Codigestão anaeróbia com resíduos da produção animal e cultura energética para produção de biogás

Abstract

Resumo: A digestão anaeróbia apresenta-se como uma alternativa sustentável para a conversão de resíduos agroindustriais em biogás, contribuindo para a geração de energia renovável e a mitigação de impactos ambientais. No entanto, a eficiência desse processo está diretamente relacionada à composição do substrato, especialmente ao teor de sólidos voláteis (SV). O dejeto suíno, amplamente utilizado na digestão anaeróbia, apresenta baixa concentração de SV, limitando sua eficiência energética. Para superar essa limitação, a codigestão com substratos ricos em SV, como o capim-elefante (Cenchrus purpureus (Schumach.) Morrone) Cenchrus purpureus cv. BRS Capiaçu, surge como uma estratégia promissora para potencializar a produção de biogás e metano. Essa cultivar se destaca por sua elevada produtividade de biomassa, alta concentração de carboidratos fermentáveis e possibilidade de armazenamento na forma de silagem, garantindo o fornecimento contínuo de substrato. No entanto, a sua monodigestão pode resultar na acidificação do meio e instabilidade do processo devido ao desbalanceamento da relação C/N. A codigestão com dejeto suíno permite mitigar esses desafios, proporcionando um efeito sinérgico que melhora a estabilidade do sistema, ajusta os desequilíbrios nutricionais e reforça a capacidade de tamponamento, apoiando a produção de biogás. Os reatores CSTR são amplamente utilizados para a digestão anaeróbia, pois permitem o processamento de substratos com alta concentração de SV com uma mistura eficiente dos substratos. A introdução de tecnologias avançadas pode otimizar ainda mais a conversão da matéria orgânica em biogás. Este estudo avaliou o desempenho da codigestão anaeróbia de dejeto suíno e BRS Capiaçu, em um reator do tipo CSTR (reator com tanque de agitação contínua), investigando o equilíbrio dos substratos e seus efeitos sobre a produção e qualidade de biogás e metano. A codigestão apresentou resultados satisfatórios com produtividade e rendimento de biogás e metano, respectivamente, em 1,092 m3Nbiogás.m-3 reator.d-1 e 502 LNbiogás.kg-1SVadic, e 0,648 m3NCH4.m-3 reator.d-1 e 298 LNCH4.kg-1SVadic, enquanto a monodigestão de capim elefante foi de 0,651 m3Nbiogás.m-3 reator.d-1 e 324 LNbiogás.kg-1SVadic, e 0,335 m3NCH4.m 3 reator.d-1 e 165 LNCH4.kg-1SVadic. A codigestão anaeróbia potencializou a geração de metano com um incremento de 48% em sua produtividade, comparado à monodigestão, e mostrou eficiência de recuperação de metano no CSTR acima de 92%. Esse estudo demonstrou uma abordagem atrativa para integrar um arranjo tecnológico de alto potencial, a fim de garantir a geração de energia a partir da disponibilidade do substrato ensilado e assegurar a estabilidade do processo, além de agregar valor aos resíduos da suinocultura e consolidar o uso de culturas energéticas como alternativa viável para otimização do processo e ampliação da sustentabilidade energética

Abstract: Anaerobic digestion is a sustainable alternative for converting agroindustrial waste into biogas, contributing to the production of renewable energy and reducing environmental impact. However, the efficiency of this process is directly related to the composition of the substrate, in particular the volatile solids (VS) content. Swine manure, which is widely used in anaerobic digestion, has a low VS concentration, which limits its energy efficiency. To overcome this limitation, codigestion with substrates rich in VS, such as elephant grass (Cenchrus purpureus (Schumach.) Morrone) Cenchrus purpureus cv. BRS Capiaçu, has emerged as a promising strategy to increase biogas and methane production. BRS Capiaçu is characterised by its high biomass productivity, high concentration of fermentable carbohydrates and the possibility of storing it as silage, which guarantees a continuous supply of substrate. However, its monodigestion can lead to acidification of the medium and instability of the process due to an unbalanced C/N ratio. Codigestion with swine manure can mitigate these challenges, providing a synergistic effect that improves system stability, compensates for nutrient imbalances and enhances buffering capacity to support biogas production. CSTR reactors are widely used for anaerobic digestion because they allow substrates with a high SV concentration to be processed with efficient mixing of the substrates. The introduction of advanced technologies can further optimise the conversion of organic matter to biogas. This study evaluated the performance of anaerobic codigestion of swine manure and BRS Capiaçu in a CSTR reactor (Continuous Stirred Tank Reactor), investigating the balance of substrates and their effects on the production and quality of biogas and methane. The codigestion showed satisfactory results, with biogas and methane productivity and yield of 1.092 m3Nbiogas.m-3 reactor.d-1 and 502 LNbiogas.kg-1VSadic, and 0.648 m3NCH4.m-3 reactor.d-1 and 298 LNCH4.kg-1VSadic, respectively, while the monodigestion of elephant grass was 0.651 m3Nbiogas.m-3 reactor.d-1 and 324 LNbiogas.kg-1VSadic, and 0.335 m3NCH4.m-3 reactor.d-1 and 165 LNCH4.kg-1VSadic. The anaerobic codigestion enhanced methane production with a 48% increase in productivity compared to monodigestion and showed a methane recovery efficiency in the CSTR of over 92%. This study demonstrated an attractive approach to integrate a high potential technological arrangement to ensure energy production from the availability of ensiled substrate and process stability, to add value to pig waste and to consolidate the use of energy crops as a viable alternative to optimise the process and increase energy sustainability