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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.18.2019.tde-18032019-150049
Documento
Autor
Nome completo
Carolina Gil Garcia
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2018
Orientador
Banca examinadora
Damianovic, Márcia Helena Rissato Zamariolli (Presidente)
Barana, Ana Cláudia
Saia, Flávia Talarico
Souza, Theo Syrto Octavio de
Zaiat, Marcelo
Título em português
Reator termofílico acidogênico/sulfetogênico seguido de reator metanogênico para tratamento de água residuária rica em sulfato
Palavras-chave em português
Produção de metano
Separação de fases
Sulfeto
Sulfetogênese em fase ácida
Resumo em português
O tratamento de água residuária rica em sulfato por via de processo anaeróbio é um grande desafio, devido ao potencial de redução do sulfato pela via biológica a sulfeto, o que pode inviabilizar o aproveitamento do biogás e afetar o tratamento por seus efeitos tóxicos e inibitórios. Neste contexto, o presente trabalho investigou a potencial aplicação da separação de fase para minimizar tais problemas de operação. A operação de reator de primeira fase visa estabelecer um ambiente sulfetogênico sob condições acidogênicas. Os efeitos da pré-acidificação da água residuária sobre a produção de metano foram avaliados por meio do monitoramento de dois reatores metanogênicos, um sistema de fase única alimentado com água residuária rica em sulfato e um sistema de duas fases alimentado com água residuária acidificada. Em todos os casos foram utilizados reatores anaeróbios de leito estruturado, aplicada condições termofílica de temperatura (55°C). Para o sistema de primeira fase, dois reatores com diferentes materiais foram comparados: reator com cilindros de polietileno de baixa densidade (RAS-PEBD) com cinco etapas de operação (13 subetapas) e outro reator com cubos de espuma de poliuretano (RAS-PU) com quatro etapas de operação. As principais estratégias operacionais para otimização da redução do sulfato a variação do tempo de detenção hidráulica (TDH: 6-15 h RAS-PEBD; 12 - 16 h RAS-PU ), carga orgânica volumétrica (COVafl: 10 - 20,0 kg-DQO m-3 d-1 - RAS-PEBD; 15 - 20 kg-DQO m-3 d-1 - RAS-PU), carga de sulfato volumétrica (CSV: 3,2-16,0 kg-SO4 m-3 d-1 - RAS-PEBD; 4 - 8 kg-SO4 m-3 d-1 - RAS-PU) e velocidade ascensional (Va: 0,06 3,35 m h-1 - RAS-PEBD; 3,42 7,9 m h-1 - RAS-PU). Após longo período de adaptação da biomassa no RAS-PEBD, verificou-se o aumento da eficiência e stripping do sulfeto. A recirculação controlada do efluente foi um fator chave para melhoria do sistema. O mesmo não foi obtido em RAS-PU, apresentando perda de desempenho devido a problemas de colmatação e subsequente aparecimento de vias preferenciais. O efluente do reator de primeira fase com carga de sulfato residual menor que 7% (COVefl de 15,12 kg-DQO m-3d-1 e sulfeto de 256 mg L-1, subetapa X) foi aplicado em reator metanogênico de segunda fase (RMI). Considerando a comparação entre os sistemas metanogênicos, fixou-se uma carga orgânica (CO) inicial de 2,5 g-DQO d-1, sendo aumentada até 5 g d-1. A partida do reator de fase única apresentou limitações, requerendo aplicação de baixos valores de CO, o que demandou 140 dias até a estabilização para a carga de 5 g-DQO d-1. Por sua vez, o sistema com duas fases necessitou de 102 dias e apresentou maior geração de metano (RMI 1,95 L-CH4 d-1 e RMII 1,76 L-CH4 d-1). A separação de fases permitiu a geração de efluente acidificado com menores concentrações de sulfato residual, resultando em maior produção de metano e reduzida concentração de sulfeto no biogás no sistema de duas fases, quando comparado ao sistema de fase única.
Título em inglês
Thermophilic acidogenic/sulfidogenic reactor followed by methanogenic reactor to treat sulfate-rich wastewater
Palavras-chave em inglês
Methane production
Phase separation
Sulfide
Sulfidogenese in acid phase
Resumo em inglês
The treatment of sulfate-rich wastewater via anaerobic processes is challenging, due to the potential biological sulfate reduction to sulfide, which limits biogas use and affect treatment performance due to toxic and inhibitory effects. In this context, this study investigated the potential application of phase separation to minimize such operating problems. The operation of the first-stage reactor aimed to establish a sulfidogenic environment under acidogenic conditions. The effects of pre-acidifying the wastewater over methane production was further assessed through monitoring two methanogenic reactors, i.e., one single-phased system fed with raw sulfate-rich wastewater and one two-phased system fed with acidified wastewater. In all cases anaerobic structured-bed reactors were used as well as thermophilic temperature conditions were applied (55ºC). For the first-phase system, two reactors with different materials were compared: reactor with low density polyethylene cylinders (RAS-PEBD) with five operating steps (13 sub-stages) and another reactor with polyurethane foam cubes (RAS-PU) with four operating steps. The main operational strategies for the optimization of sulfate reduction were the variation of hydraulic retention time (HRT: 6-15 h RAS-PEBD; 12-16 h RAS-PU:), organic loading rate (OLRinfl: 10-20 kg-COD m-3 d-1 - RAS-PEBD; 15-20 kg-COD m-3 d-1 - RAS-PU), sulfate loading rate (SLR: 3.2-16.0 kg-SO4 m-3 d-1 - RAS-PEBD; 4 - 8 kg-SO4 m-3 d-1 RAS-PU), and upflow velocity (Vu: 0.06 - 3.35 m h-1 - RAS-PEBD ; 3.42-7.9 m h-1-RAS-PU). After a long period of biomass adaptation in RAS-PEBD, increasing efficiency patterns and sulfide stripping were observed. Controlling effluent recirculation was the key-factor to improve system performance. The same pattern was not obtained in RAS-PU, which presented performance losses due to clogging-related problems and the subsequent establishment of preferential pathways. The effluent from the first-phase reactor with residual sulfate load rate of less than 7% (OLRefl of 15.12 kg m-3 d-1 and sulfide of 256 mg L-1, sub-step X) was applied to a second-phase methanogenic reactor. Considering the comparison between the methanogenic systems, an initial organic load (OL) of 2.5 g-COD d-1 was set, which was further increased up to 5 g d-1. The start-up of the single-phase reactor presented limitations, requiring the application of lower OL values, in order to require 140 days up to the stabilization of the load of 5 g-COD d-1. In turn, the two-phase system required 102 days and presented higher methane generation rates metano (RMI 1,95 L-CH4 d-1 and RMII 1,76 L-CH4 d-1). Phase separation enabled the generation of an acidified effluent with lower residual sulfate concentrations, leading to higher methane production and low sulfide concentration in the biogas in the two-phase system, when compared to the single phase system.
 
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Data de Publicação
2019-03-22
 
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