Avaliação da produção de biogás por meio da codigestão anaeróbia de resíduo ruminal bovino e bagaço de malte

Abstract

RESUMO: Dada a perspectiva global inerente ao aumento da industrialização, a geração de resíduos sólidos associada a destinação final ambientalmente inadequada, tem causado impactos ambientais significativos. Neste cenário, o aproveitamento de resíduos industriais tem impulsionado pesquisas para a produção de biogás por meio da digestão anaeróbia (DA), corroborando com as expectativas de produção de energia renovável globalmente. Os processos de codigestão anaeróbia (coDA), têm sido uma alternativa a monodigestão (monoDA), pois dois ou mais substratos são digeridos simultaneamente proporcionando um balanço nutricional mais consistente para manutenção da estabilidade no processo de DA. Assim, o objetivo deste estudo foi avaliar os efeitos sinérgicos da adição de bagaço de malte (BDM) na coDA com resíduo ruminal bovino (RRB) em ensaios de potencial bioquímico de metano (BMP) e em biorreator semicontínuo em escala piloto. O estudo foi realizado em três etapas experimentais. Na Etapa Experimental I, três diferentes fontes de inóculo (água residuária de suinocultura, lodo de esgoto e dejeto suíno digerido) foram aclimatadas aos substratos RRB e BDM em biorreator em escala piloto para formação de inóculo mesofílico para aplicação nos ensaios de BMP. Na Etapa experimental II, foram realizados três ensaios de BMP (I, II e III), para avaliar o efeito da aplicação de diferentes relações inóculo/substrato (RIS) (BMP I RIS 4, 3, 2 e 1, e BMP II e III RIS 4, 2 e 1) na mono e coDA entre RRB e BDM na produção de biogás e metano. A codigestão foi realizada nos ensaios de BMP II e III, em diferentes proporções de mistura com base nos sólidos totais voláteis (STV). Além disso, também foram estimados o BMP teórico da monodigestão, a biodegradabilidade dos substratos, o índice de desempenho, o perfil de desejabilidade da codigestão e o potencial energético. No ensaio de BMP II, cinco modelos cinéticos foram avaliados e comparados para monoDA e coDA. Na Etapa Experimental III, a melhor condição alcançada nos ensaios de BMP foi aplicada em biorreator semicontínuo em escala piloto com aumento gradativo de carga orgânica volumétrica (COV) de 0,5 até 2,5 gSTV L-1 d-1 e tempo de retenção hidráulica (TRH) de 30 dias. O inóculo mesofílico aplicado nos ensaios de BMP mostrou-se adequado aos parâmetros de desempenho e válido para uso em ensaios de BMP. Nos ensaios de BMP, aumento no rendimento de metano foi diretamente proporcional ao aumento da RIS e do aumento do BDM na mistura com RRB. O aumento da concentração de BDM de 25% para 75% na coDA e RIS 4, resultou em um aumento de quase duas vezes no rendimento de metano no BMP II, de 149,62 para 264,08 mLN CH4 gSTV-1. Não foram observados efeitos sinérgicos ou antagônicos substanciais para a coDA dos substratos. Entretanto, a mistura ótima de 25% RRB com 75% BDM (%STV) foi obtida pelo teste de desejabilidade. O modelo de Cone ajustou-se melhor aos dados experimentais quanto aos parâmetros estatísticos para todas as condições estudadas. Os parâmetros de controle operacional estiveram dentro dos limites considerados adequados para o bom desempenho operacional de sistemas anaeróbios. A presença dos diferentes gêneros de bactérias e de arqueas metanogênicas, como as do gênero Methanosaeta, indicaram que o inóculo contém microrganismos comuns à DA e que atuando na produção de metano. No processo de operacionalização do biorreator semicontínuo, os resultamos mais satisfatórios alcançados foram na aplicação da COV 1,5 gSTV L-1 d-1, sendo obtido produção média diária de biogás e metano de 20,12 LN d-1 e 11,73 LN CH4 d-1, respectivamente, concentração de metano de 58,33%, e produção específica de biogás e metano de 243,91 LN kgSTV-1 e 142,16 LN CH4 kgSTV-1, respectivamente. As mudanças na composição microbiana foram induzidas pelo aumento da COV, tanto para o grupo de bactérias quanto de arqueas metanogênicas. Por fim, o processo de codigestão estudado demonstrou ser uma aplicação promissora para otimizar a produção de biogás e metano

ABSTRACT: Given the global perspective inherent to increased industrialization, the generation of solid waste associated with environmentally inadequate final disposal has caused significant environmental impacts. In this scenario, the use of industrial waste has boosted research into the production of biogas through anaerobic digestion (AD), corroborating expectations for the production of renewable energy globally. Anaerobic codigestion (AcoD) processes have been an alternative to monodigestion, as two or more substrates are digested simultaneously, providing a more consistent nutritional balance to maintain stability in the AD process. Thus, the objective of this study was to evaluate the synergistic effects of adding brewery spent grain (BSG) to AcoD with bovine rumen waste (BRW) in biochemical methane potential (BMP) assays and in a pilot-scale semi-continuous bioreactor. The study was carried out in three experimental stages. In Experimental Stage I, three different sources of inoculum (swine wastewater, sewage sludge, and digested swine manure) were acclimated to BRW and BSG substrates in a pilot-scale bioreactor to form mesophilic inoculum for application in BMP assay. In Experimental Stage II, three BMP assay (I, II, and III) were carried out to evaluate the effect of applying different inoculum to substrate ratios (ISR) (BMP I ISR 4, 3, 2, and 1, BMP II and III ISR 4, 2, and 1) in monodigestion and AcoD between BRW and BSG in the production of biogas and methane. Codigestion was performed in BMP II and III, in different mixture proportions based on total volatile solids (TVS). Furthermore, the theoretical BMP of monodigestion, the biodegradability of the substrates, the performance index, the co-digestion desirability profile and the energy potential were also estimated. In the BMP II assay, five kinetic models were evaluated and compared for mono and AcoD. In Experimental Stage III, the best condition achieved in the BMP tests was applied in a pilot-scale semi-continuous bioreactor with a gradual increase in volumetric organic load (VOC) from 0.5 to 2.5 gTVS L-1 d-1 and retention time hydraulic (RTH) of 30 days. The mesophilic inoculum applied in the BMP assays proved to be adequate to the performance parameters and valid for use in BMP. In the BMP assay, the increase in methane yield was directly proportional to the increase in ISR and the increase in BSG in the mixture with BRW. Increasing the BSG concentration from 25% to 75% in AcoD and ISR 4 resulted in an almost two-fold increase in methane yield in BMP II, from 149.62 to 264.08 NmLCH4 gTVS-1. No substantial synergistic or antagonistic effects were observed for the AcoD of the substrates. However, the optimal mixture of 25% BRW with 75% BSG (%TVS) was obtained by desirability testing. The Cone model fitted the experimental data better in terms of statistical parameters for all conditions studied. The operational control parameters were within the limits considered adequate for the good operational performance of anaerobic systems. The presence of different genera of Bacteria and methanogenic Archaea, such as those of the genus Methanosaeta, indicated that the inoculum contains microorganisms common to AD and that act in the production of methane. In the process of operationalizing the semi-continuous bioreactor, the most satisfactory results achieved were in the application of VOC 1.5 gTVS L-1 d-1, obtaining an average daily production of biogas and methane of 20.12 NL d-1 and 11.73 NLCH4 d-1, respectively, methane concentration of 58.33%, and specific biogas and methane production of 243.91 NL kgTVS-1 and 142.16 NLCH4 kgTVS-1, respectively. The changes in microbial composition were induced by the increase in VOC, both for the group of bacteria and methanogenic Archaea. Finally, the studied co-digestion process proved to be a promising application to optimize the production of biogas and methane