Codigestão anaeróbia de águas residuárias de suinocultura e resíduos orgânicos com vistas à recuperação de recursos: biogás e digestato

Abstract

Este estudo tem como objetivos: (i) Avaliar a codigestão anaeróbia de águas residuárias de suínos (ARS) e resíduos orgânicos (podas de capim (G), resíduo alimentar (RA) e cama de frango (CF)) sob diferentes proporções em relação a produção de metano e gerenciamento de resíduos e; (ii) Avaliar a recuperação energética do biogás e a qualidade do digestato produzidos em biodigestores semi-contínuos operados em monodigestão e codigestão anaeróbia. O estudo da codigestão anaeróbia de ARS e resíduos orgânicos foi conduzido pelo teste de PBM (Potencial Bioquímico de Metano) com mistura dos resíduos com a ARS sob diferentes proporções (25%, 50%, 75%). A produção máxima acumulada de metano obtida nos testes de PBM (mLCH4.gSV-1) foram submetidas ao teste de Tukey (p>0,05%) para se comparar as proporções (100:0; 25:75; 50:50; 75:25; 0:100) em relação aos substratos (G:ARS; RA:ARS; CF:ARS) e teste Dunnett (5%) comparando os demais tratamentos com a ARS. De forma complementar, avaliou-se o efeito sinérgico dos substratos utilizados na codigestão, bem como o ajuste cinético dos modelos de primeira ordem, Gompertz modificado e Cone. Observou-se que a codigestão de todos os substratos (G, RA e CF) com ARS melhorou a produção de metano em comparação com a monodigestão (ARS). Um efeito sinérgico positivo foi observado para o RA:ARS (25:75 e 75:25). De acordo com o teste de Tukey e Dunnett (α > 0,05), a relação RA:ARS de 25:75 não apresentou diferença estatística em relação à monodigestão (ARS). Dentre os modelos avaliados, o Gompertz modificado apresentou o melhor ajuste. A codigestão de RA e ARS apresentou um potencial interessante para o manejo integrado com a melhor relação de 25:75. A recuperação energética do biogás e a qualidade do digestato foram estudadas em reatores horizontais em escala de bancada com alimentação semi-continua de monodigestão anaeróbia e codigestão anaeróbia de RA:ARS (25:75) (TRH: 25 d; Volume útil: 7,95 L; COV: 0,30 a 0,50 gSV L-1 d-1). A codigestão permitiu o tratamento de ambos os resíduos mantendo o equilíbrio da digestão anaeróbia e as condições padrão do reator semelhante ao processo de monodigestão. Os resultados desta pesquisa indicaram que ambos os tipos de digestão anaeróbia foram capazes de tratar os resíduos, mantendo as condições de estabilidade do reator. O reator operado em codigestão anaeróbia apresentou eficiência superior em termos de remoção de DQOsolúvel (22%) comparado ao reator em monodigestão (ARS). Da DQO total presente no efluente de entrada (considerada 100%), aproximadamente 32,9% (monodigestão) e 31,6% (codigestão) permaneceu no efluente de saída, resultando eficiência de remoção de DQO em torno de 67,1% e 68,4% (mono e codigestão, respectivamente). O reator com codigestão mostrou melhor rendimento de metano com incremento de 54% e 52% em relação à monodigestão, considerando os sólidos voláteis (SV) aplicados e removidos, respectivamente. Os digestatos gerado pela monodigestão como o da codigestão anaeróbia apresentaram teores consideráveis de macro e micronutrientes, evidenciando seu potencial para serem utilizados como fertilizantes orgânicos. Assim, fica evidenciado que a codigestão anaeróbia de água residuária de suinocultura e resíduo alimentar, não só contribuiu para a produção de metano, mas também oferece oportunidades econômicas e agronômicas. Palavras-chave: cama de frango, podas de capim, potencial bioquímico de metano, resíduo alimentar, reator horizontal.

In This study aims to: (i) Evaluate the anaerobic co-digestion of swine wastewater (SW) and organic waste (grass clippings (GR), food waste (FW) and chicken litter (CL)) in different proportions in relation to methane production and waste management and; (ii) Evaluate energy recovery from biogas and the quality of digestate produced in semi-continuous biodigesters operated in mono-digestion and anaerobic co-digestion. The study of anaerobic co-digestion of SW and organic waste was conducted using the BMP (Biochemical Methane Potential) test with mixing the waste with SW in different proportions (25%, 50%, 75%). The maximum accumulated methane production obtained in the BMP tests (NmL CH4.gSV-1) were subjected to the Tukey test (p>0.05%) to compare the proportions (100:0; 25:75; 50:50; 75:25; 0:100) in relation to substrates (GR:SW; FW:SW; CL:SW) and Dunnett test (5%) comparing the other treatments with SW. In addition, the synergistic effect was evaluated, as well as the kinetic adjustment of the first-order, modified Gompertz and Cone models. The results indicated that the co-digestion of all substrates (GR, FW e PL) with SW improved the yield methane production in comparison with monodigestion (SW). A positive synergistic effect was observed for the FW:SW (25:75 and 75:25). According to both the Tukey’s and Dunnett's test (α > 0.05), the FW:SW ratio of 25:75 did not show statistical difference compared with the monodigestion (SW), which was the largest CH4. Among the models evaluated, the modified Gompertz presented the best fit. The co-digestion of FW and SW presented an interesting potential for the integrated management with the best ratio of 25:75. Biogas energy recovery and digestate quality were studied in bench-scale horizontal reactors with semi-continuous feed of anaerobic monodigestion and anaerobic co-digestion of FW:SW (25:75) (TRH: 25 d; Useful volume: 7. 95 L; VOC: 0.30 to 0.50 gSV L-1 d-1). Codigestion allowed the treatment of both residues while maintaining the balance of anaerobic digestion and standard reactor conditions similar to the monodigestion process. The results of this research indicated that both types of anaerobic digestion were capable of treating waste while maintaining reactor stability conditions. The reactor operated in anaerobic co-digestion showed higher efficiency in terms of soluble COD removal (22%) compared to the mono-digestion reactor (SW). Of the total COD present in the input effluent (considered 100%), approximately 32.9% (monodigestion) and 31.6% (codigestion) remained in the output effluent, resulting in COD removal efficiency of around 67.1% and 68.4% (mono- and co-digestion, respectively). The reactor with co-digestion showed better methane yield with an increase of 54% and 52% in relation to mono-digestion, considering the volatile solids (VS) applied and removed, respectively. The digestates generated by monodigestion and anaerobic co-digestion presented considerable levels of macro and micronutrients, highlighting their potential to be used as organic fertilizers. Thus, it is evident that the anaerobic co-digestion of swine wastewater and food waste not only contributed to the production of methane, but also offers economic and agronomic opportunities. Keywords: chicken litter, grass pruning, biochemical potential of methane, food waste, horizontal reactor.