Dimensionar Filtros de Eta

SISTE72 EASCAVUDESC Página 1 de 9 Prof Dr Everton Skoronski Metodologia para dimensionamento de Filtros Os filtros utilizados no tratamento de água são aplicados para a remoção complementar de turbidez e cor aparente em sistemas convencionais ou como único dispositivo para remoção de sólidos suspensos e colóides quando utilizado em sistemas simplificados de filtração direta Ainda são creditados aos filtros a remoção de microrganismos o qual é complementada com as técnicas de desinfecção Em termos de classificação são utilizados no tratamento de água filtros rápidos e filtros lentos conforme descrito na Tabela 1 Tabela 1 Características dos filtros utilizados no tratamento de água Tipo de Filtro Meio Filtrante d10 mm CD Altura m Taxa de aplicação m3m2dia Rápido Camada Única a Areia 045055 16 060080 120 b Areia 120150 15 150180 400600 c Antracito 120150 15 150180 400600 Dupla Camada d Areia e Antracito 045055 16 020030 240360 Lento e Areia 015035 3 090 6 Fonte Adaptado de ABNT 1992 FERREIRA FILHO 2017 Os filtros rápidos Figura 1 operam com taxas altas entre 120 e 600 m3m2dia enquanto os filtros lentos são projetados para operarem abaixo de 6 m3m2dia Isso significa que a área ocupada por um filtro lento pode ser de 20 a 100 vezes maior do que a mesma ocupada por um filtro rápido Nos filtros rápidos é necessário o uso de coagulante independentemente da sua aplicação como complemento de um sistema convencional ou filtração direta Já os filtros lentos não necessitam da aplicação de coagulante e são utilizados para instalações menores no tratamento de água em mananciais de excelente qualidade No caso do filtro lento a camada superior formada por microrganismos e matéria orgânica denominada Schmutzdecke teto sujo promove as ações de retenção de colóides e sólidos suspensos além da redução de microrganismos e normalmente é raspada a cada 3060 dias Figura 2 Em termos de camadas os filtros podem ser de camada única ou camada dupla sendo este o mais comum Os materiais são especificados com base no seu diâmetro efetivo d10 equivalente ao diâmetro em que 90 do material possui diâmetro maior ou igual a este valor Neste caso o parâmetro possui relação com a condutividade hidráulica do leito filtrante e consequentemente a perda de carga que a água irá estar submetida no escoamento O CD é o coeficiente de desuniformidade e indica se a amostra é mais ou menos homogênea em termos de tamanho sendo o valor ideal tendendo a 1 Com esses dados e definido o tipo de camada é utilizado a altura de material no filtro de acordo com a taxa de aplicação a ser utilizada SISTE72 EASCAVUDESC Página 2 de 9 Prof Dr Everton Skoronski Figura 1 Filtro rápido da ETE de LagesSC Detalhe para a calha superior de entrada de água decantada e as calhas inferiores que coletam a água de retrolavagem Abaixo é possível ver os tubos metálicos para lavagem superficial da camada filtrante e abaixo a superfície do carvão antracito Referências ABNT NBR 12216 Projeto de estação de tratamento de água para abastecimento público Rio de Janeiro sn FERREIRA FILHO S S Tratamento de água concepção projeto e operação de estações de tratamento Rio de Janeiro Elsevier 2017 Figura 2 Filtro lento de Rio RufinoSC Na estrutura funcionam duas unidades em paralelo e na ocasião a unidade da esquerda estava em operação e a da direita em limpeza Destaque para a remoção manual da camada Schmutzdecke SISTE72 EASCAVUDESC Página 3 de 9 Prof Dr Everton Skoronski Para o controle do processo de filtração de acordo com a Portaria GMMS 888 de 2021 em filtros rápidos é exigida uma turbidez após a passagem no filtro rápido de 05 uT em pelo menos 95 das análises e no máximo 10 uT para o restante Para filtro lento estes valores são 10 uT e 20 uT Nos filtros como os flocos são menores que os poros do meio filtrante o mecanismo que remoção ocorre por adesão à superfície da areia eou carvão ao longo da profundidade do filtro podendo a partícula ser catada por difusão movimento desordenado ou interceptação sendo arrastada pelas linhas de fluxo Figura 3 mecanismo de adesão das partículas a difusão e b interceptação Fonte Disponpivel em httpswwwintechopencombookstextilesforadvancedapplicationstextilematerialsinliquid filtrationpracticescurrentstatusandperspectivesinwaterandwastew O processo de filtração costuma ocorrer desde algumas horas ou até 48 horas sendo este tempo denominado carreira de filtração A carreira de filtração pode ser encerrada devido ao aumento da perda de carga em função da adesão dos flocos e diminuição da condutividade hidráulica do leito filtrante ou pelo transpasse quando a turbidez da água na saída do filtro não atende aos padrões da portaria 888 de 2021 ou por questões sanitárias devido ao fato de o filtro estar operando durante um tempo definido 24 36 48h etc e ser necessário o processo de lavagem do filtro Para a operação do filtro são utilizadas válvulas de manobra para a entrada de água decantada saída de água filtrada entrada de água de retrolavagem e saída de água de retrolavagem Figura 4 Após a retrolavagem é removida uma quantidade de água inicial remanescente da retrolavagem antes do início de produção de água filtrada em uma nova carreira de filtração SISTE72 EASCAVUDESC Página 4 de 9 Prof Dr Everton Skoronski Figura 4 Válvulas de manobra do filtro rápido na ETA do município de São LudgeroSC Para o dimensionamento do sistema de filtração rápida inicialmente é definido o número mínimo de filtros 𝑁 de acordo com a seguinte equação FERREIRA FILHO 2017 𝑁 12 𝑄05 Sendo 𝑄 a vazão da ETA em MGD million gallons per day 1 gallon é definido como sendo 378541 litros Definido o número de filtros selecionase uma modalidade com base na Tabela 1 e a partir disso são verificadas as condições de atendimento às taxas de aplicação hidráulica de operação conforme exemplo a seguir Exemplo Dimensionar um sistema de filtração para a vazão de 300 ls O primeiro passo consiste na determinação do número mínimo de filtros com base na vazão informada Desta forma 300 ls equivalem a aproximadamente 68 MGD Assim SISTE72 EASCAVUDESC Página 5 de 9 Prof Dr Everton Skoronski 𝑁 12 𝑄05 𝑁 12 6805 𝑁 314 4 𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑜𝑠 Devese sempre aproximar para o valor inteiro para cima Em seguida selecionase o modelo do filtro Neste caso será selecionado o filtro rápido constituído de areia e carvão para operar entre 240 e 360 m3m2dia modelo d da Tabela 1 Com base nestes valores determinase a área de filtração tendo como referência o menor valor de taxa 𝑇𝐴𝐻 𝑄 𝐴 240 𝑚3 𝑚2𝑑𝑖𝑎 300 𝑙 𝑠 86400 𝑠 1 𝑑𝑖𝑎 1𝑚3 103𝑙 𝐴 𝐴 108 𝑚2 Esta é a área total para o tratamento de 300 ls Desta forma serão indicados 4 filtros de 27 m2 cada um com dimensões sugeridas de aproximadamente 52 x 52 m Com base nessa hipótese são verificadas as seguintes condições Condição Vazão por filtro TAH 4 filtros operando 75 ls 240 m3m2dia 3 filtros operando e 1 lavando 100 ls 320 m3m2dia 2 filtros operando 1 lavando e 1 em manutenção 150 ls 480 m3m2dia Observase que para a condição de 2 filtros operando 1 lavando e 1 em manutenção a vazão de 300 ls acaba sendo concentrada em apenas dois filtros sendo 150 ls em cada resultando em uma taxa de 480 acima dos 360 m3m2dia recomendado Assim sugerese o aumento no número de filtros Para 5 filtros cada um com área de 216 m2 465 x 465 m o quadro resulta em Condição Vazão por filtro TAH 5 filtros operando 60 ls 240 m3m2dia 4 filtros operando e 1 lavando 75 ls 300 m3m2dia 3 filtros operando 1 lavando e 1 em manutenção 100 ls 400 m3m2dia Observase que para a condição de 3 filtros operando 1 lavando e 1 em manutenção a vazão de 300 ls acaba sendo concentrada em apenas três filtros sendo 100 ls em cada resultando em uma taxa de 400 acima dos 360 m3m2dia recomendado SISTE72 EASCAVUDESC Página 6 de 9 Prof Dr Everton Skoronski Assim sugerese o aumento no número de filtros Para 6 filtros cada um com área de 18 m2 424 x 424 m o quadro resulta em Condição Vazão por filtro TAH 6 filtros operando 50 ls 240 m3m2dia 5 filtros operando e 1 lavando 60 ls 288 m3m2dia 4 filtros operando 1 lavando e 1 em manutenção 75 ls 360 m3m2dia Para esta condição observase que 6 filtros garantes uma boa operacionalidade permitindo uma lavação de cada filtro e ainda a possibilidade de manutenção de uma unidade por vez possibilitando ainda a manutenção da taxa de aplicação entre 240 e 360 m3m2dia Desta forma devem ser previstos 6 filtros de 18 m2 424 x 424 m totalizando uma área de filtração de 108 m2 para o tratamento de 300 ls de água Em termos de retrolavagem para filtros rápidos de camada dupla normalmente empregados em ETA é utilizada uma velocidade em torno de 125 cms de velocidade da água no sentido ascendente Segundo a NBR 12216 esse valor de velocidade deve ser de no mínimo 100 cms 60 cmmin A aplicação da água deve ocorrer por pelo menos 10 minutos e em campo esse tempo pode ser ajustado até a água de retrolavagem apresentar uma turbidez próximo a 10 uT Adicionalmente devese verificar se essa velocidade garante uma expansão do leito de 20 a 30 o que pode ser realizado com ensaios de laboratório como apresentados no vídeo 1 Neste vídeo é possível observar a expansão do leito o que facilita a limpeza por arraste dos flocos aderidos na superfície do meio filtrante devido ao cisalhamento produzido pela passagem de água limpa No caso da expansão do leito a velocidade da água gera uma força de arraste direcionada para cima a qual equilibra a força de atração gravitacional possibilitando a expansão do leito filtrante O vídeo 2 apresenta um filtro em processo de retrolavagem sendo possível observar a características do efluente gerado que normalmente não é adequadamente disposto no meio ambiente É possível ainda realizar a inserção de ar para auxiliar no processo de retrolavagem utilizando uma vazão de ar de 060 a 120 m3minm2 Filtros lentos não são retrolaváveis e quando apresentam comportamento irregular no sentido de diminuir a qualidade da água o leito deve ser substituído ou lavado manualmente após ser removido do filtro Vídeo 1 Vídeo 2 SISTE72 EASCAVUDESC Página 7 de 9 Prof Dr Everton Skoronski Exemplo Dimensionar um sistema de retrolavagem do sistema de filtro rápido de dupla camada especificado no exemplo anterior considerando o tempo de retrolavagem de 15 minutos e velocidade da água de 125 cms A área de filtração no sistema calculado para 300 ls foi de 108 m2 sendo cada filtro com área de 18 m2 Assim a vazão de água utilizada para a lavagem de um filtro é de 𝑄𝑟𝑒𝑡𝑟𝑜𝑙𝑎𝑣𝑎𝑔𝑒𝑚 𝑣 𝐴 𝑄𝑟𝑒𝑡𝑟𝑜𝑙𝑎𝑣𝑎𝑔𝑒𝑚 125 𝑐𝑚 𝑠 1𝑚 100 𝑐𝑚 18𝑚2 𝑄𝑟𝑒𝑡𝑟𝑜𝑙𝑎𝑣𝑎𝑔𝑒𝑚 0225 𝑚3 𝑠 Considerando o tempo de retrolavagem de 15 minutos o volume de água a ser gasto para lavar um filtro é 𝑉𝑟𝑒𝑡𝑟𝑜𝑙𝑎𝑣𝑎𝑔𝑒𝑚 𝑄𝑟𝑒𝑡𝑟𝑜𝑙𝑎𝑣𝑎𝑔𝑒𝑚 𝑡𝑟𝑒𝑡𝑟𝑜𝑙𝑎𝑣𝑎𝑔𝑒𝑚 𝑉𝑟𝑒𝑡𝑟𝑜𝑙𝑎𝑣𝑎𝑔𝑒𝑚 0225 𝑚3 𝑠 15𝑚𝑖𝑛 60𝑠 1𝑚𝑖𝑛 𝑉𝑟𝑒𝑡𝑟𝑜𝑙𝑎𝑣𝑎𝑔𝑒𝑚 2025 𝑚3 Esse é o valor de água necessário para a lavagem de 1 filtro Considerando o sistema de 6 filtros o volume total é de 1215 m3 A água utilizada para a lavação dos filtros é a própria água produzida na ETA Desta forma considerando que esse filtro será lavado uma vez ao dia a produção de 300 ls de água equivale a um volume diário de água tratada produzida de 25920 m3 Assim a água de retrolavagem equivale a um percentual de 468 Se o filtro necessitar ser lavado mais vezes ao dia por má operação dos sedimentadores essa porcentagem aumenta e o rendimento de produção de água para distribuição diminui Adicionalmente o volume de água produzido no vídeo 2 pode ser recuperado em sistemas a serem abordados mais tarde retornados ao início da ETA e assim aumentar o rendimento de produção de água no sistema Além do meio filtrante os filtros possuem ainda um meio suporte onde a areia é apoiada A Figura 5 mostra um exemplo de um meio suporte utilizado em sistemas de filtração O meio é constituído de seixos rolantes e bloco leopold o que garante uma melhor distribuição da água de retrolavagem e de ar quando este é utilizado no processo de lavação do filtro SISTE72 EASCAVUDESC Página 8 de 9 Prof Dr Everton Skoronski Figura 5 Filtro com camada única de areia apoiado em um meio suporte de seios rolantes direita e bloco Leopold ao fundo Fonte Disponível em httpswwwsidneysecklercommaterialdidatico A Figura 6 a seguir apresenta um resumo de todos os elementos utilizados na constituição de um filtro rápido por gravidade Figura 6 Elementos utilizados no sistema de filtração por gravidade Fonte Disponível em httpwwwpetranovacombrsiteindexphpchamada1 SISTE72 EASCAVUDESC Página 9 de 9 Prof Dr Everton Skoronski Leitura Complementar Tópico Páginas Referência Descrição de meios filtrantes 214 a 217 Howe K J Hand D W Crittenden J C Trussell R R Tchobanoglous G 2016 Princípios de Tratamento de Água Cengage Learning Brasil httpsappminhabibliotecacombrbooks9788522124084 Processo de adesão 222 a 224 Processo de adesão 203204 Sidney Seckler 2017 Tratamento de Água Concepção Projeto e Operação de Estações de Tratamento Grupo GEN httpsappminhabibliotecacombrbooks9788595153851 Referências ABNT NBR 12216 Projeto de estação de tratamento de água para abastecimento público Rio de Janeiro sn FERREIRA FILHO S S Tratamento de água concepção projeto e operação de estações de tratamento Rio de Janeiro Elsevier 2017