Aplicação da ozonização seguida de biofiltração em carvão ativado no polimento de água para abastecimento : comprovação por biologia molecular e remoção de micropoluentes

Abstract

Resumo: O tratamento de água potável no Brasil enfrenta desafios crescentes com a presença de micropoluentes orgânicos e compostos de gosto e odor que não são removidos pelos processos convencionais. A associação entre ozonização (O3) e filtração biológica em carvão ativado biológico (CAB) surge como alternativa promissora para ampliar a eficiência de remoção desses compostos, embora o sistema combinado O3+CAB ainda não seja aplicado em estações de tratamento nacionais. Um desafio central para sua adoção é comprovar, por meio de técnicas específicas, a conversão do carvão ativado granular (CAG) em carvão ativado biológico. Esta tese teve como objetivo propor, caracterizar e avaliar, em escala laboratorial, um sistema integrado de ozonização e biofiltração em CAB, empregando biofilme proveniente de água bruta de estação de tratamento. Para validar a formação do CAB e caracterizar a colonização microbiana, aplicaram-se técnicas complementares de microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia por dispersão de energia (EDS), espectroscopias Raman e FT-IR, contagem em placa de ágar (PCA), PCR, citometria de fluxo (CF), quantificação de ATP e metagenômica. Essa abordagem multimodal, inédita no contexto brasileiro, comprovou detalhadamente a transformação do CAG em material bioativo. Os micropoluentes selecionados — fluoxetina (FLX), 2- metilisoborneol (MIB) e geosmina (GSM) — foram utilizados como compostos-alvo para avaliar a eficiência do sistema O3+CAB na remoção de contaminantes de diferentes naturezas químicas. O sistema de ozonização foi calibrado para 2 mg·O3·L1, e a biofiltração conduzida em colunas de CAG inoculadas com biofilme da ETA. Os testes de remoção foram realizados para concentrações iniciais de 10 µg·L-1 de MIB e geosmina e 50 µg·L-1 de fluoxetina, em tempos de contato entre 1 e 60 min e pH 4, 7 e 9. Os resultados metagenômicos revelaram 116.526 sequências para 16S rRNA, 115.170 para 18S rRNA e 432.578 para ITS no biofilme de origem, e 107.095 e 267.057 para 16S rRNA e ITS no CAB, evidenciando transferência microbiana e manutenção de grupos bacterianos e fúngicos ativos, com redução de eucariotos. A CF registrou 910 eventos no biofilme e 505 no CAB, e a quantificação de ATP indicou maior atividade celular no biofilme, com redução após a inoculação — coerente com a fase inicial de adaptação microbiana ao meio carbonáceo. Nos ensaios de remoção, o ozônio isolado alcançou 71–97% de remoção de MIB e 76–99% de geosmina. O sistema O3+CAB atingiu 91–97% e 95–99%, respectivamente, enquanto o CAB isolado apresentou desempenho inferior (71–80% e 73–86%). A fluoxetina foi completamente removida em até 5 min de ozonização. Análises de carbono orgânico, fluorescência e UV-Vis demonstraram remoções de COD de 41% (O3), 47% (O3+CAB) e 14% (CAB). Os resultados confirmam a viabilidade da inoculação microbiana de filtros de CAG com biofilme nativo e demonstram que o sistema O3+CAB é altamente eficiente na remoção de micropoluentes e compostos de gosto e odor. O uso combinado das multitécnicas para comprovar a formação do CAB representa um ineditismo metodológico e fornece base científica para a adoção de tecnologias avançadas de biofiltração e ozonização no tratamento de água potável no Brasil

Abstract: Drinking water treatment in Brazil faces increasing challenges due to the presence of organic micropollutants and taste-and-odor compounds that are not efficiently removed by conventional processes. The combination of ozonation (O3) and biological activated carbon (BAC) filtration has emerged as a promising alternative to enhance removal efficiency; however, the integrated O3+BAC system has not yet been implemented in Brazilian treatment plants. A key challenge for its adoption is providing analytical evidence, through specific techniques, of the effective conversion of granular activated carbon (GAC) into biologically active carbon. This doctoral research aimed to propose, characterize, and evaluate, at a laboratory scale, an integrated ozonation and biofiltration system using BAC inoculated with biofilm from raw water of a drinking water treatment plant. To validate BAC formation and characterize microbial colonization, complementary analytical techniques were applied, including scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive spectroscopy (EDS), Raman and FT-IR spectroscopies, plate count agar (PCA), PCR, flow cytometry (FC), ATP quantification, and metagenomics. This multimodal approach, unprecedented in Brazil, provided detailed confirmation of the transformation of GAC into a biologically active material. The selected micropollutants — fluoxetine (FLX), 2-methylisoborneol (MIB), and geosmin (GSM) — were used as target compounds to assess the efficiency of the O3+BAC system in removing contaminants of different chemical characteristics. The ozonation system was calibrated to 2 mg.O3.L-1, and biofiltration was conducted in GAC columns inoculated with biofilm from the WTP. Removal tests were performed at initial concentrations of 10 µg L-1 for MIB and geosmin and 50 µg L-1 for fluoxetine, with contact times ranging from 1 to 60 min and pH values of 4, 7, and 9. Metagenomic results revealed 116,526 sequences for 16S rRNA, 115,170 for 18S rRNA, and 432,578 for ITS in the source biofilm, and 107,095 and 267,057 for 16S rRNA and ITS in the BAC, respectively, indicating microbial transfer and maintenance of active bacterial and fungal groups, with a reduction in eukaryotes. FC recorded 910 events in the biofilm and 505 in the BAC, while ATP quantification showed higher cellular activity in the biofilm, decreasing after inoculation — consistent with the early microbial adaptation to the carbon matrix. In the removal assays, ozone alone achieved 71–97 % removal of MIB and 76–99 % of geosmin. The O3+BAC system reached 91–97 % and 95–99 %, respectively, while BAC alone showed lower performance (71–80 % and 73–86 %). Fluoxetine was completely removed within 5 minutes of ozonation. Complementary analyses of organic carbon, fluorescence, and UV-Vis demonstrated COD reductions of 41 % (O3), 47 % (O3+BAC), and 14 % (BAC). The results confirm the feasibility of microbial inoculation of GAC filters with native biofilm and demonstrate that the O3+BAC system is highly effective in removing micropollutants and taste-andodor compounds. The combined application of multiple analytical techniques to confirm BAC formation represents a methodological innovation and provides a scientific basis for adopting advanced biofiltration and ozonation technologies in drinking water treatment in Brazil