dissertação

Tratamento de águas residuárias via biotecnologia de microalgas: avaliação de diferentes estratégias de operação de lagoas de alta taxa para melhoria da produção e composição de biomassa

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Resumo

O tratamento de águas residuárias é fundamental para assegurar a qualidade da água e proteger a saúde pública, promovendo a remoção de poluentes antes do descarte no meio ambiente. No entanto, os sistemas convencionais frequentemente apresentam elevada demanda energética, custos operacionais significativos e limitada recuperação de nutrientes, o que tem impulsionado a busca por alternativas mais sustentáveis e baseadas na recuperação de recursos. Nesse contexto, as microalgas destacam-se como uma estratégia promissora, devido à sua capacidade de produzir O2 via fotossíntese, capturar CO2 e assimilar nutrientes presentes nas águas residuárias, contribuindo para o desenvolvimento de estações de tratamento mais sustentáveis e para a conversão de resíduos em biomassa de valor agregado. Sabendo que a eficiência do tratamento e o perfil bioquímico da biomassa microalgal são fortemente influenciados pela estratégia operacional adotada, este estudo foi estruturado em duas abordagens complementares, com o objetivo de avaliar diferentes configurações de lagoas de alta taxa (LAT) e seus impactos na tratabilidade do efluente e no direcionamento metabólico da biomassa. Na primeira parte deste estudo, foi avaliado o cultivo de microalgas em lagoas de alta taxa (LAT) operadas em dois estágios, com o objetivo de analisar a eficiência de remoção de poluentes e a produção de biomassa e de compostos bioquímicos de interesse. O sistema foi operado em batelada durante 15 dias, com condições nutricionais favoráveis ao crescimento microalgal na primeira fase e de estresse na segunda. O gênero Desmodesmus apresentou elevada abundância em ambos os estágios. Na primeira fase observaram-se maiores produtividades de biomassa total (4,26 g m-2 d -1 ) e biomassa algal (0,07 g m-2 d -1 ), bem como elevadas eficiências de remoção de nitrogênio amoniacal [NH4 + (92%)], fosfato [PO4 3- (92%)] e nitrato [NO3 - (95%)]. Na segunda fase verificaram-se menores remoções de nutrientes, porém elevada remoção de demanda química de oxigênio (DQO), de aproximadamente 91%, e maior acúmulo de lipídios (68,8%) em comparação à primeira fase (45,1%). Na segunda parte do estudo, foi avaliado o cultivo de microalgas em série, com a aplicação de quatro LATs em série como sistema de polimento de águas residuárias, com TDH de 3 dias em cada LAT. A maior produtividade de biomassa total (19,56 g m-2 d -1 ) e biomassa algal (0,18 g m-2 d -1 ) foi observada na LAT 4, juntamente com os maiores teores de carboidratos (11,7%), proteínas (21,5%) e lipídios (18,2%). As maiores remoções de NH4 + (73%), DQO (47,8%) e PO4 3- (34,9%) ocorreram na LAT 1, enquanto a maior remoção de NO3 - foi registrada na LAT 4 (76%). A remoção de E. coli ocorreu de forma progressiva ao longo da série, com eficiências médias de 90% em cada LAT e ausência no efluente final da LAT 4. Em conjunto, as quatro LATs em série promoveram melhorias na tratabilidade, no crescimento microalgal e na composição bioquímica da biomassa. Dessa forma, os resultados reforçam o potencial da integração de lagoas de alta taxa ao tratamento de águas residuárias, evidenciando que a escolha da estratégia operacional influencia diretamente a eficiência de tratamento, a produtividade e o direcionamento metabólico da biomassa microalgal.

Abstract

Wastewater treatment is essential to ensure water quality and protect public health by promoting the removal of pollutants prior to discharge into the environment. However, conventional systems often exhibit high energy demand, significant operational costs, and limited nutrient recovery, which has driven the search for more sustainable alternatives based on resource recovery. In this context, microalgae have emerged as a promising strategy due to their ability to produce O2 via photosynthesis, capture CO2, and assimilate nutrients present in wastewater, thereby contributing to the development of more sustainable treatment systems and to the conversion of waste into value-added biomass. Given that treatment efficiency and the biochemical profile of microalgal biomass are strongly influenced by the operational strategy adopted, this study was structured into two complementary approaches, aiming to evaluate different configurations of high-rate algal ponds (HRAPs) and their impacts on effluent treatability and on the metabolic steering of the biomass. In the first part of the study, microalgae cultivation was evaluated in high-rate algal ponds (HRAPs) operated in two stages, aiming to assess pollutant removal efficiency and the production of biomass and bioactive compounds of interest. The system was operated in batch mode for 15 days, under nutrient-rich conditions favorable to microalgal growth in the first stage and stress conditions in the second stage. The genus Desmodesmus exhibited high abundance in both stages. During the first stage, higher productivities of total biomass (4.26 g m-2 d -1 ) and algal biomass (0.07 g m-2 d -1 ) were observed, along with high removal efficiencies of ammoniacal nitrogen [NH4 + (92%)], phosphate [PO4 3- (92%)], and nitrate [NO3 - (95%)]. In the second stage, lower nutrient removal efficiencies were observed; however, a high chemical oxygen demand (COD) removal of approximately 91% was achieved, along with greater lipid accumulation (68.8%) compared to the first stage (45.1%). In the second part of the study, microalgae cultivation in series was evaluated using four HRAPs arranged sequentially as a wastewater polishing system, with a hydraulic retention time (HRT) of 3 days in each HRAP. The highest productivities of total biomass (19.56 g m-2 d -1 ) and algal biomass (0.18 g m-2 d -1 ) were observed in HRAP 4, along with the highest contents of carbohydrates (11.7%), proteins (21.5%), and lipids (18.2%). The highest removals of NH4 + (73%), COD (47.8%), and PO4 3- (34.9%) occurred in HRAP 1, while the highest NO3 - removal was recorded in HRAP 4 (76%). Escherichia coli removal occurred progressively along the series, with average efficiencies of 90% in each HRAP and complete absence in the final effluent of HRAP 4. Collectively, the four HRAPs arranged in series enhanced wastewater treatability, microalgal growth, and the biochemical composition of the biomass. Overall, the results reinforce the potential of integrating high-rate algal ponds into wastewater treatment systems, demonstrating that the choice of operational strategy directly influences treatment efficiency, biomass productivity, and the metabolic allocation of microalgal biomass.

Descrição

Área de concentração

Saneamento Ambiental

Linha de pesquisa

Saneamento e Geotecnia Ambiental

Agência de desenvolvimento

Palavra chave

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Impacto da pesquisa

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DOI

Citação

OLIVEIRA, Otávio Nascimento de. Tratamento de águas residuárias via biotecnologia de microalgas: avaliação de diferentes estratégias de operação de lagoas de alta taxa para melhoria da produção e composição de biomassa. 2026. 124 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Ambiental) - Universidade Federal de Lavras, Lavras.

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