A preocupação mundial com as possíveis mudanças climáticas, decorrentes do aumento da concentração de gases do efeito estufa (GEE), resultam na busca por fontes de energia renovável. Dentre estas fontes, a produção do etanol vem se destacando globalmente. O Brasil é o maior produtor mundial de etanol, baseado na cana-de-açúcar como matéria-prima. A produção deste biocombustível atua na redução das emissões de GEE, como substituinte de derivados de petróleo e fornecimento de energia, através da queima do bagaço. No entanto, é necessário quantificar o off-set do etanol em relação ao petróleo em todas as fases de produção. Importante resíduo da indústria sucroenergética é a vinhaça, gerada em elevadas quantidades e usualmente aplicada no solo em fertirrigação. Muitos estudos relatam os benefícios que a vinhaça proporciona ao solo, porém, pouco se sabe sobre os possíveis impactos que causa no ambiente, sobretudo no que se refere às emissões de GEE. O objetivo desta pesquisa foi avaliar as emissões de GEE provenientes da vinhaça no canal de distribuição e após aplicação no solo e detectar as comunidades de archaeas presentes no sedimento do canal condutor, verificando a influência de fatores bióticos e abióticos nas emissões e comunidades microbianas. A pesquisa foi desenvolvida na Usina Iracema, localizada em Iracemápolis, SP. Amostragens de GEE foram realizadas em diferentes pontos do canal de distribuição e em áreas de cana queimada e crua. Amostras de sedimento foram coletadas no canal para detecção das comunidades de archaeas por DGGE. As emissões de C-CO2 e C-CH4 provenientes da vinhaça no canal de distribuição foram influenciadas pela composição físico-química deste resíduo. Apesar de apresentar emissões significativas, o C-CO2 não foi computado no cálculo das emissões totais, pois é reassimilado pela fotossíntese. As emissões de N-N2O foram muito baixas, demonstrando que a vinhaça não fornece condições favoráveis à formação deste GEE. Ao converter os fluxos de N-N2O e C-CH4 em CO2 eq. observou-se que o C-CH4 contribuiu com aproximadamente 99% das emissões totais oriundas da vinhaça presente no canal. A fertirrigação do solo potencializou as emissões de CCO2 e N-N2O e não influenciou as emissões de C-CH4. As emissões de N-N2O provenientes da aplicação de nitrogênio na forma de vinhaça no solo resultaram em fatores de emissão de 0,68 e 0,44 % (kg N-N2O/kg N), respectivamente para cana queimada e crua. Após conversão dos fluxos de N-N2O e C-CH4 em CO2 eq. verificou-se que a aplicação da vinhaça no solo aumentou as emissões em 46,0 e 30,9 kg de CO2 eq. ha-1, respectivamente para cana queimada e crua. Considerando a aplicação de 200 m3 ha-1, observou-se que a vinhaça emitiu 493,9 e 489,1 kg de CO2 eq. ha-1, respectivamente para cana queimada e crua. A contabilização das emissões totais de GEE oriundas da vinhaça indicou que 90% das emissões são resultantes do canal de distribuição. A técnica de DGGE demonstrou mudanças nas estruturas das comunidades de archaea total e mcrA de acordo com os pontos de amostragem, exibiu forte relação com as condições encontradas nesses pontos e com a produção de C-CH4. / The global growing concern about an eventual climate change due to the increasing atmospheric greenhouse gases (GHG) concentrations spur on the search for renewable energy sources. Among the possibilities, ethanol is getting global prominence. Brazil is the greatest producer of ethanol derived from sugar-cane. The production of this biofuel helps to reduce GHG emission replacing the use of petroleum and producing energy by bagasse burning. However, it is necessary to quantify its effective off-set analyzing all steps of production. The main residue of the sugar- ethanol industry is the vinasse, which is generated in high quantity and is usually applied to soil as fertirrigation. Several studies mention the benefits of vinasse application to soil cultivated with sugarcane, but few is known about possible impacts on environment, especially in what concerns GHG emissions. The objective of this work was to evaluate GHG emissions from the vinasse during its flux in distribution channels and after its application to soil by aspersion. Besides, the structure of archaea community of the sludge deposited at the channels bottom was investigated, evaluating the influence of biotic and abiotic factors on GHG emission rates and microbial community. The study was developed at Usina Iracema, located in Iracemápolis (SP). GHG samples were taken at six different points along the vinasse distribution channel and after its application at sites where sugar cane is harvest preceded or not by straw burning. Samples from sedimented sludge were collected from the channel and archaeas communities were assessed by DGGE analyses. Emissions rates of CO2-C and CH4-C from vinasse were influenced by the physical-chemical composition of this residue. Although significant emission rates of CO2- C have been measured, they were not included in total emission calculations, since this gas is reabsorbed by photosynthesis. N2O-N emissions were very low, demonstrating that the vinasse does not promote favorable conditions to its building. The conversion of N2O-N and CH4-C fluxes into CO2 eq demonstrated that methane represents about 99% of total emission of vinasse while into the distribution channel. The soil fertirrigation with vinasse increased CO2-C and N2ON emissions, but did not influence C-CH4 emission rate. Nitrous oxide originated by N content in vinasse applied to soil represented 0.68 and 0.44 % (kg N2O-N.kg N-1), respectively, from areas were harvest was or was not preceeded by burning. N2O-N and CH4-C fluxes converted to CO2 eq showed that vinasse application increased emissions by 46.0 e 30.9 kg of CO2 eq. ha-1 respectively, at areas were harvest was or was not preceded by burning. Considering that vinasse is usually applied in rates of 200 m3 ha-1 the areas were harvest was or was not preceded by burning could emit a total of 493.9 and 489.1 kg CO2 eq. ha-1 respectively. In the final account, 90% of total GHG emission from vinasse was originated from the distribution channel. The DGGE technique demonstrated changes in total and functional community structure of archaeal according to sampling point. They were also strongly correlated to environmental conditions end C-CH4 production.

A produção de álcool combustível vem aumentando a cada ano devido à necessidade de substituir as fontes de combustíveis fósseis, que é finita, e por outro lado o álcool que é uma fonte de energia renovável. Porém, a produção deste combustível gera uma grande quantidade de resíduos, sendo a vinhaça o que chama mais atenção, pelo seu alto valor como fertilizante e, principalmente, pela quantidade expressiva de potássio. O íon potássio, por se tratar de um cátion monovalente tem a característica de promover a dispersão das partículas de argila, assim como o sódio, provocando um entupimento dos poros do solo e diminuindo a sua permeabilidade, o que pode resultar em encharcamento e aumentar o escoamento superficial. Para avaliar este efeito dispersivo da aplicação de vinhaça no solo foram implementados dois experimentos: O Experimento I teve o objetivo de avaliar o efeito de diferentes doses de vinhaça na condutividade hidráulica do solo saturado e o Experimento II avaliou diferentes doses de aplicação de vinhaça no escoamento superficial. No Experimento I foram utilizadas colunas de PVC preenchidas com 3 tipos de solos (Latossolo Vermelho-Escuro LVE, Latossolo Roxo LR e Nitossolo Vermelho Eutrófico NVE), nas quais foram aplicadas quatro doses de vinhaça (0, 150, 300 e 450 m3 ha-1), em um delineamento inteiramente casualizado em esquema fatorial 3x4 com três repetições. Neste experimento, utilizou-se um permeâmetro de carga constante para obtenção da condutividade hidráulica do solo saturado. No segundo experimento, montou-se uma estrutura na área pertencente ao Departamento de Engenharia Rural (ESALQ/USP) para avaliação de escoamento superficial em um Nitossolo Vermelho Eutrófico. O delineamento experimental adotado neste experimento foi blocos ao acaso num esquema fatorial 3x3 com três blocos, sendo: 3 variedades de cana-de-açúcar (IAC87-3396, SP81-3250 e RB86-7515) e 3 doses de vinhaça (150, 300 e 450 m3 ha-1). Os parâmetros avaliados foram a perda de água e de solo, perda do potássio e de sólidos dissolvidos totais (SDT). Diante dos resultados obtidos, observou-se que no solo LVE com o aumento das doses de vinhaça diminuiu-se os valores de condutividade hidráulica do solo saturado e para os solos LR e NVE os valores deste parâmetro aumentaram com o acréscimo das doses. Em relação ao escoamento superficial não houve efeito significativo para os fatores em estudo, demonstrando que as doses não contribuíram para o aumento do escoamento superficial como se era suposto. / The production of alcohol used as fuel is increasing every year due to the need to replace the sources of fossil fuels, which is finite, and on the other hand alcohol is a renewable energy source. But the production of this fuel generates large quantities of waste and the vinasse draws most attention by its high value as fertilizer, primarily by the amount of potassium. The potassium ion due to a monovalent feature is to promote the dispersion of the clay particles as well as sodium, clogged the pores of the soil by decreasing the permeability, may cause flooding and increase runoff. For evaluating the dispersive effect of vinasse on the soil were implemented two experiments: Experiment I aimed to evaluate the effect of different doses of vinasse in saturated hydraulic conductivity, and Experiment II, which evaluated different doses of vinasse in runoff. In Experiment I were used PVC columns filled with 3 kinds of soils (Dark Red Latosol - LVE, Dusky Red Latosol- LR and Rhodic Kandiustalf - NVE), and applied four doses of vinasse (0, 150, 300 and 450 m3 ha -1), in a completely randomized design in a 3x4 factorial design with three replications. In this experiment we used a constant load permeameter to obtain the hydraulic conductivity of saturated soil. In the second experiment was mounted in a structure belonging to the Department of Rural Engineering (ESALQ / USP) for evaluation of runoff in a Rhodic Kandiustalf. The experimental design used in this experiment was a randomized block design in a 3x3 factorial with three blocks, and these factors were: 3 varieties of sugarcane (IAC87-3396, SP81-3250 and RB86-7515) and 3 doses of vinasse (150 , 300 and 450 m3 ha-1). The parameteres evaluated were the loss of water and soil, loss of potassium and total dissolved solids (TDS). Results obtained showed that the soil LVE with increasing doses of vinasse also decreased the values of hydraulic conductivity, and for the LR soil and NVE values of this parameter increased with increased doses. In the runoff no significant effect on the factors under study, showing that the doses did not contribute to the increase in runoff as was supposed.

O aproveitamento atual da vinhaça, subproduto da produção do álcool pelas Destilarias Autônomas e Usinas de Açúcar e Álcool, se faz tanto pelo seu valor nutricional quanto pelo seu potencial na geração de energia elétrica. A vinhaça, que antes era lançada diretamente nos cursos dágua, a partir da década de 70, com o aumento dos preços dos fertilizantes minerais, passou a ser reutilizada como subproduto para a adubação canavieira. Recentemente, com a evolução da política ambiental do Setor, suas práticas agroindústrias passaram a priorizar o uso eficiente de seus subprodutos, seja através da racionalização em suas aplicações ou pelo uso de tecnologias que potencializem os seus benefícios. Esse estudo resumiu-se em analisar a viabilidade técnica, mensurar os aspectos econômicos e caracterizar os aspectos ambientais das tecnologias de condicionamento e aproveitamento da vinhaça mais difundidas no Brasil e, em especial, no Estado de São Paulo: aplicação in natura no solo (fertirrigação in natura), biodigestão e concentração. A análise técnica se baseou na utilização dessas tecnologias pelas Unidades Agroindustriais estudadas e na oferta de mercado por parte de empresas de tecnologia. Para a análise econômica da fertirrigação in-natura, a substituição da adubação mineral e os lucros obtidos foram os parâmetros utilizados. Já na análise da biodigestão e da concentração, o modelo foi construído a partir dos seguintes indicadores econômicos: fluxo de caixa, valor presente líquido, método do custo/benefício, taxa interna de retorno e período de retorno. Como parte final, a análise ambiental foi direcionada para a mitigação dos impactos gerados pela aplicação in natura, em especial as emissões de gases de efeito estufa (GEE). A viabilidade técnica foi confirmada para as três tecnologias, seja pela utilização em campo e/ou pela diversificada oferta das tecnologias de biodigestão e concentração pelo mercado especializado. Quanto à viabilidade econômica, a fertirrigação in natura se demonstrou altamente lucrativa para o Brasil, Estado de São Paulo e Centro-Sul do País. Já a biodigestão, que necessitou de tecnologias complementares de geração de energia para a análise de sua viabilidade, apresentou-se viável quando associada aos queimadores e turbinas em todas as condições estudadas. Quando associada aos motogeradores, a sua viabilidade foi atestada em duas ocasiões. Contudo, a inviabilidade apresentada quando os cálculos foram baseados em valores de venda de energia atualizados - média de R$102,41 por MWh produzido - justificou a ausência desses projetos nos últimos leilões de energia. Ao contrário das outras tecnologias, a tecnologia da concentração se demonstrou completamente inviável a partir das condições econômicas utilizadas. Já na questão ambiental, a fertirrigação in natura apresentou diversas vantagens e desvantagens, ficando a sua utilização condicionada a estudos locais. Para a biodigestão e a concentração, essas tecnologias apresentaram diversos ganhos frente à utilização in natura, sendo a primeira responsável pela mitigação dos GEE e a segunda pela maior racionalização na aplicação de vinhaça e por um melhor equacionamento dos altos volumes de água utilizados pelas Usinas e Destilarias. / The current use of vinasse, a byproduct of ethanol production by independent distilleries and Sugar and Alcohol plants, is done both for its nutritional value as for its potential in generating electricity. By mid-century the vinasse was released directly into water streams as final disposal, resulting in serious environmental problems. From the 70\'s, with the rising prices of mineral fertilizers, the reuse of this byproduct fertilizer for sugar cane production became practical. Recently, with the evolution of environmental policy of this sector, agribusiness practices began to prioritize the efficient use of byproducts, either by rationalizing their application or by the use of technologies that enhance its benefits. This study is summarized in analyze the technical feasibility, measure the economic aspects and characterize the environmental aspects of the technologies of conditioning and reuse of vinasse more widespread in Brazil and, in particular, the state of São Paulo: natural application, biodigestion and concentration. Technical analysis was based on the use of these technologies by agro-industrial units studied and market supply by technology companies. For the economic analysis of the natural application, the substitution of mineral fertilizer and profits were the parameters used. For the analysis of biodigestion and concentration, the model was constructed from the following economic indicators: cash flow, net present value method, the cost / benefit ratio, internal rate of return and payback period. As the final part, the environmental analysis was aimed at mitigating the impacts generated by the natural application, in especial, the emissions of greenhouse gases (GHGs). The technical feasibility has been confirmed for the three technologies, either for the use in the field, by a wide advantage for the natural application, or the supply of biodigestion and concentration technologies by the specialized market. For the economic feasibility, natural application has been shown highly profitable for Brazil, Sao Paulo State and Center- South of the country. The biodigestion, which required complementary generate energy technologies for your viability analysis, presented feasible when combined with the flares and turbines in all conditions studied. When associated with the motor generator, its feasibility was attested on two occasions. However, its feasibility wasn´t reached when the calculations were based on recent values of power sales - an average of R$ 102.41 per MWh produced - justifying the absence of these projects in recent energy auctions. Unlike other technologies, the technology of concentration is shown completely unfeasible from the economic conditions used. In the environmental issue, the natural application presented several advantages and disadvantages, being its use conditioned to local studies. For biodigestion and concentration, these technologies had several gains when compared with the natural application, being, the first, responsible for the mitigation of GHGs and, the second, responsible for an application more rational of vinasse and for a reduction of the high volumes of water used by plants and distilleries.

A digestão anaeróbia é uma potencial solução para a destinação dos grandes volumes de vinhaça gerada em biorrefinarias de cana-de-açúcar. A alta concentração de matéria orgânica presente na vinhaça é uma questão importante a ser considerada, uma vez que as populações microbianas anaeróbias, principalmente metanogênicas, são sensíveis a sobrecargas orgânicas. Uma série de configurações de reatores, bem como diferentes estratégias de partida e operação tem sido aplicadas ao tratamento de vinhaça, como a recirculação do efluente tratado, a qual é usualmente empregada para prevenir eventos de sobrecarga orgânica. O objetivo deste estudo foi determinar a influência da recirculação de efluentes em reatores anaeróbios compartimentados (RAC) tratando águas residuárias concentradas, uma vez que a literatura não é conclusiva sobre os efeitos da recirculação neste tipo de reator. Para atingir esse objetivo, foi utilizada uma abordagem dupla: experimental e modelagem matemática. Um RAC com 4 compartimentos em série em escala de bancada foi alimentado com vinhaça de cana-de-açúcar (DQO = 18,0 g/L) e monitorado durante 273 dias. Os parâmetros cinéticos e de transferência de massa do reator foram obtidos e utilizados para criar um modelo matemático para a conversão da matéria orgânica no software Matlab®. Tanto os dados operacionais como os parâmetros cinéticos mostraram que a elevada concentração de DQO fez com que o RAC não se comportasse como um sistema de duas fases, bem como a recirculação não resultasse em melhorias relevantes de desempenho. O modelo matemático concordou com os dados operacionais e mostrou que, em termos de capacidade de conversão, o uso de elevadas taxas de recirculação não é necessário para um adequado desempenho do RAC, uma vez que a cinética bioquímica observada não foi expressivamente limitada pela concentração de substrato. / Anaerobic digestion is a potential approach to handle the large volume of vinasse generated in sugarcane biorefineries. The high concentration of organic matter present in vinasse is an important issue to be considered, since anaerobic microbial populations, mainly methanogens, are sensitive to organic overloads. A serie of reactors configurations, as well as different startup and operating strategies, have been applied to the treatment of vinasse, so that the recirculation of the treated effluent is usually used to prevent organic overloading events. The aim of this study was to determine the influence of effluent recirculation in anaerobic baffled reactors (ABR) treating high concentrated wastewater, since literature is not conclusive about its effects. To achieve this aim an experimental and mathematical modeling dual approach was employed. A bench-scale ABR with four serial baffleds was fed with sugarcane vinasse (COD = 18,0 g/L) and monitored for 273 days. Kinetic and mass transfer parameters were obtained and used to create a mathematical model for the organic matter conversion in Matlab®. Both the operating data and the kinetic parameters showed that at high COD concentrations the ABR does not behave as a two-stage system, as well as recirculation did not result in relevant performance improvements. The mathematical model agreed with the operational data and showed that, in terms of conversion capacity, the use of high recirculation ratios is not necessary for suitable ABR performance, since the observed biochemical kinetics were not high limited by the concentration of substrate.

A produção de biocombustíveis apresenta-se como uma eficiente alternativa para superar as limitações econômico-ambientais inerentes à comercialização e utilização de combustíveis fósseis. O etanol caracteriza-se como um dos principais biocombustíveis alternativos, sendo as destilarias de cana-de-açúcar importantes exemplos de biorrefinarias, as quais, analogamente à indústria do petróleo, objetivam a obtenção de um espectro de (bio)produtos e/ou bioenergia a partir da biomassa vegetal. Embora nas atuais biorrefinarias de cana-de-açúcar a matéria-prima seja convertida em etanol, açúcar e eletricidade, uma fração considerável da energia da cana (como matéria orgânica) ainda é perdida na vinhaça. Potenciais impactos negativos da fertirrigação, i.e., aplicação direta da vinhaça no solo agrícola, também constituem outra relevante limitação do atual gerenciamento desta água residuária no Brasil. A biodigestão anaeróbia apresenta grande potencial de aplicação no tratamento da vinhaça, objetivando-se a redução de sua carga orgânica poluente concomitantemente à recuperação de bioenergia a partir do biogás. Embora tal processo potencialize a extração de energia da cana-de-açúcar na biorrefinaria, a literatura de referência ainda é escassa em termos da definição de parâmetros que viabilizem a implantação da biodigestão nas destilarias brasileiras. Neste contexto, neste estudo apresenta-se um panorama holístico da aplicação da biodigestão anaeróbia no tratamento da vinhaça de cana-de-açúcar, definindo-se condições operacionais para uma eficiente e estável conversão da matéria orgânica em hidrogênio e metano em sistemas em duas fases (acidogênico + metanogênico) termofílicos (55ºC). Diferentes cenários para produção de energia a partir do biogás também foram estudados a partir da aplicação de ferramentas de simulação, buscando-se fornecer aspectos técnicos, econômicos e ambientais da implantação das plantas de biodigestão da vinhaça na indústria sucroalcooleira brasileira. Em termos experimentais, os resultados mostraram a habilidade do reator acidogênico para manter produções contínuas de biohidrogênio em longo prazo (240 dias), sendo a aplicação de estratégias operacionais específicas, p.ex. controle do pH e da concentração de biomassa no reator, imperativa para recuperação dos sistemas submetidos a perdas de desempenho. Na fase metanogênica, a aplicação de cargas orgânicas crescentes (até 30 kgDQO m-3 d-1) em um reator convencional de manta de lodo e um reator de leito fixo estruturado indicou um desempenho muito superior do sistema com células aderidas, especialmente em termos da estabilidade operacional em longo prazo (240 dias). Finalmente, com relação à avaliação tecnológica da biodigestão, demostrou-se a viabilidade do escalonamento dos sistemas anaeróbios com separação de fases para o tratamento da vinhaça nas biorrefinarias de cana-de-açúcar, independentemente do tipo de uso proposto para o hidrogênio: não recuperação, venda como produto de valor agregado, produção de biohythane ou injeção no reator metanogênico. Os resultados também apontaram o papel determinante da alcalinização dos sistemas para melhorar o desempenho econômico ambiental da biodigestão, podendo superar efeitos da redução dos custos de investimento em alguns casos. Em suma, espera-se que os resultados apresentados neste trabalho sirvam como referência aos tomadores de decisão da indústria sucroalcooleira, suprindo lacunas de informações e destacando a viabilidade da implantação da biodigestão como tecnologia central para o processamento da vinhaça nas biorrefinarias de cana-de-açúcar no Brasil. / The production of biofuels comprises an efficient alternative to overcome the economicenvironmental drawbacks inherent to the trade and use of fossil fuels. Ethanol is one of the main alternative biofuels, with sugarcane distilleries characterized as important examples of biorefineries, which, similarly to the oil industry, aim to obtain a spectrum of (bio)products and/or bioenergy from the vegetal biomass. Although the raw material is converted into ethanol, sugar and electricity in the current sugarcane biorefineries, a considerable fraction of the energy from sugarcane (as organic matter) is still wasted in vinasse. Potential negative impacts from fertirrigation, i.e., the direct application of vinasse into the agricultural soil, also comprise another relevant drawback of the current management of this wastewater in Brazil. Anaerobic biodigestion has great potential of application in the treatment of vinasse, aiming to reduce its polluting organic load concomitantly to the bioenergy recovery from biogas. Although this process enhances the energy extraction from sugarcane in the biorefinery, the reference literature still lacks on the definition of parameters that encourage the implementation of biodigestion in Brazilian distilleries. In this context, this study presents a holistic overview of the application of biodigestion in the treatment of sugarcane vinasse, defining operating conditions for an efficient and stable conversion of the organic matter into hydrogen and methane in two-phase (acidogenic + methanogenic) thermophilic systems (55ºC). Different scenarios for the production of bioenergy from biogas were also studied by using simulation tools, aiming to provide technical, economic and environmental aspects of the implementation of vinasse biodigestion plants in the Brazilian sucro-alcohol industry. In experimental terms, the results showed the ability of the acidogenic reactor to maintain a continuous long-term (240 days) biohydrogen production, characterizing the application of specific operating strategies, e.g. control of the pH and biomass concentration inside the reactor, as imperative for the recovery of systems subjected to performance losses. In the methanogenic phase, the application of increasing organic loadings (up to 30 kgCOD m-3 d-1) to a conventional sludge blanket reactor and a structured-bed reactor indicated a much superior performance of the adhered cell system, especially in terms of the long-term operating stability (240 days). Finally, regarding the technological assessment of the biodigestion, the feasibility of scaling-up anaerobic systems with phase separation to the treatment of vinasse in sugarcane biorefineries was demonstrated, regardless of the type of use proposed for hydrogen: non-recovery, sale as a value-added product, biohythane production or injection into the methanogenic reactor. The results also pointed out the determining role of the alkalinization of the systems to improve the economic-environmental performance of biodigestion, in order to overcome the effects of the reduction of investment costs in some cases. In short, it is expected that the results presented in this study will serve as reference to decision-makers in the sucro-alcohol industry, filling information gaps and highlighting the feasibility of implementing biodigestion.

O presente trabalho teve como objetivo avaliar a produção de H2 a partir de diferentes substratos orgânicos da indústria sucroalcooleira, como caldo, melaço e vinhaça da cana-de-açúcar, incluindo a sacarose como uma fonte de carbono sintética. Foram utilizados quatro reatores anaeróbios de leito fluidificado, sendo reator mesofílico caldo (RMC), reator mesofílico melaço (RMM), reator mesofílico sacarose (RMS) e reator mesofílico vinhaça (RMV) mantidos em condição mesofílica (30 ºC) e em concentrações iniciais no substrato de alimentação de 5 gDQO. L-1. O pH do reatores foi mantido entre 4 e 5, os tempos de detenção hidráulica (TDH) empregados foram de 8, 6, 4, 2 e 1 h e a inoculação foi através de um lodo proveniente de um abatedouro de aves, que sofreu tratamento térmico. Em RMC o rendimento de H2 (HY) máximo obtido foi de 1,2 mol H2. mol sacarose-1, ocorrido no TDH de 8 h. O reator (RMM) apresentou um melhor consumo de substrato atingindo um HY de 1,4 mol H2. mol sacarose-1, observado no TDH de 4 h. RMS apresentou o melhor HY em relação aos demais reatores atingindo 3,3 mol H2. mol sacarose-1 no TDH de 6 h. A melhor produção volumétrica de H2 (PVH) obtida foi observada no RMS, onde no TDH de 2 h o reator atingiu 11 L H2. L-1. D-1. RMV, que utilizou vinhaça que passou por tratamento físico-químico através da adição de óxido de cálcio, não apresentou produção de H2. Dentre os principais produtos metabólitos solúveis observados nos reatores durante a operação houve predominância nas concentrações de ácido acético, butírico, isobutírico, propiônico, e succínico, em RMM. No RMC observaram-se maiores concentrações de ácido acético, butírico, lático e propiônico. RMV apresentou predominância de ácido acético, succínico, propiônico e butírico. Em RMS as maiores concentrações foram de ácido propiônico, acético, isobutírico, butírico e etanol. / This study aimed to evaluate the production of H2 from different organic substrates sugar industry, like juice, molasses and vinasse from cane sugar, including sucrose as a source of synthetic carbon. four anaerobic fluidized bed were used, mesophilic broth reactor (RMC), mesophilic molasses reactor (RMM), reactor mesophilic sucrose RMS) and reactor mesophilic vinasse (RMV) maintained at mesophilic condition (30ºC) and at initial concentrations feed substrate 5 gCOD. L-1. The pH of the reactor was kept between 4 and 5, the hydraulic detention time (HDT) used were 8, 6, 4, 2 and 1 h and the inoculation through a sludge from a poultry slaughterhouse, which underwent heat treatment. In MRC H2 yield (HY) maximum obtained was 1.2 mol H2. mol sucrose-1, occurred in HRT of 8 h. The reactor (RMM) showed a better substrate consumption reaching a HY 1.4 mol H2. mol-1 sucrose, HDT observed in 4 h. RMS presented the best HY compared to other reactors reaching 3.3 mol H2. mol-1 sucrose in HRT of 6 h. The best volumetric H2 production (PVH) obtained was observed in the RMS where the TDH 2 h the reactor reached 11 L H2. L-1. D-1. RMV that used vinasse which has undergone physical-chemical treatment by adding calcium oxide, showed no H2 production. Among the main products soluble metabolites observed in the reactors during operation predominated in acetic acid concentrations, butyric, isobutyric, propionic, and succinic in RMM. In MRC were observed higher concentrations of acetic, butyric, lactic and propionic acid. RMV showed predominantly acetic, succinic, propionic and butyric acid. RMS higher concentrations were propionic acid, acetic, isobutyric, butyric acid and ethanol.

Nos últimos anos a produção e o uso de biocombustíveis têm aumentado de forma acelerada e têm sido considerados como uma das alternativas em relação ao uso de combustíveis fósseis. Esse rápido crescimento tem levantado muitas perguntas, ainda sem respostas, sobre o verdadeiro impacto dos biocombustíveis sobre o meio ambiente. O Brasil é considerado o maior produtor mundial de cana-de-açúcar e parte dessa produção é destinada à produção de etanol. Contudo, com a expansão e intensificação das áreas cultivadas com canade- açúcar, há um aumento no uso de fertilizantes nitrogenados e na geração de resíduos como vinhaça e torta de filtro. O uso destes resíduos como fonte de nutrientes tem sido adotado como forma de reduzir o uso de fertilizantes sintéticos e as emissões de gases do efeito estufa (GEE; N2O, CH4 e CO2). Assim, o objetivo deste trabalho foi estimar as emissões desses gases, a partir do solo durante o ciclo produtivo da cana-de-açúcar, na fase planta, com aplicação de compostos orgânicos (vinhaça e torta de filtro), além de fertilizante nitrogenado mineral (ureia). O experimento foi conduzido no Município de Jaú, São Paulo, em um plantio de cana da variedade IACSP95-5000, cultivada em um Latossolo Vermelho. As coletas tiveram inicio em maio de 2010 e se estenderam até março de 2011. Os fluxos foram medidos utilizando o método de câmaras estáticas. O delineamento deste experimento consistiu em seis tratamentos, distribuídos em quatro blocos (repetições) com cinco parcelas (tratamentos), com os tratamentos: (T1) adição de nitrogênio (N), fósforo (P) e potássio (K) via fertilizantes minerais; (T2) adição de P e K via fertilizantes minerais, sem N; (T3) adição de N e K minerais e P via torta de filtro; (T4) adição de N e P minerais e K via vinhaça; (T5) adição de N mineral, P via torta de filtro e K via vinhaça; e (T0) sem adição de compostos orgânicos e fertilizantes minerais. Logo após o plantio e a aplicação dos fertilizantes minerais e dos compostos orgânicos (vinhaça e torta de filtro), coletas intensivas foram realizadas nos dias 1, 2, 5, 6, 8, 12, 17, 20, 24, 28 e 32. Depois do período de amostragem intensiva, as coletas foram realizadas mensalmente. As emissões de N-N2O e C-CO2 mais elevadas foram encontradas durante o período intensivo de coletas, a partir dos tratamentos onde houve adição de fertilizante mineral associado aos compostos orgânicos. Os fluxos de C-CH4 foram negativos em sua maioria o que indica um consumo deste gás pelo solo. O uso de compostos orgânicos juntamente com fertilizantes minerais na área de estudo potencializou a emissão dos gases C-CO2 e N-N2O. O fator de emissão N2O para estes tratamentos está acima do estimado pelo IPCC (1%) / Recently, the production and use of biofuels have increased rapidly and have been considered as one of the alternatives in relation to the use of fossil fuels. This rapid increase has raised many questions about the real impact of biofuels on the environment. Brazil is considered the world\'s largest producer of sugar cane and part of this production is used to produce ethanol. However, with the expansion and intensification of areas cultivated with sugar cane, there is an increase in the use of nitrogen fertilizers and residues of the ethanol industry such as vinasse and filter cake. The use of such residues as a source of nutrients has been adopted as an alternative to reduce the use of mineral fertilizers and the greenhouse gas emissions (N2O, CH4 and CO2). The aim of this study was to estimate greenhouse gas emissions from the soil cultivates with sugar cane in plant stage with use of organic compounds (vinasse and filter cake), and mineral nitrogen as fertilizers (urea). The experiment was conducted in the city of Jau, Sao Paulo, in an Oxisol. The collections started in May 2010 and lasted until March 2011. Fluxes were measured using the static chambers method. The design of this experiment consisted of six treatments in four blocks (replicates) with five plots per block (treatments), as follows: (T1) addition of nitrogen (N), phosphorus (P) and potassium (K) via mineral fertilizers; (T2) addition of P and K via mineral fertilizers, and no N; (T3) addition of mineral N and P, and K via filter cake; (T4) addition of mineral N and P, and K via vinasse, (T5) addition of mineral N, P and K, and filter cake and vinasse, and (T0) without any addition. Intensive collections were made immediately after planting and application of the mineral fertilizers and organic compounds in the days 1, 2, 5, 6, 8, 12, 17, 20, 24, 28 and 32. After the period of intensive sampling, samples were collected monthly. Elevated emissions of N2O-N and CO2-C were observed during the period of intensive sampling, from the treatments where the mineral fertilizers associated with organic compounds were applied. CH4-C fluxes were mostly negative indicating a consumption of this gas by the soil. The use of organic compounds associated with mineral fertilizers in this study increased the emission of CO2-C and N2O-N. The N2O-N emission factor for these treatments is higher than estimated by the IPCC (1%)

Com o propósito de explorar o potencial de geração de metano a partir de vinhaça de cana-de-açúcar e propor procedimentos de controle do processo anaeróbio, foi utilizado um reator UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) em escala piloto, equipado de separador gás-sólido-líquido modificado e sem recirculação de efluente. A unidade foi inoculada com lodo granular e utilizou-se substrato concentrado (DQO de 20 g.L-1) para sua alimentação. O reator foi submetido a cargas orgânicas volumétricas (COV) de 0,7 a 7 KgDQO.m-3.d-1, durante 300 dias de operação. O procedimento operacional baseou-se no aumento de carga por escalonamento da vazão de alimentação em função da manutenção de variação inferior a 10% para a eficiência do sistema. Para o tamponamento da vinhaça de alimentação, no início da operação utilizou-se 1g NaHCO3.g-1DQOafluente, com redução gradativa até 0,125g NaHCO3.g-1DQOafluente. O monitoramento do desempenho do processo anaeróbio se deu pela avaliação dos parâmetros: eficiência de remoção de DQO, pH, alcalinidade, ácidos voláteis, razão alcalinidade intermediária/alcalinidade parcial, razão Prop:Ac, vazão de metano e porcentagem de metano no biogás. O reator UASB apresentou valor médio de eficiência de remoção de DQO de 92±4,4%, para cargas aplicadas entre 0,7 e 4,8 KgDQO.m-3.d-1. A maior produção média de metano observada durante o período operacional foi 5 m3CH4.m-3 de vinhaça aplicada para cargas orgânicas entre 4,1 e 5,6 KgDQO.m-3.d-1. A produção de biogás apresentou valor médio de metano de 70±7% para 1 a 5,6 Kg DQO.m-3.d-1. A operação do reator com cargas aplicadas acima de 5,6 KgDQO.m-3.d-1 gerou menor produção de biogás, redução na porcentagem de metano e aumento da carga de ácidos voláteis efluente, assim como queda na eficiência de remoção de DQO. Devido ao acréscimo de carga (0-2 para 4-6 KgDQO.m-3.d-1), a variação da concentração para cada tipo de ácido foi: acético (56±70 para 216±121 mg.L-1), propiônico (26±28 para 165±150 mg.L-1) e butírico (4±7 para 60±18 mg.L-1). Notou-se que a relação entre as concentrações de ácido propiônico e ácido acético (razão Prop:Ac) pode ser utilizada como parâmetro de monitoramento da estabilidade do reator. A elevação de COV de 3,9 a 6,4 KgDQO.m-3.d-1acarretou alteração na razão Prop:Ac de 0,8 a 1,75, corroborando descontroles do processo anaeróbio associado à queda de eficiência na geração de metano. / In order to explore the potential of methane generation from sugarcane vinasse and propose procedures for the anaerobic process control, was utilized a pilot scale UASB reactor (Upflow Anaerobic Sludge Blanket), equipped with modified gas-solid-liquid separator and without recirculation of effluent. The unit was inoculated with granular sludge and concentrated substrate was used (COD 20 g.L-1) for feeding. The reactor was submitted to volumetric organic load (VOL) from 0.7 to 7 KgCOD.m-3.d-1, during 300 days of operation. The reactor operation was based on the increase of load by staggering the feed flow in function of the maintenance of variation lower than 10% for the system efficiency. For buffering the feedings vinasse was used 1g NaHCO3.g-1CODinfluent at the beginning of the operation, with gradual reduction to the value of 0.125 g NaHCO3.g-1CODinfluent. The monitoring of the anaerobic process performance was due to the evaluation of the following parameters: efficiency of COD removal pH, alkalinity, intermediate alkalinity/partial alkalinity ratio; Prop:Ac ratio, methane flow and percentage of methane in the biogas. The UASB reactor demonstrated a COD average removal efficiency of 92±4.4%, to applied loads between 0.7 and 4.8 KgCOD.m-3.d-1. The highest average methane production observed during the operational period was 5 m3CH4.m-3 of vinasse applied for organic loads between 4.1 and 5.6 KgCOD.m-3.d-1. The biogás production demonstrated a methane average of 70±7% for 1 to 5.6 KgCOD.m-3.d-1. The reactor operation with loads up to 5.6 KgCOD.m-3.d-1 caused lower production of biogas, reduction in the percentage of methane and increase for effluent volatile acids load, as well as decrease of COD removal efficiency. Due to the additional load (0-2 to 4-6 KgCOD.m-3.d-1), the change in concentration for each type of acid was: acetic acid (56±70 to 216±121 mg.L-1), propionic acid (26±28 to 165±150 mg.L-1) and butyric acid (4±7 to 60 ± 18 mg.L-1). It was noted that the relationship between the concentrations of propionic acid and acetic acid (ratio Prop:Ac) may be used as a monitoring parameter of the reactor stability. The increase in VOL of 3.9 to 6.4 KgCOD.m-3.d-1 caused change in the Prop:Ac ratio of 0.8 to 1.75, confirming the upsets on the anaerobic process associated with efficiency drop in methane generation.

No presente trabalho foi avaliado o potencial do reator anaeróbio de leito fixo-estruturado e fluxo descendente (down-flow fixed strucutured bed reactor – DFSBR) para o tratamento de drenagens ácidas de minas (DAM) com vistas à recuperação de metais. Vinhaça de cana-de-açúcar foi utilizada como doador de elétrons para bactérias redutoras de sulfato (BRS) e ferro (Fe2+) foi adicionado como metal de referência. Em associação com a sulfetogênese, produção de metano foi promovida pela relação DQO/SO42- de 2,0, maior que a relação estequiométrica de oxidação da matéria orgânica via redução de SO42- (0,67). Concentrações afluentes de DQO e SO42- da ordem de 4000 mg.L-1 e 2000 mg.L-1, respectivamente, foram mantidas durante todo o período experimental (547 dias), sendo o reator operado com TDH de 20 h. Durante a ETAPA 1 (277 dias) o DFSBR foi alimentado com substrato sintético simulando a fração solúvel da vinhaça e recebeu cargas crescentes de ferro (0,07 a 0,51 g Fe2+.L-1.d-1) para avaliação do potencial de remoção de metais. Foram obtidas eficiências de remoção de DQO e SO42- de 94±2% e 97±3%, respectivamente. Remoção de ferro de 95±5% foi alcançada, assim como proporções crescentes de ferro (de até 55%) nas cinzas do precipitado. Ao longo da ETAPA 2 (100 dias) vinhaça foi utilizada como único doador de elétrons e diferentes razões de recirculação foram estudadas (0, 50, 100 e 150 vezes), com velocidades superficiais do escoamento variando de 0,03 a 5,20 m.h-1. A eficiência de remoção de DQO de 82±6% foi atribuída à presença de compostos recalcitrantes na vinhaça, ao passo que a remoção de SO42- permaneceu próxima da alcançada na ETAPA 1 (95±5%). Uma produção volumétrica de metano da ordem de 390 mL CH4.L-1.d-1 foi obtida (CNTP). A despeito da variação nas taxas de reciclo, maior estabilidade e eficiência de remoção de ferro (96±3%) foram determinadas na ausência de recirculação, com ganhos econômicos para o processo. Durante a ETAPA 3 (170 dias) a diminuição gradativa do pH afluente de 6,30 para 3,50 foi realizada. Apesar da supressão de alcalinidade, o sistema atingiu eficiências de remoção de SO42- de 97±1% e remoção de ferro de 95±4%. Foram observados efeitos adversos sobre o metabolismo metanogênico, com queda na produção de metano de 380 para 230 mL CH4.L-1.d-1, acompanhada por aumento da DQO residual no efluente (1500 mg DQO.L-1). Ainda assim, o DSFBR foi capaz de elevar o pH da água residuária de 3,5 para 6,9, confirmando o potencial do sistema para a neutralização de DAM. A caracterização da comunidade microbiana por análise do sequenciamento do gene RNAr 16S indicou predominância dos gêneros Desulfovibrio e Methanosaeta, comprovando o estabelecimento simultâneo dos processos sulfetogênicos e metanogênicos. Por fim, os resultados apontaram perspectivas promissoras de aplicação do DFSBR ao tratamento de DAM via redução de SO42- favorecendo a precipitação e separação de metais em reator de único estágio. A vinhaça de cana-de-açúcar também se mostrou um adequado doador de elétrons para o processo. / This work evaluated the potential of the down-flow fixed-structured bed anaerobic reactor (DFSBR) for the treatment of acid mine drainage (AMD) aiming at metals recovery. Sugarcane vinasse was used as electron donor for sulfate-reducing bacteria (BRS) and iron (Fe2+) was added as reference metal. In association with sulfidogenesis, methane production was promoted by the applied COD/SO42- ratio of 2.0, which is higher than the stoichiometric ratio for organic matter oxidation solely by SO42- reduction (0.67). Affluent concentrations of COD and SO42- were kept close to 4000 mg.L-1 and 2000 mg.L-1, respectively, over the entire experimental time (547 days). The reactor was operated with HRT of 20 h. During STAGE 1 (277 days) the DFSBR was fed with synthetic substrate simulating the soluble fraction of vinasse and received increasing iron loads (0.07 to 0.51 g Fe2+.L-1.d-1) to verify the potential for metal removal. COD and SO42- removal efficiencies were 94±2% and 97±3%, respectively. Iron removal of 95±5% was achieved, as well as increasing proportions of iron (up to 55%) were observed in the ashes of precipitate. Throughout STAGE 2 (100 days) sugarcane vinasse was used as unique electron donor whereas different recirculation ratios were studied (0, 50, 100 and 150 times), with superficial flow velocities ranging from 0.03 to 5.20 m-1. COD removal efficiency of 82±6% was attributed to the presence of recalcitrant compounds in the vinasse, while the removal of SO42- remained close to that previously achieved during STAGE 1 (95±5%). Volumetric methane production near of 390 mL CH4.L-1.d-1 was obtained (STP). Although the variation in the recycle rates, greater stability and efficiency of iron removal (96±3%) were determined in the absence of recirculation, with economic gains for the process. During the STAGE 3 (170 days) gradual decrease of the pH affluent from 6.30 to 3.50 was performed. Despite the alkalinity suppression, the system achieved SO42- removal efficiencies of 97±1% and iron removal close to 95±4%. Adverse effects over methanogenic metabolism were observed once methane production decreased from 380 to 230 mL CH4.L-1.d-1, which was followed by a residual COD increase in the effluent (1500 mg COD.L-1). Nevertheless, the DSFBR was able to raise the pH of the wastewater from 3.5 to 6.9, indicating the potential of such system for AMD neutralization. 16S rRNA gene sequencing analysis for microbial community characterization showed predominance of the genera Desulfovibrio and Methanosaeta, confirming the simultaneous establishment of sulfidogenic and methanogenic processes. Finally, the results presented promising perspectives for the DFSBR application to the AMD treatment via SO42- reduction, also favoring metals precipitation and separation in a single-stage reactor. Sugarcane vinasse was also considered a suitable electron donor for the process.

O objetivo deste trabalho foi estudar a aplicação de reator anaeróbio serial (RAS) no processamento de vinhaça de cana-de-açúcar para a remoção de matéria orgânica e produção de biogás, submetido ao aumento gradativo de carregamento orgânico. Para tanto, foi utilizado um reator composto por quatro câmaras em série denominadas C1, C2, C3 e C4, com capacidade de 5 L cada, totalizando um volume de 20 L. A primeira etapa do trabalho (Etapa 1) consistiu na operação e monitoramento do reator RAS partindo-se da aplicação da carga orgânica volumétrica (COV) de 0,5 kg DQO m-3.d-1 até a obtenção da COV de 2,5 kg DQO m-3.d-1. Na segunda etapa (Etapa 2) foram operados reatores em batelada sequencial, simulando a operação contínua do reator RAS, visando estudar o efeito do aumento de taxas de carregamento orgânico aplicado. O reator RAS operou sob baixos valores de COVglobal e COALglobal aplicados na Etapa 1, obtendo-se máximas de 2,50 kg DQO m-3.d-1 e 0,167 kg STV m-3.d-1, respectivamente. Os resultados obtidos da Etapa 1 indicam satisfatória remoção global média de matéria orgânica na forma de DQO, superiores a 90 %, propiciada pela adaptação da biomassa ao longo dos reatores sequenciais. O metano apresentou-se como o gás predominante na composição do biogás produzido, com valores acima de 75 %, que confirmam o estabelecimento do sistema metanogênico pleno. Em todos os compartimentos dos reatores sequenciais verificou-se maior abundância relativa para os domínios Archaea e Bacteria os gêneros Methanosaeta, produtores de metano e, T78, responsável pela degradação de açúcares, respectivamente. Principalmente para os reatores C3 e C4, observou-se adaptação de algumas populações para ambos os domínios Bacteria e Archaea indicado pelo menor índice de diversidade e aumento da dominância. O aumento das taxas de carregamento orgânico aplicado ao lodo, estipuladas nos ensaios em batelada na Etapa 2, propiciou o aumento dos valores de carga orgânica aplicada para todos os reatores. Com o aumento do carregamento orgânico aplicado, observa-se o aumento e acúmulo de ácidos orgânicos para todas as fases dos ensaios, principalmente o acético. A produção de metano foi significativa na operação dos reatores em batelada, principalmente em C1. De forma geral, os resultados obtidos demonstraram o bom desempenho do processamento da vinhaça de cana-de açúcar em reator compartimentado tipo RAS para a remoção de matéria orgânica e produção de biogás. / The aim of this study was to investigate the application of an anaerobic serial reactor (ASR) in the sugarcane stillage processing for the removal of organic matter and biogas production, submitted to the gradual increase in organic loading rate. ASR reactor consisted of four reactors operated in series (C1, C2, C3 and C4), each with a reaction volume of 5 L (total volume of 20 L). The first step (Step 1) consisted of reactor operation and monitoring; organic loading rate was gradually increased from 0.5 kg COD m-3d-1 up to 2.5 kg COD m-3 d-1. In the second step (Step 2), sequential batch reactors were operated, simulating the continuous ASR reactor operation, aiming to study the effect of the increase of organic load applied to sludge (OLS). The ASR reactor operated under low values of COVglobal and COALglobal applied in Step 1, obtaining a maximum 2.50 kg COD m-3d-1 and 0.167 kg TVS/m-3d-1, respectively. The results obtained from Step 1 indicated satisfactory removal of the global average organic matter in the form of COD more than 90 %, caused by adaptation of the biomass along the sequential reactors. Methane appeared to be the predominant gas in biogas composition, with values above 75%, which confirmed the establishment of the full methanogenic system. In all compartments of the sequential reactors, there was a higher relative abundance for the domains Archaea and Bacteria of the genera Methanosaeta, methane producers, and T78, which is responsible for degradation of sugars, respectively. Especially for the reactors C3 and C4, the adaptation of some populations for both domains Bacteria and Archaea indicated was observed by the lower diversity index and increase in dominance. The increase of the organic loading rates applied to the sludge, as established in the batch tests, increased the organic load values applied to all reactors. With the increase of organic loading applied, an increase in the accumulation of organic acids, mainly acetic, for all stages and the batch tests. Methane production was significant in the operation of batch reactors, mainly in the C1. In general, the results obtained showed good performance of the processing of the sugarcane stillage in serial reactor (ASR) for the removal of organic matter and biogas production.