Regimes operacionais
Podem trabalhar com fluidos ascendentes ou descendentes, sendo estes últimos muito mais comuns. No caso de dispositivos de fluxo descendente, o fluido pode fluir sob pressão ou apenas por gravidade. Filtros de leito de areia de pressão são comumente usados em aplicações industriais e são frequentemente chamados de filtros rápidos de leito de areia. Unidades alimentadas por gravidade são usadas na purificação de água, especialmente água potável, e esses filtros têm ampla utilização em países em desenvolvimento (filtros lentos de areia).
Em geral, existem várias categorias de filtros de leito de areia:
O diagrama ilustra a estrutura geral de um filtro de areia de pressão rápida. A areia do filtro ocupa a maior parte do espaço da câmara. Ele fica sobre um fundo de bicos ou sobre um sistema de drenagem que permite o escape da água filtrada. A água bruta pré-tratada entra na câmara do filtro pela parte superior, flui através do meio filtrante e o efluente é drenado através do sistema de drenagem na parte inferior. Grandes plantas de processo também possuem um sistema para distribuir uniformemente a água bruta para o filtro. Além disso, geralmente é incluído um sistema de distribuição que controla o fluxo de ar. Este sistema permite uma distribuição constante de ar e água e evita caudais de água excessivamente elevados em áreas específicas. Uma distribuição típica de grãos ocorre devido à retrolavagem frequente. Os grãos de menor diâmetro predominam na parte superior da camada de areia, enquanto os grãos grossos dominam nas partes inferiores.
Dois processos que influenciam a funcionalidade de um filtro são a maturação e a regeneração.
No início de uma nova operação de filtragem, a eficiência do filtro aumenta simultaneamente com o número de partículas capturadas no meio. Este processo é chamado de maturação do filtro. Durante a maturação do filtro, o efluente pode não atender aos critérios de qualidade e deve ser reinjetado em etapas anteriores da planta.[6] Os métodos de regeneração permitem a reutilização do meio filtrante. Os sólidos acumulados no leito do filtro são removidos. Durante a retrolavagem, a água (e o ar) são bombeados de volta através do sistema de filtro. A água de retrolavagem pode ser parcialmente reinjetada antes do processo de filtragem e o efluente gerado deve ser descartado. O tempo de retrolavagem é determinado pelo valor de turbidez atrás do filtro, que não deve exceder um limite definido, ou pela perda de pressão através do meio filtrante, que não deve exceder um valor definido.
Grãos de areia menores proporcionam maior área superficial e, portanto, maior descontaminação da água de entrada, mas também requerem mais energia de bombeamento para conduzir o fluido através do leito. Um compromisso é que a maioria dos filtros de leito de areia de pressão rápida utilizam grãos na faixa de 0,6 a 1,2 mm, embora para aplicações especializadas outros tamanhos possam ser especificados. Partículas de alimentação maiores (>100 micrômetros) tenderão a bloquear os poros do leito e transformá-lo em um filtro de superfície que obstrui rapidamente. Grãos de areia maiores podem ser usados para superar esse problema, mas se houver quantidades significativas de sólidos grandes na alimentação, eles devem ser removidos antes do filtro do leito de areia por um processo como a decantação:[5] 302-303.
Recomenda-se que a profundidade do leito de areia seja de cerca de 0,6-1,8 m, independentemente da aplicação. Isso está relacionado ao desempenho máximo discutido abaixo.[5].
As orientações sobre o projeto de filtros rápidos de leito de areia sugerem que eles devem operar com uma vazão máxima de 9 m3/m2/hora.[7] A partir da vazão necessária e da vazão máxima, a área de superfície do leito necessária pode ser calculada.
O último ponto chave do projeto é garantir que o fluido seja adequadamente distribuído por todo o leito e que não haja caminhos preferenciais de fluido onde a areia possa ser arrastada e o filtro comprometido.
Os filtros de leito de areia de pressão rápida normalmente operam com uma pressão de alimentação de 2 a 5 bar(a) (28 a 70 psi(a)). A queda de pressão em um leito de areia limpo é geralmente muito baixa. Aumenta à medida que as partículas sólidas são capturadas no leito. As partículas sólidas não são capturadas uniformemente com a profundidade, mas são capturadas mais no topo do leito e o gradiente de concentração decai exponencialmente.[5].
Este tipo de filtro captura partículas até tamanhos muito pequenos e não possui um tamanho de corte real abaixo do qual as partículas sempre passam. O formato da curva de eficiência do tamanho das partículas do filtro é em forma de U com altas taxas de captura de partículas para as partículas menores e maiores, com uma gota no meio para partículas de tamanho médio.[7]
O acúmulo de partículas sólidas provoca um aumento na pressão perdida através do leito para uma determinada vazão. Em um leito alimentado por gravidade, quando a pressão disponível é constante, a vazão diminui. Quando a perda de pressão ou a taxa de fluxo são inaceitáveis e o filtro não funciona mais de forma eficaz, o leito é retrolavado para remover as partículas acumuladas. No caso de um filtro rápido de leito de areia pressurizado, isso ocorre quando a perda de pressão é de cerca de 0,5 bar. O fluido de retrolavagem é bombeado de volta através do leito até fluidificar e expandir em até 30% (os grãos de areia começam a se misturar e, ao serem friccionados, expelem as partículas sólidas). Partículas sólidas menores são removidas com o fluido de retrolavagem e normalmente são capturadas em um tanque de decantação. O fluxo de fluido necessário para fluidizar o leito é normalmente de 3 a 10 m/m/h, mas não dura muito (alguns minutos).[5] Pequenas quantidades de areia podem ser perdidas no processo de retrolavagem e pode ser necessário reabastecer o leito periodicamente.
Como o título indica, a taxa de filtração é modificada no filtro de areia lento, porém, a maior diferença entre o filtro de areia lento e rápido é que a camada superior de areia é biologicamente ativa, à medida que comunidades microbianas são introduzidas no sistema. A profundidade de filtro recomendada e usual é de 0,9 a 1,5 metros. A camada microbiana se forma dentro de 10 a 20 dias a partir do início da operação. Durante o processo de filtração, a água bruta pode filtrar através do meio poroso de areia, parando e retendo matéria orgânica, bactérias, vírus e cistos como Giardia e Cryptosporidium. O procedimento de regeneração para filtros de areia lentos é chamado de pigging e é usado para remover mecanicamente partículas secas do filtro. Porém, este processo também pode ser realizado debaixo d'água, dependendo de cada sistema. Outro fator limitante da água a ser tratada é a turbidez, que para filtros de areia lentos é definida como 10 NTU (Unidades Nefelométricas de Turbidez). Filtros de areia lentos são uma boa opção para operações com orçamento limitado, pois a filtração não utiliza produtos químicos e requer pouca ou nenhuma assistência mecânica. Contudo, devido ao contínuo crescimento populacional nas comunidades, os filtros de areia lentos estão a ser substituídos por filtros de areia rápidos, principalmente devido à duração do período de funcionamento.
A retrolavagem contínua ou filtro de areia de fluxo ascendente é o mais novo regime operacional. A diferença mais clara em relação aos anteriores é que a água a ser filtrada é alimentada por baixo e a água filtrada é obtida por cima. Este fluxo reverso permite que o processo de lavagem em contracorrente seja integrado ao processo de filtração, reduzindo assim a quantidade de água de lavagem a ser utilizada e reduzindo o tempo de limpeza. A carga máxima é de cerca de 5,4 lps/m com uma perda de carga constante de 0,6 m.[8].
Filtros que possuem diferentes camadas de filtro são chamados de filtros de leito misto ou filtros multimídia. Areia é um material de filtro comum, mas antracite, carvão ativado granular (GAC), granada e ilmenita também são materiais de filtro comuns. A antracite é um material mais duro e menos volátil que outros carvões. Ilmenita e granada são mais pesadas que areia. A granada é composta por vários minerais, o que provoca uma mudança na cor vermelha. Ilmenita é um óxido de ferro e titânio. O GAC pode ser usado no processo de adsorção e filtração ao mesmo tempo. Esses materiais podem ser usados sozinhos ou em combinação com outros meios. Mas as camadas do filtro serão sempre ordenadas por densidade, os compostos mais pesados ficarão na parte inferior, enquanto os mais leves ficarão no topo. Diferentes combinações proporcionam uma classificação de filtro diferente e também uma porosidade diferente em todo o filtro, o que se traduz em uma queda de pressão diferente. Um arranjo muito comum para esses filtros é composto por: antracito na parte superior, areia e granada, com suporte de cascalho na parte inferior. A profundidade destes filtros é geralmente entre 0,6-1 m, acima de 1 m a perda de pressão aumenta muito e abaixo de 0,6 m a espessura de cada camada filtrante é reduzida, reduzindo assim a sua eficácia. O fluxo operacional nominal e a queda de pressão estão entre 3-7 gpm/ft e 3-7 psi. Quando a queda de pressão aumenta acima de 10 psi, é necessária uma operação de retrolavagem, que consiste em inverter o fluxo (a água sobe) para remover partículas presas no meio filtrante, e esta sairá pela parte superior do filtro com a água de retrolavagem. Normalmente, a retrolavagem é cerca de 3 vezes o fluxo normal do filtrado (deve ser alta o suficiente para levantar o meio filtrante e remover as partículas presas nele). Monomedia é um filtro de camada única, comumente composto de areia e hoje substituído por tecnologia mais recente. A monomídia de leito profundo também é um filtro de camada única composto de antracite ou GAC. O filtro monomídia de leito profundo é usado quando a qualidade da água é consistente e proporciona maior tempo de funcionamento. A mídia dupla (duas camadas) geralmente contém uma camada de areia na parte inferior e uma camada de antracite ou CAG na parte superior. Trimedia ou mídia mista é um filtro com três camadas. A Trimídia geralmente contém granada ou ilmenita na camada inferior, areia no meio e antracite na camada superior.