Hydrodynamic behavior of horizontal subsurface flow constructed wetlands with different aspect ratio and operation time

Costa, Renan de Almeida; Matos, Mateus Pimentel de; Matos, Antonio Teixeira de; Sperling, Marcos Von

doi:10.1590/S1413-41522019175103

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Engenharia Sanitaria e Ambiental

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Sumário

Artigo Técnico • Eng. Sanit. Ambient. 24 (1) • Jan-Feb 2019 • https://doi.org/10.1590/S1413-41522019175103 copy

Hydrodynamic behavior of horizontal subsurface flow constructed wetlands with different aspect ratio and operation time

Authorship SCIMAGO INSTITUTIONS RANKINGS

ABSTRACT

The objective of the present work was to evaluate the geometric ratio and the operating time’s influence on the systems’ hydrodynamic conditions. For this purpose, three horizontal subsurface flow constructed wetlands (HSSF-CWs) in pilot scale, with same useful volume () but with different length:width (L/B) ratio, were characterized regarding the hydrodynamic behavior at the beginning and after 3 months of operation, in sewage treatment. To obtain the HSSF-CW conditions, the stimulus-response technique with the lithium chloride (LiCl) tracer injection on a pulse format was used. Thus, the residence time distribution curve was constructed, from which parameters were extracted and enabled the hydrodynamic analysis of the systems. It was found that all HSSF-CWs presented dispersed hydrodynamic behavior, although the results indicated an inverse correlation between L/B and the dispersion number. The operating time of these systems provided a reduction in the dispersion number in all HSSF-CWs, different from the results found in some works.

Keywords:
constructed wetlands; reactors hydrodynamics; lithium chloride; dispersion number.

Variável	SAC1	SAC2	SAC3
L (m)	1,0	2,0	2,7
B (m)	1,0	0,50	0,37
L/B	1,0	4,0	7,3
h1 (m)	0,4	0,4	0,4
h2 (m)	0,2	0,2	0,2
AS (m²)	1,0	1,0	1,0
Volume total (m³)	0,2	0,2	0,2
Vu (m³)	0,084	0,084	0,084
TDH_n (d)	2,9	2,9	2,9
Q (m³.d^-1)	0,03024	0,03024	0,03024

Características hidrodinâmicas
Variável/parâmetro	Ensaio 1			Ensaio 2
Variável/parâmetro	SAC1	SAC2	SAC3	SAC1	SAC2	SAC3
Traçador recuperado (%)	98,00	102,70	100,30	101,4	94,70	90,40
TDH_n (d)	2,90	2,90	2,90	2,90	2,90	2,90
TDH_r (d)	6,92	7,40	5,92	5,85	5,52	4,71
t_p (d)	4,20	3,20	2,20	6,25	6,20	3,20
σ² (d²)	22,46	21,22	11,78	10,79	7,00	4,72
σ² _θ	0,47	0,39	0,34	0,32	0,23	0,21
φ_θ	0,03	0,04	0,07	0,05	0,17	0,19
e_v	2,37	2,53	2,03	2,00	1,89	1,61
λ	1,45	1,10	0,75	2,15	2,13	1,10
IDM	7,53	6,24	5,12	5,51	3,81	3,46

Condição de contorno	Ensaio 1			Ensaio 2
Condição de contorno	SAC1	SAC2	SAC3	SAC1	SAC2	SAC3
d (fechado-fechado)	0,35	0,26	0,21	0,20	0,13	0,12
d (aberto-aberto)	0,15	0,13	0,11	0,11	0,09	0,08
d (aberto-fechado)	0,18	0,16	0,14	0,13	0,10	0,09
N	2,13	2,58	2,97	3,17	4,36	4,71

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[1] *Autor correspondente: renanacosta@gmail.com

${T D H}_{n} = ε \frac{V}{Q}$ (Equação 1)	$e_{v} = \frac{{T D H}_{n}}{{T D H}_{r}}$ (Equação 6)
${T D H}_{r} = \frac{\sum_{i} t_{i} C_{i} {∆ t}_{i}}{\sum_{i} C_{i} {∆ t}_{i}}$ (Equação 2)	$λ = \frac{t_{p}}{{T D H}_{n}}$ (Equação 7)
$σ^{2} = \frac{\sum_{i} t_{i}^{2} C_{i} {∆ t}_{i}}{\sum_{i} C_{i} {∆ t}_{i}} - {T D H}_{r}^{2}$ (Equação 3)	$I D M = \frac{t_{90}}{t_{10}}$ (Equação 8)
$σ_{θ}^{2} = \frac{σ^{2}}{{T D H}_{r}^{2}}$ (Equação 4)	$σ_{θ}^{2} = \frac{σ^{2}}{{T D H}_{r}^{2}} = 2 d + 3 d^{2}$ (Equação 9)
$φ_{θ} = \frac{t_{i n}}{{T D H}_{r}}$ (Equação 5)	$N = \frac{{T D H}_{r}}{σ^{2}} = \frac{1}{σ_{θ}^{2}}$ (Equação 10)
ε = porosidade do meio (m³ de vazios.m^-3 de material); V = volume total do SAC (m³); Q = vazão média a ser tratada (m³.d^-1)t_i = tempo associado a cada concentração C_i (h); C_i = concentração de traçador na saída do reator em cada tempo i (mg.L^-1); ∆t_i = intervalo de tempo entre a amostra coletada em t_e e t_i+1 (h);	t_p = tempo relativo t_in = tempo em que o traçador é detectado pela primeira vez na saída (h); à concentração de pico da curva C_pulso; t₁₀ = tempo em que 10% da massa do traçador deixa a unidade (d); t₉₀ = tempo em que 90% da massa do traçador deixa a unidade (d); d = número de dispersão.