Sistemas fotobiorreatores com membranas aplicados à descarbonização e produção de água de reuso em estações de tratamento de esgoto

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dc.contributor.advisor-co1Nariyoshi , Yuri Nascimento
dc.contributor.advisor-co1IDhttps://orcid.org/0000-0001-8523-4292
dc.contributor.advisor-co1Latteshttps://lattes.cnpq.br/2655730779144916
dc.contributor.advisor1Gonçalves, Ricardo Franci
dc.contributor.advisor1IDhttps://orcid.org/0000-0002-2048-9451
dc.contributor.advisor1Latteshttps://lattes.cnpq.br/9604327349698525
dc.contributor.authorLamberti, Gisele Gavazza
dc.contributor.authorIDhttps://orcid.org/0009-0000-6821-8098
dc.contributor.authorLatteshttps://lattes.cnpq.br/3324699599606915
dc.contributor.referee1Furieri, Bruno
dc.contributor.referee1IDhttps://orcid.org/0000-0002-9736-0250
dc.contributor.referee1Latteshttps://lattes.cnpq.br/6585455298349085
dc.contributor.referee2Coelho, Edumar Ramos Cabral
dc.contributor.referee2IDhttps://orcid.org/0000-0002-9220-5737
dc.contributor.referee2Latteshttps://lattes.cnpq.br/2276795519317927
dc.contributor.referee3Pinotti, Laura Marina
dc.contributor.referee3IDhttps://orcid.org/0000-0002-5012-6811
dc.contributor.referee3Latteshttps://lattes.cnpq.br/5616576281329159
dc.contributor.referee4Soares, Renan Barroso
dc.contributor.referee4IDhttps://orcid.org/0000-0002-9508-0036
dc.contributor.referee4Latteshttps://lattes.cnpq.br/2642899302303469
dc.date.accessioned2026-03-17T17:08:01Z
dc.date.available2026-03-17T17:08:01Z
dc.date.issued2025-12-16
dc.description.abstractThe advancement of global decarbonization targets highlights the need to transform wastewater treatment plants (WWTPs) into systems capable not only of removing pollutants, but also of recovering resources and reducing net greenhouse gas emissions. In this context, this thesis evaluated the potential of membrane photobioreactors (MPBRs) as a compact route aligned with the water–energy–nutrients nexus concept, aiming at water reuse production and carbon mitigation from real anaerobic effluent. This research was conducted through four integrated workstreams: (i) a systematic review and meta-analysis to identify bottlenecks and critical parameters for productivity and biofixation; (ii) the application of Lean Design Thinking (LDT) to design and iteratively improve a functional prototype; (iii) experimental assays in batch mode and in continuous feeding under low hydraulic retention time (HRT); and (iv) an integrated carbon and energy modeling to compare upflow anaerobic sludge blanket reactors coupled with high-rate algal ponds (UASB+HRAP) and anaerobic membrane bioreactors coupled with membrane photobioreactors (AnMBR+MPBR).Pilot-scale experimental results demonstrated that the MPBR operated continuously and stably at low HRT (12 h) treating real anaerobic effluent, and that the best-performing condition occurred with inorganic carbon supplementation (CaCO₃) and higher light intensity (100 µmol m⁻² s⁻¹), maximizing biomass productivity (97.7 g m⁻³ d⁻¹) and the carbon biofixation rate (53.4 gC m⁻³ d⁻¹). Ultrafiltration ensured a very high-quality permeate, with turbidity < 0.05 NTU, consistently meeting the regulatory standards adopted in the thesis for industrial and urban non-potable reuse. The technological novelty of this work lies in integrating, under conditions representative of WWTP operation, (a) continuous operation with low HRT and real effluent, (b) internal membrane-based separation/harvesting to ensure biomass retention and permeate quality, and (c) validation through carbon–energy modeling, linking experimental performance to climate outcomes at the system scale.Comparative simulation results evidenced a trade-off between energy surplus and net emissions mitigation: the UASB+HRAP configuration showed high energy return (EROI = 6.46 for the UASB) but was a net emitter (+42.5 gCO₂eq·m⁻³); whereas the AnMBR+MPBR configuration, despite being energy-deficit (EROI = 0.52 for the MPBR), achieved a net-negative carbon footprint (−19.8 gCO₂eq·m⁻³), supported by the high biofixation observed in the experiments. The system employed a submerged hollow-fiber ultrafiltration membrane made of PVDF, with a pore size of 0.03 µm, in a module with an effective area of 0.12 m² (34 fibers). Despite the advances, relevant limitations were observed: (i) critical phosphorus removal, below 30% and as low as 6.8% under the highest-productivity scenario, indicating nutrient imbalance and the need for complementary stage(s); (ii) an energy bottleneck associated with continuous artificial lighting (24 h), which directly affected the EROI (0.52) and kept Scope 2 as a key feasibility constraint; (iii) scale and duration limitations (75 days) to robustly assess long-term phenomena such as irreversible fouling and HRT–SRT interactions; and (iv) uncertainties in emissions modeling due to the lack of direct N₂O measurements in the MPBR, relying instead on emission factors. In addition, the thesis recognizes that the costs of acquiring and replacing UF modules may represent relevant CAPEX/OPEX components, reinforcing the importance of operational optimization strategies and reductions in energy demand. As a societal contribution, the experimental data and modeling support the premise that anaerobically treated wastewater can be transformed into a valuable resource, producing high-quality reuse water while simultaneously reducing the climate footprint of sanitation, in line with the United Nations Sustainable Development Goals (SDGs) for clean water and sanitation (SDG 6), climate action (SDG 13), affordable and clean energy (SDG 7), and zero hunger and sustainable agriculture (SDG 2).
dc.description.resumoO 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 µmol m⁻² s⁻¹), maximizando a produtividade de biomassa (97,7 g m⁻³ d⁻¹) e a taxa de biofixação de carbono (53,4 gC m⁻³ d⁻¹). 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·m⁻³); já o arranjo AnMBR+FBRM, mesmo energeticamente deficitário (EROI = 0,52 para o FBRM), atingiu pegada de carbono líquida negativa (−19,8 gCO₂eq·m⁻³), 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 µm, 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)
dc.description.sponsorshipConselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)
dc.formatText
dc.identifier.urihttp://repositorio.ufes.br/handle/10/20954
dc.languagepor
dc.language.isopt
dc.publisherUniversidade Federal do Espírito Santo
dc.publisher.countryBR
dc.publisher.courseDoutorado em Engenharia Ambiental
dc.publisher.departmentCentro Tecnológico
dc.publisher.initialsUFES
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental
dc.rightsopen access
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0/
dc.subject Biotecnologia ambiental
dc.subjectSaneamento
dc.subjectÁguas residuais
dc.subjectUltrafiltração
dc.subjectÁgua-Reuso
dc.subjectEnvironmental biotechnology
dc.subjectSanitation
dc.subjectWastewater — Environmental aspects
dc.subjectUltrafiltration
dc.subjectWater-reuse
dc.subject.cnpqEngenharia Sanitária
dc.titleSistemas fotobiorreatores com membranas aplicados à descarbonização e produção de água de reuso em estações de tratamento de esgoto
dc.typedoctoralThesis
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