Aceleração da biodigestão da fração orgânica de resíduos sólidos urbanos (resíduo alimentar)
Resumo
Resumo: O destino inadequado dos resíduos sólidos urbanos (RSU) é um grande problema ambiental global. Para evitar o acúmulo em aterros, uma das alternativas incentivadas é a biodigestão anaeróbica, realizada em biodigestores, na qual os resíduos são convertidos em produtos úteis como o biogás bruto. O Brasil apresenta potencial para a produção de biogás, mais precisamente o biometano, componente do biogás bruto, que necessita ser purificado. Diante dos volumes diários de produção de RSU nos maiores centros urbanos, o objetivo principal desse estudo foi desenvolver uma solução tecnológica para acelerar o processo de biodigestão anaeróbica convencional de fração orgânica oriunda de resíduos alimentares, de modo a reduzir tempo de processo e aumentar o rendimento de biometano no biogás bruto. Desta forma, o trabalho foi dividido em 6 capítulos para desenvolvimento dessa pesquisa: Capítulo 1 - revisão da literatura; Capítulo 2 - construção de um sistema de biodigestão em frascos de 100 mL; Capítulo 3 - avaliação do sistema de neutralização da biodigestão; Capítulo 4 - uso de codigestor com estabilizante; Capítulo 5 - isolamento de grupos de microrganismos e uso de enzimas para a biodigestão; e Capítulo 6 - otimização dos valores ideais de grupos de microrganismos e enzimas como inoculantes, utilizando a ferramenta estatística DCCR. Com isso, o presente estudo possibilitou desenvolver um sistema de biodigestão com frascos de 100 mL e demonstrar o comportamento da biodigestão quando são adicionados de recicláveis, condicionados em diferentes rotas de processo (úmido e extrasseco) e em termos de granulometria e temperatura (mesofílica e termofílica). A partir dos experimentos para ajuste de pH, observou-se que o acetato de sódio (CH3COONa) como agente tamponante apresentou o melhor desempenho. Por outro lado, o lodo de tratamento de esgoto contribuiu para a manutenção do pH neutro e não inibiu efetivamente a produção de biogás. A substituição do N2 pelo ambiente headspace não afetou o processo de avaliação do biogás, sendo sua adição opcional. O pré-tratamento do resíduo inserido no biodigestor para determinação do tamanho de partícula (1,18 mm) contribuiu na padronização, porém, nenhum tratamento interferiu no processo de reação do biogás acumulado. A quantidade de sólidos voláteis adicionados pode afetar a biodigestão, mas os testes mostraram efeitos semelhantes para as respostas do biogás e do biometano. Em relação aos isolamentos de grupos de microrganismos, a pesquisa possibilitou a identificação de dois grupos provenientes de resíduos alimentares e lodo de estação de tratamento de esgoto (EA e EB), que desempenharam um papel significativo na produção de biogás e biometano durante o processo de biodigestão. Além disso, os delineamentos experimentais possibilitaram reduzir a quantidade e identificar as variáveis significativas e suas concentrações ideais dos grupos microbianos EA = 5,25 x 109 UFC·mL-1, EB = 6,90 x 109 UFC·mL-1 e enzimas CA, C, L, P nas dosagens de 45 U·g-1. Conclui-se que o processo foi otimizado em 10 dias comparado com o processo convencional que tem duração média de 45 dias, obtendo um aumento de 72% e 88% (v/v) na produção de biogás e biometano, respectivamente, para o resíduo alimentar, utilizando o bioacelerador. Abstract: The inadequate disposal of municipal solid waste (MSW) is a significant global environmental problem. To avoid accumulation in landfills, one of the encouraged alternatives is anaerobic biodigestion, carried out in biodigesters, where waste is converted into useful products, such as raw biogas. Brazil has potential for biogas production, specifically biomethane, a component of raw biogas that requires purification. Considering the daily volumes of MSW generated in major urban centers, the main objective of this study was to develop a technological solution to accelerate the conventional anaerobic biodigestion process of the organic fraction derived from food waste, in order to reduce process time and increase biometane yield in raw biogas. Therefore, the work was divided into 6 chapters for the development of this research: Chapter 1 - literature review; Chapter 2 - construction of a 100 mL biodigestion system in flasks; Chapter 3 - evaluation of the biodigestion neutralization system; Chapter 4 - use of co-digestion with stabilizer; Chapter 5 - isolation of microbial groups and use of enzymes for biodigestion; and Chapter 6 - optimization of the ideal values of microbial groups and enzymes as inoculants, using the statistical tool DCCR. This study enabled the development of a 100 mL biodigestion system and demonstrated the behavior of biodigestion when recyclables were added, conditioned through different process routes (wet and dry), in terms of particle size and temperature (mesophilic and thermophilic). Through pH adjustment experiments, improved configurations to prevent acidification of the biodigestion process were observed. The best result was obtained when sodium acetate (CH3COONa) was used as a buffering agent. However, sewage sludge contributes to maintaining neutral pH and does not effectively inhibit biogas production. The substitution of N2 with headspace did not affect the biogas evaluation process and its addition was optional. Pre-treatment of the waste inserted in the biodigester for particle size determination (1.18 mm) contributed to standardization, but none of the treatments interfered with the accumulated biogas reaction process. The addition of volatile solids can affect biodigestion, but the tests showed similar effects on biogas and biomethane responses. Regarding the isolation of microbial groups, the research enabled the identification of two groups derived from food waste and sewage treatment plant sludge (EA and EB), which played a significant role in biogas and biometane production during the biodigestion process. Furthermore, the experimental designs made it possible to reduce the quantity and identify the optimal configuration for the process (EA = 5.25 x 109 CFU·mL-1, EB = 6.90 x 109 CFU·mL-1, CA = 45 U·g-1, C = 45 U·g-1, L = 45 U·g-1, and P = 45 U·g-1) that combined the microbial groups and commercial enzymes, leading to increased biogas and biomethane production. In conclusion, the process was optimized within 10 days, resulting in a 72% increase in biogas production and an 88% increase in biomethane production (v/v) for food waste, using the bioaccelerator.
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