Carbonização hidrotérmica: tecnologia sustentável (e viável) para o tratamento e o reaproveitamento de lodos de sistemas de tratamento de água e esgotos

Luiara Castro de Lana , Amanda Franklin de Assis e Marcelo Obraczka

Resumo
O crescimento populacional e o aumento do consumo global de produtos e serviços intensificaram a geração de resíduos, cuja destinação adequada representa um grande desafio ambiental e de saúde pública. A carbonização hidrotérmica (HTC) se configura como uma solução de cunho mais sustentável para o tratamento de resíduos líquidos e sólidos mais complexos, notadamente os lodos de estações de tratamento de água e de esgoto, e ainda gera subprodutos com potencial valor econômico. Este estudo realizou uma revisão sistemática de pesquisas recentes realizadas entre 2021 e 2025 referentes à aplicação da HTC no processamento de lodos de tratamento com vistas ao seu reaproveitamento, destacando-se os usos agrícolas, energéticos e na construção civil do seu subproduto sólido, o hidrochar. A metodologia abrangeu o levantamento e a análise de 60 artigos disponíveis em plataformas de acesso aberto, com foco em aspectos e parâmetros operacionais, insumos (feedstock) utilizados e aplicações dos subprodutos gerados. Os resultados destacam quatro aspectos principais sobre a HTC: a) predominância do uso de lodo de esgoto como feedstock e do emprego de seu hidrochar em distintas atividades e setores como agricultura, geração de energia e remediação ambiental; b) eficiência do processo na eliminação de patógenos e na conservação de nutrientes; c) em sua maioria, as pesquisas identificam as variações dos aspectos operacionais de temperatura, pressão e tempo, como fatores críticos para a qualidade do hidrochar produzido por HTC; e d) as tendências de aumento das pesquisas, notadamente na Comunidade Europeia e em países em desenvolvimento, indicam o crescente interesse sobre o HTC como uma alternativa tecnológica para manejo e reaproveitamento de resíduos em relação aos métodos convencionais.

Palavras-chave
Lamas de tratamento de água; Lamas de tratamento de esgotos; Hidrocarvão; Recuperação de nutrientes; Aplicação agrícola de lodos.

Abstract
Hydrothermal carbonization: A sustainable (and viable) technology for treatment and reuse of sludge from water and sewage treatment systems. Population growth and the increasing global consumption of products and services have intensified waste generation, the proper disposal of which poses a major environmental and public health challenge. Hydrothermal carbonization (HTC) emerges as a more sustainable solution for the treatment of complex liquid and solid wastes, particularly sewage and water treatment sludge, while also generating byproducts with potential economic value. This study conducted a systematic review of recent research published between 2021 and 2025 regarding the application of HTC in sludge processing aimed at reuse, with particular emphasis on the agricultural, energy, and construction applications of its solid byproduct, hydrochar. The methodology involved the identification and analysis of 60 open-access articles, focusing on operational parameters, types of feedstock used, and the applications of the resulting byproducts. The findings highlight three main aspects of HTC: (a) the predominance of sewage sludge as a feedstock and the widespread use of its hydrochar across sectors such as agriculture, energy generation, and environmental remediation; (b) its efficiency in pathogen removal and nutrient retention; and (c) the identification of variations in operational parameters, namely temperature, pressure, and residence time, as critical factors influencing the quality of the hydrochar produced. Additionally, (d) the growing number of studies, particularly within the European Union and developing countries, reflects an increasing interest in HTC as a technological alternative for waste management and valorization when compared to conventional methods.

Keywords
Water treatment sludges; Wastewater treatment sludges; Hydrochar; Nutrient recovery; Agricultural application of biosolids.

DOI
10.21438/rbgas(2025)123129


Material suplementar
No material suplementar, encontra-se a tabela com o levantamento bibliográfico, publicados em periódicos internacionais utilizando a plataforma ScienceDirect, sobre lodos oriundos de processos de tratamento e sua carbonização hidrotérmica (HTC), tendo como recorte temporal os últimos cinco anos (entre 2021 e 2025).

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Referências
Aarikka-Stenroos, L.; Kokko, M.; Pohls, E. L. Catalyzing the circular economy of critical resources in a national system: Case study on drivers, barriers, and actors in nutrient recycling. Journal of Cleaner Production, v. 397, 136380, 2023. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.136380

Abel, S.; Peters, A.; Trinks, S.; Schonsky, H.; Facklam, M.; Wessolek, G. Impact of biochar and hydrochar addition on water retention and water repellency of sandy soil. Geoderma, v. 202, p. 183-191, 2013. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2013.03.003

ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas. ABNT NBR 10.004: Classificação de resíduos sólidos. Rio de Janeiro: ABNT, 2004.

Achon, C. L.; Barroso, M. M.; Cordeiro, J. S. Resíduos de estações de tratamento de água e a ISO 24512: desafio do saneamento brasileiro. Engenharia Sanitária e Ambiental, v. 18, n. 2, p. 115-122, 2013. https://doi.org/10.1590/S1413-41522013000200003

Amenyeku, G.; Cobbina, S. J.; Asare, W.; Teye, G. K. Hydrothermal carbonization of organic waste using faecal sludge as a water source: Response surface methodology-Box Behnken design. Environmental Challenges, v. 15, 100900, 2024. https://doi.org/10.1016/j.envc.2024.100900

Basibuyuk, M.; Kalat, D. The use of waterworks sludge for the treatment of vegetable oil refinery industry wastewater. Environmental Technology, v. 25, n. 3, p. 373-380, 2004. https://doi.org/10.1080/09593330409355471

Basso, D.; Patuzzi, F.; Castello, D.; Baratieri, M.; Rada, E. C.; Weiss-Hortala, E.; Fiori, L. Agro-industrial waste to solid biofuel through hydrothermal carbonization. Waste Management, v. 47, Part A, p. 114-121, 2016. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2015.05.013

Capodaglio, A. G.; Callegari, A. Energy and resources recovery from excess sewage sludge: A holistic analysis of opportunities and strategies. Resources, Conservation and Recycling Advances, v. 19, 200184, 2023. https://doi.org/10.1016/j.rcradv.2023.200184

Cruz, C. L. B. M. Estudo sobre a viabilidade de incorporação do lodo de estação de tratamento de água no substrato para produção de espécies nativas da Mata Atlântica (Brasil). Rio de Janeiro: Universidade do Estado do Rio de Janeiro, 2018. (Dissertação de mestrado).

Cruz, C. L. B. P. M.; Santos, I. J. A.; Cajão, M. R. C. S.; Faria, A. A.; Reis, P. H. P. Potencialidade do uso do lodo de ETAs em áreas degradadas nas AIPMs do Estado do Rio de Janeiro. Anais do 33º Congresso da ABES, Brasília, 2025.

Di Bernardo, L.; Dantas, A. D. B.; Voltan, P. E. N. Métodos e técnicas de tratamento de água. 2. ed. São Carlos: RiMa, 2012.

Ducey, T. F.; Collins, J. C.; Ro, K. S.; Woodbury, B. L.; Griffin, D. D. Hydrothermal carbonization of livestock mortality for the reduction of pathogens and microbially-derived DNA. Frontiers of Environmental Science & Engineering, v. 11, n. 3, 9, 2017. https://doi.org/10.1007/s11783-017-0930-x

Eibisch, N.; Schroll, R.; Fuß, R.; Mikutta, R.; Helfrich, M.; Flessa, H. Pyrochars and hydrochars differently alter the sorption of the herbicide Isoproturon in an agricultural soil. Chemosphere, v. 119, p. 155-162, 2015. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2014.05.059

Erdogmus, E.; Harja, M.; Gencel, O.; Sutcu, M.; Ali Yaras, A. New construction materials synthesized from water treatment sludge and fired clay brick wastes. Journal of Building Engineering, v. 42, 102471, 2021. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2021.102471

Fang, J.; Zhan, L.; Ok, Y. S.; Gao, B. Minireview of potential applications of hydrochar derived from hydrothermal carbonization of biomass. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, v. 57, p. 15-21, 2018. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2017.08.026

Faria, A. A.; Reis, P. H. P.; Silva, D. J.; Obraczka, M.; Magalhães, M. S. Identificação de indústrias de interesse para destinação de lodo das ETA's na RMRJ. Anais do XXI SILUBESA - Simpósio Luso-Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, Recife, 2024. Disponível em: <https://abes-dn.org.br/anaiseletronicos/21silubesa_download/389_tema_ii.pdf>. Acesso em: 31 maio 2025.

França, A. L. F.; Silva Filho, C. R. V. Plano Nacional de Resíduos Sólidos - Planares. Brasília: Ministério do Meio Ambiente, Secretaria de Qualidade Ambiental, 2022. Disponível em: <https://www.gov.br/mma/pt-br/assuntos/qualidade-ambiental/gestao-de-residuos/planares>. Acesso em: 31 maio 2025.

Funke, A.; Ziegler, F. Hydrothermal carbonization of biomass: A summary and discussion of chemical mechanisms for process engineering. Biofuels, Bioproducts & Biorefining, v. 4, p. 160-177, 2010. https://doi.org/10.1002/bbb.198

George, M. Unravelling the impact of potentially toxic elements and biochar on soil: A review. Environmental Challenges, v. 8, 100540, 2022. https://doi.org/10.1016/j.envc.2022.100540

Gievers, F.; Mainardis, M.; Catenacci, A.; Loewen, A.; Nelles, M. Life cycle assessment of biochar and hydrochar derived from sewage sludge: Material or energy utilization? Cleaner Environmental Systems, v. 16, 100254, 2025. https://doi.org/10.1016/j.cesys.2024.100254

Gomes, S. C.; Zhou, J. L.; Li, W.; Long, G. Progress in manufacture and properties of construction materials incorporating water treatment sludge: A review. Resources Conservation and Recycling, v. 145, p. 148-159, 2019. https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2019.02.032

Hoppen, C.; Portella, K. F.; Joukoski, A.; Baron, O.; Franck, R.; Sales, A.; Andreoli, C. V.; Paulon, V. A. Co-disposição de lodo centrifugado de estação de tratamento de água (ETA) em matriz de concreto: método alternativo de preservação ambiental. Cerâmica, v. 51, n. 318, p. 85-95, 2005. https://doi.org/10.1590/S0366-69132005000200003

IBGE - Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística. Pesquisa Nacional de Saneamento Básico - PNSB. Rio de Janeiro: IBGE, 2008. Disponível em: <https://ces.ibge.gov.br/apresentacao/portarias/200-comite-de-estatisticas-sociais/base-de-dados/1149-pesquisa-nacional-de-saneamento-basico.html>. Acesso em: 14 jun. 2024.

IBGE - Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística. Pesquisa Nacional de Saneamento Básico - PNSB. Rio de Janeiro: IBGE, 2017. Disponível em: <https://www.ibge.gov.br/estatisticas/multidominio/meio-ambiente/9073-pesquisa-nacional-de-saneamento-basico.html>. Acesso em: 14 jun. 2024.

Israel. Landfilling in Israel. 2024. Disponível em: <https://www.gov.il/en/pages/landfilling_in_israel>. Acesso em: 14 jun. 2024.

Kambo, H. S.; Dutta, A. A comparative review of biochar and hydrochar in terms of production, physico-chemical properties and applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews, v. 45, p. 359-378, 2015. https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.01.050

Lee, J.; Park, K. Y. Conversion of heavy metal-containing biowaste from phytoremediation site to value-added solid fuel through hydrothermal carbonization. Environmental Pollution, v. 269, 116127, 2021. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2020.116127

Li, D. Reuse of drinking water treatment sludge in mortar as substitutions of both fly ash and sand based on two treatment methods. Construction and Building Materials, v. 277, 122330, 2021. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.122330

Li, J.; Zhao, P.; Li, T.; Lei, M.; Yan, W.; Ge, S. Pyrolysis behavior of hydrochar from hydrothermal carbonization of pinewood sawdust. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, v. 146, 104771, 2020. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2020.104771

Libra, J. A.; Ro, K. S.; Kammann, C.; Funke, A.; Berge, N. D.; Neubauer, Y.; Titirici, M.-M.; Fühner, C.; Bens, O.; Kern, J.; Emmerich, K.-H. Hydrothermal carbonization of biomass residuals: A comparative review of the chemistry, processes, and applications of wet and dry pyrolysis. Biofuels, v. 2, n. 1, p. 71-106, 2011. https://doi.org/10.4155/bfs.10.81

Liu, Y.; Zhuge, Y.; Chow, C. W. K.; Keegan, A.; Li, D.; Pham, P. N.; Huang, J.; Siddique, R. Utilization of drinking water treatment sludge in concrete paving blocks: Microstructural analysis, durability and leaching properties. Journal of Environmental Management, v. 262, 110352, 2020. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2020.110352

Lu, X.; Berge, N. D. Influence of feedstock chemical composition on product formation and characteristics derived from the hydrothermal carbonization of mixed feedstocks. Bioresource Technology, v. 166, p. 120-131, 2014. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2014.05.015

Mañosa, J.; Formosa, J.; Giro-Paloma, J.; Maldonado-Alameda, A.; Quina, M. J.; Chimenos, J. M. Valorisation of water treatment sludge for lightweight aggregate production. Construction and Building Materials, v. 269, 121335, 2021. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.121335

Mau, V.; Gross, A. Energy conversion and gas emissions from production and combustion of poultry-litter-derived hydrochar and biochar. Applied Energy, v. 213, p. 510-519, 2018. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2017.11.033

Mau, V.; Quance, J.; Posmanik, R.; Gross, A. Phases' characteristics of poultry litter hydrothermal carbonization under a range of process parameters. Bioresource Technology, v. 219, p. 632-642, 2016. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2016.08.027

Mau, V.; Gross, A. Treatment of wet organic waste by hydrothermal carbonization in soil and fertilizers. 1. ed. Boca Raton: CRC Press, 2020.

Muricy, B. C.; Faria, A. A.; Obraczka, M. Alternatives for the environmentally appropriate disposal of sludge from water treatment plants with an emphasis on the Brazilian reality. Journal of Engineering Research, v. 3, n. 17, p. 1-20, 2023. https://doi.org/10.22533/at.ed.3173172331054

Oliveira, I. Y. Q. Aspectos conceituais relacionados à qualidade da água bruta e o volume de lodo de estação de tratamento de água gerado. Revista de Gestão Sustentável e Ambiental, v. 6, n. 3, p. 112-123, 2017. https://doi.org/10.19177/rgsa.v6e32017112-123

Parrilla-Lahoz, S.; Mahebadevan, S.; Kauta, M.; Zambrano, M. C.; Pawlak, J. J.; Venditti, R. A.; Reina, T. R.; Duyar, M. S. Materials challenges and opportunities to address growing micro/nanoplastics pollution: A review of thermochemical upcycling. Materials Today Sustainability, v. 20, 100200, 2022. https://doi.org/10.1016/j.mtsust.2022.100200

Peterson, A. A.; Vogel, F.; Lachance, R. P.; Fröling, M.; Antal Jr., M. J.; Tester, J. W. Thermochemical biofuel production in hydrothermal media: A review of sub- and supercritical water technologies. Energy & Environmental Science, v. 1, p. 32-65, 2008. https://doi.org/10.1039/B810100K

Ramirez, K. G.; Possan, E.; Dezen, B. G. S.; Colombo, M. Potential uses of waste sludge in concrete production. Management of Environmental Quality: An International Journal, v. 28, p. 821-838, 2017. https://doi.org/10.1108/MEQ-09-2015-0178

Rio de Janeiro. Panorama geral das oportunidades de reuso para fins industriais no Estado do Rio de Janeiro a partir dos efluentes de estações de tratamento de esgotos. Rio de Janeiro: Secretaria do Estado do Ambiente e Sustentabilidade; Universidade Estadual do Rio de Janeiro, 2022.

Santos, G. Z. B.; Melo Filho, J. A.; Pinheiro, M.; Manzato, L. Synthesis of water treatment sludge ash-based geopolymers in an Amazonian context. Journal of Environmental Management, v. 249, 109328, 2019. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2019.109328

Shamaki, M.; Adu-Amankwah, S.; Black, L. Reuse of UK alum water treatment sludge in cement-based materials. Construction and Building Materials, v. 275, 122047, 2021. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.122047

Sharma, S.; Ahammed, M. M. Application of modified water treatment residuals in water and wastewater treatment: A review. Heliyon, v. 9, n. 5, e15796, 2023. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2023.e15796

Smiderle, J. J. Estudo de viabilidade para destinação final do lodo da ETA Laranjal/RJ. Rio de Janeiro: UFRJ/Escola Politécnica, 2016. (Projeto de Graduação/Curso de Engenharia Civil).

Spitzer, R. Y.; Mau, V.; Gross, A. Using hydrothermal carbonization for sustainable treatment and reuse of human excreta. Journal of Cleaner Production, v. 205, p. 955-963, 2018. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.09.126

Spitzer, R. Y.; Belete, Y. Z.; Johnson, H. A.; Kolusheva, S.; Mau, V.; Gross, A. Hydrothermal carbonization reaction severity as an indicator of human excreta-derived hydrochar properties and its combustion. Science of the Total Environment, v. 872, 162176, 2023. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.162176

Tasca, A. L.; Vitolo, S.; Gori, R.; Mannarino, G.; Galletti, A. M. R.; Puccini, M. Hydrothermal carbonization of digested sewage sludge: The fate of heavy metals, PAHs, PCBs, dioxins and pesticides. Chemosphere, v. 307, Part 3, 135997, 2022. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2022.135997

Teodosiu, C.; Gilca, A.-F.; Barjoveanu, G.; Fiore, S. Emerging pollutants removal through advanced drinking water treatment: A review on processes and environmental performances assessment. Journal of Cleaner Production, v. 197, p. 1210-1221, 2018. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.06.247

Titirici, M.-M.; Thomas, A.; Antonietti, M. Back in the black: Hydrothermal carbonization of plant material as an efficient chemical process to treat the CO₂ problem? New Journal of Chemistry, v. 31, n. 6, p. 787-789, 2007. https://doi.org/10.1039/b616045j

UNESCO - Organização das Nações Unidas para a Educação, a Ciência e a Cultura. Relatório Mundial das Nações Unidas sobre o Desenvolvimento dos Recursos Hídricos 2015: água para um mundo sustentável. Paris: UNESCO, 2015. Disponível em: <https://sustainabledevelopment.un.org/content/documents/1711Water for a Sustainable World.pdf>. Acesso em: 8 jun. 2025.

Urban, R. C.; Isaac, R. L.; Morita, M. Uso benéfico de lodo de estações de tratamento de água e de tratamento de esgoto: estado da arte. Revista DAE, v. 67, n. 219, p. 128-158, 2019. https://doi.org/10.4322/dae.2019.050

USEPA - U. S. Environmental Protection Agency. Contaminant candidate list regulatory determination support document for Aldrin and Dieldrin. Washington: USEPA, 2003. (Office of Water Report: EPA 815-R-03-010). Disponível em: <https://www.epa.gov/sites/default/files/2014-09/documents/support_cc1_aldrin-dieldrin_ccl_regdet.pdf>. Acesso em: 8 jun. 2025.

Vom Eyser, C. Behavior of micropollutants during hydrothermal carbonization of sewage sludge. Duisburg: Universität Duisburg-Essen, 2016. (Dissertação de doutorado).

Ynetnews. Drowning in trash: Israel running out of landfill space. Ynetnews Environment, 2022. Disponível em: <https://www.ynetnews.com/environment/article/sj0hvqxs5>. Acesso em: 14 jun. 2024.


 

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