HUGO RENAN BOLZANI HUGO RENAN BOLZANI FOTOBIOREATOR FLAT PANEL E LAGOA RACEWAY: AVALIAÇÃO DO CULTIVO DE MICROALGAS NATIVAS PARA TRATAMENTO E RECUPERAÇÃO DE NUTRIENTES DE ESGOTO SANITÁRIO ANAERÓBIO DE ALTA CARGA Bauru 2023 Doutorado HUGO RENAN BOLZANI FOTOBIOREATOR FLAT PANEL E LAGOA RACEWAY: AVALIAÇÃO DO CULTIVO DE MICROALGAS NATIVAS PARA TRATAMENTO E RECUPERAÇÃO DE NUTRIENTES DE ESGOTO SANITÁRIO ANAERÓBIO DE ALTA CARGA Tese apresentada como requisito para a obtenção do título de Doutor em Engenharia Civil e Ambiental pela Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho”, Área de Concentração Saneamento ambiental. Orientador: Prof. Dr. Gustavo Henrique Ribeiro da Silva Coorientador: Prof. Dr. Raúl Muñoz Torre Bauru 2023 B694f Bolzani, Hugo Renan Fotobioreator Flat Panel e Lagoa Raceway : avaliação do cultivo de microalgas nativas para tratamento e recuperação de nutrientes de esgoto sanitário anaeróbio de alta carga / Hugo Renan Bolzani. -- Bauru, 2023 217 p. : il., tabs. Tese (doutorado) - Universidade Estadual Paulista (Unesp), Faculdade de Engenharia, Bauru Orientador: Gustavo Henrique Ribeiro da Silva Coorientador: Raúl Muñoz Torre 1. Ficoremediação. 2. Consórcio microalgas-bactérias. 3. Esgoto sanitário. 4. Biomassa. 5. Economia circular. I. Título. Sistema de geração automática de fichas catalográficas da Unesp. Biblioteca da Faculdade de Engenharia, Bauru. Dados fornecidos pelo autor(a). Essa ficha não pode ser modificada. UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA Câmpus de Bauru ATA DA DEFESA PÚBLICA DA TESE DE DOUTORADO DE HUGO RENAN BOLZANI, DISCENTE DO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL, DA FACULDADE DE ENGENHARIA - CÂMPUS DE BAURU. Aos 03 dias do mês de fevereiro do ano de 2023, às 08:30 horas, por meio de Videoconferência, realizou-se a defesa de TESE DE DOUTORADO de HUGO RENAN BOLZANI, intitulada FOTOBIOREATOR FLAT PANEL E LAGOA RACEWAY: AVALIAÇÃO DO CULTIVO DE MICROALGAS NATIVAS PARA TRATAMENTO E RECUPERAÇÃO DE NUTRIENTES DE ESGOTO SANITÁRIO ANAERÓBIO DE ALTA CARGA. A Comissão Examinadora foi constituida pelos seguintes membros: Prof. Dr. GUSTAVO HENRIQUE RIBEIRO DA SILVA (Orientador(a) - Participação Virtual) do(a) Departamento de Engenharia Civil e Ambiental / Faculdade de Engenharia de Bauru UNESP, Prof. Dr. GRAZIELE RUAS LAGOAS DA SILVA (Participação Virtual) do(a) Engenharia Civil e Ambiental / Universidade Estadual Paulista - UNESP - Campus de Bauru, Profª. Drª TÂNIA VASCONCELOS FERNANDES (Participação Virtual) do(a) Department of Aquatic Ecology / Netherlands Institute of Ecology (NYOO-KNAW), Prof. Dr. LUIZ ANTONIO DANIEL (Participação Virtual) do(a) Departamento de Hidráulica e Saneamento / Escola de Engenharia - USP - São Carlos, Prof. Dr. EDSON APARECIDO ABDUL NOUR (Participação Virtual) do(a) Departamento de Infraestrutura e Ambiente / Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo - FEC / UNICAMP - Campinas/SP. Após a exposição pelo doutorando e arguição pelos membros da Comissão Examinadora que participaram do ato, de forma presencial e/ou virtual, o discente recebeu o conceito final:_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . Nada mais havendo, foi lavrada a presente ata, que após lida e aprovada, foi assinada pelo(a) Presidente(a) da Comissão Examinadora. Prof. Dr. GUSTAVO HENRIQUE RIBEIRO DA SILVA Faculdade de Engenharia - Câmpus de Bauru - Eng. Luiz Edmundo Carrijo Coube, 14-01, 17033360, Bauru - São Paulo http://www.feb.unesp.br/posgrad_civilCNPJ: 48.031.918/0030-69. User Texto digitado aprovado Dedico este trabalho aos meus pais. AGRADECIMENTOS A minha família por sempre me apoiar e dar estrutura para as minhas conquistas. Ao meu orientador Prof. Gustavo pelo apoio, ensinamento, paciência e compreensão durante esta jornada. Ao meu coorientador Prof. Raúl pelas contribuições durante a realização do projeto. A minha amiga e colega de pesquisa Caroline pelos sofrimentos e alegrias vivenciados durante esta trajetória. Aos funcionários da UNESP que sempre estenderam a mão quando precisei: Glauco, Osmar, Celso, Miguel, Prof. Daniel, Prof. Mario e Prof. Alceu. Aos alunos de iniciação científica pela ajuda em todas as etapas do projeto: Alexia, Letícia, Luiza, Barbara, Rafael, Laura e Gabriela. Aos meus colegas de laboratório que me ajudaram nas análises químicas e manutenção dos equipamentos/reatores, bem como as pessoas que me ajudaram com dicas para a pesquisa: Nathalie, Eduardo, Mariana, Marcela, Emerson, Paola, Anna, Thalita, Juliana, Ana Paula e Graziele. Ao DAE pela parceria no projeto, por fornecer o espaço na ETE e autorização para coleta do esgoto. Aos funcionários do DAE pelo apoio e ajuda no laboratório e manutenção do RCA: Rafael, Eliene, Diego, Adriano, Jonas e Razuki. Ao IFSULDEMINAS por ter concedido o afastamento integral para realização do doutorado. A FEB/UNESP pela infraestrutura fornecida. A FAPESP, CNPq e CAPES pelo auxílio financeiro concedido. Ao Conselho do Programa de Pós-Graduação por ter aprovado a solicitação de prorrogação do tempo de conclusão do doutorado devido ao período pandêmico da COVID-19. A todos que de alguma forma contribuíram para a conclusão deste doutorado, os meus sinceros agradecimentos. “A natureza pode suprir todas as necessidades do homem, menos a sua ganância”. Mahatma Ghandi i RESUMO BOLZANI, H. R. Fotobioreator Flat Panel e Lagoa Raceway: avaliação do cultivo de microalgas nativas para tratamento e recuperação de nutrientes de esgoto sanitário anaeróbio de alta carga. Tese (Doutorado) - Faculdade de Engenharia, Universidade Estadual Paulista "Júlio de Mesquita Filho", Bauru, SP, Brasil, 2023. Para superar as desvantagens associadas aos métodos utilizados no tratamento de esgoto sanitário convencional, o uso de microalgas tem sido estudado, pois proporciona um biotratamento terciário, com depuração de compostos orgânicos e inorgânicos, organismos patogênicos, fármacos e metais presentes no esgoto. Além disso, biomassa produzida pode ser utilizada para diversos fins, destacando-se a produção de biofertilizantes. O estudo analisou o comportamento de um Fotobioreator tipo Flat Panel (FBR-FP) e Lagoa Raceway (LR) em escala piloto e ao ar livre, operados em região de clima tropical, como alternativa para pós-tratamento de esgoto sanitário anaeróbio por um consórcio microalgal- bacteriano. O estudo foi dividido em 4 condições experimentais (CE) (2 com sombreamento de 50% e 2 com luz natural; e houve a contaminação por fármacos em uma CE de cada intensidade luminosa) com 3 bateladas com duração de 7 dias cada, totalizando 6 bateladas para cada CE. Em 4 bateladas de cada CE o monitoramento foi realizado no dia 0, dia 3 e dia 7; e em 2 bateladas o monitoramento foi diário. A diferença de intensidade luminosa e aplicação de fármacos não proporcionou diferença significativa para a maioria dos parâmetros analisados. A LR obteve maior remoção de demanda química de oxigênio dissolvida (DQOd) (máximo de 68% na L2) em comparação com o FBR-FP (máximo de 47% na S2). Em muitos momentos do estudo houve liberação de compostos carbonatos da biomassa a partir de 3 dias de operação principalmente no FBR-FP, aumentando a concentração de DQOd de ácidos orgânicos voláteis no efluente. Isto pode ter ocorrido pela escassez de carbono inorgânico devido ao rápido consumo de alcalinidade, causando a morte das microalgas. Além disso, em ambos os sistemas, as bactérias oxidantes de amônia e bactérias oxidantes de nitrito estavam bem adaptadas mantendo um processo de nitrificação completo e a competição entre bactérias e microalgas por alimentos pode ter prejudicado a comunidade microalgal em alguns momentos. O N-amoniacal foi removido significativamente no FBR-FP e LR (média de 85%) por nitrificação, assimilação microalgal e volatização da amônia. A atividade fotossintética permitiu a elevação do valor de pH apenas no FBR- FP, promovendo uma maior volatização da amônia no sistema fechado. Já os compostos fosfatados, apenas o FBR-FP removeu de forma satisfatória (até 60% para fosfato na L1) e a elevação do valor de pH pode ter contribuído para as maiores depurações em função da precipitação química do fósforo. Contudo, nos dois reatores o tempo de detenção hidráulico de 3 dias foi mais eficiente, pois também houve a liberação e compostos fosfatados presentes na biomassa a partir do dia 3. A produtividade de biomassa (PB) também foi prejudicada pela escassez de carbono com aumento da concentração e sólidos apenas até o dia 3 em ambos os reatores, sendo o FP-FBR se destacando com os melhores resultados para PB, densidade celular, clorofila-a e parâmetros de eficiência fotossintética. Contudo, os dois sistemas presentaram boa capacidade de remoção de E. coli e coliformes totais (entre 76 e 100%), indicando uma boa alternativa para tratamento terciário. Por fim, a partir da caracterização química da biomassa gerada nos dois sistemas, ela pode ser considerada uma opção viável como biofertilizante, pois atendeu a maioria dos requisitos exigidos pela norma vigente. O teste com inserção de CO2 na LR evidenciou que na presença de maior intensidade luminosa, o uso de CO2 foi necessário para obtenção de maior PB. O tratamento de esgoto sanitário com o FBR-FP e LR mostrou que, além de depurar os componentes que não foram removidos na etapa anaeróbia, gerou uma biomassa que pode contribuir para uma produção agrícola sustentável, equilíbrio dos ciclos biogeoquímicos e incorporação dos princípios da economia circular no setor de saneamento. Palavras-chave: Consórcio microalgas-bactérias; ficoremediação; sistema fechado; sistema aberto; economia circular. ii ABSTRACT BOLZANI, H. R. Flat Panel Photobioreactor and Raceway Pond: evaluation of native microalgae cultivation for treatment and nutrients recovery from high-load anaerobic sewage. Thesis (Doctorate/PhD) - Faculdade de Engenharia, Universidade Estadual Paulista "Júlio de Mesquita Filho", Bauru, SP, Brazil, 2023. To overcome the disadvantages associated with the methods used in the conventional sanitary sewage treatment, the use of microalgae has been studied, as it provides a tertiary biotreatment, with the purification of organic and inorganic compounds, pathogenic organisms, pharmaceutical products and metals present in the sewage. In addition, the biomass produced can be used for various purposes, with emphasis on the production of biofertilizers. The study analyzed the behavior of a Flat Panel Photobioreactor (FP-PBR) and Raceway Pond (RP) on an outdoors pilot scale, operated in a tropical climate region, as an alternative for post-treatment of anaerobic sewage by a consortium microalgal- bacterial. The study was divided into 4 experimental conditions (EC) (2 with 50% shading and 2 with natural light; and there was pharmaceutical products contamination in an EC of each light intensity) with 3 batches lasting 7 days each, totaling 6 batches for each EC. In 4 batches of each EC, monitoring was performed on day 0, day 3 and day 7; and in 2 batches the monitoring was daily. The difference in light intensity and pharmaceutical products application did not provide a significant difference for most of the analyzed parameters. RP achieved greater dissolved chemical oxygen demand (CODd) removal (maximum 68% in L2) compared to FP-PBR (maximum 47% in S2). In many moments of the study, carbonate compounds were released from the biomass after 3 days of operation, mainly in the FP-PBR, increasing the CODd and volatile fatty acids concentration in the effluent. This may have occurred due to the inorganic carbon scarcity due to the alkalinity rapid consumption, causing the microalgae death. Furthermore, in both systems, ammonia-oxidizing bacteria and nitrite-oxidizing bacteria were well adapted, maintaining a complete nitrification process and the competition between bacteria and microalgae for food may have harmed the microalgal community. Ammonia-N was significantly removed in FP-PBR and RP (average 85%) by nitrification process, microalgal assimilation and ammonia volatilization. The photosynthetic activity allowed the pH value elevation only in FP-PBR, promoting a greater volatilization of ammonia in the closed system. As for phosphate compounds, only FP-PBR removed satisfactorily (up to 60% for phosphate in L1) and the pH value increase may have contributed to the higher removal due to the phosphorus chemical precipitation. However, in both reactors, the hydraulic detention time of 3 days was more efficient, as there was also the release of phosphate compounds present in the biomass from day 3 onwards. Biomass productivity (BP) was also impaired by carbon scarcity, with increased solids concentration only until day 3 in both reactors. However, FP-FBR standing out with the best results for PB, cell density, chlorophyll-a and photosynthetic efficiency parameters. Furthermore, both systems showed a good ability to E. coli and total coliforms remove (between 76 and 100%), indicating a good alternative for tertiary treatment. Finally, based on the chemical characterization of the biomass generated in the two systems, it can be considered a viable option as a biofertilizer, since it met most of the requirements demanded by the current regulation. The test with CO2 insertion in the RP showed that, in the presence of greater light intensity, the use of CO2 was necessary to obtain more BP. The sanitary sewage treatment with FP-PBR and RP showed that, in addition to purifying the componentes that were not removed in the anaerobic stage, it generated a biomass that can contribute to sustainable agricultural production, balance of biogeochemical cycles and incorporation of circulate economic principles in the sanitation sector. Key-words: Microalgae-bacteria consortium; phycoremediation; closed system; open system; circular economy. iii LISTA DE FIGURAS Estruturação da tese Figura 1: Fluxograma da estruturação da tese em capítulos ....................................................... 1 Capítulo 1 Figura 1-1: Localização do Estado de São Paulo/Brasil (a), Município de Bauru/São Paulo (b), Distrito de Tibiriça/SP (c), ETE de Tibiriça (d), Localização do FAFA na ETE (e), localização do RCA na ETE (f) e local de instalação do FBR-FP na FEB/Unesp (g). ..... 30 Figura 1-2: Configuração experimental do estudo ................................................................... 32 Figura 1-3: FBR-FP em escala piloto utilizado no estudo........................................................ 33 Figura 1-4: Valores de temperatura, valor de pH e oxigênio dissolvido no efluente (n=8.640 por dia para temperatura e valor de pH; n=18 por dia para OD) ............................................. 38 Figura 1-5: Valores médios de alcalinidade total, ácidos orgânicos voláteis, demanda química de oxigênio dissolvida e nitrogênio orgânico no efluente (n=18 por dia) ......................... 41 Figura 1-6: Valores de N-total, N-amoniacal, nitrito, nitrato no tratamento do FBR-FP (n=18 para cada dia) e teores (%) em cada TDH ......................................................................... 45 Figura 1-7: Valores de P-total e fosfato no tratamento do FBR-FP (n=18 para cada dia) e teores (%) em cada TDH ............................................................................................................. 47 Figura 1-8: Valores de SST, PB, DC, clor-a e DO682 no tratamento do FBR-FP (n=18 por dia) ........................................................................................................................................... 51 Figura 1-9: Balanço de massa médio para nutrientes e relação entre remoção e produção de biomassa ............................................................................................................................ 56 Figura 1-9: Balanço de massa médio para nutrientes e relação entre remoção e produção de biomassa (continuação) ..................................................................................................... 57 Figura 1-10: Concentração de macronutrientes na biomassa (n=2 para N, P2O 5 e K2O; n=6 para C, Ca e Mg) e comparação com a literatura ............................................................................. 60 Capítulo 2 Figura 2-1: Lagoa Raceway em escala piloto ........................................................................... 89 Figura 2-2: Valores de temperatura, valor de pH e oxigênio dissolvido no tratamento da LR (n=8.640 por dia para temperatura e valor de pH; n=18 por dia para OD) ....................... 91 Figura 2-3: Valores médios de alcalinidade total, ácidos orgânicos voláteis, demanda química de oxigênio dissolvida e nitrogênio orgânico no tratamento da LR (n=18 por dia).......... 93 Figura 2-4: Valores de N-total, N-amoniacal, nitrito e nitrato no tratamento da LR (n=18 para cada dia) e teores (%) em cada TDH................................................................................. 96 Figura 2-5: Valores de P-total e fosfato no tratamento da LR (n=18 para cada dia) e teores (%) em cada TDH .................................................................................................................... 98 Figura 2-6: Valores de SST, PB, DC, clor-a e DO682 no tratamento da LR (n=18 por dia) .. 102 Figura 2-7: Balanço de massa para nutrientes e relação entre remoção e produção de biomassa ......................................................................................................................................... 106 Figura 2-8: Concentração de macronutrientes e C na biomassa (n=2 para N e P2O 5; K2O; n=6 pra C, Ca, Mg e Na) e comparação com a literatura ....................................................... 111 Capítulo 3 Figura 3-1: Aspecto do efluente do dia 7 em uma batelada da L1 (a) e duas bateladas da L2 (b e c) no tratamento do FBR-FP......................................................................................... 142 file:///C:/Users/User/Downloads/Capítulo%202.docx%23_Toc130371501 iv Capítulo 4 Figura 4-1: Configuração experimental do estudo ................................................................. 161 Figura 4-2: Valores de temperatura, valor de pH e oxigênio dissolvido no efluente (n=8.640 por dia para temperatura; n=6 por dia para OD e valor de pH) ...................................... 163 Figura 4-3: Valores médios de alcalinidade total, ácidos orgânicos voláteis e demanda química de oxigênio dissolvida no efluente (n=6 por dia) .............................................. 165 Figura 4-4: Valores de N-total, N-orgânico, N-amoniacal, nitrito e nitrato no efluente (n=6 por dia) e teores (%) em cada TDH ....................................................................................... 167 Figura 4-5: Valores de P-total e fosfato no efluente (n=6 por dia) e teores (%) em cada TDH ......................................................................................................................................... 169 Figura 4-6: Valores de SST, PB, DC, clor-a e DO682 no tratamento da LR (n=6 por dia) .... 172 Figura 4-7: Balanço de massa médio para nutrientes e relação entre remoção e produção de biomassa .......................................................................................................................... 175 Figura 4-7: Balanço de massa médio para nutrientes e relação entre remoção e produção de biomassa (continuação) ................................................................................................... 176 Figura 4-8: Concentração de macronutrientes na biomassa (n=2 por dia) e comparação com a literatura .......................................................................................................................... 179 v LISTA DE TABELAS Capítulo 1 Tabela 1-1: Caracterização do esgoto sanitário pós-tratado pelo FAFA e RCA (n=72) .......... 31 Tabela 1-2: Especificações do FBR Flat Panel........................................................................ 33 Tabela 1-3: Valores de temperatura ambiente, intensidade luminosa, precipitação pluviométrica e tempo de luz ................................................................................................................... 34 Tabela 1-4: Parâmetros avaliados, respectivo método e/ou equipamento utilizado ................. 35 Tabela 1-5: Cálculos relacionados com a eficiência do tratamento e respetiva referência ...... 36 Tabela 1-6: Valores de taxa de crescimento específico, tempo de duplicação e taxa de divisão celular (n=18 por dia) ........................................................................................................ 53 Tabela 1-7: Valores de coliformes totais e E. coli no efluente (n= 18 por dia) e comparação entre normas sobre reúso agrícola ..................................................................................... 58 Tabela 1-8: Concentração de micronutrientes na biomassa (n=6) e comparação com a literatura ........................................................................................................................................... 62 Tabela 1-9: Teores dos macro e micronutrientes (%) na biomassa gerada e comparação com a IN n° 61/2020 .................................................................................................................... 62 Tabela 1-10: Comparação entre a média de macro e micronutrientes nas biomassas geradas e nutrientes foliares de diferentes espécies vegetais ............................................................ 64 Tabela 1-11: Comparação entre a composição dos fertilizantes e resíduos orgânicos de origem animal, vegetal e agroindustrial e as médias de macronutrientes e elementos traços da biomassa ................................................................................................................................................. 66 Capítulo 2 Tabela 2-1: Especificações da Lagoa Raceway ........................................................................ 89 Tabela 2-2: Valores de coliformes totais e E. coli no efluente (n= 18 por dia) e comparação entre normas sobre reúso agrícola ................................................................................... 107 Tabela 2-3: Concentração de micronutrientes na biomassa (n=6) e comparação com a literatura ......................................................................................................................................... 112 Tabela 2-4: Teores dos macro e micronutrientes (%) na biomassa gerada e comparação com a IN nº 61/2020 .................................................................................................................. 113 Tabela 2-5: Comparação entre a média de macro e micronutrientes nas biomassas geradas e nutrientes foliares de diferentes espécies vegetais .......................................................... 115 Tabela 2-6: Comparação entre a composição dos fertilizantes e resíduos orgânicos de origem animal, vegetal e agroindustrial e as médias de macronutrientes e elementos traços da biomassa .......................................................................................................................... 116 Capítulo 3 Tabela 3-1: Cálculos de eficiência luminosa .......................................................................... 136 Tabela 3-2: Valores de intensidade luminosa, PB:L, R-PT:L, R-Fosfato:L, R-NT:L, R-NH4:L do FBR-FP e LR .............................................................................................................. 137 Tabela 3-3: Valores de irradiação interna média (Imed), coeficiente de extinção (Ka), eficiência fotossintética (EF) e rendimento quântico (ΨE) ............................................................. 141 vi Capítulo 4 Tabela 4-1: Caracterização do esgoto sanitário pós-tratado pelo RCA (n= 24) ..................... 161 Tabela 4-2: Valores de temperatura ambiente, intensidade luminosa, precipitação pluviométrica, tempo de luz e evaporação na LR ........................................................... 162 Tabela 4-3: Valores de coliformes totais e E. coli no efluente (n=6 por dia) e comparação entre normas sobre reúso agrícola ............................................................................................ 177 Tabela 4-4: Concentração de micronutrientes na biomassa (n=2 por dia) e comparação com a literatura .......................................................................................................................... 180 Tabela 4-5: Teores dos macro e micronutrientes (%) na biomassa gerada e comparação com a IN nº 61/2020 .................................................................................................................. 181 Tabela 4-6: Comparação entre a média de macro e micronutrientes nas biomassas geradas e nutrientes foliares de diferentes espécies vegetais .......................................................... 182 Tabela 4-7: Comparação entre a média de macro e micronutrientes nas biomassas geradas e nutrientes foliares de diferentes espécies vegetais .......................................................... 184 vii LISTA DE SIGLAS/UNIDADES % Porcentagem µ Taxa de crescimento específico µg Micrograma µmol Micromol AL Amônia livre Al Alumínio Alc Alcalinidade total AOV Ácidos orgânicos voláteis As Arsênio ATP Adenosina trifosfato AV Amônia volatizada Ba Bário BOA Bactérias oxidantes de amônia BON Bactérias oxidantes de nitrito C Carbono C:L Relação comprimento:largura C:N Relação carbono:nitrogênio C:N:P Relação carbono:nitrogênio:fósforo Ca Cálcio Cd Cadmio CE Condição experimental CETESB Companhia Ambiental do Estado de São Paulo CH3OH Metanol Clor-a Clorofila-a cm Centímetro CMB Consórcio de microalgas-bactérias Co Cobalto CO2 Dióxido de carbono CO3 2- Carbonato Cr Cromo CT Coliformes totais Cu Cobre d-1 dia DO Densidade óptica DQO Demanda química de oxigênio DQOd Demanda química de oxigênio dissolvida E. coli Escherichia coli EF Eficiência fotossintética EPS Proteps de poliestireno expandido ER Eficiência de remoção ETE Estação de tratamento de esgoto FAFA Filtro anaeróbio de fluxo ascendente FBR Fotobioreator FBR-FP Fotobioreator tipo Flat Panel FCA Faculdade de Ciências Agronômicas FCO2 Fixação de CO2 Fe Ferro viii FEB Faculdade de Engenharia de Bauru g grama GEE Gases do efeito estufa h:min Hora:minuto H2PO4 - Ácido fosfórico hab Habitantes HCO3 - Bicarbonato HPO4 2- Fosfato de hidrogênio IAC Instituto Agronômico de Campinas IL Intensidade luminosa Imed Irradiância media absorvida pela cultura IN Instrução normativa IPMet Instituto de Pesquisas Meteorológicas K Potássio k Número de duplicação celular K2O Óxido de potássio Ka Coeficiente de extinção Kg Quilo L Condição experimental sem sombra e sem enriquecimento de CO2 L1 Condição experimental sem sombra e sem contaminação por fármacos L-1 Litro L2 Condição experimental sem sombra e com contaminação por fármacos LCO2 Condição experimental sem sombra e com enriquecimento de CO2 LED Light emitting diode LR Lagoa Raceway m Metro m2 Metro quadrado m3 Metro cubico mg Miligrama Mg Magnésio mL Mililitro mm Milímetro Mn Manganês MOD Matéria orgânica dissolvida N Nitrogênio N:P Relação nitrogênio:fósforo NA Não aplicável N-amoniacal Nitrogênio amoniacal ND Não detectado NH3 Amônia livre NH4 Nitrogênio amoniacal Ni Níquel nm Nanômetro NMP Número mais provável NO3 Nitrato N-orgânico Nitrogênio orgânico NOx Nitrogênio oxidado N-total Nitrogênio total OAP Organismos acumuladores de polifosfato oC Graus Celsius ix OD Oxigênio dissolvido OMS Organização Mundial da Saúde ONU Organização das Nações Unidas P Fósforo P2O5 Pentóxido de difósforo PB Produtividade de biomassa Pb Chumbo PB:L Produtividade de biomassa em função da luz pH Potencial hidrogeniônico pHi pH intracelular PLANSAB Plano Nacional de Saneamento Básico PO4 3- Ortofosfato PP Precipitação pluviométrica PROSAB Programa de Pesquisas em Saneamento Básico P-total Fósforo total PVC Cloreto de polivinila RCA Reator compartimento anaeróbio RFA Radiação fotossinteticamente ativa R-Fosfato:L Remoção de fosfato em função da luz R-NH4:L Remoção de nitrogênio amoniacal em função da luz R-NT:L Remoção de nitrogênio total em função da luz R-PT:L Remoção de fósforo total em função da luz RT Remoção total S Condição experimental com sombra e sem enriquecimento de CO2 s Segundo S1 Condição experimental com sombra e sem contaminação por fármacos S2 Condição experimental com sombra e com contaminação por fármacos SCO2 Condição experimental com sombra e com enriquecimento de CO2 SSF Sólidos em suspensão fixos SST Sólidos em suspensão totais SSV Sólidos em suspensão voláteis td Tempo de duplicação celular TDH Tempo de detenção hidráulica Tg Teragrama TR Taxa de remoção UFC Unidade formadora de colônia UNESP Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” USEPA United States Environmental Protection Agency UT Unidade de turbidez UV Ultravioleta V:AS Relação volume:área superficial v:v Relação volume:volume WWF World Wide Fund for Nature Zn Zinco ΨE Rendimento quântico x SUMÁRIO Justificativa ................................................................................................................................. 5 Objetivo geral ............................................................................................................................. 9 Objetivos específicos .................................................................................................................. 9 Sistemas centralizados e descentralizados ................................................................................ 10 Microalgas ................................................................................................................................ 12 Cultivos de microalgas ............................................................................................................. 15 Sistemas abertos ....................................................................................................................... 16 Sistemas fechados ..................................................................................................................... 17 Intensidade luminosa ................................................................................................................ 18 Referências ............................................................................................................................... 19 1.1. Introdução ....................................................................................................................... 28 1.2. Material e métodos .......................................................................................................... 29 1.2.1. Local de estudo e esgoto sanitário ...................................................................... 29 1.2.2. Configuração experimental................................................................................. 31 1.2.3. Parâmetros monitorados ..................................................................................... 35 1.2.4. Cálculos .............................................................................................................. 36 1.2.5. Análise estatística ............................................................................................... 37 1.3. Resultados e discussão .................................................................................................... 37 1.3.1. Parâmetros abióticos ........................................................................................... 37 1.3.2. Remoção de carbono orgânico e inorgânico....................................................... 40 1.3.3. Remoção de nitrogênio ....................................................................................... 44 1.3.4. Remoção de fósforo ............................................................................................ 47 1.3.5. Relação entre nutrientes...................................................................................... 49 1.3.6. Crescimento microalgal ...................................................................................... 51 1.3.7. Balanço e massa.................................................................................................. 56 1.3.8. Remoção de coliformes totais e E. coli .............................................................. 57 1.3.9. Recuperação de nutrientes na biomassa ............................................................. 60 1.4. Conclusões ...................................................................................................................... 67 1.5. Referências ...................................................................................................................... 68 Apêndice 1-a: Matriz de correlação dos parâmetros analisados na S1 .................................... 78 Apêndice 1-b: Matriz de correlação dos parâmetros analisados na S2 .................................... 79 Apêndice 1-c: Matriz de correlação dos parâmetros analisados na L1 .................................... 80 Apêndice 1-d: Matriz de correlação dos parâmetros analisados na L2 .................................... 81 Apêndice 1-e: Bateladas de perfil dos parâmetros analisados nas 4 condições experimentais (n=6 por dia) ............................................................................................................................ 82 xi 2.1. Introdução ....................................................................................................................... 87 2.2. Material e métodos .......................................................................................................... 89 2.3. Resultados e discussão .................................................................................................... 90 2.3.1. Parâmetros abióticos ........................................................................................... 90 2.3.2. Remoção de carbono orgânico e inorgânico....................................................... 92 2.3.3. Remoção de nitrogênio ....................................................................................... 95 2.3.4. Remoção de fósforo ............................................................................................ 98 2.3.5. Relação entre nutrientes...................................................................................... 99 2.3.6. Crescimento microalgal .................................................................................... 101 2.3.7. Balanço de massa.............................................................................................. 106 2.3.8. Remoção de coliformes totais e E. coli ............................................................ 107 2.3.9. Recuperação de nutrientes na biomassa ........................................................... 111 2.4. Conclusões .................................................................................................................... 117 2.5. Referências .................................................................................................................... 118 Apêndice 2-a: Matriz de correlação dos parâmetros analisados na S1 .................................. 125 Apêndice 2-b: Matriz de correlação dos parâmetros analisados na S2 .................................. 126 Apêndice 2-c: Matriz de correlação dos parâmetros analisados na L1 .................................. 127 Apêndice 2-d: Matriz de correlação dos parâmetros analisados na L2 .................................. 128 Apêndice 2-e: Bateladas de perfil dos parâmetros analisados nas 4 condições experimentais (n=6 por dia) .................................................................................................................... 129 3.1. Introdução ..................................................................................................................... 134 3.2. Material e métodos ........................................................................................................ 135 3.2.1. Cálculos ......................................................................................................................... 135 3.3. Resultados e discussão .................................................................................................. 136 3.3.1. Remoção de nutrientes e produtividade de biomassa ....................................... 136 3.3.2. Eficiência luminosa .......................................................................................... 141 3.4. Conclusões .................................................................................................................... 147 3.5. Referências .................................................................................................................... 148 Apêndice 3-a: Parâmetros analisados nas bateladas de perfil das 4 condições experimentais no tratamento do FBR-FP (n=6 por dia) ...................................................................................... 153 Apêndice 3-b: Parâmetros analisados nas bateladas de perfil das 4 condições experimentais no tratamento da LR (n=6 por dia) ....................................................................................... 155 Capítulo 4 ......................................................................................................... 157 4.1. Introdução ..................................................................................................................... 158 4.2. Material e métodos ........................................................................................................ 160 4.2.1. Configuração experimental............................................................................... 160 4.3. Resultados e Discussão ................................................................................................. 162 4.3.1. Parâmetros abióticos ......................................................................................... 162 4.3.2. Remoção de carbono orgânico e inorgânico..................................................... 164 4.3.3. Remoção de nitrogênio ..................................................................................... 166 4.3.4. Remoção de fósforo .......................................................................................... 168 4.3.5. Relação entre nutrientes.................................................................................... 169 4.3.6. Crescimento microalgal .................................................................................... 171 4.3.7. Balanço de massa.............................................................................................. 175 xii 4.3.8. Remoção de coliformes totais e E. coli ............................................................ 176 4.3.9. Recuperação de nutrientes na biomassa ........................................................... 178 4.4. Conclusões .................................................................................................................... 185 4.5. Referências .................................................................................................................... 186 Apêndice 4-a: Matriz de correlação dos parâmetros analisados na SCO2 ............................... 192 Apêndice 4-b: Matriz de correlação dos parâmetros analisados na S .................................... 193 Apêndice 4-c: Matriz de correlação dos parâmetros analisados na LCO2 ............................... 194 Apêndice 4-d: Matriz de correlação dos parâmetros analisados na L .................................... 195 Conclusões gerais e recomendações ............................................................... 196 1 Estruturação da Tese Esta tese está apresentada em formato de Capítulos para facilitar a discussão dos resultados e o desmembramento em artigos científicos (Figura 1). Figura 1: Fluxograma da estruturação da tese em capítulos A tese também contém a apresentação de uma intodução geral e justificativa para o tema do estudo e, em seguida, uma contextualização com embasamento teórico sobre sistema centralizado e descentralizado de tratamento de esgoto sanitário, salientando este último para promoção dos princípios da economia circular e a universalização do acesso ao saneamento. Em seguida, foi abordado sobre os sistemas abertos e fechados de cultivo de microalgas, explanando sobre as principais características que interferem nestes sistemas. A tese foi finalizada com uma conclusão geral com os principais achados do estudo. Capítulo 1 - Avaliação do pós-tratamento de esgoto sanitário anaeróbio de alta carga por microalgas nativas em fotobioreator Flat Panel em escala piloto. Neste capítulo foi verificado o comportamento de um FBR de sistema fechado (FBR-FP) em escala piloto durante o tratamento de esgoto sanitário digerido anaerobiamente. O FBR foi operado ao ar livre em 2 uma região de clima tropical, sob IL natural e com um bloqueio de 50% de luz. Foram realizadas 24 bateladas com duração de 7 dias, sendo 6 bateladas para cada condição experimental. Foram analisados parâmetros climáticos, parâmetros de compostos carbonados, N e P, patógenos e crescimento microalgal no efluente e, por fim, analisada a concentração de nutrientes absorvida na biomassa. Também foi analisada a existência de correlação entre as variáveis e a aplicabilidade da biomassa gerada para uso como biofertilizante. Capítulo 2 - Avaliação do pós-tratamento de esgoto sanitário anaeróbio de alta carga por microalgas nativas em lagoa de alta taxa em escala piloto. Para uma melhor estrutura da tese e discussão dos resultados, enquanto no Capítulo 1 foi abordado o estudo com o FBR-FP, neste Capítulo 2 foi tratada exclusivamente a verificação do comportamento de um reator de sistema aberto (LR) em escala piloto. A configuração experimental e variáveis analisadas no Capítulo anterior também foram aplicadas para a LR neste Capítulo. Capítulo 3 - Efeito da intensidade luminosa na remoção de nutrientes e produtividade de biomassa em Lagoa Raceway e fotobioreator Flat Panel em escala piloto ao ar livre e tratando esgoto sanitário anaeróbio de alta carga. Após o conhecimento do comportamento do FBR-FP e LR nas condições de operação abordadas nos Capítulo 1 e 2, no Capítulo 3 procurou-se descrever os resultados obtidos sobre os cálculos relacionados com as IL em uma região de clima tropical sobre a remoção de nutrientes e produtividade de biomassa em um sistema aberto e fechado de cultivo microalgal, com análise dos parâmetros de remoção e produtividade por mol de fótons, irradiância média recebida pelas microalgas, rendimento quântico e eficiência fotossintética. A configuração experimental foi a mesma adotada nos Capítulos anteriores. Capítulo 4 - Avaliação da suplementação de CO2 no tratamento de esgoto sanitário anaeróbio de alta carga por microalgas nativas em Lagoa Raceway em escala piloto ao ar livre. Este Capítulo teve o propósito de apresentar a necessidade e influência da ausência ou presença de suplementação de CO2 durante o tratamento de esgoto anaeróbio do RCA em um sistema aberto (LR), sob diferentes IL e em uma região de clima tropica, visando também tornar em um sistema mais autossustentável. Foram realizadas duas Etapas de estudo: a 1ª com bloqueio de 50% de luz solar e a 2º com IL natural. Para cada Etapa foram realizadas 4 bateladas com duração de 7 dias, sendo 2 bateladas com enriquecimento de CO2 e 2 bateladas sem o uso de CO2 no tratamento. Os parâmetros analisados neste Capítulo foram os mesmos abordados nos 3 primeiros Capítulos. Introdução e Contextualização 3 Introdução geral A crescente urbanização e ampliação produtiva da sociedade elevou a demanda por recursos naturais e trouxe graves consequências sociais e ambientais. Entretanto, embora a urbanização tenha ocorrido de forma acelerada, a quantidade e qualidade dos serviços de saneamento básico não acompanharam esse crescimento em muitos países, o que tem gerado também a poluição dos recursos hídricos pelo lançamento de esgoto sanitário e problemas de saúde pública. No Brasil, o sistema de esgotamento sanitário se enquadra no modelo centralizado, onde o esgoto de uma região de elevada densidade populacional é encaminhado para estações de tratamento distantes da malha urbana (HOFFMAN, 2004; SANTOS et al., 2015). Geralmente, este modelo se dá de forma linear e unidirecional, iniciando no processo de geração e finalizado no descarte do efluente. De acordo com Letinga, Zeeman e Lens (2001) este sistema é considerado insustentável, dado que a humanidade está consumindo mais recursos naturais do que o planeta pode repor e, para manter o estilo de vida da sociedade no século XXI, a biocapacidade do planeta está sendo usada excessivamente em pelo menos 75% (WWF, 2022). O seu objetivo principal é a depuração do esgoto, mas com pouca ou nenhuma recuperação e/ou reaproveitamento durante o processo, considerando-o como um rejeito ao invés de um potencial produto (MESQUITA et al., 2021; SURIYACHAN; NITIVATTANANON; AMIN, 2012). Ademais, a maioria das estações de tratamento de esgoto (ETE) adotadas no Brasil possui unidades de tratamento não capazes de remover de forma satisfatória macro e micronutrientes e organismos patogênicos no esgoto sanitário, como o tratamento anaeróbio (CHERNICHARO et al. 2018; VON SPERLING, 2014). O Brasil possui 3.419 ETEs ativas distribuídas em 1.893 municípios, compostas por 206 tipologias de tratamentos diferentes e com reatores anaeróbios implementados em 38% das ETEs. Dentre as ETEs ativas, somente 131 unidades foram projetadas para remoção de nutrientes (ANA, 2020). A tecnologia anaeróbia, por exemplo, consegue alcançar uma baixa redução da concentração de nitrogênio (N) e fósforo (P) (RUZHITSKAYA; GOGINA, 2017) e uma redução de coliformes totais (CT) em cerca de 1 log (CHERNICHARO, 2007). Isto foi relatado por Oliveira e Von Sperling (2005) ao levantarem em 166 ETEs de São Paulo e Minas Gerais uma faixa de remoção de apenas 0 a 1,3 log de coliformes fecais e, ao mesmo tempo, um aumento do valor de nitrogênio total (NT) e PT no esgoto tratado por reator anaeróbio em comparação com o esgoto bruto, com elevação da concentração de 6 a 19% de NT e até 21% Introdução e Contextualização 4 de PT. Desta forma, o efluente de reatores anaeróbios usualmente não atende aos padrões impostos pela legislação (MACHADO et al., 2022), acarretando na poluição e contaminação dos rios que recebem os despejos. Além desta conhecida contaminação, enfrentamos atualmente a poluição de micropoluentes, como fármacos, hormônios naturais, plásticos, dentre outros. Um exemplo disso pode ser observado em inúmeros trabalhos que descrevem a contaminação de corpos d’água que recebem esgoto sanitário previamente tratado, com presença de diversos micropoluentes e em variadas concentrações, e com efeitos adversos a longo prazo ainda desconhecidos (AHMAD et al., 2019; CHEN et al., 2020; K’OREJE et al., 2020). Já o modelo de saneamento descentralizado para áreas de baixa densidade populacional surge como uma alternativa mais sustentável para os problemas encontrados nos sistemas centralizados (KUJAWA-ROELEVELD; ZEEMAN, 2006). Ao contrário do sistema atual, o modelo descentralizado, no geral, realiza o tratamento próximo à fonte, considera o esgoto sanitário um recurso valioso ao invés de um rejeito e visa a recuperação de água, bioenergia e nutrientes (GRAAFF, 2010; KUJAWA-ROELEVELD; ZEEMAN, 2006; LARSEN; UDERT; LIENERT, 2013). Este sistema se torna uma alternativa aplicável no Brasil, principalmente nas regiões não contempladas pela universalização do acesso ao saneamento prevista na última revisão do Plano Nacional de Saneamento Básico (PLANSAB) com vigência até 2033 (BRASIL, 2019), pois 44% dos municípios brasileiros possuem até 10.000 habitantes (IBGE, 2021), considerado um número adequado para adoção do sistema descentralizado. Ademais, Chermicharo et al. (2018) investigaram 1.667 ETEs no Brasil e 57% delas também atendem um equivalente populacional inferior a 10.000 habitantes. Uma tecnologia de tratamento que vem ganhando atenção nos últimos anos e se enquadra no modelo de sistemas descentralizados é o uso de microalgas como um pós- tratamento para esgoto sanitário digerido anaerobiamente. O uso de esgoto anaeróbio para cultivar microalgas justifica-se pelo fato de a tecnologia anaeróbia apresentar uma boa remoção de matéria orgânica biodegradável convertendo-a em biogás, mas mantêm os nutrientes preservados no efluente final. Esta característica faz com que o efluente de reatores anaeróbios não atendam as legislações vigentes para o lançamento em corpos d’água, havendo a necessidade de um pós-tratamento para remover e/ou reaproveitar os nutrientes (CHERNICHARO, 2007; MACHADO et al., 2022). Diversos trabalhos publicados sobre a remoção de nutrientes, como o N e P, com uso de microalgas foram feitos em escala de laboratório (BINNAL; BABU, 2017; JEBALI et al., Introdução e Contextualização 5 2018a; PHAM et al., 2019; RUSSEL et al., 2020; ZHANG et al., 2018; ŽITNIK et al., 2019), enquanto as pesquisas que estudaram reatores em escala piloto deveriam ser mais exploradas para avaliar a sua aplicabilidade em escala real e em condições climáticas naturais. Por fim, é importante estudar as diferenças que poderiam aparecer na etapa de escala piloto, porque alguns parâmetros como temperatura, intensidade luminosa (IL) ou mistura são facilmente controlados em escala de laboratório, mas não sob escala piloto ao ar livre, como relatado na literatura sobre a diminuição da eficiência de remoção (ER) de nutrientes e da produtividade de biomassa (PB) de microalgas com o aumento da escala (LAM et al., 2016; VILLASEÑOR CAMACHO et al., 2018). Justificativa Um relatório divulgado pela Organização Mundial da Saúde (OMS) (OMS, 2021) deixa claro que, em 2020, 3,6 bilhões de pessoas careciam de serviços de saneamento gerenciados com segurança e, até 2030, nesse ritmo, apenas 67% terão serviços de saneamento seguros, deixando 2,8 bilhões de pessoas desprovidas de segurança na área de saneamento. Além disso, para fechar a lacuna global, a taxa de progresso deve ser 4 vezes mais rápida nas áreas rurais, 5 vezes mais rápida nas áreas urbanas e 15 vezes mais rápida nos países menos desenvolvidos. Analisando a realidade brasileira, atualmente existe um enorme déficit no índice de coleta e tratamento de esgoto, pois apenas 64,1% da população possui coleta de esgoto sanitário e apenas 51,2% do esgoto passa por algum tratamento antes do despejo nos rios (BRASIL, 2022a). Vale destacar que a coleta de esgotos apresenta diferença de acordo com a região, uma vez que a abrangência no sudeste é de 85,9% e no norte é de apenas 18,4% (BRASIL, 2022a). Esta realidade evidencia que a universalização do acesso ao saneamento básico (BRASIL, 2019) ainda está distante para cerca de metade da população brasileira e o novo marco legal do saneamento básico (BRASIL, 2020a) quer acelerar a disponibilidade destes serviços atribuindo como meta até 2033 a garantia de 99% da população servida com água potável e 90% com tratamento de esgoto. Neste contexto, o tratamento secundário geralmente adotado nas ETEs brasileiras é baseado em sistemas anaeróbios, com remoção de matéria orgânica, mas ausência de remoção de patógenos e recuperação dos constituintes existentes no esgoto sanitário, como o N e P, desperdiçados no efluente despejado nos corpos d’água, causando impactos ambientais negativos e prejudicando o fechamento dos ciclos biogeoquímicos. Introdução e Contextualização 6 Como exemplo, o baixo índice de tratamento de esgoto no Brasil, bem como a baixa remoção de organismos patogênicos em alguns dos tratamentos existentes podem ter contribuído para 813.675 internações (equivalente a 38,67 internações.10 mil hab-1) e 8.452 mortes (equivalente a 0,40 óbitos.10 mil hab-1) em razão das doenças por veiculação hídrica entre 2018 e 2021 no país (PAINEL SANEAMENTO BRASIL, 2022). Com relação aos nutrientes presentes no esgoto, o P, por exemplo, possui reservas fosfáticas finitas que estão se tornando cada vez mais escassas e desigualmente distribuídas (CORDELL et al., 2011; CORDELL; WHITE, 2014; STAMM et al., 2021). Como a agricultura mundial é dependente desta fonte de P para produção de fertilizantes, o desafio crítico de sua escassez global está diretamente ligado à segurança alimentar global, precisando ser analisado de forma mais ampla e integrando o conceito de economia circular (IRIBARNEGARAY et al., 2018). Se a taxa de extração de P e o crescimento populacional continuar semelhante aos índices atuais, estimativas mostram que as reservas mundiais só durariam até o ano de 2170 (THEREGOWDA et al., 2019). No cenário brasileiro, a agricultura nacional importa mais de 80% dos fertilizantes (ANDA, 2022), é extremamente depende da importação do nutriente fosfato (WITHERS et al., 2018) e o país é considerado o quarto maior consumidor mundial de fertilizantes (quase 8% do consumo global) (BRASIL, 2020c). Está realidade faz com que o país esteja suscetível à futura escassez de P e, possivelmente, às flutuações de mercados em decorrência da dependência de sua importação. No ano de 2022, por exemplo, iniciou-se o conflito militar entre a Ucrânia e Rússia que promoveu um cenário de incerteza sobre a importação de fertilizantes para o Brasil e continuidade da produção agrícola, já que a Rússia, sozinha, representa 23% da importação nacional de fertilizantes (ANDA, 2022). Com isso, surgiram questões sobre os motivos de o Brasil ser tão dependente de outros países quanto ao uso de fertilizantes. Além disso, a guerra em curso trouxe uma recente estimativa pela Organização das Nações Unidas para Agricultura e Alimentação de aumento de 20% nos preços dos alimentos (LU, 2022), ressaltando ainda mais a importância de alternativas para recuperação de nutrientes e redução nos custos da produção agrícola. Apesar de as fontes de N não apresentarem problema de escassez como o P, seu processo de fixação do N elementar como amônia possui elevado custo, sendo também considerado uma grande fonte de poluição atmosférica, com emissão de óxido nitroso neste processo, um gás forte e tóxico, que contribui para o efeito estufa (WIEL et al., 2019). Ademais, Verstraete, Van Introdução e Contextualização 7 De Caveye e Diamantis (2009) citam que a recuperação do N presente no esgoto sanitário conseguiria suprir 30% da demanda agrícola. A partir destas constatações da situação do saneamento mundial e nacional, uma nova visão para sistema de esgotamento sanitário deve ser estudada e aplicada, com tecnologias de tratamento sustentáveis, de baixo custo e fácil implementação, que visem sanar as limitações de recuperação de nutrientes do tratamento de esgoto atual, visem a diminuição dos impactos ambientais oriundos do despejo do esgoto nos corpos d’água e dos impactos da extração/processamento de N e P para produção de fertilizantes, bem como os efeitos da escassez de nutrientes que surgirá em um cenário futuro. De acordo com Ghisellini et al. (2016) nos últimos anos, a economia circular recebeu cada vez mais atenção em todo o mundo como um modo de superar o atual modelo de produção e consumo baseado no crescimento contínuo e buscar um melhor equilíbrio e harmonia entre economia, meio ambiente e sociedade. O sistema de esgotamento sanitário possui os recursos necessários para adotar o modelo de economia circular, com inovação tecnológica sob a forma de tecnologias mais limpas e reúso de subprodutos do tratamento de esgoto. Os sistemas a base de microalgas como pós-tratamento de esgoto anaeróbio se tornam uma alternativa promissora para esta nova visão de economia no Brasil, pois além de ser um país com condições climáticas favoráveis ao cultivo das microalgas, os reatores e FBR podem ser implementados próximo a grupos pequenos de habitantes, promovendo também um tratamento descentralizado e a busca pela universalização do acesso ao saneamento. Ademais, a implementação de sistemas de tratamento terciário de esgoto sanitário baseado na ficoremediação e aproveitamento dos subprodutos em uma visão circular de produção, irá atender vários dos 17 Objetivos de Desenvolvimento Sustentável propostos pela ONU para a agenda 2030 (ODS BRASIL, 2022), como: 2º - fome zero e agricultura sustentável, 6º - água potável e saneamento, 7º - energia limpa e acessível, 9º - indústria, inovação e infraestrutura, 11º - cidades e comunidades sustentáveis, 12º - consumo e produção responsáveis, 13º - ação contra a mudança global do clima e 14º - vida na água. As microalgas requerem N e P para seu crescimento, o que significa que elas podem absorver os nutrientes presentes no esgoto sanitário (RENUKA et al., 2013) que não foram removidos na etapa anaeróbia. Os sistemas microalgais tem o benefício adicional de remover metais pesados (KUMAR et al., 2015), fármacos/hormônios (DE WILT et al., 2016), microplásticos (KIKI et al., 2022) e organismos patogênicos (MUÑOZ; GUIEYSSE, 2006) do esgoto sanitário, permite o reúso do efluente para fins agrícolas, bem como reduz os impactos negativos nos ambientes aquáticos que recebem despejos de ETEs. Introdução e Contextualização 8 Além disso, o tratamento com CMB reduz os custos operacionais associados à aeração mecânica devido à fotooxigenação (KARYA; VAN DER STEEN; LENS, 2013) e promove o sequestro de CO2 (um dos gases responsáveis pelo efeito estufa) (YANG et al., 2011), colaborando para a redução do agravamento das mudanças climáticas. Com relação ao subproduto, a biomassa microalgal pode ser utilizada para a fabricação de biofertilizantes (SILVA et al., 2019), reincorporando o N e P na cadeia alimentar, colaborando para o fechamento dos ciclos biogeoquímicos (MULBRY et al., 2005) e se tornando uma solução para a escassez futura de nutrientes na agricultura brasileira e mundial. O potencial do uso da biomassa microalgal como biofertilizante está em sintonia com o Plano de Investimento para Agricultura Sustentável (BRASIL, 2020c), Plano Setorial para Adaptação à Mudança do Clima e Baixa Emissão de Carbono na Agropecuária 2020-2030 (BRASIL, 2021b), Programa Nacional de Crescimento Verde (BRASIL, 2021a) e Plano Nacional de Fertilizantes 2022-2050 (BRASIL, 2022b). Entre os objetivos descritos nestes documentos, destacam-se o incentivo a projetos e atividades econômicas sustentáveis e empregos verdes, neutralização da emissão de C pelo país até 2050, inovação para novos produtos e tecnologias visando novas fontes de nutrientes, diminuição da dependência de fertilizantes químicos de origem não renovável, redução da vulnerabilidade dos produtores rurais a insumos externos e o investimento na produção de biofertilizante de 6 bilhões de reais, que pode representar um mercado de 806 milhões de reais no país até 2025. Introdução e Contextualização 9 Objetivo Objetivo geral Avaliar o desempenho de um consórcio nativo do esgoto sanitário composto por bactérias e microalgas em um sistema aberto e um sistema fechado em escala piloto, como pós- tratamento de reator anaeróbio, visando a remoção/recuperação de nutrientes e produtividade de biomassa. Objetivos específicos • Avaliar a influência de sombreamento de 50% e a presença de fármacos no esgoto sanitário durante o cultivo de microalgas nativas em escala piloto, sob condições ambientais naturais tropicais; • Avaliar a remoção de nutrientes e patógenos de uma Lagoa Raceway e FBR tipo Flat Panel tratando esgoto sanitário pré-digerido anaerobiamente sob diferentes condições experimentais; • Avaliar a produtividade de biomassa de uma Lagoa Raceway e FBR tipo Flat Panel tratando esgoto sanitário pré-digerido anaerobiamente sob diferentes condições experimentais; • Avaliar a recuperação de nutrientes na biomassa em uma Lagoa Raceway e FBR tipo Flat Panel tratando esgoto sanitário pré- digerido anaerobiamente sob diferentes condições experimentais; • Avaliar a influência do enriquecimento de CO2 na produtividade de biomassa, remoção/recuperação de nutrientes e remoção de patógenos pelas microalgas em uma Lagoa Raceway tratando esgoto sanitário pré-digerido anaerobiamente sob diferentes condições experimentais. 10 Contextualização Sistemas centralizados e descentralizados No sistema de saneamento, são encontrados dois modelos de gestão para tratamento de esgoto sanitário: os sistemas centralizados e descentralizados; cada um com suas peculiaridades em relação aos objetivos, etapas de elaboração, implantação e execução do projeto. O sistema centralizado é o mais aplicado mundialmente (SURIYACHAN; NITIVATTANANON; AMIN, 2012), é indicado para locais com elevada densidade populacional (SABRY, 2010) e quase 90% dos custos de capital de implantação estão relacionados com a rede coletora, além dos custos associados com a manutenção periódica (LIBRALATO; VOLPI GHIRARDINI; AVEZZÙ, 2012). Já os sistemas descentralizados são adequados para um público de até 10.000 habitantes (GIKAS et al., 2017). Este sistema não exige grandes extensões para tubulações, visto que a coleta e tratamento do esgoto sanitário são realizados próximos ao local da geração, diminuído grande parte do custo do tratamento. Com base em publicações existentes sobre o tema, alguns autores destacam outras vantagens do sistema descentralizado (LIBRALATO; VOLPI GHIRARDINI; AVEZZÙ, 2012; MASSOUD; TARHINI; NASR, 2009): permite separação de urina e possível valorização; recuperação de nutrientes do esgoto sanitário; geração de lodo passível de ser reaproveitado; e o esgoto sanitário tratado está disponível para reutilização. Estima-se que cerca de 380 bilhões de m3 de água podem ser recuperados dos volumes anuais de esgoto produzido no mundo após o tratamento adequado (QADIR et al., 2020). Apesar do seu potencial, a descentralização ainda não é amplamente utilizada no Brasil, mesmo sendo considera uma possível alternativa para as regiões que ainda não são atendidas pela universalização do saneamento básico, instituída pelo PLANSAB em2013 e com última revisão em 2019 (BRASIL, 2019), e também abordada na Lei Federal nº 14.026 (BRASIL, 2020a), cujo objetivo é proporcionar condições adequadas de salubridade ambiental às populações rurais e de pequenos núcleos urbanos isolados. O índice de esgotamento tão baixo registrado nas cidades brasileiras é resultado de uma visão centralizadora adotada até hoje no país, que contempla a utilização de ETEs tradicionais que não alcançam quase metade da população brasileira. Ao mesmo tempo, estas ETEs, cuja tecnologia de tratamento é geralmente baseada em sistemas anaeróbios (CHERNICHARO et Introdução e Contextualização 11 al. 2018), se concentram apenas na remoção de matéria orgânica e macropoluentes, e não na recuperação dos constituintes existentes no esgoto sanitário, como o N e P. Outro processo de tratamento importante nas ETEs centralizadas, mas com menor uso no Brasil (11%) (ANA, 2020), é o sistema baseado em lodo ativado, que possui elevada ER de DQO (62 - 93%), NT (20 - 78%) e PT (35 - 55%) (OLIVEIRA; VON SPERLING, 2005). No entanto, a aplicação desta tecnologia em pequenas comunidades pode ser limitada devido à alta demanda de energia associada à aeração mecânica (DREWNOWSKI et al., 2019), que representa entre 50 e 90% da demanda total de energia (LEE et al., 2015). Além disso, acarreta uma alta pegada de CO2 e desperdício de nutrientes (OVIEDO et al., 2022). Algumas opções tecnológicas para a remoção ou recuperação de N e P do esgoto sanitário são: precipitação estruvita, reatores para remoção de N com bactérias nitrificantes autotróficas, reatores biológicos para remoção do P e precipitação ou troca iônica (GRAAFF, 2010; KUJAWA-ROELEVELD; ZEEMAN, 2006; VERSTRAETE; VAN DE CAVEYE; DIAMANTIS, 2009). Entretanto, nos poucos casos onde um nutriente é recuperado como, por exemplo, por precipitação estruvita, isso geralmente é ineficiente (EGLE et al., 2016), possuindo a desvantagem de não recuperar o N e P simultaneamente e uma porcentagem baixa de recuperação de N (CHIRAG et al., 2014). Uma tecnologia que pode ser empregada no tratamento do esgoto sanitário para superar estas desvantagens é o uso de microalgas como método alternativo de pós-tratamento para remoção/recuperação de nutrientes. A recuperação dos nutrientes em esgoto sanitário justifica-se devido ao aumento da demanda de P associado principalmente ao crescimento populacional, motivo pelo qual a rocha fosfática é extensivamente extraída, sendo a única reserva global de P (ROUT et al., 2021). No entanto, o consumo mundial de P2O5 contido em fertilizantes e usos industriais foi de 47 milhões de toneladas em 2020 e está projetado para aumentar em 49 milhões de toneladas em 2024 (USGS, 2021). Ademais, cerca de 70% das reservas estão localizadas apenas no Saara Ocidental e Marrocos (STAMM et al., 2021). Além disso, grande parte do P contido no esgoto sanitário despejado no ambiente se acumula nos solos e em corpos d'água causando problemas ecológicos via eutrofização de sistemas aquáticos e ameaçando a biodiversidade em sistemas terrestres (POWERS, et al. 2016; CEULEMANS, et al. 2014). Desta forma, novas tecnologias emergem a fim de superar os desafios com relação à poluição ambiental, à escassez futura de P no setor agrícola e à garantia da segurança alimentar. Introdução e Contextualização 12 El Wali, Golroudbary e Kraslawski (2021) estimaram que um modelo de economia circular de P (baseado na recuperação de recursos) seria capaz de economizar aproximadamente 53% da água utilizada por hectare na agricultura, quando comparado com a economia linear, podendo contribuir para a redução de 6% na taxa de pobreza mundial até 2050, uma vez que a economia circular promove um aumento de salários nos setores de reciclagem de P e de tratamento de esgoto sanitário. Além disso, a partir da recuperação de P presente em esgoto sanitário, seria possível suprir cerca de 22% da demanda global e (MIHELCIC; FRY; SHAW, 2011). Paralelamente ao P, o ciclo biogeoquímico do N é aberto e a fixação pode ocorrer por meios biológicos e industrial, entretanto o processo Haber-Bosch é energeticamente custoso e emite diversos gases para a atmosfera (WIEL et al., 2019), sendo insustentável a longo prazo. Microalgas As microalgas são organismos fotossintéticos capazes de converter a energia luminosa e gás carbônico em biomassa com compostos orgânicos diversificados, tais como proteínas, carboidratos, lipídios e pigmentos em curto período (SHEEHAN et al., 1998). Esses organismos podem crescer rapidamente e possuem a capacidade de se adaptar facilmente sob diversas condições ambientais (DINIZ et al., 2017). A história do uso de culturas de microalgas abrange cerca de 75 anos, com aplicação no tratamento de esgoto sanitário (OSWALD; GOTAAS, 1957), produção em massa de diferentes cepas, como Chlorella sp. e Dunaliella sp. (ABDEL-RAOUF; AL-HOMAIDAN; IBRAHEEM, 2012) e como um meio de tratamento para combater a eutrofização (LIANG et al., 2013). As espécies de microalgas mais amplamente estudadas para remoção de N e P são Desmodesmus sp. (XIN et al., 2010) e Chlorella sp. (ASLAN; KAPDAN, 2006) e esse interesse tem pode ser aplicado em esgoto sanitário após tratamento primário (GAO; KONG; VIGIL, 2018), esgoto sanitário após passar por decantadores (SUTHERLAND et al., 2014) e esgoto sanitário tratado por reatores anaeróbios (LEE et al., 2015). O uso das microalgas em sistemas de tratamento baseados em consórcios de microalgas- bactérias (CMB) é considerado uma plataforma promissora de biorremediação devido à produção autossuficiente de oxigênio, fornecido pelas microalgas na presença de luz (fotooxigenação), o que reduz os custos operacionais associados à aeração mecânica (KARYA; VAN DER STEEN; LENS, 2013). Introdução e Contextualização 13 Esta produção de oxigênio supre as necessidades das bactérias heterotróficas para a oxidação da demanda química de oxigênio (DQO) e das bactérias nitrificantes para a oxidação de amônio em nitrato (NO3) durante o processo de nitrificação. Enquanto isso, o dióxido de carbono (CO2) é produzido por bactérias heterotróficas, que é posteriormente usado como fonte de carbono (C) por microalgas e bactérias nitrificantes (MUJTABA; LEE, 2016). Além disso, os CMBs mostraram uma alta capacidade de remoção de nutrientes. Este é o resultado da capacidade das microalgas de assimilar nutrientes e dos mecanismos associados às bactérias nitrificantes (KANG et al, 2018). As microalgas são conhecidas por conseguirem regular suas concentrações internas de N e P em resposta à concentração média no meio de cultura (DICKINSON; WHITNEY; MCGINN, 2013). Essa flexibilidade proporciona a principal vantagem da biorremediação de microalgas em esgoto sanitário com alta carga de nutrientes (BEUCKELS; SMOLDERS; MUYLAERT, 2015). Em ambientes com alto teor de nutrientes, as microalgas acumulam maiores quantidades de nutrientes na biomassa como parte de seu mecanismo de adaptação (PROCHÁZKOVÁ et al., 2014), que por sua vez, aumentam a remoção de nutrientes no esgoto sanitário. O principal nutriente necessário para o crescimento das microalgas é o C inorgânico, dado que é o precursor das reações fotossintéticas. No entanto, como já mencionado, o crescimento de microalgas é dependente de outros nutrientes, como N e P, necessários para a síntese de ácidos nucleicos e proteínas (GONÇALVES; PIRES; SIMÕES, 2017). Apenas formas inorgânicas de N e P são geralmente consideradas diretamente disponíveis para as microalgas. Os compostos de N que são geralmente biodisponíveis são o NH4 (forma ionizada), nitrito (NO2) e NO3, enquanto o P biodisponível está principalmente na forma de ortofosfato (PO4 3-) (MONFET; UNC, 2017). Normalmente, esses nutrientes são encontrados em esgoto sanitário anaeróbio proveniente de ETEs e sua presença em concentrações limitantes pode resultar em taxas de crescimento e produtividades de biomassa (PB) reduzidas (CHRISTENSON; SIMS, 2011). Além desses nutrientes, comumente referidos como macronutrientes, o crescimento de microalgas ainda requer a presença de oligoelementos, particularmente metais, como magnésio (Mg), cálcio (Ca), manganês (Mn), zinco (Zn), cobre (Cu) e ferro (Fe) (HOH; WATSON; KAN, 2016). O crescimento de microalgas e a capacidade de remover nutrientes podem ser influenciados por vários fatores, tanto bióticos quanto abióticos. Fatores bióticos incluem a Introdução e Contextualização 14 presença de patógenos, como bactérias, fungos e vírus, e a competição por outras microalgas (GONÇALVES; PIRES; SIMÕES, 2017). Já os fatores abióticos incluem valor de potencial hidrogeniônico (pH), temperatura, oxigênio dissolvido (OD), tempo de detenção hidráulica (TDH), transferência de gás e mistura (RAMANNA et al., 2018), IL, fotoperíodo e compostos tóxicos no meio de cultura (RAHEEM et al., 2018), visto que esses parâmetros controlam a disponibilidade de CO2, taxas de cisalhamento, exposição à luz (YEN et al., 2013) e a composição química das microalgas nos sistemas de tratamento de esgoto sanitário (ELAWWAD; KARAM; ZAHER, 2017). Um ponto destacado por Fernandes et al. (2015) em relação à curva característica do crescimento de microalgas pela disponibilidade de nutrientes no meio é que a taxa onde os nutrientes podem ser removidos e recuperados do esgoto sanitário está diretamente associada aos principais traços fisiológicos das espécies de microalgas, como a taxa de crescimento e as demandas de nutrientes. Ou seja, taxas de crescimento mais elevadas são geralmente associadas a maiores taxas de absorção de nutrientes e, assim, resultam em remoção mais rápida de nutrientes do esgoto sanitário. A biomassa microalgal gerada a partir da conversão dos macro e micronutrientes pode ser recuperada e utilizada para outros fins como fertilizantes enriquecidos para uso agrícola, pois incluem uma ampla gama de micronutrientes (Mg, Fe, C orgânico, etc.), conseguindo melhorar a estrutura do solo e a capacidade de retenção de água. Os biofertilizantes estarão devolvendo os nutrientes ao solo cultivado e assim, fechando os seus ciclos de forma segura (ACIEN et al., 2016; MAURYA et al., 2016; MULBRY et al., 2005; SUGANYA et al., 2016). Alguns estudos realizados comprovam o potencial que a biomassa microalgal tem como biofertilizante, quando comparado com os fertilizantes tradicionais. Ray, Mukherjee e Ghosh (2013) verificaram que a quantidade de P liberado por fertilizante químico para plântulas de arroz foi 8 vezes maior do que a quantidade que as plantas da cultura poderiam assimilar. Já para o biofertilizante a base em microalgas, o P disponível foi apenas 3 a 4,4 vezes maior, sugerindo um fertilizante agrícola mais sustentável. Silva et al. (2019) concluíram que a composição de biomassa gerada no tratamento de água negra por microalgas em FBR fechado foi semelhante, em concentração e razão estequiométrica, aos fertilizantes orgânicos disponíveis no mercado e sua aplicação na agricultura poderia ser explorada. Também existe a vantagem do uso de microalgas na mitigação biológica de CO2, sendo uma tecnologia emergente para resolver o problema das emissões de gases que intensificam as mudanças climáticas (RAZZAK et al., 2017). As microalgas fixam cerca de 183 toneladas de CO2 para produzir 100 toneladas de biomassa (GHONEIM et al., 2014). Introdução e Contextualização 15 Em comparação com as plantas terrestres, as microalgas são 10 a 50 vezes mais eficientes na captura de energia solar devido à sua natureza de crescimento rápido. As microalgas podem assimilar o CO2 ambiente, o CO2 proveniente da combustão e a queima do gás, e fixam quimicamente o CO2 na forma de carbonatos solúveis (KEFFER; KLEINHEINZ, 2002). Cultivos de microalgas O cultivo de microalgas para fins de tratamento de esgoto sanitário pode ser realizado em sistemas de células imobilizadas ou em suspensão (VAN DER STEEN et al., 2015) e onde parâmetros como valor de pH, iluminação, temperatura e troca de gás podem ser sistematicamente controlados (HWANG et al., 2016). A tecnologia que utiliza culturas em suspensão é a mais empregada (PIRES et al., 2013) e permite que as células de microalgas se movam livremente no esgoto sanitário em concentrações diluídas (ZENG et al., 2015). O baixo custo e a simplicidade dos sistemas em suspensão são as principais vantagens, no entanto, eles geralmente têm baixas cargas de células, levando a longos requisitos de TDH (PRAJAPATI et al., 2013). Em sistemas em suspensão, as microalgas são difíceis de se remover da solução por terem pequeno diâmetro e possuírem densidade semelhante à da água (PAHL et al., 2013), podendo a biomassa ser removida por filtração, sedimentação, floculação, centrifugação ou flotação (HENDERSON; PARSONS; JEFFERSON, 2008; HWANG et al., 2016) ou uma combinação desses métodos. Esta dificuldade na remoção da biomassa encarece o processo e é um dos principais inconvenientes na utilização de microalgas no tratamento (BRENNAN; OWENDE, 2010). Em esgoto sanitário, apenas técnicas de baixo custo capazes de gerenciar grandes volumes de esgoto e biomassa são geralmente aplicadas, como a sedimentação (MILLEDGE; HEAVEN, 2013). Os sistemas de tratamento utilizando microalgas possuem subcategorias de fechado e aberto, sendo que a principal diferença entre estes sistemas é a exposição das microalgas ao ambiente (CAI; PARK; LI, 2013). Ao mesmo tempo, a viabilidade econômica e a PB são consideradas as principais diferenças entre os dois sistemas. As LR (cultivo aberto) são as mais empregadas mundialmente e possui menor custo de construção e operação (WOLKERS et al., 2011), enquanto em PB, os FBRs fechados permitem maior recuperação de biomassa (CHISTI, 2007). Para os FBRs fechados, as tipologias mais Introdução e Contextualização 16 difundidas no mercado são os reatores verticais, horizontais, tubulares, circulares e tipo FP (CHINI ZITTELLI et al., 2013). Sistemas abertos Os sistemas abertos dependem das condições ambientais externas e são os fatores de luz e temperatura com maior influência na PB (GÓMEZ-SERRANO et al., 2015). O principal modelo para uso no tratamento de esgoto sanitário é composto pela LR, feita de um canal de recirculação de circuito fechado e raso, com extremidades semicirculares, com fundo plano e paredes verticais (CHISTI, 2016), onde a mistura e a circulação do esgoto sanitário e microalgas são geradas por uma roda de pás (TREDICI, 2007). Na literatura, já foi encontrado velocidades sugeridas para lagoas de 0,15 m.s-1 (PARK; CRAGGS; SHILTON, 2011), 0,18 m.s-1 (HASE et al., 2000) e 0,30 m.s-1 (LIN; LIN, 2011), sendo esta última a velocidade mais frequentemente adotada. A relação comprimento:largura (C:L) pode ser 10 ou maior (CHISTI, 2013) e se essa proporção for muito pequena, o fluxo nas partes retas do canal começa a ser afetado pelos distúrbios causados pelas dobras nas extremidades do canal (CHISTI, 2016). Em lagoas com extremidades semicirculares, defletores curvos ou defletores de fluxo são comumente instalados nas duas extremidades. Os defletores garantem uma uniformidade de fluxo ao longo da curva e minimizam a formação de zonas mortas (CHISTI, 2013). A profundidade da LR precisa respeitar a necessidade de fornecer luz adequada às células de microalgas (quanto mais superficial, mais luz disponível para as células) e a necessidade de manter uma profundidade adequada para a mistura e evitar grandes mudanças na composição iônica do esgoto sanitário devido à evaporação (BOROWITZKA, 1999). Geralmente, as lagoas possuem uma profundidade de 0,20 a 0,30 m (BILORIA; THAKKAR, 2020), mas também podem atingir profundidade de 1,0 m (PARK; CRAGGS; SHILTON, 2011). Nestes sistemas, as microalgas convivem com bactérias heterotróficas, promovendo uma remoção eficaz de DQO e nutrientes. Para exemplificar o resultado de algumas pesquisas, Kim et al. (2014) demonstraram altas ERs para DQO (86%), NT (93%) e PT (83%) de esgoto sanitário bruto em um CMB dominado por microalgas em uma LR; Mantovani et al. (2020) encontraram uma PB média diária de 5,5 ± 7,4 g.m-2.d-1 e ER de nutrientes de 96% e 71% para NH4 e PO4 3-, respectivamente; e Dahmani et al. (2016) verificaram ER de DQO, NH4 e PT em 78%, 95% e 81%, respectivamente. Introdução e Contextualização 17 Sistemas fechados Os FBRs fechados são construídos com materiais transparentes, como polimetilmetacrilato (acrílico), vidro e cloreto de polivinila (PVC), dispostos horizontalmente, inclinados, verticais ou em espiral (MUÑOZ; GUIEYSSE, 2006). O diâmetro destes reatores é geralmente pequeno para garantir que a luz possa penetrar através do sistema e alcançar as microalgas (MOHD UDAIYAPPAN et al., 2017). Na literatura podemos encontrar algumas vantagens encontradas por pesquisadores de FBRs fechados (MATA; MARTINS; CAETANO, 2010; POSTEN, 2009), como: melhor proteção contra a contaminação de culturas; prevenção da perda de água por evaporação; concentrações celulares mais altas podem ser alcançadas; e podem suportar uma eficiência fotossintética (EF) muito maior. Em FBR fechado, maximizar a relação volume:área superficial (V:AS) é o princípio chave do design para alcançar taxas de crescimento mais elevadas. Isso se deve à obtenção da distribuição da radiação solar em uma área superficial fotossintética maior (KUNJAPUR; ELDRIDGE, 2010). Assim, a geometria única de um FBR influência a distribuição da luz. Um FBR-FP é basicamente um vaso plano e transparente onde a mistura é realizada com o ar introduzido através de um tubo perfurado na parte inferior do reator (VREE et al., 2015). A altura e a largura podem variar até certo ponto, mas, na prática, são geralmente estudados os painéis com altura e largura <1,0 m (JANSSEN et al., 2003). A espessura da placa é importante no projeto deste FBR, porque determina a relação entre a área da superfície e o volume e o comprimento do caminho da luz. Uma pequena espessura permitirá uma melhor distribuição de luz. Em geral, quanto mais curto o caminho da luz, ou espessura, maior a densidade celular (DC) ótima e a PB (ZOU; RICHMOND, 1999). De acordo com Marsullo et al. (2015), o FBR-FP deve ter espessura de 5 a 6 cm para garantir a penetração da luz no meio e, para Posten (2009), a relação típica de V:AS é de 80 a 100 m2.m-3. Pesquisas mostram que o FBR-FP possui elevada PB e ER de nutrientes: Moges, Heistad e Heidorn (2020) indicaram que o rendimento de biomassa correspondente em luz foi de 0,37 g.mol fóton-1 e ER de N e P de 99%; Leite, Hoffmann e Daniel (2019) registraram ER de PO4 3- em 40-60%, NH3 em 100% e PB de 1 g.L-1.d-1; e Mendonça et al. (2018) encontraram ERs de 65 a 70% de DQO, 98 a 99% de NH4 e 69 a 77% de PO4 3- após 12 dias, bem como PB de 213 a 358 mg.L-1.d-1. Introdução e Contextualização 18 Intensidade luminosa A IL é um dos principais fatores que interferem no tratamento de esgoto sanitário, utilizando sistemas de cultivo de microalgas. As microalgas usam a luz como fonte de energia para a fotossíntese, portanto, é o parâmetro mais importante na modelagem do crescimento de microalgas (PERNER-NOCHTA; POSTEN, 2007) e, subsequentemente, na taxa de absorção de nutrientes (HE; YANG; HU, 2015). Como a radiação solar é abundante e livre, a luz natural é frequentemente empregada para o cultivo em massa de microalgas, resultando em uma redução notável do custo. No entanto, a IL incidente inevitavelmente muda devido ao clima, ao ciclo diurno e à estação do ano. Além disso, o discurso de quanto mais luz, melhor, não é correto para microalgas. A maioria das microalgas está adaptada a intensidades de pouca luz, representando apenas uma fração da luz do dia inteiro (POSTEN, 2009), e só podem alcançar uma eficiência de conversão máxima teórica de 8 a 10% da energia solar para a biomassa (MELIS, 2009). As células de microalgas absorvem quase todos os fótons que recebem e, embora não possam usá-los todos (NIYOGI, 1999), se a intensidade da luz estiver acima de um valor crítico e atingir o nível de saturação, o crescimento e a PB serão inibidos pela luz (ROCHA; GARCIA; HENRIQUES, 2003). Este fenômeno é conhecido como fotoinibição e ele pode ser reversível ou irreversível, dependendo do estresse e do tempo que as microalgas ficam expostas a tais condições (WANG; LAN; HORSMAN, 2012). Embora a IL cubra uma ampla faixa espectral, apenas a radiação solar na faixa de 400- 700 nm, a qual equivale aproximadamente ao espectro de luz visível, é a radiação fotossinteticamente ativa (RFA) (SUH; LEE, 2003). A RFA representa cerca de 50% da IL e a IL saindo do RFA é a principal razão para o aumento da temperatura durante o cultivo (HINDERSIN et al., 2013). Existe, portanto, uma barreira natural para aumentar a EF, cujo valor é ainda menor devido a perdas como a reflexão da luz e a respiração celular. Além disso, a luz não RFA em certas frequências (por exemplo, ultravioleta (UV)) é letal para as células (WANG; LAN; HORSMAN, 2012). Condições apropriadas de transferência de luz (ou atenuação da luz) devem ser estabelecidas no volume da cultura. Se a concentração de biomassa for muito grande, uma zona escura aparecerá na cultura. Essa zona escura é a consequência direta da extinção da luz pela suspensão de células, cujo efeito pode ser positivo no caso de condições de alta iluminação, reduzindo o efeito da fotoinibição e aumentando a estabilidade do processo (CARVALHO et Introdução e Contextualização 19 al., 2011). Na prática, as condições de atenuação da luz podem ser controladas ajustando a concentração de biomassa. Referências ABDEL-RAOUF, N. et al. Microalgae and wastewater treatment. Saudi Journal of Biological Sciences, v. 19, n. 3, p. 257-275, 10 jun. 2012. ACIEN, G. et al. Wastewater treatment using microalgae: how realistic a contribution might it be to significant urban wastewater treatment? Applied Microbiology and Biotechnology, v. 100, 2016. AGÊNCIA NACIONAL DE ÁGUAS E SANEAMENTO BÁSICO - ANA. Atlas esgotos: atualização da base de dados de estações de tratamento de esgotos no Brasil. Brasília: ANA, 2020. 44 p. 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