I FLUIDIFICAÇÃO E EXPANSÃO DE SISTEMAS ADSORVEDORES DE CARVÃO ATIVADO GRANULAR NO TRATAMENTO DE ÁGUAS DE ABASTECIMENTO

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1 I FLUIDIFICAÇÃO E EXPANSÃO DE SISTEMAS ADSORVEDORES DE CARVÃO ATIVADO GRANULAR NO TRATAMENTO DE ÁGUAS DE ABASTECIMENTO Sidney Seckler Ferreira Filho (1) Engenheiro Civil pela Escola Politécnica da USP. Professor Associado do Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo em Regime de Dedicação Exclusiva à Docência e Pesquisa. Ricardo Lazzari Mendes Engenheiro Civil pela Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo (EESC/USP). Mestre em Engenharia Hidráulica e Sanitária pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (EPUSP). Engenheiro Consultor da ENGECORPS Engenheiros Consultores S/C Ltda. Frederico de Almeida Lage Filho Engenheiro Civil pela Escola Politécnica da USP. Professor Visitante do Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Ph.D. em Engenharia Sanitária e Ambiental pela Universidade da Califórnia, Berkeley Adilson Nunes Fernandes Mestre em Engenharia Hidráulica e Sanitária pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Químico da Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo (SABESP). Departamento de Produção Sul. Divisão do Sistema Guarapiranga. Endereço (1) : Escola Politécnica da USP - Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária. Av. Professor Almeida Prado, 271 Prédio de Engenharia Civil. Bairro Butantã. Cidade Universitária. CEP: e- mail: ssffilho@usp.br RESUMO Os processos convencionais de tratamento de águas de abastecimento foram concebidos com a finalidade principal de otimizar a remoção de material particulado e cor real, bem como permitir a produção de uma água segura do ponto de vista microbiológico. No entanto, em função dos constantes desafios impostos pelos órgãos ambientais no tocante a existência de Padrões de Potabilidade cada vez mais restritivos, para muitas estações de tratamento de água já existentes ou em fase de projeto, novos processos e operações unitárias deverão serem incorporados como parte integrante da mesma. Dentre estas tecnologias, a mais recomendada para a solução de problemas de gosto e odor e micropoluentes orgânicos em águas de abastecimento tem sido a aplicação de carvão ativado, que pode ser na forma de pó (CAP) ou granular (CAG). O CAG pode ser empregado na forma de filtro adsorvedor ou pós filtro adsorvedor e, deste modo, faz-se necessário estabelecer as suas condições ótimas de lavagem e expansão, a fim de que não sejam observados problemas relacionados com a integridade física do meio filtrante (formação de bolas de lodo, desarranjo da camada suporte), mas também com a qualidade da água filtrada produzida nas carreiras de filtração subseqüentes. Este trabalho teve por objetivo avaliar o comportamento de diferentes tipos comerciais de CAG s como meios filtrantes e adsorvedores, de modo que fosse possível determinar os principais índices físicos e granulometria dos CAG s existentes no mercado nacional, avaliar os aspectos operacionais de diferentes marcas comerciais de carvões ativados granulares selecionados com respeito ao seu comportamento hidráulico de fluidificação e expansão e verificar a adequadabilidade dos diferentes modelos matemáticos existentes e propostos na literatura no tocante à previsão da expansão de CAG para diferentes valores de velocidade ascencional de água de lavagem. De acordo com os resultados experimentais obtidos, concluiu-se que os carvões ativados granulares empregados na investigação experimental apresentaram comportamento bastante diverso no tocante ao seu comportamento hidráulico durante a sua fluidificação e expansão. Esta diferença de comportamento deve-se, basicamente, a granulometria dos materiais adsorvedores, massa específica em filtro e porosidade. Assim sendo, recomenda-se que quando do projeto de unidades que utilizem CAG, o sistema de lavagem em contracorrente de sistemas pós-filtros adsorvedores seja dimensionado de modo a permitir a introdução de velocidades ascensionais de água de lavagem variáveis, da ordem de 500 m 3 /m 2 /dia a m 3 /m 2 /dia, de modo a permitir uma maior flexibilidade do mesmo. PALAVRAS-CHAVE: Tratamento de água, carvão ativado granular, fluidificação, expansão, sistemas adsorvedores. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 INTRODUÇÃO Atualmente, a estação de tratamento de água do Alto da Boa Vista (ETA -ABV), operada pela Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo (SABESP), trata uma vazão média de 16,0 m 3 /s. Tendo em vista os crescentes problemas ambientais da bacia hidrográfica do manancial em questão (Reservatório do Guarapiranga), aliado à grande pressão dos órgãos ambientais no tocante à qualidade de água abastecida à população, os processos convencionais de tratamento de água (coagulação, floculação, sedimentação, filtração, fluoretação, desinfecção final e correção de ph) já não são suficientes para que seja atendido um padrão de qualidade mínimo para a água de abastecimento, especialmente no tocante à manutenção da sua qualidade estética, notadamente odor e sabor. Assim sendo, a adoção de tecnologias avançadas de tratamento faz-se necessárias, tais como a utilização de carvão ativado (pó ou granular), oxidação química avançada (ozonização, dióxido de cloro, permanganato de potássio, peróxido de hidrogênio, cloraminas), arraste com ar, processos de membrana, entre outros. Dentre estas tecnologias, a mais recomendada para a solução de problemas de gosto e odor em águas de abastecimento tem sido a aplicação de carvão ativado, que pode ser na forma de pó (CAP) ou granular (CAG). Basicamente, de 1930 até 1970 a maior parte da aplicação do carvão ativado aplicado no processo de tratamento de água deu-se na forma de CAP e, como pequenas dosagens deste eram suficientes para a solução de problemas de odor e sabor, entre outros, a sua aplicação sempre foi muito mais uma arte do que uma ciência. A partir da década de 70, a utilização do carvão ativado na forma de CAG tomou um grande impulso devido à forte pressão das autoridades sanitárias com a qualidade da água final distribuida à população, aliado à fixação de padrões de potabilidade cada vez mais restritivos uma vez que, para algumas classes de compostos regulados, a simples adoção do tratamento do tipo convencional demonstrou não ser capaz de removê-los de forma eficiente (HERZING et al. (1977), LALEZARY et al. (1986)). A utilização do CAG no processo de tratamento de água pode se dar na forma de sistemas pós filtrosadsorvedores ou como filtros-adsorvedores (Figura 1). No primeiro caso, o processo unitário de adsorção está localizado à jusante da unidade de filtração, ambas ocorrendo de forma independente. No segundo caso, ambos os processos de filtração e adsorção ocorrem em uma mesma unidade (GRAESE et al. (1987)). Sendo um meio filtrante e adsorvedor ou somente adsorvedor, de qualquer maneira, este terá de ser lavado a fim de que seja possível garantir a sua operação de forma segura e confiável. Sedimentação Filtração Adsorção Sistema pós filtro adsorvedor Sedimentação Filtração e Adsorção Sistema filtro adsorvedor Figura 1 - Configuração dos métodos de utilização do CAG no processo de tratamento de água. Fonte: FERREIRA FILHO (1993) Têm sido reportados na literatura inúmeros trabalhos que relatam os problemas que porventura podem atingir um determinado meio filtrante quando lavado de forma incorreta sendo que estes não apenas estão ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 relacionados com a integridade física do meio filtrante (formação de bolas de lodo, desarranjo da camada suporte), mas também com a qualidade da água filtrada produzida nas carreiras de filtração subseqüentes. Qualquer que seja o método de lavagem de um meio filtrante, este deve permitir que as partículas depositadas nos grãos do meio filtrante sejam transferidas para a fase líquida e que, a seguir, sejam carreadas para fora da caixa do filtro. É necessário, portanto, que seja introduzida água ascencionalmente no meio filtrante para que isto seja possível. Tradicionalmente, os materiais filtrantes mais comumente empregados no tratamento de águas de abastecimento tem sido a areia e o antracito, na forma de camada única ou dupla camada e, para ambos os materiais, tem sido propostos na literatura diferentes modelos matemáticos para a previsão de suas velocidades de mínima fluidificação e expansão (FERREIRA FILHO (1995)). Tendo em vista a grande variedade de CAG s que podem ser empregados como meios adsorvedores e em face de seus diferentes valores de massa específica em filtro, coeficientes de esfericidade e porosidade, faz-se de grande importância conhecer o comportamento de diferentes sistemas adsorvedores quando do seu processo de fluidificação e expansão. A correta determinação da velocidade ascencional da água de lavagem, para que seja possível expandir o meio filtrante em um certo valor e a sua velocidade mínima de fluidificação, para que a situação de "collapsepulsing" venha a ocorrer, no caso de lavagem com ar e água simultâneamente, é de fundamental importância para que um filtro possa ser bem dimensionado e operado. OBJETIVO Tendo por objetivo avaliar o comportamento de diferentes tipos comerciais de carvões ativados granulares (CAG s) como meios filtrantes e adsorvedores, este trabalho foi conduzido de modo que fosse possível: Determinar os principais índices físicos e granulometria dos CAG s existentes no mercado nacional. Avaliar os aspectos operacionais de diferentes marcas comerciais de carvões ativados granulares selecionados com respeito ao seu comportamento hidráulico de fluidificação e expansão. Verificar a adequadabilidade dos diferentes modelos matemáticos existentes e propostos na literatura no tocante à previsão da expansão de CAG para diferentes valores de velocidade ascencional de água de lavagem. MATERIAIS E MÉTODOS A execução dos ensaios experimentais foi dividida em Etapas, a saber: Etapa 1: Seleção de diferentes marcas comerciais e tipos de carvão ativado granular (CAG) disponíveis no mercado nacional e internacional, tendo sido selecionados um total de seis marcas comerciais. Uma vez selecionados, estes foram caracterizados com respeito à sua granulometria e índices físicos. Etapa 2: Para cada CAG selecionado, foram realizados ensaios de expansão e fluidificação a fim de se conhecer o seu comportamento hidráulico quando da aplicação de água em contra-corrente. Os carvões ativados granular selecionados, bem como o seu fabricante e matéria prima estão apresentados na Tabela 1. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 Tabela 1 Fabricante, marcas comerciais e matéria prima dos carvões ativado granular utilizados na investigação experimental. FABRICANTE MARCA COMERCIAL PROCEDÊNCIA MATÉRIA PRIMA NORIT GAC 820 Importado Mineral (Betuminoso) CALGON FILTRASORB-820 Importado Mineral (Betuminoso) CARBOMAFRA Carbono Ativado 119 Nacional Vegetal (CASCA DE COCO) BRASILAC Beta WD Nacional Vegetal (Nó de pinho) BRASCARBO Carbo Activ Nacional VEGETAL (CASCA DE COCO) PAIOL ASS 780 Nacional Vegetal (Nó de pinho) Os ensaios de caracterização granulométrica e de obtenção de índices físicos foram conduzidos no Laboratório de Mecânica dos Solos da Escola Politécnica da USP. Os demais ensaios foram executados nas dependências das ETA s Alto da Boa Vista e Theodoro Ramos. Os índices físicos determinados foram os seguintes: Massa Específica do Material. massa de carvão 3 ρ m = ( g / cm ) (1) volume de material Massa Específica da Partícula. massa de carvão 3 ρ pc = ( g / cm ) (2) volume de partícula Porosidade Interna. volume vazios int ernos ε p = (%) (3) volume de partícula Massa Específica em Filtro. 3 ( g / cm ) massa de carvão + água interna ρ apf = (4) volume ocupado Massa Específica Aparente Seca. massadecarvão 3 ρ apf = ( g / cm ) (5) volume ocupado Porosidade. volume intergranular ε 0 = (%) (6) volume ocupado As amostras utilizadas para a condução dos ensaios de granulometria foram lavadas em peneira de tamanho de malha #200 e secas em estufa por 24 horas. Em temperatura ambiente, alíquotas foram pesadas e colocadas no equipamento de vibração com peneiras acopladas de malhas 2 mm; 1,2 mm; 0,6 mm; 0,42 mm; 0,30 mm; ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 0,15 mm e 0,075 mm. O material retido em cada peneira foi pesado e foram calculadas as porcentagens em peso para a definição da curva de granulometria. Os ensaios de fluidificação e expansão dos carvões ativados granulares foram executados tendo por objetivo simular o comportamento da operação de lavagem dos filtros com a aplicação de água em contra corrente. Os ensaios foram desenvolvidos nas colunas de filtração da ETA Piloto instalada nas dependências da Estação de Tratamento de Água do Alto da Boa Vista (ETA-ABV). As Figuras 2 e 3 apresentam uma vista dos filtros piloto empregados na investigação experimental. Foram conduzidos, no total, um conjunto de três ensaios de fluidificação e expansão para cada CAG empregado na investigação experimental. Para a realização dos ensaios, as colunas da ETA Piloto foram montadas conforme a seqüência de passos descrita a seguir: As colunas foram limpas e preenchidas com água para melhor acomodação dos materiais. A seguir, as camadas suporte foram montadas com predegulho e areia com granulometria decrescente reproduzindo a configuração dos filtros da ETA ABV. Os carvões ativado foram imersos em água e dispostos em baldes durante um período de, no mínimo, 72 horas de modo a permitir a sua saturação com água em seus vazios internos, tendo sido a água trocada de 12 em 12 horas para a remoção de finos. A seguir, efetuou-se lançamento dos carvões dentro das colunas, com pequena altura de queda, em pequenas porções, até atingir o volume e altura pré-determinados. Procedeu-se o fechamento das colunas, tendo sido marcados diversos níveis na coluna de acrílico, a partir da superfície do leito de carvão ativado granular, referidos a valores de expansão entre 5% e 50%. Com as devidas manobras dos registros das colunas da ETA Piloto, inicou-se a aplicação de água em contra-corrente nas colunas. A vazão de água de lavagem foi controlada para que o limite de expansão do meio adsorvedor atingisse o primeiro nível de expansão. Uma vez acertada a vazão de água em contra corrente, era efetuada a sua determinação com auxílio de uma proveta e um cronômetro. As medições volumétricas de vazão foram sempre efetuadas em triplicata. Repetiu-se o procedimento para o segundo nível de expansão e uma nova vazão, assim sucessivamente até a determinação de todos os valores fixos de expansão. Figura 2 - Colunas piloto empregadas na execução dos ensaios de fluidificação e expansão. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 Figura 3 - Colunas piloto empregadas na execução dos ensaios de fluidificação e expansão. APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS As Tabelas 2 e 3 apresentam as distribuições granulométricas obtidas para os CAG s empregados no projeto de pesquisa. A Tabela 2 apresenta os valores para os CAG s fabricados pela BRASCARBO, PAIOL e CALGON e a Tabela 3 para os CAG s fabricados pela BRASILAC, CARBOMAFRA e NORIT. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 Tabela 2 Curva granulométrica dos CAG s fornecidos pela BRASCARBO, PAIOL e CALGON FORNECEDORES BRASCARBO PAIOL CALGON Granulometria Peneira Abert. (mm) ,99% 99,75% 69,87% 16 1,2 7,79% 70,94% 4,58% 30 0,6 0,25% 1,23% 0,39% 40 0,42 0,13% 0,36% 0,34% 50 0,30 0,09% 0,25% 0,23% 100 0,15 0,06% 0,14% 0,18% 200 0,075 0,03% 0,09% 0,11% FUNDO 0,00% 0,00% 0,00% Tabela 3 Curva granulométrica dos CAG s fornecidos pela BRASILAC, CARBOMAFRA e NORIT FORNECEDORES BRASILAC CARBOMAFRA NORIT Granulometria Peneira Abert. (mm) ,82% 98,83% 83,33% 16 1,2 33,77% 68,32% 22,75% 30 0,6 0,26% 17,17% 0,18% 40 0,42 0,10% 1,76% 0,11% 50 0,30 0,06% 0,35% 0,08% 100 0,15 0,04% 0,10% 0,05% 200 0,075 0,02% 0,05% 0,02% FUNDO 0,00% 0,00% 0,00% Com base nos resultados experimentais obtidos, foram determinados os valores dos coeficientes de uniformidade, diâmetro efetivo e d 90 para cada CAG. A determinação destes parâmetros foi efetuada interpolando-se linearmente os valores obtidos a partir dos resultados experimentais. A Tabela 4 apresenta os valores calculados para cada CAG. Tabela 4 Diâmetros efetivo, coeficientes de uniformidade, d 60 e d 90 calculados para os CAG s cedidos pelos fornecedores FORNECEDOR Diâmetro efetivo d 60 (mm) Coef. d 90 (mm) (mm) uniformidade BRASCARBO 1,24 PAIOL 0,68 1,10 1,63 1,73 CALGON 1,27 1,88 1,48 BRASILAC 0,78 1,52 1,95 1,89 CARBOMAFRA 0,52 1,10 2,12 1,77 NORIT 0,86 1,69 1,97 Os valores que não puderam ser apresentados na Tabela 4 foram aqueles que não puderam ser interpolados devido a não obtenção dos valores característicos de sua curva granulométrica. A Figura 4 apresenta a curva granulométrica de todos os CAG s empregados na investigação experimental. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7

8 100,00% 90,00% 80,00% Material que passa (mm) 70,00% 60,00% 50,00% 40,00% 30,00% 20,00% 10,00% 0,00% 0,01 0, Diâmetro (mm) brascarbo paiol calgon brasilac carbomafra norit Figura 4 - Distribuição granulométrica dos CAG s empregados nos ensaios de adsorção Conforme pode ser observado, há uma grande disparidade entre as curvas granulométricas dos materiais adsorvedores cedidos pelos fornecedores nacionais e internacionais. Isto significa quem quando da especificação de compra de carvão ativado granular, a granulometria do material deverá ser muito bem especificada, de modo que não ocorram problemas quando da sua operação em escala real. Evidentemente, não apenas o material deverá ser bem especificado, como também deverá ser fiscalizado, de modo que não seja necessária a sua devolução. A importância da definição da granulometria do CAG quando da sua utilização como sistema filtroadsorvedor está diretamente relacionado ao seu comportamento hidráulico durante o seu processo de fluidificação e expansão, evolução da perda de carga em função da carreira de filtração, como também na capacidade de produção de uma água filtrada dentro dos padrões de potabilidade requeridos pelos orgãos ambientais. Neste caso, a melhor alternativa para a definição de sua granulometria é a condução de ensaios em escala piloto durante um período de tempo mínimo da ordem de 1 ano, de forma que possam ser estudados todos os aspectos hidráulicos e de qualidade envolvidos no seu comportamento como meio filtrante e adsorvedor. No entanto, quando a aplicação do CAG se dá na forma de pós-filtro adsorvedor, o aspecto de qualidade da água com respeito a remoção de material particulado deixa de ser importante, uma vez que este foi removido anteriormente nos filtros situados à montante. Assim sendo, os aspectos mais significativos que devem ser considerados são aqueles que dizem respeito ao seu comportamento hidráulico durante as operações de fluidificação e expansão, bem como a sua perda de carga no meio adsorvedor limpo. Quanto menor for a granulometria do material adsorvedor, maior será a perda de carga inicial e menor a velocidade ascencional de água de lavagem para um valor de expansão pré-especificado. A definição da granulometria também deve contemplar a otimização do processo de adsorção, uma vez que este depende da dimensão da partícula de CAG. Normalmente, recomenda-se que o diâmetro efetivo e o coeficiente de uniformidade sejam da ordem de 0,5 mm a 1,5 mm e 1,5 a 2,0, respectivamente. Deste modo, uma vez especificada a granulometria do CAG a ser empregado como meio adsorvedor na ETA- ABV, recomenda-se que nas trocas de material que porventura venham a ocorrer no futuro, todo o sistema ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 8

9 hidráulico envolvido seja dimensionado com flexiblidade suficiente de modo que a operação do mesmo possa ocorrer de forma segura e confiável. As Tabelas 5 e 6 apresentam os valores dos índices físicos obtidos experimentalmente para cada CAG estudado. Tabela 5 Índices físicos determinados experimentalmente para os CAG s fornecidos pelos fabricantes FORNECEDOR Massa específica do material (kg/m 3 ) Massa específica da partícula (kg/m 3 ) Porosidade interna BRASCARBO ,51 PAIOL ,70 CALGON ,50 BRASILAC ,69 CARBOMAFRA ,50 NORIT ,53 Tabela 6 Índices físicos determinados experimentalmente para os CAG s fornecidos pelos fabricantes FORNECEDOR Massa específica Massa específica Massa específica Porosidade em filtro (kg/m 3 ) aparente em filtro (kg/m 3 ) aparente seca (kg/m 3 ) BRASCARBO ,45 PAIOL ,41 CALGON ,55 BRASILAC ,42 CARBOMAFRA ,47 NORIT ,55 Os índices físicos de um determinado CAG é determinado fundamentalmente pela matéria prima empregada em sua fabricação, bem como nos seus procedimentos de carbonização, pirólise e ativação. Dentre todos os parâmetros obtidos, talvez os mais significativos e importantes sejam a massa específica em filtro, a massa específica aparente seca e a porosidade. O primeiro é de fundamental importância quando do cálculo das velocidades ascensionais de água de lavagem para que seja possível uma determinada expansão do material e o segundo na definição das massas de CAG a serem adquiridas para a montagem de um determinado filtro adsorvedor e a porosidade é parâmetro fundamental no cálculo da perda de carga do material limpo. Conforme pode ser observado nas Tabelas 5 e 6, há uma grande variação nos valores da massa específica em filtro entre os CAG estudados. O CAG fornecido pela BRASILAC apresentou o menor valor, da ordem de kg/m 3, sendo que o CAG cedido pela BRASCARBO apresentou o maior valor, kg/m 3. Esta variação pode ser considerada como significativa, uma vez que uma pequena variação deste parâmetro pode induzir a valores muito diferentes de valores de velocidade ascensional de água de lavagem para que seja atingido um determinado valor de expansão do material. Tendo em vista esta variabilidade, recomenda-se que estes índices físicos sejam determinados quando da préqualificação dos CAG s a serem adquiridos eventualmente por Companhias de Saneamento, de modo que os parâmetros hidráulicos do sistema pós-filtro adsorvedor possam ser dimensionados com flexibilidade. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 9

10 Do mesmo modo que a massa específica em filtro, também a massa específica aparente seca apresentou valores bem diversos entre si. Estes situaram-se entre 210 kg/m 3 e 470 kg/m 3, sendo estes dos CAG s fornecidos pela BRASILAC e CALGON, respectivamente. A porosidade dos CAG s variou de 0,41 a 0,55 tendo sido estes obtidos para os materiais adsorvedores fornecidos pela PAIOL e CALGON e NORIT, respectivamente. Em função desta disparidade de valores encontrados para os diferentes CAG s testados e sua importância na operação dos sistemas pós-filtros adsorvedores, torna-se altamente recomendável que os mesmos sejam obtidos sempre que o cliente vier a adquirir CAG, mesmo que este seja de um mesmo fornecedor, haja visto que em função de uma provável variabilidade na sua fabricação, diferentes valores de índices físicos podem ser obtidos. A Figura 5 apresenta os valores de expansão dos seis CAG s empregados na investigação experimental em função da velocidade ascensional de água de lavagem. 80,0 70,0 60,0 Expansão (%) 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0, Velocidade ascensional de água de lavagem (m/dia) Norit Liz e Oliveira Carbomafra Calgon Brasilac Brascarbo Potência (Norit) Potência (Liz e Oliveira) Potência (Carbomafra) Potência (Calgon) Potência (Brasilac) Potência (Brascarbo) Figura 5 Expansão observada em função da velocidade ascensional de água de lavagem para todos os CAG s testados Analisando-se os resultados experimentais apresentados na Figura 5, pode-se observar que existe uma grande disparidade entre as expansões observadas para cada CAG em função da velocidade ascensional de água de lavagem. Basicamente, tal diferença de comportamento é ocasionada pela granulometria e índices físicos, mais explicitamente, a massa específica em filtro e a porosidade. Os CAG s fornecidos pela CALGON, BRASCARBO e NORIT apresentaram comportamento muito semelhante. Para uma expansão da ordem de 30%, as velocidadades ascensionais de água de lavagem situaram-se na faixa de m 3 /m 2 /dia a m 3 /m 2 /dia. Por sua vez, também os CAG s fornecidos pela CARBOMAFRA e PAIOL apresentaram comportamento hidráulico muito semelhante. Para uma expansão de 30% no meio adsorvedor, as velocidades ascensionais de água de lavagem situaram-se na faixa de 600 m 3 /m 2 /dia a 700 m 3 /m 2 /dia. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 10

11 O CAG fornecido pela BRASILAC apresentou comportamento intermediário entre situando-se mais próximo dos CAG s fornecidos pela CARBOMAFRA e PAIOL. A sua velocidade ascensional de água de lavagem para uma expansão de 30% situou-se em torno de 700 m 3 /m 2 /dia a 800 m 3 /m 2 /dia. Em função desta grande diferença de comportamento entre todos os CAG s testados, torna-se altamente recomendado que, caso sejam instalados filtros adsorvedores em sistemas de filtração já existentes, o sistema de lavagem dos meios adsorvedores seja dimensionado possibilitando que o mesmo possa trabalhar com vazões de água de lavagem distintas. Isto porque, em função do tempo, da ordem de 2 a 5 anos, deverá haver troca do material adsorvedor e, caso o material reposto apresente granulometria e índices físicos distintos quando comparado com o já existente, poderá ocorrer, ou a sua perda durante o processo de lavagem ou uma expansão muito reduzida. A eventual troca de material adsorvedor durante este período de 2 a 5 anos não deverá ocorrer em todos os filtros ao mesmo tempo. Assim sendo, a probabilidade de que haja meios adsorvedores com diferentes marcas comerciais de CAG é muito grande, o que justifica todo o cuidado no dimensionamento do sistema de lavagem dos pós-fuiltros adsorvedores. Deste modo, o sistema de lavagem deverá ser dimensionado de modo a permitir a operação da ETA uma grande flexibilidade operacional na aplicação de diferentes velocidades ascensionais de água de lavagem, que serão definidas em função do CAG empregado. Como o processo de compra de CAG por Companhias de Saneamento normalmente se dará por um processo licitatório e, a priori, não deverá ser conhecido seus índices físicos, recomenda-se que, anteriormente à operação do meio adsorvedor, sejam executados ensaios em escala piloto a fim de ser melhor conhecido o seu comportamento hidráulico quando da sua lavagem e, conseqüentemente, as respectivas velocidades ascensionais para que seja atingida uma determinada expansão quando da sua lavagem. Do ponto de vista matemático, a velocidade mínima de fluidificação pode ser calculada de acordo com as seguintes expressões (AWWA (2000)), a saber: 1 2 [( 33,7) + 0,0408. ] 33, 7 Re = Ga 2 MF (7) VMF. Re dv MF = (8) ν G A = número de Galileu. R EMF = número de Reynolds para o instante de incipiente fluidificação. Com o meio filtrante, geralmente, não é composto de partículas de igual diâmetro, a velocidade mínima de fluidificação das menores partículas é menor do que a velocidade de mínima fluidificação das maiores partículas. Portanto, pode-se segmentar o meio filtrante em diferentes sub-camadas e efetuar-se a composição das velocidades mínimas de fluidificação de cada sub-camada tendo por base uma média ponderada mássica (FERREIRA FILHO (1995)). Deste modo, pode-se escrever que: V MF n = V MF ( i). X i (9) i = 1 A expansão dos materiais adsorvedores pode ser estimada de acordo com os modelos propostos por DHARMARAJAH et al. (1986), a saber: log( A 2 1) = 0, ,09348.log( Re1) + 0,17979.(log( Re1)) 0,00392.(log( R 4 1,5.(log( )) 2 e 1 )) Ψ (10) ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 11

12 ε 3 exp. ρ.( ρ p ρ). g A1 = (11) (1 ε exp ) S V μ V. ρ R e1 = S V.(1 εexp ). (12) μ Como a porosidade do meio filtrante expandido aparece em ambos os lados na equação (10), esta apenas pode ser solucionada com o auxílio de métodos numéricos. Caso o meio filtrante seja estratificado, e constituído de diferentes materiais ele deve ser segmentado em camadas com características definidas para que a aplicação da equação (10), (11) e (12) possa ser efetuada de forma segura. A Figura 6 apresenta os valores de velocidade mínima de fluidificação calculada (Equações 7,8 e 9) para os CAG s fornecidos pela CARBOMAFRA e NORIT. As Figuras 7 e 8 apresentam os valores de expansão calculados e observados para os mesmos CAG s da CARBOMAFRA e NORIT, respectivamente, tendo-se empregado as Equações 10, 11 e Velocidade mínima de fluidificação (m3/m2/dia) Carbomafra CAG Norit Figura 6 Valores calculados de velocidade mínima de fluidificação para os CAG s fornecidos pela CARBOMAFRA e NORIT. Comparando-se os valores calculados com os obtidos nos ensaios experimentais e apresentados na Figura 5, pode-se observar que os mesmos são coerentes entre si, o que indica que a metodologia utilizada em seu cálculo pode ser considerada segura para fins de projeto. Uma vez que o CAG fornecido pela NORIT apresenta uma granulometria maior do que quando comparada com o CAG fornecido pela CARBOMAFRA, é de esperar que a sua velocidade mínima de fluidificação seja maior, sendo quase o dobro desta última. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 12

13 Valores calculados Valores observados Expansão (%) Velocidade ascencional de água de lavagem (m3/m2/dia) Figura 7 Valores de velocidade mínima de fluidificação calculada e observada para o CAG fornecido pela CARBOMAFRA Valores calculados Valores observados 60 Expansão (%) Velocidade ascencional de água de lavagem (m3/m2/dia) Figura 8 Valores de velocidade mínima de fluidificação calculada e observada para o CAG fornecido pela NORIT. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 13

14 Observando-se as Figuras 7 e 8, pode-se notar a grande disparidade entre os valores calculados e observados de expansão para ambos os meios adsorvedores, indicando que o modelo matemático proposto por DHARMARAJAH et al. (1986), embora tenha se mostrado adequado para a previsão de expansão de meios filtrantes duplos constituídos de areia e antracito, infelizmente não apresenta boa aderência para diferentes materiais, mais notadamente o CAG em camada única. Tal disparidade pode ter como origem a sensibilidade do modelo matemático proposto as grandezas massa específica e porosidade, pois haja visto que os valores para o CAG são muito distintos do que quando comparado com a areia e o antracito, estes podem induzir a erros significativos. Portanto, em função da grande variação dos índices físicos dos CAG s que porventura possam ser utilizados como pós-filtros adsorvedores, não recomenda-se a utilização de modelos empíricos no cálculo da expansão dos meios adsorvedores em função da velocidade ascensional de água de lavagem, uma vez que a grande maioria destas expressões foi obtida experimentalmente, tendo-se utilizado materiais filtrantes com características distintas dos empregados nesta investigação experimental. CONCLUSÕES De acordo com os resultados experimentais obtidos pode-se concluir que: Os materiais adsorvedores empregados na condução dos ensaios experimentais apresentaram grande diversidade com relação aos seus valores de massa específica em filtro, massa específica aparente seca e porosidade. Deste modo, recomenda-se que, quando do seu emprego sejam executados ensaios de caracterização física dos mesmos. Os carvões ativados granulares empregados na investigação experimental apresentaram comportamento bastante diverso no tocante ao seu comportamento hidráulico durante a sua fluidificação e expansão. Esta diferença de comportamento deve-se, basicamente, a granulometria dos materiais adsorvedores, massa específica em filtro e porosidade. Assim sendo, recomenda-se que quando do seu projeto, o sistema de lavagem em contra-corrente de sistemas pós-filtros adsorvedores sejam dimensionados de modo a permitir a introdução de velocidades ascensionais de água de lavagem variáveis, da ordem de 500 m 3 /m 2 /dia a m 3 /m 2 /dia. Dada esta diferença de comportamento hidráulico durante o processo de lavagem em função das características granulométricas e índices físicos do CAG, recomenda-se que, sempre que possível, anteriormente a introdução deste em um sistema de adsorção, sejam executados ensaios de fluidificação e expansão em escala piloto para a correta determinação dos seus parâmetros de projeto. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. AMERICAN WATER WORKS ASSOCIATION. Water quality and treatment. 5.ed. New York, McGraw Hill, DHARMARAJAH, A.H.; CLEASBY, J.L. Predicting the expansion behaviour of filter media. Journal American Water Works Association, p.66-76, December, FERREIRA FILHO, S.S. Estudo comparativo do comportamento hidráulico de meios filtrantes de areiaantracito e areia-carvão ativado granular no tratamento de água. Dissertação de Mestrado - ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO, 407p São Paulo, Brasil. 4. FERREIRA FILHO, S.S. Fluidificação e expansão de meios filtrantes duplos constituídos de areia-antracito e areia-carvão ativado granular. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL, 18, Salvador, Resumos. Rio de Janeiro, ABES, 1995 p GRAESE, S.L., SNOEYINK, V.L., LEE, R.G. Granular activated carbon filter-adsorber systems. Journal American Water Works Association, p.64-73, December HERZING, D.R., SNOEYINK, V.L., WOOD, N.F. Activated carbon adsorption of the odorous compounds 2-methylisoborneol and geosmin. Journal American Water Works Association, p , April LALEZARY, S., PIRBAZARY, M., McGUIRE, M.J. Evaluating activated carbon for removing low concentrations of taste and odor producing organics. Journal American Water Works Association, p.76-82, November, ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 14