tese
Parametrização das operações de filtração e retrolavagem de um filtro de areia comercial
Carregando...
Notas
Arquivo retido a pedido da autoria, até outubro de 2027.
Data
Autores
Orientadores
Editores
Coorientadores
Membros de banca
Título da Revista
ISSN da Revista
Título de Volume
Editor
Universidade Federal de Lavras
Faculdade, Instituto ou Escola
Escola de Engenharia (EENG)
Departamento
Programa de Pós-Graduação
Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos
Agência de fomento
Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de nível Superior (CAPES)
Tipo de impacto
Sociais
Tecnológico
Econômicos
Tecnológico
Econômicos
Áreas Temáticas da Extensão
Tecnologia e produção
Objetivos de Desenvolvimento Sustentável
ODS 9: Indústria, inovação e infraestrutura
Dados abertos
Resumo
O filtro de areia possui duas formas de operação independentes, mas complementares, conhecidas como filtração e retrolavagem. Estudos demonstram que uma gama de fatores interfere nessas operações, dificultando o uso correto do equipamento. Deste modo, dividida em duas partes gerais, esta pesquisa aborda aspectos técnicos e científicos acerca da definição dos parâmetros de filtração e retrolavagem de um filtro de areia comercial da Hidrosolo modelo FA07. Na primeira parte, é apresentada a introdução geral ao tema em estudo com os objetivos e hipóteses. A segunda parte é composta por três artigos científicos. No primeiro artigo, objetivou-se utilizar redes neurais artificiais para modelar a perda de pressão e a eficiência de remoção da filtração. Os testes experimentais abrangeram três granulometrias de areia sílica (fina, média e grossa) e quatro taxas de filtração (20, 40, 60 e 75 m h⁻¹). Três redes neurais artificiais (ANN1, ANN2 e ANN3) foram construídas para definir a duração do ciclo de filtração, a perda de pressão e o volume filtrado. A ANN1 foi baseada na modelagem da perda de pressão através do filtro, enquanto ANN2 e ANN3 foram baseadas nos sólidos suspensos no efluente. As variáveis utilizadas foram a taxa de filtração, o volume filtrado, a granulometria, os sólidos suspensos e a perda de pressão. A ANN1 apresentou bom desempenho com a arquitetura 5-4-1. O aumento na taxa de filtração reduziu a duração do ciclo de filtração, enquanto o aumento no tamanho dos grãos prolongou a duração do ciclo. As redes ANN2 e ANN3 apresentaram desempenho limitado e, portanto, foram descartadas. No segundo artigo, objetivou-se avaliar a influência do projeto construtivo do sistema de drenagem no comportamento hidráulico do processo de retrolavagem. Foram usadas duas alturas de camada filtrante (0,15 e 0,30 m) e três modelos de dreno: dreno cilíndrico — correspondente ao modelo original do fabricante; cônico; e um dreno proposto — correspondente ao resultado de desenvolvimento utilizando fluidodinâmica computacional. A expansão do leito foi similar entre o dreno original e proposto para ambas as alturas de camada filtrante. A maior eficiência de expansão da camada foi observada para o dreno cônico na altura de 0,15 m. O dreno proposto apresentou menor perda de pressão com o filtro vazio, mas os valores foram semelhantes quando preenchido com a camada filtrante. A velocidade mínima de fluidização foi igual entre os drenos original e proposto (18,0 m h–1 ), e maior para o dreno cônico (24,0 m h–1 ). No último artigo, objetivou-se avaliar a influência do modelo construtivo do sistema de drenagem, do tempo de retrolavagem e da expansão da camada filtrante na eficiência de limpeza da camada. Foram avaliados dois níveis de expansão da camada filtrante (25 e 50%), três tempos de duração da retrolavagem (três, oito e quinze minutos) e dois modelos construtivos de sistema de drenagem: 1) dreno cilíndrico; e 2) dreno proposto. O modelo de dreno proposto apresentou desempenho superior ao modelo original, principalmente na expansão de 25%. De modo geral, a expansão de 50% proporcionou melhor desempenho para ambos os modelos de dreno, com destaque ao dreno proposto. A eficiência de limpeza foi menor nas regiões próximas às paredes do filtro, independentemente do modelo de dreno, do nível de expansão da camada e da duração da retrolavagem. De modo geral, observou-se tendência de incremento na eficiência de limpeza total da camada com o aumento da duração da retrolavagem. O comportamento da turbidez da água de retrolavagem mostrou que a maior variação ocorre nos primeiros minutos da retrolavagem, indicando que a maior remoção de sólidos ocorre no início do processo. Por fim, o dreno proposto apresentou menor consumo de água e energia, com maiores índices de eficiência quando comparado ao modelo comercial.
Palavras-chave
Abstract
The sand filter has two independent but complementary modes of operation, known as filtration and backwashing. Studies show that a range of factors interfere with these operations, making correct use of the equipment difficult. Thus, divided into two general parts, this research addresses technical and scientific aspects regarding the definition of filtration and backwash parameters for a Hidrosolo commercial sand filter model FA07. The first part presents a general introduction to the topic under study with the objectives and hypotheses. The second part consists of three scientific articles. In the first article, the objective was to use artificial neural networks to model pressure loss and filtration removal efficiency. Experimental tests covered three grain sizes of silica sand (fine, medium, and coarse) and four filtration rates (20, 40, 60, and 75 m h⁻¹). Three artificial neural networks (ANN1, ANN2, and ANN3) were built to define the duration of the filtration cycle, the pressure loss, and the filtered volume. ANN1 was based on modeling the pressure loss through the filter, while ANN2 and ANN3 were based on suspended solids in the effluent. The variables used were the filtration rate, the filtered volume, grain size, suspended solids, and pressure loss. ANN1 performed well with a 5-4-1 architecture. Increasing the filtration rate reduced the duration of the filtration cycle, while increasing grain size prolonged it. Networks ANN2 and ANN3 performed unsatisfactorily and were therefore discarded. In the second article, the objective was to evaluate the influence of the drainage system’s constructive design on the hydraulic behavior of the backwash process. Two filter bed heights were used (0.15 and 0.30 m) and three drain models: cylindrical drain — corresponding to the manufacturer’s original model; conical; and a proposed drain — corresponding to the result of development using computational fluid dynamics. Bed expansion was similar between the original and proposed drains for both bed heights. The greatest bed expansion efficiency was observed for the conical drain at the 0.15 m height. The proposed drain showed lower pressure loss with an empty filter, but values were similar when filled with sand. The minimum fluidization velocity was the same for the original and proposed drains (18.0 m h–1 ), and higher for the conical drain (24.0 m h–1 ). In the third article, the aim was to evaluate the influence of the drainage system's constructive design, the backwash duration, and the expansion of the filter layer on the layer's cleaning efficiency. Two levels of filter bed expansion (25% and 50%), three backwash durations (three, eight, and fifteen minutes), and two drainage system designs were evaluated: 1) cylindrical drain; and 2) proposed drain. The proposed drain model outperformed the original model, especially at 25% expansion. Overall, 50% expansion provided better performance for both drain models, with the proposed drain standing out. Cleaning efficiency was lower in regions near the filter walls, regardless of the drain model, the layer expansion level, or the backwash duration. In general, there was a trend of increased total bed cleaning efficiency with longer backwash duration. The turbidity behavior of the backwash water showed that the greatest variation occurs in the first minutes of the backwash, indicating that most solids are removed at the beginning of the process. Finally, the proposed drain had lower water and energy consumption, with higher efficiency rates compared to the commercial model
Keywords
Filtration, Backwashing, Granulometry, Efficiency, Fluid dynamics
Descrição
Área de concentração
Recursos Hídricos Em Sistemas Agrícolas
Linha de pesquisa
Irrigação e drenagem
Agência de desenvolvimento
Marca
Objetivo
Procedência
Impacto da pesquisa
Resumen
ISBN
DOI
Citação
PASSOS, Mádilo Lages Vieira. Parametrização das operações de filtração e retrolavagem de um filtro de areia comercial . 2026. 148 p. Tese (Doutorado em Recursos Hídricos) - Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2026.
