Departamento de Engenharia Civil

Profa. Rosineide Miranda Leão

Departamento de Engenharia Civil

594X - STAE

Sistema de Tratamento de Água e Esgoto

Filtração

Filtração

Sumário

Definição

Classificação dos processos de filtração Filtração lenta

Filtração direta Filtração rápida Leitos filtrantes Camada suporte Limpeza dos filtros Taxa de filtração Calhas coletoras Roteiro de projeto

Dimensionamento de unidade de filtração

Filtração por membranas

Filtração

Processo de separação sólido-líquido utilizado para promover a remoção de material particulado presente na fase líquida através da passagem dessa água por um meio poroso geralmente constituído de partículas de areia.

Mecanismos de Filtração:

 Ação de superfície

É o efeito físico de coar e ocorre no topo e camadas iniciais.

 Ação de profundidade

Ocorre na profundidade do leito filtrante e envolve

mecanismos de transporte e aderência.

A filtração é um processo ou uma operação unitária?

 Filtração rápida – conjunção de mecanismos que interferem nos fenômenos físico e químicos (processo)

 Filtração lenta – conjunção de mecanismos que interferem nos fenômenos físicos e biológicos (operação)

Filtração

Partes constitutivas de um sistema de filtração

 Sistema de coleta de água de lavagem: Dimensões da calha;

 Materiais filtrantes (leito filtrante): composição, granulometria e altura;

 Camada suporte: Granulometria, altura;

 Fundo falso: Coleta de água filtrada e introdução de água de lavagem;

 Tubulações, válvulas e comportas: Entrada de água decantada, saída de água filtrada e introdução e coleta de água de lavagem.

Filtração

Classificação dos Processos de Filtração:

a) Com relação ao tipo de filtração;

b) Com relação ao tratamento;

c) Com relação ao sentido de escoamento;

d) Com relação ao meio filtrante;

e) Com relação ao seu controle hidráulico.

Classificação dos Processos de Filtração

a) Com relação ao tipo de filtração:

- Filtração em meio granular

 Filtros lentos;

 Filtração rápida;

 Filtros de camada profunda.

- Filtração em membrana

 Osmose reversa;

 Nanofiltração;

 Ultrafiltração;

 Microfiltração.

Classificação dos Processos de Filtração

b) Com relação ao tratamento

 Filtração convencional;

 Filtração direta (sem a fase de sedimentação);

 Filtração em linha (sem as fases de floculação e sedimentação).

c) Com relação ao sentido de escoamento

 Filtração descendente;

 Filtração ascendente.

Filtração

Classificação dos Processos de Filtração

d) Com relação ao meio filtrante

Camada simples Dupla camada Tripla camada

Classificação dos Processos de Filtração

d) Com relação ao controle hidráulico

A dia q Q

filtr a çã o

 .

Taxa de filtração

 Taxa de filtração constante

 Com variação de nível

 Sem variação de nível

 Taxa declinante ^{h -} Altura do nível d’água acima do meio filtrante

Classificação dos Processos de Filtração

Classificação dos Processos de Filtração

Classificação dos Processos de Filtração

Características

 Águas brutas de boa qualidade

 Processo simples e de grande eficiência

 Taxas de filtração muito baixas (entre 3 e 9 m³/m².dia)

 Requer grandes áreas para implantação e volume elevado de obras civis

 Utilizados para potabilizar águas brutas de excelentes qualidades físicas, químicas e físico-químicas

 Processo predominantemente biológico

 Aplicáveis apenas para água de pouca turbidez (50 UT)

 Redução expressiva do índice de coliformes

 Após lavagem necessita que a camada filtrante biológica se restabeleça

“schmutzdecke” (superfície de coesão)

 Lavagem do leito filtrante é quase sempre manual

Filtração lenta

Filtração lenta

Autótrofos são os seres vivos que produzem o seu próprio alimento, ou seja, são capazes de sintetizar compostos orgânicos e inorgânicos através de fotossíntese.

Heterótrofos são os seres vivos que não são capazes de produzir o seu próprio alimento.

é uma camada biológica complexa formado na superfície de um filtro de areia lento que significa "camada suja" em alemão. O Schmutzdecke é a camada que fornece o purificação eficaz de água potável tratamento.

A areia deve ter as seguintes características:

 ser isenta de materiais orgânicos;

 situar-se entre as peneiras de 0,15mm a 1,41mm;

 obedecer os parâmetros de caracterização com D₁₀= 0,30mm e D₆₀ = 0,75mm.

Filtração lenta

Filtração lenta

Filtração lenta - Resultados

Filtração direta

O que é uma filtração rápida?

 composto de areia lavada e peneirada em camadas, o fundo com cascalho e em cima areia fina. A água passa da areia fina para o cascalho e é recolhida por drenos ou cripinas subterrâneas. A lavagem é por reversão com água que é recolhida nas calhas .

Filtração direta

Fluxo ascendente

Filtração direta

Fluxo descendente sem floculação

• Requer águas de baixa turbidez e cor

• Baixo custo de implantação, operação e manutenção.

• Baixa produção de lodo.

• Tempo de permanência curto.

• Monitoramento contínuo dos parâmetros da qualidade da água

• Não favorece os processos biológicos

• Risco de paralisações

Filtração direta

Fluxo ascendente

 Camada suporte retém sólidos

 Recomenda-se descarga de fundo antes da lavagem

 Recomenda-se instalar um sistema auxiliar de lavagem (tubos perfurados)

Filtração rápida

 Aumento dos teores de sólidos na água pode requerer lavagem frequente dos filtros

Fluxo descendente

 Mais utilizados

Filtração rápida

Encerramento da carreira de filtração

 Mais utilizado - Turbidez da água filtrada superior a um valor pré-determinado (Geralmente superior a 0,5 UT);

 Perda de carga igual ou superior a carga hidráulica máxima disponível (Geralmente da ordem de 2,0 a 3,0 metros);

 Carreira de filtração com duração superior a 40 horas.

Filtração rápida

Filtração rápida

Filtração rápida

Filtração de Fluxo Ascendente (tipo Russo)

 Filtros de correntes ascendentes ou clarificadores de contato;

 Funciona em sentido inverso (fluxo de baixo para cima);

 Indicados para águas de baixa turbidez e pouco conteúdo mineral;

 São semelhantes aos FFD (fluxo invertido)

Filtração rápida

Filtração de Fluxo Ascendente (tipo Russo)

 Dispensa a floculação e a decantação, sendo aplicado um coagulante alguns minutos antes da filtração;

 O fluxo de água encontra um material mais grosseiro nas camadas inferiores do meio filtrante e material mais fino na parte superior;

 A lavagem é feita com uma corrente de água no mesmo sentido da filtração (sob pressão);

 A disposição do meio filtrante em relação ao sentido do escoamento da água, faz com que a água mais impura encontre primeiramente o material mais grosseiro (maior porosidade);

 A medida em que a água vai se livrando das impurezas, no seu movimento ascendente, ela vai encontrando meios cada vez mais finos e de menor porosidade.

Filtração rápida

Filtração de Fluxo Descendente

 A água percorre a camada filtrante de cima para baixo, do material mais fino para o material mais grosso;

 Sua elevada eficiência na remoção de cor, turbidez e microrganismos patogênicos (coliformes, vírus, protozoários) deve-se principalmente à uniformidade do leito, à forma geométrica dos grãos e ao tamanho das partículas.

Filtração

Leitos filtrantes

 Areia

Pode ser obtida em rios ou lagos, devendo ser limpa, sem barro ou matéria orgânica. A norma NBR 12216/92 fixa as condições e características granulométricas para as areias como leito filtrante:

Filtros Lentos : Tamanho efetivo de 0,25 a 0,35 mm / Coeficiente de Uniformidade menor que 3,0 / Espessura Mínima da Camada de 0,90 m;

Filtros Rápidos de Fluxo Descendente de Camada Simples : Tamanho efetivo de 0,45 a 0,55 mm / Coeficiente de Uniformidade entre 1,4 e 1,6 / Espessura Mínima da Camada de 0,45 m;

Filtros Rápidos de Fluxo Descendente de Camada Dupla : Tamanho efetivo de 0,45 a 0,55 mm / Coeficiente de Uniformidade entre 1,4 e 1,6 / Espessura Mínima da Camada de 0,25 m;

Filtros Rápidos de Fluxo Ascendente : Tamanho efetivo de 0,70 a 0,80 mm / Coeficiente de Uniformidade menor ou igual a 2,0 / Espessura Mínima da Camada de 2,00 m;

Leitos filtrantes

 Antracito

 É um carvão mineral de cor negra.

 Sua massa específica e da ordem de 1,4 a 1,6 g/cm³, isto é inferior à da areia.

 Isto faz com que ele possa ser utilizado em filtros rápidos de camada dupla sobre a areia, sem se misturar com ela.

 Sendo o antracito mais leve e sendo a granulometria da areia e do antracito adequadamente especificados, todas as vezes que o filtro for lavado, o antracito subirá mais do que a areia.

 Terminada a lavagem a areia ficará por baixo e o antracito por cima.

Leitos filtrantes

Filtros de camada dupla (NBR 12216/92)



Areia:



Espessura mínima: 25 cm;



Tamanho efetivo: 0,40 a 0,45 mm;



Coeficiente de uniformidade: 1,4 a 1,6.



Antracito:



Espessura mínima: 45 cm;



Tamanho efetivo: 0,80 a 1,0 mm;



Coeficiente de uniformidade:

1,4

Camada suporte

Localizada abaixo do leito filtrante sendo normalmente constituída de seixos rolados ou pedras, colocadas em camadas sucessivas umas sobre as outras, de forma a possibilitar a transição entre o tamanho dos grãos do leito filtrante e o tamanho dos orifícios fundo falso do filtro por onde a água filtrada passa.

Fundo dos filtros

1. Bocais;

2. Blocos;

3. Tubulações perfuradas;

4. Vigas pré-fabricadas

Fundo dos filtros

Espessura da camada suporte para bocais

Bocais

Camada Espessura (cm) Tamanho

(mm)

Pedrisco 7 – 7.5 4.8 – 2.4

1º 7 – 7.5 12.5 – 4.8

2º 7 – 10.0 19.0 – 12.5

3º 7 – 10.0 38 – 19

Fundo 12 – 15 63 – 38

Total 40 a 50

Fundo dos filtros

Blocos

Fundo dos filtros

Espessura da camada suporte para blocos Cerâmicos

Camada Espessura (cm) Tamanho (mm)

1º 15 1.6 – 3.2

2º 5 3.2 – 6.4

3º 5 6.4 – 12.5

Fundo 15 12.5 – 19

Total 40

Blocos

Fundo dos filtros

Tubulações perfuradas

Fundo dos filtros

Vigas premoldadas

Camada suporte utilizada pela COPASA para fundos falsos que utilizam vigas californianas (Vianna,2005)

Limpeza do filtro

A NBR 12216 estabelece que:

• Os filtros rápidos ascendentes são lavados a contra-corrente (por inversão de fluxo) com ou sem auxílio de ar, com uma vazão capaz de asseguram uma expansão adequada para o meio filtrante.

• A lavagem deverá promover a expansão de 20 a 30%;

• A velocidade ascensional deverá ser estar entre 0,6 e 1,0 m/min e o tempo de lavagem deve estar entre 10 e 15 minutos.

• A água para lavagem pode ser armazenada na caixa dos próprios filtros (filtros auto laváveis) ou em reservatórios específicos para este fim.

• Os reservatórios devem ter capacidade para armazenar o volume necessário para lavagem de dois filtros com velocidade superior a 0,60 m/min, durante 10 minutos;

• A lavagem do filtro de fluxo descendente deve ser complementada por agitação auxiliar do material filtrante.

Limpeza do filtro – exclusivamente água

Vazão

Tempo água ascensional

 Tempo de lavagem: 8 a 15 minutos

 Expansão do material filtrante: 20% a 30%

Limpeza do filtro - água e sistema superficial

 Tempo de lavagem com água em contra-corrente: 8 a 15 minutos

 Lavagem superficial somente: 1min a 2 min

 Expansão do material filtrante: 20% a 30%

Tempo água ascensional

Vazão

água superficial

1,5 l/s/m

a 3,0 l/s/m

Limpeza do filtro – ar seguido de água

•Tempo de lavagem com água em contra-corrente: 8 a 15 minutos

•Tempo de lavagem com ar: 2 a 3 minutos

•Expansão do material filtrante: 20% a 30%

Vazão

Tempo água ascensional

ar

Limpeza do filtro – ar e água

Limpeza do filtro – ar e água simultâneo

 Tempo de lavagem com ar e água simultaneamente: 2 a 4 minutos;

Tempo Vazão ar

água ascencional

4 l/s/m

a 8 l/s/m

 Tempo de lavagem com água em contra-corrente: 8 a 15 minutos;

 Expansão do material filtrante: 20% a 30%.

Taxas de Filtração

Função de:



Qualidade da água;



Habilidade de operação;



Características do meio; e



Carga hidráulica.

Taxas de Filtração

Corresponde a Vazão Diária Filtrada por Área de Filtro (em planta) expressa normalmente em m³/(m².dia). As disposições da Norma NBR 12216/92 são:

Filtros Lentos - A taxa de filtração pode ser determinada por experiências em filtros pilotos, em períodos superiores ao necessário para ocorrência de todas as variações de qualidade da água. Não sendo possível realizar essas experiências a taxa de filtração não deve ser superior a 6 m³/(m².dia). Os filtros lentos pela baixa taxa de filtração necessitam de grandes áreas para tratamento de grandes vazões.

Filtros Rápidos - Não sendo possível proceder a experiências piloto as taxas máximas recomendadas são as seguintes :

filtros com camada simples - 180 m³/(m².dia) ; filtros com camada dupla - 360 m³/(m².dia).

A taxa máxima em filtros de fluxo ascendente é de 120 m³/(m².dia). Alguns estudos dizem que pode chegar à 300 m³/(m².dia)

Calhas coletoras das águas de lavagem

Devem ser projetadas sobre o leito filtrante de forma a assegurar a coleta da água de lavagem no leito filtrante de modo mais uniforme possível. A altura do fundo da calha em relação ao topo filtrante é muito importante. O ideal é colocá- la um pouco acima da altura atingida pelo topo do leito filtrante expandido, algo em torno de 15 cm.

(desde que >15 cm)

Calhas coletoras das águas de lavagem

► Definição da concepção do sistema de filtração (simples, dupla camada ou tripla camada);

► Definição da granulometria dos materiais filtrantes e sua respectiva espessura;

► Definição do controle hidráulico do sistema de filtração (taxa de filtração constante com ou sem variação de nível ou taxa de filtração declinante);

► Concepção do fundo falso e sistema de drenagem;

► Definição das características da camada suporte;

► Fixa-se a taxa de filtração;

►Camada simples de areia (d_ef=0,5 mm): 120 m³/(m².dia)

►Dupla camada areia-antracito: 240 m³/(m².dia)

►Camada simples de areia (d_ef=1,2 a 2,0 mm): 360 m³/(m².dia) a 480 m³/(m².dia)

Roteiro de projeto

Roteiro de projeto

► Cálculo da área total de filtração;

► Cálculo aproximado do número de filtros;

► Definição do número de filtros;

► Determinação da área individual de cada filtro. Recomendável (25 m² a 100 m²);

► Definição das dimensões de cada filtro. Recomendável que seja efetuado em função das dimensões dos decantadores;

► Definição do método e sistema de lavagem;

► Cálculo da velocidade mínima de fluidificação e velocidade ascensional de água de lavagem para valores pré-determinados de expansão do meio filtrante;

► Dimensionamento do sistema de lavagem (tubulações, válvulas demais e acessórios);

► Dimensionamento das calhas de coleta de água de lavagem; e

► Definição da carga hidráulica disponível e cálculo do perfil hidráulico.

Dimensionamento de unidade de filtração

• Vazão: 1,0 m

/s

• Filtros de dupla camada areia-antracito;

• Taxa de filtração: 240 m

/m

/dia;

• Lavagem com ar seguido de água em contra-corrente;

• Sistema de drenagem composto por blocos Leopold;

• Taxa de filtração constante com variação de nível;

• Número de decantadores: 04

• Largura do decantador: 12,0 m;

Dimensionamento de unidade de filtração

• 1

.

:



 q A

Q

• 2. Cálculo aproximado do número de filtros

5 ,

.

2 ,

1 Q

N 

N = número de filtros

Q = vazão em mg.dia (1 mg/dia = 3.785 m³/dia)

5 ,

83

. 22 2

. 1 x N 

Canal de água coagulada

CASA DE QUÍMICA

F1F2 F5F6

Utilizando a formulação empírica proposta por KAWAMURA, tem-se que:

Em função do número de decantadores, serão admitidos um total de 08 filtros, sendo 02 filtros associados a cada decantador.

dia m

m

dia m

x

/ /

240

/ 400

. 86 1

2 3

3

q = Taxa de filtração: 240 m³/m²/dia

1 mg

dia 3.785 m³ dia

X 86.400 m³

X = 22,83 mg dia dia

360 m



7 .

 5

Dimensionamento de unidade de filtração

• 4. Definição das dimensões básicas de cada filtro:

Cada decantador apresenta uma largura individual de 12,0 metros e, admitindo-se que a cada um esteja associado 02 filtros, tem-se que:

0 , 6 0

,

1 m  X 

m

X  5 , 0 ^{5 . 0 xY  Af}

m Y  9 , 0

• 3. Cálculo da área de cada filtro:

2

2

360

8 360 m

A

m N

A A

tf

tf f







Em função do número de decantadores, serão admitidos um total de 8 filtros, sendo 2 filtros associados a cada decantador.

6,0 m 6,0 m

45 m



45

0 .

5 Y  m

Af Y

X . 

Dimensionamento de unidade de filtração

• 5. Características dos materiais filtrantes:

Material Altura (m)

Diâmetro efetivo

(mm)

C.Unif. d60

(mm)

Massa específica

(kg/m³)

Porosidade Coef.

Esfericidade

Areia 0,3 0,5 1,5 0,75 2.750 0,45 0,80

Antracito 0,5 1,0 1,5 1,5 1.600 0,55 0,55

• 6. Verificação da grandeza l/d_ef



 

ef

ef

d

L d

L  ^{ 1 . 0 0 0 OK} 

Dado que a lavagem do material filtrante será efetuado com ar e água, utilizando-se o bloco Leopold como sistema de drenagem, a camada suporte deverá ter a seguinte composição (Recomendação do fabricante)

100 . 0 1

, 1 500 5

, 0

300  

D₆₀ = corresponde ao tamanho para o qual se obtém 60% (peso) do material que passa

Altura (mm)

Diâmetro efetivo (mm)

Dimensionamento de unidade de filtração

• 7. Características da camada suporte:

Camada Granulometria Altura

Camada 1 12,7 mm a 19,0 mm 5,0 cm (Topo)

Camada 2 6,4 mm a 12,7 mm 5,0 cm

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

Camada 4 1,6 mm a 3,2 mm 5,0 cm

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

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

Camada 7 12,7 mm a 19,0 mm 5,0 cm (Fundo)

Total 35 cm

• 8. Definição da expansão do material filtrante:

Será adotada uma velocidade ascensional de água de lavagem igual a 1,3 cm/s, que corresponde a uma taxa igual a 1.123,20 m³/(m².dia), que deverá proporcionar uma expansão do material filtrante em torno de 20%.

Dimensionamento de unidade de filtração

• 9. Cálculo da vazão de água de lavagem:





AL

vxA

Q

 10. Cálculo do volume de água de lavagem:



 Q xt Volume

 11. Reservação de água de lavagem:

xVol servação 2

Re 

) (

750

Re serv ação  m

A dotado

s m v  1 , 3 . 1 0

/

A_f = 45 m²

s m / 585

,

0

2 2



45 /

10 . 3 ,

1 m sx m

 min /

60 min

10 /

585 ,

0 m

sx x s 351 m

t = 10 min

3

3

702

351 2

Re servação  x m  m

Dimensionamento de unidade de filtração

• 12. Dimensionamento da tubulação de água de lavagem:

4



 x Vx Q



5 , 2

585 , 0 4

x x

   ^{  600 m m ( A dotado )}

• 13. Cálculo da vazão de ar durante a lavagem:

Será adotado uma vazão de ar durante a lavagem de 15 l/(s.m²).

A R

 Q

• 14. Dimensionamento das calhas de coleta de água de lavagem:

Serão admitidas inicialmente 5 calhas por filtro. Assim sendo, a sua vazão individual será de:

5  / 585

,

0 m

s

Adotada uma

velocidade de 2,5 m/s.

xV xQ

  ⁴ 

f AR xA

Q _{15 l / s / m}

_{x 45 m}

_

Diâmetro da tubulação

Volume que passa pelo tubo em linha reta

m 564 ,

 0

s l / 675



 n

Q

Q

0 , 117 m

/ s

Dimensionamento de unidade de filtração

• 15. Dimensionamento das calhas de coleta de água de lavagem

5 , 1

. 0

. 38 ,

1 B h

Q _{ca l h a} 

O nível d’água máximo de água na calha coletora pode ser calculado de acordo com a seguinte expressão:

B (m) h0 (m)

0,2 0,590

0,4 0,372

0,5 0,320

0,6 0,284

Dimensões adotadas Para diferentes valores de largura de calha, tem-se que:

Será adotada calha com largura igual a 0,5 metros e altura igual a 0,4 metros.



 . 1 , 38

0

B

h

Q

0,5 0,4

0,357 = 0,4



 0 , 5 . 1 , 38

117

,

0

h

Dimensionamento de unidade de filtração

• 16. Posicionamento das calhas de coleta de água de lavagem

Serão adotadas calhas de água de lavagem com largura igual a 0,5 m e altura igual a 0,4 m

 ^{0 , 5 . L  D}  ^{ H}

^  ^{L  D} 

  ^{0 8, ≤ H}

^≤   ^{1 , 2 H}

^{ 1 , 0 m}

S

L D H

0

• 17. Espaçamento das calhas de coleta de água de lavagem:

0

0

2 , 5

5 ,

1 H  S  H

0, 1.

5,

≤ 2 0, ≤

1.

5,

1 S

A altura da calha em relação ao meio filtrante pode ser estimada pela seguinte relação:

O espaçamento entre as calhas é dado por:

H₀=Altura entre a borda superior da calha de

água de

lavagem

e o topo do material filtrante

S=Espaçamento entre as calhas

L=Espessura da camada filtrante (areia e antracito) D=altura da calha de água de lavagem = 0,4

S = 2,0m

0,3 + 0,5 = 0,8

Dimensionamento de unidade de filtração

• 19. Dimensionamento do vertedor de saída de água filtrada:

5 , 1

. 0

. 84 ,

1 B h

Q _filtrada 

Dimensões adotadas

B (m) h0 (m)

0,6 0,234

0,8 0,193

1,0 0,166

1,2 0,147

1,4 0,133

Q

=1m³/s / 8 filtros

A vazão por filtro é de 125 L/s. Admitindo que o vertedor seja retangular, tem-se que:

Será adotado uma câmara vertedora por filtro com largura igual a 1,0 metros.