Análise hidráulica de um filtro rápido bifluxo em escala piloto de dupla camada filtrante com descarga de fundo intermediária para tratamento de água de abastecimento

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental, Florianópolis, 2019.

Filtros rápidos bifluxos possuem como vantagens a maior vazão de água filtrada, o controle da expansão do meio filtrante e a economia nos custos de implantação, tendo sido aplicados na antiga União Soviética a partir de 1950. À época foram empregados tubos de policloreto de vinila (PVC) com ranhuras para a coleta do filtrado, cujo entupimento recorrente limitou a aplicação desta modalidade de filtros. Nesta pesquisa estudou-se um filtro rápido bifluxo acrescentando-se outras tecnologias atuais, como dupla camada filtrante, descarga de fundo com injeção na interface e coleta do filtrado por bocal desmontável. O sistema de tratamento foi a filtração direta, com coagulação realizada pela dosagem de policloreto de alumínio, sendo a água bruta proveniente da Lagoa do Peri, em Florianópolis, Santa Catarina. Na fase 1-A do estudo a taxa de filtração foi constante e igual a 400 m³/m².d, com metade da taxa total aplicada em cada fluxo do filtro, com carga hidráulica variável e câmaras de carga independentes. Na Fase 1-B, foram realizadas carreiras de filtração em fluxo único, cada um com uma taxa de 200 m³/m².d. Já na Fase 2, o sistema foi operado com uma taxa total de 400 m³/m².d e câmara única de carga. Foram avaliados resultados quanto à duração da carreira de filtração, recuperação do filtro e retrolavagem, possibilitando a obtenção da sua produção efetiva de água. Com o uso de piezômetros ao longo do leito filtrante, também foi estudada a ação de profundidade da filtração. Analisaram-se, ainda, os critérios de projeto, especialmente no que tange ao sistema de coleta do filtrado. Na Fase 1-A verificou-se uma baixa ação de profundidade, uma duração média da carreira de filtração igual a 3,0 h, o que resultou em uma produção efetiva de 75%, sendo que o fluxo descendente dispôs de 1,0 m de carga hidráulica disponível. Durante a Fase 1-B ficou evidente a existência de uma contrapressão na filtração bifluxo. Na Fase 2, com uma carga hidráulica disponível de 1,75 m, as carreiras de filtração tiveram uma duração de 5,50 h até a execução da primeira descarga de fundo intermediária com injeção de água na interface (DFI). O prolongamento foi de até 63% na duração da carreira de filtração com o emprego de DFIs, chegando a se obter uma produção efetiva de 90,8%. Foi constatada, após 42 h totais de filtração (14 carreiras), a obstrução do bocal utilizado para a drenagem do filtrado, sendo essa ocorrência associada essencialmente ao fato de que os diâmetros mínimos dos materiais filtrantes serem menores à abertura dos sulcos por onde a água adentra a peça. Com a adequada seleção dos materiais filtrantes, portanto, inclusive determinando-se os diâmetros mínimos, a obstrução do bocal pode ser prevenida. A água filtrada teve um resultado médio de turbidez de 0,90 uT na Fase 1-A e de 0,76 uT na Fase 2, valores não adequados para os padrões da legislação aplicável, dado que a água bruta utilizada não é apropriada para a tecnologia de filtração direta, visto sua alta concentração de fitoplâncton. O filtro rápido bifluxo demonstrou potencialidade de ser uma opção vantajosa, principalmente quanto aos custos de implantação e área necessária, devido à sua taxa de filtração ser consideravelmente maior à de filtros de fluxo único.

Abstract: Biflow rapid filters have the advantages of increased filtered water flow, control of expansion of the media and cost savings in deployment, having been widely applied in the previous Soviet Union after 1950. At the time polyvinyl chloride (PVC) tubes with grooves were used to collect the filtrate, whose recurrent clogging limited the application of this type of filter. In this research a biflow rapid filter was studied by adding other current technologies, such as dual-media bed, intermediate downflush and the use of detachable nozzles to collect the filtrate. The treatment system was direct filtration, with coagulation performed by the dosage of aluminum polychloride and the raw water from Lagoa do Peri, in Florianópolis, Santa Catarina. In Phase 1-A of the study the filtration rate was constant and equal to 400 m³/m².d, with half of the total rate applied to each sense flow, being the hydraulic load variable in time and each sense flow having an independent loading chamber. In Phase 1-B, single flow filtration runs were performed, each with a rate of 200 m³/m².d. In Phase 2, the system was operated with a total rate of 400 m³ / m².d and single loading chamber. Results were evaluated regarding the duration of the filtration runs, filter recovery and backwash, allowing to obtain its effective water production. Using piezometers along the filter bed, the depth action of filtration was also studied. The design criteria were also analyzed, especially regarding the filtrate collection system. In Phase 1-A a low depth action was observed, an average filtering duration of 3.0 h, which resulted in an effective production of 75%, having the downstream flow 1.0 m of available hydraulic load. During Phase 1-B, it was evident that there is a back pressure in the biflow filtration, which tends to reduce the available hydraulic load in the same system. In Phase 2, with an available hydraulic load of 1.75 m, the filtration runs lasted 5.50 h until the first intermediate injection bottom discharge (DFI) was performed. The career extension was 63% with the use of DFIs, reaching an effective production of 90.8%. After 42 hours of total filtration (14 rows), the obstruction of the nozzle used for the filtrate drainage was detected. This occurrence was essentially associated with the fact that the minimum diameters of the filtering materials were smaller than the opening of the grooves through which the water enters the piece. Filtered water had an average turbidity result of 0.90 uT in Phase 1-A and 0.76 uT in Phase 2, which is not appropriate for the standards of the applicable legislation as the raw water used is not suitable for direct filtration technology, given its high concentration of phytoplankton. Rapid biflow filter has shown the potential to be an advantageous option, especially in terms of deployment costs and required area because its filtration rate is considerably higher than that of single flow filters.