Seckler Ferreira Filho Sidney 1

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1 SIGNIFICÂNCIA DO GRAU DE MISTURA NA INTERFACE DE FILTROS DUPLOS NO COMPORTAMENTO DINÂMICO DA EVOLUÇÃO DA PERDA DE CARGA, RETENÇÃO DE IMPUREZAS E QUALIDADE DA ÁGUA FILTRADA Seckler Ferreira Filho Sidney 1 Professor Assistente do Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo Endereço:Escola Politécnica da Universidade de São Paulo Av. Prof. Almeida Prado-Travessa 2 s/n Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária - Prédio de Engenharia Civil Cidade Universitária CEP São Paulo-Capital-Brazil ssffilho@usp.br RESUMO O objetivo deste trabalho foi investigar a significância e o comportamento dinâmico da interface em filtros duplos no que diz respeito a perda de carga total no meio filtrante e na interface, retenção de impurezas e na qualidade da água filtrada. Embora tenha se evidenciado diferentes comportamentos ao longo dos meios filtrantes nos filtros estudados, o grau de mistura entre os materiais filtrantes na interface não trouxe nenhum benefício em termos de evolução de perda de carga total e qualidade do efluente produzido, tendo sido estes absolutamente iguais. Palabras clave: filtração, filtros duplos, interface, perda de carga INTRODUÇÃO A utilização de filtros duplos contituídos de areia-antracito ou de diferentes materiais foi um dos grandes avanços efetuado no processo de tratamento de água. Ao mesmo tempo, a definição das características granulométricas de ambos os materiais constituiu-se e, por que não dizer, ainda contitui uma das questões técnicas de mais difícil solução (KAWAMURA (1991)). Ainda hoje, a escolha das características granulométricas dos materiais filtrantes em filtros duplos é baseado, ou no empirísmo ou na experiência profissional do projetista. Um dos critérios mais utilizados tem sido definí-los tomando-se como base o grau de mistura que porventura venha a ocorrer em sua interface (AMIRTHARAJAH et al. (1991)). Diversos pesquisadores tem opiniões contrárias no que diz respeito aos efeitos positivos ou negativos do maior ou menor grau de mistura entre a areia e o antracito. Enquanto alguns postulam ser a mistura importante, outros negligenciam este fato (CLEABY et al (1975)). Embora algumas pesquisas tenham sido realizadas com o intuito de se melhor esclarecer o assunto, a análise do meio filtrante, em geral, tem sido efetuada como um todo não tendo-se analisado o comportamento da interface.no entanto, a grande dificuldade para a realização de pesquisas que objetivem estudar a significância do grau de mistura na interface em meios filtrantes duplos reside no fato de se ter que escolher materiais de idêntica granulometria, para que não seja prejudicado o processo de filtração, e ao mesmo tempo que possibilitem uma maior ou menor mistura na interface. OBJETIVO O objetivo deste trabalho foi investigar a significância e o comportamento dinâmico da interface em filtros duplos no que diz respeito a perda de carga total no meio filtrante e na interface, retenção de impurezas e

2 na qualidade da água filtrada. MATERIAIS E MÉTODOS Para a realização da investigação experimental, foram utilizados dois filtros piloto de acrílico, com 150 mm de diâmetro externo e 142 mm de diâmetro interno e, com 4,10 metros de altura, estando estes localizados na Estação de Tratamento de Água do Guaraú (SABESP). Os filtros piloto, doravante denominados de F1 e F2, foram operados com areia-antracito e areia-carvão ativado granular (CAG) como materiais filtrantes. A altura total do meio filtrante em ambos os filtros foi de 80 cm, tendo o filtro piloto F1 20 cm de areia e 60 cm de antracito, e o filtro F2 20 cm de areia e 60 cm de CAG. As características granulométricas dos meios filtrantes utilizados estão indicados na Tabela 1. As principais características físicas da areia, do antracito e do CAG estão indicados na Tabela 2. Tabela 1 - Características granulométricas dos materiais filtrantes utilizados nos filtros piloto F1 e F2 AREIA ANTRACITO CAG Diâmetro do menor grão (mm) 0,42 0,84 0,84 Diâmetro efetivo (mm) 0,50 1,00 1,00 D 60 (mm) 0,71 1,19 1,19 Diâmetro do maior grão (mm) 0,84 1,41 1,41 Coeficiente de uniformidade 1,42 1,19 1,19 Tabela 2 - Principais Índices Físicos da Areia, Antracito e CAG Índices Físicos AREIA ANTRACITO CAG Massa específica do material (Kg/m 3 ) Massa específica aparente (Kg/m 3 ) , Porosidade 0,43 0,55 0,54 Massa específica em filtro (Kg/m 3 ) Massa específica aparente em filtro (Kg/m 3 ) ,1 Foi utilizado como afluente aos filtros água decantada produzida pela própria ETA do Guaraú, sendo esta uma estação do tipo convencional. Cada filtro piloto apresenta um total de 11 piezômetros localizados ao longo de sua altura, aonde é possível serem efetuadas as leituras de perda de carga ao longo de todo o meio filtrante durante a carreira de filtração. Os filtros piloto foram operados em paralelo com taxa de filtração constante e variação de nível. Foram estudadas carreiras de filtração com taxas de 120 m 3 /m 2 /dia até 600 m 3 /m 2 /dia sendo que, para cada taxa de filtração pré-determinada, foram realizadas quatro carreiras de filtração. O fato do antracito apresentar uma massa específica maior do que a massa específica em filtro do CAG possibilitou que a interface de ambos os meios filtrantes apresentassem características bem distintas. A

3 interface entre a areia-antracito apresentou um elevado grau de mistura, enquanto a interface do filtro contendo areia-cag não apresentou nenhuma mistura estando os materiais filtrantes, do ponto de vista físico, completamente separados. Durante cada carreira de filtração foram monitorados os seguintes parâmetros: turbidez da água decantada, turbidez da água filtrada produzida por ambos os filtros e o ph da água decantada e filtrada. Além disso, era efetuada a leitura do nível d'água nos piezômetros para a determinação da perda de carga em cada filtro piloto ao longo de sua altura em intervalos regulares de tempo. Para a interpretação e análise dos resultados de perda de carga obtidos ao longo do meio filtrante e na interface, foram medidos os seus valores nos segmentos cm, cm e cm, valores estes que correspondem a sua cota medida a partir do topo do meio filtrante. Como os meios filtrantes em questão são constituídos de antracito e CAG com 60 cm de altura, teoricamente, a interface entre estes e a areia, no caso de ausência de mistura, estaria localizada na cota 60 cm, medida a partir do topo do meio filtrante. Foram propostos dois parâmetros para a análise numérica dos resultados, a saber: Install Equation Editor and doubleclick here to view equation. (1) H (i-j,t) e H (i-j,0) = valores de perda de carga no segmento i-j para os tempos iguais a t e 0, respectivamente. H (47-80,t) e H (47-80,0) = valores de perda de carga no segmento 47cm-80cm para os tempos iguais a t e 0, respectivamente. Install Equation Editor and doubleclick here to view equation. (2) Enquanto o parâmetro β permite uma análise temporal da evolução da perda de carga, o parâmetro ψ fornece, para um determinado tempo, informações para uma análise espacial da variação da perda de carga no meio filtrante. APRESENTAÇÃO SUSCINTA DOS RESULTADOS As Figuras 1 e 2 mostram para uma carreira típica de filtração com taxa de 360 m 3 /m 2 /dia a variação dos valores de ψ e da evolução de perda de carga e qualidade da água filtrada para os filtros piloto F1 e F2. Figura 1 - Valores de psi versus tempo - Taxa de filtração:360 m 3 /m 2 /dia

4 psi (%) F F F F F F Tempo (horas) Figura 2 - Perda de carga e turbidez versus tempo - Taxa de filtração:360 m 3 /m 2 /dia

5 Perda de carga (m) 1,4 1,2 0,16 0,14 1 0,12 0,8 0,1 0,08 0,6 0,06 0,4 0,04 0,2 0, Turbidez (UNT) Tempo (horas) Perda de carga F1 Perda de carga F2 Turbidez F1 Turbidez F2 CONCLUSÃO Com base nos resultados obtidos, pode-se concluir que: (A) Como existe uma maior mistura da areia com o antracito, o parâmetro β é mais homogêneo ao longo do segmento cm do filtro F1, ao passo que a variação de β na interface do meio filtrante constituído de areia-cag se dá de forma localizada, sendo muito mais abrupta do que na interface do meio filtrante do filtro piloto F1. (B) Do ponto de vista de distribuição de perda de carga ao longo do segmento cm, esta foi muito mais bem distribuida no filtro F1 do que no filtro F2. (C) Embora tenha se evidenciado diferentes comportamentos ao longo dos segmentos cm para os filtros F1 e F2, o grau de mistura entre os materiais filtrantes na interface não trouxe nenhum benefício em termos de evolução de perda de carga total e qualidade do efluente produzido, tendo sido estes absolutamente iguais em ambos os filtros.

6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AMIRTHARAJAH, A.A., McNELLY, N., PAGE, G., McLEOD, J. Optimum backwash of dual media filters and GAC filter-adsorbers with air-scour. AWWA Research Foundation, Denver, Colorado p. CLEASBY, J.L., WOODS, C.W. Intermixing of dual and multi-media granular filters. Journal American Water Works Association, v.67, n.4, April 1975 p.197. KAWAMURA, S. Integrated design of water treatment facilities. John Wiley & Sons, New York, 1991, 658p.