Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The wastewater treatment system by constructed wetland takes into account the basic principles of natural wetlands for modification of water quality, however, it has controlled hydraulic flow and is constructed according to the desired treatment efficiency. At the Federal University of Santa Maria a vertical flow constructed wetland was designed to treat 1500 liters of wastewater per day, equivalent to that generated by 10 inhabitants of the House of College Student II, in the city of Santa Maria - RS. As every environment-modifying activity, the construction and operation of the constructed wetland result in environmental impacts, which may be positive or negative. To assess these impacts a Life Cycle Analysis - LCA was held on the wastewater treatment system. Considered one of the most complete tools for assessing environmental impacts, the LCA aims a detailed study of possible emissions from a process or product. The LCA of UFSM s constructed wetland was performed using the survey data of all building materials used in the work and the wastewater treatment parameters, and followed the steps defined by the ISO 14040 and 14044 (ABNT, 2009). For impact assessment, Ecoinvent data library and SimaPro 8® software were used. The interpretation of the results of the constructive phase was performed by ReCiPe method and the operation phase by CML method. Besides, analysis of the energy consumed in the manufacture of all construction materials was performed by Cumulative Energy Demand. The results showed that the bricks, steel and concrete were the most striking materials in all categories examined, with PVC, lime and sand the less striking materials. The bricks and cement represent 42.7% and 29.5%, respectively, of the impact of climate change category. Methane and nitrous oxide generated during the wastewater treatment are responsible for the occurrence of the environmental impact of climate change, cause by the 95% and 5% methane by nitrous oxide. COD, TKN and TP cause eutrophication representing 8.8%, 26.53% and 64.63% of impacts, respectively. Methane is related to the formation of photochemical oxidants. The energy consumed in operation during the life cycle of the system has an impact in all environmental categories analyzed by the software, with minimum impacts, taking into account the system s low power consumption. / O sistema de tratamento de esgoto por wetland construído leva em consideração os princípios básicos dos wetlands naturais para a modificação da qualidade da água, porém, contam com o fluxo hidráulico controlado e são construídos de acordo com a eficiência desejada de tratamento. Na Universidade Federal de Santa Maria foi instalado um wetland construído de fluxo vertical, projetado para tratar 1.500 litros por dia de esgoto doméstico, equivalente ao gerado por 10 habitantes da Casa do Estudante Universitário II, na cidade de Santa Maria RS. Como toda atividade modificadora do meio ambiente, a construção e a operação do wetland construído resultam em impactos ambientais, que podem ser positivos ou negativos. Para avaliação destes impactos realizou-se a Análise do Ciclo de Vida ACV do sistema de tratamento de esgoto. Considerada uma das ferramentas mais completas de avaliação de impactos ambientais, a ACV objetiva o estudo detalhado das possíveis emissões geradas por um processo ou produto. A ACV do wetland construído da UFSM foi realizada através do levantamento de dados de todos os materiais de construção utilizados na obra e dos parâmetros do tratamento do esgoto, e seguiu as etapas definidas pelas NBR ISO 14.040 e 14.044. Para avaliação dos impactos fezse uso da biblioteca de dados Ecoinvent, do software SimaPro 8®. A interpretação dos resultados da fase construtiva foi realizada por meio do método ReCiPe, e da fase de operação através do método CML. Ainda foi realizada a análise da energia consumida na fabricação de todos os materiais de construção, através do método Demanda Acumulada de Energia. Os resultados mostraram que os tijolos de cerâmica, o aço e o cimento foram os materiais mais impactantes em todas as categorias analisadas, sendo o PVC, a cal e a areia os materiais menos impactantes. Os tijolos e o cimento representam 42,7% e 29,5%, respectivamente, dos impactos na categoria mudanças climáticas. O metano e o óxido nitroso gerados durante o tratamento de esgoto são os responsáveis pela ocorrência do impacto ambiental mudanças climáticas, causado 95% pelo metano e 5% pelo óxido nitroso. A DQO, o NTK e o PT causam a categoria de impacto eutrofização, representando 8,8%, 26,53% e 64,63% dos impactos, respectivamente. O metano está relacionado à formação de oxidantes fotoquímicos. A energia consumida na operação durante a vida útil do sistema causa impactos em todas as categorias ambientais analisadas através do software, sendo mínimos estes impactos, levando em conta o baixo consumo de energia do sistema.

Constructed wetlands (CWs) are artificial systems used for wastewater treatment, whose objective is to reproduce, under controlled conditions, the treatment mechanisms that occur in natural environments, through the exploration and improve the processes that involve the vegetation, porous media and microbial assemblages. Horizontal subsurface flow constructed wetlands (HSSF-CWs) is characterized by flow in a horizontal direction, in a gravel or sand beds planted or unplanted with emergent macrophytes whose the inlet and outlet are horizontally opposed, which allows the wastewater flow through the rhizosphere and have contact with the biofilm formed in subsurface. Traditional studies about CWs focuses on the efficiency of contaminants removal look at systems as a "black-boxes" from empirical approaches and do not distinguish between the different active removals processes. The development of numerical models, in order to helping to identify and improve the role of each element acting in the treatment, whether the properties of the porous media, constructive geometry, flow characteristics, among others, appears as an alternative to reach a more detailed understanding of the internal processes involved in CWs. In general, numerical models consist of governing equations (derived from the mathematical combination of the water balance and Darcy's law), initial conditions (they refer to the distribution of the hydraulic head in the model domain) and boundaries conditions (define the hydraulic or physical boundaries that delimit the model domain). In the last decade, different 1D and 2D numerical models have been developed and applied for the simulation of subsurface flow CWs under conditions of saturated horizontal flow (CWM1-RETRASO and PHWAT), variably saturated vertical flow (FITOVERT and HYDRUS-CW2D) and vertical or horizontally saturated flow (HYDRUS-CWM1). However, few studies regarding the application of 3D numerical models for CWs simulation are reported in the scientific literature. In this study, the hydrodynamic simulation of the porous media in a horizontal subsurface flow constructed wetland was run through the application of a 3D numerical model. The flow patterns were simulated according to the project design and scenarios with changes in the porous media hydrodynamic (hydraulic conductivity) and in the positioning of the wastewater distribution mechanisms (distribution along the cross section with two pipes) in order to verify the influence of these factors in the flow pattern and also to indicate advantages and disadvantages that contribute to the design. The softwares MODFLOW and MODPATH, in the GMS family code, were used for to simulate the direction and flow velocity, hydraulic head and pathlines. The model proved to be a powerful tool to simulation, allowing observing the interdependence between the hydrodynamic parameters and the hydraulic characteristics in the porous media. The simulated scenarios showed the possibility of improving the flow patterns, mainly using two pipes to distribute the wastewater in a more homogeneous way along the cross section of the bed. The use of a porous media with lower hydraulic conductivity also showed improvement in flow characteristics evaluated. However, the general context of wastewater treatment facilities (pretreatment units and tributary loads) should be considered, since materials with low hydraulic conductivity are more susceptible to clogging. Proper design is crucial to improving the treatment conditions in the HSSF-CWs and also to avoid the occurrence of hydraulic problems and damage to the treatment, such as the clogging. / 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.