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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.18.2019.tde-20032019-143339
Document
Author
Full name
Vera Tainá Franco Vidal Mota
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2018
Supervisor
Committee
Zaiat, Marcelo (President)
Cammarota, Magali Christe
Jeison Núñes, David Alejandro
Silva, Edson Luiz
Von Sperling, Marcos
Title in Portuguese
Produção de hidrogênio em condições extremamente ácidas e avaliação do desempenho e recuperação de energia em sistemas de tratamento de dois estágios (acidogênico-metanogênico)
Keywords in Portuguese
Biorreator com membranas anaeróbio
Hidrogênio
Metano
pH
Reator de leito fixo estruturado
Tratamento anaeróbio em dois estágios
UASB
Abstract in Portuguese
A presente pesquisa teve por objetivo avaliar a produção biológica de hidrogênio em longo prazo, e os impactos da separação das principais etapas da digestão anaeróbia, acidogênese e metanogênese, sobre a eficiência do tratamento em reatores de leito fixo estruturado e sobre o desempenho da filtração em biorreatores com membrana. O efluente utilizado foi à base de sacarose e a temperatura foi mantida em 30ºC. Na primeira etapa experimental, avaliou-se a produção de H2 em três configurações de reatores: leito fixo estruturado (FB), UASB granular (UG) e UASB floculento (UF-1). Na segunda etapa experimental, um reator UASB acidogênico (UF-2) foi combinado a um reator metanogênico de leito fixo estruturado (RM). Um reator de estágio único de leito fixo estruturado (RU) foi operado em paralelo. Na última etapa experimental, foram avaliados dois biorreatores anaeróbios conjugados com módulos externos de membranas tubulares, nomeadamente 1-AnMBR, que foi alimentado com efluente bruto, e 2-AnMBR, que foi alimentado com efluente acidificado. Na primeira etapa, sob um TDH de 3,3 h (COV = 33 gDQO.L-1d-1), os reatores FB, UG e UF-1 apresentaram produção de H2 contínua, porém instável, com rendimentos de aprox. 1,5, 0,8 e 1,2 molH2.mol-1sacaroseconsumida, respectivamente. O reator UF-1 apresentou uma estabilidade relativamente melhor e, por isso, esta configuração foi utilizada nos experimentos seguintes. No reator UF-2, aumentou-se o TDH para 4,6 h (COV = 25 gDQO.L-1d-1), o que significativamente promoveu a melhoria do desempenho. Nenhum alcalinizante foi adicionado e o pH do efluente permaneceu em torno de apenas 2,7. Contudo, uma produção de H2 contínua, estável e por longa duração foi atingida, de 175 mLH2.L-1h-1 (= 4,2 LH2.L-1d-1), com rendimento de 3,4 molH2.mol-1sacaroseconsumida, concomitante com a produção de ácido acético e etanol. Nos reatores metanogênicos, o TDH aplicado foi gradativamente reduzido (53-18 h no RM e 56-23 h no RU). Após os sistemas atingirem estabilidade, os valores de DQO permaneceram inferiores no efluente do RM, sobretudo pela redução da concentração de SSV, equivalente a 92 mg.L-1, enquanto que no RU essa concentração foi de 244 mg.L-1. No final da operação, o rendimento energético do sistema de dois estágios foi de 20,69 kJ.g-1DQOadicionada, sendo 90% proveniente do CH4 e 10% do H2. Este rendimento foi 34% maior do que o obtido no reator de estágio único, que foi de 15,48 kJ.g-1DQOadicionada. Por fim, avaliando-se o desempenho da filtração nos biorreatores com membrana, verificou-se que a permeabilidade operacional foi, na maior parte do tempo, superior no 2-AnMBR. A pré-acidificação do efluente levou à redução de cerca de 56-59% na concentração de sólidos voláteis suspensos e totais no 2-AnMBR e à modificação no perfil do tamanho das partículas. No 1-AnMBR, porém, não havia partículas de pequenas dimensões, tais quais encontradas no reator acidogênico, indicando reduzido crescimento suspenso de bactérias acidogênicas. Embora os valores de fluxo crítico tenham sido muito semelhantes para ambos os AnMBR, testes de resistência específica da torta indicaram maior resistência do lodo do 1-AnMBR (1,02 x 1018 m-1), comparado ao lodo do 2-AnMBR (1,03 x 1012 m-1) e ao lodo acidogênico (7,44 x 1011 m-1). Portanto, essa pesquisa demonstrou, por meio da aplicação do tratamento anaeróbio em dois estágios, a viabilidade da produção contínua de hidrogênio em pH extremamente ácido e com mínimos requerimentos operacionais, a redução da concentração de sólidos suspensos no efluente de reatores de leito fixo estruturado, o potencial de aumento da recuperação de bioenergia e de redução da incrustação em membranas de ultrafiltração.
Title in English
Hydrogen production in extreme acid conditions and evaluation of performance and energy recovery potential in two-stage treatment systems (acidogenic methanogenic)
Keywords in English
Anaerobic membrane bioreactor
Hydrogen
Methane
pH
Structured fixed-bed reactor
Two-stage anaerobic treatment
UASB
Abstract in English
This study assessed long-term hydrogen production and the impacts of separating the main stages of anaerobic digestion (acidogenesis and methanogenesis) on treatment efficiency in structured fixed-bed reactors and on filtration performance in anaerobic membrane bioreactors. Sucrose based wastewater was used and the temperature was maintained at 30°C. In the first experimental phase, H2 production was evaluated in three different acidogenic reactors: structured fixed-bed (FB), granular UASB (UG) and flocculated UASB (UF-1). In the second experimental phase, an acidogenic UASB reactor (UF-2) was combined with a structured fixedbed methanogenic reactor (RM). A single-stage structured fixed-bed reactor (RU) was operated in parallel. In the last experimental phase, two sidestream anaerobic membrane bioreactors were evaluated: 1-AnMBR, which was fed with raw effluent; and, 2-AnMBR, which was fed with biologically acidified effluent. During the first operational phase, under an HRT of 3.3 h (OLR = 33 gCOD.L-1d-1), the FB, UG and UF-1 reactors showed continuous but unstable H2 production, with yields of approximately 1.5, 0.8 and 1.2 molH2.mol-1sucroseconsumed, respectively. The UF-1 reactor showed relatively better stability; therefore, this configuration was used in the next experiments. In the UF-2 reactor, the HRT was increased to 4.6 h (OLR = 25 gCOD.L-1d-1), which significantly improved the overall performance. No alkalizing agent was added, and effluent pH values remained around only 2.7. However, continuous, stable and long-term H2 production was achieved of 175 mLH2.L-1h-1 (= 4.2 LH2.L-1h-1), with yields of 3.4 molH2.mol-1sucroseconsumed, concomitant with acetic acid and ethanol production. In the methanogenic reactors, the HRT was gradually reduced and, when the systems reached stability, COD values remained lower in the RM effluent. This was mainly due to the reduction of VSS concentrations, equivalent to 92 mg.L-1, while in the RU this value was 244 mg.L-1. At the end of the operation, the energy yield of the two-stage system was 20.69 kJ.g-1CODadded with 90% coming from CH4 and 10% from H2. This yield was 34% greater than that obtained in the single-stage system, which was 15.48 kJ.g-1CODadded. Finally, regarding the filtration performance in the membrane bioreactors, the operational permeability was higher in the 2- AnMBR most of the time. The pre-acidification of the effluent led to the 56-59% reduction in the volatile total and suspended solid concentrations, and to modification in the particle size profile in the 2-AnMBR. Nevertheless, in the 1-AnMBR, there were no small particles such as were found in the sludge of the acidogenic reactor, indicating less suspended growth of acidogenic biomass. Although the critical flux values were very similar for both AnMBRs, a higher specific cake resistance was verified in the 1-AnMBR sludge (1.02 x 1018 m-1), as compared to the 2-AnMBR sludge (1.03 x 1012 m-1) and to the acidogenic sludge (7.44 x 1011m-1
 
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Publishing Date
2019-04-02
 
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