Codigestão anaeróbia da vinhaça com resíduos orgânicos : avaliação dos parâmetros operacionais e produtos finais de uma usina de biogás

Abstract

Resumo: O crescimento econômico e o processo de industrialização vêm contribuindo para o aumento da geração de resíduos sólidos e problemas relacionados à disposição final ambientalmente adequada. A Política Nacional de Resíduos Sólidos indica o tratamento como alternativa para melhorar a eficiência quanto ao gerenciamento dos resíduos sólidos no país, como uma de suas prioridades e enfatiza o incentivo à recuperação e ao aproveitamento energético. A biodigestão anaeróbia tem sido apontada como uma abordagem promissora ao tratamento de resíduos industriais e agroindustriais, sobretudo por representar oportunidade de reduzir a poluição ambiental e minimizar os impactos da crise energética. Assim, o objetivo deste trabalho foi analisar os processos operacionais de produção de biogás em uma usina de biogás em escala real a partir de testes em batelada e em regime semicontínuo. Os resíduos agroindustriais são resíduos passíveis de degradação biológica e que se caracterizam devido sua grande geração e gerados em grande quantidade, portanto, são avaliados como potenciais resíduos na produção de biogás em escala industrial. Em uma análise qualitativa para o uso de todos os resíduos gerados no país, a capacidade de geração de energia a partir do biogás poderia ser responsável pelo suprimento de 32% da demanda de energia do país, a partir de 3.015 módulos industriais. Para avaliação dos processos fermentativos, foram verificados o potencial de diferentes matérias-primas, bem como seu efeito sinérgico do processo de codigestão a partir do balanço nutricional de macronutrientes e também possíveis causas de inibição do processo. A partir da codigestão dos resíduos, observou-se que o balanço nutricional de carboidratos, proteínas e lipídeos forneceu mistura equilibrada para uma produção de biogás. Possíveis causas de inibição do processo como o acréscimo de amônia livre foram investigadas em biorreatores em escala real. Os dados demonstram que o efeito do nitrogênio não se manifesta imediatamente no sistema devido ao processo de formação de amônia. A análise demonstrou que quando o nitrogênio amoniacal passava do limite de 1.500 mg/L ocorria queda na eficiência de geração de biogás. Também foi constatado que o fato da diminuição expressiva da concentração de nitrogênio amoniacal no sistema promove a melhoria na eficiência de conversão dos biorreatores. Outro fator observado foi a formação de espuma que resulta na recuperação ineficiente de gás dos biorreatores, criando custos adicionais para a produção de eletricidade. Por fim, foram avaliados os biofertilizantes líquidos e sólidos de saída do processo. Foram analisados os biofertilizantes ao longo do tempo e também em relação aos substratos de entrada vinhaça e torta. Observou-se que não existe perda nutricional em relação ao produto final, também se verificou diminuição da carga orgânica, o que beneficia a aplicação no solo sem causar danos ambientais. Também foram avaliados os efeitos dos substratos adicionados na alimentação dos biorreatores em escala em relação a saída do processo. Observou-se que as características dos resíduos influenciam diretamente na qualidade dos biofertilizantes.

Abstract: Economic growth and the industrialization process have contributed to the increase in the generation of solid waste and problems related to the environmentally appropriate final disposal. The National Solid Waste Policy indicates treatment as an alternative to improve efficiency in the management of solid waste in the country, as one of its priorities and emphasizes the incentive to recover and use energy. Anaerobic biodigestion has been identified as a promising approach to the treatment of industrial and agro-industrial waste, mainly because it represents an opportunity to reduce environmental pollution and minimize the impacts of the energy crisis. Thus, the objective of this work was to analyze the operational processes of biogas production in a biogas plant in full scale using batch and semi-continuous tests. Agro-industrial residues are residues liable to biological degradation and which are characterized due to their large generation and generated in large quantities, therefore, they are evaluated as potential residues in the production of biogas on an industrial scale. In a qualitative analysis for the use of all waste generated in the country, the capacity to generate energy from biogas could be responsible for supplying 32% of the country's energy demand, from 3,015 industrial modules. To evaluate the fermentative processes, the potential of different raw materials was verified, as well as their synergistic effect of the codigestion process from the nutritional balance of macronutrients and also possible causes of inhibition of the process. From the codigestion of residues, it was observed that the nutritional balance of carbohydrates, proteins and lipids provided a balanced mixture for biogas production. Possible causes of inhibition of the process, such as the addition of free ammonia, were investigated in full scale bioreactors. The data demonstrate that the effect of nitrogen does not manifest immediately in the system due to the process of ammonia formation. The analysis showed that when ammoniacal nitrogen exceeded the limit of 1,500 mg / L, there was a drop in the efficiency of biogas generation. It was also found that the fact of the significant decrease in the concentration of ammoniacal nitrogen in the system promotes an improvement in the conversion efficiency of the bioreactors. Another factor observed was the formation of foam that results in the inefficient recovery of gas from the bioreactors, creating additional costs for the production of electricity. Finally, liquid and solid biofertilizers from the process were evaluated. Biofertilizers were analyzed over time and also in relation to vinasse and pie input substrates. It was observed that there is no nutritional loss in relation to the final product, there was also a decrease in the organic load, which benefits the application to the soil without causing environmental damage. The effects of the substrates added in the feeding of the bioreactors at scale in relation to the process output were also evaluated. It was observed that the characteristics of the residues directly influence the quality of biofertilizers.