23º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental
I-083 - 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: 05508-900. email: [email protected]
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 m3/m2/dia a 1.400 m3/m2/dia, de
modo a permitir uma maior flexibilidade do mesmo.
PALAVRAS-CHAVE: Tratamento de água, carvão ativado granular, fluidificação, expansão, sistemas
adsorvedores.
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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 m3/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
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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.
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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
CARBOMAFRA
FILTRASORB-820
Carbono Ativado 119
Importado
Nacional
Beta WD
Nacional
Carbo Activ
Nacional
ASS 780
Nacional
BRASILAC
BRASCARBO
PAIOL
Mineral (Betuminoso)
Vegetal
(CASCA DE COCO)
Vegetal
(Nó de pinho)
VEGETAL
(CASCA DE COCO)
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.
•
3
(2)
(%)
volume vazios int ernos
volume de partícula
(3)
Massa Específica em Filtro.
massa de carvão + água interna
volume ocupado
(g / cm )
3
(4)
Massa Específica Aparente Seca.
ρ apf =
•
(g / cm )
massa de carvão
volume de partícula
ρ apf =
•
(1)
Porosidade Interna.
εp =
•
3
Massa Específica da Partícula.
ρ pc =
•
(g / cm )
massa de carvão
volume de material
ρm =
massa de carvão
volume ocupado
(g / cm )
3
(5)
Porosidade.
ε0 =
volume intergranular
volume ocupado
(%)
(6)
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;
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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.
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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.
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Tabela 2 – Curva granulométrica dos CAG´s fornecidos pela BRASCARBO, PAIOL e CALGON
FORNECEDORES
BRASCARBO
PAIOL
CALGON
Granulometria
Peneira
Abert. (mm)
10
2
16
1,2
30
0,6
40
0,42
50
0,30
100
0,15
200
0,075
FUNDO
48,99%
7,79%
0,25%
0,13%
0,09%
0,06%
0,03%
0,00%
99,75%
70,94%
1,23%
0,36%
0,25%
0,14%
0,09%
0,00%
69,87%
4,58%
0,39%
0,34%
0,23%
0,18%
0,11%
0,00%
Tabela 3 – Curva granulométrica dos CAG´s fornecidos pela BRASILAC, CARBOMAFRA e NORIT
FORNECEDORES
BRASILAC
CARBOMAFRA
NORIT
Granulometria
Peneira
Abert. (mm)
10
2
16
1,2
30
0,6
40
0,42
50
0,30
100
0,15
200
0,075
FUNDO
98,82%
33,77%
0,26%
0,10%
0,06%
0,04%
0,02%
0,00%
98,83%
68,32%
17,17%
1,76%
0,35%
0,10%
0,05%
0,00%
83,33%
22,75%
0,18%
0,11%
0,08%
0,05%
0,02%
0,00%
Com base nos resultados experimentais obtidos, foram determinados os valores dos coeficientes de
uniformidade, diâmetro efetivo e d90 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, d60 e d90 calculados para os CAG´s cedidos
pelos fornecedores
FORNECEDOR
Diâmetro efetivo
d60 (mm)
Coef.
d90 (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.
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100,00%
90,00%
Material que passa (mm)
80,00%
70,00%
brascarbo
paiol
60,00%
calgon
50,00%
brasilac
40,00%
carbomafra
30,00%
norit
20,00%
10,00%
0,00%
0,01
0,1
1
10
Diâmetro (mm)
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 ETAABV, recomenda-se que nas trocas de material que porventura venham a ocorrer no futuro, todo o sistema
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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
Massa específica da
Porosidade
FORNECEDOR
Massa específica do
partícula (kg/m3)
interna
material (kg/m3)
BRASCARBO
1.810
880
0,51
PAIOL
1.910
570
0,70
CALGON
1.700
860
0,50
BRASILAC
1.630
500
0,69
CARBOMAFRA
1.650
830
0,50
NORIT
1.670
780
0,53
Tabela 6 – Índices físicos determinados experimentalmente para os CAG´s fornecidos pelos fabricantes
Massa específica
FORNECEDOR
Massa específica
Massa específica
Porosidade
em filtro (kg/m3) aparente em filtro
aparente seca
(kg/m3)
(kg/m3)
BRASCARBO
1.400
640
400
0,45
PAIOL
1.270
530
230
0,41
CALGON
1.360
740
470
0,55
BRASILAC
1.190
490
210
0,42
CARBOMAFRA
1.320
620
390
0,47
NORIT
1.310
720
430
0,55
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
1.190 kg/m3, sendo que o CAG cedido pela BRASCARBO apresentou o maior valor, 1.400 kg/m3.
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.
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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/m3 e 470 kg/m3, 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
Expansão (%)
60,0
50,0
40,0
30,0
20,0
10,0
0,0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
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 1.200 m3/m2/dia a 1.400 m3/m2/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 m3/m2/dia a 700 m3/m2/dia.
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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 m3/m2/dia a 800 m3/m2/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
Re MF = (33,7 )2 + 0,0408.Ga 2 − 33,7
Re MF =
V MF .d v
ν
(7)
(8)
GA = número de Galileu.
REMF = 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:
n
V MF =
∑ 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( A1 ) = 0,56543 + 1,09348. log( Re1 ) + 0,17979.(log( Re1 )) 2
− 0,00392.(log( Re1
(10)
))4 − 1,5.(log( Ψ )) 2
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A1 =
3 . ρ .( ρ − ρ ). g
ε exp
p
(11)
(1 − ε exp ) 2 . SV3 .μ 2
Re1 =
V .ρ
SV .(1 − ε exp ).μ
(12)
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 12.
Velocidade mínima de fluidificação
(m3/m2/dia)
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
Carbomafra
Norit
CAG
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.
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180
Valores calculados
160
Valores observados
Expansão (%)
140
120
100
80
60
40
20
0
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
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.
90
Valores calculados
80
Valores observados
70
Expansão (%)
60
50
40
30
20
10
0
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
Velocidade ascencional de água de lavagem (m 3/m 2/dia)
Figura 8 – Valores de velocidade mínima de fluidificação calculada e observada para o CAG fornecido
pela NORIT.
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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 m3/m2/dia a 1.400 m3/m2/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.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
AMERICAN WATER WORKS ASSOCIATION. Water quality and treatment. 5.ed. New York, McGraw
Hill, 2000.
DHARMARAJAH, A.H.; CLEASBY, J.L. Predicting the expansion behaviour of filter media. Journal
American Water Works Association, p.66-76, December, 1986.
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. 1993. São Paulo, Brasil.
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, 1995. Resumos. Rio de Janeiro, ABES, 1995 p.60.
GRAESE, S.L., SNOEYINK, V.L., LEE, R.G. Granular activated carbon filter-adsorber systems. Journal
American Water Works Association, p.64-73, December 1987.
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.223-228, April
1977.
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, 1986.
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