Desempenho de um reator UASB com baixo tempo de retenção hidráulica na digestão anaeróbia da vinhaça

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AGRENER GD 2015

10º Congresso sobre Geração Distribuída e Energia no Meio Rural 11 a 13 de novembro de 2015

Universidade de São Paulo – USP – São Paulo

Desempenho de um reator UASB com baixo tempo de retenção hidráulica na digestão anaeróbia da vinhaça

Camila Agner D’Aquino1

, Thiago Carvalho de Mello2, Ildo Luís Sauer3

1

Instituto de Energia e Ambiente da Universidade de São Paulo, Avenida Professor Luciano Gualberto, 1289 - Cidade Universitária, São Paulo, SP, camila.daquino@usp.br

2

Departamento de Mecânica dos Institutos Lactec, Av. Pref. Lothário Meissner, 01 - Jardim Botânico, Curitiba, PR.

3

Instituto de Energia e Ambiente da Universidade de São Paulo, Avenida Professor Luciano Gualberto, 1289 - Cidade Universitária, São Paulo, SP

Resumo

Apesar do elevado potencial energético da vinhaça, a instalação de plantas de biodigestão tem se mostrado inviável, devido aos volumes requeridos em função dos elevados tempos de retenção hidráulica (TRH) a serem aplicados. Sendo assim, este estudo teve como objetivo estudar a biodigestão da vinhaça em reator do tipo UASB, em condições mesofílicas, com (TRH) de somente 2,66 dias. A operação foi realizada em três etapas: inoculação, operação com vinhaça sintética e com vinhaça real, sendo que a carga orgânica volumétrica (COV) variou entre 4,19 e 12,97 kgDQO/m³.d. Durante o operação com vinhaça sintética houve produção satisfatória de biogás, no entanto, a remoção de matéria orgânica foi baixa. Na operação com vinhaça real foram mantidos valores satisfatórios de remoção de DQO (>80%), apesar de baixa produtividade em termos de biogás. O valor de conversão de matéria orgânica em metano obtido foi 4 vezes menor do que o teórico e de 3 vezes menor do que o encontrado em experimentos com maior TRH. No entanto, a COV aplicada também foi três vezes menor, indicando uma possível correlação com o resultado, sendo, portanto necessária maior exploração sobre aumento da carga e outros TRHs. Ainda assim, este estudo demonstrou ser possível reduzir o TRH para menos da metade, o que impacta diretamente a viabilidade dos projetos de recuperação energética da vinhaça.

Palavras-chave: vinhaça, biogás, UASB, TRH. Abstract

Despite the high energy potential of vinasse, the installation of plants digestion has proven impractical, because of the volume required due to the high hydraulic retention times (HRT) that has to be applied. Thus, this study aimed to analyze the digestion of vinasse in the UASB reactor in mesophilic conditions, with (HRT) of only 2.66 days. The operation was

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carried out in three stages: inoculation, operation with synthetic stillage and with a real one, wherein the organic loading rate (OLR) varied between 4.19 and 12.97 kgCOD/m³.d. The operation with synthetic vinasse was great in production of biogas, however, a low COD removal, and the operation with real vinasse were kept satisfactory values of COD removal (> 80%), but a low rate of biogas production. The conversion value of organic matter in methane was 4 times lower than the theoretical one and three times lower than that found in most experiments with high HRTs. However, the OLR was also applied three times smaller, indicating a possible correlation with the results, and therefore requires further exploration of increased load and other TRHs. Even so, this study demonstrates that reducing the HRT it is possible, resulting in enabling projects of energetic recovery of vinasse.

Keywords: Vinasse, biogas, UASB, HRT.

1. INTRODUÇÃO

O Brasil passou por um processo de industrialização visando à substituição da importação a partir da década de 30. Como resultado, houve crescimento econômico, especialmente no setor agropecuário, e social, com maior acesso da população em geral a bens de consumo antes inacessíveis (SOUZA, 2004).

Essa ascensão social promoveu uma mudança nos hábitos de consumo e de vida, com concentração da população nos ambientes urbanos e diversos impactos negativos decorrentes desse novo cenário. Dentre os fatores mais notáveis, temos poluição do ambiente natural e o aumento da necessidade de energia – na forma de eletricidade ou combustível. Neste último em específico, o governo brasileiro atuou de forma exemplar, promovendo o Programa Pró-Álcool, no qual o etanol foi permeado pela cultura nacional e conquistou posição de destaque nos combustíveis líquidos, sendo o setor destaque também pela produção de eletricidade e vapor através do aproveitamento do bagaço, da vinhaça e da palha (CORTEZ et al., 2008). Apesar das claras vantagens do etanol e do seu sucesso no mercado brasileiro, o ciclo de vida de produção desse biocombustível possui grandes impactos ambientais, devido à elevada geração de resíduos, notadamente a vinhaça.

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A vinhaça de cana-de-açúcar é um resíduo líquido, com valor de massa específica semelhante ao da água limpa. Sensorialmente, apresenta coloração marrom escura e odor característico, atribuído ao alto teor de matéria orgânica encontrado no resíduo, sendo que para cada litro de etanol, produz-se em média 13 litros de vinhaça (FREIRE e CORTEZ, 2000; SATYAWALI e BALAKRISHNAN, 2008).

Tendo em vista essa informação e o dado de que 27.543.000 m³ de etanol foram produzidos no Brasil em 2014 (MAPA, 2015), conclui-se que somente no ano passado foram gerados aproximadamente 358.059.000 m³ de vinhaça no país, sendo que a maioria possui um destino ainda precário, contaminando o solo e corpo hídrico.

Diversos têm sido os destinos dados a este passivo ambiental ao longo dos anos, desde aditivo para material construtivo de estradas até fertilização de solos (Wilkie, et al., 2000). No entanto, há a possibilidade de aproveitamento energético deste passivo, através da combustão ou do aproveitamento do biogás proveniente do processo de biodigestão. Estudos apontaram uma eficiência de remoção de DBO de até 97% em reatores do tipo UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket). Além da elevada eficiência de remoção da matéria orgânica, a digestão anaeróbia produz em torno de 10% menos lodo do que a digestão aeróbia, sendo que pode ser aplicado como biofertilizante em diversas culturas devido ao bom conteúdo de macro e micronutrientes (CARDONA, SANCHEZ e GUTIERREZ, 2010).

Apesar de uma solução atrativa, o elevado tempo de retenção hidráulica (TRHs) aliado ao alto volume de produção, inviabiliza um projeto de digestão em usinas de médio e grande porte. Portanto, o objetivo deste trabalho foi estudar a eficiência de remoção de matéria orgânica e produção de biogás em um reator do tipo UASB com baixo tempo de retenção, visando maior viabilidade econômica dessas plantas.

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1 MATERIAIS E MÉTODOS

1.1 Reator protótipo

O reator protótipo utilizado neste ensaio consistiu em um UASB (Figura 1). com volume total de 8 litros.

Figura 1. Reator UASB utilizado para ensaio

A alimentação do substrato foi realizada de maneira contínua e ocorreu por bomba peristáltica Watson Marlow modelo 120U, controlada via software e o aquecimento do reator foi realizado por cinta de aquecimento Higher (HRCT 19-L-P 300 W).

1.2 Inoculação

Para a inoculação dos reatores foi utilizado lodo (Tabela 1) proveniente de ETE Atuba da Companhia de Saneamento do Estado do Paraná (Sanepar).

Tabela 1. Características físico-químicas do inóculo

Parâmetro Valor

DQO (mgDQO.L-1) 43.366,7 ± 7,07 Sólidos Voláteis (%) 3,39 ± 0,049 Sólidos Totais (%) 5,89 ± 0,077

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O startup do reator foi realizado pela adição de 1,6 L de inóculo, ou seja, 20% do volume total do reator, e operação com vinhaça sintética (Tabela 2) a uma taxa de carregamento de 2,67 L.d-1 e recirculação de 13,2 Ld.-1, resultando em um TRH de 2,66 dias. O período de inoculação teve duração de 33 dias.

Tabela 2. Caracterização dos substratos utilizados

Parâmetro Meio Sintético

11 Meio Sintético 2 Vinhaça real DQO (mgDQO.L-1) 3.020 ± 14,14 15.800 37.950 ± 76,38 Sólidos Totais (%ST) 0,4 0,38 ± 0,021 9,6 ± 0,113

Sólidos Totais Voláteis (%STV) 0,09 0,05 3,31 ± 0,162

Nitrogênio Total (mgNt.L -1 ) 136,7 ± 0,281 317,5 1.683,3 ± 3,54 Nitrogênio Amoniacal (mgNH4+.L-1) 157,67 ± 0,58 204,3 97 ± 0,35 Fósforo total (mgPt.L -1 ) 17,47 ± 17,47 42,7 ± 2,12 104 ± 7,85 Sulfato (mgSO4.L -1 ) 181 243,0 ±0,71 3.738,3 ± 7,07 1

Fonte: Cho et. al (1996) 1.3 Operação

A operação do reator ocorreu em duas etapas: alimentação com novo meio sintético (Tabela 2) por um período de 64 dias, seguido pela operação com vinhaça real, coletada na Usina Costa Bioenergia, por 15 dias. Ambas operações ocorreram nas mesmas condições de vazão e recirculação do procedimento de start-up, ou seja, TRH de 2,66 dias.

1.4 Métodos Analíticos

A produção de biogás foi medida através de um dispositivo medidor de volume de gás automatizado e acompanhado através de um software de registro de pulsos. O volume foi mensurado através do conhecimento do volume da concha. O volume observado foi então normalizado de acordo com o sugerido pela Norma VDI 4630 (2006).

A composição química do biogás produzido foi determinada pela técnica de cromatografia a gás com detecção por ionização em chama (FID) e condutividade

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térmica (TCD), em cromatógrafo Thermo Finnigan conforme a norma ABNT NBR 14903, com adaptações. O pH e a temperatura no interior do reator foram monitorados em tempo real, através de pHmetro de processo. Para se obter a eficiência de tratamento, semanalmente foi analisada a carga orgânica de entrada e de saída do reator através da demanda química de oxigênio (DQO) e a sólidos totais voláteis (STV).

2 RESULTADOS E DISCUSSÃO 2.1 Inoculação

Durante o período de inoculação, a Carga Orgânica Volumétrica (COV) média foi de 3,973 ± 0,879 kgDQO/m3d, valor próximo ao sugerido para um bom desempenho do reator UASB, que é, de acordo com Lettinga e Hulshoff (1991), entre 4 e 6 kgDQO.m-3.d-1. A eficiência de remoção de matéria orgânica foi de 28,82 ± 15,30%DQOremovida, sendo que este valor pode ser explicado pela baixa

concentração de sólidos voláteis no meio utilizado. 2.2 Operação

Tanto a evolução da COV quanto a remoção da DQO durante a operação do reator estão plotadas na Figura 2, a seguir.

O período de start-up teve duração de 35 dias, sendo então iniciada a operação com novo meio sintético, o que resultou em aumento imediato na eficiência de remoção de matéria orgânica, chegando a mais de 80%. Após 20 dias de operação com o novo meio houve queda substancial na remoção da DQO, mantendo-se em uma média de 37,5%, que pode ser resultado de um acúmulo de Ácidos Orgânicos Voláteis (AOVs) e supressão das bactérias metanogênicas. Esses valores se mantiveram estáveis por período de 30 dias, portanto, optou-se pela inserção da vinhaça real, conforme Figura 2.

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Figura 2. Remoção de matéria orgânica vs COV durante start-up e operação do reator UASB

A baixa eficiência de remoção de DQO da vinhaça sintética utilizada pode estar relacionada, principalmente, com a proporção C/N deste meio. O meio proposto por Cho et al. (1996) possuía uma relação C/N de 22,2, próxima à apresentada pela vinhaça, que foi de 20,1. O meio sintético formulado possuía uma relação C/N de 45,889, que é acima do recomendado na literatura de 20-30, o que justifica a melhoria inicial na taxa de remoção com posterior queda.

Com a introdução da vinhaça, a COV subiu a 12,971 ± 0,46 kgDQO/m3d, valor muito acima do recomendado. No entanto, os resultados de remoção de carga orgânica foram satisfatórios, uma vez que se mantiveram em quase 80% após um período curto de adaptação.

Apesar da baixa eficiência de remoção de DQO, durante a operação com vinhaça sintética houve uma produção média de biogás elevada, de 2,637 LN/dia,

enquanto que na utilização da vinhaça real houve uma queda acentuada na produção de biogás, para uma média de apenas 0,874 LN/d. Acompanhando o

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uma vez que este passou de uma concentração de metano de 71,44% para somente 2,52%.

Blonskaja, Menert e Vilu (2003) realizaram estudo da digestão mesofílica da vinhaça em reator UASB com TRH variando entre 10 e 19 dias e verificaram uma correlação entre a COV e a remoção de DQO, concluindo que a operação em alto TRH promoveu o acúmulo de ácidos propiônico e butírico. No caso do experimento aqui apresentado, pode ter ocorrido o acúmulo destes mesmos ácidos devido a operação sucessiva sem tempo de adaptação aos novos substratos.

Portanto, a partir destes dados supõe-se que houve uma inibição das bactérias metanogênicas, permitindo a prevalência de bactérias acetogênicas e acidogênicas. Com isto houve a hidrólise da matéria orgânica complexa até ácidos graxos, no entanto, a supressão da população metanogênica não permitiu o consumo destes substratos para a geração de metano. Resultados obtidos em nossos próprios laboratórios já demonstraram que pode haver uma estabilização da população bacteriana após a diminuição da COV e pré-tratamento adequado para remoção de compostos inibidores, no entanto, mais estudos deverão ser realizados devido à complexidade do substrato.

A elevação do índice de sulfato e a diminuição do pH após a introdução do novo meio sintético, associados à presença de melanoidinas e compostos fenólicos podem ser uma das principais razões para a inibição. Após a aclimatação do pool bacteriano dentro do novo pH foi observada melhora na remoção de DQO.

3 CONCLUSÕES

A eficiência da digestão anaeróbia é altamente influência pela característica do substrato a ser tratado, do pool de bactérias adicionado, da metodologia de aclimação deste inóculo, bem como dos parâmetros de operação. Os resultados apresentados demonstram que é possível se reduzir o TRH de reatores anaeróbios

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através de uma aclimatação adequada, o que pode ser substituído pela obtenção de um inóculo já aclimatado.

A aclimatação correta da população microbiana a ser utilizada resulta não apenas na remoção de matéria orgânica, mas em sua conversão em metano ao invés de conversão em nova biomassa, viabilizando ainda mais empreendimento de recuperação energética de resíduos a partir de biodigestão.

Tendo em vista a necessidade de estudos mais aprofundados sobre a vinhaça, é de grande importância o desenvolvimento de meios sintéticos adequados para o desenvolvimento de estudos em escala de bancada, sendo este uma dificuldade encontrada ainda para evoluções mais representativas na área de pesquisa e desenvolvimento.

4 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

BLONSKAJA, V.; MENERT, A.; VILU, R. Use of two-stage anaerobic treatment for distillery waste. Advances in Environmental Research, v. 7, n. 3, p. 671-678, 2003.

CARDONA, C. A. SANCHEZ, Ó. J.; GUTIERREZ, L. F. Process Synthesis for Fuel Ethanol Production (Biotechnology and Bioprocessing). Boca Raton: CRC Press, 2010.

CHO, J. K.; KIM, B. S.; PARK, S. C.; CHOI, Y. S.; CHANG, H. N.. Effect of stepwise seeding on the performance of four anaerobic biofilters treating a synthetic stillage waste. Biomass and Bioenergy, v. 10, n. 1, p. 25 – 35, 1996.

CORTEZ, L. A. B. LORA, E. E. S.; GÓMEZ, E. O. (EDS.). Biomassa para energia. Campinas: Editora da Unicamp, 2008.

FREIRE, W. J.; CORTEZ, L. A. B. Vinhaça de cana-de-açucar. Guaíba: Livraria e Editora Agropecuária, 2000.

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LETTINGA, G.; HULSHOFF, L.W.. UASB-Process Design for Various Types of Wastewaters, v. 24, n. 8, p. 87-107, 1991.Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento.

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Acompanhamento da Produção Canavieira. Disponível em: <

www.agricultura.gov.br>. Acesso em: 15 set. 2015.

SATYAWALI, Y.; BALAKRISHNAN, M. Wastewater treatment in molasses-based alcohol distilleries for COD and color removal: a review. Journal of environmental management, v. 86, n. 3, p. 481-97, 2008.

SOUZA, Antônio Ricardo de. As trajetórias do planejamento governamental no Brasil: meio século de experiências na administração pública. Revista do Serviço Público, v. 55, n. 4, p. 5-29, 2014.

VDI 4630, 2006. Fermentation of organic materials, Characterization of Substrate, Sampling, Collection of Material Data, Fermentation Tests, VDI Gesellschaft Energietechnik.

WILKIE, A. C. RIEDESEL, K. J.; OWENS, J. M. Stillage characterization and anaerobic treatment of ethanol stillage from conventional and cellulosic feedstocks. Biomass and Bioenergy, v. 19, n. 2, p. 63-102, 2000.