Made available in DSpace on 2018-08-01T23:59:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_11561_Dissertação_Tatiana_FINAL_06.03.pdf: 5608646 bytes, checksum: d571507d795f5e8657651ed43cd53c17 (MD5) Previous issue date: 2017-12-12 / Essa pesquisa objetivou estudar os efeitos da codigestão anaeróbia de esgoto sanitário e lodo algáceo em um reator UASB, analisando o desempenho do reator antes (Etapa 1) e durante no processo de codigestão anaeróbia (Etapa 2). O reator UASB utilizado possui 3,78 m³ de volume útil de 4,8 metros de altura e foi monitorado por 410 dias. No processo de codigestão foi utilizado lodo algáceo físico-químico sem pré-tratamento. Após o período de partida que durou 138 dias, o reator manteve desempenho satisfatório no tratamento anaeróbio do esgoto sanitário na etapa 1 (164 dias) e etapa 2 (108 dias). O efluente apresentou concentração média de 160 mg/L de DQO e 49 mg/L de SST (etapa 1) e 125 mg/L de DQO e 41 mg/L de SST (etapa 2). O TDH e COV do reator foi de 8,8h e 1,14 kgDQO.m-3 .d-1 (etapa 1) e 9,5h e 0,98 kgDQO.m-3 .d-1 (etapa 2). A idade do lodo decresceu da etapa 1 (108 dias) para a etapa 2 (98 dias), como consequência do aumento da produção de sólidos de 0,48 kgST.d1 (etapa 1) para 0,57 kgST.d-1 (etapa 2). Tal fato implica em uma maior frequência de descarte do lodo de excesso do UASB. O aporte contínuo de lodo algáceo na etapa 2 tornou o lodo significativamente menos estabilizado na região de manta, provavelmente devido ao carreamento das microalgas da região de leito para a manta de lodo do UASB. A produção de biogás foi de 10 L/hab.d (Etapa 1) e 6 L/hab.d (Etapa 2). A produção estimada de metano foi 6 L/hab.d (Etapa 1) e 4 L/hab.d (Etapa 2). Como consequência, a potência disponível do biogás efetivamente capturado foi de 0,18 kW (0,0024 kW/hab) e 0,11kW (0,0015 kW/hab) nas etapas 1 e 2, respectivamente. Atribui-se à diminuição da COV aplicada e Temperatura à queda na produção de metano na etapa 2. O resultado do balanço de massa de DQO sugere que o processo de codigestão anaeróbia contribuiu para o aumento da DQO convertida em lodo anaeróbio. Esse aumento relativo da produção de lodo pode estar relacionado com a não digestão das microalgas, as quais são capturadas pelo lodo do reator, mas não são totalmente digeridas por ele. A DQO das microalgas pouco contribuiu para a produção de metano no UASB neste estudo. Por fim, concluiu-se que para aumentar a conversão do material orgânico no reator deve-se operar o UASB à máxima idade do lodo e pré-tratar o lodo algáceo antes do processo de codigestão anaeróbia.

Este trabalho apresenta uma avaliação da produção de metano em um reator anaeróbio operado em batelada sequencial com biomassa imobilizada em suporte inerte (AnSBBR) pela codigestão de vinhaça de cana-de-açúcar e soro de queijo em condições mesofílicas. A avaliação é realizada com base na influência da variação dos aspectos operacionais de estratégia de alimentação (batelada ou batelada alimentada), interação entre tempo de ciclo (8, 6 ou 4 h) e concentração afluente (5000, 3750 ou 2500 mgDQO.L-1), carga orgânica volumétrica aplicada (5, 7,5, 10 ou 15 gDQO.L-1.d-1) e temperatura (25, 30 e 35ºC) sobre a estabilidade e desempenho do sistema. O AnSBBR com recirculação da fase líquida e volume reacional de 3,0 L foi operado por 186 dias, sendo o afluente para todos os ensaios composto por 75 % vinhaça e 25 % soro (massa/volume) e suplementado com bicarbonato de sódio. Nas condições operadas, o sistema demonstrou flexibilidade quanto à estratégia de alimentação, porém a redução do tempo de ciclo e da concentração afluente, para a mesma carga, resultou em menores produções de metano. Por outro lado, o aumento da carga orgânica, até o valor de 15 gDQO.L-1.d-1, favoreceu o processo, aumentando o rendimento de metano por DQO removida e a produtividade. A redução da temperatura de 30 para 25 ºC resultou na queda do desempenho, porém às temperaturas de 30 e 35 ºC foram obtidos resultados similares. O melhor desempenho foi alcançado a uma carga aplicada de 15,27 gDQO.L-1.d-1, tempo de ciclo de 8 horas, operação em batelada alimentada e temperatura de 30 ºC. Nessas condições, o sistema atingiu remoção de DQO solúvel de 88,8 %, produtividade de metano de 208,5 molCH4.m-3.d-1 (equivalente a 4672 CNTP-mLCH4.L-1.d-1), rendimento de metano por DQO removida de 15,76 mmolCH4.gDQO-1 e composição de metano de 72% no biogás. O ajuste do modelo cinético demonstrou preferência pela rota hidrogenotrófica na metanogênese em todos os ensaios. Na aproximação em escala plena para o cenário de usina de etanol de cana-de-açúcar com produção de etanol de 150.896 m3.ano-1 foi estimada uma geração de energia de 25.544 MWh.mês-1. / This paper presents an assessment of the methane production in an anaerobic sequencing batch biofilm reactor (AnSBBR) by co-digestion of sugarcane vinasse and cheese whey at mesophilic conditions. The assessment is based on the influence of modifying the operational aspects of feed strategy (batch or fed-batch), interaction between cycle time (8, 6 or 4 h) and influent concentration (5000, 3750 or 2500 mgCOD.L-1), applied volumetric organic load (5, 7.5, 10 or 15 gCOD.L-1.d-1) and temperature (25, 30 and 35 ºC) over the system stability and performance. The AnSBBR with recirculation of the liquid phase and 3.0 L of liquid medium was operated for 186 days, with influent composition for all assays of 75 % vinasse and 25 % whey (mass/volume), also supplemented with sodium bicarbonate. At the operated conditions, the system showed flexibility with regards to the feed strategy, but the reduction of cycle time and influent concentration, for the same organic load, resulted in lower methane productions. On the other hand, increasing organic load, to the value of 15 gCOD.L-1.d-1, favored the process, increasing methane yield and productivity. Temperature reduction from 30 to 25 ºC resulted in performance loss, although at 30 and 35ºC it was achieved similar results. The best performance was achieved at an applied organic load of 15.27 gCOD.L-1.d-1, cycle time of 8 hours, fed batch operation and temperature of 30 ºC. The system achieved soluble COD removal efficiency of 88.8 %, methane productivity of 208.5 gCOD.L-1.d-1 (equal to 4672 STP-mLCH4.L-1.d-1), methane yield per removed organic matter of 15.76 mmolCH4.gCOD-1 and methane composition of 72% of the biogas. The kinetic model fit showed preference for the hydrogenotrophic route in the methanogenesis. At the full scale approximation considering a scenario with a sugarcane ethanol plant with ethanol production of 150,896 m3.year-1 it was estimated an energy production of 25,544 MWh.month-1.

Resumo: A suinocultura atingiu índices elevados de produtividade por meio do emprego de avançadas tecnologias de produção, resultando em maior geração de dejeto líquido suíno (DLS) com grande potencial de contaminação de águas mananciais. O resíduo de hortifruti (RH) é produzido em grandes quantidades nos mercados atacadistas, sendo caracterizado pelo elevado teor de umidade e de compostos orgânicos voláteis, o que causa efeitos negativos nos sistemas tradicionais de destinação dos resíduos sólidos urbanos. A codigestão de dejetos suínos e resíduos orgânicos vem sendo amplamente estudada, com melhorias na degradação dos substratos em digestão e, consequentemente, dos rendimentos de biogás. Assim, neste trabalho, avaliou-se o desempenho da codigestão de dejetos de suínos e crescentes níveis de resíduos de hortifrúti, utilizando-se um delineamento fatorial de experimentos 2³ (3 fatores, 2 níveis) seguido de modelagem matemática para descrever o volume de metano acumulado durante o bioprocesso. Para a realização dos ensaios, foram preparadas misturas de substratos compostas por dejeto líquido suíno e resíduo de hortifruti nas relações 4:1, 2,5:1 e 1:1, as quais foram inoculadas e digeridas em frascos batelada por tempos de retenção hidráulica de 20 a 30 dias e temperaturas de 35 a 45°C. Os maiores rendimentos foram de 455,47 e 442,37 NmL CH4/g SVT e ocorreram nos ensaios com relação DLS:RH de 2,5:1 e 1:1, respectivamente. A relação DLS:RH foi significante para o acúmulo de metano durant... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Swine production reached high levels of productivity through the use of technology, resulting in higher generation of swine manure (SM) with great potential for ground water contamination. Fruit and vegetable waste (FVW) are produced in large quantities in wholesale markets, characterized by high moisture content and volatile organic compounds, causing negative effects in the traditional systems of municipal solid waste disposal. The codigestion of swine manure and organic wastes has been widely explored, with improvements in the degradation of the substrates in digestion and, consequently, of the biogas yields. Thus, in this work, the performance of the codigestion of SM and increasing levels of FVW were evaluated using a factorial design of experiments 2³ (3 factors; 2 levels) followed by mathematical modelling to describe the volume of methane accumulated during the bioprocess. In order to carry out the assays, mixtures of substrates composed of SM and FVW were prepared in the ratios 4:1, 2,5:1 e 1:1, which were inoculated and digested in batches with hydraulic retention times of 20 to 30 days and temperatures of 35 to 45 °C. The maximum yields were 455.47 and 442.37 NmL CH4 / g VS and occurred in assays with 2.5:1 and 1:1 SM:FVW ratios, respectively. The SM:FVW ratio was significant for the accumulation of methane during the process, while the hydraulic retention time was not significant at a 95% confidence level. The temperature was marginally significant, with a higher ... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Em muitas Estações de Tratamento de Esgoto Sanitário (ETE) no Brasil, reatores anaeróbios de manta de lodo (UASB) têm sido utilizados para tratamento de esgoto doméstico, embora apresentem baixa eficiência de remoção de demanda química de oxigênio (DQO) e alta quantidade de sólidos no efluente para esse substrato. Ademais, a digestão anaeróbia do esgoto sanitário em reatores UASB tem apresentado baixa produção do biogás, em razão da baixa concentração de matéria orgânica no afluente. No entanto, a produção de biogás pode ser aumentada pelo processo de codigestão anaeróbia, com a adição de um cossubstrato para aumentar a concentração inicial de matéria orgânica. O glicerol tem se destacado como cossubstrato de elevado potencial de geração de metano devido à sua alta concentração de matéria orgânica prontamente biodegradável. Nesse trabalho foi avaliada a possibilidade de utilização do potencial de produção de metano de reatores UASB já instalados no Brasil, por meio da adição de glicerol ao esgoto afluente. A pesquisa foi realizada em duas etapas, usando reatores UASB híbrido, com volumes de 24,75 L na primeira etapa, e 1,46 L na segunda etapa. Os reatores alimentados com esgoto sanitário e efluente de reator UASB, respectivamente, mantendo-se o tempo de detenção hidráulica (TDH) constante em 8 horas e variando-se a dosagem de glicerol afluente. A melhor fase de operação considerando eficiência de remoção de DQO, produção de metano e estabilidade do sistema biológico, foi operada com COV de 2,09 ± 0,22 kgDQO.m-3.d-1 e rendimento de metano de 75 ± 68 mLCH4.gDQOremovida-1. / In many sewage treatment plants in Brazil, up-flow sludge blanket (UASB) reactors have been used to treat domestic sewage, although they have a low removal efficiency of chemical oxygen demand (COD) and high amount of solids in the effluent for this substrate. In addition, most of the installed UASB reactors has presented small biogas production due to the low influent organic matter concentration. However, biogas production can be increased by the anaerobic codigestion process, by adding a co-substrate to increase the influent organic matter concentration. Glycerol has been highlighted as a co-substrate for high methane generation potential due to its high concentration of readily biodegradable organic matter. It is intended to evaluate the possibility of using the methane production potential of UASB reactors already installed in Brazil, through the addition of glycerol to the influent sewage. The research was conducted in two stages, using UASB hybrid reactors, with volumes of 24.75 L in the first stage, and 1.46 L in the second stage. They were fed with sanitary sewage and UASB reactor effluent, respectively, maintaining the hydraulic holding time (TDH) constant at 8 hours and varying the dosage of affluent glycerol. The best phase of operation considering COD removal efficiency, methane production and biological system stability was operated with OLR of 2.09 ± 0.22 kg CODm-3.d-1 and methane yield of 75 ± 68 mLCH4.gCODremoved-1.

A presente pesquisa teve como proposta avaliar o reator anaeróbio, operado de forma descontínua ou descontínua alimentada, contendo biomassa imobilizada em suporte inerte e com recirculação da fase líquida (AnSBBR) aplicado à produção de biohidrogênio a partir da codigestão de glicerina (efluente da produção de biodiesel) e soro de leite (efluente da produção de laticínios). A estabilidade, os índices de desempenho (referentes à produtividade e rendimento molar do hidrogênio) e o fator de conversão (entre biogás produzido e matéria orgânica consumida) foram analisados em função da composição afluente (porcentagem de cada substrato alimentado ao sistema), da variação da carga orgânica, do tempo de enchimento e da temperatura (20, 25, 30 e 35ºC). Os ensaios foram realizados em diferentes proporções dos substratos utilizando-se variadas cargas orgânicas volumétricas (10,3; 17,1 e 24,0 gDQO.L-1.d-1), as quais foram modificadas em função: (i) da concentração afluente (3, 5 e 7 gDQO.L-1) e (ii) do tempo de ciclo (4, 3 e 2 h, ou seja, 6, 8 e 12 ciclos diários). Também foram realizados ensaios para a produção de biometano a partir da codigestão proposta nesta pesquisa (com COAV de 7,6 gDQO.L-1.d-1) em diferentes proporções de mistura. Para a produção de biometano, a condição com 75% de soro e 25% de glicerina (base DQO) obteve os melhores resultados: produtividade molar de 101,8 molCH4.m-3.d-1 e rendimento por carga aplicada de 13,3 molCH4.kgDQO-1; o que representa um aumento de produtividade de cerca de 9% e 30% quando comparado com a digestão anaeróbia de soro e glicerina puros, respectivamente. A produção de metano no melhor ensaio aconteceu predominantemente pela rota hidrogenotrófica. Para a produção de biohidrogênio, a maior produtividade e rendimento do reator foram obtidas no ensaio operado com razão de mistura de 75% soro e 25% glicerina, com 7 gDQO.L-1 de concentração afluente, tempo de ciclo de 3 h e tempo de enchimento de 1,5 h (modo batelada alimentada - COAV de 23,9 kgDQO.m-3.d-1), a 30°C: foi obtida uma produtividade molar de 129,0 molH2.m-3.d-1 e rendimento de 5,4 molH2.kgDQO-1. Esses resultados representam um aumento de produtividade de 145% em relação a mono-digestão do soro na condição inicial, o que indica o benefício significativo da adição de glicerina ao afluente, provavelmente devido à sua capacidade tamponante, e a otimização das condições operacionais. A adição de glicerina e o aumento da COAV balancearam as rotas de produção de hidrogênio, sendo produzido de forma mais equilibrada pelas vias do ácido acético, butírico e valérico. A caracterização do consórcio microbiano desse ensaio indicou que a comunidade microbiana presente no AnSBBR foi dominada por Ethanoligenens e Megasphaera. / The current research evaluated an anaerobic reactor, operated in batch or fed-batch mode, containing immobilized biomass in inert support and with recirculation of the liquid phase (AnSBBR), applied to the production of biohydrogen co-digesting glycerin (effluent from biodiesel production process) and whey (effluent from dairy industry). Stability, performance (regarding productivity and molar hydrogen yield) and conversion factor (between biogas produced and organic matter consumed) were analyzed according to the percentage of each substrate fed to the system, organic loading rate, filling time and temperature (20, 25, 30 and 35ºC). Assays were carried out using different substrates proportions and organic loading rates (10.3; 17.1 and 24.0 gCOD.L-1.d-1), which have been modified in function of: (i) influent concentration (3, 5 and 7 gCOD.L-1) and (ii) cycle length (4, 3 and 2 h, i.e. 6, 8 and 12 cycles daily). Assays were also carried out aiming for biomethane production using the proposed co-digestion (with AVOL of 7.6 gDQO.L-1.d-1) with different proportions of substrate mixture. For biomethane production, the assay conducted with 75% whey and 25% glycerin (COD basis) obtained the best results: molar productivity of 101.8 molCH4.m-3.d-1 and yield per applied load of 13.3 molCH4. kgCOD-1; which is an increase in productivity of about 9% and 30% when compared with the anaerobic mono-digestion of whey and glycerin, respectively. Methane production in this assay came mainly from the hydrogenotrophic route. For biohydrogen production, the highest productivity and yield were achieved in the assay operated with 75% whey and 25% glycerin, with 7 gCOD.L-1 of influent concentration, 3 h of cycle time and filling time of 1.5 h (fed batch mode - AVOL of 23.9 kgCOD.m-3.d-1), at 30°C: a molar productivity of 129.0 molH2.m-3.d-1 and yield of 5.4 molH2.kgCOD-1 were obtained. These results represent a productivity increase of 145% in relation to whey mono-digestion at its initial condition, which indicates the significant benefit of glycerin addition to the influent, probably due to its buffering capacity, and improvement of operational conditions. The addition of glycerin and the increase in AVOL balanced the hydrogen production routes, since hydrogen was produced similarly by the acetic, butyric and valeric acid routes. The characterization of the microbial consortium of this assay indicated that the microbial community present in the AnSBBR was dominated by Ethanoligenens and Megasphaera.

A presente pesquisa teve como proposta avaliar o reator anaeróbio, operado de forma descontínua ou descontínua alimentada, contendo biomassa imobilizada em suporte inerte e com recirculação da fase líquida (AnSBBR) aplicado à produção de biohidrogênio a partir da codigestão de glicerina (efluente da produção de biodiesel) e soro de leite (efluente da produção de laticínios). A estabilidade, os índices de desempenho (referentes à produtividade e rendimento molar do hidrogênio) e o fator de conversão (entre biogás produzido e matéria orgânica consumida) foram analisados em função da composição afluente (porcentagem de cada substrato alimentado ao sistema), da variação da carga orgânica, do tempo de enchimento e da temperatura (20, 25, 30 e 35ºC). Os ensaios foram realizados em diferentes proporções dos substratos utilizando-se variadas cargas orgânicas volumétricas (10,3; 17,1 e 24,0 gDQO.L-1.d-1), as quais foram modificadas em função: (i) da concentração afluente (3, 5 e 7 gDQO.L-1) e (ii) do tempo de ciclo (4, 3 e 2 h, ou seja, 6, 8 e 12 ciclos diários). Também foram realizados ensaios para a produção de biometano a partir da codigestão proposta nesta pesquisa (com COAV de 7,6 gDQO.L-1.d-1) em diferentes proporções de mistura. Para a produção de biometano, a condição com 75% de soro e 25% de glicerina (base DQO) obteve os melhores resultados: produtividade molar de 101,8 molCH4.m-3.d-1 e rendimento por carga aplicada de 13,3 molCH4.kgDQO-1; o que representa um aumento de produtividade de cerca de 9% e 30% quando comparado com a digestão anaeróbia de soro e glicerina puros, respectivamente. A produção de metano no melhor ensaio aconteceu predominantemente pela rota hidrogenotrófica. Para a produção de biohidrogênio, a maior produtividade e rendimento do reator foram obtidas no ensaio operado com razão de mistura de 75% soro e 25% glicerina, com 7 gDQO.L-1 de concentração afluente, tempo de ciclo de 3 h e tempo de enchimento de 1,5 h (modo batelada alimentada - COAV de 23,9 kgDQO.m-3.d-1), a 30°C: foi obtida uma produtividade molar de 129,0 molH2.m-3.d-1 e rendimento de 5,4 molH2.kgDQO-1. Esses resultados representam um aumento de produtividade de 145% em relação a mono-digestão do soro na condição inicial, o que indica o benefício significativo da adição de glicerina ao afluente, provavelmente devido à sua capacidade tamponante, e a otimização das condições operacionais. A adição de glicerina e o aumento da COAV balancearam as rotas de produção de hidrogênio, sendo produzido de forma mais equilibrada pelas vias do ácido acético, butírico e valérico. A caracterização do consórcio microbiano desse ensaio indicou que a comunidade microbiana presente no AnSBBR foi dominada por Ethanoligenens e Megasphaera. / The current research evaluated an anaerobic reactor, operated in batch or fed-batch mode, containing immobilized biomass in inert support and with recirculation of the liquid phase (AnSBBR), applied to the production of biohydrogen co-digesting glycerin (effluent from biodiesel production process) and whey (effluent from dairy industry). Stability, performance (regarding productivity and molar hydrogen yield) and conversion factor (between biogas produced and organic matter consumed) were analyzed according to the percentage of each substrate fed to the system, organic loading rate, filling time and temperature (20, 25, 30 and 35ºC). Assays were carried out using different substrates proportions and organic loading rates (10.3; 17.1 and 24.0 gCOD.L-1.d-1), which have been modified in function of: (i) influent concentration (3, 5 and 7 gCOD.L-1) and (ii) cycle length (4, 3 and 2 h, i.e. 6, 8 and 12 cycles daily). Assays were also carried out aiming for biomethane production using the proposed co-digestion (with AVOL of 7.6 gDQO.L-1.d-1) with different proportions of substrate mixture. For biomethane production, the assay conducted with 75% whey and 25% glycerin (COD basis) obtained the best results: molar productivity of 101.8 molCH4.m-3.d-1 and yield per applied load of 13.3 molCH4. kgCOD-1; which is an increase in productivity of about 9% and 30% when compared with the anaerobic mono-digestion of whey and glycerin, respectively. Methane production in this assay came mainly from the hydrogenotrophic route. For biohydrogen production, the highest productivity and yield were achieved in the assay operated with 75% whey and 25% glycerin, with 7 gCOD.L-1 of influent concentration, 3 h of cycle time and filling time of 1.5 h (fed batch mode - AVOL of 23.9 kgCOD.m-3.d-1), at 30°C: a molar productivity of 129.0 molH2.m-3.d-1 and yield of 5.4 molH2.kgCOD-1 were obtained. These results represent a productivity increase of 145% in relation to whey mono-digestion at its initial condition, which indicates the significant benefit of glycerin addition to the influent, probably due to its buffering capacity, and improvement of operational conditions. The addition of glycerin and the increase in AVOL balanced the hydrogen production routes, since hydrogen was produced similarly by the acetic, butyric and valeric acid routes. The characterization of the microbial consortium of this assay indicated that the microbial community present in the AnSBBR was dominated by Ethanoligenens and Megasphaera.