Estudo da co-digestão anaeróbia de biomassa vegetal e dejeto bovino: avaliação da produção de biogás e do cultivo de microalgas no digestato

Abstract

O propósito desta tese foi investigar o processo de co-digestão anaeróbia como biotecnologia para valorização de resíduos agropecuários, em especial o efluente de bovinocultura leiteira e a biomassa vegetal proveniente do caldo do capim-elefante (CCe) e Arundo donax L. O trabalho iniciou-se com uma investigação do potencial energético do caldo de capim-elefante para a produção de biogás. Foram avaliados seis genótipos de capim-elefante, em termos de produtividade de caldo e valor energético. O rendimento de caldo das variedades de capim-elefante variou de 66,7 a 189,1 mL kg-1. O valor de energia bruta do bagaço dos genótipos estudados variou entre 4041,14 e 4304,06 kcal kg -1. O caldo extraído foi considerado um subproduto da biomassa com alto valor energético remanescente, com valores de energia bruta entre 293,14 e 409,99 cal kg-1, e com potencial para ser utilizado como substrato no processo de co-digestão anaeróbia. Em seguida, a produção de biogás a partir da co-digestão do caldo do capim-elefante e águas residuárias de bovinocultura leiteira (ARBL) foi investigada. Primeiramente, foram feitos ensaios em batelada em diferentes condições de temperatura e valores de razão entre os co-subtratos para o bom desempenho dos reatores. A produção cumulativa máxima de biogás e metano foi registrada na temperatura mesófila na proporção de 20 CCe: 80 ARBL, com o rendimento de biogás de 414,11 mL e de metano de 80,64 mL CH 4 g-1 SV. Foram construídos modelos de regressão para se estimar a produção de biogás. A transposição do melhor resultado entre os experimentos em batelada foi testada no reator modelo UASB de 7,8 L com diferentes tempos de retenção de 10, 6, 2 dias e 24 horas. A produção de biogás variou de 0,78 a 2,28 m 3 m-3 d-1 com concentrações médias de CH4 de 63 a 72% %. Por fim, no último capítulo, foi proposto o tratamento mediado por microalgas do digestato da co-digestão anaeróbia de biomassa de Arundo donax L. e ARBL, com cultivo da microalga Tetradesmus obliquus em fotobiorreatores. A produção de biogás alcançou valores de 50,20 a 94,69 mL g-1 SV. O modelo cinético primeira ordem com dependência de tempo modificado (FOMT) proporcionou melhor ajuste para produção de biogás. O processo mediado por microalgas foi promissor para biorremediação, por meio do potencial da biomassa de microalgas para a produção de bioprodutos. A composição macromolecular da biomassa algal alcançou os valores de teor de lipídios de 33,4 a 42,7%. A co- digestão anaeróbia de dejetos animais com resíduos lignocelulósicos oferece uma rota promissora para a produção eficiente de biogás. Sistemas de microalgas podem ser favoráveis para o tratamento ambientalmente eficiente de águas residuárias, além da produção de bioprodutos por meio da biomassa algal. Palavras-chave: Biodigestão anaeróbia; Cenchrus purpureus Schumach; Bioenergia; Bioprodutos; Microalgas.The purpose of this thesis was to investigate the anaerobic co-digestion process as a biotechnology for the valorization of agricultural waste, in particular dairy cattle effluent and vegetable biomass from elephant grass broth (CCe) and Arundo donax L. The work began with an investigation of the energy potential of elephant grass broth for the production of biogas. Six genotypes of elephant grass were evaluated in terms of broth productivity and energy value. The broth yield of elephant grass varieties ranged from 66,7 to 189,1 mL kg -1. The gross energy value of the bagasse of the studied genotypes varied between 4041.14 and 4304.06 kcal kg-1. The extracted broth was considered a biomass byproduct with high remaining energy value, with gross energy values between 293.14 and 409.99 cal kg-1, and with the potential to be used as a substrate in the anaerobic co-digestion process. Next, the production of biogas from the co-digestion of elephant grass broth and dairy cattle wastewater (ARBL) was investigated. Firstly, batch tests were carried out under different temperature conditions and ratio values between co-subtracts for the good performance of the reactors. The maximum cumulative production of biogas and methane was recorded at mesophilic temperature in the ratio of 20 CCe: 80 ARBL, with the biogas yield of 414.11 mL and methane yield of 80.64 mL CH4 g-1 SV. Regression models were built to estimate biogas production. The transposition of the best result between the batch experiments was tested in the 7,8 L UASB model reactor with different retention times of 10, 6, 2 days and 24 hours. Biogas production ranged from 0.78 to 2.28 m3 m-3 d-1 with average CH4 concentrations of 63 to 72%. Finally, in the last chapter, microalgae-mediated treatment of digestate from the anaerobic co-digestion of Arundo donax L. and ARBL biomass was proposed, with cultivation of the microalgae Tetradesmus obliquus in photobioreactors. Biogas production reached values of 50.20 to 94.69 mL g-1 SV. The first-order kinetic model with modified time dependence (FOMT) provided a better fit for biogas production. The microalgae-mediated process was promising for bioremediation, through the potential of microalgae biomass for the production of bioproducts. The macromolecular composition of the algal biomass reached lipid content values of 33.4 to 42.7%. Anaerobic co-digestion of animal waste with lignocellulosic waste offers a promising route for efficient biogas production. Microalgae systems can be favorable for the environmentally efficient treatment of wastewater, in addition to the production of bioproducts through algal biomass. Keywords: Anaerobic biodigestion; Cenchrus purpureus Schumach; Bioenergy; Bioproducts; Microalgae.