Processamento de biomassa microalgal-bacteriana em reator anaeróbio contínuo.

Abstract

A biomassa microalgal-bacteriana cultivada em águas residuárias apresenta potencial para integração a rotas tecnológicas de tratamento de efluentes e recuperação de recursos. Rica em matéria orgânica e nutrientes, pode ser direcionada à digestão anaeróbia, visando sua estabilização e a produção de biogás. No presente estudo, avaliou-se o desempenho técnico, ambiental e econômico do processamento anaeróbio de biomassa de microalgas cultivada em águas residuárias domésticas em reator anaeróbio contínuo de leito estruturado, operado sob diferentes cargas orgânicas volumétricas (3 e 5 kg DQO m3 d1) e condições de pH afluente (não ajustado, 5 e 3), com o objetivo inicial de direcionar o processo à produção fermentativa de hidrogênio. Foram avaliados o consumo de matéria orgânica, a conversão de carboidratos, a remoção de compostos nitrogenados, a formação de ácidos graxos voláteis e a produção e composição do biogás. Em ambos os reatores, observou-se consumo de matéria orgânica e elevada remoção de nitrato (77–99%), com formação limitada de metabólitos solúveis e produção residual de metano. A produção fermentativa de hidrogênio não foi estabelecida em nenhuma condição. A baixa disponibilidade de frações prontamente fermentáveis e o elevado teor de nitrogênio da biomassa favoreceram rotas metabólicas competitivas, especialmente a desnitrificação, restringindo a recuperação energética. A avaliação ambiental, conduzida por meio de Análise de Ciclo de Vida (ACV) com dados experimentais primários e modelagem no Aspen Plus, indicou desempenho globalmente favorável, com benefícios líquidos em todas as categorias de impacto avaliadas, com destaque para a toxicidade humana carcinogênica (-48,34%), seguida pelas categorias de ecotoxicidade de água doce (-21,46%) e marinha (- 16,79%), fortemente influenciados pelo uso de águas residuárias e pela recuperação de recursos considerados como produtos evitados. A análise econômica estimou um preço mínimo de venda (PMV) do biogás de USD 270,97 kWh-1 no cenário base, reduzindo-se em até 96,6% com o aumento da capacidade de processamento, mas permanecendo acima dos valores reportados na literatura, o que evidencia que a viabilidade é limitada pelo baixo rendimento de conversão da matéria orgânica em energia. Conclui-se que, embora a produção de H2 não tenha sido alcançada, a condição operacional de 5 kg DQO m-3 d-1 apresentou desempenho mais adequado em termos de processamento do substrato e estabilidade operacional. Nas condições avaliadas, o sistema mostrou-se mais relevante como etapa complementar de manejo e conversão de nutrientes da biomassa no contexto do saneamento ambiental do que como rota eficiente de valorização energética, permanecendo a intensificação da recuperação de energia como perspectiva para estudos futuros.Microalgal-bacterial biomass cultivated in wastewater shows potential for integration into technological routes for effluent treatment and resource recovery. Rich in organic matter and nutrients, it can be directed to anaerobic digestion, aiming at its stabilization and biogas production. In the present study, the technical, environmental, and economic performance of the anaerobic processing of microalgal biomass cultivated in domestic wastewater was evaluated in a continuous structured- bed anaerobic reactor, operated under different organic loading rates (3 and 5 kg COD m-3 d-1) and influent pH conditions (unadjusted, 5, and 3), with the initial goal of directing the process toward fermentative hydrogen production. Organic matter consumption, carbohydrate conversion, nitrogen compound removal, volatile fatty acid formation, and biogas production, and composition were assessed. In both reactors, organic matter consumption and high nitrate removal (77-99%) were observed, along with limited formation of soluble metabolites and residual methane production. Fermentative hydrogen production was not established under any conditions. The low availability of readily fermentable fractions and the high nitrogen content of the biomass favored competitive metabolic routes, particularly denitrification, restricting energy recovery. The environmental assessment, conducted through Life Cycle Assessment (LCA) based on primary experimental data and process modeling in Aspen Plus, indicated globally favorable performance, with net benefits across all impact categories evaluated, especially human carcinogenic toxicity (-48.34%), followed by freshwater (-21.46%) and marine (-16.79%) ecotoxicity, strongly influenced by the use of wastewater and by resource recovery considered as avoided products. The economic analysis estimated a minimum selling price (MSP) of biogas of USD 270.97 kWh-1 in the base scenario, decreasing by up to 96.6% with increased processing capacity, but remaining above values reported in the literature, evidencing that viability is limited by the low conversion yield of organic matter into energy. It is concluded that, although H2 production was not achieved, the operational condition of 5 kg COD m-3 d-1 showed more adequate performance in terms of substrate processing and operational stability. Under the conditions evaluated, the system proved more relevant as a complementary stage for managing and converting biomass nutrients within the context of environmental sanitation than as an efficient route for energy valorization, with the intensification of energy recovery remaining a perspective for future studies.