Comportamento de filtros rápidos de camada profunda no tratamento de águas de abastecimento...

(1)

COMPORTAMENTO DE FILTROS RÁPIDOS DE CAMADA PROFUNDA NO TRATAMENTO DE ÁGUAS DE ABASTECIMENTO MEDIANTE O EMPREGO

DE POLÍMEROS COMO AUXILIARES DE FILTRAÇÃO

(2)

Tese apresentada à Escola

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

(3)

Tese apresentada à Escola

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

Área de concentração:

Engenharia Hidráulica e Sanitária Orientador: Prof. Livre-Docente Sidney Seckler Ferreira Filho

(4)

DEDICATÓRIA

(5)

Ao Prof. Dr. Sidney Seckler Ferreira Filho pela orientação durante todo o trabalho e pela amizade demonstrada durante todo o doutorado.

À Andrea Grotti Clemente, por todo amor, companheirismo e compreensão durante todos esses anos e por entender que os sacrifícios iniciais dessa escolha de vida se transformarão em frutos muito em breve.

Aos meus pais, Paulo Roberto Almeida Abreu e Lena Maria Alexandre Brasil, que, acima de tudo, sempre acreditaram em mim e estiveram presentes de maneira muito positiva em todos os momentos importantes da minha vida.

Aos meus irmãos, Juliana e Marcos Brasil Abreu, que são muito mais do que irmãos, são companheiros para todas as horas.

À Ana Lúcia Brasil e Rosa Sartori Brandão, que sempre estiveram junto comigo.

Aos colegas de trabalho, Manuel de la Iglécia e Nádia Brinck, pela troca de idéias e ensinamentos durante a realização da pesquisa.

À SABESP – Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo, que além de permitir a utilização do espaço físico para montagem experimental, esteve sempre à disposição para ajudar em todos os aspectos necessários.

A toda turma da mecânica da ETA Rio Grande, em especial Álvaro e Marquinhos, pela interminável ajuda na montagem e conserto dos filtros piloto.

Aos técnicos do Laboratório de Química da ETA Rio Grande, sobretudo à Francisco Chagas e Ednei pela constante ajuda e cooperação ao longo de toda a fase experimental.

Às secretárias do Departamento de Hidráulica e Saneamento da Poli, Iara, Ângela e Wandréa, pela disposição em ajudar no que fosse possível.

Aos amigos de engenharia Michel Portela Paixão “in memorian”, Sérgio Luis Siebra Moreira e Carlos Ubirajara Lima Asfor, sem os quais eu não teria conseguido chegar até aqui.

(6)

À Universidade de São Paulo (USP) – e em especial à Escola Politécnica de São Paulo – por toda a estrutura concedida e pela possibilidade de desenvolver um trabalho de grande nível.

À Fapesp – Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo – pela bolsa de estudos concedida e pela confiança no trabalho.

(7)

A mente que se abre a uma nova idéia jamais voltará ao seu tamanho original.

(8)

RESUMO

ABREU, S.B. (2009). Comportamento de filtros rápidos de camada profunda no tratamento de águas de abastecimento mediante o emprego de polímeros como auxiliares de filtração. São Paulo, Tese (Doutorado) – Escola Politécnica de São Paulo, Universidade de São Paulo.

(9)

polímero. Os resultados experimentais possibilitaram concluir que a adoção do antracito como material filtrante do tipo camada única e profunda apresenta a vantagem de permitir uma menor velocidade ascensional de água de lavagem para uma determinada expansão quando comparado a um filtro de areia de idêntica granulometria. A aplicação dos polímeros catiônicos e do polímero aniônico como auxiliares de filtração não proporcionou – para nenhuma dosagem utilizada – melhora significativa no comportamento dos filtros. Uma eventual melhora ou piora foi insignificante e estava ligada à qualidade da água decantada. No que diz respeito à perda de carga, os filtros com antracito tiveram carreiras de filtração mais longas quando comparados com os de areia, independente da utilização dos polímeros.

(10)

ABSTRACT

ABREU, S.B. (2009). Behavior of Deep Bed Rapid Filters Treating Public Water Supplies through the use of polymers as filter aids. Sao Paulo, Thesis (PhD.) – Polytechnic School of Sao Paulo, University of Sao Paulo.

(11)

filters, regardless of applied polymer dosage. Any eventual improvement or worsening was not significant and was closely related to the settled water quality. Regarding the head loss, the filters with anthracite had longer filtration careers when compared to sand, regardless the use of polymers.

(12)

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

RMSP Região Metropolitana de São Paulo ETA Estação de Tratamento de Águas

SABESP Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo CAG Carvão Ativado Granular

NMP Número Mais Provável

CETESB Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental OMS Organização Mundial de Saúde

AWWA American Water Works Association CAP Carvão Ativado em Pó

(13)

LISTA DE SÍMBOLOS

ρs Densidade

ε0 Porosidade

CD Coeficiente de uniformidade

Dio Diâmetro

pH potencial hidrogeniônico

COT Carbono Orgânico Total

DQO Demanda Química de Oxigênio O.D. Concentração de Oxigênio Dissolvido N-NO3- Concentração de Nitrato

N-Amon Concentração de Nitrogênio Amoniacal

β Evolução temporal da perda de carga

ψ Análise espacial da variação da perda de carga no meio filtrante

∆H(i-j,t) Valores de perda de carga no segmento i-j para o tempo igual a t

∆H(i-j,0) Valores de perda de carga no segmento i-j para o tempo igual a 0

∆H(Total,t) Valores de perda de carga total para o tempo igual a t

∆H(Total,0) Valores de perda de carga total para o tempo igual a 0

VMF Velocidade mínima de fluidificação Re Número de Reynolds

GA Número de Galileu g Aceleração da gravidade

(14)

SUMÁRIO

1. Introdução______________________________________________ 16

2. Objetivo________________________________________________ 20

3. Revisão bibliográfica______________________________________ 21

3.1. Histórico do processo de filtração _____________________________ 21

3.2. Teoria da filtração em um meio granular________________________ 22

3.3. Classificação dos sistemas de filtração_________________________ 26

3.3.1. Classificação Quanto à Taxa de Filtração _________________________ 26 3.3.2. Classificação com Relação ao Material Filtrante ____________________ 28 3.3.3. Classificação Quanto ao Sentido do Escoamento ___________________ 30 3.3.4. Classificação em Relação ao Tratamento _________________________ 31 3.4. Coagulação química da água ________________________________ 33

3.4.1. Polímeros como Auxiliares de Filtração ___________________________ 34

4. Material e métodos _______________________________________ 39

4.1 Generalidades ____________________________________________ 39

4.1.1. Reservatório Billings__________________________________________ 39 4.1.2. Estação de Tratamento de Água do Rio Grande ____________________ 41 4.2. Aparato experimental ______________________________________ 43

4.3. Procedimento experimental _________________________________ 52

4.3.1. Cálculo de Penetração de Impurezas ____________________________ 60 4.3.2. Descrição dos ensaios de fluidificação e expansão dos meios filtrantes__ 61 4.3.3. Descrição dos ensaios relativos à filtração ________________________ 62 4.4. Análises realizadas ________________________________________ 64

5. Resultados experimentais _________________________________ 66

5.1. Ensaios de fluidificação e expansão dos materiais filtrantes ________ 66

(15)

5.2.1 Polímeros catiônicos __________________________________________ 69

5.2.1.1 Polímero CA-2577/Dosagem de 1 mg/L ________________________ 71

5.2.1.2 Polímero CA-2577/Dosagem de 0,5 mg/L______________________ 120

5.2.1.3 Polímero CA-2577/Dosagem de 0,25 mg/L_____________________ 156

5.2.1.7 Polímero CD-2592/Dosagem de 0,05 mg/L ____________________ 234

5.2.2 Polímero Aniônico ___________________________________________ 290

6. Conclusões ____________________________________________ 313

(16)

1. Introdução

A água é o elemento fundamental da vida. Seus usos múltiplos são indispensáveis à maior parte das atividades humanas, como, por exemplo, abastecimento público e industrial, irrigação agrícola, produção de energia elétrica, atividades de lazer, assim como preservação da vida aquática.

O desenvolvimento econômico e tecnológico que marcou o século passado trouxe inúmeras facilidades e comodidades para os seres humanos, contribuindo para a elevação da expectativa de vida em muitos países. Por outro lado, tal desenvolvimento, por ter sido conduzido de forma desordenada, não considerou questões importantes como às relacionadas ao meio ambiente e, conseqüentemente, à qualidade de vida das pessoas.

A crescente expansão demográfica e industrial observada nas últimas décadas causou o comprometimento das águas dos rios, lagos e reservatórios. Esse quadro levou à ocorrência de florações de algas em reservatórios utilizados para abastecimento público, prejudicando assim seus usos múltiplos.

O abastecimento de água da Região Metropolitana de São Paulo (RMSP) é de natureza muito complexa. Apresenta um total de 8 sistemas produtores, sendo estes compostos por estações de tratamento de água operando com vazões de 0,1 m3/s a 33 m3/s, sendo que a grande maioria dos mananciais utilizados para abastecimento público são constituídos por reservatórios de acumulação, apresentando significativo grau de eutrofização e elevada concentração de algas na água bruta.

Alguns gêneros de algas, em especial as do grupo cianofíceas ou cianobactérias, podem produzir toxinas altamente potentes (hepatoxinas e neurotoxinas) e também metabólitos que causam gosto e odor, alterando as características organolépticas da água tratada. As florações de algas tóxicas apresentam um risco potencial ao usuário da água, pois as toxinas são altamente solúveis, podendo passar pelo sistema de tratamento convencional (KARNER et al., 2001).

(17)

de coagulação e floculação da água bruta precisam ser realizadas com muito critério, de forma a permitir que na filtração haja a adequada remoção de material coloidal e particulado presente na água bruta.

Deste modo, por ser a filtração a última operação unitária empregada na remoção de material particulado e coloidal presente na água bruta, esta assume importância significativa na produção de água filtrada. É necessário que esta atenda aos padrões de potabilidade vigentes, como também possibilite a otimização do processo de desinfecção, realizado a seguir.

Em face de tais dúvidas, este projeto de pesquisa se propôs a estudar a viabilidade técnica de emprego de tais sistemas de filtração, tendo como premissa básica a sua operação diretamente nas dependências na Estação de Tratamento de Água do Rio Grande (ETA Rio Grande), pertencente e operada pela SABESP, localizada no município de São Bernardo do Campo e que possui como manancial o braço do Rio Grande (Reservatório Billings).

Para tanto, o sistema de filtração implantado foi alimentado com água decantada produzida pela própria ETA, sendo avaliada a influência dos materiais filtrantes empregados (areia e antracito) e a possibilidade de utilização de polímeros catiônicos e aniônicos, de baixo e alto peso molecular, respectivamente, como auxiliares de filtração.

Os sistemas de filtração empregados no tratamento de águas de abastecimento podem ser classificados de diversas formas. As formas mais conhecidas desse tipo de classificação são as seguintes: de acordo com o seu posicionamento na concepção da estação de tratamento de água (filtração em linha, filtração direta ou do tipo de ciclo completo), sentido de escoamento (descendente ou ascendente), materiais filtrantes (areia, antracito, carvão ativado granular etc), arranjo do material filtrante (camada simples, dupla camada e, eventualmente, tripla camada), taxa de filtração (filtração lenta e rápida) e controle hidráulico.

(18)

filtrada, associada a uma diminuição da evolução da perda de carga, o que possibilitou o emprego do antracito como material filtrante.

A utilização do antracito como material filtrante, combinado com a areia, permitiu que fossem concebidos os chamados filtros de dupla camada areia-antracito que, quando submetidos a condições ótimas de pré-tratamento, possibilitaram a sua operação com taxas de filtração de 240 a 360 m3/m2/dia.

No final da década de 60 e início da década de 70, alguns pesquisadores passaram a considerar a utilização de filtros rápidos por gravidade operando com taxas de filtração variando de 480 m3/m2/dia a 600 m3/m2/dia, empregando tanto a areia como o antracito como material filtrante.

Em face das elevadas taxas de filtração empregadas e, conseqüentemente aumento da perda de carga, a granulometria do material filtrante teve de ser alterada para maiores valores de diâmetro efetivo. Com objetivo de compensar e eventual perda de eficiência na captura de partículas coloidais, a sua altura passou dos tradicionais 0,6 a 0,8 m em filtros de dupla camada para 1,2 a 1,5 m em filtros rápidos de camada profunda.

A grande vantagem da utilização de filtros do tipo rápidos de camada profunda no tratamento de águas de abastecimento tem sido a diminuição das áreas de filtração requeridas, o que possibilita uma grande economia na construção e operação de novas ETA’s. Considerando que a falta de espaço físico é hoje um dos principais problemas encontrados na RMSP, a utiização dessa configuração de filtros se faz mais útil e importante a cada dia.

Embora existam vantagens significativas na adoção de filtros rápidos de camada profunda no tratamento de águas de abastecimento, ainda persistem algumas dúvidas no tocante às condições de pré-tratamento da água decantada.

(19)

(20)

2. Objetivo

O objetivo deste projeto foi estudar, avaliar e otimizar o processo de filtração de águas de abastecimento mediante a utilização de filtros rápidos por gravidade de camada profunda com vistas a possibilitar a otimização de remoção de material particulado (turbidez e contagem de partículas) e minimização da evolução da perda de carga.

Deste modo, pretendeu-se mais especificamente:

• Analizar os aspectos hidráulicos dos filtros rápidos de camada profunda constituídos por areia e antracito nas suas condições de operação em fluxo descendente, fluidificação e expansão;

• Estudar o efeito da melhoria das condições de pré-tratamento da água decantada no processo de filtração mediante o emprego de polímeros catiônicos de diferentes pesos moleculares como auxiliares de filtração no tocante a remoção de turbidez, contagem de partículas e evolução de perda de carga;

• Observar o efeito do emprego de um polímero aniônico – que possui maior peso molecular que os anteriores – como auxiliar de filtração na melhoria das condições de pré-tratamento da água decantada; e

(21)

3. Revisão bibliográfica

3.1. Histórico do processo de filtração

A primeira referência ao uso de filtros para o tratamento de águas ocorreu há aproximadamente 3.000 anos atrás na Índia. Vários tipos de filtros foram utilizados em pequena escala para purificação de água. Há também alguns relatos muito antigos de clarificação de águas na China (MONTGOMERY, 1985).

Aplicações modernas de filtros para purificação de águas para abastecimento humano datam do século XVIII. A primeira patente para um filtro foi concedida em Paris, França, em 1745. Os primeiros estudos do uso de filtros para abastecimento doméstico de água ocorreram na Escócia em 1804, seguido posteriormente da instalação de filtros de areia na Inglaterra em 1829. A primeira tentativa de instalação de filtro para abastecimento municipal dos EUA ocorreu em Richmond, Virginia, em 1832. Esses filtros de areia eram operados com fluxo ascendente e sem nenhum tipo de pré-tratamento, por isso só alcançavam pequenas remoções de material particulado (MONTGOMERY, 1985).

Há algumas controvérsias sobre o uso de filtros para remoção de bactérias no século XIX, mas pode-se dizer que a utilização da filtração para prevenção de doenças foi demonstrada. Em 1892, uma epidemia de cólera abateu a cidade de Hamburgo, Alemanha, mas a cidade vizinha, Altona, escapou da epidemia, pois utilizava sistema de filtração em areia (MONTGOMERY, 1985).

No Brasil, até a década de sessenta, os filtros costumavam ser operados com taxa de filtração constante, menor que 120 m3/m2/dia, e com meio filtrante composto exclusivamente por areia. O desenvolvimento de pesquisas em outros países, em especial os EUA, passou-se a utilizar filtros de dupla camada, composta por areia e antracito, com taxas de filtração mais elevada, chegando até 360 m3/m2/dia.

(22)

semelhantes implantadas. O processo rápido foi patenteado por John W. Hyatt nos primeiros anos de 1880 (WESSLER; AMORIM; CAVALLI).

3.2. Teoria da filtração em um meio granular

Segundo HUISMAN (1974), filtração é uma ação de purificação em que a água escoa por um meio poroso, onde há a remoção parcial do material suspenso e do material coloidal, redução da concentração de bactérias e mudanças nos seus constituintes químicos, resultando em uma água de melhor qualidade. A areia é o meio granular mais usado para a filtração de água nas Estações de Tratamento de Água.

Quando o meio granular constitui-se de areia, ocorre a filtração com ação da profundidade, de modo que a purificação da água ocorre pela remoção de partículas em suspensão que ficam depositadas ao longo da altura do meio filtrante. A filtração com ação superficial ocorre com o escoamento da água através de um meio granular constituído com areia mais fina, grãos menores que 0,5 mm (RITTMANN, 1990).

Segundo AMIRTHARAJAH (1988), existe razoável compreensão dos mecanismos de remoção de partículas durante a filtração com ação da profundidade. São mecanismos complexos e que sofrem influência das características físicas e químicas da suspensão e do meio filtrante, do método de operação do filtro, das características químicas da água e da taxa de filtração.

(23)

Segundo IVES (1975), os principais mecanismos de transporte envolvidos no processo de filtração são: ação de coar, difusão, sedimentação, interceptação, ação hidrodinâmica e impacto inercial, conforme ilustrado na Figura 3.1.

Figura 3.1 – Mecanismos de transporte da partícula (IVES, 1975).

AMIRTHARAJAH (1988) observou que as forças de arrasto hidrodinâmicas que atuam sobre a partícula aumentam com a aproximação desta à superfície do coletor. Isso ocorre devido à lenta drenagem do fluido que ocupa espaço cada vez mais estreito entre as superfícies. Denomina-se retardamento hidrodinâmico a diminuição da velocidade da partícula à medida que ela se aproxima do coletor. Quando à distância de separação entre a partícula e o coletor aproxima-se de zero, as forças de arrasto hidrodinâmicas tendem para infinito, sendo necessário, para que haja contato entre ambos, a atuação das forças atrativas de Van der Waals.

O processo de filtração se baseia em quatro ações: filtração mecânica, sedimentação e adsorção, efeitos elétricos e alterações biológicas, em menor nível. A filtração mecânica é considerada como responsável pela remoção de

(24)

aos pontos de contato, sendo que a remoção de partículas neste ponto é chamada de filtração intersticial. Os espaços vazios entre os grãos de areia, que atuam como diminutas câmaras de sedimentação, levam as partículas em suspensão a aderirem “as paredes dos espaços vazios, devido à camada gelatinosa previamente depositada pelas partículas que foram removidas”. Já o metabolismo biológico envolve os processos vitais nas células vivas, estas alterações são mais significativas nos filtros lentos de areia (BABBITT; DOLAND; CLEASBY, 1976).

As partículas suspensas em movimento podem aderir a outras partículas já depositadas na no meio filtrante ou diretamente na superfície do mesmo. As características da superfície têm fundamental importância na aderência. Partículas muito próximas aos coletores são aderidas por forças de superfície. Para AMIRTHARAJAH (1988), a aderência pode ser ação de forças eletrostáticas, interações químicas de superfície ou forças de Van der Waals.

PREZOTTI (1990) cita que a etapa de aderência, diferentemente do transporte, é afetada pelas características químicas e físico-químicas, tais como pH, tipos de íons na água, idade do floco, natureza e dosagem do polímero e natureza da superfície dos grãos do meio.

Dependendo das características da interface, a aderência das partículas coloidais pode ocorrer não só devido a mecanismos físicos, mas também a mecanismos químicos. O’MELIA e STUMM (1967) citam que a adsorção de polímeros aniônicos a superfícies negativas é um exemplo da presença de forças químicas.

DI BERNARDO (1980) cita os diferentes mecanismos que resulta nas ligações químicas entre as partículas e a superfície dos grãos: pontes de hidrogênio (Figura 3.2), adsorção mútua e troca iônica.

(25)

AMIRTHARAJAH (1988) observou que para uma taxa de filtração superficial constante, à medida que as partículas se acumulam nos poros do meio filtrante, a velocidade do fluido nesses poros aumenta e provoca o crescimento das forças de arrasto sobre as partículas depositadas. Ocorrerá o arraste das partículas para camadas inferiores do filtro quando essas forças se igualarem às forças de adesão.

No interior do meio filtrante pode ocorrer, de maneira simultânea e contínua, a aderência, o desprendimento e o arraste de partículas. Esse desprendimento parece estar relacionado à instabilidade causada pelo choque de novas partículas sobre os depósitos formados no topo dos grãos, os quais criavam avalanches de partículas dentro da camada filtrante (AMIRTHARAJAH, 1988).

De acordo com MORAN et al. (1993), a filtração tem sido caracterizada como uma operação dinâmica, consistindo de uma fase inicial ou de amadurecimento, um período intermediário de operação uniforme e uma etapa de transpasse da turbidez, conforme mostra a Figura 3.3.

Figura 3.3 – Etapas do processo de filtração.

(26)

CRUZ VELEZ (1993) desenvolveu um trabalho sobre filtração direta ascendente com alta taxa, usando três filtros piloto operando em paralelo com taxas compreendidas de 240 a 480 m3/m2.dia recebendo água coagulada no mecanismo de neutralização de cargas. Foi confirmado que no início da carreira existiu o período inicial denominado como amadurecimento, no qual turbidez, cor aparente e NMP de coliformes totais atingiram valores maiores que os limites da Portaria 518/2004 do Ministério da Saúde.

A etapa intermediária de operação uniforme é aquela onde há produção efetiva de água filtrada na qualidade desejada. Trata-se da fase mais longa e sua duração vai depender da qualidade da água decantada.

A última etapa, conhecida como transpasse, nem sempre ocorre. MORAN et al. (1993) definem o transpasse como a deterioração na qualidade do efluente do filtro que geralmente ocorre após longo período operacional, sendo causada pela passagem direta de partículas afluentes através do meio filtrante ou quando a estrutura de flocos previamente retidos não resiste aos esforços de cisalhamento a que estão submetidos durante a filtração.

3.3. Classificação dos sistemas de filtração

Os sistemas de filtração podem ser classificados de diversas maneiras distintas. Destacam-se as classificações quanto à taxa de filtração, com relação ao material filtrante usado no filtro, quanto ao sentido do escoamento e com relação ao tipo de tratamento empregado.

3.3.1. Classificação Quanto à Taxa de Filtração

A classificação quanto à taxa de filtração depende da velocidade de escoamento da água no filtro. A filtração é de alta taxa para altas velocidades de escoamento, enquanto para velocidades de escoamento baixas, a filtração é chamada de baixa taxa.

(27)

m3/m2/dia, produzindo efluente com turbidez inferior a 1 uT e, se possível, por volta de 0,1 uT (KAWAMURA, 1991).

A filtração lenta é um processo simples e de grande eficiência. O inconveniente é que funciona com taxas de filtração muito baixas, sendo aplicável apenas para pequenas vazões de consumo, águas pré-sedimentadas ou de baixa turbidez. Em contrapartida, tem as vantagens de facilidade e simplicidade de operação e fácil controle.

A filtração rápida descendente, de forma geral, o meio filtrante é constituído de camada única de areia – com 0,6 a 0,8 m de espessura e grãos com tamanhos de 0,42 a 1,41 mm – ou por duas camadas superpostas, a inferior de areia – com 0,2 a 0,3 m de espessura e grãos com tamanhos de 0,42 a 1,41 mm – e a superior de antracito – com 0,45 a 0,6 m de espessura e grãos com tamanhos de 0,6 a 2 mm. O meio filtrante fica assentado sobre uma camada suporte de pedregulho – com espessura da ordem de 0,5 m e grãos que variam desde 2,4 até 75 mm (DI BERNARDO, 1993).

Segundo KAWAMURA (1991), ao contrário do que se acreditava, filtros operados com altas taxas não afetam significativamente a qualidade da água filtrada. Isso foi constatado em filtros com grande profundidade e com emprego de polímeros sintéticos no pré-tratamento. Soma-se a isso, o fato de o escoamento com número de Reynolds perto de transição entre escoamento laminar e turbulento, estabelecido no meio filtrante para altas taxas, otimiza as condições de floculação na primeira parte do filtro, aumentando sua capacidade em reter flocos com uma dosagem de coagulante mais baixa.

Em um filtro lento de areia, a maior parte da ação filtrante, ocorre em uma camada

delgada de areia e o material fica depositado próximo à superfície do filtro. Em um

filtro rápido de areia, a mesma ação filtrante ocorre em todo o leito de areia, sendo que a maior parcela da ação filtrante ocorre na parte superior do filtro (BABBITT; DOLAND; CLEASBY, 1976).

(28)

Durante o processo de filtração, a resistência total do filtro é igual soma da perda de carga no meio filtrante (laminar) com as perdas de carga na comporta de entrada, no sistema de drenagem, em tubulações e em acessórios (turbulentas). Essa resistência à passagem de água deve ser, em qualquer instante, igual à carga hidráulica disponível. Os filtros podem operar com carga hidráulica disponível constante ou variável, assim como a resistência total à filtração que pode ser mantida constante ou variável (DI BERNARDO, 1993).

Segundo DI BERNARDO (1993), a lavagem do meio filtrante é feita com introdução de água à alta velocidade, 80 a 100 cm/min, por aproximadamente 10 minutos. Água é introduzida no filtro em sentido ascendente e tem o objetivo de fluidificar, ou seja, expandir o meio granular de modo a facilitar a retirada das impurezas retidas na superfície dos grãos, que seguem com o fluxo da água. Têm sido empregadas também a lavagem superficial e sub-superficial do meio granular com água ou com ar e água.

3.3.2. Classificação com Relação ao Material Filtrante

Os filtros podem ser classificados segundo o material filtrante utilizado e quanto ao número de camadas dos mesmos. Podem ser de uma, duas ou até três camadas, dependendo de sua concepção. Os filtros de camada única são compostos de areia ou antracito, enquanto os de dupla camada costumam utilizar esses dois materiais filtrantes em série. Os filtros de tripla camada não são tão difundidos quanto os anteriores e usam um terceiro material filtrante, além dos dois já citados.

O conhecimento das características granulométricas dos materiais filtrantes é imprescindível para se projetar um sistema de filtração. O tamanho dos grãos e sua distribuição de tamanhos são definidos através de ensaios granulométricos. A partir da curva de distribuição granulométrica são definidos os parâmetros que caracterizam o meio filtrante (DI BERNARDO, 1993).

(29)

fase inicial de estabilização da carreira, mantiveram um efluente com turbidez inferior a 1 uT.

A areia deve ser constituída de grãos essencialmente de quartzo, resultado da decomposição de rochas que contêm aproximadamente 99% de sílica. Costumam-se usar sacos de 40 a 50 kg para manuseio, transporte e armazenamento da areia. A solubilidade em ácido clorídrico concentrado (1,18 g/cm3) não deve ultrapassar 5% e sua massa específica deve estar compreendida entre 2,5 e 2,7 ton/m3 (DI BERNARDO, 1993).

O antracito fabricado no Brasil possui propriedades com valores diferentes daqueles importados. A CETESB realizou ensaios com carvões antracitosos brasileiros e outro importado dos Estados Unidos. Os resultados estão apresentados na Tabela 3.1, adaptada de DI BERNARDO (1993), que apresenta também especificações da OMS e AWWA.

Tabela 3.1 – Propriedades dos carvões antracitosos brasileiros, importados e respectivas especificações.

CARVÃO NACIONAL ANTRACITO ESPECIFICAÇÕES CARACTERÍSTICA

Urussanga L. Muller Importado OMS AWWA

Umidade (%) 2,14 2,89 4,40 - -

Matéria Volátil (%) 15,80 13,56 7,90 - - Cinzas (%) - Material seco 23,89 14,63 12,50 - - Carbono Fixo (%) 60,43 71,81 75,10 85,00 - Enxofre Total (%) 0,80 1,77 0,49 - - Materiais Solúveis (%)

Em Ácido Clorídrico 0,30 0,60 1,40 Desprezível 1,00 Em Hidróxido de Sódio 0,23 0,61 0,80 2,00 -

ρs (kg/m3) 1,48 1,41 1,59 - -

ε0 (%) 50,07 42,18 56,00 - -

CD 1,48 1,42 - - 1,70

Dio (mm) 0,82 0,80 - - -

Adaptado de DI BERNARDO (1993).

(30)

Tabela 3.2 - Características recomendadas para os materiais granulares de filtros de camada dupla, composto por areia e antracito.

CARACTERÍSTICA AREIA ANTRACITO Espessura da camada (m) 0,20 – 0,30 0,45 – 0,60

Tamanho do grão (mm) 0,42 – 1,41 0,59 – 2,00 Tamanho efetivo (mm) 0,40 – 0,60 0,90 – 1,10

Coeficiente de

desuniformidade ≤1,6 ≤1,6

Adaptado de DI BERNARDO (1993).

3.3.3. Classificação Quanto ao Sentido do Escoamento

A filtração descendente é a técnica onde a água, depois de sofrer um pré-tratamento, escoa através do meio filtrante em movimento descendente, dessa forma, a filtração ocorre por ação da gravidade. A filtração ascendente, ao contrário, a água escoa de baixo para cima, necessitando de alguma força propulsora.

A utilização de filtros ascendentes é antiga, sendo atribuída ao médico italiano Porzio por volta de 1685. Há também relatos de instalações construídas na França e Inglaterra no século XVIII (DI BERNARDO, 1993).

O filtro rápido é formado de uma camada de areia, e pode ainda possuir uma outra camada de um meio poroso mais grosso e menos denso, como o antracito, que é colocado sobre a areia, o que permite taxas de filtrações ainda maiores. Nos filtros de camada única, utiliza-se a “camada torpedo” que é uma camada de areia mais grossa colocada sob a camada filtrante de areia (MACEDO, 2001).

A camada de pedregulho assenta sobre uma placa provida de orifícios, denominada fundo falso, situada pouco acima do fundo verdadeiro.

(31)

MATSUMOTO (1987) fez uma comparação entre a filtração ascendente e descendente utilizando filtro de areia alimentado com taxas de filtração entre 120 e 280 m3/m2/dia com água previamente decantada. O autor observou que a qualidade da água filtrada, tanto do ponto de vista físico como bacteriológico, é superior para os filtros com fluxo descendente. No entanto, os filtros de fluxo ascendentes apresentaram perda de carga menos acentuada.

MURTHA e HELLER (2003) estudaram filtros lentos operando com fluxo ascendente e descendente, no intuito de comparar os resultados para essas variáveis. Eles observaram que os filtros ascendentes apresentaram melhores resultados em relação à remoção de cor verdadeira e aparente, mas os filtros de fluxo descendentes obtiveram maiores eficiências no que diz respeito à remoção de coliformes totais Escherichia coli e turbidez.

A filtração no sentido ascendente já vem sendo utilizada há muito tempo em vários países, com destaque para Inglaterra e Holanda. Mas pode-se dizer que passou a ser fortemente difundida a partir da segunda metade de século XX, principalmente na Europa (DI BERNARDO, 1993).

Segundo LEME (1979), a filtração ascendente se aproxima da filtração ideal, pois o fluxo – processado no sentido do grão mais grosso para o mais fino – a água escoa através de um meio filtrante, deslocando-se no sentido da zona de maior para a de menor porosidade, podendo-se usar um meio filtrante constituído de um só material.

3.3.4. Classificação em Relação ao Tratamento

No tratamento de águas para abastecimento costuma-se utilizar três diferentes concepções de projeto: Estações convencionais, filtração direta ou filtração em linha. A filtração convencional é a mais difundida e nela ocorrem todas as etapas preliminares ao processo de filtração: coagulação, floculação e sedimentação. Na filtração direta não há etapa de sedimentação, por isso se exige uma água de melhor qualidade, de modo a não haver prejuízo ao processo de filtração, que recebe diretamente a água floculada. Há também, a filtração em linha, onde inexistem as etapas de floculação e sedimentação.

(32)

de coagulante, menor produção de lodo, além de requerer menores espaços e custos de capital (HUDSON, 1982).

Em uma estação de tratamento com ciclo completo, a seqüência de operações (coagulação, floculação e sedimentação) é incapaz de promover a remoção das impurezas na água de modo satisfatório. Nas partículas que ficam na água após a floculação e a sedimentação dos sólidos inorgânicos podem estar incluídas matéria orgânica natural precipitada ou adsorvida e microrganismos como, por exemplo, Giárdia, bactérias patogênicas e vírus, além de metais e produtos químicos sintéticos que podem ser adsorvidos à superfície das partículas (MORAN, 1993).

De acordo com DI BERNARDO (1993), para produzir água tratada conforme os padrões de potabilidade, deve-se incluir a etapa da filtração nas estações de tratamento de água. Segundo o autor, só é possível remover, em quase sua totalidade, partículas – suspensas e coloidais – e microrganismos em geral através dessa técnica.

Filtração direta é um processo simplificado cuja eficiência depende extremamente da coagulação química para obtenção de bons resultados na qualidade de água filtrada produzida e da qualidade da água bruta.

YAPIJAKIS (1982) considera filtração direta como uma alternativa ao tratamento convencional em ciclo completo, diferindo pelo fato de que todos os sólidos, tanto os que ocorrem na água quanto os que foram adicionados do decorrer das etapas de tratamento, devem ser removidos no interior do filtro.

LETTERMAN; SAMA e DIDOMENOCO (1979) afirmam que por esse motivo a filtração direta tem sido aplicada no intuito de remover turbidez de águas com baixa a moderada turbidez e baixa cor.

(33)

3.4. Coagulação química da água

A coagulação pode ser considerada uma das etapas mais importantes em uma Estação de Tratamento de Água. Isso se deve ao fato desta ser a primeira etapa no processo, influenciando diretamente a eficiências das etapas seguintes. Uma eficiente coagulação da água é muito importante para o bom desempenho dos filtros e, conseqüentemente, de toda a ETA.

A grande parte das partículas e moléculas de substâncias húmicas apresenta superfície com carga elétrica negativa quando suspensas ou dissolvida na água. Pelo fato das cargas superficiais possuírem o mesmo sinal, essas partículas e moléculas permanecem estáveis e sua aproximação torna-se difícil. A coagulação pode ser definida como a desestabilização das partículas, obtida mediante a adição de substâncias químicas, no caso coagulante, em uma unidade de mistura rápida (WEBER, 1972).

Segundo AHSAN (1995), atualmente, o sulfato de alumínio é o coagulante mais usado na Europa, Estados Unidos e países em desenvolvimento. Cloreto férrico, sulfato férrico, sulfato ferroso clorado, cloreto de polialumínio e polímeros sintéticos catiônicos também são coagulantes utilizados.

A coagulação de partículas decorre de quatro mecanismos: compressão da dupla camada, varredura, adsorção e neutralização de carga e adsorção-formação de pontes. A coagulação de águas de abastecimento é obtida com maior freqüência por adsorção e neutralização de carga, por varredura, ou pela combinação dos dois mecanismos (DI BERNARDO, 1993).

Segundo STUMM e O’MELIA (1968), a adsorção e neutralização de carga ocorre adsorção de espécies hidrolisadas solúveis do coagulante aos colóides, de modo a neutralizar totalmente a carga da partícula ou causar a mudança da sua carga superficial em sítios que atrairão eletrostaticamente sítios de carga contrária em outras partículas. Esse mecanismo gera a possibilidade de reestabilização, por sobrecarga positiva, da suspensão coloidal e a existência de uma relação estequiométrica entre a área superficial dos colóides e a dose de coagulante.

(34)

invés disso, serão produzidas partículas desestabilizadas que ficarão retidas no meio filtrante.

Para coagulação no mecanismo de adsorção e neutralização de carga, a mistura rápida deve ser realizada em misturador de alta intensidade, de modo a produzir um gradiente de velocidade bem elevado, superior a 1.000 s-1, em um baixo tempo de mistura, menor ou igual a 1 segundo (AMIRTHARAJAH; MILLS, 1982).

A coagulação, no mecanismo de varredura, consiste no aprisionamento das partículas pelo precipitado do hidróxido de coagulante. A formação do precipitado de hidróxido de alumínio, antes da coagulação por varredura, ocorre entre 1 e 7 segundos (AMIRTHARAJAH e MILLS, 1982).

DI BERNARDO (1993) diz que o mecanismo de varredura é muito empregado nas estações de tratamento de água em ciclo completo, onde a floculação e a sedimentação antecedem a filtração, uma vez que os flocos resultantes são maiores e com velocidades de sedimentação relativamente altas quando comparadas às dos flocos obtidos com a coagulação realizada no mecanismo de adsorção e neutralização de carga.

AMIRTHARAJAH e MILLS (1982) afirmam ainda que no mecanismo de varredura a intensidade da mistura rápida não é tão importante quanto no mecanismo adsorção e neutralização de carga.

Segundo EDWARDS e AMIRTHARAJAH (1985), a remoção de cor associada à presença de ácidos húmicos ocorre devido a dois mecanismos principais, que apresentam algumas semelhanças com aqueles responsáveis pela remoção de turbidez e dependem das condições de pH. Com pH entre 6 e 8, com condições apropriadas à rápida formação do precipitado de hidróxido de alumínio, a coagulação do ácido húmico é devida à sua adsorção a esse precipitado. Com pH na faixa de 4 a 5,5, admite-se que esse ácido é precipitado na forma de humanato de alumínio, por um mecanismo de precipitação de carga causado por espécies hidrolisadas de alumínio.

3.4.1. Polímeros como Auxiliares de Filtração

(35)

produtos são considerados satisfatórios, mas a necessidade de alternativas que otimizassem sua utilização ainda se faz presente.

A escolha de um polímero, ou mesmo de uma classe de polímeros destinada a conferir uma dada função ao fluido ou ao processo, está principalmente relacionada a sua estrutura molecular. Muitos polímeros disponíveis no mercado apresentam solubilidade em água, no entanto, outros são seletivamente solúveis em álcool, ácidos, ou ainda em hidrocarbonetos. Polieletrólitos são polímeros preferencialmente hidrossolúveis que, por conterem grupamentos fortemente polares ou espécies ionizáveis, solubilizam-se em meios aquosos a partir de dissociação iônica. Tais características são fundamentais para a aplicação em fluidos aquosos. De acordo com a carga elétrica remanescente na estrutura polimérica, após a dissolução do polímero em água, este pode ser classificado em: aniônico, catiônico, não-iônico e anfótero (KHALIL; ROCHA, 2002).

Os polímeros catiônicos, em geral, contêm um grupamento do tipo amônio quaternário, que quando dissociado em meio aquoso formam um cátion e um contra-íon haleto (KHALIL; ROCHA, 2002).

A adição de polímeros ao processo de coagulação pode trazer grandes benefícios à etapa de filtração. AMMARY e CLEASBY (2004) citam como vantagens do uso de polímeros como auxiliares de coagulação: menor volume de lodo; produção de flocos maiores e mais resistentes; e independência das características naturais da água, como por exemplo, alcalinidade e pH. No entanto, os autores ressaltam que esses são menos eficientes na remoção de compostos orgânicos e são efetivos apenas para pequenas faixas de aplicação.

Polímeros e coagulantes inorgânicos aparecem como tendo função complementar um ao outro. O uso combinado destes dois materiais maximiza os benefícios de ambos, trazendo assim grandes benefícios ao processo de filtração (AMMARY; CLEASBY, 2004).

(36)

observou-se que melhores resultados podem ser obtidos quando se utilizam polímeros de maior densidade de carga.

BENHARDT e CLASEN (1994) observaram em fotografias feitas durante os experimentos em que se utilizou como coagulante um polieletrólito catiônico, mostraram que as células de microalgas formam agregados na região de neutralização de cargas. A agregação era atingida por adição de quantidade exata do polieletrólito. Dosagens excessivas de cargas positivas e uma completa cobertura da superfície da célula levam a uma reversão da carga elétrica dentro da faixa positiva, e, conseqüentemente, à restabilização da suspensão de microalgas. Nessa condição, os agregados são quebrados e as células são novamente dispersas na solução aquosa.

O tratamento de águas represadas com pré-oxidação com permanganato de potássio (KMnO4), coagulação com sulfato férrico e um polímero catiônico e

filtração direta pelo filtro de múltiplas camadas, foi testado por PETRUSEVSKY; VAN BREEMEN e ALAERTS (1996). Os experimentos, realizados em reatores estáticos e planta piloto, mostraram que a eficiência de remoção de partículas e microalgas nessa seqüência de tratamento é superior a 99%, enquanto as eficiências comumente atingidas na filtração direta são da ordem de 90%. Além disso, a aplicação de polímero catiônico elimina completamente o aumento de turbidez da água filtrada e reduz o teor de residual de manganês em relação aos valores que são comumente associados a esse tratamento.

Os resultados experimentais em escala real apresentados por FERREIRA FILHO et al. (2004a) mostraram com bastante clareza as grandes vantagens da combinação de coagulantes inorgânicos e polímeros catiônicos de baixo peso molecular como agentes coagulantes no tratamento de águas brutas com elevado grau de eutrofização. Pode ser ressaltada nessa pesquisa a diminuição do volume de lodo gerado no processo de tratamento, melhoria na qualidade da água decantada em termos de turbidez e contagem de algas, com conseqüente melhoria no processo de remoção de partículas na etapa de filtração.

(37)

processo de filtração, uma fase necessariamente esta em repouso (coletores) e as partículas precisam chocar-se com os coletores para que ocorra sua remoção.

Tradicionalmente, os polímeros empregados no tratamento de águas de abastecimento como auxiliares de filtração tem sido do tipo de alto peso molecular, com carga não iônica ou aniônica. Por serem de alto peso molecular, o mecanismo mais preponderante no tocante a remoção de partículas coloidais presentes na água decantada é por ponte interparticular, no qual parte da cadeia polimérica é adsorvida na superfície da partícula coloidal e a outra parte permanece livre na fase líquida para aderir na superfície dos grãos do meio filtrante.

De acordo com pesquisas efetuadas por HABIBIAN e O’MELIA (1975), uma das principais conclusões que foram inferidas no tocante ao uso de polímeros de alto peso molecular como auxiliares de filtração foi que existe uma dosagem ótima de polímeros para a desestabilização de uma dada suspensão. A dosagem ótima está diretamente relacionada com a concentração de partículas em meio aquoso e sua efetividade está diretamente relacionada com seu peso molecular e sua carga. Uma dosagem de polímeros acima da ótima pode tornar a partícula novamente desestabilizada. Este fenômeno pode ser considerado análogo ao da reversão de carga que ocorre, sob determinadas condições, no processo de coagulação.

Mais recentemente, tem-se reportado que o emprego de polímeros catiônicos de baixo peso molecular também podem trabalhar de modo efetivo como auxiliares de filtração e não apenas como agentes coagulantes. A grande vantagem do seu emprego é que, por não possuírem elevado peso molecular, os mecanismos de ponte interparticular não são significativos. Isso permite que, em caso de super dosagem na água decantada, não ocorra uma elevada evolução da perda de carga no material filtrante.

(38)

água decantada ainda não tenham sido desestabilizadas quimicamente e, deste modo, apresentem a tendência de também passarem intactas pelo processo de filtração.

O número de diferentes tipos de polímeros, tanto sintéticos como naturais, listados pela United States Environmental Protection Agency (USEPA), que pode ser utilizado como coagulante e auxiliar de floculação e filtração, chega a algo próximo de 1.300 (DENTEL et al., 1988).

(39)

4. Material e métodos

4.1 Generalidades

Os filtros piloto utilizados para o desenvolvimento desse projeto estão instalados na Estação de Tratamento de Água do Rio Grande, conforme apresenta a Figura 4.1. Essa ETA capta água do braço Rio Grande, integrante do Reservatório Billings.

Figura 4.1 – Vista Aérea da Estação de Tratamento de Água do Rio Grande.

4.1.1. Reservatório Billings

A Bacia Hidrográfica da Billings ocupa um território de aproximadamente 582,8 km2, localizado no sudoeste da Região Metropolitana de São Paulo, fazendo limite, a oeste, com a Bacia hidrográfica da Guarapiranga e, ao sul, com a Serra do Mar. Sua área de drenagem abrange de forma integral o município de Rio Grande da Serra e parcialmente os municípios de Diadema, Ribeirão Pires, Santo André, São Bernardo do Campo e São Paulo (RIBEIRO; WHATELY, 2002).

(40)

receber águas da bacia do rio Tietê através da estação de recalque de Pedreira, situada junto à barragem de Pedreira do rio Pinheiros, de onde suas águas são conduzidas, conforme citado, para Cubatão através da barragem reguladora do canal das Pedras.

A Figura 4.2 mostra o posicionamento da Estação de Tratamento de Água do Rio Grande com relação ao braço do reservatório Billings que abastece a mesma.

Figura 4.2 – Posicionamento da ETA Rio Grande em relação ao Reservatório do Rio Grande.

(41)

Figura 4.3 – Foto de satélite do braço Rio Grande.

O clima predominante na região apresenta características tropicais e subtropicais, com temperatura média de 19°C e índices pluviométricos anuais com gradiente alto, crescendo à medida que se aproxima da região serrana. Nas proximidades de Pedreira, próximo à barragem formadora da Represa Billings, esse índice médio é de 1.300 mm anuais. No eixo do corpo central e no braço do Rio Grande, a pluviosidade sobe para 1.500 mm, chegando a atingir 35.500 mm/ano no divisor com a bacia litorânea (HIDROPLAN, 1995).

4.1.2. Estação de Tratamento de Água do Rio Grande

O Sistema Produtor Rio Grande entrou em operação em 1958. Tratava-se de uma ETA convencional, com vazão de 0,6 m3/s, constituída por uma unidade de mistura rápida, 3 floculadores com 390 m3 cada um, 3 decantadores de fluxo ascendente com 2.160 m3 cada e 6 filtros rápidos de fluxo ascendente com área de 72 m2, tendo areia com material filtrante.

Esse sistema foi ampliado em 1968, de maneira que a capacidade de tratamento foi aumentada de 0,6 m3/s para 1,45 m3/s. Foram necessárias as construções mais 4 novas unidades de floculação e decantadores, além de mais 8 filtros, totalizando ao final da ampliação um número de 7 floculadores, 7 decantadores e 14 filtros, todos com dimensões idênticas às unidades existentes.

(42)

2 decantadores de fluxo laminar associados a sistemas de floculação mecanizada e mais 4 filtros rápidos de areia do tipo camada profunda. Com isso, a ETA, conforme apresenta a Figura 4.4, passou a ter uma ala de tratamento denominada nova, acima citada, e uma ala denominada antiga, composta de decantadores híbridos de fluxo horizontal do tipo convencional, compostos por módulos tubulares, floculadores hidráulicos e filtros convencionais de dupla camada areia-antracito.

Figura 4.4 – Vista geral da ETA Rio Grande.

Os principais problemas de qualidade da água existentes no braço do Rio Grande são devidos a grande carga de esgotos sanitários advindos da cidade de Ribeirão Pires e que são lançados sem tratamento na represa. Esse problema tem aumentado o grau de eutrofização do corpo d’água, dificultando a operação da ETA, pois o aumento da concentração de algas na água bruta exige maior aplicação de coagulante, aumento nas dosagens de agente oxidante, diminuição das carreiras de filtração e dificuldade nas operações de lavagem.

(43)

Tabela 4.1 – Valores médios das características da água bruta do Sistema Produtor Rio Grande.

Parâmetro Valores Médios

pH 7,34 ± 0,35

Temperatura (°C) 22,15 ± 2,65 Turbidez (UT) 6,22 ± 3,43

Cor (UC) 38,3 ± 8,92 Condutividade (µmho/cm) 301 ± 45

COT (mg/L) 8,09 ± 1,46 DQO (mg/L) 17,25 ± 3,26

O.D. (mg/L) 4,62 ± 1,12 Cloretos (mg/L Cl-) 66,61 ± 11,07 Manganês solúvel (mg/L) 0,166 ± 0,05

Ferro (mg/L) 0,43 ± 0,24 Cobre (mg/L) 0,06 ± 0,07 Mercúrio (mg/L) 0,002 ± 0,004 Fósforo total (mg/L) 0,034 ± 0,002 Fósforo reativo (mg/L) 0,003 ± 0,001 N-Amon (mg/L) 0,36 ± 0,16

N-NO3- (mg/L) 0,11 ± 0,05

4.2. Aparato experimental

(44)

Figura 4.5 – Vista lateral da estrutura de madeira feita de dois andares com o telhado na parte superior e os filtros piloto localizados à esquerda.

(45)

Figura 4.6 – Detalhe dos 4 filtros de alta taxa e fluxo descendente em escala piloto operados em paralelo.

(46)

Figura 4.7 – Caixa de armazenamento da água decantada.

Da caixa de armazenamento, a água decantada seguia para os filtros piloto. As tubulações de entrada de água decantada estavam conectadas na parte superior do filtro, caracterizando assim o escoamento descendente.

Para recalcar a água decantada para a caixa de armazenamento empregou-se uma bomba com vazão suficiente para os 4 filtros operando ao mesmo tempo. Essa bomba estava localizada na galeria de tubulações da referida ETA, conforme indicado na Figura 4.8.

Figura 4.8 – Bomba em paralelo para recalcar a água decantada.

(47)

Figura 4.9 – Vista geral da tubulação de alimentação de água decantada, localizado na parte superior, para cada um dos filtros piloto.

Para controle da vazão nos filtros foram usados rotâmetros como medidores de vazão, conforme apresentado na Figura 4.10. A vazão esteve sendo regulada para garantir a adequada aplicação da taxa de filtração, pois podem acontecer pequenas variações.

Figura 4.10 – Rotâmetro de água para controle da vazão nos filtros.

(48)

Figura 4.11 – Bombas dosadoras – com a caixa onde fica a mistura de poli ao fundo – usadas nos ensaios de filtração para injeção de polímero catiônico nos filtros piloto F1 e F2 na segunda

etapa do trabalho.

As camadas suporte de todos os filtros piloto foram montadas tendo por concepção serem do tipo “camada reversa”, ou seja, granulometria decrescente e crescente no sentido de escoamento da água de lavagem, tendo por objetivo principal permitir que os mesmos pudessem ser lavados com ar e água, sem que houvesse perturbação da camada suporte e camada filtrante. A Figura 4.12 mostra a vista geral da camada suporte localizada na parte inferior de um dos filtros, servindo de apoio ao material filtrante. Essa camada será a mesma para todos os filtros estudados.

Figura 4.12 - Camada suporte localizada na parte inferior dos filtros.

(49)

longo do meio filtrante durante a carreira de filtração. O espaçamento entre os piezômetros instalados no material filtrante foi de 10 cm. As Figuras 4.13 e 4.14 apresentam uma vista geral dos quadros de piezômetros instalados nos filtros pilotos e seu respectivo posicionamento ao longo da altura, respectivamente.

Figura 4.13 – Vista geral dos quadros de piezômetros, para medição da perda de carga, localizados à direita dos filtros piloto.

(50)

Figura 4.14 – Vista geral do posicionamento dos piezômetros ao longo da altura do material filtrante.

A Figura 4.14 permite observar o espaçamento entre os piezômetros ao longo do filtro. Fica visível que o piezômetro superior estava acima do nível do leito – sendo possível ver a perda de carga total do filtro – enquanto o piezômetro seguinte está 10 cm abaixo do anterior, chegando até a parte inferior do filtro.

(51)

Figura 4.15 – Vista geral do fundo falso dos filtros piloto e respectivas tubulações de introdução de água de lavagem e ar e coleta de água filtrada.

A água de lavagem empregada na lavagem dos meios filtrantes foi derivada de uma tubulação de água de serviço instalada nas proximidades da instalação piloto, bem como também a aplicação de ar.

O controle das vazões de água de lavagem em contra-corrente foi feito pela expansão dos materiais filtrantes e a vazão de ar por intermédio de um rotâmetro comum a alimentação de todos os filtros localizado junto à instalação (Figura 4.16).

Figura 4.16 – Vista geral do rotâmetro de controle de vazão de ar, localizado à esquerda do filtro F2 mostrado, empregado na lavagem dos materiais filtrantes.

(52)

Figura 4.17 – Turbidímetros, um para cada filtro, utilizados na automação da estação piloto.

Figura 4.18 – Controlador com visor para onde são jogados os dados de turbidez dos filtros piloto.

4.3. Procedimento experimental

O procedimento experimental foi dividido em algumas etapas principais, explicitadas a seguir: execução de ensaios de fluidificação e expansão do leito dos filtros; utilização de polímeros catiônicos como auxiliares de filtração; e utilização de um polímero aniônico como auxiliar de filttração.

(53)

de evolução da perda de carga com diferentes velocidades ascensionais de água.

A seguir foram realizados os ensaios de filtração, que contemplou as duas seguintes etapas do trabalho. Para isso, foram operados quatro filtros de alta taxa com fluxo descendente em paralelo, de maneira que a mesma água decantada abasteceu os quatro filtros, permitindo assim, a comparação entre os mesmos.

Os estudos foram conduzidos em escala piloto e tiveram como principal objetivo avaliar o comportamento dos filtros com relação à remoção de turbidez, partículas e evolução de perda de carga. Optou-se pela utilização de uma taxa de filtração, de 500 m3/m2/dia, pois esse é considerado um valor típico de alta taxa.

Inicialmente foi necessário definir o material filtrante e sua respectiva granulometria a ser usada no decorrer do experimento. FERREIRA FILHO et al. (2004b) estudaram diferentes concepções de materiais filtrantes – composição, granulometria e altura – operando filtros rápidos por gravidade de camada profunda nas dependências da Estação de Tratamento de Água do Rio Grande.

Os autores estudaram quatro diferentes concepções de filtros nesse trabalho. O primeiro filtro era de dupla camada, composta por areia e antracito – granulometria de 0,42 e 1,3 mm, respectivamente – com altura do leito de 105 cm (80 cm de antracito e 25 cm de areia). O segundo filtro foi montado com antracito como único material filtrante – com granulometria de 1,3 mm – e leito de 120 cm. O terceiro filtro só diferia do segundo na granulometria do material filtrante, nesse caso 0,76 cm. O quarto e último filtro foi montado com areia como único material filtrante – com granulometria de 0,74 mm – e leito de 120 cm de comprimento.

(54)

Definidas as configurações dos quatro filtros, a etapa seguinte do trabalho consistiu na utilização de polímeros catiônicos como auxiliares de filtração. As Tabelas 4.2 e 4.3 mostram as características granulométricas da camada suporte utilizada nessa etapa do ensaio.

Tabela 4.2 – Características granulométricas dos materiais filtrantes a serem utilizados na operação dos filtros piloto F1 e F3 na etapa relativa à utilização de polímeros catiônicos como

auxiliares de filtração.

Material

suporte Altura

Coeficiente de

uniformidade Diâmetro efetivo

10 cm 25,4 a 50,0 mm

7,5 cm 12,7 a 25,4 mm

7,5 cm 6,4 a 12,7 mm

7,5 cm 3,2 a 6,4 mm

7,5 cm 1,7 a 3,2 mm

5,0 cm 3,2 a 6,4 mm

5,0 cm 6,4 a 12,7 mm

Camada suporte

7,5 cm 12,7 a 25,4 mm

Antracito 120 cm < 1,5 1,2 a 1,4 mm

Tabela 4.3 – Características granulométricas dos materiais filtrantes a serem utilizados na operação dos filtros piloto F2 e F4 na etapa relativa à utilização de polímeros catiônicos como

auxiliares de filtração.

Material

filtrante Altura

Coeficiente de

10 cm 25,4 a 50,0 mm

7,5 cm 12,7 a 25,4 mm

7,5 cm 6,4 a 12,7 mm

7,5 cm 3,2 a 6,4 mm

7,5 cm 1,7 a 3,2 mm

5,0 cm 3,2 a 6,4 mm

5,0 cm 6,4 a 12,7 mm

Camada suporte

7,5 cm 12,7 a 25,4 mm

(55)

Durante a montagem dos meios filtrantes foram coletadas amostras dos dois materiais – areia e antracito – empregados e determinou-se sua distribuição granulométrica no Laboratório de Mecânica dos Solos da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, USP. A Figura 4.19 apresenta as suas respectivas curvas granulométricas – percentual de material que passa pelo diâmetro (mm) da respectiva peneira – determinadas em laboratório.

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

0,01 0,1 1 10

Diâmetro (mm)

M

at

er

ial

que

pas

s

a (

m

)

Areia Antracito

Figura 4.19 – Curva granulométrica da areia e do antracito empregados na montagem dos filtros F1, F2, F3 e F4.

É possível ver que ambos os materiais possuem curvas granulométricas praticamente idênticas, pode-se observar que estas estão sobrepostas. Estas curvas estão dentro da faixa estabelecida para essa etapa da pesquisa, mostradas nos diâmetros efetivos do antracito e da areia, 1,2 a 1,4 mm, conforme as Tabelas 4.2 e 4.3.

(56)

Figura 4.20 – Vista, com aumento de 10 vezes, dos grãos de antracito empregados na montagem dos filtros F1 e F3 durante os ensaios de filtração.

Figura 4.21 – Vista, com aumento de 10 vezes, dos grãos de areia empregados na montagem dos filtros F2 e F4 durante os ensaios de filtração.

Durante toda essa fase do experimento foram utilizados simultaneamente dois filtros com areia e dois com antracito, sendo em um deles – para os dois materiais filtrantes – adicionado também polímeros como auxiliares de filtração, resultando em quatro diferentes configurações. Foram utilizados ao longo dessa fase experimental três diferentes polímeros catiônicos, com diferentes pesos moleculares, com três dosagens diferentes para cada um.

(57)

A seguir a descrição mais detalhada de cada um desses polímeros utilizados nessa fase do experimento.

O OPTIFLOC CA-2577, um polieletrólito orgânico líquido, é uma poliamina de baixo peso molecular. Possui as seguintes características: líquido, 100% catiônico, cor de âmbar, pH entre 5 e 7, solubilidade total em água, não reativo, densidade à 25oC entre 1,14 e 1,18 g/cm3, viscosidade (Brooksfield à 25oC) entre 600 e 800 cps, residual de epicloridrina não detectável, residual de monômeros totais <20 mg/L e matéria ativa (sólidos totais) de 50 ± 1%.

O OPTIFLOC CA-2581, um polieletrólito orgânico líquido, é uma poliamina de médio peso molecular. Possui as seguintes características: líquido, 100% catiônico, cor de âmbar, pH entre 5 e 7, solubilidade total em água, não reativo, densidade à 25oC entre 1,14 e 1,18 g/cm3, viscosidade (Brooksfield à 25oC) entre 600 e 800 cps e matéria ativa (sólidos totais) de 50 ± 1%.

O OPTIFLOC CD-2592, também um polieletrólito orgânico líquido, é um poliDADMAC de médio peso molecular, que por suas características físico-químicas e estruturais apresentam maior peso molecular que as poliaminas. Possui as seguintes características: líquido, 100% catiônico, cor de âmbar, pH entre 5 e 7, solubilidade total em água, não reativo, densidade à 25oC entre 1,02 e 1,06 g/cm3 e matéria ativa (sólidos totais) maior que 39%.

A Tabela 4.4 mostra uma descrição detalhada de cada um desses polímeros utilizados nessa fase do experimento.

Tabela 4.4 – Descrição dos polímeros catiônicos utilizados durante os ensaios de filtração.

Parâmetros Características

Polímero CA-2577 CA-2581 CD-2592

Tipo Poliamina Poliamina PoliDADMAC

Peso molecular Baixo Médio Alto

Caráter iônico 100%

catiônico

100% catiônico

Estado físico Líquido Líquido Líquido

Cor Ambar Ambar Ambar

pH 5 a 7 5 a 7 5 a 7

Solubilidade em água Total Total Total

(58)

Parâmetros Características Densidade à 25°C (g/cm3) 1,14 - 1,18 1,14 - 1,18 1,02 - 1,06

Viscosidade (Brooksfield a

25°C) 600 a 800 cps 600 a 800 cps - Matéria ativa (sólidos totais) 50 ± 1% 50 ± 1% >39%

Para terceira e última etapa do experimento, optou-se por testar um novo polímero diferente dos outros utilizados anteriormente, dessa vez aniônico. Polímeros aniônicos possuem pesos moleculares maiores que os catiônicos, de maneira que é necessário cuidado quando da definição das dosagens utilizadas.

O polímero aniônico usado nesse experimento foi o OPTIFLOC N1986, uma poliacrilamida de médio peso molecular, mas ainda assim maior que dos polímeros catiônicos. Possui as seguintes características: líquido, 100% aniônico, cor branca, ponto de congelamento em -18°C, ponto de evaporação >93°C, gravidade específica a 25°C entre 0,99 e 1,03, sólidos totais entre 31 e 33%, acrilamida residual de 0,0125% e viscosidade (Brooksfield à 25oC) entre 10 e 200 cps.

Para essa etapa do trabalho foram feitas algumas alterações nas configurações propostas para os quatro filtros. Agora os quatro filtros foram preenchidos com antracito, sendo que no primeiro não há adição de polímero, enquanto nos demais serão adicionadas três diferentes dosagens de polímero aniônico. Essa configuração foi feita devido aos melhores resultados observados para antracito e para permitir uma maior agilidade na última etapa do trabalho.

(59)

Devido a esses resultados, decidiu-se aqui por aumentar o leito de todos os filtros de 120 para 160 cm. A Tabela 4.5 mostra as características granulométricas da camada suporte utilizada nessa última etapa do ensaio.

Tabela 4.5 – Características granulométricas dos materiais filtrantes a serem utilizados na operação dos filtros piloto F1, F2, F3 e F4 na etapa relativa à utilização de polímeros catiônicos

como auxiliares de filtração.

Material

suporte Altura

Coeficiente de

10 cm 25,4 a 50,0 mm

7,5 cm 12,7 a 25,4 mm

7,5 cm 6,4 a 12,7 mm

7,5 cm 3,2 a 6,4 mm

7,5 cm 1,7 a 3,2 mm

5,0 cm 3,2 a 6,4 mm

5,0 cm 6,4 a 12,7 mm

Camada suporte

7,5 cm 12,7 a 25,4 mm

Antracito 160 cm < 1,5 1,2 a 1,4 mm

Durante a montagem dos meios filtrantes nessa etapa foi coletada uma amostra do antracito empregado e determinou-se sua distribuição granulométrica em laboratório, assim como já tinha sido feito na etapa anterior. A Figura 4.22 apresenta a curva granulométrica do antracito para essa fase da pesquisa.

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

0,01 0,1 1 10

Diâmetro (mm)

M

at

er

ia

l que

pa

ss

a (

m

)

Antracito

(60)

Nessa figura pode-se ver que o material possui curva granulométrica dentro da faixa estabelecida para essa etapa da pesquisa, que está muito próxima à observada na etapa anterior.

4.3.1. Cálculo de Penetração de Impurezas

Nos ensaios de filtração com utilização de polímeros catiônicos como auxiliares de filtração foram feitos gráficos demonstrativos da penetração de impurezas para cada filtro. Para a última estapa do trabalho não foi possível utilizar o parâmetro penetração de impurezas. Isso se deveu ao fato de o aumento de leito não permitir a medição de perda de carga nos primeiros 40 cm do material suporte – os piezômetros só estavam dispostos nos filtros até a altura de 120 cm da camada suporte – zona essa de maior importância no cálculo desse parâmetro.

Para isso foi utilizada metodologia proposta por FERREIRA FILHO (1996). Nesse trabalho o autor investigou a significância e o comportamento dinâmico da interface em filtros duplos no que diz respeito à perda de carga total no meio filtrante e na interface, retenção de impurezas e na qualidade da água filtrada.

Foram propostos dois parâmetros para a análise numérica dos resultados, explicitados nas equações 1 e 2, mostradas a seguir:

H H = (t)

j,0) -(i

t) j, -(i

∆ ∆

β (1)

H -H

H -H = (t)

(Total,0) t)

(Total,

j,0) -(i t) j, -(i

∆ ∆

ψ (2)

∆H(i-j,t) e ∆H(i-j,0) = valores de perda de carga no segmento i-j para os

tempos iguais a t e 0, respectivamente.

∆H(Total,t) e ∆H(Total,0) = valores de perda de carga total para os tempos

iguais a t e 0, respectivamente.

(61)

Para o parâmetro β optou-se por utilizar os 5 primeiros trechos no cálculo da penetração de impurezas. Nos resultados experimentais fica claro que essa opção foi acertada, tendo em vista que é nesses pontos que se concentra a maior parte da penetração de impurezas dos filtros piloto.

A descrição utilizada para os 5 trechos foi a seguinte: trecho 1, P2-P3, 0 a 10 cm; trecho 3, P3-P4, 10 a 20 cm; trecho 3, P4-P5, 20 a 30 cm; trecho 4, P5-P6, 30 a 40 cm; e trecho 5, P6-P7, 40 a 50 cm.

4.3.2. Descrição dos ensaios de fluidificação e expansão dos meios filtrantes Para a realização dos ensaios de fluidificação e expansão dos meios filtrantes, inicialmente foram feitas marcações nos tubos de acrílico de cada um dos filtros piloto que correspondessem à expansão dos meios filtrantes em 5%, 10%, 20%, 25% e 30%. A identificação e posicionamento das marcas foram feitos com o auxílio de uma régua milimetrada e caneta especial para retroprojetor.

A seguir foi introduzida no filtro uma vazão de água de lavagem em contra-corrente de forma a não causar a expansão do seu meio filtrante. A vazão foi medida volumétricamente com o auxílio de uma proveta de 2 L e um cronômetro digital tendo esta sido efetuada em triplicata. O valor da vazão registrada para uso posterior, foi à média aritmética destas três leituras. As diferenças percentuais entre estas foram todas menores que 2%.

Determinada a vazão de água, a seguir era efetuada a leitura dos piezômetros para a determinação da perda de carga no meio filtrante. Após a leitura do nível d’água em todos os piezômetros, o registro de água era aberto, vagarosamente, de forma a permitir uma nova veiculação de água em contra-corrente.

De posse desta vazão, todos os procedimentos descritos anteriormente de determinação da vazão e leitura dos piezômetros foram efetuados novamente.