SISTEMAS FOTOBIORREATORES COM MEMBRANAS APLICADOS À DESCARBONIZAÇÃO E PRODUÇÃO DE ÁGUA DE REUSO EM ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE ESGOTO
Nome: GISELE GAVAZZA LAMBERTI
Data de publicação: 16/12/2025
Resumo: O avanço das metas globais de descarbonização evidencia a necessidade de transformar estações de tratamento de esgoto (ETEs) em sistemas capazes não apenas de remover poluentes, mas também de recuperar recursos e reduzir emissões líquidas de gases de efeito estufa. Nesse contexto, esta tese avaliou o potencial de fotobiorreatores com membranas (FBRM) como rota compacta, alinhada ao conceito nexus (água–energia–nutrientes), para produção de água de reuso e mitigação de carbono a partir de efluente anaeróbio real. Esta pesquisa foi conduzida em quatro frentes integradas: (i) revisão sistemática e metanálise para identificar gargalos e parâmetros críticos de produtividade e biofixação; (ii) aplicação do Lean Design Thinking (LDT) para conceber e iterar um protótipo funcional; (iii) ensaios experimentais em batelada e em alimentação contínua com baixo tempo de detenção hidráulica (TDH); e (iv) modelagem integrada de carbono e energia para comparar arranjos reatores anaeróbicos de fluxo ascendente associados a lagoas de alta taxa (UASB+HRAP) e reatores anaeróbicos com membranas associados a fotobiorreatores com membranas (AnMBR+FBRM). Os resultados experimentais em escala piloto demonstraram que o FBRM operou de forma contínua e estável em baixo TDH (12 h) tratando efluente anaeróbio real, e que a condição de maior desempenho ocorreu com suplementação de carbono inorgânico (CaCO3) e maior intensidade luminosa (100 mol m2 s1), maximizando a produtividade de biomassa (97,7 g m3 d1) e a taxa de biofixação de carbono (53,4 gC m3 d1). A ultrafiltração garantiu permeado de altíssima qualidade, com turbidez < 0,05 NTU, atendendo de forma consistente aos padrões normativos adotados na tese para reuso industrial e urbano não potável. O diferencial tecnológico do trabalho está na integração, em condições aplicadas à realidade de ETE, de (a) operação contínua com baixo TDH e efluente real, (b) separação/colheita por membrana interna para garantir retenção de biomassa e qualidade do permeado, e (c) validação por modelagem de carbono–energia, conectando desempenho experimental e efeito climático em escala de sistema. Os resultados da simulação comparativa dos sistemas evidenciaram um trade-off entre superávit energético e mitigação líquida de emissões: o arranjo UASB+HRAP apresentou elevado retorno energético (EROI = 6,46 para o UASB), porém foi emissor líquido (+42,5 gCO2eq·m3); já o arranjo AnMBR+FBRM, mesmo energeticamente deficitário (EROI = 0,52 para o FBRM), atingiu pegada de carbono líquida negativa (19,8 gCO2eq·m3), sustentada pela alta biofixação observada nos ensaios. O sistema utilizou membrana de ultrafiltração submersa do tipo fibra oca (hollow fiber), em PVDF, com porosidade de 0,03 m, em módulo com área efetiva de 0,12 m2 (34 fibras). Apesar dos avanços, observaram-se limitações relevantes: (i) remoção de fósforo crítica, inferior a 30% e com mínimo de 6,8% no cenário de maior produtividade, indicando desbalanceamento nutricional e necessidade de etapa(s) complementar(es); (ii) entrave energético associado à iluminação artificial contínua (24 h), que influenciou diretamente o EROI (0,52) e manteve o Escopo 2 como ponto sensível de viabilidade; (iii) limitações de escala e duração (75 dias) para avaliar de forma robusta fenômenos de longo prazo, como fouling irreversível e interações TDH–TRS; e (iv) incertezas na modelagem de emissões pela ausência de medições diretas de N2O no FBRM, com uso de fatores de emissão. Adicionalmente, a tese reconhece que custos de aquisição e substituição de módulos de UF podem ser componentes relevantes de CAPEX/OPEX, reforçando a importância de estratégias de otimização operacional e de redução de demanda energética. Como contribuição social, os dados experimentais e modelagem reforçam a premissa de que o esgoto tratado anaerobiamente pode ser transformado em um recurso útil, gerando água de reuso de alta qualidade e, simultaneamente, reduzindo a pegada climática do saneamento, em acordo com os Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS) da ONU de água potável e saneamento (ODS6), ação contra a mudança global do clima (ODS13), energia limpa e acessível (ODS7) e fome zero e agricultura sustentável (ODS2).
