Co-digestão anaeróbia de macrófitas com excesso de lodo de reator UASB gerados no tratamento de efluentes domésticos

Abstract

O presente estudo teve como objetivo explorar o potencial de produção de biogás e metano das macrófitas flutuantes (Lemna minor, Wolffia columbiana, Spirodela polyrrhiza e Spirodela intermedia) num processo de co-digestão utilizando lodo anaeróbio de reator UASB como inóculo. O substrato (macrófitas) e o inóculo do processo anaeróbio de co-digestão foram obtidos do tratamento de água residual doméstica. Para alcançar os objetivos propostos foram realizados 5 ensaios exploratórios nos quais foram testadas diferentes condições operacionais para determinar a sua influência na produção de biogás e metano. Os ensaios foram realizados utilizando biodigestores de 50 litros de volume e operados em bateladas. Os experimentos foram conduzidos em triplicatas para branco (lodo anaeróbio) e as diferentes relações I/S (inóculo/substrato). No ensaio 1 foram avaliadas quatro relações I/S (0.5, 1.0, 1.5 e 2.0) e os biodigestores foram operados sob condições de temperatura de inverno (média de 18±2,4°C) durante 66 dias. No ensaio 2 o substrato foi submetido a trituração com o objetivo de avaliar o efeito do pré-tratamento mecânico das macrófitas sobre a produção de biogás. As relações I/S foram mantidas do experimento anterior e o ensaio foi conduzido durante 52 dias a temperatura de inverno (19±1,4°C). No ensaio 3 foi avaliado o efeito da temperatura sobre a produção de biogás e metano nos biodigestores. Neste experimento foram mantidas as relações I/S e não foi aplicado pré-tratamento mecânico no substrato. A aplicação do ensaio foi a temperatura de verão (26,6±1,1°C) e o tempo duração das bateladas foi de 37 dias. No ensaio 4 as macrófitas foram trituradas e as condições operacionais dos biodigestores foram similares as do ensaio 3. O tempo de duração do ensaio foi de 32 dias e a temperatura média do período quente foi de 25,8±1.0°C. No ensaio 5 foi avaliado o efeito do regime de mistura sobre a produção de biogás em biodigestores de monodigestão (lodo) e co-digestão anaeróbia (lodo e macrófitas). Os resultados obtidos em todas as condições operacionais testadas neste trabalho indicaram que a biomassa lignocelulósica contribuiu positivamente para aumento da produção de biogás e metano. Evidenciou-se que a produção de biogás e metano variaram em função do parâmetro operacional I/S que determina a quantidade de substrato alimentado nos biodigestores. Quando os biodigestores foram operados em temperaturas baixas (inverno) e com substrato sem pré-tratamento, a relação que apresentou maior produção de biogás e metano foi a I/S=1.5 e o maior YCH4 foi para a I/S=2.0 com 184 NmL CH4/g SV. Para a mesma condição de temperatura, mas com pré-tratamento aplicado no substrato o biodigestor que produziu maior volume de biogás e metano foi a I/S=0.5 e o YCH4 mais elevado foi atingido pela I/S=1.5 com 233,6 NmL CH4/g SV. Com o aumento da temperatura (verão) e com substrato sem pré-tratamento a relação I/S=0.5 apresentou as produções mais elevadas de todos os ensaios com 144.863 e 76.927 NmL de biogás e metano. O maior valor do YCH4 alcançado neste ensaio foi de 323,3 NmL CH4/g SV para a I/S=1.0. No ensaio 4 o pré-tratamento físico da biomassa e a temperatura de verão favoreceram o processo de digestão anaeróbia, sendo que as relações I/S=1.0, 1.5 e 2.0 apresentaram valores de YCH4 próximos de 300 NmL CH4/g SV. Observou-se que o regime de mistura aplicado nos biodigestores incrementou a produção de metano em 67% nos biodigestores com inóculo (monodigestão) e em 29% nos biodigestores com lodo anaeróbio e macrófitas (co-digestão). A mistura também favoreceu o YCH4, com incremento de 28% alcançado pelos biodigestores com mistura (1.0-CM), comparativamente aos biodigestores sem mistura (1.0-SM).

This present study aimed to explore the potential for biogas and methane production of floating macrophytes (Lemna minor, Wolffia Columbiana, Spirodela polyrrhiza, and Spirodela intermedia) in a co-digestion process using anaerobic sludge from a UASB reactor as inoculum. The substrate and inoculum of the anaerobic process were obtained from the treatment of domestic wastewater. To achieve our purpose, five exploratory tests were carried out in which different operating conditions were tested to determine the incidence in biogas and methane production. The tests were performed using biodigesters of 50 liters of volume and operated in batches. The experiments were conducted in triplicate and four different ratios of inoculum to macrophytes I/S (0.5, 1.0, 1.5, and 2.0) were applied to test 1 to test 4. In test 1 the biodigesters were operated under winter temperature conditions (average of 18±2,4 °C) for 66 days. In test 2 the substrate was subjected to grinding to evaluate the effect of the mechanical pre-treatment of macrophytes aiming to improve the biogas production. The test was conducted for 52 days under winter temperature conditions (19±1,4 °C). In test 3 the effect of temperature on the production of biogas and methane in the biodigesters was evaluated. In this experiment no mechanical pre-treatment was applied to the substrate, the test application was the summer temperature (26,6±1,1 °C) and the duration of the batches was 37 days. In test 4 the macrophytes were crushed and the operating conditions of the biodigesters were the same as in test 3. The duration of the test was 32 days under summer temperature (25.8±1.0 °C). In test 5 the effect of the mixing on the production of biogas was evaluated. The results obtained in all operational conditions tested in this study indicated that the lignocellulosic biomass contributed positively to the increase of biogas and methane production. It was evidenced that the production of biogas and methane varied according to the operational parameter I/S that determines the amount of substrate fed in the digesters. When the biodigesters were operated at low temperatures (winter) and with the substrate without pre-treatment, the ratio that showed the highest production of biogas and methane was I/S=1.5 and the highest specific methane yield YCH4 was for I/S=2.0 with 184 NmL CH4/g SV. For the same temperature condition, but with pre-treatment applied to the substrate, the biodigester that produced the higher volume of biogas and methane was I/S=0.5 and the highest specific methane yield YCH4 was achieved by I/S=1.5 with 233.6 NmL CH4/g SV. With the increase in temperature (summer) and with the substrate without pre-treatment, the I/S=0.5 showed the highest production with 144.863 and 76.927 NmL of biogas and methane. The highest specific methane yield YCH4 achieved in this test was 323.3 NmL CH4/g SV for I/S=1.0. In test 4 the physical pre-treatment of biomass and the summer temperature favored the process of anaerobic digestion, and I/S ratios (1.0, 1.5, 2.0) showed specific methane yield YCH4 values close to 300 NmL CH4/g SV. It was observed that the mixing regime applied to biodigesters increased the production of methane by 29% in biodigesters with anaerobic sludge and macrophytes (co-digestion). The mixture also favored YCH4 of the co-digestion with a 28% increase (1.0-CM) over biodigesters without mixture (1.0-SM).