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DETERMINAÇÃO DA GRANULOMETRIA DE AREIAS DE
FILTROS INDUSTRIAIS PARA O TRATAMENTO DE ÁGUA
Resumo: Dada a importância da etapa de filtração em Estações de Tratamento de água, objetivou-se
neste trabalho analisar a distribuição granulométrica de amostras de areias empregadas nos filtros
de uma indústria de beneficiamento de arroz da Região da Campanha para o tratamento da água de
processo. Para realizar uma comparação de resultados, também efetuou-se neste trabalho a análise
da distribuição granulométrica de amostras de areias de filtros de piscina. A justificativa para este
trabalho está em um futuro estudo da influência da granulometria de areias sobre a eficiência da
filtração no tratamento da água de processo, assim como a proposta de melhorias nos filtros da
Estação de Tratamento de Água da empresa. Os resultados obtidos na análise granulométrica das
amostras de areias demonstraram que todas as amostras de areias analisadas, com exceção da areia
de piscina, não apresentam uma granulometria definida, podendo ser considerada como uma mistura
de areias de diferentes granulometrias. A atuação do grupo de trabalho promoverá a reavaliação do
filtro e seu leito, que compõem a estação de tratamento de águas da referida empresa, propondo
melhorias e enfatizando a necessidade da existência de camadas de areia grossa, média e fina com
granulometrias bem definidas, buscando melhorias no tratamento de água de processo industrial,
atendendo a Legislação vigente.
Palavras-chave: Areia, Granulometria,Filtros industriais.
DETERMINATION OF PARTICLE SIZE OF SANDS OF FILTERS
FOR INDUSTRIAL WATER TREATMENT
Abstract: Given the importance of the filtration step in water treatment plants , this study
aimed to analyze the particle size distribution of samples of sand filters employed in a rice
processing industry of the Region Campaign for the treatment of process water. To compare
the results , also made in this work to analyze the particle size distribution of samples of sand
pool filters . The rationale for this work is in a future study of the influence of particle size on
the efficiency of sand filtration in treatment of process water , as well as the proposed
improvements in the filters of the company's Water Treatment Plant . The results of the
granulometric analysis of the samples showed that all sand sand samples analyzed , with the
exception of the sand pool , do not have a defined particle size , which can be considered as a
mixture of sands of different granulometries . The activities of the working group will promote
the revaluation of the filter and its bed , which make up the water treatment plant of this
company, proposing improvements and emphasizing the need for the existence of layers of
coarse , medium and fine sand with well-defined particle sizes , seeking improvements in the
treatment of process water, given the current legislation.
Keywords: Sand, Grain size, Industrial filters.
1. INTRODUÇÃO
A água é um elemento fundamental em praticamente todos os setores industriais e seu
tratamento é uma atividade primordial para garantir a qualidade da água. Incentivadas por razões
econômicas, diversas empresas passaram a conduzir programas de gestão dos seus recursos hídricos,
implementando projetos de reuso, redução de perdas e racionalização do uso, obtendo reduções
expressivas do consumo de água e dos lançamentos de efluentes líquidos ao meio ambiente.
O tratamento de água industrial é um processo de adequação da água bruta, geralmente
proveniente de rios, lagos ou barragens, às condições necessárias ao processo. O tratamento da água
deve ser orientado por um profissional da área, como um engenheiro químico, engenheiro ambiental,
químico ou técnico químico, tomando os cuidados necessários para que os parâmetros biológicos,
físicos e químicos sigam a legislação vigente.
Especificamente em uma indústria de parboilização de arroz faz-se necessário à obtenção
de água de processo que atendam os limites estabelecidos para água potável, pois será utilizada em
contato direto com o alimento.
Segundo Richter e Netto, 2000, água potável é uma água própria para o consumo
humano, cujos parâmetros microbiológicos físicos, químicos e radioativos atendam os padrões de
potabilidade e que não ofereça riscos à saúde. Esses padrões de potabilidade podem ser determinados
pela Portaria 2914/2011 do Ministério da Saúde.
A água possui um importante papel na indústria de parboilização de arroz. A utilização da
água na Indústria de Alimentos pode compreender os seguintes usos (Metcalf e Eddy, 1991):
a) Consumo humano: água utilizada em ambientes sanitários, vestiários, cozinhas,
refeitórios, bebedouros, equipamentos de segurança (hidrante, lava-olhos).
b) Encharcamento e Parboilização: utilização da água para encharcar e realizar a
parboilização do arroz (pré-cozimento do grão);
c) Geração de vapor: a água tratada na ETA (Estação de Tratamento de Água) da empresa
segue para caldeiras para ser transformada em vapor.
A parboilização do arroz é um processo hidrotérmico no qual o arroz com casca é imerso
em água potável numa temperatura acima de 58 ºC, seguidos de gelatinização parcial ou total do
amido e secagem (ELIAS et al. 2010).
A água utilizada no processo de parboilização é proveniente de uma barragem e precisa
passar por um tratamento para se tornar potável e livre de qualquer contaminante que possa interferir
no alimento. Para tanto, a empresa contém uma ETA que segue as etapas coagulação, floculação,
decantação e filtração.
Braga, 2005 define resumidamente as seguintes etapas:
Coagulação: onde a água entra nos tanques na sua forma bruta (proveniente das
barragens) e recebe uma determinada quantidade de sulfato de alumínio, numa certa agitação, para que
se formem flocos aderidos as partículas indesejáveis.
Floculação: a água é proveniente da etapa de coagulação. Na floculação adiciona-se um
polímero com dose conhecida, para que as partículas sólidas se aglutinem e formem flocos maiores.
Essa etapa deve ocorrer sob agitação lenta.
Decantação: A água proveniente da floculação é introduzida em decantadores, onde os
flocos com impurezas e partículas por ação da gravidade são depositados no fundo, separando-se da
água.
Filtração: A água proveniente dos decantadores segue para filtros de areia. Filtros de areia
consistem, basicamente, em tanques ou reservatórios cilíndricos metálicos ou de poliéster, em cujo
interior se coloca espessas camadas de areias, com granulometrias diferentes. Essas camadas devem
ser separadas por telas, para que não sejam misturadas durante a filtração. A água passa entre as
camadas e é então filtrada. Esses filtros operam pressurizados quando utilizados em grandes
empresas, necessitando de dimensionamento mecânico correto, baseado na teoria de vasos de pressão,
para evitar a ruptura de suas paredes às pressões de trabalho. Sua função é reter as partículas sólidas
que não decantaram, obtendo assim uma água limpa, sem cheiro e pronta para ser utilizada na
produção.
O desempenho superior do filtro de areia em reter material orgânico, comparado com
outros tipos de filtro, se deve a sua capacidade de coletar esses contaminantes ao longo da trajetória
percorrida na camada de areia e da possibilidade de acumular grandes quantidades de algas antes de
ser necessária a sua limpeza (KELLER e BLIESNER, 1990).
Para Haman et al.,1994, a eficiência de filtração dos filtros de areia é medida pela sua
capacidade de remover partículas de um determinado tamanho, e seu valor aumenta com a redução da
Pg
2
granulometria do elemento. Areias muito grossas podem resultar em filtração ineficiente e permitir o
entupimento dos emissores, enquanto areias muito finas podem entupir rapidamente seus poros e
requerer retrolavagens frequentes.
No Brasil, não existem normas específicas para a caracterização de material filtrante
utilizado em filtros de areia, havendo somente a norma EB-2097 (ABNT, 1990), que fixa as condições
para recebimento e colocação de areia, antracito e pedregulho como camada suporte em filtros de
abastecimento público de água.
Para quantificar a granulometria da areia calcula-se o Diâmetro Médio de Sauter.
Esse diâmetro é obtido pela divisão da fração mássica da areia retida em uma peneira, com
granulometria conhecida, pelo diâmetro da abertura dos poros da peneira (POZZA et al,
2005). Na prática o Diâmetro Médio de Sauter (dS) representa o tamanho das partículas cuja
superfície específica é a média de todas as partículas da amostra e pode ser obtido com a
equação 1, a seguir.
(1)
Onde: dS é o diâmetro médio de Sauter, xi é a fração mássica retida em cada peneira e di é
diâmetro da abertura dos poros da peneira.
A filtração é uma operação unitária que consiste na separação de uma fase sólida de uma
fase fluida (líquida ou gasosa), passando esta última através de um meio permeável e poroso. O meio
poroso denomina-se meio filtrante e tem como função reter a fase sólida. O fluido que passa através do
meio filtrante é denominado filtrado (CREMASCO, 2012).
A filtração com o uso de sólidos granulares é uma operação unitária de tratamento de
águas bastante antiga, inicialmente adotada na remoção de turbidez da água potável. A partir do século
XIX, na Europa e nos Estados Unidos, passou a ser aproveitado também na depuração de esgotos. O
funcionamento deste sistema baseia-se na separação da fase particulada do afluente e/ou efluente por
meio da sua percolação em um leito de granular. Durante a percolação, a purificação ocorre pela
retenção da fase particulada do afluente e/ou efluente nos poros interpartículas do leito granular
(FOUST et al, 1982). Materiais que podem ser utilizados como meio filtrante (leito granular), conjunta
ou isoladamente, são as areias fina, média, grossa, pedregulho ou pedra britada.
Os filtros de sólidos granulares devem ser operados de modo a manter os poros
interpartículas na condição não saturada. Para tanto, devem ser previstas nas indústrias períodos de
intermitência do processo que tem como meta realizar as etapas de limpeza, através da retrolavagem
para a remoção da fase particulada retida no meio filtrante, ou até mesmo substituição do meio
filtrante quando esses estiverem saturados/degradados e causando um excessivo retardamento na
velocidade de filtração do afluente e/ou efluente (GEANKOPLIS, 1998).
Segundo Pizarro Cabelo, 1996, o processo de retenção de sólidos suspensos no meio
granular ou poroso ocorre por meio de três ações distintas:
1. Peneiramento ou coamento: que é um fenômeno superficial que retém partículas de
tamanho superior aos poros.
2. Sedimentação: a passagem da água pelos poros permite que cada espaço poroso
funcione como um pequeno decantador, favorecido pela redução da velocidade da
água.
3. Adesão e coesão: o contato entre uma partícula em suspensão com o grão do material
filtrante ou sedimentos cria forças de atração elétrica, o que explica como os filtros
retêm partículas muito menores que o tamanho dos poros.
Essas formas de ação do meio poroso na retenção de partículas sólidas são confirmadas
por Vermerein e Jobling, 1984, que esclarecem que, durante a passagem da água pela areia, as
partículas podem ser absorvidas pelos grãos, aglomerar-se em partículas maiores e depositar-se por
processo idêntico à decantação.
A importância da definição do valor da vazão que passará através do meio poroso é
justificada por Keller e Bliesber, 1990, que afirmam que, para uma dada qualidade de água e tipo de
meio poroso, o tamanho das partículas que passam pelo filtro sem serem retidas, aumenta com o
aumento da vazão. Vermerein e Jobling, 1984 afirmam que, quanto menor a vazão por unidade de
superfície, melhor é o processo de filtração.
Pg
3
Dada a importância da etapa de filtração em ETA’s, objetivou-se neste trabalho analisar a
distribuição granulométrica de amostras de areias empregadas nos filtros de uma indústria de
beneficiamento de arroz da Região da Campanha para o tratamento da água de processo. Também
efetuou-se neste trabalho a análise da distribuição granulométrica de amostras de areias de filtros de
piscina para uma comparação com os dados obtidos nas análises de distribuição granulométrica das
areias dos filtros industriais. A justificativa para este trabalho está em um futuro estudo da influência
da granulometria de areias sobre a eficiência da filtração no tratamento da água de processo, assim
como a proposta de melhorias que serão implantadas no meio filtrante contido na ETA da referida
empresa.
2. METODOLOGIA
As amostras de areias utilizadas para o desenvolvimento deste estudo foram uma amostra
de filtro areia de piscina, adquirida do mercado local e as demais amostras obtidas em uma indústria
de beneficiamento de arroz da Região da Campanha.
Dessas amostras obtidas na empresa, uma é de areia saturada (obtida na manutenção dos
filtros como areia de descarte, já utilizada no processo de filtração) e as amostras de areias industriais
Tipo 1 e Tipo 2 que ainda não foram utilizadas no processo (obtidas no almoxarifado da empresa
como areias de reposição).
Para a retirada da umidade das areias, todas as amostras foram submetidas à secagem
prévia em estufa operando na temperatura de 105,5 °C durante o tempo de 24 h, método gravimétrico
proposto pela Association of Oficial Analytical Chemists (AOAC, 1997) e amplamente
utilizado.
Para a obtenção dos dados granulométricos foi usado um agitador eletromagnético de
peneiras visualizado na Figura 1 (a) e um conjunto de peneiras (8, 12, 14, 24 e 60 mesh), visualizado
na Figura 1 (b) e uma balança analítica, visualizada na Figura 2.
Figura 2 – Balança Analítica
Fonte: Autor.
Figura 1 – Agitador magnético com conjunto de peneiras
Fonte: Autor
Para os ensaios de peneiras utilizou-se aproximadamente 500 g de cada amostra de areia,
sendo essa massa agitada por um intervalo de tempo de 15 minutos na frequência máxima do
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4
equipamento. Após a agitação foi desmontado o conjunto de peneiras e realizada a pesagem de cada
uma das peneiras, para verificar a fração retida nas mesmas.
Os resultados obtidos nos experimentos foram analisados através da curva de análise
granulométrica diferencial. Também foi obtido o diâmetro médio de Sauter, através da equação (1)
para cada amostra de areia analisada.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os valores de frações mássicas de cada amostra de areia que foram retidas nas peneiras com
diferentes aberturas, pode ser visualizado na Tabela 1, a seguir, juntamente com os valores do
diâmetro médio de Sauter, previamente calculados.
Abertura da
Peneira
(mesh)
8
12
14
24
60
fundo
Tabela 1 – Valores de frações mássicas de areia retidas em cada peneira.
Fração retida da Fração retida da Fração retida da Fração retida da
areia de piscina
areia saturada
areia tipo 1
areia tipo 2
(xi)
(xi)
(xi)
(xi)
0,0000399
0,00421
0,000491
0,000359
0,0615
0,4348
0,359
0,229
0,192
0,124
0,145
0,123
0,5421
0,366
0,455
0,551
0,199
0,0632
0,033
0,0962
0,00505
0,00771
0,00137
0,000179
Diâmetro médio
de Sauter (dS)
0,842224
1,140383
1,169828
1,003218
A partir dos valores do dS,verifica-se que a areia que apresenta menor granulometria é a
areia de piscina, podendo ser considerada uma areia fina. Também se verifica que a areia do Tipo 1 e
do Tipo 2, apresentam uma granulometria muito próxima, não sendo o padrão para ser utilizada nos
filtros industriais. Seria melhor para elevar a eficiência dos filtros, que fossem utilizadas amostras de
areia com granulometrias bem diferentes e definidas. Outro fator verificado foi o elevado valor do dS
para a areia saturada, esse fato pode ser explicado pois a mesma absorveu resíduos, durante o tempo
em que esteve em uso, aumentando seu diâmetro.
Com os valores da Tabela, foi possível construir as curvas diferenciais das amostras
retidas, apresentadas na Figura 1. Essas curvas são essenciais para a real visualização da granulometria
apresentada pela amostra.
0,6
0,5
xi
0,4
Areia Piscina
0,3
Areia Saturada
Areia Tipo 1
0,2
Areia Tipo 2
0,1
0
0
1
2
Diâmetro (mm)
Figura 1 – Curvas diferenciais das amostras retidas.
Pg
5
Na Figura 1, observa-se que a areia de piscina apresenta um comportamento peculiar a
sólidos particulados com granulometria definida, representado por apenas um ponto de máximo na
curva, este comportamento pode ser confirmado na literatura (RODRIGUES, 2005; CREMASCO,
2012).
Nota-se também que as demais amostras de areias apresentaram um comportamento
semelhante entre si, onde se verificam a presença de dois pontos de máximo, indicando a presença de
duas granulometrias diferentes na mesma amostra, configurando uma mistura de duas areias com duas
granulometrias definidas.
Quanto a comparação das areias tipo 1 e 2 observa-se que a areia tipo 1 apresenta
aproximadamente 45% das partículas com diâmetros de 1 mm, 35% das partículas com diâmetros de 2
mm e as demais partículas com diâmetros próximos a esses valores, enquanto a areia tipo 2 apresenta
aproximadamente 55% das partículas com diâmetros de 1 mm, 25% das partículas com diâmetros de 2
mm e as demais partículas com diâmetros próximos a esses valores. Essas areias são impróprias para
serem utilizadas como areia de reposição, uma vez que já é caracterizada por uma mistura de areias
com diferentes granulometrias.
Outro fator notado na Figura 1 é com relação a areia saturada, que apresenta
aproximadamente 45% do diâmetro de partículas ao redor de 2 mm, sendo a areia que apresentou
maior quantidade de partículas com diâmetro maior, quando comparada com as outras areias. Esse fato
pode ser explicado, pois a areia ficou impregnada com impurezas durante o período em que
permaneceu no interior do filtro, aumentando o diâmetro das partículas.
4. CONCLUSÕES
Foi realizada uma análise granulométrica das amostras de areia utilizadas no utilizadas
por indústria de beneficiamento de arroz parboilizado, sendo uma amostra de areia saturada, amostras
de areias industriais Tipo 1 e Tipo 2 que ainda não foram utilizadas, juntamente com uma amostra de
areia de piscina para efeito de comparação.
Essa análise mostrou que as areias apresentaram comportamento e granulometrias
diferentes. A partir dos valores do dS,verifica-se que a areia que apresenta menor granulometria é a
areia de piscina e a areia com granulometria mais elevada foi a areia Tipo 1. As granulometrias das
areias Tipo 1, Tipo 2 e Areia Saturada apresentaram valores muito próximos, não sendo o padrão para
ser utilizada nos filtros industriais. Seria melhor para elevar a eficiência dos filtros, que fossem
utilizadas amostras de areia com granulometrias bem diferentes e definidas.
Outro fator observado nessa análise é quanto a granulometria, ondetodas as amostras de
areias analisadas, com exceção da areia de piscina, não apresentam uma granulometria definida,
podendo ser considerada como uma mistura de areias de diferentes granulometrias.
A amostra de areia empregada em filtro para piscinas, utilizada para uma comparação,
apresentou o comportamento típico esperado, demonstrando um diâmetro bem definido, representado
por apenas um ponto de máximo na curva diferencial granulométrica.
A areia saturada apresentou aproximadamente 45% do diâmetro de partículas ao redor de
2 mm, sendo a areia que apresentou maior quantidade de partículas com diâmetro maior, quando
comparada com as outras areias. Esse fato pode ser explicado, pois a areia ficou impregnada com
impurezas durante o período em que permaneceu no interior do filtro, aumentando o diâmetro das
partículas.
Provavelmente, o emprego de leito filtrante composto por areia de diferentes
granulometrias misturadas, esteja influindo na qualidade do tratamento de água de processo da
indústria.
A atuação do grupo de trabalho promoverá a reavaliação do filtro e seu leito, que
compõem a estação de tratamento de águas da referida empresa, propondo melhorias e enfatizando a
necessidade da existência de camadas de areia grossa, média e fina com granulometrias bem definidas,
buscando melhorias no tratamento de água de processo industrial, atendendo a Legislação vigente para
água potável.
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Pg
6
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