Filtração de água usando conjuntamente materiais granulares e geotêxteis

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outubro de 2014

Escola de Engenharia

Artur César Rocha Freitas Rodrigues

Filtração de água usando conjuntamente

materiais granulares e geotêxteis

UMinho|20 14 Ar tur César R oc ha F reit as R odrigues F

iltração de água usando conjunt

amente materiais g

ranulares e geo

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Dissertação de Mestrado

Mestrado em Engenharia Urbana

Ramo de Hidráulica Ambiental

Trabalho efetuado sob a orientação do

Professor Doutor Júlio Fernando Ferreira da Silva

outubro de 2014

Universidade do Minho

Escola de Engenharia

Artur César Rocha Freitas Rodrigues

Filtração de água usando conjuntamente

materiais granulares e geotêxteis

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AGRADECIMENTOS

Para a realização deste trabalho foram importantes as contribuições de várias pessoas e a Universidade do Minho a quem expresso o meu profundo reconhecimento.

Ao Professor Doutor Júlio Fernando Ferreira da Silva do grupo de hidráulica do departamento de Engenharia Civil da Universidade do Minho, desejo expressar o meu profundo reconhecimento e agradecimento, não só pela orientação do trabalho, mas também pelas sugestões, incentivos e ideias que vieram a ser exploradas nesta dissertação.

Ao Sr. Rui Oliveira e ao Engenheiro Nuno Brandão, agradeço a disponibilidade e ajuda na montagem da instalação experimental e o auxílio nas experiências, que muito contribuíram para a realização deste trabalho.

A todos os meus colegas, àqueles que eu encontrei durante a realização desta dissertação, agradeço o apoio, amizade e o carinho que sempre tiveram comigo.

Por último o meu agradecimento especial à minha família, Susana e meus filhos Tânia e Gabriel pelo apoio e confiança transmitida, pela compreensão das minhas ausências repetidas ao longo destes últimos cinco anos, e pela disponibilidade que demonstraram sempre que precisei para finalizar mais esta etapa na minha vida.

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RESUMO

A presente dissertação é dedicada ao estudo da filtração de água usando conjuntamente sacos filtro e areia. Descrevem-se os fundamentos teóricos e o trabalho experimental desenvolvido no laboratório de hidráulica da Universidade do Minho. A instalação experimental esteve em funcionamento durante 87 dias, tendo sido nesse intervalo de tempo, recolhidas amostras de água antes e após o filtro para testar a eficiência da remoção da turvação. Foram também registados, como parâmetros de controlo, os caudais, a altura de água no filtro, a condutividade elétrica, a temperatura e o pH.

Os valores registados da turvação demonstraram uma significativa redução após a água atravessar os meios filtrantes utilizados. A análise, modelação e previsão da turvação da água é feita com recurso aos modelos ARIMA. Desenvolveu-se um modelo para a previsão da turvação da água filtrada em função da turvação da água bruta. Dos resultados obtidos podem estabelecer-se relações de entrada e saída do sistema, nas quais as turvações de água bruta, pré-filtrada e caudais de captação influenciam o comportamento do filtro ao longo do tempo.

Este trabalho apresenta resultados interessantes para o desenvolvimento de uma técnica de filtração de água, aplicando materiais alternativos, de baixo custo e sustentáveis e que comprovaram serem capazes de cumprir a tarefa de ajudar na melhoria da água.

Palavras-chave: Filtração de água; Filtração com geotêxteis; Filtração em materiais

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ABSTRACT

This dissertation is dedicated to water filtration by using both filter bags and sand. It’s described the theoretical foundations and experimental study developed in the hydraulics laboratory at the Minho University. The experimental facility was in operation for 87 days and during that time, samples have been collected before and after the filtering process in order to test the efficiency of turbidity removal. It was also recorded flow rates, the height of water inside the filter, conductivity, temperature and pH as control parameters.

Registered turbidity values have showed a significant reduction after water has been passed through the filter system. The analysis, modeling and water turbidity forecasting were made by using the ARIMA model. It was developed a turbidity forecast model of filtered water in according to the raw water turbidity. From the results obtained, the correlation of input and output of the system can be established through the turbidity of raw water, pre-filtered water and water catchment areas that influence the filter behavior over time.

This work points out interesting results for a development of water filtration technique, using alternative, low cost and sustainable materials in order to prove that they were able to accomplish the task of helping the improvement of water.

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ÍNDICE

AGRADECIMENTOS ... III RESUMO ... V ABSTRACT ... VII ÍNDICE ... IX ÍNDICE DE FIGURAS ... XII ÍNDICE DE QUADROS ... XVI LISTA DE ABREVIATURAS ... XVII SIMBOLOGIA ... XIX 1 INTRODUÇÃO ... 1 1.1 ENQUADRAMENTO AO TEMA ... 1 1.2 OBJETIVOS ... 2 1.3 METODOLOGIA ... 2 1.4 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO ... 2

2 DESCRIÇÃO DO PROCESSO DA FILTRAÇÃO ... 5

2.1 DESCRIÇÃO DO PROCESSO ... 5

2.1.1 Mecanismos da Filtração em Materiais Granulares ...6

2.1.2 Fundamentos e Modelação Matemática da Filtração ...10

2.1.3 Hidráulica da Filtração em Meios Porosos ...12

2.2 HISTÓRICO E PERSPETIVAS DO GEOTÊXTIL ... 16

2.2.1 Filtro Sintético ...17

2.2.2 Propriedades dos Geotêxteis ...19

2.2.2.1 Propriedades Físicas ...20

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x Filtração de água usando conjuntamente materiais granulares e geotêxteis

2.2.2.3 Propriedades Hidráulicas ... 22

2.2.2.4 Permeabilidade ... 22

2.2.2.5 Distribuição e Dimensão de Aberturas ... 24

2.3 FILTRAÇÃO COM GEOTÊXTEIS ... 25

2.3.1 Colmatação em Geotêxteis... 27

3 REVISÃO DO ESTADO DA ARTE ... 31

3.1 APLICAÇÃO DOS GEOTÊXTEIS EM SISTEMAS DE DRENAGEM E FILTRAÇÃO ... 31

3.2 APLICAÇÃO DOS GEOTÊXTEIS EM OBRAS DE FILTRAÇÃO AMBIENTAL ... 34

3.3 APLICAÇÃO DOS GEOTÊXTEIS EM FILTRAÇÃO DE SÓLIDOS SUSPENSOS DA ÁGUA ... 36

4 METODOLOGIA DO TRABALHO DESENVOLVIDO ... 43

4.1 APRESENTAÇÃO DO SISTEMA DE FILTRAÇÃO ... 43

4.1.1 Materiais Utilizados ... 44

4.2 MONTAGEM DOS FILTROS ... 47

4.3 CONFIGURAÇÃO DO DRENO ENSAIADO NAS EXPERIÊNCIAS ... 49

4.4 METODOLOGIA DO PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL E MEDIÇÕES ... 53

5 RESULTADOS E SUA ANÁLISE ... 57

5.1 RESULTADOS EXPERIMENTAIS ... 57

5.1.1 Experiência com Turvação... 57

5.1.2 Experiência com Caudais e Taxas de Filtração ... 66

5.1.3 Parâmetros Físico – Químicos de Controlo ... 70

5.1.4 A Colmatação do Filtro ... 75

5.2 MODELAÇÃO E PREVISÃO USANDO MODELOS ARIMA ... 78

5.2.1 Descrição Genérica dos Processos ARIMA ... 78

5.2.2 Avaliação de Desempenho ... 81

5.2.3 Análise Preliminar dos Dados de Turvação de AB, APF e AC ... 83

5.2.4 Modelos para AC Incluindo como Variáveis Independentes AB e APF ... 84

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6 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES PARA DESENVOLVIMENTOS

FUTUROS ... 93

6.1 CONCLUSÕES DO TRABALHO DESENVOLVIDO ... 93

6.2 SUGESTÕES PARA DESENVOLVIMENTOS FUTUROS ... 94

7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 97

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xii Filtração de água usando conjuntamente materiais granulares e geotêxteis

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 2.1 - Filtração plana com formação de bolo adaptado de Martins, (2009) ... 5

Figura 2.2- Alguns exemplos de materiais granulares usados em filtros adaptado de Natural Tec, (2013) ... 8

Figura 2.3 - Pormenor da argila expandida adaptado de Argex (2014) ... 9

Figura 2.4 – Diferentes tipos de geotêxteis (Ferreira Gomes, 2001) ... 17

Figura 2.5 - Exemplo do resultado do ensaio de tração em faixa larga de geotêxtil não tecido, adaptado de Ortiz (2012) ... 21

Figura 2.6 - Propriedades hidráulicas do geotêxtil adaptado de Matheus (1997) ... 24

Figura 2.7 - Modelo bidimensional da projeção do biofilme (Yaman, 2003) ... 26

Figura 2.8 - Mecanismos de colmatação física em filtros de geotêxtil não tecido: a) cegamento; b) bloqueamento e c) colmatação interna, adaptado de (Ricardo, 2011) ... 28

Figura 2.9 - Esquema do mecanismo de filtração para partículas em suspensão (Ortiz, 2012)29 Figura 2.10 - Mecanismos de captura de partículas, adaptado de Hutten (2007) ... 30

Figura 3.1 - Formas de filtração, filtro dreno (à esquerda), camadas de filtro (à direita), adaptado de Shukla e Yin (2006) ... 31

Figura 3.2 - Resultados do comportamento da filtração, filtro n.º 1 (coluna à esquerda), filtro n.º 2 (coluna à direita) (Mulligan et al., 2009) ... 38

Figura 3.3 - Percentagem de turvação media removida da água depois de filtração para cada um dos tecidos, adaptado de Tammisetti (2010) ... 42

Figura 4.1 – Representação esquemática do sistema de filtração ... 43

Figura 4.2 - Representação do recipiente Bilcam, 120L (à esquerda) e 50L (à direita) ... 44

Figura 4.3 - Saco de filtro (PP) 5 µm Ø160 (6”) ... 45

Figura 4.4 – Fotografias dos drenos, um tubo de dreno DN50 revestido por manta geotêxtil (à esquerda), tubo corrugado DN200 de parede dupla em polipropileno (à direita) ... 46

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Figura 4.6 - Pormenor de montagem do filtro, colocação do saco de filtro na tampa do recipiente (à esquerda); tubo de dreno dentro do saco de filtro e bomba

submersível para captação (à direita) ... 48

Figura 4.7 - Areia fina (à esquerda), fase de introdução de areia fina no saco de filtro (à direita) ... 48

Figura 4.8 - Aspeto da instalação do sistema de filtração, durante a fase experimental em funcionamento ... 49

Figura 4.9 - Configuração do filtro durante a fase experimental... 50

Figura 4.10 - Distribuidor disposto de forma circular (à esquerda) e aplicação na base do recipiente (à direita) ... 51

Figura 4.11 - Pormenor do recobrimento do distribuidor com godo na entrada da água bruta 51 Figura 4.12 - Camada de areia grossa... 51

Figura 4.13 - Fase da colocação do godo no pré-filtro (à esquerda), colocação da areia grossa (ao centro) e da interligação no sistema de filtração (à direita) ... 52

Figura 4.14 - Instrumentos de medição ... 53

Figura 4.15 - Detalhe da turvação da água no depósito... 54

Figura 4.16 - Pormenor para medição dos níveis de água no dreno. ... 55

Figura 5.1 - Registo da turvação com os valores médios totais obtidos nos dias de ensaio ... 59

Figura 5.2 - Remoção percentual em valores médios totais nos dias de ensaio ... 59

Figura 5.3 - Registo da turvação nos dias 24 e 26/04/2013 − 1.º ciclo de filtração ... 60

Figura 5.4 - Registo da turvação nos dias 15 e 17/05/2013 – 1.º ciclo de filtração ... 61

Figura 5.7 - Turvação água bruta vs turvação água captada ... 63

Figura 5.10 - Turvação água bruta vs turvação água pré-filtrada ... 64

Figura 5.11 - Turvação água bruta vs turvação água pré-filtrada ... 65

Figura 5.12 - Turvação água bruta vs turvação água pré-filtrada ... 65 Figura 5.13 - Registo dos valores médios obtidos em dias de ensaio no 1.º ciclo de filtração 68 Figura 5.14 - Registo dos valores médios obtidos em dias de ensaio no 2.º ciclo de filtração 68

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xiv Filtração de água usando conjuntamente materiais granulares e geotêxteis

Figura 5.15 - Variação das taxas médias em dias de ensaio no 1.º ciclo de filtração ... 69

Figura 5.16 - Variação das taxas médias em dias de ensaio no 2.º ciclo de filtração ... 69

Figura 5.17 - Valores médios de condutividade elétrica recolhidos nas sondas da água bruta e captada em dias de ensaio ... 71

Figura 5.18 - Remoção percentual em valores médios da condutividade elétrica ... 71

Figura 5.19 - Valores médios diários de temperatura de água bruta e captada ... 72

Figura 5.20 - Registo da temperatura da água bruta e captada nos dias 20 e 21/07/2013 ... 73

Figura 5.21 - Registo dos valores médios de pH e OD no ciclo filtração n.º 2 ... 74

Figura 5.22 - Comportamento do filtro em funcionamento no 1.º ciclo com as horas de funcionamento ... 75

Figura 5.23 - Comportamento do filtro em funcionamento do 2.º ciclo com as horas de funcionamento ... 76

Figura 5.24 - Aspeto dos filtros de saco com colmatação, filtro com diâmetro de 160 mm e uma abertura de 5 µm (à esquerda), filtro com diâmetro de 170 mm e uma abertura de 50 µm (à direita) ... 77

Figura 5.25 - Subpartes do sistema filtrante, sacos filtro "geotêxteis" (à esquerda), areia que está entre o tubo dreno e os filtros (em cima), pormenor do tubo dreno (em baixo) ... 77

Figura 5.26 - Modelação ARIMA ... 82

Figura 5.27 - Representação dos valores da turvação da água bruta ... 83

Figura 5.28 - Representação dos valores da turvação da água pré-filtrada ... 84

Figura 5.29 - Representação dos valores da turvação da água captada ... 84

Figura 5.30 - Exemplo do modelo ARIMA (1,1,1) (1,0,0) incluindo AB como variável independente ... 86

Figura 5.31 - ACF e PACF da sucessão residual do modelo ARIMA (1,1,1) (1,0,0) ... 86

Figura 5.32 - Exemplo do modelo ARIMA (1,1,1) (0,0,0) incluindo APF como variável independente ... 88

Figura 5.33 - ACF e PACF da sucessão residual do modelo ARIMA (1,1,1) (0,0,0) ... 88

Figura 5.34 – Exemplo 1 do modelo ARIMA (2,1,2) (2,0,0) para a sucessão cronológica da AC considerando os valores registados de 19/04/2013 a 31/05/2013 ... 89

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Figura 5.35 - Exemplo 2 do modelo ARIMA (2,1,2) (2,0,0) para a sucessão cronológica da AC considerando os valores registados de 17/05/2013 a 31/05/2013 ... 90 Figura 5.36 - ACF e PACF da sucessão residual do modelo ARIMA (2,1,2) (2,0,0) ... 90

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xvi Filtração de água usando conjuntamente materiais granulares e geotêxteis

ÍNDICE DE QUADROS

Quadro 2.1 - Valores típicos do fator de forma das areias adaptado de Brinck (2009) ... 15

Quadro 2.2 - Funções dos geossintéticos adaptado de IGS (2013) ... 19

Quadro 3.1 - Características do geotêxtil (Lamy et al., 2013) ... 33

Quadro 3.2 - Caracterização dos filtros geotêxteis (Mulligan et al., 2009) ... 37

Quadro 3.3 - Valores médios de quatro repetições dos parâmetros físicos da água (Junior, et al., 2010) ... 41

Quadro 4.1 - Legenda e acessórios do filtro ... 44

Quadro 5.1- Valores resumidos de turvação e remoções percentuais no ciclo de filtração nº 1 e n.º 2 ... 58

Quadro 5.2 - Valores médios de caudais e taxas de filtração do 1º e 2º ciclo ... 66

Quadro 5.3 – Resumo dos valores médios diários de condutividade elétrica e temperatura registados nas sondas água bruta e captada ... 70

Quadro 5.4 - Valores médios de pH e OD ... 74

Quadro 5.5 – N.º de horas de funcionamento do filtro ... 75

Quadro 5.6 - Seleção do modelo ... 85

Quadro 5.7 - Valores dos parâmetros do modelo ARIMA (1,1,1) (1,0,0) ... 85

Quadro 5.8 - Seleção do modelo ... 87

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LISTA DE ABREVIATURAS

Ag Prata

AOS Apparent Opening Size

ARIMA Modelo Auto Regressivo Integrado de Média Móvel CO Carbono Orgânico

CQO Carência Química de Oxigénio DN Diâmetro Nominal

EN Norma Europeia

IGS Sociedade Internacional de Geossintéticos ISO Organização Internacional de Normalização JAE Junta Autónoma das Estradas

KBr Brometo de potássio

LNEC Laboratório Nacional de Engenharia Civil MIBAL Minas de Barqueiros, S.A

MUA Massa por Unidade de Área NP Norma Portuguesa

NTU Unidades Nefelométricas de Turvação OD Oxigénio Dissolvido PA Poliamida Pb Chumbo PE Polietileno PET Poliéster PP Polipropileno PVC Policloreto de Vinil

RMF Resistência Oferecida Meio Filtrante RPF Remoção no Pré-Filtro

RSF Remoção no Sistema de Filtração SPSS Statistical Package for Social Sciences SS Sólidos Suspensos

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xviii Filtração de água usando conjuntamente materiais granulares e geotêxteis

TAB Turvação da Água Bruta TAC Turvação da Água Captada TAPF Turvação de Água Após Pré-Filtro TDS Sólidos Dissolvidos Totais

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SIMBOLOGIA

∆h Perda de Carga no Geotêxtil

µ Massa por Unidade de Área do Geotêxtil

A Área da secção transversal do Geotêxtil

AF Área de Filtração no Dreno

d Diâmetro Interno

D10 Diâmetro Efetivo

d50 Diâmetro Médio

h1 Altura do rebaixamento de Água no Dreno

hd Altura de Água no Dreno

ht Altura Total de Água no Dreno

ks Coeficiente de permeabilidade

L Distância da manta geotêxtil

ng Porosidade do geotêxtil

On Dimensão Equivalente de Abertura

P Pressão Exercida pela Suspensão a Filtrar

Pr Perímetro do Dreno Q Caudal t Tempo T Temperatura TF Taxa de Filtração Tg Espessura do geotêxtil V Volume Total VV Volume de Vazios

θ Transmissividade do Elemento Drenante

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Introdução

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1 INTRODUÇÃO

1.1 Enquadramento ao Tema

Dadas as características físicas e hidráulicas dos geotêxteis torna-se possível a sua utilização como filtros. Podem ser usados para a retenção de finos, para filtrar as águas superficiais provenientes das chuvas e para a desidratação de lamas. O geotêxtil é, também, um material de reforço e contenção do solo para minimizar os problemas provocados pelo aparecimento da água nas obras de engenharia civil.

A filtração tem um papel importante e é, sem dúvida, um dos pilares essenciais no tratamento de água. Os filtros são unidades que fazem parte do processo de clarificação da água e são constituídos de um meio poroso para a remoção de impurezas presentes, permitindo a passagem livre da água em movimento.

A filtração com geotêxteis é cada vez mais usada em todo mundo, ou seja, países como os Estados Unidos e o Brasil são os que mais usam este tipo de tecnologia. Um exemplo do uso desta filtração é o trabalho desenvolvido por Bernardo et al., (1997) que colocou mantas geotêxteis na parte superior nos filtros de areia lentos, para reter parte das impurezas encaminhadas ao meio filtrante granular, visando aumentar a duração do ciclo de filtração, incrementar as taxas de filtração e diminuir a espessura da camada de areia, sem prejudicar a qualidade do efluente, de modo a reduzir os custos operacionais das estações de tratamento. Além da colocação das mantas em filtros, muito outros processos são estudados como o uso de geotêxteis não tecidos na filtração de águas da chuva. Assim, o trabalho de Schujmann et

al., (2010) comparou a eficiência entre os filtros geotêxteis e a areia na remoção da turvação

da água da chuva.

É neste contexto que vão ser estudadas as potencialidades deste material que se justifica pelo facto de contribuir para a investigação tendo como suporte a filtração de água e na procura de novos materiais, mais baratos e de fácil operação que sejam capazes de solucionar os problemas associados aos sólidos em suspensão como a matéria orgânica (esgotos domésticos), argila, areia, entre outros.

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2 Filtração de água usando conjuntamente materiais granulares e geotêxteis

1.2 Objetivos

O objetivo principal desta dissertação foi simular o desempenho do sistema de filtração perante episódios de aumento da turvação, em laboratório, de sacos filtros em geotêxteis associados a materiais granulares para filtração da água.

Deste modo, pretendeu-se mais especificamente:

Avaliar o desempenho operacional do filtro em termo de quantidades filtradas ao longo do tempo e na melhoria da qualidade da água, designadamente através da monitorização de caudais, taxas de filtração e dos indicadores de qualidade: turvação e condutividade elétrica;

Encontrar modelos matemáticos de sucessões cronológicas que reflitam o comportamento do filtro ao longo do tempo.

1.3 Metodologia

A metodologia de estudo consistiu na montagem de uma instalação experimental de filtração de água em laboratório.

Assim, o trabalho foi desenvolvido tendo por base uma revisão bibliográfica dos conhecimentos relativos a esta temática, sendo elaborada uma descrição da filtração em geotêxtil e dos “filtros clássicos” de materiais granulares. Foram registados e monitorizados os dados da turvação, caudais, níveis da água no dreno. O pH, condutividade elétrica e temperatura da água como parâmetros de controlo.

Procedeu-se então à aplicação de um modelo matemático para interpretação dos resultados tendo por base as tabelas e gráficos dinâmicos feitos em MS Excel e SPSS, testando as variáveis da turvação e condutividade elétrica de uma água bruta em uma água filtrada e a duração em dias de um ciclo de filtração.

1.4 Estrutura da Dissertação

Para além deste capítulo inicial introdutório, onde se apresentam os objetivos, metodologia e estrutura da dissertação, este trabalho de investigação é constituído por mais 5 capítulos. No capítulo 2 é feita uma apresentação do tema com a descrição do fenómeno da filtração em meios porosos. Faz-se um breve resumo histórico acerca do início do aparecimento do

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Introdução

Filtração de água usando conjuntamente materiais granulares e geotêxteis ₃

geotêxtil e suas perspetivas, é feita uma descrição dos geotêxteis, caracterizando-os sob os pontos de vista da filtração e colmatação.

No capítulo 3 apresenta-se uma revisão do estado da arte, onde são comentados os desenvolvimentos mais recentes, especialmente na remoção de sólidos dissolvidos da água.

No capítulo 4, todos os materiais e procedimentos experimentais, adotados neste trabalho, são explicitados. Faz-se a descrição da metodologia de modo a recolher os dados necessários para uma avaliação do comportamento do filtro.

No capítulo 5 apresentam-se os resultados obtidos e discutem-se os aspetos considerados mais importantes. Estes são comentados e estão organizados em tabelas e gráficos ilustrativos que demonstram os diversos fenómenos que ocorreram no filtro. Apresentam-se resultados da monitorização realizada com as sondas de modo a controlar os parâmetros físicos e químicos da água. São ainda apresentados e discutidos resultados da aplicação do modelo matemático do comportamento do filtro, através de modelos ARIMA estabelecidos experimentalmente no

software SPSS.

No capítulo 6 apresentam-se as principais conclusões da dissertação e sugestões para o prosseguimento de novas experiências.

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Descrição do Processo da Filtração

Filtração de água usando conjuntamente materiais granulares e geotêxteis ₅

2 DESCRIÇÃO DO PROCESSO DA FILTRAÇÃO

Neste capítulo é feita a descrição do processo da filtração com materiais granulares e geotêxteis na melhoria da qualidade da água. Assim, para uma melhor compreensão dos processos envolvidos é necessário, portanto, uma definição do material e suas características hidráulicas de retenção e colmatação quando estão sujeitos a partículas sólidas em suspensão do solo ou mesmo ao contacto com fluidos com elevada carga orgânica, diminuindo assim o seu desempenho. Uma vez que a filtração é um dos pilares mais importantes do tratamento da água, é apresentado de uma maneira genérica os fenómenos envolvidos neste processo.

2.1 Descrição do Processo

O processo de filtração consiste na separação de partículas solidas em suspensão presentes num líquido, com a passagem por um material permeável através de diferentes soluções de filtração. A matéria que ficou retida fica acumulada no suporte do tipo poroso, fibras geotêxteis e materiais granulares. A filtração tem como principal função a remoção do material presente em um fluido líquido ou gasoso, o princípio teórico passa por existirem duas forças em ação, ou seja, uma que promove a pressão e a outra que impõe a resistência a esta pressão dada pela membrana. Com o passar do tempo vai aumentar a espessura do material retido “bolo” até que num dado momento vão colmatar os poros do meio filtrante.

Figura 2.1 - Filtração plana com formação de bolo adaptado de Martins, (2009)

A filtração irá ocorrer se a diferença de pressão entre a pressão exercida pelo escoamento do fluido (P) e a “resistência” do meio filtração (RMF) for positivo, ou seja, (P – RMF > 0).

Meio Filtrante

Filtrado

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Analisando esta condição, a situação ideal para a filtração passa por facilitar o aumento da pressão e a redução da resistência do meio de filtração (Martins, 2009).

A filtração pode ser conseguida de várias formas. Os meios de filtração mais comuns são: produtos têxteis, placas filtrantes, telas filtrantes, placas e tubos porosos, membranas, cartuchos, fibras e filtros granulares (Purchas, 1997).

2.1.1 Mecanismos da Filtração em Materiais Granulares

Os mecanismos da filtração em materiais granulares puros é de vital importância no tratamento da água. A maioria dos equipamentos de filtração nas estações de tratamento tem como objetivo principal, a redução e retenção do número de bactérias e partículas em

suspensão na água que atravessa o meio filtrante.

Purchas (1997) diferencia a filtração relativamente ao local onde se dá a retenção das partículas em filtração de superfície, de profundidade e em bolo.

Na filtração de superfície as partículas são depositadas na superfície do meio filtrante, desde que tenham dimensões superiores aos poros do meio filtrante.

Na filtração em profundidade o mecanismo de retenção anterior continua dentro do meio filtrante. As partículas são capturadas em profundidade, mesmo sendo mais pequenas que os canais de escoamento, ocorrendo uma mistura complexa de fenómenos. As partículas são em primeiro lugar postas em contacto com as paredes do canal por forças de inércia ou forças hidráulicas ou por movimento browniano. Depois aderem às paredes, ou umas às outras por forças de superfície, por exemplo Van der Waals. A magnitude e a eficácia de tais forças podem ser afetadas por mudanças os fatores tais como: a concentração e espécies de iões em solução aquosa ou a humidade de um gás. A filtração de profundidade pode ser utilizada pelos feltros e geotexteis não-tecidos. Esta forma de filtração é particularmente importante em filtros de ar. Apresenta eficiência elevada nos filtros profundos em leito de areia.

Na filtração em bolo, forma-se uma camada de partículas acumuladas na superfície do meio. Se algumas das partículas forem de dimensões maiores que os poros, a filtração em bolo permite um período inicial de retenção das partículas à superfície. Mas este fenómeno ocorre frequentemente mesmo quando as partículas são menores que os poros, especialmente se a suspensão no líquido é relativamente concentrada. Assim sendo, com este tipo de filtração

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Filtração de água usando conjuntamente materiais granulares e geotêxteis ₇

resultam a retenção de partículas finas do que as inicialmente esperadas apenas com base na dimensão dos poros.

A filtração, como processo global de remoção de impurezas, pode ser descrito como a combinação de diferentes fenómenos entre os quais os mais importantes, segundo Metcalf e Eddy (1991), são:

1. Separação mecânica: é um processo mais fácil de perceber e consiste na remoção das partículas maiores que os poros, e as partículas menores que os poros são aprisionadas dentro do filtro por contacto aleatório;

2. Sedimentação: as partículas sedimentam no meio filtrante dentro do filtro; dá-se a remoção de partículas de menores dimensões do que a dos poros por precipitação na superfície da areia da mesma forma como num tanque de sedimentação;

3. Impacto: as partículas mais pesadas não seguem as linhas de fluxo;

4. Interceção: muitas das partículas que se movem ao longo das linhas de fluxo são removidas quando entram em contacto com a superfície do meio filtrante;

5. Adesão: à medida que as partículas entram em contacto com as paredes do meio filtrantes ficam ligadas. Devido à força da água em movimento algumas partículas são empurradas para jusante, antes de ficarem ligadas, entrando mais para dentro do filtro. À medida que o meio vai ficando colmatado, os espaços são menores e as forças aumentam. Algumas partículas podem aparecer como resultado no fim do filtro provocando um aumento de turvação;

6. Floculação: pode ocorrer nos interstícios do meio filtrante as partículas maiores, formadas pelos gradientes de velocidade dentro do filtro, são depois removidas por um ou conjunto dos fenómenos descritos de 1 a 5;

7. Adsorção química ou física (forças eletrostáticas, eletrocinéticas e Van der Waals). Uma vez que a partícula foi posta em contacto com a superfície do meio filtrante, ou com outras partículas, a adsorção pode ser responsável pela sua retenção; pode ser o processo mais importante na remoção de material em suspensão finamente dissolvido assim como impurezas moleculares e coloidais;

8. Crescimento biológico: o crescimento biológico de um filme biológico no filtro reduzirá os poros e promove os mecanismos de 1 a 5. A biomassa utiliza a matéria orgânica no seu metabolismo “assimilação e dissimilação”.

(29)

Há uma grande variedade de materiais granulares de dimensões reduzidas, usados como meios de filtração e colocados em filtros de gravidade ou de pressão. Estes são utilizados no tratamento da água e de água residual. Para além da areia, que é o material mais usado, tem sido apontado o uso de outros materiais incluindo a granada, a ilmenita, aluminas, magnetites, a antracite, o quartzo e o carvão ativado granular. Na Figura 2.2 são apresentados alguns exemplos.

Areia Zeólitos

Carvão ativado Antracite

Figura 2.2- Alguns exemplos de materiais granulares usados em filtros adaptado de Natural Tec, (2013)

Além destes materiais granulares de dimensões reduzidas, existem também outros materiais como argila expandida, por exemplo, que são denominados por agregados leves e muito utilizados em construção civil. Estes apresentam uma estrutura celular, leveza, características isolantes térmicas, reduzida absorção de água, inércia química e adequada resistência à compressão (Cláudia, 2005).

Neste contexto, abre-se um espaço para a pesquisa de trabalhos desenvolvidos por outros autores que verificaram serem capazes de redução da toxicidade da água bruta com o uso da argila expandida como filtro (Cláudia, 2005; Silva et. al., 2013).

A Figura 2.3 ilustra a argila expandida, dentre as vantagens, da elevada porosidade, do baixo custo, leveza e facilidade de aplicação. É referida também pela Argex como sendo usada como meio de filtração em estações de tratamento de águas residuais na biofiltração e de

(30)

Filtração de água usando conjuntamente materiais granulares e geotêxteis ₉

águas provenientes de escorrências das estradas. Além disso, é também usada na aquicultura para minimização da toxicidade e controlo dos efluentes gerados para massas de água recetores. (Silva et al., 2013).

Figura 2.3 - Pormenor da argila expandida adaptado de Argex (2014)

Os sistemas de filtração mais usados no tratamento de água por meios granulares são: filtração lenta e a filtração rápida. Também existe um enorme leque de escolhas alternativas aos sistemas ditos clássicos, como sendo os filtros de pressão, filtros de fluxo ascendente (onde o afluente bruto encontra primeiro as camadas de maiores dimensões), filtros multicamada com escoamento descendente que também têm sido utilizados com o mesmo resultado, pela utilização de dois materiais de diferentes densidades (Purchas, 1997).

Neste processo, e dependendo do tipo de filtro usado, há algumas particularidades a considerar, ou seja, em primeiro as impurezas vão ficando retidas à superfície, diminuindo o caudal e fazendo com que aumente a perda de carga do escoamento. A segunda tem a ver com a consecutiva taxa e eficiência de tratamento, ou seja, ao mesmo tempo que a taxa de filtração diminui com a evolução da colmatação dos filtros, a eficiência do tratamento aumenta, uma vez que cada vez passam a ficar retidas partículas de menor dimensão.

Com a colmatação do filtro é necessário a sua lavagem, que é feita utilizando água tratada. A lavagem dos filtros consiste em circular a água em sentido contrário com auxílio de uma bomba, permitindo a expansão do material retido nos interstícios da areia, é recolhido nas caleiras na parte superior do filtro, a lavagem é finalizada com clarificação desta água.

Apesar das vantagens relatadas dos progressos significativos que tem sido feito na aplicação de tecnologias de membrana, a filtração rápida de areia é um método económico, de

(31)

tecnologia simples e consolidada de tratamento da água que é ainda aplicável (Metcalf e Eddy, 1991).

Antes de descrever o modelo da remoção da turvação adotado neste trabalho, é feita uma revisão sucinta sobre a modelação matemática da hidráulica da filtração em meios porosos.

2.1.2 Fundamentos e Modelação Matemática da Filtração

Os processos de filtração têm sido alvo de inúmeros estudos nos últimos anos. Estes foram amplamente desenvolvidos. A modelação matemática dos processos de filtração consiste nos modelos da perda de carga e da eficiência de remoção de contaminantes.

O modelo da eficiência da remoção dos contaminantes consiste num volume elementar de um filtro, segundo Metcalf e Eddy (1991), a equação de continuidade pode ser escrita analiticamente da seguinte forma:

+ ( ) ∆ = + +∆_{∆ ∆} (2.1)

Onde:

- Variação da quantidade de sólidos depositados no filtro por unidade de tempo (g/m3.min);

- Variação na concentração média de sólidos nos espaços vazios na unidade de tempo (g/m3.min);

( ) - Porosidade média como função do tempo; ∆ - Variação do volume (m3

); – Caudal (l/min);

- Concentração dos sólidos suspensos (g/m3);

∆ _{∆ - Variação na concentração de sólidos suspensos no fluido por unidade de}

comprimento (g/m3.m).

Substituindo ∆ por ∆ e por , onde é a velocidade de filtração admitindo que

(32)

Filtração de água usando conjuntamente materiais granulares e geotêxteis ₁₁

− = + ( ) (2.2)

O primeiro termo representa a diferença entre a massa de sólidos suspensos que entrou e a que saiu do volume elementar, o segundo termo representa a variação temporal da quantidade dos sólidos suspensos acumulados nos interstícios do meio filtrante e o terceiro termo representa a variação temporal da concentração nos poros do filtro.

Quando a quantidade de fluido contida nos poros for pequena, quando comparada com a quantidade de fluido que entra para o sistema, a equação pode ser reescrita na forma mais frequente na bibliografia sobre teoria da filtração:

- = (2.3)

Se a curva de remoção do filtro não variar com o tempo, a equação de continuidade anterior pode ser escrita como uma equação diferencial ordinária da seguinte forma:

− = (2.4)

A eficiência de remoção altera com a profundidade do meio filtrante. Segundo Metcalf e Eddy (1991), este fenómeno pode ser expresso pela equação seguinte:

= _{(1 + )}1 (2.5)

Onde:

!

_("#$%)" &

'

representa um fator de retardamento. Para meios uniformes n toma geralmente o

valor 0 e a variação da eficiência em profundidade pode ser representada por uma curva logarítmica.

O valor de , a taxa de remoção inicial, pode ser estimado pela seguinte equação:

( )

"

(33)

Considerando uma quantidade máxima de sólidos admitidos pelo filtro, _*, a variação da eficiência em função da altura do meio filtrante pode ser representada pela seguinte equação:

= −_{(1 + )}1 1 − *

+

(2.7) Onde:

- Quantidade de sólidos suspensos depositados no filtro;

* - Quantidade máxima de sólidos suportados pelo filtro;

, - Constante relacionada com o tipo de floco; - . - Constantes.

2.1.3 Hidráulica da Filtração em Meios Porosos

Durante a filtração as impurezas são removidas da água em escoamento colmatando os poros entre os grãos de areia causando um aumento da resistência hidráulica no filtro. Estimar a perda de carga em um meio poroso limpo é importante, mas também o é a sua evolução ao longo do período de vida útil do filtro. Portanto, para avaliar a perda de carga em filtros lentos é usada a equação (2.8) equação de Darcy.

/ = 0 ∙ 2 (2.8)

Onde:

/ - Resistência do meio poroso (m); - Velocidade de filtração (m/s);

0 - Coeficiente de permeabilidade (m/s); 2 - Espessura do filtro (m).

Diversas equações são encontradas na literatura para estimar a perda de carga inicial em filtros rápidos. Entre elas estão as equações de Hazen (1905), Fair-Hatch (1933), Carman - Kozeny (1937) e Rose (1945). Segundo Brinck (2009) a equação mais usada é a fórmula de Carman – Kozeny, que foi deduzida supondo que o escoamento em meios porosos pode ser tratado de forma análoga ao escoamento de um fluido em um troço de tubo. É calculada de acordo com a seguinte equação:

(34)

Filtração de água usando conjuntamente materiais granulares e geotêxteis ₁₃

ℎ = 4"∙_{∅ ∙ ∙}2 1 − -_-₆ ∙ 7

8 (2.9)

Onde:

ℎ - Perda carga inicial (m); ∅ - Fator de forma da partícula; - - Porosidade;

2 - Profundidade do meio filtrante (m);

- Velocidade de filtração (m/s);

8 - Aceleração da gravidade (m/s2

);

4" - Fator de atrito.

Nota-se, que nesta equação apresentada, o cálculo da perda de carga é para meios de filtração uniformes. No entanto, para meios estratificados, que é o caso mais comum na prática, é necessário dividir o meio filtração em segmentos e efetuar o cálculo da perda de carga, sendo escrita da seguinte maneira:

ℎ =_{∅ ∙}2 1 − -_-₆ ∙ _{8 ∙ ∑4}7 " :

; (2.10)

Onde:

: - Fração, em massa, das partículas entre dois peneiros; ; - Diâmetro médio (m).

O fator de resistência 4_" é função do número de Reynolds e, segundo Heertjes citado por Purchas (1997), pode ser representada por:

<= = >∅_? > (2.11) Onde: > - Velocidade de filtração (m/s); > - Diâmetro específico (m); ∅ - Fator de forma; ? – Viscosidade do fluido (m2 /s).

(35)

Assim, segundo Ergun (1952) citado por Pernagorda (2007) o fator de resistência pode ser equacionado como:

4" = 150 ∙1 − -_<

= + 1,75 (2.12)

Outro fator importante referente à utilização de equações para o cálculo da perda de carga, é relativo à não uniformidade dos diâmetros ao longo da profundidade, uma vez que as partículas não são esferas perfeitas. Segundo Metcalf e Eddy (1991) para grãos esféricos com diâmetro uniforme,a superfície específica é calculada como:

C = D

D =

E. 7

(E. 6_{⁄ ) =}₆ 6 (2.13)

Onde:

D - Área média das partículas do meio de filtração (m2); D - Volume médio das partículas do meio de filtração (m3);

- Diâmetro uniforme de partículas esféricas (m).

O diâmetro hidráulico _I, definido como a dimensão de um grão de areia uniforme e esférico, para o qual uma determinada massa tem a mesma resistência hidráulica que uma massa idêntica de material filtrante em consideração.

I = ∅ > (2.14)

Onde:

∅ - Fator de forma;

> - Diâmetro específico (mm).

O fator de forma, ∅, pode então ser definido como a razão entre área superficial de uma esfera,

C , e a área superficial de um grão de areia com o mesmo volume, C.

(36)

Filtração de água usando conjuntamente materiais granulares e geotêxteis ₁₅

Como a esfera tem a menor área superficial, ∅ < 1, abaixo podem ser visualizados valores típicos do fator de forma:

Quadro 2.1 - Valores típicos do fator de forma das areias adaptado de Brinck (2009)

Esférica 1,00

Quase esférica 0,95

Arredondada 0,90

Angular 0,75

Partida 0,65

Vieira (1990) citado por Pernagorda (2007), afirma que os meios filtrantes não são constituídos por grãos esféricos de igual dimensão, mas de areia natural classificada segundo as suas dimensões em séries de peneiros normalizados. Esta condição é aplicada quando uma amostra de material filtrante com peso R é classificada com uma série de peneiros normalizados em frações de pesos R_", R₇, … , R e diâmetros volumétricos _", ₇… , _#", o diâmetro específico, pode calcular - se da seguinte forma:

R > = R" T ". 7+ R7 T 7. 6+ ⋯ + R T . #" (2.16)

A utilização desta formulação é restrita a filtros rápidos. Para filtros lentos costuma usar-se a seguinte expressão:

> = " (1 + 2 log Z) com

Z =

[_[\]_^] (2.17) Onde:

Z - Coeficiente de uniformidade; " - Diâmetro efetivo (passando 10%);

_ - Diâmetro passando 60%.

Resumidamente, o conhecimento da formulação da filtração em meios porosos de areia é importante, contudo, neste tipo de filtração deverá ser dada também especial atenção à colmatação, assim como a formação do bio – filme na superfície do filtro.

(37)

2.2 Histórico e Perspetivas do Geotêxtil

Os geossintéticos são materiais relativamente recentes. É constituído por um termo que significa “geo + sintético”, também pode ser designado por um produto fabricado a partir de materiais polímeros sintéticos ou de fibras naturais. É usado em contacto com maciços naturais, solos ou rochas, ou outro material geotécnico em obras de engenharia.

Os geotêxteis tiveram o seu primeiro uso no ano de 1930 para reforço de estradas nos Estados Unidos, em que foi usado um geotêxtil tecido em algodão. O aparecimento do polímero sintético verificou-se nos anos 40. A primeira aplicação de um geotêxtil de fibras sintéticas data de 1950 na Florida (Barret, 1996) citado por (Ferreira Gomes, 2001). Na Europa o aparecimento dos geotêxteis deu-se por volta dos anos 60 e 70 na aplicação de diversas obras de engenharia civil. Nos anos seguintes é verificado um grande desenvolvimento e crescimento económico dos países Europeus motivando uma grande procura deste tipo de materiais, o que dinamizou o aumento da oferta de novos derivados como as geomembranas, geogrelhas, geocompósitos, entre outros (Ferreira Gomes, 2001).

Todos estes fatores criaram condições para a realização de vários eventos e congressos internacionais de geossintéticos ao longo destes anos. Devido á importância do assunto, destaca-se também a criação da Sociedade Internacional de Geotêxteis em 1983 e a Sociedade Internacional de Geossintéticos em 1994. Assim surge as revistas especializadas na matéria, com realce para “International Journal of Geotêxtiles and Geomembranes” a partir de 1987 e a “ Geossynthetics International” a partir de 1994 e de alguma literatura técnica e didática. O trabalho desenvolvido por Folque (1980), foi o primeiro que surgiu em língua portuguesa sobre geotêxteis com o título “A utilização de telas, tecidas e não tecidas em obras de engenharia civil”, outros trabalhos se seguiram como os que foram promovidos pela JAE e LNEC, com o objetivo de divulgação dos procedimentos sobre a realização de ensaios em geossintéticos. Um trabalho importante é apresentado 2001 por Ferreira Gomes com o título de “Geotêxteis e suas aplicações”, divulgando de uma maneira clara a revisão genérica do tema.

Com o aparecimento recente de novas investigações aliado a uma procura de materiais de baixo custo e sustentáveis, é possível ao geotêxtil ser usado em aplicações diferentes das habituais. Assim sendo, estes materiais assumem uma alternativa válida para os mais variados tipos de filtração.

(38)

Filtração de água usando conjuntamente materiais granulares e geotêxteis ₁₇

2.2.1 Filtro Sintético

Os filtros geotêxteis são mantas permeáveis e finas produzidas a partir de fibras sintéticas. Os materiais que fazem parte da constituição dos geotêxteis e produtos afins são as fibras de polímeros sintéticos, com predominância do poliéster (PET), poliamida (PA), polipropileno (PP) e polietileno (PE) (Ferreira Gomes, 2001; Shukla e Yin, 2006; Rawal et al., 2010). As suas propriedades dependem do polímero utilizado, e da sua forma de fabrico, ou seja, da estrutura do material. O método de fabrico pode dar origem a três tipos de geotêxteis que são: tecido, não-tecido e tricotado. A Figura 2.4 apresenta: a) um geotêxtil tecido, b) um geotêxtil não tecido.

Um geotêxtil tecido é obtido por entrelaçamento, geralmente em ângulo reto, de dois filamentos, de vários feixes de filamentos ou em bandas, e são fabricados em processos de tecelagem. Estes podem conter vários tipos de polímeros em sua constituição e são mais utilizados para situações de reforço (Lekha, 2004; Sarsby, 2007).

Os geotêxteis não-tecidos são constituídos por fibras orientadas direcional ou aleatoriamente e ligadas numa estrutura plana. Os processos de ligação das fibras para sua formação são através de processos mecânico tipo “prensa”, térmico ou químico. Portanto, são amplamente utilizados para a drenagem Muthukumaran e Ilamparuthi (2006), filtração Mulligan et al. (2009), proteção Nagahara et al. (2004) e de separação Vaitkus et al. (2007) citado por Lamy

et al. (2013).

a) b)

(39)

Os geossintéticos podem ser classificados em diferentes tipos, dependendo do processo de fabricação e aplicações.

Uma descrição resumida das denominações usuais dos principais geossintéticos empregados com a função de drenagem e filtração segundo Tatto (2010) são:

Geotêxteis: são mantas contínuas de fibras ou filamentos (sintético ou natural), podendo ser tecidos, não tecido, tricotado ou costurado. As mantas são flexíveis e permeáveis e são utilizados em contato com o solo / rocha e / ou qualquer outro material geotécnico.

Georedes: são materiais formados por duas séries de membros extrudados paralelos, que se intercetam em ângulo constante. Possui alta porosidade ao longo do plano, sendo usada para conduzir elevadas vazões de fluidos ou gases.

Geocompostos: são geossintéticos formados pela associação de dois ou mais tipos de geossintéticos como, por exemplo: geotêxtil-georrede.

Geocompostos drenantes pré-fabricados/geodrenos: são constituídos por um núcleo plástico drenante envolto por um filtro geotêxtil.

Geospaçadores: são matérias com estrutura tridimensional com grande quantidade de vazios, para utilização em drenagem.

Geotubos: são tubos poliméricos, perfurados ou não, usados para drenagem de líquidos ou gases.

Os geossintéticos podem ser utilizados em vários tipos de obras em engenharia civil dependendo da sua função e do que se pretende. A IGS apresenta principais funções e aplicações que são descritas de forma resumida das características do material deve possuir, para desempenhar adequadamente as funções para que foi escolhido Quadro 2.2.

(40)

Filtração de água usando conjuntamente materiais granulares e geotêxteis

Quadro 2.2

-Funções

Barreira Utilização do geossintético para limitar a migração de

fluidos ou gases.

Contenção

Utilização do geossintético com uma forma geométrica específica, para receber o solo ou outros materiais, evitando a sua perda.

Drenagem Utilização do geossintético

fluidos.

Filtração

Utilização do geossintético para a retenção do solo ou de outras partículas sujeitas a forças hidrodinâmicas, permitindo a passagem de fluidos

Proteção Utilização do geossintético para evitar ou

locais de uma outra superfície ou camada

Reforço

Utilização da capacidade de resistência à tração do geossintético para melhorar as propriedades mecânicas do solo ou de outros materiais de construção

Separação Utilização do

de solos adjacentes dissimilares e/ou outros materiais

Controlo da erosão superficial

Utilização do geossintético para prevenção ou limitação do movimento do solo ou outras partículas à superfície,

2.2.2 Propriedades dos

O conhecimento das propriedades do geotêxtil é

geossintético deve apresentar um conjunto de propriedades físicas, mecânicas e hidráulicas. A definição desse conjunto de propriedades deve considerar, principalmente, a funcionalidade do geossintético ao longo do período de vida útil da obra não esquecendo, contudo, as ações a que irá estar sujeito durante as operações de manuseamento, armazenagem e colocação em obra (Rosa, 1999).

iltração

Filtração de água usando conjuntamente materiais granulares e geotêxteis

- Funções dos geossintéticos adaptado de IGS

Descrição

Utilização do geossintético para limitar a migração de fluidos ou gases.

Utilização do geossintético com uma forma geométrica específica, para receber o solo ou outros materiais, evitando a sua perda.

Utilização do geossintético para recolha e transporte de

Utilização do geossintético para a retenção do solo ou de outras partículas sujeitas a forças hidrodinâmicas, permitindo a passagem de fluidos.

Utilização do geossintético para evitar ou reduzir danos locais de uma outra superfície ou camada.

Utilização da capacidade de resistência à tração do geossintético para melhorar as propriedades mecânicas do solo ou de outros materiais de construção.

Utilização do geossintético para prevenção da mistura de solos adjacentes dissimilares e/ou outros materiais.

Utilização do geossintético para prevenção ou limitação do movimento do solo ou outras partículas à superfície, por ação da água da chuva e/ou do vento.

Propriedades dos Geotêxteis

O conhecimento das propriedades do geotêxtil é de fundamental importância. geossintético deve apresentar um conjunto de propriedades físicas, mecânicas e hidráulicas. A

conjunto de propriedades deve considerar, principalmente, a funcionalidade do geossintético ao longo do período de vida útil da obra não esquecendo, contudo, as ações a que irá estar sujeito durante as operações de manuseamento, armazenagem e colocação em

19 IGS (2013)

Figura

fundamental importância. Um geossintético deve apresentar um conjunto de propriedades físicas, mecânicas e hidráulicas. A conjunto de propriedades deve considerar, principalmente, a funcionalidade do geossintético ao longo do período de vida útil da obra não esquecendo, contudo, as ações a que irá estar sujeito durante as operações de manuseamento, armazenagem e colocação em

(41)

Dado que o campo de aplicação dos geossintéticos é muito amplo e que a sua utilização como alternativa aos materiais tradicionais tem aumentado muito rapidamente, tal como a escolha dos métodos de ensaio para os caracterizar ou para simular o seu comportamento é, por vezes, difícil (Moreira, 2009). Neste subcapítulo serão referidas, de forma resumida, algumas das propriedades mais importantes dos geossintéticos.

2.2.2.1 Propriedades Físicas

A determinação das propriedades físicas dos geotêxteis tem como objetivo principal a sua caracterização e o seu controlo de qualidade. As mais importantes são: a massa por unidade de área ou “gramagem” espessura e a porosidade. Os ensaios para a determinação destas propriedades estão normalizados em vários países, as principais propriedades físicas dos geossintéticos são:

• Massa por unidade de área (MUA) – É um dos parâmetros mais usados para a identificação dos geotêxteis não tecidos. Ela é definida como a massa por unidade de área e pode ser usada para identificação de um produto, expressa em g/m2 e simbolizada pela letra µ;

• Espessura – A espessura, expressa em (mm), é definida como a distância entre as superfícies inferior e superior de um geossintético, medida para uma dada pressão. A espessura nominal é obtida com uma pressão de 2 kPa. As relações entre a espessura e a pressão permitem avaliar a compressibilidade dos geossintéticos. A espessura dos materiais geossintéticos tem influência direta no seu comportamento mecânico e hidráulico. A espessura é simbolizada por Tg;

• Porosidade – É uma característica importante dos geotêxteis não tecidos. Ela define relação entre o volume de vazios (Vv) e o volume total (V) da amostra, sendo obtida

através da equação (2.18). É expressa em percentagem (%) e tem como símbolo ng. É

um indicador do tipo de polímero e, permite avaliar se o geossintético flutua, o que pode ser importante em algumas aplicações.

(42)

Filtração de água usando conjuntamente materiais granulares e geotêxteis ₂₁

Onde:

` - Volume de vazios do geotêxtil; - Volume total do geotêxtil.

2.2.2.2 Propriedades Mecânicas

Existem três tipos de solicitações mecânicas a que um geossintético pode estar sujeito: esforços de tração ou compressão (esforços distribuídos), punçoamento (esforços concentrados), o rasgamento (esforços concentrados e esforços distribuídos) e o atrito entre faces (Ana, 2010).

Comportamento à tração - caracterizado pela curva que relaciona a força por unidade de largura (expressa em kN/m) com as extensões (expressas em percentagem) Figura 2.5.

Figura 2.5 - Exemplo do resultado do ensaio de tração em faixa larga de geotêxtil não tecido, adaptado de Ortiz (2012)

Resistência ao punçoamento - em geral, está associada à função de separação e pretende avaliar a resistência destes materiais a solicitações induzidas pelas partículas dos agregados a separar. Os materiais naturais em contacto com os geossintéticos podem originar nestes, descontinuidades com origem num de três mecanismos: perfuração (golpe), punçoamento (efeito de compressão), ou rebentamento (Margarida, 2004).

Resistência ao rasgamento – define-se rasgamento como uma rotura progressiva resultante de duas ações: uma localizada, do tipo “perfuração”, e outra distribuída, do tipo “tração”. A força

Extensão (%) C a rg a p o r u n id a d e d e la rg u ra ( k N /m )

(43)

de rasgamento, expressa em kN, mede a resistência dos geossintéticos à propagação de rasgões locais (Margarida, 2004).

Atrito nas interfaces – Esta propriedade é importante quando se trata de geossintéticos de reforço. A caracterização da interação entre o solo e o geossintético é feita com base na resistência ao corte da interface entre estes, e pode ser representada por uma lei idêntica à lei de Coulomb, ou seja, por uma adesão e por um ângulo de atrito. É expressa em kN/m2.

2.2.2.3 Propriedades Hidráulicas

Estas serão sem dúvida as propriedades mais importantes do comportamento de um geotêxtil, no presente trabalho vai ser dado maior importância a descrição destas propriedades com maior detalhe, uma vez que as mesmas são aplicadas mais especificamente às funções de drenagem e filtração.

2.2.2.4 Permeabilidade

A permeabilidade representa a facilidade com que um fluido atravessa um geotêxtil. Portanto é esperado que os materiais geossintéticos e, em particular, dos geotêxteis que pode ser efetuada na direção perpendicular a este e ao longo do próprio plano do material, como se pode observar na Figura 2.6 a) e Figura 2.6 b). Sendo assim, pode-se verificar o uso da teoria de Darcy na avaliação dos principais parâmetros que se aplicam aos geotêxteis, apresentada na equação (2.19). Desse modo, a Lei de Darcy só é válida para regime de escoamento laminar.

= 0 ∙ N ∙ = 0 ∙∆ℎ

a ∙ (2.19)

Onde:

Q - Caudal que passa no geotêxtil (m3/s);

k - Coeficiente de permeabilidade do geotêxtil (m/s); i - Gradiente hidráulico;

a - Espessura da tela geotêxtil (m);

A - Área transversal total atravessada pelo fluxo (m2);

(44)

Filtração de água usando conjuntamente materiais granulares e geotêxteis ₂₃

Contudo, a permeabilidade é um parâmetro que pode variar com a tensão normal à qual o geotêxtil esteja submetido, principalmente no caso dos geotêxteis não tecidos. Usualmente, pode-se verificar que geotêxteis com espessuras diferentes podem apresentar coeficientes de permeabilidade equivalentes, mas vazões diferentes para uma mesma carga hidráulica e mesma área drenante, dependendo da tensão atuante (Remígio, 2006).

A permissividade (ψ) é definida como o coeficiente de permeabilidade do elemento drenante (0_a) dividido pela sua espessura ( _a). Esta grandeza indica uma medida da obstrução ao fluxo normal ao plano causado pelo elemento drenante, sendo expressa pela equação (2.20).

b = 0a

a (2.20)

Onde:

Ψ - É a permissividade do elemento drenante (Kc");

0a - É a permeabilidade do elemento drenante (ao fluxo normal ao seu plano, no caso da permissividade) (m/s);

a - É a espessura da tela (m).

Esta propriedade define a capacidade do geossintético para a função de filtração, onde a água passa perpendicularmente ao seu plano como o ilustrado na Figura 2.6 a).

A transmissividade (d) é definida como o produto do coeficiente de permeabilidade do elemento drenante 0_a e pela sua espessura _a , sendo uma medida da capacidade de escoamento do elemento drenante ao longo do plano. Esta grandeza é expressa por:

d = 0a ∙ a (2.21)

Onde:

d - É a transmissividade do elemento drenante (m2

/s);

0a - É a permeabilidade do elemento drenante (ao fluxo normal ao longo do seu plano, no caso da transmissividade) (m/s);

(45)

a - É a espessura do elemento drenante (m).

Esta propriedade define a capacidade do geossintético para as condições de escoamento no plano, assim esta é importante para a função de drenagem mostrada na Figura 2.6 b).

Figura 2.6 - Propriedades hidráulicas do geotêxtil adaptado de Matheus (1997)

2.2.2.5 Distribuição e Dimensão de Aberturas

A distribuição e dimensão de aberturas são características fundamentais para o dimensionamento dos geossínteticos como filtros. É de vital importância para as obras de geotecnia, dentre os geossínteticos as geogrelhas e as georedes têm aberturas uniformes, bastando medir uma delas para se saber a dimensão das aberturas do material em causa. Por outro lado, as aberturas de um geotêxtil tecido ou não tecido, não possuem um tamanho único, mas sim um intervalo de tamanhos.

Do ponto de vista visual, um geotêxtil tecido apresenta aberturas com dimensões uniformes e distribuição regular. Isto resulta do processo de fabrico deste tipo de geossíntetico. Pelo contrário, no caso de um geotêxtil não tecido a gama de dimensões das aberturas é, normalmente, mais alargada e a sua distribuição é pouco regular. Portanto, uma vez que os geotêxteis não possuem uma abertura específica, mas sim um intervalo de vários tamanhos, para caracterizar as aberturas é usual recorrer à analogia usada para representar a granulometria de um solo. Essa representação da distribuição e dimensão de seus poros designa-se por “porometria” (Margarida, 2004).

(46)

Filtração de água usando conjuntamente materiais granulares e geotêxteis ₂₅

Assim sendo, a norma usada para determinação da “porometria” de geossíntéticos é a NP EN ISO 12956: 2006 “Geotêxteis e produtos relacionados – Determinação da dimensão característica da abertura”. De acordo com esta norma a determinação da distribuição e dimensão das aberturas é feita um método de peneiração por via húmida (Moreira, 2009). O material passado é isolado e pesado. Por fim, são desenhadas as curvas de distribuição da dimensão das partículas que passam através do geossintético.

Resumidamente, as referidas curvas definem um parâmetro importante: a dimensão equivalente de abertura, representada por On (em geral, n tem o valor de 90%). Esse fato

representa a dimensão que é maior do que n% das aberturas do geotêxtil. De acordo com Margarida (2004), na sua generalidade, os valores usuais dos diâmetros das aberturas estão compreendidos entre 60 e 150 µm para geotêxteis não tecidos e entre 50 µm e 1,5 mm para geotêxteis tecidos.

2.3 Filtração com Geotêxteis

O processo de filtração compreende o movimento de líquido através do geotêxtil. Deve ao mesmo tempo proporcionar livre fluxo, e deve ser capaz de reter o solo por onde a água percola. Isto é, pode vir desempenhar um papel semelhante ao de um filtro granular, o geotêxtil deve ser provido de aberturas pequenas para realizar a retenção das partículas do solo protegido, e ao mesmo tempo, garantir uma permeabilidade maior do que a do solo protegido de forma a cumprir a função de drenagem (Remígio, 2006).

A seleção do geossintético adequado para uso em filtração e drenagem é um processo complexo devido ao número de variáveis envolvidas nos projetos (Williams e Luna, 1987). Um filtro deve prevenir a excessiva migração de partículas de solo e ao mesmo tempo permitir o fluxo de água sem apresentar conflitos de requisitos já que atua em duas funções aparentemente contrárias (Koerner e Koerner, 1992; Luettich et al., 1992). No entanto deve haver uma compatibilidade entre o solo e o geotêxtil de forma que este não seja colmatado ao longo do tempo, com redução indesejável de permeabilidade.

Os geotêxteis não tecidos apresentam qualidades de filtração que têm sido estudados em diversas pesquisas e são apontados como alternativa na filtração da água contaminada com

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metais pesados e carbono orgânico Mulligan et al. (2009), bem como na eliminação da turvação na água da chuva Schujmann (2010), dando bons resultados em ambos casos, na remoção da turvação e remoção da cor da água.

A aplicação de geotêxteis no desempenho em sistemas de drenagem para resíduos sólidos sujeita a colmatação biológica, tem sido estudada por vários investigadores, mas ainda surgem muitas dúvidas em relação a este ponto, contudo continuam os estudos em relação ao processo de colmatação e alternativas de manutenção (Colmanetti, 2000; Sansone e Koerner, 1992).

Segundo Yaman (2003), que estudou como a alta densidade da matéria orgânica parece estar associada a uma baixa permeabilidade do sistema filtrante, ressaltando o processo da acumulação de certa quantidade de matéria orgânica nos poros do filtro antes do entupimento e que sofrem uma diminuição de caudal Figura 2.7.

Figura 2.7 - Modelo bidimensional da projeção do biofilme (Yaman, 2003)

Luettich et al. (1992), analisaram os critérios de projeto de geotêxteis aplicados em filtração. Além das clássicas abordagens de retenção e de permeabilidade que um filtro deve apresentar, os autores ressaltam a importância de um critério para evitar a colmatação e garantir que o geotêxtil possua um número mínimo de vazios. Sendo assim, se as partículas de solo obstruir alguns desses vazios, a permeabilidade do geotêxtil não seria drasticamente reduzida. Dois pontos adicionais são ainda ressaltados, o critério de sobrevivência as condições extremas da instalação e o critério de durabilidade que garante que o geotêxtil seja resistente às ações