Processos eletroquímicos associados à filtração por membranas no tratamento de águas cinzas: reúso não potável em edificações urbanas

Abstract

A crescente pressão sobre os recursos hídricos urbanos, associada à baixa cobertura dos serviços de saneamento no Brasil, reforça a relevância do reúso de águas cinzas (AC) como estratégia de gestão sustentável da água em edificações. Esta dissertação teve como objetivo desenvolver e avaliar um sistema híbrido descentralizado, que integra processos eletroquímicos e ultrafiltração por membranas, para o tratamento e reúso não potável de AC. A pesquisa foi conduzida em três etapas complementares. Na primeira, uma revisão integrativa da literatura brasileira (2005 a 2026) e um estudo experimental em uma edificação residencial em Florianópolis/SC caracterizaram a variabilidade qualiquantitativa das AC, identificando uma geração per capita de 88,1 L/hab.d e confirmando que o efluente bruto não atende aos critérios normativos de reúso, principalmente quanto à turbidez, aos sólidos suspensos, aos surfactantes e à carga microbiológica (E. coli superior a 2,42×105 NMP/100 mL). Na segunda etapa, ensaios em escala de bancada comparando ânodos de alumínio (Al) e grafite (G) associados à catodos de aço inoxidável, conduzidos por meio de um Delineamento Composto Central Rotacional (DCCR) para otimização da densidade de corrente e do tempo de detenção hidráulica, estabeleceram a superioridade do Al na desestabilização coloidal e na proteção da membrana contra a colmatação. Foi constatado que o eletrodo de Al atingiu remoção de até 87,8% de DQO solúvel e Modified Fouling Index (MFI) de 0,0178 s/L², frente a 54,9% e 1,237 s/L² obtidos com o G, respectivamente. O consumo energético específico foi de 15,40 kWh/m³ na condição ótima com o Al (densidade de corrente de 58 A/m² e tempo de detenção hidráulica de 175 min). Na terceira etapa, essas condições foram escalonadas para um sistema piloto, operado por 9 ciclos durante três semanas contínuas com AC reais, sem pré-tratamento e sem limpezas intermediárias da membrana. O Reator Eletroquímico de Membrana (EMR) piloto manteve regime subcrítico, com pressão transmembrana máxima de 0,070 bar, e reduziu o consumo energético específico de 53,93 kWh/m³, na primeira semana de operação, para 38,97 kWh/m³, na terceira (média geral de 44,87 kWh/m³, com custo operacional médio de 9,36 USD/m³). Essa redução observada ao longo da operação pode ter ocorrido devido à variabilidade da condutividade do afluente entre as coletas e ao efeito Joule em cada ciclo, indicando oportunidades de otimização a serem exploradas em escala real. O EMR produziu um permeado de elevada qualidade, com estabilização da turbidez em 1,06 NTU, pH em 8,52, remoção média de 89,6% de DQO, coliformes totais reduzidos a uma média de 729 NMP/100 mL no permeado (redução mínima de 1,5 log) e ausência de E. coli em todas as amostras. O efluente tratado atendeu plenamente aos critérios físico-químicos e microbiológicos da ABNT NBR 16783:2019 e de outras diretrizes nacionais e internacionais para reúso não potável. Como limitação, identificou-se a remoção parcial de surfactantes (47,6%), sinalizando a necessidade de polimento complementar. Em suma, os resultados confirmam que o EMR manteve estabilidade operacional ao longo dos 9 ciclos testados, sem necessidade de limpeza da membrana, e produziu um permeado compatível com os critérios de reúso não potável avaliados, confirmando, assim, a viabilidade do sistema híbrido eletrocoagulação-ultrafiltração como alternativa eficiente para o saneamento descentralizado in situ.

Abstract: The growing pressure on urban water resources, combined with limited sanitation coverage in Brazil, reinforces the relevance of greywater (GW) reuse as a sustainable water management strategy in buildings. This dissertation aimed to develop and evaluate a decentralized hybrid system integrating electrochemical processes and membrane ultrafiltration for the treatment and non-potable reuse of GW. The research was conducted in three complementary stages. In the first stage, an integrative review of the Brazilian literature (2005?2026) and an experimental study in a residential building in Florianópolis, SC, characterized the qualitative and quantitative variability of GW, identifying a per capita generation of 88.1 L/inhab.d and confirming that the raw effluent does not meet regulatory reuse criteria, mainly regarding turbidity, suspended solids, surfactants, and microbiological load (E. coli above 2.42×105 MPN/100 mL). In the second stage, bench-scale assays comparing aluminum (Al) and graphite (G) anodes paired with stainless steel cathodes, conducted through a Central Composite Rotatable Design (CCRD) to optimize current density and hydraulic retention time, established the superiority of Al in colloidal destabilization and membrane fouling protection. The Al electrode was found to achieve up to 87.8% soluble COD removal and a modified fouling index (MFI) of 0.0178 s/L², against 54.9% and 1.237 s/L² obtained with G, respectively. The specific energy consumption was 15.40 kWh/m³ under the optimal condition with Al (current density of 58 A/m² and hydraulic retention time of 175 min). In the third stage, these conditions were scaled up to a pilot system operated for 9 cycles over three continuous weeks with real GW, without pre-treatment and without intermediate membrane cleaning. The pilot electrochemical membrane reactor (EMR) maintained a stable subcritical regime, with a maximum transmembrane pressure of 0.070 bar, and reduced the specific energy consumption from 53.93 kWh/m³ in the first week of operation to 38.97 kWh/m³ in the third week (overall average of 44.87 kWh/m³, with an average operational cost of 9.36 USD/m³). This observed reduction throughout the operation may have occurred due to scale-up effects, influent conductivity variability between collections, and the Joule effect in each cycle, indicating optimization opportunities to be explored in full scale. The EMR produced a high-quality permeate, with turbidity stabilizing at 1.06 NTU, pH at 8.52, an average COD removal of 89.6%, total coliforms reduced to an average of 729 MPN/100 mL in the permeate (minimum 1.5-log reduction), and absence of E. coli in all samples. The treated effluent fully met the physicochemical and microbiological criteria of ABNT NBR 16783:2019 and other national and international guidelines for non-potable reuse. As a limitation, a partial removal of surfactants (47.6%) was identified, signaling the need for complementary polishing. In summary, the results confirm that the EMR maintained operational stability throughout the 9 tested cycles without requiring membrane cleaning, and produced a permeate compatible with the evaluated non-potable reuse criteria, thus confirming the viability of the hybrid electrocoagulation-ultrafiltration system as an efficient alternative for decentralized in situ sanitation.