Efeitos do cobre e zinco no tratamento da água residuária da suinocultura em lagoas de alta taxa e valorização energética da biomassa via carbonização hidrotérmica

Abstract

Nesse estudo foram avaliadas otimizações no processo integrado de cultivo de microalgas na água residuária da suinocultura (ARS) e conversão da biomassa em hidrochar. Para tanto, lagoas de alta taxa (LAT) em escala piloto foram alimentas com ARS com diferentes teores dos micronutrientes Cu e Zn considerando misturas desses elementos e também concentrações individuais. Para as misturas (0,1 - 3,0 mg Cu/L + 0,5 - 25,0 mg Zn/L), o maior número de células de microalgas foi estabelecido em 1,8 mg Cu/L + 15,0 mg Zn/L. Quando os teores individuais de Cu (0,1 - 4,0 mg Cu/L) ou Zn (0,5 – 70,0 mg Zn/L) foram variados, a condição mais propícia para o desenvolvimento algal foi obtido em 1,0 mg Cu/L e 40 mg Zn/L. Em todos os testes realizados ficou evidente que o Cu e o Zn comprometeram a remoção de nitrogênio amoniacal enquanto a redução de fósforo solúvel foi potencializada com a adequação desses micronutrientes. A remoção de Cu na ARS tratada em LAT variou de 46 a 91% com a precipitação sendo o processo predominante, já a remoção de Zn alcançou 78 a 99% no qual a adsorção pela biomassa foi um importante mecanismo. Ao analisar a constituição bioquímica das biomassas cultivadas em diferentes teores de Cu e Zn verificou-se que o conteúdo de lipídeos neutros (> 6%) é pouco atrativo para a obtenção de biodisel. Já os carboidratos atingiram 58,8% na biomassa seca livre de cinzas, com potencial para a conversão em hidrochar por meio da carbonização hidrotérmica (CHT). As cinzas também apresentaram concentrações expressivas (35 - 55%) sendo necessário identificar as interferências desse constituinte no processo de CHT. Para essa avaliação, quatro biomassas foram selecionadas e cada uma foi dividida em duas frações. Uma fração foi submetida ao pré-tratamento com solução ácida para redução de cinzas enquanto a outra permaneceu com o conteúdo de cinzas original. Ambas as frações foram utilizadas na CHT. Os resultados demostraram que o pré-tratamento favoreceu a recuperação de energia nos hidrochars a qual alcançou até 73,5%. Porém, as cinzas podem apresentar constituintes que atuam na hidrólise da biomassa ou como catalisadores. Assim, as cinzas possuem efeitos indesejáveis e favoráveis na CHT e os hidrochars produzidos com e sem a redução desse constituinte são indicados para aplicações energéticas e recuperação de áreas degradadas respectivamente. Palavras-chave: Bioremediação. Recuperação de nutrientes. Bioenergia.

Optimizations in the integrated process of microalgae cultivation in swine wastewater (SW) and subsequent biomass conversion into hydrochar were evaluated. For this purpose, pilot-scale high-rate algae ponds were fed with SW with different Cu and Zn contents considering mixtures of these elements and individual concentrations. For the mixtures (0.1 - 3.0 mgCu/L + 0.5 - 25.0 mgZn/L), algal growth was favored at a dose of 1.8 mgCu/L + 15.0 mgZn/L. When only Cu concentration was tested (0.1 - 4.0 mgCu/L) the most favorable condition was obtained at 1.0 mgCu/L. Meanwhile, for different Zn contents (0.5 - 70.0 mgZn/L), a stimulatory effect on algal growth was observed in the 40.0 and 55.0 mg Zn/L treatments. Cu and Zn compromised the removal of ammonia nitrogen while soluble phosphorus removal was enhanced in all tests performed. In Cu removal (46 - 91%), precipitation was predominant, while in Zn removal (78 - 99%), adsorption by biomass was an important mechanism. When analyzing the biochemical constitution of biomass grown in different levels of Cu and Zn it was found that the content of neutral lipids (> 6%) is unattractive for obtaining biodiesel. The carbohydrates reached 58.8% in ash-free dry biomass, with potential for conversion into hydrochar by hydrothermal carbonization (HTC). The ash also showed significant concentrations (35 - 55%) being necessary to identify the interference of this constituent in the HTC process. For this evaluation, four biomasses were selected and each one was divided into two fractions. One fraction was submitted to pre-treatment with acid solution for ash reduction while the other remained with the original ash content. Both fractions were used in the HTC. The results demonstrated that pre-treatment favors energy recovery in hydrochars, which reached up to 73.5%. However, the ash may present constituents that act in the hydrolysis of biomass or as catalysts. Thus, the ash can present undesirable and favorable effects in HTC and the the hydrochars produced with and without the reduction of this constituent are indicated for energy applications and recovery of degraded areas, respectively. Keywords: Bioremediation. Nutrient recovery. Bioenergy.