Produção de biogás em regime semicontínuo pela codigestão da cama de frango, dejeto suíno e soro de leite

Abstract

Resumo: produção de biogás a partir de resíduos agroindustriais foi investigada como uma alternativa para a gestão sustentável desses materiais, contribuindo para a diversificação da matriz energética. O manejo inadequado de resíduos gerados por atividades agropecuárias no Brasil, um dos maiores produtores de carne de frango, suína e produtos lácteos, pode causar impactos ambientais significativos, incluindo contaminação do solo e da água, além da emissão de gases de efeito estufa. Nesse contexto, a digestão anaeróbia mostrou-se promissora, transformando resíduos orgânicos em biogás e biofertilizantes, agregando valor econômico e promovendo a sustentabilidade. O estudo foi iniciado com a caracterização físico-química dos substratos (cama de frango, dejeto suíno e soro de leite), seguida de testes em batelada para avaliar o potencial bioquímico de metano (BMP). Nesses testes, foram realizadas comparações entre a codigestão dos três resíduos, com e sem a separação da fração sólida-líquida. O modelo cinético de Gompertz modificado foi aplicado para ajustar as curvas de produção de metano. Observou-se que a codigestão dos três resíduos aumentou a produção de biogás em relação à monodigestão. Além disso, a separação da fração sólida dos substratos antes da alimentação no reator resultou em volumes maiores de biogás, em comparação com as misturas "in natura". Nos testes em batelada, o modelo de Gompertz apresentou um bom ajuste aos dados experimentais, com coeficientes de determinação (R²) superiores a 0,99. O estudo prosseguiu com a operação de um reator semicontínuo em escala piloto (20 litros de volume total), onde foram realizados dois ciclos operacionais distintos. No primeiro ciclo, com duração de 150 dias, utilizou-se dejeto suíno como substrato principal, atingindo-se a máxima produção de biogás, com Carga Orgânica Volumétrica (COV) de 1,00 kg.SV/m³.d na fase VIII. Essa fase apresentou maior eficiência na produção de biogás e metano, com uma produção volumétrica de biogás de 3,58 LN.g.SV-1.d-1 e produção específica de metano de 2,47 LN.g.SV-1.d-1, em comparação ao segundo ciclo de 117 dias, que utilizou uma mistura de cama de frango e soro de leite como substrato, que apresentou produção máxima de biogás em COV de 1,50 kg.SV/m³.d, na fase II, com produção volumétrica de biogás de 2,70 LN.g.SV-1.d-1 e produção específica de metano de 1,88 LN.g.SV-1.d-1. A manutenção de condições operacionais controladas, como pH, temperatura e relação AOV/AT, foi crucial para a estabilidade do processo de digestão anaeróbia. O reator semicontínuo permitiu aproximar os resultados das condições operacionais reais encontradas em plantas industriais de biogás, fornecendo dados relevantes para a otimização de sistemas de digestão anaeróbia em escalas maiores, como em propriedades rurais. Conclui-se que a codigestão em regime semicontínuo apresenta-se como uma estratégia promissora para maximizar a produção de biogás e a eficiência energética em plantas agroindustriais, promovendo a sustentabilidade ambiental e a diversificação da matriz energética no Brasil

Abstract: The production of biogas from agro-industrial residues was investigated as an alternative for the sustainable management of these materials, contributing to the diversification of the energy matrix. The improper management of residues generated by agricultural activities in Brazil, one of the largest producers of chicken, pork, and dairy products, has caused significant environmental impacts, including soil and water contamination, as well as greenhouse gas emissions. In this context, anaerobic digestion has proven to be a promising solution, transforming organic residues into biogas and biofertilizers, adding economic value and promoting sustainability. The study began with the physicochemical characterization of the substrates (chicken litter, swine manure, and whey), followed by batch tests to evaluate the biochemical methane potential (BMP). In these tests, comparisons were made between the codigestion of the three residues, with and without the separation of the solid-liquid fraction. The modified Gompertz kinetic model was applied to adjust the methane production curves. It was observed that the co-digestion of the three residues increased biogas production compared to mono-digestion. Additionally, the separation of the solid fraction of the substrates before feeding into the reactor resulted in higher biogas volumes compared to the "in natura" mixtures. In the batch tests, the Gompertz model provided a good fit to the experimental data, with determination coefficients (R²) greater than 0.99. The study continued with the operation of a pilot-scale semicontinuous reactor (20 liters total volume), where two distinct operational cycles were performed. In the first cycle, which lasted 150 days, swine manure was used as the main substrate, achieving the maximum biogas production, with an Organic Loading Rate (OLR) of 1.00 kg.VS/m³.d during Phase VIII. This phase showed the highest efficiency in biogas and methane production, with a volumetric biogas production of 3.58 LN.g.VS-1.d-1 and a specific methane production of 2.47 LN.g.VS-1.d-1, compared to the second cycle of 117 days, which used a mixture of chicken litter and whey as a substrate. The second cycle reached a maximum biogas production at an OLR of 1.50 kg.VS/m³.d in Phase II, with a volumetric biogas production of 2.70 LN.g.VS-1.d-1 and a specific methane production of 1.88 LN.g.VS-1.d-1. Maintaining controlled operational conditions, such as pH, temperature, and the AOV/AT ratio, was crucial for the stability of the anaerobic digestion process. The semi-continuous reactor allowed the results to be closer to the real operational conditions found in industrial biogas plants, providing relevant data for the optimization of anaerobic digestion systems on larger scales, such as in rural properties. It is concluded that co-digestion in a semi-continuous regime is a promising strategy to maximize biogas production and energy efficiency in agroindustrial plants, promoting environmental sustainability and the diversification of the energy matrix in Brazil