Modelagem multifásica de fluxo de gases e transferência de calor em multicamadas para dimensionamento de coberturas de aterros sanitários

Abstract

O controle eficaz das emissões de gases de efeito estufa (GEE) e da infiltração de água em aterros sanitários representa um desafio crescente diante do aumento na geração de resíduos sólidos urbanos (RSU) e das exigências por soluções ambientalmente seguras. Esta tese apresenta o desenvolvimento e a validação de modelos computacionais voltados ao dimensionamento de camadas de cobertura, integrando, os processos de transporte de gases (CH₄, CO₂, O₂ e N₂), fluxo de água e transferência de calor em sistemas multicamadas de materiais. Foram propostas duas abordagens distintas. A primeira é uma solução semianalítica robusta, ideal para o transporte de gases em multicamadas, validada como uma ferramenta prática para estudos preliminares e projeto de pequeno porte. A segunda é um modelo numérico acoplado, implementado no COMSOL Multiphysics, que demonstrou robustez na simulação de processos complexos, como a oxidação do metano e a carbonatação do dióxido de carbono, garantindo a precisão necessária para projetos de médio e grande porte. Ambos os modelos foram rigorosamente validados com dados experimentais da literatura. Como aplicação prática, o modelo numérico foi empregado na simulação da camada de cobertura definitiva do Aterro Sanitário de Brasília (ASB), utilizando propriedades físicas, químicas e mineralógicas obtidas em campo e laboratório. As simulações revelaram uma tendência de redução progressiva das emissões de CH₄ e CO₂ ao longo do tempo, indicando a eficiência da cobertura adotada, embora tenham sido identificadas amostras com condutividade hidráulica acima do valor normativo, apontando a necessidade de ajustes construtivos. Complementarmente, uma análise paramétrica foi conduzida para investigar o efeito de variáveis como espessura da camada, uso de geomembranas e diferentes composições de materiais. Os melhores desempenhos foram observados em configurações que combinam camadas oxidativas e materiais reativos, como escória de ferro, alcançando eficiências superiores a 99% na oxidação do metano e consumo de CO₂. A presença de geomembranas reforçou a contenção dos gases, consolidando-se como solução estratégica para mitigar emissões fugitivas. Os resultados obtidos oferecem subsídios técnicos relevantes para o aprimoramento dos critérios de projeto e operação de sistemas de cobertura, contribuindo para a engenharia de aterros mais segura, eficiente e ambientalmente alinhada.