YGO MAGNO DE ARAÚJO

PERDAS DE CARGA EM FILTROS RÁPIDOS DE FLUXO

ASCENDENTE E DESCENDENTE

NATAL-RN

2018

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

Ygo Magno de Araújo

Perdas de carga em filtros rápidos de fluxo ascendente e descendente

Trabalho de Conclusão de Curso na modalidade

Artigo Científico, submetido ao Departamento

de Engenharia Civil da Universidade Federal

do Rio Grande do Norte como parte dos

requisitos necessários para obtenção do Título

de Bacharel em Engenharia Civil.

Orientador: Profa. Dra. Juliana Delgado

Tinôco

Coorientador: Prof. Dr. Marco Antonio

Calazans Duarte

Natal-RN

2018

Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN

Sistema de Bibliotecas - SISBI

Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Central Zila Mamede

Araujo, Ygo Magno de.

Perdas de carga em filtros rápidos de fluxo ascendente e descendente / Ygo Magno de Araujo. - 2018.

20 f.: il.

Artigo científico (graduação) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Centro de Tecnologia, Curso de Engenharia

Civil. Natal, RN, 2018.

Orientadora: Prof.ª Dr.ª Juliana Delgado Tinôco. Coorientador: Prof. Dr. Marco Antonio Calazans Duarte.

1. Tratamento de água - TCC. 2. Filtração rápida - TCC. 3.

Taxa de filtração - TCC. 4. Dupla filtração - TCC. I. Tinôco,

Juliana Delgado. II. Duarte, Marco Antonio Calazans. III. Título.

RN/UF/BCZM CDU 628.16

Elaborado por Ana Cristina Cavalcanti Tinôco - CRB-15/262

Ygo Magno de Araújo

Perdas de carga em filtros rápidos de fluxo ascendente e descendente

Trabalho de conclusão de curso na modalidade

Artigo Científico, submetido ao Departamento

de Engenharia Civil da Universidade Federal

do Rio Grande do Norte como parte dos

requisitos necessários para obtenção do título

de Bacharel em Engenharia Civil.

Aprovado em 25 de junho de 2018:

___________________________________________________

Profa. Dra. Juliana Delgado Tinôco – Orientador

___________________________________________________

Prof. Dr. Marco Antonio Calazans Duarte – Co-orientador

___________________________________________________

Prof. Ma. Amanda Bezerra de Sousa– Examinador interno

___________________________________________________

Prof. Dr. André Luís Calado Araújo – Examinador externo

Natal-RN

2018

RESUMO

O estudo da perda de carga em filtros, sejam eles de fluxos ascendente ou descendente,

tem fundamental importância na projeção e, principalmente, no controle operacional de tais

unidades em uma estação de tratamento de água (ETA). Entretanto, sua modelação matemática

de previsão ainda é, relativamente, insatisfatória devido as diversas variáveis intrínsecas no

processo de eficiência da filtração, como os mecanismos de filtração, os processos de

tratamento anteriores, a taxa de filtração e, sobretudo, a composição e granulometria do meio

filtrante. Diante disso, este artigo traz o estudo das perdas de carga em ensaios de tratabilidade

de dupla filtração realizados em uma instalação piloto de dupla filtração (IPDF), com o objetivo

de avaliar a influência das granulometrias das camadas filtrantes nos filtros de escoamentos

ascendente e descendente e taxas aplicadas na variação da perda de carga laminar e turbulenta

com a retenção de impurezas que se interpreta na turbidez. Foram realizados quatro ensaios de

24 h de duração, onde foram testados um filtro de fluxo ascendente de pedregulho (FAP) e, em

seguida, três filtros rápidos de fluxo descendente de areia (FDA) com granulometrias variadas

entre si, antecedidos de pré-oxidação e coagulação, com variação das taxas de filtração de 230

e 255 m³/m².dia e 310 e 340 m³/m².dia, respectivamente. Os resultados das amostras da IPDF

apresentam que o FAP teve grande eficiência na remoção de turbidez com perda de carga

influenciada pelo fundo falso, já os FDA evidenciam que quanto menor a granulometria dos

filtros, maiores são a eficiência de remoção de impurezas e perda de carga e menor a carreira

de filtração. O FDA 3 foi escolhido devido questões operacionais, visto que as turbidezes

remanescentes dos FDA eram próximas. Por fim, o aumento das taxas de filtração aplicadas

conferiu crescimento da perda de carga e diminuição da remoção de impurezas e carreira de

filtração.

Palavras-chave: Tratamento de água. Filtração rápida. Taxa de filtração. Dupla filtração.

ABSTRACT

The following study of the head loss in filters, whether of upstream or downstream flow,

is of main importance in the projection and mainly in the operational control of such units in a

water treatment plant (WTP). However, its mathematical prediction modeling is still relatively

unsatisfactory due to the different intrinsic variables in the filtration efficiency process, such as

filtration mechanisms, previous treatment processes, filtration rate and, above all, composition

and grain size filter media. This paper presents the study of the charge losses in double filtration

treatability tests carried out in a pilot dual filtration system (PDFS), in order to evaluate the

influence of the granulometry of the filter layers on the upstream and downstream filters and

applied rates in the variation of laminar and turbulent head loss with the retention of impurities

that is interpreted in the turbidity. It were performed four 24-hour duration tests, which were

tested one upstream filter gravel (UFG) and then three quick sand downflow filters (SDF) with

varying particle sizes to each other, preceded by pre-oxidation and coagulation, with variation

of filtration rates of 230 and 255 m³ / m².day and 310 and 340 m³ / m².day, respectively. The

results of the PDFS samples show that the UFG had great efficiency in the removal of turbidity

with loss of load influenced by the false bottom, since the SDF evidence that the lower the

granulometry of the filters, the greater the efficiency of removal of impurities, loss of load and

less filtration career. The SDF 3 was chosen because of operational issues, as the remaining

turbidities of the SDF were close. Closing the following paper, the increase of the applied

filtration rates conferred increase of the loss of load and decreases of the removal of impurities

and filtering career.

Keywords: Water treatment. Fast filtration. Filtration rate. Double filtration.

6

1 INTRODUÇÃO

A filtração traduz-se como um processo de separação líquido-sólido através de um meio

poroso, isto é, objetiva a remoção de partículas suspensas, coloidais, microrganismos e

substâncias orgânicas e inorgânicas sendo responsáveis pela cor e turbidez do líquido e,

portanto, representa o processo final de remoção de impurezas realizado em uma estação de

tratamento de água (ETA) (DI BERNARDO, 2003; LIBÂNIO, 2010). Ela tem fundamental

relevância no processo de tratamento de água para torná-la potável e atender aos padrões de

potabilidade, sendo estabelecida nos âmbitos nacional e nos EUA, pela Portaria de

Consolidação nº 5 (BRASIL, 2017) e Agência de Proteção Ambiental dos EUA (ESTADOS

UNIDOS DA AMÉRICA, 1996), respectivamente, pois ambas designam a necessidade desta

etapa através da distribuição de água captada de mananciais superficiais.

Segundo Di Bernardo (2003), a eficiência da filtração está relacionada às características

da suspensão (tipo, tamanho, concentração e massa específica das partículas, resistência das

partículas retidas pelas forças de cisalhamento, temperatura da água, potencial zeta, pH da água,

etc.), do meio filtrante (tipo de material, tamanho efetivo, tamanho do maior e menor grão,

coeficiente de desuniformidade, massa específica do material granular e espessura) e

hidráulicas (taxa de filtração, carga hidráulica disponível e método de controle da taxa e do

nível de água nos filtros).

O estudo sobre o comportamento da perda de carga no processo de filtração é essencial

para a operação dos equipamentos utilizados e, também, no seu dimensionamento, pois as

características intrínsecas do meio filtrante tornam a compreensão do fenômeno físico

especificado mais complexa (MESQUITA et al., 2012). Assim sendo, estudos são feitos para

modelar, quantificar e entender tais variedades de parâmetros inerentes ao processo de retenção

das partículas no meio granular, entretanto tais modelos não têm alcançado êxito satisfatório na

previsão do comportamento da filtração (DI BERNARDO, 2005).

Diante do exposto, analisar o comportamento da perda de carga e a remoção de

impurezas nos filtros, que são comuns em projetos das ETA ou em estudos de modificação e

adequabilidade das ETA existentes, verificado nas pesquisas de Duarte, M. (2011) e Duarte, G.

(2018, em fase de elaboração)1, em mananciais eutrofizados do Rio Grande do Norte, para a

otimização do planejamento, projeção, execução e operação, configura-se como a importância

da pesquisa. Dessa forma, neste artigo tem-se por objetivo verificar a influência das

granulometrias das camadas filtrantes nos filtros de escoamentos ascendente e descendente e

taxas aplicadas na variação da perda de carga laminar com a retenção de impurezas que se

interpreta na turbidez.

2 REVISÃO DE LITERATURA

O comportamento da perda de carga é complexo e regido pela interação entre diversos

fatores. Di Bernardo (2005) revela que os mecanismos de filtração (transporte, aderência e

desprendimento) são encarregados pela remoção das partículas, sejam eles sucedidos com a

ação de profundidade, caracterizada pela saturação do leito filtrante ao longo da sua altura, ou

de ação superficial, marcada pela retenção das partículas no topo do meio filtrante.

Outros fatores que tornam a dissipação de energia hidráulica nos filtros de difícil

previsão, diz respeito ao controle operacional, meio filtrante, execução de lavagem, grau de

capacitação dos operadores, processos antecedentes a ela, como a coagulação, oxidação,

1 DUARTE, G. M. C. Simulação em instalação piloto da adequação de ETA convencional para dupla filtração.

Dissertação (Mestrado – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Sanitária). Universidade Federal do Rio

Grande do Norte (UFRN), 2018.

7

floculação, decantação ou flotação e, imprescindivelmente, o tipo de material e sua

granulometria. (DI BERNARDO, 2003, 2005; VIANNA, 1992).

Assim, a previsão quantitativa do comportamento da perda de carga de meios filtrantes

limpos estratificados pode ser feita com a equação 1 (DI BERNARDO, 2005):

∆H

∆L=150

μ

ρag

(1-ε)2

ε3

V∞

C2

e

∑Xi

D²eqi

n

i=1

+1,75(1-ε)

gCeε3

V2∞

desf

∑Xi

Deqi

n

i=1

(Eq. 1)

No qual:

é a perda de carga (m); é a viscosidade absoluta da água (N.s/m²); é a massa

específica da água (kg/m³); g é a aceleração da gravidade (m/s²); é a porosidade do meio

granular; é a velocidade de aproximação (m/s); é o coeficiente de esfericidade do grão

coletor; é a fração do material granular que corresponde a cada valor de ; é a média

geométrica dos tamanhos das aberturas de duas peneiras consecutivas (m); é a espessura do

meio filtrante (m).

Vale salientar que o segundo termo da Equação 1 é utilizado para taxas de filtração

maiores que 400 m³/m².dia.

Cirne (2014) ao analisar a influência da granulometria e taxas de filtração em dupla

filtração com água bruta da lagoa de Extremoz com duração de doze horas de ensaio, utilizando

quatro filtros de fluxo ascendente e três descendente com granulometrias variadas, percebeu

que os filtros de menor granulometria obtiveram maior eficiência na remoção de turbidez e cor

para ambos os casos, sendo a oxidação com cloro um fator decisivo na eficiência para este

último parâmetro, eles também são responsáveis pelas maiores perdas de carga, sendo seus

valores máximos de 25,0 e 100,0 cm (filtro ascendente) e 31,0 e 39,0 cm (filtro descendente)

para taxas de filtração de 120 e 160 m³/m².dia e de 180 e 240 m³/m².dia,respectivamente, e, por

fim, tal incremento nessa constante implica, também, em um efluente de melhor qualidade e

maior perda de carga. Vale ressaltar que não houve lavagem dos filtros ou descarga de fundo

intermediária (DFI).

O estudo de Braga (2005) avaliou a dupla filtração em uma instalação piloto com

afluente do lago Paranoá, caracterizada por cor e turbidez baixas, com uma unidade de fluxo

ascendente de pedregulho, com taxa de filtração fixa de 90 m³/m².dia e duas unidades de fluxo

descendente de areia, com taxas de filtração que variavam entre 250, 350 e 450 m³/m².dia. Seus

resultados mostram que a coluna de areia com maior granulometria apresentou carreira de

filtração maior, entre 5 a 18 horas mais longas, e que esses valores mudavam com a degradação

do efluente advindo do filtro de pedregulho, fato que também explica a sensibilidade na

mudança da perda de carga dos FDA e, ainda, evidencia-se que tais perdas foram devido a ação

superficial e que a taxa de filtração de 450 m³/m².dia possuiu o melhor desempenho operacional.

Dantas (2004) fez estudo de dupla filtração para águas com turbidez elevada (tipo 1:

100 uT e tipo 2: 300 uT). Com o sistema de filtro ascendente de areia grossa e filtro descendente

de areia verificou-se que a perda de carga se deu, principalmente, nas camadas intermediárias

do meio filtrante (filtro ascendente) e, em comparação aos valores calculados pela Equação 1

seus valores foram satisfatórios (<10%) para as taxas de filtração de 115 e 240 m³/m².dia, com

discrepância para a taxa de filtração de 172 m³/m².dia. Os valores previstos pela mesma equação

para a camada suporte foram insatisfatórios, destacando-se para a maior taxa de filtração. Para

o sistema de filtro ascendente de pedregulho e filtro descendente de areia a retenção de

impurezas foi conferida, visivelmente, na camada de topo do meio filtrante (filtro ascendente)

e para todas as taxas de filtração aplicadas (120, 175 e 220 m³/m².dia) a equação não obteve

previsão pertinente. A comparação foi feita com valores obtidos até 2 h de duração do ensaio.

A autora ainda constatou que a perda de carga nos filtros descendentes foi maior para o sistema

com o filtro ascendente em pedregulho, pois sua eficiência na remoção de sólidos foi menor

que a observada para o filtro ascendente em areia grossa.

8

A investigação de Alcantara (2010) propôs a utilização de diferentes materiais para os

filtros de fluxo ascendente (pedregulho e eletroduto corrugado), com altura do leito filtrante de

1,8 m, na dupla filtração a fim de averiguar a interferência da porosidade em seus resultados. O

filtro ascendente de pedregulho (FAP), porosidade de 38%, se mostrou menos eficiente para

taxas de filtração de 120 e 180 m³/m².dia, resultando em perdas de carga notoriamente mais

elevadas, assim como para valores de turbidez e carreiras de filtração de 13,88 e 7,14 h,

respectivamente. Para a taxa de filtração de 240 m³/m².dia sua avaliação tornou-se eficiente no

que diz respeito a qualidade do efluente e a carreira de filtração de 6,4 h. A porosidade de 91%

é referente ao filtro ascendente de eletroduto corrugado (FAEC), fato que resulta em uma perda

de carga irrisória em comparação com o FAP para qualquer taxa de filtração. Suas carreiras de

filtração foram, respectivamente, para as taxas de filtração citadas anteriormente, de 20,14,

12,19 e 4,8 h. Evidencia-se que não houveram DFI.

3 METODOLOGIA

A presente pesquisa é parte integrante do projeto intitulado “Caracterização de resíduos

líquidos gerados em ETA de ciclo completo em escala real”, financiado com recursos do

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), processo

467848/2014-9, tendo como instituição executora o Instituto Federal do Rio Grande do Norte

(IFRN) e como parceiras, a Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN) e a

Compainha de Águas e Esgotos do Rio Grande do Norte (CAERN).

3.1 Caracterização da área de estudo

A parte experimental do estudo foi realizado na Instalação Piloto de Dupla Filtração

(IPDF) instalada nas dependências da ETA Extremoz (5°42’54”S, 35°18’26”W), zona norte da

Cidade de Natal-RN. A lagoa de Extremoz está situada numa área de ocupação residencial e

industrial com consequentes impactos sobre o manancial, especialmente na qualidade das

águas. De acordo com dados coletados no período da presente pesquisa, novembro de 2017,

medidos em 48 amostras, os valores para turbidez, oscilaram entre valores mínimos, médios e

máximos de 10,2; 14,7 e 89,9 uT com desvio padrão de 6,6. Em relação ao parâmetro cor, os

valores mínimos, médios e máximos foram de 32,5; 41,5 e 105 uH; respectivamente, com

desvio padrão de 7,2.

3.2 Instalação piloto

A instalação piloto é composta de reservatório de água bruta (RAB), quatro câmaras de

pré-oxidação (CPOX), seis caixas de distribuição de vazão (CDV), uma sendo câmara de

mistura rápida, quatro câmaras de adsorção com carvão ativo pulverizado (CCAP), quatro

filtros ascendentes de pedregulho (FAP), três câmaras de interoxidação (CIOX), três filtros

rápidos descendentes de areia (FDA), três colunas de adsorção (FCAG) com carvão ativado

granular e reservatório de água tratada (RAT). A ETA piloto dispõe ainda de seis bombas

dosadoras para aplicação de coagulantes, polímeros, oxidantes e carvão ativado pulverizado.

O sistema piloto implantado permite diferentes configurações de processos de

tratamento de água, tais como: filtração direta, filtração direta em linha e dupla filtração (foco

desse trabalho), além das diferentes opções granulométricas dos filtros. Na presente pesquisa,

foram avaliadas as configurações operacionais da pré-oxidação, mistura rápida, filtração

ascendente em pedregulho (FAP 3) e filtração descendente em areia (filtro 1, filtro 2 e filtro 3),

FDA 1, FDA 2 e FDA 3, respectivamente.

9

Na figura 1 é apresentado o fluxograma das unidades de tratamento de água utilizadas

na presente pesquisa. Destaca-se que a escolha pelo FAP 3 foi respaldada em estudo prévio de

Duarte, G (2018). No referido estudo foram testados os quatro filtros ascendentes de pedregulho

(de diferentes granulometrias), obtendo-se melhores resultados de tratabilidade da água no filtro

3.

Unidade de pré-oxidação

As CPOX foram confeccionados em policloreto de vinila (PVC) com diâmetro interno,

altura útei e total de 300 mm, 0,85 e 0,80 m, respectivamente, resultando num volume útil de

56,55 L, para cada unidade.

Unidade de mistura rápida

A unidade de mistura rápida foi produzida em acrílico sendo seu agitador mecânico

controlado por inversor de frequência em aproximadamente 430 rpm, com comprimento,

largura e altura de 0,3; 0,3 e 0,4 m, respectivamente, dispondo de volume útil de 20,00 L.

Filtro ascendente em pedregulho – FAP

Os FAP foram fabricados em fibra de vidro revestido com resina poliéster - PRFV, seção

circular, diâmetro de 200 mm, alturas útil e total de 1,85 e 1,95 m, respectivamente, e volume

útil de 58,12 L. Na superfície interna da resina PRFV fresca, foi adicionado uma camada de

areia com grãos entre 0,60 milímetros e 1,00 milímetros, conferindo-lhe rugosidade (DUARTE,

M., 2011). As características granulométricas das camadas filtrantes do FAP 3 estão

apresentadas na Tabela 1. Na sequência (Figura 2) ilustra-se esquema gráfico e fotografia do

FAP 3.

O filtro é dotado de 6 piezômetros (P0, P1, P2, P3, P4 e P5) - derivações em latão 1/4"

roscadas em buchas de PVC fixadas na parede do filtro por laminação em fibra de vidro e resina,

ligadas a mangueiras em polipropileno cristal (DUARTE, G. 2018).

Tabela 1 - Características físicas das camadas filtrantes do filtro FAP 3.

Filtro Camada filtrante Tamanho dos

grãos (mm) Espessura (cm)

FAP 3

1 (Fundo) 15,9 - 25,4 15

2 9,6 - 15,9 15

3 4,8 - 9,6 30

4 (Topo) 2,4 - 4,8 60

Espessura total 120 Fonte: Adaptado de Duarte, M. (2011).

10

Figura 1 – Esquema gráfico das unidades de tratamento utilizados na pesquisa

Fonte: Autor.

11

Figura 2 – Esquema gráfico do filtro ascendente de pedregulho e em operação.

Fonte: Adaptado de Duarte, G. (2018).

Filtros descendentes de areia – FDA

Os filtros de areia também foram confeccionados em PRFV e com adição de uma

camada de areia na superfície interna, conforme descrito no item anterior. Os filtros são de

seção circular, diâmetro de 100 mm, alturas útil e total de 3,85 m para ambas e volume útil de

30,24 L. Apresentam-se nas Tabelas 2 e 3, características granulométricas das camadas suporte

e filtrantes dos filtros 1,2 e 3, respectivamente. Na Figura 3 pode ser visualizado o esquema

gráfico e fotografia dos filtros.

Da mesma forma que o FAP, os filtros descendentes de areia possuem piezômetros (P0,

P1 e P2) que foram fabricados e instalados da mesma forma já descrita no FAP (ver Figura 3).

12

Tabela 2 – Características das camadas suporte do FDA 1, FDA 2 e FDA 3.

Camada Tamanho dos grãos (mm) Espessura (cm)

1 (fundo) 19,0 – 12,7 5

2 12,7 – 6,4 5

3 6,4 – 3,4 5

4 3,4 – 2,0 5

5 6,4 – 3,4 5

6 12,7 – 6,4 5

7 (topo) 19,0 – 12,7 5

Espessura total 35

Fonte: Adaptado de Duarte, M. (2011).

Tabela 3 – Características das camadas filtrantes dos FDA.

Filtro Camada filtrante Tamanho dos grãos (mm)

FDA 1

1 0,3 – 0,4

2 0,4 – 0,5

3 0,5 – 0,6

4 0,6 – 0,8

5 0,8 – 1,0

Areia: quartoza, D0=0,3 mm; D10=0,50 mm; D60=0,81 mm; D100=1,0 mm; CD=1,62

FDA 2

1 0,3 – 0,4

2 0,4 – 0,5

3 0,5 – 0,6

4 0,6 – 0,8

5 0,8 – 1,0

6 1,0 – 1,2

Areia: quartoza, D0=0,3 mm; D10=0,57 mm; D60=1,05 mm; D100=1,2 mm; CD=1,84

FDA 3

1 0,4 – 0,5

2 0,5 – 0,6

3 0,6 – 0,8

4 0,8 – 1,0

5 1,0 – 1,2

6 1,2 -1,7

Areia: quartoza, D0=0,4 mm; D10=0,87 mm; D60=1,45 mm; D100=1,7 mm; CD=1,67

LEGENDA: D0: diâmetro do menor grão; D10: diâmetro efetivo; D60: diâmetro tal

que 60% do solo, em massa, têm diâmetros menores que ele (mm); D100= diâmetro

do maior grão; CD: coeficiente de desuniformidade.

Fonte: Adaptado de Duarte, M. (2011).

13

Figura 3 – Esquema gráfico dos filtros descendentes de areia e em operação.

Fonte: Adaptado de Duarte, G. (2018).

3.3 Protocolo dos ensaios das perdas de carga

A medição da perda de carga foi realizada mediante leitura da pressão estática nos

piezômetros instalados nos filtros. Para tanto, foram realizados quatro ensaios com duração de

vinte e quatro horas, sendo verificadas as pressões em intervalos de duas horas, totalizando doze

leituras.

A IPDF era alimentada com água bruta da lagoa de Extremoz por uma ramificação na

adutora da ETA de Extremoz por um tubo de polietileno de alta densidade de 32 mm, que

abastecia o RAB de 2.500 L. Do RAB a água era recalcada, por meio de uma bomba centrífuga

de eixo horizontal, para a CDV 1, feita em acrílico cristal incolor de 6mm de espessura. Foram

utilizadas tubulações independentes em PVC de 32 mm para permitir a distribuição uniforme

de vazão para cada unidade de tratamento a partir das CDV subsequentes, com isso dava-se

autonomia para escolher o processo de tratamento a ser testado, que, neste caso, foi a dupla

filtração.

A vazão e a pressão de recalque dos conjuntos motor-bomba utilizados eram controladas

por inversor de frequência, os quais mostravam a rotação da operação. Já os volumes

bombeados e as vazões instantâneas de água bruta eram vistoriados por hidrômetro turbina

14

multijato, assim como as vazões em cada processo de tratamento da IPDF eram acompanhadas

por rotâmetros em acrílico, com faixa de medição de 60 a 500 L/h.

O coagulante utilizado foi o hidroxicloreto de alumínio com dosagem de 8 mg/L e

gradiente de velocidade de 1.000 m/s.m, já o dicloro isocianurato de sódio foi empregado como

oxidante para a pré-oxidação com dosagem de 3mg/L. O sistema de dupla filtração foi operado

com taxas constantes de filtração, sendo analisadas duas taxas para o FAP e duas taxas para o

FDA com réplicas sequenciais de ambas. As taxas de filtração utilizadas nos FAP foram de 230

e 255 m³/m².dia e nos FDA foram de 310 e 340 m³/m².dia em cada ensaio, respectivamente.

Vale ressaltar que tais valores foram obtidos previamente por Duarte, G (2018).

A carreira de filtração era interrompida quando as perdas de carga nos filtros FAP e

FDA coincidiam com as perdas de carga disponíveis, 2,32 e 2,40 m, respectivamente. A limpeza

do FAP era feita através de DFI, deixando-a esvaziar, e, com água em sentindo ascendente, nos

FDA.

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO

4.1 Perdas de carga laminares e turbulentas no FAP 3 e suas camadas constituintes e nos

FDA com taxas de filtração de 230/310 m³/m².dia

Na Figura 4 (a e b) são apresentadas a evolução das perdas de carga laminares e

turbulentas nas camadas do FAP 3, fundo falso (FF), – flange com 9 orifícios concêntricos de

4,8 mm - e camadas subsequentes com granulometrias distintas (C1, C2, C3 e C4), e dos FDA

com dois ensaios (E1 e E2) para taxas de aplicação de 230 e 310 m³/m².dia, respectivamente.

As DFI são indicadas pelas setas.

Figura 4 – Variação das perdas de carga nas camadas dos filtros de fluxos ascendente de

pedregulho e descendentes de areia, com taxas de filtração de 230/310 m³/m².dia. (a) Ensaio 1

(E1); (b) Ensaio 2 (E2).

Legenda: FF: Fundo falso; C1: Camada 1 do FAP 3; C2: Camada 2 do FAP 3; C3: Camada 3 do FAP 3; C4:

Camada 4 do FAP 3; ↓: descarga de fundo intermediária.

Fonte: Autor.

A perda de carga no FAP 3 é notoriamente inferior às proporcionadas nos FDA, fato

que pode ser corroborado pela maior porosidade do meio filtrante de fluxo ascendente, em

conformidade com o que foi verificado por Alcantara (2010). Em E1 e E2, respectivamente,

este mesmo filtro obteve taxas médias de 2,0 e 2,8 cm/h, com perdas de carga finais de 47,0 e

62,5 cm (Figura 4a e 4b). Para os mesmos ensaios, mostram que o FF com orifícios de 0,1 mm

e tela de aço inox foi responsável por 59% e 65% da perda de carga do FAP 3, a qual se

15

caracteriza como localizada, tendo valores iniciais de 14,0 e 22,0 cm, respectivamente.

Verifica-se ainda que a perda de carga remanescente é produzida, sobretudo, na última camada,

onde há os grãos de menor granulometria devido a estratificação do meio filtrante em virtude

do fluxo ascendente, com valores máximos de 14,0 e 22,0 cm.

No E1, o FDA 1 apresentou perda de carga máxima de 216,0 cm, ocasionando o maior

incremento de perda de carga entre os FDA (13,7 cm/h). O FDA 2 exprimiu comportamento

parecido ao FDA 1 com aumento de 12,5 cm/h, com perda de carga máxima de 222,5 cm no

final da carreira de filtração. Em contrapartida, o FDA 3 exibiu o menor incremento da perda

de carga (6,7 cm/h), com perda de carga máxima de 144,0 cm no final da carreira de filtração.

No E2, o incremento de perda de carga do FDA 1 foi de 13,2 cm/h, com perda de carga

máxima de 190,0 cm. Já o FDA 2 teve a maior taxa de aumento de perda de carga (16,2 cm/h),

finalizando a carreira de filtração com perda máxima de 215,0 cm. Por fim, o FDA 3 apresentou

menor incremento de perda de carga (8,6 cm/h), sendo sua perda de carga máxima de 220,0 cm.

As perdas de carga teóricas calculadas na Equação 1 (DI BERNARDO, 2005) para o

FDA 1, FDA 2 e FDA 3 são, respectivamente, 43, 36 e 16 cm, já as médias observadas para os

mesmos, parâmetro e filtros, em E1 e E2 são 50, 41 e 29 cm. Com isso, apura-se que a Equação

1 não prevê satisfatoriamente as perdas de carga nos FDA limpos, visto que as diferenças são

de 16%; 14% e 81%, respectivamente, diferentemente de Dantas (2004), pois as diferenças são

>10%.

4.2 Perdas de carga laminares e turbulentas nas camadas no FAP 3 e nos FDA com taxas

de filtração de 255/340 m³/m².dia

Na Figura 5 (a e b) são apresentadas a evolução das perdas de carga laminares e

turbulentas nas camadas do FAP 3, FF e camadas subsequentes com granulometrias distintas

(C1, C2, C3 e C4), e dos FDA com dois ensaios (E3 e E4) para taxas de aplicação de 255 e 340

m³/m².dia, respectivamente. As DFI são indicadas pelas setas.

Figura 5 – Variação das perdas de carga nas camadas dos filtros de fluxos ascendente de

pedregulho e descendentes de areia, com taxas de filtração de 255/340 m³/m².dia. (a) Ensaio 3

(E3); (b) Ensaio 4 (E4).

Legenda: FF: Fundo falso; C1: Camada 1 do FAP 3; C2: Camada 2 do FAP 3; C3: Camada 3 do FAP 3; C4:

Camada 4 do FAP 3; ↓: descarga de fundo intermediária.

Fonte: Autor.

Como constatado para taxas de filtração menores, a perda de carga no FAP 3 é

notoriamente inferior à proporcionada nos FDA. Em E3 e E4, respectivamente, este mesmo

filtro obteve taxas médias de 2,8 e 2,6 cm/h, com perdas de carga finais de 49,5 e 47,0 cm

(Figura 5a e 5b). Para os mesmos ensaios, mostram que o FF foi responsável por 65% e 66%

16

da perda de carga do FAP 3, a qual se caracteriza como localizada, tendo valores iniciais de

36,5 e 34,5 cm, respectivamente. Verifica-se ainda que a da perda de carga remanescente é

produzida, sobretudo, na última camada, onde há os grãos de menor granulometria devido a

estratificação do meio filtrante em virtude do fluxo ascendente, com valores máximos de 16,5

e 11,5 cm.

No E3, o FDA 1 apresentou perda de carga máxima de 233,5 cm, ocasionando o maior

incremento de perda de carga entre os FDA (19,7 cm/h). O FDA 2 teve aumento de perda de

carga de 16,7 cm/h, com perda de carga máxima de 209,0 cm no final da carreira de filtração.

Em contrapartida, o FDA 3 exibiu o menor incremento da perda de carga (9,6 cm/h), com perda

de carga máxima de 233,5 cm no final da carreira de filtração.

No E4, o incremento de perda de carga do FDA 1 foi de 18,3 cm/h, lhe conferindo maior

taxa entre os FDA, com perda de carga máxima de 234,0 cm. Já o FDA 2 teve a maior taxa de

aumento de perda de carga (21,3 cm/h), finalizando a carreira de filtração com perda máxima

de 232,5 cm. Por fim, o FDA 3 apresentou menor incremento de perda de carga (15,1 cm/h),

sendo sua perda de carga máxima de 217,0 cm.

As perdas de carga teóricas calculadas na Equação 1 (DI BERNARDO, 2005) para o

FDA 1, FDA 2 e FDA 3 são, respectivamente, 47, 39 e 17 cm, já as médias observadas para os

mesmos, parâmetro e filtros, em E1 e E2 são 79, 58 e 19 cm. Com isso, apura-se que a Equação

1 não prevê satisfatoriamente as perdas de carga nos FDA limpos, visto que as diferenças são

de 68%; 49% e 12%, respectivamente, diferentemente de Dantas (2004), pois as diferenças são

>10%.

4.3 Turbidez da água bruta e remanescentes

A Figura 6 (a e b) exibe as turbidezes da água bruta e remanescentes dos filtros

ascendente e descendentes durante a realização dos dois ensaios (E1 e E2) com taxas de

aplicação de 230 e 310 m³/m².dia, respectivamente.

Figura 6 – Turbidez da água bruta e remanescentes dos filtros de fluxos ascendente de

pedregulho e descendentes de areia, com taxas de filtração de 230/310 m³/m².dia. (a) Ensaio 1

(E1); (b) Ensaio 2 (E2).

Fonte: Autor.

A Figura 7 (a e b) exibe as turbidezes da água bruta e remanescentes dos filtros

ascendente e descendentes durante a realização dos dois ensaios (E3 e E4) com taxas de

aplicação de 255 e 340 m³/m².dia, respectivamente.

17

Figura 7 – Turbidezes da água bruta e remanescentes dos filtros de fluxos ascendente de

pedregulho e descendentes de areia, com taxas de filtração de 255/340 m³/m².dia. (a) Ensaio 3

(E3); (b) Ensaio 4 (E4).

Fonte: Autor.

No E2 (Figura 6b) percebe-se um aumento significativo na turbidez remanescente do

FDA 3 na sexta hora de ensaio. Tal resultado pode ser justificado pela sobrecarga hidráulica

momentaneamente antes da coleta do efluente. No E4 (Figura 7b), nas duas primeiras horas

iniciais do ensaio, a água bruta apresenta a maior turbidez registrada de todo o estudo, 89,90

uT. Esse valor deveu-se a formação de algas na câmara de sucção do conjunto motor-bomba

advindas do afluente e, consequentemente, a adução de partículas coloidais.

As Tabelas 4, 5 e 6 resumem os valores obtidos durante todos os ensaios.

Tabela 4 – Valores mínimos, médios e máximos remanescentes nos efluentes do FAP 3 e dos

FDA para as taxas de filtração de 230/310 m³/m².dia (E1 e E2) e 255/340 m³/m².dia (E3 e E4). Turbidez remanescente (uT)

Ensaio Filtro Mínimo Média Máximo Desvio

padrão

1

FAP 3 4,18 5,71 7,50 0,99

FDA 1 2,65 3,91 5,31 0,78

FDA 2 2,67 4,07 5,80 1,05

FDA 3 1,67 4,10 6,02 1,27

2

FAP 3 4,75 5,74 8,49 0,99

FDA 1 1,68 2,35 3,72 0,69

FDA 2 2,14 3,81 4,87 0,76

FDA 3 2,00 3,55 8,87 1,89

3

FAP 3 5,62 6,88 8,33 0,75

FDA 1 2,91 4,54 5,17 0,64

FDA 2 3,02 4,45 5,20 0,67

FDA 3 3,05 5,02 5,80 0,83

4

FAP 3 6,56 7,56 10,80 1,19

FDA 1 3,78 5,71 9,60 1,76

FDA 2 2,98 5,54 11,30 2,02

FDA 3 4,01 6,13 13,40 2,52

Fonte: Autor.

18

Tabela 5 – Turbidez da água bruta nos ensaio de 24 h. Turbidez da água bruta (uT)

Ensaio Mínimo Média Máximo Desvio

padrão

1 10,20 12,41 17,00 1,94

2 11,60 13,34 16,10 1,50

3 10,70 12,16 14,70 1,06

4 11,15 21,08 89,90 21,92 Fonte: Autor.

Tabela 6 – Desempenho do FAP 3 e dos FDA para as taxas de filtração de 230/310 m³/m².dia

(E1 e E2) e 255/340 m³/m².dia.

Remoção média (%)

Ensaio FAP 3 FDA 1 FDA 2 FDA 3

1 53 15 14 13

2 56 26 22 21

3 43 19 20 15

4 50 14 14 13 Fonte: Autor.

A Tabela 4 mostra que a turbidez remanescente nos filtros estiveram quase sempre

acima de 2,00 uT, sendo superiores aos estabelecidos para os padrões de potabilidade (BRASIL,

2017). O FAP 3 obteve o melhor desempenho de remoção, 53%, e o aumento da taxa de

filtração afeta seu desempenho, diminuindo-o. Na Tabela 6 verifica-se que o FDA 1 tem uma

melhor eficiência na remoção das impurezas, resultando, geralmente, nas menores turbidez

remanescentes. O FDA 2 (E3) e o FDA 1 (E4), têm as melhores eficiências na remoção das

impurezas, o que resulta nas menores turbidez remanescentes. Entretanto, tais eficiências são

relativamente equivalentes.

4.4 Relação da turbidez remanescente com a perda de carga e as taxas de filtração

A Tabela 4 traz as taxas de filtração médias reais obtidas através das leituras das vazões.

Este parâmetro tem fundamental importância no que diz respeito ao controle operacional dos

filtros. Vê-se que houveram variações nas taxas obtidas nos ensaios em relação às teóricas,

230/310 m³/m².dia (E1 e E2) e 255/340 m³/m².dia (E3 e E4), constatado no E2 para o FDA 1,

onde a taxa de filtração operada foi cerca de 7% menor que a teórica, já no E4 para o FDA 3 a

operação da taxa de filtração foi 14% maior que a esperada na teoria.

Tabela 4 – Taxas médias reais de filtração e variação em relação as taxas teóricas nos ensaios

de 24 h.

Taxas médias de filtração (m³/m².dia)

E1 E2 E3 E4

FAP 3 236 (2,5%) 233 (1,1%) 262 (2,7%) 271 (6,2%)

FDA 1 304 (-1,8%) 286 (-7,6%) 326 (-4,0%) 337 (-0,8%)

FDA 2 343 (10,4%) 341 (10,1%) 374 (9,9%) 360 (6,0%)

FDA 3 297 (-4,3%) 303 (-2,3%) 356 (4,6%) 386 (14%) Legenda: Valor entre parênteses: variação em relação as taxas teóricas (%).

Fonte: Autor.

19

A Figura 8 (a,b,c e d) mostra as perdas de carga, turbidez média da água bruta (linhas)

e turbidez remanescentes (barras) por filtro nos quatro ensaios de 24 h,.

Figura 8 – Perda de carga, turbidez média da água bruta e turbidez remanescente nos ensaios

de 24 h. (a) FAP 3; (b) FDA 1; (c) FDA 2; (d) FDA 3.

Legenda: TR: Turbidez remanescente (uT); ∆H: Perda de carga (m); Água bruta: Turbidez média da água bruta.

Fonte: Autor.

Na Figura 8a vê-se que as DFI no FAP 3 tem pouca relação com a turbidez

remanescente, pois, ao contrário do que é esperado, a perda de carga diminui e os valores de

turbidezes remanescentes logo após a sua execução, aumenta, sendo destaque os valores em 14

h no E2 e em 12 h no E4, ocorrendo o maior valor para este parâmetro e o menor para a perda

de carga, 10,80 uT e 10,0 cm, respectivamente. O aumento da taxa de filtração de 230 para 255

m³/m²dia afeta o desempenho de remoção das partículas, resultando na diminuição da eficiência

do FAP 3.

No FDA 1 para todos os ensaios (Figura 8b) é observada a diminuição da carreira de

filtração com o aumento da velocidade de aproximação e, também, o aumento da perda de

carga, resultando no acréscimo de turbidez remanescente. Vale salientar que mesmo com a

queda abrupta da perda de carga no E3 após a lavagem em 18 h a turbidez não sofre,

praticamente, interferência. Nota-se que no fim do ensaio, a partir das 20 h, a perda de carga se

torna paralela nos quatro ensaios. A mudança da taxa de filtração de 310 para 340 m³/m².dia

ocasiona a diminuição da remoção das partículas.

A redução da carreira de filtração, incremento da perda de carga e aumento da turbidez

remanescente no FDA 2 é ocasionada pela elevação da velocidade de aproximação, ou seja, sua

eficiência diminuiu. Para a amostra em 12 h do E4, observou-se que ocorre a menor eficiência

20

de remoção deste filtro. Outra notoriedade é o paralelismo da evolução das perdas de carga nos

ensaios (Figura 8c).

Para o FDA 3 constata-se que só houveram lavagens do meio filtrante nos ensaios com

taxa de filtração de 340 m³/m².dia, o que aponta aumentos da perda de carga e turbidez

remanescente e diminuição da carreira de filtração.

Os dados das amostras de 12 h (turbidez remanescentes) em todos os FDA sofreram

picos após o máximo observado no FAP 3, o que indica a interferência e sensibilidade nos

valores dos parâmetros analisados.

As carreiras de filtração média para o FDA1, FDA 2 e FDA 3 foram de 10 h, 10 h e 24

h, respectivamente, para a taxa de filtração de 310 m³/m².dia e houve redução para 8 h, 8 h e 22

h, respectivamente, para a taxa de filtração de 340 m³/m².dia.

5 CONCLUSÃO

A partir dos resultados expostos, foi possível observar que a variação da granulometria

do meio filtrante interferiu no acréscimo da perda de carga, isto é, quanto menor os grãos do

leito filtrante, o incremento da perda de carga foi maior e, consequentemente, houve a redução

da carreira de filtração, já o aumento da granulometria implicou em um menor crescimento da

perda de carga e, portanto, a carreira de filtração foi maior.

A mudança das taxas de filtração afetou diretamente a perda de carga, remoção de

impurezas e carreira de filtração. Foi constatado que o aumento das taxas de filtração no filtro

ascendente de pedregulho e nos filtros descendentes de areia de 230/310 m³/m².dia para 255/340

m³/m².dia, respectivamente, acresceu a perda de carga e diminuiu a eficiência da remoção de

partículas analisadas na turbidez e carreira de filtração.

O filtro ascendente de pedregulho teve fundamental importância na remoção de

partículas, pois o mesmo foi responsável pela maior eficiência da diminuição da turbidez, além

disso, foi o filtro com granulometria mais adequada levando-se em conta aspectos operacionais,

como a perda de carga e carreira de filtração.

A descarga de fundo intermediária foi pouco efetiva no que tange à diminuição da

turbidez remanescente, visto que foi constatado o aumento deste parâmetro logo após sua

execução, provavelmente pelo desprendimento de flocos devido à turbulência ocorridas durante

a operação.

A análise das turbidez remanescentes, tanto no filtro ascendente de pedregulho quanto

nos filtros descendentes de areia, revela que a técnica de dupla filtração empregada nos quatro

ensaios efetuados em novembro de 2017 para a água da lagoa de Extremoz não se mostrou

eficiente, pois nenhuma amostra obteve turbidez remanescente <0,5 uT, como preconiza a

Portaria de Consolidação nº 5 (BRASIL, 2017).

REFERÊNCIAS

ALCANTARA, F. J. V. Estudo comparativo de dois leitos filtrantes com porosidade

distintas em sistemas de dupla filtração para tratamento de água. Dissertação (Mestrado –

Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos e Saneamento) – Universidade Federal de

Alagoas, 2010.

BRAGA, F. M. G. Dupla filtração em filtros ascendentes de pedregulho e filtros

descendentes de areia aplicada à remoção de algas: Influência da taxa de filtração e

granulometria do filtro de areia. Dissertação (Mestrado – Programa de Pós-Graduação em

Engenharia Sanitária) – Universidade de Brasília, 2005.

21

BRASIL. Ministério da Saúde. Portaria de Consolidação nº 5/2017, de 28 de setembro de

2017. Dispõe sobre a consolidação das normas sobre as ações e os serviços de saúde do Sistema

Único de Saúde. Brasília, 2017.

CIRNE, J. R. R. Influência da granulometria e taxas de filtração no tratamento de água

utilizando dupla filtração. Dissertação (Mestrado – Programa de Pós-Graduação em

Engenharia Sanitária) – Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2014.

DANTAS, A. S. D. B. Desempenho de sistemas de dupla filtração no tratamento de água

com turbidez elevada. Tese (Doutorado – Programa de Pós-Graduação e Área de

Concentração em Engenharia Hidráulica e Saneamento) – Escola de Engenharia de São Carlos

da Universidade de São Paulo, 2004.

DI BERNARDO, L.; DANTAS, A. D. B. Métodos e técnicas de tratamento de água. 2 ed.

São Carlos: Rima, 2005.

DI BERNARDO, L. Tratamento de água para abastecimento por filtração direta. 1 ed. Rio

de Janeiro: ABES, Rima, 2003.

DUARTE, G. M. C. Simulação em instalação piloto da adequação de ETA convencional

para dupla filtração. Dissertação (Mestrado – Programa de Pós-Graduação em Engenharia

Sanitária). Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN), 2018.

DUARTE, M. A. C. Tratamento de água para consumo humano de reservatório

eutrofizado através de pré e interoxidação, adsorção em carvão ativado e dupla filtração. Tese (Doutorado – Programa de Pós-Graduação e Área de Concentração em Engenharia

Hidráulica e Saneamento) – Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo,

2011.

ESTADOS UNIDOS DA AMÉRICA. United States Environmental Protection Agency. The

public health and welfare. Dispõe sobre as ações de proteção da saúde pública. 1996.

Disponível em: <https://www.epa.gov/>. Acesso em: 24 de maio de 2018.

LIBÂNIO, M., Fundamentos de qualidade e tratamento de água. 3 ed. Campinas, SP:

Editora Átomo, 2010.

MESQUITA, M.; TESTEZLAF, R.; RAMIREZ, J.C.S.; DE DEUS, F.P.; BIZARI, D.R.

Simulação matemática da perda de carga em camadas porosas de filtros de areia. In:

Workshop Internacional de Inovações Tecnológicas na Irrigação, 4., 2012, Fortaleza. Anais...

Fortaleza: CENTEC, 2012, p. 2.

VIANNA, M. R. Hidráulica aplicada às estações de tratamento de água. Belo Horizonte:

Instituto de Engenharia Aplicada, 1992.

AGRADECIMENTOS

O autor expressa seu agradecimento à instituição de fomento a esta pesquisa (CNPq), à

Companhia de Águas e Esgotos do Rio Grande do Norte (CAERN), pelos usos dos espaços da

instalação piloto de dupla filtração e do laboratório para a análise das amostras e ao Instituto

Federal do Rio Grande do Norte (IFRN), pela utilização do espaço e laboratório para o

desenvolvimento do estudo.