeias e pontes entre polímeros que

estejam adsorvidos na superfície da partícula e na superfície do coletor.

Como no mecanismo de filtração a interação ocorre entre a partícula e a superfície

de cada grão que compõe o meio filtrante, a ação de um polímero pode ocorrer entre

a parte remanescente da cadeia polimérica ligada à partícula e a superfície do

coletor, como pode ocorrer também entre a parte da cadeia polimérica adsorvida na

superfície do coletor e a partícula (Figura 3.6).

(38)

3.2.3 Mecanismos de soltura

As partículas aderidas aos grãos de areia em um leito filtrante, através dos

mecanismos descritos anteriormente, constituem-se em uma estrutura bastante

sólida. Atualmente, os diversos autores divergem sobre a possibilidade de romper

essa estrutura e transferir novamente as partículas aderidas para as linhas de

corrente, quando o filtro é operado à taxa de filtração constante. Entretanto, alguns

deles notaram a ocorrência de soltura das partículas aderidas com a conseqüente

deterioração da qualidade da água filtrada, quando ocorrem variações bruscas na

taxa de filtração. Esse efeito é bastante significativo nos filtros lentos de areia, o que

leva a considerações importantes no projeto e operação dessas unidades de

tratamento, visando à manutenção de taxas de filtração constantes. Segundo

Montgomery (1985), assim que o material particulado é retido nos poros do meio

filtrante, forças de cisalhamento hidrodinâmicas tendem a aumentar devido ao

aumento da velocidade dentro do poro. Se a força de cisalhamento aumentada

excede a força química da superfície que segura as partículas à superfície, sólidos

retidos podem ser desprendidos e rearrastados na água.

3.3 MATERIAIS FILTRANTES

Os tipos comuns de materiais usados em filtros de leito granular são areia, carvão

antracito, e garnet ou ilmenita. Estes podem ser usados sozinhos ou em

combinações de dupla ou tripla camada.

As propriedades do material filtrante são importantes, pois afetam a eficiência de

filtração. Estas propriedades incluem: tamanho, formato, densidade e dureza. A

porosidade do leito granular formado pelos grãos também merece atenção. Deve-se

ressaltar também que, para qualquer material filtrante, a solubilidade em ácido

clorídrico deve ser a menor possível, no caso do antracito, menor ou igual a 1%. O

(39)

presentes no material filtrante, os quais podem ser lixiviados para a água,

prejudicando com isso a qualidade final da água tratada.

3.3.1 Tamanho e distribuição do tamanho dos grãos

O tamanho e a distribuição do tamanho dos grãos são determinados a partir da

curva de distribuição granulométrica (Figura 3.7) obtida através de ensaios de

distribuição granulométrica do material granular, utilizando-se peneiras

padronizadas. Através dos resultados destes ensaios, pode-se também determinar o

coeficiente de uniformidade (CU), que é muito importante na filtração. Mesmo que os

demais parâmetros sejam iguais, a penetração de impurezas ao longo do material

filtrante está intimamente relacionada a este coeficiente. Quanto menor o valor de

CU, mais uniforme será o material, mais profunda será a retenção de impurezas e

(40)

Figura 3.7 – Curva granulométrica típica de um material filtrante. Fonte: DI BERNARDO, 1991

A escolha da granulometria de um meio filtrante depende de diversas variáveis, tais

como taxa de filtração, carga hidráulica disponível, qualidade do afluente, qualidade

desejável do efluente, sistema de lavagem e espessura da camada filtrante. Assim,

estudos em instalação piloto contribuiriam para a definição da granulometria. Como

estes se tornam inviáveis por serem muito onerosos e consumirem muito tempo, na

prática, a escolha é baseada em estudos anteriores e experiências prévias em

outras estações.

3.3.2 Forma e geometria dos grãos

A forma e a geometria dos grãos exercem grande influência na perda de carga no

meio filtrante limpo, na velocidade mínima de fluidificação e no comportamento da

expansão durante a lavagem. São também importantes na eficiência dos

mecanismos de transporte de partículas da fase líquida para a sua superfície, uma

(41)

das linhas de corrente, o que pode acarretar um aumento na probabilidade de

captura de uma partícula qualquer.

Segundo Kawamura (1999), o formato do grão do leito filtrante pode afetar a

filtração. Grãos de formato angular têm melhor desempenho que grãos de formato

arredondado quando não é utilizado polímero como auxiliar de filtração, devido à

maior proporção de porosidade e possivelmente a disponibilidade de mais locais de

adsorção sobre cada grão angular. Quanto mais irregular for a forma geométrica dos

grãos, melhor o desempenho durante a filtração.

No caso do carvão antracito, por exemplo, a forma geométrica angular e irregular de

suas partículas e o seu baixo peso específico tornam o leito filtrante praticamente

imune ao efeito de compactação, resultando em um melhor desempenho durante a

filtração.

3.3.3 Massa específica do grão

É definida como sendo a massa de material dividida pelo seu volume. É um

parâmetro muito importante para o cálculo de perda de carga, fluidificação e

expansão do meio filtrante.

Partículas com diâmetros iguais, mas com diferentes valores de massa específica,

requerem diferentes velocidades ascensionais de água para a sua fluidificação, e

esta propriedade é muito importante quando da definição dos materiais que,

porventura, irão constituir meios filtrantes bifásicos ou trifásicos.

A obtenção da massa específica de certo material filtrante é rápida e sua técnica é

bem conhecida. A técnica do picnômetro, largamente utilizada dentro da Mecânica

(42)

3.3.4 Dureza do grão

A dureza dos grãos do material filtrante é importante para a durabilidade dos grãos

e, conseqüentemente, para a vida útil do leito filtrante.

Durante o processo de lavagem, com a fluidificação e expansão do meio filtrante,

caso o material não possua uma resistência mínima à abrasão, ele tenderá a se

desintegrar em grãos menores e com isto a sua curva granulométrica será alterada,

o que pode comprometer o processo de filtração.

Sistemas que possuem lavagem com ar como auxiliar são os que mais podem

causar abrasão entre os grãos do meio filtrante, de forma a possibilitar a sua ruptura.

O carvão antracito e o carvão ativo granular são os únicos materiais usados como

leito filtrante que merecem atenção devido às suas baixas durezas.

3.3.5 Porosidade do leito fixo

É definida com a relação entre o volume de vazios e o volume total do meio filtrante.

É um parâmetro, importante, pois afeta a velocidade da água de lavagem, a perda

de carga, e a capacidade de reter sólidos no meio. A porosidade do leito fixo é

afetada pela esfericidade do grão.

A Tabela 3.1 a seguir apresenta os valores característicos de massa específica,

porosidade e coeficiente de esfericidade para os materiais mais utilizados como

meios filtrantes.

Tabela 3.1 – Propriedades típicas de materiais filtrantes utilizados na filtração de águas de abastecimento

Areia Antracito CAG Garnet

Massa específica (kg/m3) 2650 1450 – 1730 1300 – 1500 3600 – 4200

Porosidade 0,42 – 0,47 0,56 – 0,60 0,50 0,45 – 0,55

CU 0,7 – 0,8 0,46 – 0,60 0,75 0,60

(43)

Ao se considerar o uso de leitos filtrantes, dois tipos básicos de informação são

utilizados para selecionar a profundidade e o diâmetro adequados dos mesmos

(KAWAMURA, 1999):

1. Resultados obtidos de estudos de filtros piloto. Estes estudos devem ser

realizados durante, no mínimo, seis meses para se obter dados confiáveis. O

longo período de duração dos ensaios mais o seu custo podem torná-lo

inviável.

2. Relação L/d. A relação L/d, onde L é a profundidade do leito em mm e d é o

diâmetro efetivo dos grãos do leito filtrante em mm, é baseada em mais de

200 estudos piloto e em dados de desempenho de muitos filtros operacionais,

e sugere alguns valores típicos:

• L/d≥ 1000 para leitos de areia fina em filtros de camada única e dupla;

• L/d≥ 1250 para leitos de tripla camada (antracito, areia, garnet);

• L/d ≥ 1250 para leitos profundos de camada única (1,0 mm < d < 1,5

mm);

• L/d = 1250 – 1500 para leitos grosseiros profundos de camada única (1,5 mm < d < 2,0 mm).

Segundo AWWA (1999), este é um conceito simples para um processo complexo,

(44)

3.4 PERDA DE CARGA EM MEIOS FILTRANTES

Em uma carreira de filtração, num certo instante de tempo, a perda de carga no meio

filtrante é composta de dois termos (Figura 3.8):

Figura 3.8 – Evolução de perda de carga em um meio filtrante com o tempo

ΔH = ΔHo + ΔHIMP (1)

Onde:

ΔH = perda de carga total nomeio filtrante (L),

ΔHo = perda de carga no meio filtrante limpo (L),

ΔHIMP = perda de carga no meio filtrante devido à retenção de impurezas (L).

Na literatura, são apresentadas diversas formulações matemáticas para o cálculo da

perda de carga em um meio filtrante limpo. Uma das equações mais empregadas é a

fórmula de Carman-Koseny, que foi deduzida supondo que o escoamento em meios

porosos pode ser tratado de forma análoga ao escoamento de um fluído em um