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Dissertação de Mestrado
DOI
https://doi.org/10.11606/D.18.2022.tde-24032023-152656
Documento
Autor
Nome completo
Lia Paula Poloni Batista
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2022
Orientador
Banca examinadora
Rodrigues, José Alberto Domingues (Presidente)
Gomes, Simone Damasceno
Souza, Theo Syrto Octavio de
Título em português
Produção de metano em AnSBBR termofílico tratando efluente da produção termofílica de hidrogênio a partir de soro
Palavras-chave em português
AnSBBR
dois estágios
estágio único
metano
termofílico
tratamento
Resumo em português
A divisão dos processos de digestão anaeróbia em dois reatores pode ser biologicamente vantajosa, pois os dois principais grupos de microrganismos, acidogênicos metanogênicos, apresentam características diferentes. Nesse contexto, esse trabalho estudou a produção de metano em reator anaeróbio operado em batelada e batelada alimentada sequenciais com biomassa imobilizada (AnSBBR) e agitação mecânica tratando efluente proveniente de um processo de produção de hidrogênio utilizando soro. Além disso, foi estudada a comparação do processo de digestão anaeróbia realizado em dois estágios e em estágio único, considerando aspectos fundamentais e tecnológicos: influência da estratégia de alimentação (batelada e batelada alimentada), tempo de ciclo (4, 6 e 8 h), carga orgânica volumétrica aplicada (3,0 a 15,0 gDQO.L-1.d-1), e temperatura (55, 50, 45 e 35 °C). Os melhores resultados ocorreram na operação em batelada alimentada, com tempo de ciclo de 6 h, carga orgânica de 15,0 gDQO.L-1.d-1 e temperatura de 55°C, alcançando eficiência de remoção de 96%, produtividade de metano de 142,9 molCH4.m-3.d-1 e rendimento de metano produzido por matéria orgânica consumida de 10,3 molCH4.kgDQO-1, verificando-se que a combinação de temperatura, concentrações de ácidos e hidrogênio, favoreceram os aspectos estequiométricos, cinéticos e termodinâmicos. A energia produzida pelo tratamento de soro de uma indústria de laticínios foi estimada no estudo de aspectos tecnológicos, sendo proposto um sistema de 3 reatores operando em paralelo (40,9 m3) que produz hidrogênio continuamente, seguido por outros 3 reatores (3,96 m3), também em paralelo, para produzir metano a partir do efluente dos reatores acidogênicos, cujo rendimento energético total seria de 5,14 MJ.kgDQOremovidos-1, suprindo 12,3% da demanda energética requerida pela indústria de laticínios. O custo desse sistema foi calculado em R$ 2.630.839,00 e apresentaria uma economia mensal (utilizando o hidrogênio e o metano em substituição ao GLP) de R$ 55.616,00. Para um sistema em estágio único, foi proposto um sistema de 4 reatores operando em paralelo (20,0 m3) para produzir metano, cujo rendimento energético seria de 9,89 MJ.kgDQOremovidos-1, suprindo 23,5 % a demanda energética requerida pela indústria de laticínios. O custo desse sistema foi calculado em R$ 1.396.288,00 e apresentaria uma economia mensal (utilizando o metano em substituição 10 ao GLP) de R$ 106.670,00. Dessa forma, o sistema de estágio único foi considerado como a melhor escolha para tratamento de soro e recuperação de energia, ressaltando que tal resultado vale para as condições admitidas nesse estudo.
Título em inglês
Methane production in thermophilic AnSBBR treating effluent from thermophilic hydrogen production from whey
Palavras-chave em inglês
AnSBBR
methane
single stage
thermophilic
treatment
two stages
Resumo em inglês
The division of anaerobic digestion processes in two reactors can be biologically advantageous, since the two main groups of microorganisms, acidogenic and methanogenic, have different characteristics. In this context, this work studied the production of methane in an anaerobic reactor operated in sequential batch and fed batch with immobilized biomass (AnSBBR) and mechanical agitation treating effluent from a hydrogen production process using whey. In addition, the comparison of the anaerobic digestion process carried out in two stages and in a single stage was studied, considering fundamental and technological aspects: influence of the feeding strategy (batch and fed batch), cycle time (4, 6 and 8 h), applied volumetric organic load (3.0 to 15.0 gCOD.L-1.d-1), and temperature (55, 50, 45 and 35 °C). The best results occurred in the fed-batch operation, with a cycle time of 6 h, an organic load of 15.0 gCOD.L-1.d-1 and a temperature of 55 °C, reaching a removal efficiency of 96%, productivity of methane of 142.9 molCH4.m-3.d-1 and yield of methane produced by consumed organic matter of 10.3 molCH4.kgCOD-1, verifying that the combination of temperature, concentrations of acids and hydrogen, favored the stoichiometric, kinetic and thermodynamic aspects. The energy produced by the whey treatment of a dairy industry was estimated in the study of technological aspects, being proposed a system of 3 reactors operating in parallel (40.9 m3) that produces hydrogen continuously, followed by another 3 reactors (3.96 m3), also in parallel, to produce methane from the effluent of the acidogenic reactors, whose total energy yield would be 5.14 MJ.kgCOD removed-1 , supplying 12.3% of the energy demand required by the dairy industry. The cost of this system was calculated at R$ 2,630,839.00 and would present a monthly savings (using hydrogen and methane instead of LPG) of R$ 55,616.00. For a single-stage system, a system of 4 reactors operating in parallel (20.0 m3) was proposed to produce methane, whose energy yield would be 9.89 MJ.kgCOD removed-1, supplying 23.5 % of the energy demand. required by the dairy industry. The cost of this system was calculated at U$$ 249,337.00 and would present a monthly savings (using methane instead of LPG) of U$$ 19,048.00. Thus, the single-stage system was considered the best choice for serum treatment and energy recovery, emphasizing that this result is valid for the conditions admitted in this study.
 
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Data de Publicação
2023-03-27
 
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