Operation and hydrodynamic modeling of household slow sand filters

O acesso à água potável não é uma realidade para todas as comunidades, uma solução para atender essa demanda é a utilização do filtro lento domiciliar (FLD), um tratamento de água individual que pode ser aplicado em comunidades rurais sem acesso a água tratada. Há poucas pesquisas que avaliam como as mudanças geométricas e o tipo de operação (contínua ou intermitente) dos FLDs afetam o comportamento hidráulico e, consequentemente, o desempenho da filtração. Na primeira etapa da pesquisa foram construídos quatro FLDs em escala plena, sendo dois filtros operados em escoamento contínuo e dois em escoamento intermitente. Os filtros foram alimentados com água de estudo composta por 15% de água superficial e 85% de água subterrânea. Analisaram-se temperatura, turbidez, cor aparente, condutividade elétrica, pH, oxigênio dissolvido, nitrito, nitrato, absorbância, coliformes totais e Escherichia coli para verificar a eficiência do tratamento. Os FLDs atenderam aos limites estabelecidos na Portaria GM/MS nº 888/2021 para turbidez, cor, nitrito e nitrato e os FLDs operados em escoamento contínuo apresentaram maior eficiência de tratamento. Na segunda etapa, estudaram-se as geometrias e os FLDs em escoamento contínuo e intermitente por meio da dinâmica dos fluídos computacional, com o uso do software ANSYS Student Fluent ® 2020 R2, a fim de avaliar a hidrodinâmica dos filtros. As simulações da hidrodinâmica dos quatro modelos matemáticos dos FLDs foram validadas por meio da distribuição do tempo de residência experimental, realizada previamente nos modelos físicos, e não apresentaram diferenças estatisticamente significativas. Os resultados mostraram que não foram constatadas zonas internas de recirculação, nem de curto circuito, porém constatou-se a existência de zonas mortas na base do filtro com volumes inferiores a 3% não sendo necessário realizar mudanças nas geometrias. A simulação computacional mostrou que os filtros contínuos apresentaram menor variação de velocidade e os filtros com menor diâmetro apresentaram redução das zonas mortas. Dentre os FLDs estudados, o que apresentou melhores resultados em termos de eficiência e da hidrodinâmica foi o filtro contínuo de menor diâmetro (C-FLD 1).Access to potable water is not a reality for all communities, a solution to meet this demand is the use of the household slow sand filter (HSSF), an individual water treatment that can be applied in rural communities without access to treated water. There is little research that assesses how geometric changes and the type of operation (continuous or intermittent) of HSSFs affect hydraulic behavior and, consequently, filtration performance. In the first stage of the research, four full-scale HSSFs were built, two filters operated in continuous flow and two in intermittent flow. The filters were fed with study water consisting of 15% surface water and 85% ground water. Temperature, turbidity, apparent color, electrical conductivity, pH, dissolved oxygen, nitrite, nitrate, absorbance, total coliforms and Escherichia coli were analyzed to verify the efficiency of the treatment. The HSSFs met the limits established in Ordinance GM/MS nº 888/2021 for turbidity, color, nitrite and nitrate and the HSSFs operated in continuous flow showed greater treatment efficiency. In the second stage, the geometries and HSSFs in continuous and intermittent flow were studied through computational fluid dynamics, using the ANSYS Student Fluent ® 2020 R2 software, in order to evaluate the hydrodynamics of the filters. The hydrodynamic simulations of the four mathematical models of the HSSFs were validated through the distribution of the experimental residence time, previously performed in the physical models, and did not show statistically significant differences. The results showed that internal recirculation zones were not found, nor short circuit, but it was found the existence of dead zones at the base of the filter with volumes below 3% not being necessary to make changes in the geometries. The computer simulation showed that the continuous filters had less speed variation and the filters with smaller diameter had a reduction in dead zones. Among the studied HSSFs, the one with the best results in terms of efficiency and hydrodynamics was the continuous filter with a smaller diameter (C-HSSF 1)