AVALIAÇÃO DO TIPO DE MATERIAL FILTRANTE NO COMPORTAMENTO HIDRÁULICO DE FILTROS RÁPIDOS DE CAMADA PROFUNDA NO TRATAMENTO DE ÁGUAS DE ABASTECIMENTO

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1 1 NÁDIA CRISTINA PIRES BRINCK AVALIAÇÃO DO TIPO DE MATERIAL FILTRANTE NO COMPORTAMENTO HIDRÁULICO DE FILTROS RÁPIDOS DE CAMADA PROFUNDA NO TRATAMENTO DE ÁGUAS DE ABASTECIMENTO Tese apresentada à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para obtenção do título de Doutor em Engenharia São Paulo 29

2 2 NÁDIA CRISTINA PIRES BRINCK AVALIAÇÃO DO TIPO DE MATERIAL FILTRANTE NO COMPORTAMENTO HIDRÁULICO DE FILTROS RÁPIDOS DE CAMADA PROFUNDA NO TRATAMENTO DE ÁGUAS DE ABASTECIMENTO Tese apresentada à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para obtenção do título de Doutor em Engenharia Área de Concentração: Engenharia Hidráulica e Sanitária Orientador: Prof. Dr.Sidney Seckler Ferreira Filho São Paulo 29

3 3 AGRADECIMENTOS Ao professor Sidney Seckler Ferreira Filho pela orientação e pelo constante apoio transmitido durante todo o trabalho. À minha família e aos amigos pelo afeto e compreensão. À Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo (SABESP) pelo suporte técnico dado para a execução do estudo experimental e a todos que colaboraram, direta ou indiretamente, na execução deste trabalho.

4 4 RESUMO Neste projeto de pesquisa avaliou-se a etapa de filtração no processo de tratamento de água para abastecimento público. Para isto, foi utilizado um sistema de filtração piloto composto por quatro filtros rápidos por gravidade de camada profunda. Os filtros piloto foram alimentados com água decantada da Estação de Tratamento de Água Rio Grande, e operados com taxa de filtração de 5 m 3 /m 2 /dia. A concepção dos filtros variou em termos de material filtrante (areia e antracito), diâmetro dos grãos e altura do leito. Os filtros foram avaliados em termos de turbidez, contagem de partículas, evolução de perda de carga e velocidade ascensional de água de lavagem. Na Etapa 1, operando-se filtros de areia e antracito com diferentes diâmetros, o filtro de antracito com 1,3 mm de diâmetro e 12 cm de altura apresentou melhor comportamento no tocante aos parâmetros avaliados. Na etapa 2, comparando-se filtros de areia e de antracito com mesmo diâmetro (1,3 mm) e altura de leito (12 cm), mais uma vez o filtro de antracito foi superior. Acredita-se que os índices físicos justifiquem esse comportamento. Na Etapa 3, conclui-se que o aumento de altura de leito dos filtros de areia (1,3 mm) e antracito (1,3 mm) de 12 cm para 16 cm foi benéfico para ambos os materiais filtrantes em termos de qualidade do efluente, mas muito mais significativo para o antracito, e não se observou alteração de comportamento no tocante à evolução de perda de carga. Com o ensaio de fluidificação e expansão do leito filtrante, conclui-se que, considerando-se o mesmo tempo de duração da lavagem e a mesma expansão do leito, o filtro de antracito possibilitou a utilização de menor velocidade ascensional de água de lavagem, que representa grande economia com relação aos custos do sistema de lavagem. Assim, em todos os aspectos estudados, o uso de antracito (1,3 mm) como material filtrante para filtros rápidos por gravidade de camada profunda se mostrou mais vantajoso. Palavras-chave: Tratamento de águas de abastecimento. Filtração. Areia. Antracito. Turbidez. Perda de carga.

5 5 ABSTRACT This project researched the filtration stage in the water treatment process for public use. The research used a pilot filtration system based on four rapid gravity depth bed filters, with a filtration rate of 5m 3 /m 2 /dia. The water used in the experiment came from sedimentation tank of the Rio Grande water treatment facility. During the experimental phase the filters were loaded with different depth, used different filter media (sand and anthracite) and used grain with different effective size. The filters were evaluated in terms of turbidity, particle count, head loss and superficial velocity of backwashing water. In the first part of the study, when analyzing the results of filters loaded to a depth of 12 cm using both sand and anthracite with different size, the anthracite filter with effective size of 1.3 mm was the one with the best results. In the second part of the study, when comparing anthracite and sand with same the effective size, the anthracite also presented better results. Finally when increasing the depth of the filter, both sand and anthracite filters showed improved performance in terms of effluent quality, but anthracite filters kept outperforming sand filters. In both case, there were no evidences of changing in the head loss development. When performing fluidization and expansion experiments, considering the same backwashing cycle time and expansion of filter media, the anthracite filter allowed lower superficial velocity which represents relevant economies in the washing system costs. Therefore the use of anthracite (1.3mm) as a filter medium for rapid gravity depth bed filters is recommended. Key-words: Drinking water treatment. Filtration. Sand. Anthracite. Turbidity. Head loss.

6 6 LISTA DE FIGURAS Figura 3.1 Etapas do processo de filtração com taxa constante Figura 3.2 Representação esquemática do funcionamento de filtros Figura 3.3 Mecanismos de transporte, aderência e desprendimento durante a filtração... 3 Figura 3.4 Mecanismos de transporte de partículas para a superfície de um coletor Figura Relação de diâmetro entre uma partícula de diâmetro conhecido e o diâmetro de seus interstícios Figura 3.6 Interação entre partícula-polímero-coletor Figura 3.7 Curva granulométrica típica de um material filtrante Figura 3.8 Evolução de perda de carga em um meio filtrante com o tempo Figura 3.9 Evolução da perda de carga em função da velocidade de água de lavagem Figura 4.1 Vista aérea da ETA Rio Grande Figura 4.2 Vista geral da Estação Elevatória da ETA Rio Grande Figura 4.3 Estrutura de chegada da água bruta à ETA Rio Grande Figura 4.4 Vista geral da ETA e seu sistema de filtração a jusante dos decantadores Figura 4.5 Vista geral da instalação piloto Figura 4.6 Vista geral das bombas centrífugas empregadas no bombeamento da água decantada até a caixa de nível constante Figura 4.7 Vista geral da caixa de nível constante Figura 4.8 Vista geral da tubulação de alimentação de água decantada a cada um dos filtros piloto Figura 4.9 Vista geral de um dos rotâmetros empregados no controle da vazão afluente a cada um dos filtros piloto instalado na linha de água decantada Figura 4.1 Vista geral de um dos quadros de piezômetros instalados em um dos filtros piloto Figura 4.11 Vista geral do posicionamento dos piezômetros ao longo da altura do material filtrante... 79

7 7 Figura 4.12 Vista geral do fundo falso dos filtros piloto e respectivas tubulações de introdução de água de lavagem e ar e coleta de água filtrada... 8 Figura 4.13 Vista geral do rotâmetro de controle de vazão de ar empregado quando da lavagem dos materiais filtrantes com ar e água... 8 Figura 4.14 Vista geral de uma camada suporte montada para um dos filtros piloto Figura 4.15 Curva granulométrica da areia empregada na montagem do filtro piloto F Figura 4.16 Curva granulométrica da areia empregada na montagem do filtro piloto F Figura 4.17 Curva granulométrica do antracito empregado na montagem do filtro piloto F Figura 4.18 Curva granulométrica do antracito empregado na montagem do filtro piloto F3 e F Figura 4.19 Curva granulométrica do antracito empregado na montagem dos filtros piloto F1 e F Figura 4.2 Curva granulométrica da areia empregada na montagem do filtro piloto F2 e F Figura 5.1 Qualidade da água bruta, decantada e filtrada dos filtros piloto F2 e F3. Carreira de Filtração Figura 5.2 Qualidade da água filtrada dos filtros piloto F2 e F3. Carreira de Filtração Figura 5.3 Evolução de perda de carga dos filtros piloto F2 e F3. Carreira de Filtração Figura 5.4 Evolução temporal da perda de carga e penetração de impurezas para o filtro piloto F2. Carreira de Filtração Figura 5.5 Evolução temporal da perda de carga e penetração de impurezas para o filtro piloto F3. Carreira de Filtração Figura 5.6 Evolução temporal do parâmetro β para o filtro piloto F2. Carreira de Filtração Figura 5.7 Evolução temporal do parâmetro β para o filtro piloto F3. Carreira de Filtração Figura 5.8 Evolução temporal do parâmetro ψ para o filtro piloto F2. Carreira de Filtração

8 8 Figura 5.9 Evolução temporal do parâmetro ψ para o filtro piloto F3. Carreira de Filtração Figura 5.1 Qualidade da água bruta, decantada e filtrada dos filtros piloto F2 a F4. Carreira de Filtração Figura 5.11 Qualidade da água filtrada dos filtros piloto F2 a F4. Carreira de Filtração Evolução de perda de carga dos filtros piloto F2 a F4. Carreira de Filtração Figura 5.13 Evolução temporal do parâmetro β para o filtro piloto F2. Carreira de Filtração Figura 5.14 Evolução temporal do parâmetro β para o filtro piloto F3. Carreira de Filtração Figura 5.15 Evolução temporal do parâmetro β para o filtro piloto F4. Carreira de Filtração Figura 5.16 Evolução temporal do parâmetro ψ para o filtro piloto F2. Carreira de Filtração Figura 5.17 Evolução temporal do parâmetro ψ para o filtro piloto F3. Carreira de Filtração Figura 5.18 Evolução temporal do parâmetro ψ para o filtro piloto F4. Carreira de Filtração Figura 5.19 Qualidade da água bruta, decantada e filtrada dos filtros piloto F2 a F4. Carreira de Filtração Figura 5.2 Qualidade da água filtrada dos filtros piloto F2 a F4. Carreira de Filtração Figura 5.21 Evolução de perda de carga dos filtros piloto F2 a F4. Carreira de Filtração Figura 5.22 Evolução temporal do parâmetro β para o filtro piloto F2. Carreira de Filtração Figura 5.23 Evolução temporal do parâmetro β para o filtro piloto F3. Carreira de Filtração Figura 5.24 Evolução temporal do parâmetro β para o filtro piloto F4. Carreira de Filtração Figura 5.25 Evolução temporal do parâmetro ψ para o filtro piloto F2. Carreira de Filtração

9 9 Figura 5.26 Evolução temporal do parâmetro ψ para o filtro piloto F3. Carreira de Filtração Figura 5.27 Evolução temporal do parâmetro ψ para o filtro piloto F4. Carreira de Filtração Figura 5.28 Qualidade da água bruta, decantada e filtrada dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração Figura 5.29 Qualidade da água filtrada dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração Figura 5.3 Evolução de perda de carga dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração Figura 5.31 Evolução temporal do parâmetro β para o filtro piloto F1. Carreira de Filtração Figura 5.32 Evolução temporal do parâmetro β para o filtro piloto F2. Carreira de Filtração Figura 5.33 Evolução temporal do parâmetro β para o filtro piloto F3. Carreira de Filtração Figura 5.34 Evolução temporal do parâmetro β para o filtro piloto F4. Carreira de Filtração Figura 5.35 Evolução temporal do parâmetro ψ para o filtro piloto F1. Carreira de Filtração Figura 5.36 Evolução temporal do parâmetro ψ para o filtro piloto F2. Carreira de Filtração Figura 5.37 Evolução temporal do parâmetro ψ para o filtro piloto F3. Carreira de Filtração Figura 5.38 Evolução temporal do parâmetro ψ para o filtro piloto F4. Carreira de Filtração Figura 5.39 Qualidade da água bruta, decantada e filtrada dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração Figura 5.4 Qualidade da água filtrada dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração Figura 5.41 Evolução de perda de carga dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração Figura 5.42 Evolução temporal do parâmetro β para o filtro piloto F1. Carreira de Filtração

10 1 Figura 5.43 Evolução temporal do parâmetro β para o filtro piloto F2. Carreira de Filtração Figura 5.44 Evolução temporal do parâmetro β para o filtro piloto F3. Carreira de Filtração Figura 5.45 Evolução temporal do parâmetro β para o filtro piloto F4. Carreira de Filtração Figura 5.46 Evolução temporal do parâmetro ψ para o filtro piloto F1. Carreira de Filtração Figura 5.47 Evolução temporal do parâmetro ψ para o filtro piloto F2. Carreira de Filtração Figura 5.48 Evolução temporal do parâmetro ψ para o filtro piloto F3. Carreira de Filtração Figura 5.49 Evolução temporal do parâmetro ψ para o filtro piloto F4. Carreira de Filtração Figura 5.5 Qualidade da água bruta, decantada e filtrada dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração Figura 5.51 Qualidade da água bruta, decantada e filtrada dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração Figura 5.52 Evolução de perda de carga dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração Figura 5.53 Evolução temporal do parâmetro β para o filtro piloto F1. Carreira de Filtração Figura 5.54 Evolução temporal do parâmetro β para o filtro piloto F2. Carreira de Filtração Figura 5.55 Evolução temporal do parâmetro β para o filtro piloto F3. Carreira de Filtração Figura 5.56 Evolução temporal do parâmetro β para o filtro piloto F4. Carreira de Filtração Figura 5.57 Evolução temporal do parâmetro ψ para o filtro piloto F1. Carreira de Filtração Figura 5.58 Evolução temporal do parâmetro ψ para o filtro piloto F2. Carreira de Filtração Figura 5.59 Evolução temporal do parâmetro ψ para o filtro piloto F3. Carreira de Filtração

11 11 Figura 5.6 Evolução temporal do parâmetro ψ para o filtro piloto F4. Carreira de Filtração Figura 5.61 Qualidade da água bruta, decantada e filtrada dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração Figura 5.62 Qualidade da água filtrada dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração Figura 5.63 Evolução de perda de carga dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração Figura 5.64 Evolução temporal da perda de carga e penetração de impurezas para o filtro piloto F1. Carreira de Filtração Figura 5.65 Evolução temporal da perda de carga e penetração de impurezas para o filtro piloto F2. Carreira de Filtração Figura 5.66 Evolução temporal da perda de carga e penetração de impurezas para o filtro piloto F3. Carreira de Filtração Figura 5.67 Evolução temporal da perda de carga e penetração de impurezas para o filtro piloto F4. Carreira de Filtração Figura 5.68 Evolução temporal do parâmetro β para o filtro piloto F1. Carreira de Filtração Figura 5.69 Evolução temporal do parâmetro β para o filtro piloto F2. Carreira de Filtração Figura 5.7 Evolução temporal do parâmetro β para o filtro piloto F3. Carreira de Filtração Figura 5.71 Evolução temporal do parâmetro β para o filtro piloto F4. Carreira de Filtração Figura 5.72 Evolução temporal do parâmetro ψ para o filtro piloto F1. Carreira de Filtração Figura 5.73 Evolução temporal do parâmetro ψ para o filtro piloto F2. Carreira de Filtração Figura 5.74 Evolução temporal do parâmetro ψ para o filtro piloto F3. Carreira de Filtração Figura 5.75 Evolução temporal do parâmetro ψ para o filtro piloto F4. Carreira de Filtração Figura 5.76 Qualidade da água bruta, decantada e filtrada dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração

12 12 Figura 5.77 Qualidade da água filtrada dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração Figura 5.78 Evolução de perda de carga dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração Figura 5.79 Evolução temporal do parâmetro β para o filtro piloto F1. Carreira de Filtração Figura 5.8 Evolução temporal do parâmetro β para o filtro piloto F2. Carreira de Filtração Figura 5.81 Evolução temporal do parâmetro β para o filtro piloto F3. Carreira de Filtração Figura 5.82 Evolução temporal do parâmetro β para o filtro piloto F4. Carreira de Filtração Figura 5.83 Evolução temporal do parâmetro ψ para o filtro piloto F1. Carreira de Filtração Figura 5.84 Evolução temporal do parâmetro ψ para o filtro piloto F2. Carreira de Filtração Figura 5.85 Evolução temporal do parâmetro ψ para o filtro piloto F3. Carreira de Filtração Figura 5.86 Evolução temporal do parâmetro ψ para o filtro piloto F4. Carreira de Filtração Figura 5.87 Qualidade da água bruta, decantada e filtrada dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração Figura 5.88 Qualidade da água filtrada dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração Figura 5.89 Evolução de perda de carga dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração Figura 5.9 Evolução temporal do parâmetro β para o filtro piloto F1. Carreira de Filtração Figura 5.91 Evolução temporal do parâmetro β para o filtro piloto F2. Carreira de Filtração Figura 5.92 Evolução temporal do parâmetro β para o filtro piloto F3. Carreira de Filtração Figura 5.93 Evolução temporal do parâmetro β para o filtro piloto F4. Carreira de Filtração

13 13 Figura 5.94 Evolução temporal do parâmetro ψ para o filtro piloto F1. Carreira de Filtração Figura 5.95 Evolução temporal do parâmetro ψ para o filtro piloto F2. Carreira de Filtração Figura 5.96 Evolução temporal do parâmetro ψ para o filtro piloto F3. Carreira de Filtração Figura 5.97 Evolução temporal do parâmetro ψ para o filtro piloto F4. Carreira de Filtração Figura 5.98 Qualidade da água bruta, decantada e filtrada dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração Figura 5.99 Qualidade da água filtrada dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração Figura 5.1 Evolução de perda de carga dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração Figura 5.11 Evolução temporal do parâmetro β para o filtro piloto F1. Carreira de Filtração Figura 5.12 Evolução temporal do parâmetro β para o filtro piloto F2. Carreira de Filtração Figura 5.13 Evolução temporal do parâmetro β para o filtro piloto F3. Carreira de Filtração Figura 5.14 Evolução temporal do parâmetro β para o filtro piloto F4. Carreira de Filtração Figura 5.15 Evolução temporal do parâmetro ψ para o filtro piloto F1. Carreira de Filtração Figura 5.16 Evolução temporal do parâmetro ψ para o filtro piloto F2. Carreira de Filtração Figura 5.17 Evolução temporal do parâmetro ψ para o filtro piloto F3. Carreira de Filtração Figura 5.18 Evolução temporal do parâmetro ψ para o filtro piloto F4. Carreira de Filtração Figura 5.19 Qualidade da água bruta, decantada e filtrada dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração Figura 5.11 Qualidade da água filtrada dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração

14 14 Figura Evolução de perda de carga dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração Figura Evolução temporal do parâmetro β para o filtro piloto F1. Carreira de Filtração Figura Evolução temporal do parâmetro β para o filtro piloto F2. Carreira de Filtração Figura Evolução temporal do parâmetro β para o filtro piloto F3. Carreira de Filtração Figura Evolução temporal do parâmetro β para o filtro piloto F4. Carreira de Filtração Figura Evolução temporal do parâmetro ψ para o filtro piloto F1. Carreira de Filtração Figura Evolução temporal do parâmetro ψ para o filtro piloto F2. Carreira de Filtração Figura Evolução temporal do parâmetro ψ para o filtro piloto F3. Carreira de Filtração Figura Evolução temporal do parâmetro ψ para o filtro piloto F4. Carreira de Filtração Figura 5.12 Qualidade da água bruta, decantada e filtrada dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração Figura Qualidade da água filtrada dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração Figura Evolução de perda de carga dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração Figura Evolução temporal do parâmetro β para o filtro piloto F1. Carreira de Filtração Figura Evolução temporal do parâmetro β para o filtro piloto F2. Carreira de Filtração Figura Evolução temporal do parâmetro β para o filtro piloto F3. Carreira de Filtração Figura Evolução temporal do parâmetro β para o filtro piloto F4. Carreira de Filtração Figura Evolução temporal do parâmetro ψ para o filtro piloto F1. Carreira de Filtração

15 15 Figura Evolução temporal do parâmetro ψ para o filtro piloto F2. Carreira de Filtração Figura Evolução temporal do parâmetro ψ para o filtro piloto F3. Carreira de Filtração Figura 5.13 Evolução temporal do parâmetro ψ para o filtro piloto F4. Carreira de Filtração Figura Vista dos grãos de antracito empregados na montagem dos filtros F1 e F3 (aumento de 1 vezes) Figura Vista dos grãos de areia empregados na montagem dos filtros F2 e F4 (aumento de 1 vezes) Figura Qualidade da água bruta, decantada e filtrada dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração Figura Qualidade da água filtrada dos filtros piloto F1 e F3. Carreira de Filtração Figura Qualidade da água filtrada dos filtros piloto F2 e F4. Carreira de Filtração Figura Evolução de perda de carga dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração Figura Qualidade da água bruta, decantada e filtrada dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração Figura Qualidade da água filtrada dos filtros piloto F1 e F3. Carreira de Filtração Figura Qualidade da água filtrada dos filtros piloto F2 e F4. Carreira de Filtração Figura 5.14 Evolução de perda de carga dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração Figura Qualidade da água bruta, decantada e filtrada dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração Figura Qualidade da água filtrada dos filtros piloto F1 e F3. Carreira de Filtração Figura Qualidade da água filtrada dos filtros piloto F2 e F4. Carreira de Filtração Figura Evolução de perda de carga dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração

16 16 Figura Qualidade da água bruta, decantada e filtrada dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração Figura Qualidade da água filtrada dos filtros piloto F1 e F3. Carreira de Filtração Figura Qualidade da água filtrada dos filtros piloto F2 e F4. Carreira de Filtração Figura Evolução de perda de carga dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração Figura Contagem de partículas para a água decantada e filtrada dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração Figura 5.15 Contagem de partículas para a água decantada e filtrada dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração Figura Contagem de partículas para a água decantada e filtrada dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração Figura Contagem de partículas para a água decantada e filtrada dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração Figura Contagem de partículas para a água decantada e filtrada dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração Figura Contagem de partículas para a água decantada e filtrada dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração Figura Contagem de partículas para a água decantada e filtrada dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração Figura Contagem de partículas para a água decantada e filtrada dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração Figura Contagem de partículas para a água decantada e filtrada dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração Figura Contagem de partículas para a água decantada e filtrada dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração Figura Contagem de partículas para a água decantada e filtrada dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração Figura 5.16 Contagem de partículas para a água decantada e filtrada dos filtros piloto F1 a F4. Carreira de Filtração Figura Turbidez da água decantada em função dos seus valores de contagem de partículas para a faixa de 2 μm a 2 μm

17 17 Figura Contagem de partículas da água decantada em função da contagem de partículas para a água filtrada (Filtro F1) para a faixa de 2 μm a 2 μm Figura Contagem de partículas da água decantada em função da contagem de partículas para a água filtrada (Filtro F2) para a faixa de 2 μm a 2 μm Figura Contagem de partículas da água decantada em função da contagem de partículas para a água filtrada (Filtro F3) para a faixa de 2 μm a 2 μm Figura Contagem de partículas da água decantada em função da contagem de partículas para a água filtrada (Filtro F4) para a faixa de 2 μm a 2 μm Figura Qualidade da água decantada em função da contagem de partículas para a água filtrada (Filtro F1) para a faixa de 2 μm a 2 μm Figura Qualidade da água decantada em função da contagem de partículas para a água filtrada (Filtro F2) para a faixa de 2 μm a 2 μm Figura Qualidade da água decantada em função da contagem de partículas para a água filtrada (Filtro F3) para a faixa de 2 μm a 2 μm Figura Qualidade da água decantada em função da contagem de partículas para a água filtrada (Filtro F4) para a faixa de 2 μm a 2 μm Figura 5.17 Qualidade da água filtrada (Filtro F1) em função da contagem de partículas para a água filtrada (Filtro F1) para a faixa de 2 μm a 2 μm Figura Qualidade da água filtrada (Filtro F2) em função da contagem de partículas para a água filtrada (Filtro F2) para a faixa de 2 μm a 2 μm Figura Qualidade da água filtrada (Filtro F3) em função da contagem de partículas para a água filtrada (Filtro F3) para a faixa de 2 μm a 2 μm Figura Qualidade da água filtrada (Filtro F4) em função da contagem de partículas para a água filtrada (Filtro F4) para a faixa de 2 μm a 2 μm Figura Perda de carga em função da velocidade ascensional de água de lavagem para os filtros piloto F1, F2, F3 e F Figura Expansão dos materiais filtrantes dos filtros piloto em função da velocidade ascensional de água de lavagem Figura Perda de carga em função da velocidade ascensional de água de lavagem para os filtros piloto F1 e F Figura Expansão dos materiais filtrantes dos filtros piloto em função da velocidade ascensional de água de lavagem

18 18 LISTA DE TABELAS Tabela 3.1 Propriedades típicas de materiais filtrantes utilizados na filtração de águas de abastecimento Tabela 3.2 Definições de diâmetro virtuais de partícula Tabela 3.3 Características do antracito brasileiro Tabela Granulometria típica de filtros para diferentes aplicações Tabela 4.1 Filtro Piloto F1. Características granulométricas dos materiais filtrantes empregados na operação do sistema de filtração em escala piloto Tabela 4.2 Filtro Piloto F2. Características granulométricas dos materiais filtrantes empregados na operação do sistema de filtração em escala piloto Tabela 4.3 Filtro Piloto F3. Características granulométricas dos materiais filtrantes empregados na operação do sistema de filtração em escala piloto Tabela 4.4 Filtro Piloto F4. Características granulométricas dos materiais filtrantes empregados na operação do sistema de filtração em escala piloto Tabela 4.5 Características granulométricas dos materiais filtrantes empregados na montagem dos filtros piloto F1, F2, F3 e F Tabela 4.6 Filtro Piloto F1/F3. Características granulométricas dos materiais filtrantes empregados na operação do sistema de filtração em escala piloto Tabela 4.7 Filtro Piloto F2/F4. Características granulométricas dos materiais filtrantes empregados na operação do sistema de filtração em escala piloto Tabela 4.8 Filtro Piloto F3. Características granulométricas dos materiais filtrantes empregados na operação do sistema de filtração em escala piloto... 9 Tabela 4.9 Filtro Piloto F4. Características granulométricas dos materiais filtrantes empregados na operação do sistema de filtração em escala piloto... 9 Tabela 4.1 Quadro resumo dos ensaios de filtração realizados na condução dos ensaios de tratabilidade. Etapa Tabela 4.11 Quadro resumo dos ensaios de filtração realizados na condução dos ensaios de tratabilidade. Etapa Tabela 4.12 Quadro resumo dos ensaios de filtração realizados na condução dos ensaios de tratabilidade. Etapa Tabela 5.1 Características granulométricas dos materiais filtrantes utilizados na Etapa

19 19 Tabela 5.2 Quadro resumo de valores de turbidez média e desvio padrão para ensaios de filtração da Etapa Tabela 5.3 Características granulométricas dos materiais filtrantes utilizados na Etapa Tabela 5.4 Quadro resumo de valores de turbidez média e desvio padrão para ensaios de filtração da Etapa Tabela 5.5 Características granulométricas dos materiais filtrantes utilizados na Etapa Tabela 5.6 Quadro resumo de valores de turbidez média e desvio padrão para ensaios de filtração da Etapa Tabela 5.7 Velocidades mínimas de fluidificação observadas e calculadas para os filtros piloto F1, F2, F3 e F4. Etapa Tabela 5.8 Velocidades mínimas de fluidificação observadas e calculadas para os filtros piloto F1 e F2. Etapa 2 e

20 2 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO OBJETIVOS REVISÃO BIBLIOGRÁFICA HISTÓRIA DA FILTRAÇÃO TEORIA DA FILTRAÇÃO Mecanismos de transporte Efeito de coar Difusão Sedimentação Interceptação Ação hidrodinâmica Inércia Mecanismos de aderência Atração eletrostática Forças de van der Waals Hidratação Adsorção mútua Mecanismos de soltura MATERIAIS FILTRANTES Tamanho e distribuição do tamanho dos grãos Forma e geometria dos grãos Massa específica do grão Dureza do grão Porosidade do leito fixo PERDA DE CARGA EM MEIOS FILTRANTES LAVAGEM DE MEIOS FILTRANTES Velocidade Mínima de Fluidificação (VMF) Expansão do leito filtrante Métodos de lavagem Lavagem exclusivamente com água... 59

21 Lavagem com água e sistema de lavagem superficial como auxiliar Lavagem com ar unicamente seguido de água Lavagem com ar e água simultaneamente TIPOS DE FILTROS Classificação de acordo com tratamento Classificação de acordo com o material filtrante Classificação com relação à taxa de filtração Filtros lentos Filtros rápidos Classificação de acordo com o sentido do escoamento Classificação de acordo com o arranjo hidráulico Classificação de acordo com o mecanismo de ação MATERIAIS E MÉTODOS APRESENTAÇÃO DA ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ÁGUA RIO GRANDE DESCRIÇÃO DA INSTALAÇÃO PILOTO DESCRIÇÃO DOS ENSAIOS EXPERIMENTAIS E MATERIAIS FILTRANTES EMPREGADOS Etapa Etapa Etapa Roteiro de operação dos filtros piloto Roteiro de lavagem dos filtros piloto APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS RELATIVOS AOS ENSAIOS DE FILTRAÇÃO ETAPA APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS RELATIVOS AOS ENSAIOS DE FILTRAÇÃO ETAPA APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS RELATIVOS AOS ENSAIOS DE FILTRAÇÃO ETAPA APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS RELATIVOS À CONTAGEM DE PARTÍCULAS... 25

22 APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS RELATIVOS AOS ENSAIOS DE FLUIDIFICAÇÃO E EXPANSÃO Apresentação e análise dos resultados experimentais relativos aos ensaios de fluidificação e expansão Etapa Apresentação e análise dos resultados experimentais relativos aos ensaios de fluidificação e expansão Etapa 2 e CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES REFERÊNCIAS ANEXO A Resultados referentes aos ensaios de filtração e contagem de partículas da etapa ANEXO B Resultados referentes aos ensaios de filtração e contagem de partículas da etapa ANEXO C Resultados referentes aos ensaios de filtração e contagem de partículas da etapa

23 23 1 INTRODUÇÃO Atualmente, mananciais para abastecimento público de grandes centros urbanos vêm recebendo esgotos domésticos e efluentes industriais sem tratamento, decorrente do crescimento populacional desordenado. Os nutrientes (nitrogênio e fósforo) presentes em abundância nestes despejos tendem a causar desenvolvimento excessivo de algas. Alguns gêneros de algas liberam toxinas altamente solúveis que podem não ser retidas no tratamento convencional levando um risco potencial ao consumidor. O aumento na concentração de algas gera problemas no manancial e na estação de tratamento. Segundo Di Bernardo (1995), podem ocorrer alterações diretas na qualidade da água como o aumento de matéria orgânica e matéria dissolvida, o aumento de ph e a diminuição do teor de oxigênio próximo ao sedimento. Isto leva a efeitos no tratamento como o aumento de coagulante e alcalinizante para ajuste do ph de coagulação, a formação de flocos leves necessitando do uso de polímeros como auxiliar de coagulação para evitar a flotação dos mesmos, a diminuição da eficiência de remoção de flocos por sedimentação gravitacional levando ao aumento da turbidez e do número de partículas na água decantada, a obstrução do meio filtrante, a redução da carreira de filtração e aumento do consumo de água para lavagem, dentre outros. O Reservatório do Rio Grande, utilizado para abastecimento público na Região Metropolitana de São Paulo (RMSP), vem apresentando um aumento no grau de eutrofização de seu corpo d água e elevada concentração de algas, pelo fato de receber uma grande carga de esgotos sanitários sem tratamento. Isto vem causando dificuldades na operação da Estação de Tratamento de Água Rio Grande (ETA Rio Grande) que é alimentada por este reservatório. Atualmente, a ETA Rio Grande opera o seu sistema de filtração com duas diferentes concepções: a ala velha que possui quatorze filtros de dupla camada areiaantracito e a ala nova que apresenta quatro filtros de camada profunda de areia. Com o aumento na concentração de algas na água bruta durante determinados períodos do ano, exige-se uma maior aplicação de coagulante, aumento das dosagens de agente oxidante, diminuição das carreiras de filtração e dificuldade

24 24 durante as suas operações de lavagem. E devido ao grande aumento na concentração de algas na água bruta ao longo do tempo, o sistema de filtração atualmente em operação na ala nova vem apresentando problemas de transpasse de microrganismos, o que tem causado uma série de transtornos operacionais durante a operação das suas carreiras de filtração. Uma vez que está previsto a transformação dos filtros da ala velha, dupla camada areia-antracito, para camada profunda de areia, fez-se necessário um estudo mais pormenorizado do comportamento da concepção do sistema de filtração com respeito à sua granulometria e taxas de filtração operacionais. Para tanto, foi operado um conjunto de filtros piloto com diferentes concepções de filtros rápidos por gravidade de camada profunda (granulometria, espessura e tipos de materiais filtrantes) de modo que pudessem ser obtidos parâmetros de projeto a fim de oferecer subsídios à reforma dos filtros atualmente existentes no Sistema Produtor do Rio Grande. É importante ressaltar que as propriedades de cada material filtrante podem afetar a eficiência da filtração, a evolução da perda de carga através do meio, as taxas de lavagem para o leito filtrante, e a durabilidade do material, em longo prazo, como leito filtrante. Assim, os estudos de filtração em escala piloto foram executados tendo por objetivo avaliar o comportamento do sistema de filtração atualmente existente na ETA Rio Grande com respeito à remoção de turbidez e partículas, evolução de perda de carga, sistema de lavagem e demais parâmetros de controle, bem como estudar diferentes concepções de filtros passíveis de serem implementados no Sistema Produtor.

25 25 2 OBJETIVOS. Este projeto de pesquisa teve por objetivo estudar e avaliar a etapa de filtração no processo de tratamento de água para abastecimento público através de um sistema de filtração piloto composto por quatro filtros rápidos por gravidade de camada profunda, com diferentes concepções (granulometria, espessura e tipos de materiais filtrantes), instalados nas dependências da Estação de Tratamento de Água Rio Grande, localizada no município de São Bernardo do Campo e operada pela Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo (SABESP), a fim de se otimizar a eficiência do sistema de filtração com respeito à remoção de material particulado e evolução da perda de carga, comparando-se os resultados entre as concepções de filtros estudadas. Mais especificamente, o propósito deste estudo experimental foi: Estudar e avaliar quatro diferentes concepções de filtros piloto, usando como material filtrante areia e antracito, separadamente e em conjunto, com diferentes granulometrias. Sendo que uma das concepções foi semelhante à utilizada nos filtros da ETA Rio Grande; Estudar e avaliar a operação de dois filtros, um de areia e o outro de antracito, em condições idênticas, ambos com a mesma granulometria, que foi definida através dos resultados da 1ª etapa; Estudar a operação de quatro filtros de diferentes profundidades, dois de areia e dois de antracito, a fim de avaliar a influência do aumento de leito filtrante; Estudar e avaliar a fluidificação e expansão do leito dos filtros piloto a fim de definir parâmetros de dimensionamento do sistema de lavagem em contracorrente com ar e água, sendo avaliadas as vazões de água de lavagem necessárias para atingir determinados valores de expansão nos meios filtrantes, determinar a velocidade mínima de fluidificação para simultânea lavagem com ar e água e obtenção das curvas de evolução da perda de carga com diferentes velocidades ascensionais de água de lavagem.

26 26 3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 3.1 HISTÓRIA DA FILTRAÇÃO A filtração é conhecida pelo Homem desde os primórdios da humanidade. Acreditase que os homens das cavernas coletavam a água que pingava ou escorria de rochas porosas ou dos interstícios entre rochas, por ser a mesma mais limpa. No princípio, a filtração era utilizada com fins domésticos, onde se utilizavam pedras porosas, esponjas marinhas, panos, lãs, etc. Segundo Baker (1949 apud Montgomery 1985, p.153) o primeiro registro que se tem do uso de filtros para tratamento de água ocorreu cerca de 3 anos atrás, na Índia. Aplicações modernas de filtros para purificação de águas de abastecimento datam do século XVIII. A comercialização de água começou na França, por volta de Também nesta época, surgiu uma polêmica a respeito da filtração. Alguns acreditavam que, na filtração, as partículas maiores ficariam retidas nas camadas compostas por grãos de areia de maior diâmetro, ou até mesmo nos cascalhos da camada suporte, enquanto que as partículas menores seriam retidas na camada de areia de grãos menores que estariam no topo do filtro. Portanto, o fluxo ascendente no processo de filtração apresentaria melhores resultados. Mas, a experiência e a prática mostraram que a filtração com fluxo descendente foi mais aceita. Com o surgimento da bacteriologia, a filtração passou a ser mais valorizada e se desenvolveu ao longo dos anos, através de unidades de filtração piloto instaladas junto às estações de tratamento de água, ganhando mais atenção dos pesquisadores.

27 TEORIA DA FILTRAÇÃO A filtração de água para fins de abastecimento público é um processo de remoção de material particulado já presente na água bruta ou gerado durante os processos de tratamento. Neste processo a água passa através do leito filtrante, e os materiais particulados são retidos na superfície do leito ou são coletados dentro de sua profundidade. Os filtros têm sido efetivos na remoção de material particulado de todos os tamanhos incluindo algas, compostos húmicos coloidais, vírus, fibras de asbestos e particulados coloidais de argilas. O material particulado na água causa aumento de turbidez. O nível de turbidez selecionado para assegurar uma desinfecção adequada, raramente pode ser obtido apenas pela etapa de coagulação e sedimentação. Assim, a filtração assume o papel da barreira final do tratamento para remoção de partículas indesejáveis em tratamento de água. Até a década de 5, acreditava-se que os principais mecanismos de filtração eram puramente físicos. Além das partículas do leito granular, as partículas que aderem ao meio granular são também responsáveis pela filtração. Em 1964, O Melia passou a caracterizar o processo de filtração como uma combinação entre processos físicos e químicos, onde a eficiência de remoção da partícula é determinada por várias variáveis como o tipo de meio filtrante (tamanho, profundidade e material), a composição química da água, a composição química da superfície das partículas e a composição química da superfície do leito filtrante. Segundo O Melia et al. (1967), a filtração é composta por dois diferentes mecanismos: um mecanismo de transporte, que envolve a passagem da partícula da fase líquida até a superfície do meio filtrante, e um mecanismo de aderência, que caracteriza as forças superficiais envolvidas entre as partículas e os grãos que compõem o meio filtrante. Além destes mecanismos, Di Bernardo (25) considera também o desprendimento, que ocorre quando as forças de cisalhamento resultante das características do escoamento ao longo do meio filtrante superam as forças de aderência. Segundo DI BERNARDO (25), a carreira de filtração pode ser dividida em três etapas (Figura 3.1): 1. etapa inicial, quando a água filtrada pode apresentar qualidade insatisfatória;

28 28 2. etapa intermediária, durante a qual há produção de água com qualidade desejável; 3. etapa do traspasse, caracterizada pelo aumento contínuo da turbidez da água filtrada. Figura 3.1 Etapas do processo de filtração com taxa constante Fonte: DI BERNARDO, 25 Na etapa inicial da carreira de filtração, também chamada maturação, a produção de água com qualidade insatisfatória tem sido creditada principalmente à lavagem. Durante o processo de filtração, se a taxa de filtração permanecer constante, a velocidade de escoamento nos poros (velocidade intersticial) aumenta em função das partículas retidas, causando o arrastamento das partículas para subcamadas inferiores do meio filtrante até aparecerem na água filtrada, ocasionando o traspasse. A situação ideal é aquela em que o início do traspasse e a perda de carga limite no meio filtrante ocorrem simultaneamente (Figura 3.1). Com a variação das características da água afluente aos filtros ou das condições de operação da filtração, podem ocorrer duas situações que levem ao encerramento da carreira de filtração (Figura 3.2): a turbidez da água filtrada é baixa, porém a perda de carga total iguala-se à carga hidráulica disponível total (situação A), e quando a evolução de perda de carga é baixa, porém ocorre o aumento contínuo da turbidez a partir de certo tempo de operação do filtro (situação B).

29 29 Figura 3.2 Representação esquemática do funcionamento de filtros Fonte: DI BERBARDO, 25 É importante salientar que, por segurança, durante a carreira de filtração não pode ocorrer o traspasse, ou em caso extremo, a carreira de filtração deve ser encerrada com o início do mesmo. Quando ocorre o traspasse significa que o meio filtrante não é mais capaz de reter impurezas ocasionando o aumento do número de organismos na água filtrada. Este aumento de turbidez e número de organismos podem comprometer a desinfecção. A Figura 3.3 apresenta uma ilustração simplificada dos mecanismos de transporte, de aderência e o desprendimento.

30 3 Figura 3.3 Mecanismos de transporte, aderência e desprendimento durante a filtração Fonte: DI BERNARDO, 25 Na Figura 3.3 pode-se observar que as partículas previamente removidas passam a atuar como coletores adicionais Mecanismos de transporte Os mecanismos de transporte são responsáveis por conduzir as partículas suspensas para as proximidades das superfícies dos coletores (material granular que compõe o leito filtrante), podendo permanecer aderidas a estes por meio de forças superficiais, que resistem às forças de cisalhamento resultantes das características do escoamento ao longo do meio filtrante. Quando tais forças superam as forças de aderência tem-se o desprendimento. Os mais importantes mecanismos de transporte são: efeito de coar, difusão, sedimentação, interceptação, ação hidrodinâmica, e inércia (Figura 3.4).

31 31 Figura 3.4 Mecanismos de transporte de partículas para a superfície de um coletor. Fonte: IVES, Efeito de coar Esta operação consiste basicamente na retenção de partículas incapazes de passar através dos interstícios dos grãos do material filtrante, ou seja, ocorre na camada superior do meio filtrante, assim, é uma ação puramente física.

32 32 Figura Relação de diâmetro entre uma partícula de diâmetro conhecido e o diâmetro de seus interstícios. Fonte: HUISMAN, 1974 Grãos esféricos de tamanho uniforme retêm-se partículas com diâmetros iguais a, aproximadamente, um sétimo de diâmetro dos grãos de areia. Quanto maior o diâmetro do grão do material filtrante, maior será o interstício entre os grãos (Figura 3.5). Portanto, por apresentarem diâmetro de grãos menor, os filtros lentos são capazes de reter as menores partículas que não são retidas em filtros rápidos. Assim, o efeito de coar é considerado desprezível em filtros rápidos e mais eficientes para a filtração lenta que usa diâmetros efetivos muito menores Difusão O movimento browniano, devido à energia térmica das moléculas de água, provoca uma movimentação aleatória das partículas suspensas, à medida que essas se deslocam nas linhas de fluxo, através do meio filtrante (Figura 3.4b). Partículas com diâmetros superiores a 1μ que são, face ao seu tamanho, influenciadas pelos seus mecanismos de transporte gravitacionais, não são significativamente removidas devido ao movimento browniano, uma vez que a agitação térmica das moléculas de água não consegue agitá-las a distâncias superiores a um ou dois de seus diâmetros. Por outro lado, nas partículas com diâmetros menores do que 1μ, o efeito da difusão browniana é significativo, a ponto

33 de fazer com que elas abandonem as linhas de corrente, sendo transportadas para a superfície dos grãos de areia Sedimentação A velocidade de sedimentação das partículas influencia o mecanismo de sedimentação. As partículas de grande diâmetro e elevada densidade revelam grande tendência de abandonar as linhas de fluxo e sedimentar sobre a superfície dos grãos de areia voltados para a parte de cima dos leitos filtrantes (Figura 3.4d). O mecanismo de sedimentação do leito filtrante aumenta proporcionalmente a razão entre a velocidade de sedimentação das partículas e a taxa de filtração ou velocidade de aproximação. Para uma mesma distribuição de partículas em suspensão, os filtros lentos de areia proporcionariam, portanto, uma maior retenção da material suspenso devido ao mecanismo de sedimentação, uma vez que operam com taxas de filtração muito pequenas Interceptação Neste mecanismo, as partículas carreadas nas linhas de fluxo que se aproximam dos grãos de areia a distâncias menores do que o raio das próprias partículas são interceptadas por esses grãos (Figura 3.4a). Esse efeito é tanto mais significativo quanto maior for a relação entre o diâmetro das partículas que são removidas e o diâmetro dos grãos. Portanto, deve ser mais significativo nos filtros lentos de areia do que nos rápidos.

34 Ação hidrodinâmica A ação hidrodinâmica provoca nas partículas de impureza um efeito similar provocado pelo movimento browniano, porém devido a causas completamente diferentes. Pelo fato de haver, nos poros do meio filtrante, um gradiente de velocidade, as partículas adquirem uma rotação em torno de si próprias. Esse efeito, conjugado com o desequilíbrio motivado pela não esfericidade da maioria das partículas em suspensão, faz com que as mesmas adquiram uma espécie de vibração aleatória, o que pode provocar a sua colisão com a superfície dos grãos de areia (Figura 3.4e) Inércia As partículas com densidade elevada tendem, devido à sua inércia, a manter a direção de escoamento, abandonando as linhas de fluxo à medida que essas se desviam dos grãos de areia (Figura 3.4c). Esse desvio provoca a retenção dessas partículas nos grãos do meio filtrante. A retenção por inércia é diretamente proporcional à densidade e ao diâmetro das partículas e taxa de filtração, e inversamente proporcional à densidade da água e ao diâmetro dos grãos. A inércia mostra-se um mecanismo bastante importante na filtração do ar, devido à sua baixa viscosidade, porém pouco significativo na filtração de água Mecanismos de aderência As partículas tanto podem aderir diretamente às superfícies dos grãos como às partículas previamente retidas.