Aula 5 - Filtracao

(1)

ESCOLA POLITÉCNICA DA USP

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA

HIDRÁULICA E SANITÁRIA

PHD 2411

-

SANEAMENTO I

Filtração

Prof. Dr. Roque Passos

Piveli

Prof. Dr. Sidney Seckler Ferreira Filho

(2)

Tratamento Convencional de Águas de

Abastecimento

Manancial _Coagulação _Floculação _{Sedimentação}

Filtração Desinfecção Fluoretação Correção final de pH Água final Ag en te o xi dant e CA P C oa gula nt e Alc al in izan te Ag ente o xi dant e P olím er o

Polímero Agente oxidante

Ag en te o xi dant e F lú or Alcalinizante

(3)

SISTEMA DE FILTRAÇÃO

SABESP

(4)

SISTEMA DE FILTRAÇÃO

SABESP

(5)

SISTEMA DE FILTRAÇÃO

SABESP

(6)

FILTRAÇÃO

Definição: Processo de separação sólido-líquido utilizado

para promover a remoção de material particulado presente

na fase líquida.

Classificação dos Processos de Filtração

•Com relação ao tipo de filtração

•Com relação ao tratamento

•Com relação ao sentido de escoamento

•Com relação ao meio filtrante

(7)

CLASSIFICAÇÃO DO PROCESSO DE

FILTRAÇÃO

Com relação ao tipo de filtração

Filtração em membranas

Filtração em meio granular

(8)

CLASSIFICAÇÃO DO PROCESSO DE

FILTRAÇÃO

Com relação ao tratamento

•Filtração convencional

Manancial Coagulação Floculação Sedimentação _Filtração

•Filtração direta

Manancial Coagulação Floculação Sedimentação _Filtração

•Filtração em linha

(9)

CONCEPÇÃO DA ETA EM FUNÇÃO

DA QUALIDADE DA ÁGUA BRUTA

Características da água bruta

Filtração direta Filtração em linha

Tubidez (UNT) 50

(15) (5) 25

Cor real (U.C) 50

(Cor aparente < 20) (Cor aparente < 15) 25

Densidade algal (UPA/ml) 1.000 (500) 500 (100)

(10)

CLASSIFICAÇÃO DO PROCESSO DE

FILTRAÇÃO

Com relação ao sentido de escoamento

Fluxo ascendente Fluxo descendente

(11)

CLASSIFICAÇÃO DO PROCESSO DE

FILTRAÇÃO

Com relação ao meio filtrante

Camada

simples Dupla

Camada Camada

(12)

CLASSIFICAÇÃO DO PROCESSO DE

FILTRAÇÃO

Com relação ao seu controle hidráulico

h filtração A Q q = Taxa de filtração =

h Altura do nível d’água acima do meio filtrante

•Taxa de filtração constante Com variação de nível Sem variação de nível •Taxa declinante

(13)

COMPORTAMENTO DO

PROCESSO DE FILTRAÇÃO

(14)

COMPORTAMENTO DO

PROCESSO DE FILTRAÇÃO

(15)

COMPORTAMENTO DO PROCESSO DE

FILTRAÇÃO

0 H ∆ imp H ∆ Tempo Perda de carga Tempo Turbidez efluente Etapa inicial Etapa intermediária Traspasse imp t H H H = ∆ + ∆ ∆ ₀

(16)

MATERIAIS FILTRANTES

Meio Filtrante d10 (mm) C.U. Altura

(m) AREIA UNICAMENTE Areia 0,45-0,55 <1,6 0,60-0,80 Areia 0,80-1,20 <1,5 1,20-1,80 AREIA-ANTRACITO Areia 0,45-0,55 <1,6 0,15-0,30 Antracito 0,90-1,10 <1,8 0,30-0,60 AREIA-ANTRACITO-GARNET Areia 0,45-0,55 <1,6 0,15-0,30 Antracito 0,90-1,10 <1,8 0,30-0,60 Garnet 0,20-0,30 --- 0,10-0,15

Índices Físicos AREIA ANTRACITO CAG GARNET Massa específica (Kg/m3) 2.650 1.450-1.730 1.300-1.500 3.600-4.200 Porosidade 0,42-0,47 0,56-0,60 0,50 0,45-0,55 Coef. de esfericidade 0,7-0,8 0,46-0,60 0,75 0,60

(17)

FILTRO RÁPIDO POR

GRAVIDADE

(18)

SISTEMA DE FILTRAÇÃO

SABESP

(19)

SISTEMA DE FILTRAÇÃO

SABESP

(20)

SISTEMA DE FILTRAÇÃO

SABESP

(21)

SISTEMA DE FILTRAÇÃO

SABESP

(22)

SISTEMA DE FILTRAÇÃO

SABESP

(23)

SISTEMA DE FILTRAÇÃO

SABESP

(24)

SISTEMA DE FILTRAÇÃO

SABESP

(25)

SISTEMA DE FILTRAÇÃO

SABESP

(26)

SISTEMA DE FILTRAÇÃO

SABESP

(27)

SISTEMA DE FILTRAÇÃO

SABESP

(28)

SISTEMA DE FILTRAÇÃO

SANASA

(29)

SISTEMA DE FILTRAÇÃO

ETA RIO GRANDE (SABESP)

(30)

SISTEMA DE FILTRAÇÃO

ETA RIO GRANDE (SABESP)

(31)

SISTEMA DE FILTRAÇÃO

ETA RIO GRANDE (SABESP)

(32)

SISTEMA DE FILTRAÇÃO

ETA RIO GRANDE (SABESP)

(33)

COMPORTAMENTO DO PROCESSO DE

FILTRAÇÃO

Evolução da perda de carga

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Tempo (horas) P er d a d e ca rg a ( m ) Areia-Antracito Areia-CAG

Taxa de filtração=240 m3/m2/dia

Turbidez 0,01 0,1 1 10 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Tempo (horas) Tur bi d e z ( U N T )

Água bruta Água decantada Areia-Antracito Areia-CAG

(34)

COMPORTAMENTO DO PROCESSO DE

FILTRAÇÃO

Evolução da perda de carga

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Tempo (horas) P e rd a d e car g a ( m ) Filtro F1 Filtro F2

Taxa de filtração=360 m3/m2/dia

Turbidez 0,01 0,1 1 10 100 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Tempo (horas) Tur bi de z ( U N T )

Água bruta Água decantada Filtro F1 Filtro F2

(35)

CRITÉRIOS PARA O ENCERRAMENTO

DA CARREIRA DE FILTRAÇÃO

Turbidez da água filtrada superior a um valor

pré

-

determinado (Geralmente inferior a 0,5

UNT)

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

(36)

VISÃO DO PROCESSO DE

FILTRAÇÃO

Partículas Choques Partículas-Coletores Deposição Processo Físico

(Transporte) _{Estabilidade do Colóide}Processo Químico (Coagulação)

(37)

MECANISMOS DE TRANSPORTE

E ADERÊNCIA

Ação de coar

Difusão Browniana

Sedimentação

Interceptação

Ação

Hidrodinâmica

Impacto Inercial

Forças

Eletrostáticas

Forças de

Van

Der

Waals

Adsorção Mútua

Reações de

Hidratação

(38)

MECANISMOS DE TRANSPORTE

E ADERÊNCIA

(39)

PARTES CONSTITUTIVAS DE UM

SISTEMA DE FILTRAÇÃO

Materiais filtrantes: composição,

granulometria

e altura

Camada suporte:

granulometria

e altura

Fundo falso:coleta da água filtrada e

introdução de água de lavagem

Sistema de coleta de água de lavagem

Tubulações, válvulas e comportas de entrada

de água decantada, saída de água filtrada e

introdução e coleta de água de lavagem

(40)

Materiais filtrantes: composição,

granulometria

e altura

h Diâmetro efetivo (d_e) ≥ ef d h

1.000 (Camada simples de areia e dupla camada areia-antracito)

1.250 (Camada tripla areia, antracito e granada)

1.250 a 1500 (Filtros de camada profunda e constituídos de um único material filtrante)

* (1,2 mm ≤ d_ef ≤ 1,4 mm)

1.500 a 2.000 (Filtros de camada profunda e constituídos de um único material filtrante)

(41)

Camada suporte:

granulometria

e altura

Cada camada componente do meio suporte

deve ser a mais uniforme possível.

d

_max_max

/d

_mín_mín

= 2

O diâmetro do menor grão da camada inferior do

meio suporte deve ser cerca de 2 a 3 vezes o

diâmetro do orifício do sistema de drenagem

O diâmetro do menor grão da camada superior

do meio suporte deve ser cerca de 4 a 4,5 vezes

o valor do diâmetro efetivo do material filtrante

(42)

Camada suporte:

granulometria

e altura

Entre as camadas que compõem o meio

suporte, a relação entre o diâmetro do maio

grão e o diâmetro do menor grão da camada

adjacente deve ser igual a 4

A espessura mínima de cada camada

componente do meio suporte deve ser igual a

7,5 cm ou três vezes o diâmetro máximo do

grão.

(43)

Sistema de coleta de água de lavagem

S L D H₀

(

0,5.L + D

)

≤ H₀ ≤

(

L + D

)

0 0 2,5 5 , 1 H ≤ S ≤ H

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 D=altura da calha de água de lavagem

(44)

HIDRÁULICA DO PROCESSO DE

FILTRAÇÃO

PERDA DE CARGA EM MATERIAIS

FILTRANTES LIMPOS

•Fórmula de Karman-Koseny 3 0 2 2 0 . . . . ) 1 .( . 5

ε

ρ

ε

µ

g V S L H ₌ − _v ∆ •Fórmula de Ergun 3 0 2 0 3 0 2 2 0 . . ). 1 .( 48 , 0 . . . . ) 1 .( . 17 , 4

ε

ρ

ε

µ

g V S g V S L H ₌ − _v ₊ − _v ∆ eq v d S . 6

ψ

= eq v d S . 6

ψ

=

(45)

HIDRÁULICA DO PROCESSO DE

FILTRAÇÃO

Perda de Carga em Meios Filtrantes Limpos - Influência do Diâmetro

0,000 0,500 1,000 1,500 2,000 2,500 0 120 240 360 480 600 Taxa de Filtração (m/dia)

Perda de Carga (m)

Perda de Carga (m) - d=0,5 mm Perda de Carga (m) - d=1,0 mm

Comprimento do meio=0,80 m Porosidade=0,43

Coef. de Esfericidade=0,80 Perda de Carga em Meios Filtrantes Limpos - Influência da Altura

0,000 0,500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 3,500 4,000 4,500 0 120 240 360 480 600 Taxa de Filtração (m/dia)

Perda de Carga (m) - L=0,8 m Perda de Carga (m) - L=1,5 m

Diâmetro dos grãos=0,50 mm Porosidade=0,43

(46)

HIDRÁULICA DO PROCESSO DE

FILTRAÇÃO

Perda de Carga em Meios Filtrantes Limpos - Influência da Porosidade

0,000 0,500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 3,500 0 120 240 360 480 600 Taxa de Filtração (m/dia)

Perda de Carga (m) - Porosidade=0,4 Perda de Carga (m) - Porosidade=0,65

Comprimento do meio=0,80 m Diâmetro dos grãos=0,50 mm Coef. de Esfericidade=0,80

Perda de Carga em Meios Filtrantes Limpos - Influência da Esfericidade

0,000 0,500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 0 120 240 360 480 600 Taxa de Filtração (m/dia)

Perd a d e C arg a ( m )

Perda de Carga (m) - Coef. Esfericidade=0,8 Perda de Carga (m) - Coef. Esfericidade=0,5

Comprimento do meio=0,80 m Diâmetro dos grãos=0,50 mm Porosidade=0,50

(47)

HIDRÁULICA DO PROCESSO DE

FILTRAÇÃO

FLUIDIFICAÇÃO E EXPANSÃO DE MEIOS FILTRANTES

Perda de Carga e Expansão de Meios Filtrantes (Areia-Antracito)

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 Velocidade Ascensional (cm/s) P e rda de Ca rga ( m ) 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 Velocidade Ascencional (cm/s) Pe rd a d e C ar g a ( m )

Perda de Carga e Expansão de Meios Filtrantes (Areia-CAG)

Velocidade mínima de fluidificação Velocidade mínima de

(48)

HIDRÁULICA DO PROCESSO DE

FILTRAÇÃO

•Cálculo da velocidade mínima de fluidificação

7 , 33 . 0408 , 0 ) 7 , 33 ( Re = 2 + − Ga mf

ν

90 . Re Vmf d mf =

(

)

2 3 90. . . µ ρ ρ ρ g d Ga = p − ] 10 .[ (1,67.log( )) 10 90 CU d d =

(49)

HIDRÁULICA DO PROCESSO DE

FILTRAÇÃO

•Cálculo da velocidade mínima de fluidificação

para meios filtrantes duplos

69 , 1 2 1 2 1. x mf mf mf mf V V V V _      =

V_mf1= velocidade mínima de fluidificação das partículas mais pesadas.

V_mf2= velocidade mínima de fluidificação das partículas mais mais leves.

(50)

HIDRÁULICA DO PROCESSO DE

FILTRAÇÃO

•Cálculo da expansão de meios filtrantes

2 4 1 2 1 1 1 )) .(log( 5 , 1 )) .(log( 00392 , 0 )) .(log( 17979 , 0 ) log( . 09348 , 1 56543 , 0 ) log( Ψ − − + + = e e e R R R A 2 3 2 exp 3 exp 1 . . ) 1 ( ). .( .

µ

ε

ρ

ε

V p S g A − − =

ρ

_ε

_µ

). 1 .( . exp 1 − = V e S V R exp

ε _{=porosidade do meio filtrante expandido}

V=velocidade ascencional de água de lavagem

ψ

_{=coeficiente de esfericidade do material filtrante}

(51)

HIDRÁULICA DO PROCESSO DE

FILTRAÇÃO

•Perda de carga em meios filtrantes expandidos

(

)(

)

ρ

ε

− − = ∆H L0. 1 0 . P L₀=altura inicial do meio filtrante

0

ε

_{=porosidade inicial do meio filtrante}

•Relação entre porosidade e altura do meio filtrante

(

)

(

exp

)

0 0 1 1

ε

− − = L L

(52)

Lavagem de meios filtrantes

Lavagem exclusivamente com água

Vazão Tempo água ascensional •Tempo de lavagem: 8 a 15 minutos •Expansão do material filtrante: 20% a 30%

(53)

Lavagem de meios filtrantes

Lavagem com água e sistema de lavagem superficial

Tempo água ascensional

Vazão

água 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%

(54)

Lavagem de meios filtrantes

Lavagem com ar unicamente seguido de água

Vazão

Tempo água ascensional

ar •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%

(55)

Lavagem de meios filtrantes

Lavagem com ar e água

Lavagem com ar e água simultâneamentesimultâneamente

Tempo

Vazão ar _{água ascencional}

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

4 l/s/m2 _{a 8 l/s/m}2

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

•Expansão do material filtrante: 20% a 30%

(56)

Sistemas de Filtração

Roteiro de Cálculo e Parâmetros de Projeto

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

•Definição da granulometria dos materiais filtrantes e sua respectiva espessura

•Concepção do fundo falso e sistema de drenagem •Definição das características da camada suporte

•Definição do controle hidráulico do sistema de filtração (Taxa de filtração constante (com variação ou não de nível) ou taxa de filtração declinante)

(57)

Sistemas de Filtração

Roteiro de Cálculo e Parâmetros de Projeto

•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

•Cálculo da área total de filtração

filtração

A Q q =

(58)

Sistemas de Filtração

Roteiro de Cálculo e Parâmetros de Projeto

•Cálculo aproximado do número de filtros

•Definição do número de filtros

•Determinação da área individual de cada filtro Recomendável (25 m2 _{a 100 m}2₎

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

5 , 0 . 2 , 1 Q N = Q _{= vazão em mgd} 1 mgd = 3.785 m3_/d N A A total f =

(59)

Sistemas de Filtração

Roteiro de Cálculo e Parâmetros de Projeto

•Cálculo da velocidade mínima de fluidificação e velocidade ascencional 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 •Definição do método e sistema de lavagem

•Definição da carga hidráulica disponível e cálculo do perfil hidráulico

(60)