Modelagem hidrodinâmica de lagoas de alta taxa: avaliação da dinâmica computacional de fluidos e otimizações de projeto

Abstract

O uso de lagoas de alta taxa (LAT) para o tratamento de águas residuárias e a produção de biomassa microalgal apresenta grande potencial sustentável, mas ainda enfrenta desafios operacionais, especialmente relacionados à hidrodinâmica do sistema. Esta dissertação emprega a dinâmica computacional de fluidos (CFD) para investigar e otimizar a circulação do fluido dentro das LATs, visando reduzir zonas mortas (ZM) e melhorar, indiretamente, a eficiência do tratamento e a produtividade da biomassa. No primeiro capítulo é realizada uma análise detalhada sobre a aplicação da CFD em LATs, identificando as principais tendências científicas, desafios e inovações no campo. Os resultados apontam a crescente relevância da modelagem hidrodinâmica para aprimorar o desempenho desses sistemas. O segundo capítulo apresenta simulações CFD aplicadas a diferentes configurações geométricas de LATs, com o objetivo de avaliar os efeitos das variáveis operacionais, especialmente a velocidade do escoamento e a profundidade do fluido. Os resultados indicaram que a velocidade é o principal fator na mitigação das ZM, com efeito positivo observado até 0,38?m/s, enquanto a profundidade não apresentou influência estatisticamente significativa. A configuração mais eficiente foi obtida com profundidade de 0,50?m e velocidade de entrada de 0,40?m/s, resultando em apenas 9,02% de ZM. O controle adequado da velocidade se mostrou determinante para melhorar o desempenho hidrodinâmico das LATs. Esses resultados reforçam a aplicação da CFD como uma ferramenta essencial para o projeto e a otimização de LATs, contribuindo significativamente para a melhoria dos processos de saneamento ambiental. Palavras-chave: Lagoa de alta taxa; CFD; Hidrodinâmica; Otimização de projeto; Tratamento de águas residuárias.The use of High-Rate Algal Ponds (HRAP) for wastewater treatment and microalgal biomass production presents significant sustainable potential but still faces operational challenges, particularly related to the system’s hydrodynamics. This dissertation employs Computational Fluid Dynamics (CFD) to investigate and optimize fluid circulation within HRAPs, aiming to reduce dead zones (DZ) and indirectly improve both treatment efficiency and biomass productivity. The first chapter provides a detailed analysis of CFD applications in HRAPs, identifying key scientific trends, challenges, and innovations in the field. The results highlight the growing relevance of hydrodynamic modeling in enhancing the performance of these systems. The second chapter presents CFD simulations applied to different geometric configurations of HRAPs, aiming to evaluate the effects of operational variables, especially flow velocity and fluid depth. The results indicated that velocity is the primary factor in reducing DZ, with a positive effect observed up to 0.38?m/s, while depth showed no statistically significant influence. The most efficient configuration was achieved with a depth of 0.50?m and an inlet velocity of 0.40?m/s, resulting in only 9.02% of DZ. Proper velocity control proved to be crucial for improving the hydrodynamic performance of HRAPs. These findings reinforce CFD as an essential tool for the design and optimization of HRAPs, contributing significantly to advancements in environmental sanitation processes. Keywords: High-Rate Pond; CFD; Hydrodynamics; Design optimization; Wastewater treatment.