Estratégias de operação de reatores de cultivo de microalgas em esgoto doméstico: performance técnica, econômica e ambiental

Abstract

A presente tese teve como objetivo avaliar diferentes abordagens de cultivo algal visando melhorar a eficiência do tratamento de esgoto doméstico e a produção de biomassa, sob uma perspectiva técnica, econômica e ambiental. Inicialmente, foi realizada uma revisão bibliográfica abrangente da aplicação das Lagoas de Alta Taxa (LATs), investigando parâmetros de projeto, operação e aprimoramentos recentes, como sistemas híbridos e recirculação de biomassa (Capítulo 1). Destacou-se o potencial das LATs na remoção de nutrientes e contaminantes emergentes, bem como a relevância de estudos de otimização. Em seguida, avaliou- se o efeito da operação em série de LATs (Capítulo 2), hipótese que propõe maior eficiência de remoção de nutrientes e patógenos, além de potencial aumento na produção de biomassa. Os resultados demonstraram remoção significativamente maior de coliformes e E. coli na configuração em série. Ainda assim, a composição da biomassa e a remoção de carbono orgânico total podem ser favorecidas pela operação em paralelo, evidenciando a importância do balanceamento de nutrientes. O terceiro capítulo abordou os efeitos da taxa de aplicação orgânica no desempenho das LATs. Apesar de se observar variação na eficiência de remoção de matéria orgânica e nutrientes em diferentes faixas de carga, não houve diferenças estatisticamente relevantes no intervalo estudado. Assim, indicou-se a necessidade de investigar faixas mais elevadas de carga orgânica para refinar diretrizes de dimensionamento e avaliar a robustez das LATs como opção terciária ou secundária. No âmbito de fotobiorreatores tubulares, o Capítulo 4 analisou a complementação de luz artificial (LEDs) como forma de prolongar o fotoperíodo e aumentar a produtividade de biomassa. Observou-se incremento na produção algal, densidade celular e atividade enzimática. De forma complementar, avaliou-se se o trade-off se reflete na necessidade de balanço entre custo-benefício e mitigação de impactos. Dessa forma, o Capítulo 5 apresentou uma avaliação integrada, por meio de análises de ciclo de vida e de viabilidade econômica, dos sistemas algais assistidos por LEDs. Constatou-se que, apesar do ganho de produção (até 34%), a elevação dos custos de capital e operação, além do aumento de impactos ambientais, requer a adoção de estratégias como uso de energia solar, otimização de materiais e políticas de incentivo. Assim, esta tese sustenta as hipóteses propostas, demonstrando que a adoção de estratégias de operação otimizadas pode melhorar a eficiência técnica, econômica e ambiental de sistemas algais, contribuindo para soluções mais sustentáveis no tratamento de esgoto doméstico. Palavras-chave: Microalgas; Lagoas de Alta Taxa; Fotobiorreatores; Tratamento de Esgoto Doméstico; Biorremediação; Sustentabilidade; Economia CircularThis thesis aimed to evaluate different algal cultivation approaches to improve domestic wastewater treatment efficiency and biomass production from a technical, economic, and environmental perspective. Initially, a comprehensive literature review was conducted on the application of High-Rate Algal Ponds (HRAPs), investigating design parameters, operational strategies, and recent enhancements, such as hybrid systems and biomass recirculation (Chapter 1). The potential of HRAPs in removing nutrients and emerging contaminants was highlighted, as well as the relevance of optimization studies. Next, the effect of operating HRAPs in series was assessed (Chapter 2), based on the hypothesis that it could increase nutrient and pathogen removal efficiency, in addition to potentially boosting biomass production. The results showed significantly higher removal of coliforms and E. coli in the series configuration. Nevertheless, biomass composition and total organic carbon removal appeared to benefit from parallel operation, underscoring the importance of nutrient balance. The third chapter examined the effects of organic loading rate on HRAP performance. Although variations in organic matter and nutrient removal efficiency were observed across different loading ranges, no statistically significant differences were detected within the studied interval. Consequently, higher organic loading rates should be investigated to refine design guidelines and evaluate the robustness of HRAPs as a tertiary or secondary treatment option. Regarding tubular photobioreactors, Chapter 4 analyzed the supplementation of artificial light (LEDs) as a means to extend the photoperiod and increase biomass productivity. An increase in algal production, cell density, and enzymatic activity was observed. In addition, a trade-off emerged, reflecting the need to balance cost-effectiveness with impact mitigation. To address these considerations, Chapter 5 presented an integrated assessment, through life cycle and economic viability analyses, of LED-assisted algal systems. Although production increased by up to 34%, the rise in capital and operating costs, coupled with heightened environmental impacts, necessitates strategies such as the use of solar energy, materials optimization, and supportive policies. Thus, this thesis upholds the proposed hypotheses, demonstrating that optimized operational strategies can enhance the technical, economic, and environmental performance of algal systems, contributing to more sustainable solutions for domestic wastewater treatment. Keywords: Microalgae; High-Rate Algal Ponds; Photobioreactors; Domestic Wastewater Treatment; Bioremediation; Sustainability; Circular Economy