Transformando Resíduos em Solução: Novos Materiais para Remoção de Fósforo e Nitrogênio de Águas Residuais

Letícia Ferreira Lima Machado¹, Andrezza da Silva Ramos¹, Heloísa Rocha da Silva¹, Isabela Picolo Morgan¹, Wagner Alves Carvalho¹*

¹ Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia/Química, Universidade Federal do ABC (UFABC)

Processo FAPESP 2023/17516-1

Resumo

O excesso de nutrientes, especialmente fósforo e nitrogênio, é um dos principais desafios ambientais e de saúde pública da atualidade. Em concentrações elevadas, esses nutrientes provocam eutrofização, reduzem a disponibilidade de oxigênio e comprometem a biodiversidade aquática. Além disso, a ingestão de água contaminada com nitrato está associada a sérios riscos à saúde, como a síndrome do bebê azul e a formação de compostos cancerígenos. Neste contexto, pesquisadores da UFABC desenvolveram materiais adsorventes inovadores a partir de resíduos: carvões derivados de glicerol e o compósito TechPhos®, produzido a partir da combinação de lodo de esgoto e argila. Ambos foram avaliados não apenas em testes de laboratório, mas também em amostras reais de efluentes de estações de tratamento de esgoto (ETEs). Os resultados indicaram que esses materiais conseguem remover eficientemente fósforo e nitrogênio, além de possibilitar o reaproveitamento do lodo final como biofertilizante. Paralelamente, outras fontes renováveis, como bagaço de malte, casca de coco e sementes de açaí, estão sendo investigadas para a síntese de carvões e sua modificação com metais (Al, Mg, Fe, Mn e Ca), visando aplicações semelhantes na adsorção de fósforo e nitrato. Essa abordagem alia saneamento, sustentabilidade e economia circular, apontando para alternativas de baixo custo e alto impacto social.

Palavras-chave: tratamento de efluentes; adsorção; remoção de nutrientes; proteção ambiental.

Abstract

The excess of nutrients, particularly phosphorus and nitrogen, is one of the primary environmental and public health challenges facing the world today. At high concentrations, these nutrients cause eutrophication, reduce oxygen availability, and compromise aquatic biodiversity. Moreover, the ingestion of water contaminated with nitrate is associated with serious health risks, such as blue baby syndrome and the formation of carcinogenic compounds. In this context, researchers at UFABC have developed innovative adsorbent materials from waste, including carbons derived from glycerol and the TechPhos® composite, produced by combining sewage sludge and clay. Both were evaluated not only in laboratory tests but also in real samples of effluents from wastewater treatment plants (WWTPs). The results indicated that these materials can efficiently remove phosphorus and nitrogen, in addition to enabling the reuse of the final sludge as a biofertilizer. In parallel, other renewable sources, such as brewer’s spent grain, coconut shells, and açaí seeds, are being investigated for the synthesis of carbons and their modification with metals (Al, Mg, Fe, Mn, and Ca), aiming at similar applications in the adsorption of phosphorus and nitrate. This approach combines sanitation, sustainability, and the circular economy, pointing to low-cost alternatives with high social impact.

Keywords: wastewater treatment; adsorption; nutrient removal; environmental protection.

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https://orcid.org/0000-0002-9111-2117

Introdução

Por que fósforo e nitrogênio na água são um problema?

O fósforo e o nitrogênio, fundamentais para o crescimento das plantas, tornam-se poluentes quando atingem os corpos d’água em excesso. O aporte contínuo de esgoto doméstico e de resíduos da agricultura intensiva eleva drasticamente as concentrações de fosfato e nitrato nos rios e lagos (Figura 1). Isso gera um processo conhecido como eutrofização, no qual o crescimento excessivo de algas e cianobactérias forma uma camada espessa sobre a superfície da água. Essa camada impede a penetração da luz solar, reduz a fotossíntese e diminui o oxigênio dissolvido. O resultado é a morte de peixes e plantas aquáticas, além da liberação de substâncias tóxicas pelas cianobactérias. Diversos episódios de mortandade de peixes em lagos urbanos e reservatórios no Brasil têm como causa a eutrofização.

Figura 1. Esquema simplificado do ciclo do fósforo e do nitrogênio nos ecossistemas aquáticos. Fonte: próprio autor.

O excesso de nitrato, por sua vez, apresenta riscos diretos à saúde humana. Em bebês, pode causar metahemoglobinemia, conhecida como síndrome do bebê azul, que reduz a capacidade de transporte de oxigênio no sangue. Além disso, em condições anaeróbias, o nitrato pode ser transformado em nitrosaminas, compostos associados a diferentes tipos de câncer. Esses problemas tornam urgente o desenvolvimento de tecnologias capazes de remover fósforo e nitrogênio de forma eficiente, econômica e sustentável.

Tradicionalmente, a remoção desses nutrientes depende de processos físico-químicos caros, como precipitação química, ou de processos biológicos complexos, que exigem controle rigoroso de condições operacionais. Nesse cenário, a adsorção surge como uma alternativa promissora, pois combina baixo custo, simplicidade de operação e a possibilidade de regeneração dos materiais. Além disso, os adsorventes podem ser preparados a partir de resíduos abundantes, o que transforma um passivo ambiental em solução tecnológica ¹.

No Brasil, a remoção de nutrientes em estações de tratamento de esgoto ainda é um desafio. Enquanto os chamados processos primários e secundários de tratamento reduzem sólidos e matéria orgânica, o fósforo e o nitrogênio geralmente permanecem nos efluentes. Por isso, investir em soluções alternativas e de baixo custo para a retenção desses poluentes é fundamental para preservar a qualidade da água e atender às metas de saneamento e sustentabilidade (Figura 2).

Figura 2. Uso de adsorventes na proteção de ecossistemas aquáticos. Fonte: próprio autor.

Como a ciência avança: da experiência aos desdobramentos

A pesquisa explorou diferentes rotas complementares para obtenção de adsorventes. A primeira foi a conversão do glicerol, subproduto da indústria de biodiesel, em carvões ativados. O glicerol é um resíduo disponível em grandes quantidades no Brasil, frequentemente descartado de forma inadequada. Ao ser aquecido em reatores sob atmosfera controlada (pirólise), o glicerol foi transformado em carvão poroso. Em seguida, esses carvões foram tratados com amônia em diferentes temperaturas (400 °C, 600 °C e 800 °C). Esse processo de amonização inseriu grupos nitrogenados na superfície do material, que atuam como pontos ativos para a captura de íons nitrato em solução aquosa.

A segunda rota foi o desenvolvimento do TechPhos®, um compósito criado a partir da mistura de lodo de esgoto com argila. O lodo de esgoto, geralmente considerado um resíduo de difícil destinação, contém matéria orgânica e nutrientes que, quando combinados com a argila e submetidos a tratamento térmico, originam um material com propriedades adsorventes. O TechPhos® foi projetado para capturar principalmente o fósforo, atuando de forma complementar aos carvões de glicerol.

Os testes foram conduzidos em duas etapas. Primeiro, em condições controladas de laboratório, para avaliar o comportamento dos adsorventes frente a soluções contendo concentrações conhecidas de fosfato e nitrato. Em seguida, os materiais foram testados em condições reais, utilizando amostras de efluentes de duas estações de tratamento de esgoto (ETE1 e ETE2), com concentrações de fósforo variando entre 3,7 e 4,6 mg/L. Essa etapa foi essencial para comprovar a aplicabilidade prática dos adsorventes.

Diante desses resultados, novos estudos estão sendo conduzidos com outros resíduos agroindustriais que, por serem abundantes e de baixo valor de mercado, representam matérias-primas promissoras para a produção de adsorventes sustentáveis. Entre eles está o bagaço de malte, principal resíduo da indústria cervejeira, setor no qual o Brasil ocupa a terceira posição mundial em produção. Esse material lignocelulósico, formado basicamente por lignina, celulose e hemicelulose, corresponde a cerca de 85% do resíduo gerado durante o processo de fabricação da cerveja. Atualmente, seu destino mais comum é a utilização como ração animal ou o descarte em aterros ².

Outro exemplo é a semente de açaí, fruto amplamente cultivado e consumido no Brasil, especialmente na Região Norte. Como apenas 30% do fruto corresponde à polpa aproveitável, os 70% restantes são formados pela semente, o que resulta em toneladas de resíduos produzidos anualmente ³.

Já a casca de coco, também gerada em grandes volumes pelo consumo da água e da polpa, apresenta alta resistência e lenta degradação natural, sendo muitas vezes descartada inadequadamente no meio ambiente ⁴.

Esses resíduos estão sendo convertidos em carvões por duas rotas térmicas: a carbonização hidrotérmica, que ocorre em temperaturas mais baixas, e a pirólise, realizada em temperaturas mais elevadas e em atmosfera inerte, ou seja, sem a presença de oxigênio. Posteriormente, esses carvões serão modificados com metais como alumínio, ferro, magnésio, cálcio e manganês, para serem avaliados quanto ao seu potencial como sítios ativos na remoção de fosfato e nitrato de águas contaminadas ⁵.

Essa linha de pesquisa reforça como materiais simples, baratos e abundantes podem se transformar em soluções inovadoras para problemas ambientais urgentes, unindo sustentabilidade, reaproveitamento de resíduos e proteção dos recursos hídricos. A Figura 3 ilustra de forma esquemática essa abordagem, mostrando os resíduos utilizados e as técnicas de tratamento térmico aplicadas na produção dos carvões.

Figura 3. Representação esquemática dos materiais e métodos de síntese. Fonte: próprio autor

O que os resultados revelam e por que isso importa?

Os carvões de glicerol tratados com amônia demonstraram capacidade significativa de remoção de nitrato, com eficiências próximas a 60% em alguns testes 6. Esse resultado comprova que resíduos abundantes podem ser transformados em materiais de alto valor agregado para o saneamento. Já o TechPhos® apresentou desempenho superior na remoção de fósforo, atingindo eficiências notáveis mesmo em condições reais de tratamento. Essa complementaridade entre os materiais é estratégica, pois permite pensar em sua aplicação conjunta para remover simultaneamente fósforo e nitrogênio 7.

Outro resultado relevante foi a constatação de que o lodo final, após a adsorção, permanece rico em nutrientes. Esse material pode ser reutilizado como biofertilizante, devolvendo ao solo o fósforo e o nitrogênio removidos da água. Esse processo fecha o ciclo dos nutrientes, transformando poluentes em insumos agrícolas. Em um país como o Brasil, que depende fortemente da importação de fertilizantes minerais, essa alternativa apresenta um impacto econômico e estratégico expressivo.

Os experimentos também evidenciaram vantagens da adsorção em relação a outras técnicas. Diferente da precipitação química, que gera grandes volumes de lodo sem aproveitamento, a adsorção permite controlar a seletividade do processo e aproveitar o material gerado. Além disso, os adsorventes podem ser regenerados e reutilizados, reduzindo custos operacionais. Essa flexibilidade é fundamental para sua adoção em estações de tratamento de esgoto.

Esses achados são relevantes porque apontam para a possibilidade de integrar a remoção de fósforo e nitrogênio em uma mesma estratégia, utilizando resíduos industriais e urbanos como matéria-prima. Isso pode reduzir custos, aumentar a eficiência das estações de tratamento de esgoto e contribuir para a segurança hídrica. Na prática, o uso desses materiais pode evitar a morte de ecossistemas aquáticos e proteger milhões de pessoas contra os riscos de consumir água contaminada.

Como esses achados mudam o que já se sabia?

Até recentemente, os métodos mais utilizados para remover fósforo e nitrogênio da água eram caros e demandavam tecnologias complexas, como processos de membranas e reagentes químicos. Este estudo demonstrou que resíduos comuns podem ser transformados em adsorventes eficazes, resultado do desenvolvimento de uma estrutura porosa e da presença de grupos funcionais capazes de se ligar ao fosfato e ao nitrato (Figura 4).

Figura 4. Processos de adsorção de fósforo e nitrogênio nos carvões sintetizados. Adaptado de ⁸

A contaminação da água por fósforo e nitrogênio não é apenas uma questão ambiental, mas também de saúde pública e de segurança alimentar. A pesquisa desenvolvida na UFABC apresenta uma solução que conecta três grandes desafios: garantir água de qualidade, reduzir a poluição e criar alternativas sustentáveis para a agricultura. Na prática, a adoção de adsorventes como TechPhos® e os carvões sintetizados pelo grupo de pesquisa em estações de tratamento pode diminuir drasticamente a carga de nutrientes lançada em rios e lagos. Isso contribui para a recuperação de ecossistemas degradados e para a melhoria da qualidade de vida de populações que dependem desses mananciais para abastecimento. Ao mesmo tempo, o reaproveitamento do lodo como biofertilizante fecha o ciclo de nutrientes de forma sustentável, reduzindo a dependência de insumos importados pela agricultura brasileira.

Esse modelo baseado em economia circular traz benefícios ambientais, econômicos e sociais. Além de reduzir custos de tratamento e destinação de resíduos, cria oportunidades para que os nutrientes recuperados retornem ao solo, fortalecendo a produção agrícola e diminuindo impactos associados à mineração e ao transporte de fertilizantes minerais.

Quais os próximos passos?

Com base nos resultados obtidos, os próximos passos incluem: ampliar os testes em escala piloto; avaliar a durabilidade e regeneração dos adsorventes; estudar combinações dos materiais para maximizar a remoção simultânea de fósforo e nitrogênio; e realizar análises de viabilidade econômica para implementação em larga escala. Outro aspecto crucial será avaliar a segurança do uso agrícola do lodo enriquecido, garantindo que não haja riscos associados à presença de contaminantes indesejáveis.

Conclusão

O estudo realizado na UFABC demonstrou que resíduos podem ser transformados em materiais capazes de remover fósforo e nitrogênio da água. Essa abordagem alia inovação tecnológica, reaproveitamento de resíduos e sustentabilidade, oferecendo uma alternativa prática para enfrentar um dos maiores desafios da atualidade: a contaminação dos corpos d’água. Ao mesmo tempo, abre caminho para soluções integradas que unem saneamento, proteção ambiental e agricultura sustentável. A utilização de carvões produzidos a partir de resíduos e do compósito TechPhos® representa um avanço significativo no enfrentamento da poluição por fósforo e nitrogênio. Além de oferecer soluções inovadoras para o saneamento, essa abordagem promove a sustentabilidade ao transformar passivos ambientais em recursos valiosos. Os resultados demonstram que é possível unir tratamento de efluentes, proteção ambiental e agricultura sustentável em uma estratégia única, alinhada aos princípios da economia circular.

Agradecimentos

Os autores agradecem à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP, processos 2023/17516-1, 2024/23240-1 e 2024/17146-2), à Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES, Código de Financiamento 001), ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq, processo 303856/2023-8), à Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP, Contrato 01.23.0514.00) e às Universidade Federal do ABC e Universidade Federal de São Carlos, por todo o financiamento e suporte na execução deste trabalho.

Referências Bibliográficas

1. Sasabuchi, I. et al. Sustentabilidade no uso de fósforo: uma revisão bibliográfica com foco na situação atual do Estado de São Paulo, Brasil. Quim Nova 46, 185–198 (2023).
2. Almerindo, G. I. & Rossol, H. V. Análise da viabilidade econômica da produção industrial de carvão vegetal por bagaço de malte. Engenharia Sanitaria e Ambiental 28, (2023).
3. Systematic Survey of Agricultural Production | IBGE. https://www.ibge.gov.br/en/statistics/economic/agriculture-forestry-and-fishing/17174-systematic-survey-of-agricultural-production.html?edicao=42445.
4. Kabir Ahmad, R. et al. Exploring the potential of coconut shell biomass for charcoal production. Ain Shams Engineering Journal 13, 101499 (2022).
5. Yang, J. et al. Pyrolysis and hydrothermal carbonization of biowaste: A comparative review on the conversion pathways and potential applications of char product. Sustain Chem Pharm 33, 101106 (2023).
6. dos Santos, L. G. et al. Glycerol-based modified carbons as adsorbents for efficient and sustainable nitrate removal from wastewater. Energy & Environmental Sustainability 1, 100031 (2025).
7. Nunes, R. S. et al. Efficient Phosphorus capture from treated sanitary wastewater using a waste-derived SiO2@FeOOH composite: Robustness, Ca2+ interactions, and recovery perspectives. Next Sustainability 5, 100091 (2025).
8. Wang, J. & Guo, X. Adsorption isotherm models: Classification, physical meaning, application and solving method. Chemosphere 258, 127279 (2020).

Artigo da Edição 40 do Informativo PesquisABC.