Uso de modflow para simulação da hidrodinâmica de meios porosos em wetlands construídos
Resumo
Wetlands construídos (WCs) são tecnologias empregadas para o tratamento de águas residuárias, cujo objetivo é reproduzir, sob condições controladas, os mecanismos de depuração que ocorrem em meios naturais, através da exploração e aperfeiçoamento dos processos que envolvem a vegetação, o substrato e os microrganismos. Wetlands construídos de escoamento subsuperficial de fluxo horizontal (WCFH) são caracterizados pelo fluxo em direção horizontal através de um leito de cascalho ou areia, vegetado ou não com macrófitas emergentes, cujas entrada e saída dos efluentes são horizontalmente opostas, o que permite que as águas residuárias fluam através da rizosfera e tenham contato com o biofilme formado em subsuperfície. Tradicionalmente, os estudos sobre WCs incidem apenas sobre a remoção das concentrações de contaminantes, considerando esses sistemas como “black-boxes” a partir de abordagens empíricas, sem fazer distinção entre os diferentes processos atuantes. O desenvolvimento de modelos numéricos, como forma de auxiliar a identificar e aperfeiçoar o papel de cada elemento atuante no tratamento, quer sejam as propriedades do meio poroso, a geometria construtiva, as características de fluxo, entre outros, surge como alternativa para o alcance de uma compreensão mais detalhada dos processos internos intervenientes nos WCs. De uma forma geral, os modelos numéricos são constituídos por equações governantes (derivada da combinação matemática da equação de balanço de água e da lei de Darcy), por condições iniciais (dizem respeito à distribuição da carga hidráulica no domínio do modelo) e por condições de contorno (definem as fronteiras hidráulicas ou físicas que delimitam o domínio do modelo). Na última década, diferentes modelos 1D e 2D foram desenvolvidos e aplicados para a simulação de WCs de escoamento subsuperficial em condições de fluxo horizontal saturado (CWM1-RETRASO e PHWAT), vertical variavelmente saturado (FITOVERT e HYDRUS-CW2D) e vertical ou horizontal variavelmente saturado (HYDRUS-CWM1). Porém, poucas experiências relativas à aplicação de modelos 3D para simulação de WCs são relatadas pela literatura científica. Neste trabalho, a simulação da hidrodinâmica do meio poroso de um sistema de tratamento de efluentes do tipo wetlands construídos de escoamento subsuperficial de fluxo horizontal foi realizada por meio da aplicação de um modelo numérico 3D. Foram simuladas as condições de fluxo conforme as especificações de um projeto de engenheria, e também cenários com mudanças nas características hidrodinâmicas do meio poroso (condutividade hidráulica) e no posicionamento dos mecanismos de distribuição das águas residuárias (distribuição ao longo da seção transversal por meio de duas tubulações) visando verificar a influência desses fatores no sistema de fluxo e também indicar vantagens e desvantagens que contribuam para a elaboração de projetos. Os softwares MODFLOW e MODPATH, executados por meio da interface GMS, foram utilizados para a simulação da direção e velocidade de fluxo, nível hidráulico e linhas de trajetória das partículas transportadas por advecção. O modelo provou ser uma ferramenta poderosa para a simulação, permitindo visualizar a interdependência entre os parâmetros hidrodinâmicos e as características hidráulicas do meio poroso. Os cenários simulados mostraram a possibilidade de melhoria dos padrões de fluxo, principalmente por meio do uso de duas tubulações para distribuição dos efluentes de forma mais homogênea ao longo da seção transversal do leito. O uso de materiais com menor condutividade hidráulica também apresentou melhoria nas características de fluxo avaliadas. Porém, deve-se considerar o contexto geral das instalações de tratamento das águas residuárias (unidades de tratamento preliminar e cargas afluentes), visto que materiais com baixa condutividade hidráulica são mais susceptíveis ao entupimento. A concepção adequada é crucial para melhorar as condições de tratamento verificadas nos WCFH e também para evitar a ocorrência de danos e problemas hidráulicos, como a estagnação de fluxo em zonas de baixa velocidade de escoamento.
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