Co-digestão anaeróbia de resíduos de natureza orgânica

Abstract

Com o desenvolvimento deste trabalho pretendeu-se estudar a aplicação do processo de tratamento por co-digestão anaeróbia a três tipos de resíduos orgânicos biodegradáveis com diferentes proveniências, existentes na região de Aveiro: lamas produzidas na estação de tratamento de efluentes líquidos de uma indústria de pasta para papel (LI); resíduos provenientes de uma exploração agro-pecuária (LA) e a fracção orgânica de resíduos sólidos urbanos (FORSU). O principal objectivo deste trabalho foi a optimização do processo de codigestão anaeróbia para o tratamento conjunto dos três resíduos orgânicos seleccionados. A tecnologia escolhida surge como uma opção de tratamento alternativa às soluções já existentes, dado que potencia a redução efectiva do volume desses resíduos e a sua aplicação directa na agricultura como fertilizante orgânico ou como corrector de solos, uma vez que este processo também promove a higienização dos resíduos. Para além disso, o biogás produzido pode ser utilizado como uma fonte de energia renovável, contribuindo para a protecção do ambiente e o desenvolvimento sustentável. Foram realizados ensaios de biodegradabilidade descontínuos onde se avaliou a influência de dois parâmetros no processo de co-digestão anaeróbia dos três resíduos: a composição da mistura e a temperatura de digestão. Assim, foram realizadas duas séries de ensaios, cada uma a duas temperaturas diferentes: ensaios mesofílicos (35ºC) e ensaios termofílicos (55ºC). Em cada série foram testadas 14 composições diferentes em termos das proporções dos três resíduos (FORSU, LI e LA). Os ensaios de biodegradabilidade efectuados demonstraram que os três tipos de resíduos podem ser co-digeridos anaerobiamente com sucesso. Os ensaios realizados permitiram constatar diferenças significativas no desempenho dos reactores em função da percentagem de FORSU na mistura. Dos três resíduos utilizados, a FORSU é o substrato mais biodegradável mas com um poder tampão mais reduzido. As lamas de agro-pecuária e as lamas industriais apresentam uma biodegradabilidade semelhante e muito mais baixa do que a biodegradabilidade da FORSU. O resíduo que mais influencia a produção de metano e a remoção de matéria orgânica é a FORSU. No entanto, a adição de lamas de agro-pecuária e principalmente de lamas industriais tem um efeito estabilizador no desempenho dos reactores descontínuos, dada a necessidade de adicionar menores quantidades de alcalinidade para não haver abaixamento de pH e/ou aumento da concentração de ácidos orgânicos voláteis (AOV’s) para níveis inibitórios. A adição controlada de alcalinidade artificial é um factor chave no sucesso do arranque e funcionamento de reactores descontínuos e na estabilidade de todo o processo de co-digestão.A utilização das superfícies de resposta obtidas neste trabalho desempenhou um papel importante na previsão e na selecção da razão de mistura óptima para os três resíduos em ensaios de codigestão anaeróbia. Através delas, foi possível concluir que, independentemente da temperatura de operação, para além da FORSU, os resíduos que mais beneficiam a produção de metano são as lamas industriais (LI). Em condições mesofílicas, as misturas binárias constituídas por FORSU e LI são também as que promovem uma maior remoção de matéria orgânica. No entanto, para condições termofílicas a redução de sólidos é ligeiramente mais elevada (até 5%) para as misturas que apenas incluem FORSU e lamas de agro-pecuária (LA). Em condições mesofílicas a produção de metano e a remoção de sólidos totais voláteis (STV) atingem o valor máximo para a mistura constituída por 77% de FORSU e 23% de LI (211 m3 CH4/tonSTVmistura e 65%, respectivamente). Em condições termofílicas a produção de metano é maximizada para a mistura com 100% de FORSU (308 m3 CH4/tonSTVmistura); para a remoção STV obtém-se o valor óptimo para a mistura constituída por 89% de FORSU e 11% de LA (59%). As misturas que apresentam melhores resultados em termos de produção específica de metano e de remoção de matéria orgânica, quer para condições mesofílicas quer para condições termofílicas, são as misturas constituídas por elevada percentagem de FORSU, entre 75% e 90%. A operação em condições termofílicas favorece a produção de metano, mas não tem uma influência significativa sobre a remoção de matéria orgânica comparativamente com a operação em condições mesofílicas. As misturas com percentagem de FORSU entre 60% e 75%, apesar de não permitirem um desempenho tão eficiente em termos de produção e metano e remoção de matéria orgânica permitem uma operação mais estável dos digestores anaeróbios e não exigem a adição de quantidades tão elevadas de alcalinidade artificial. Para percentagens de FORSU na mistura superiores a 60%, a produção específica de metano em condições mesofílicas é superior a 160 m3 CH4/tonSTVmistura, podendo alcançar um máximo de 200 m3 CH4/tonSTVmistura para percentagens de FORSU na mistura próximas de 100%. Em condições termofílicas, para percentagens superiores a 60% de FORSU a produção é superior a 200 m3 CH4/tonSTVmistura, podendo chegar ao valor de 300 m3 CH4/tonSTVmistura para as fracções mais elevadas de FORSU (entre 90% e 100%). Para ambas as temperaturas, a remoção de matéria orgânica varia entre 50% e 65% para as misturas com percentagem de FORSU superior a 60%.

ABSTRACT: This study attempted essentially on the evaluation of anaerobic co-digestion process to the treatment of three types of organic solid wastes with different proveniences: residual sludge from a wastewater treatment plant of a pulp and paper industry (IS), cattle manure (CM) and the organic fraction of municipal solid waste (OFMSW). The main objective of this study was the optimization of the anaerobic codigestion process for the treatment of these three organic wastes. The selection of this process appears like an alternative solution to the techniques that already exist and are implemented since it promotes the reduction of the volume of wastes, its direct application in agriculture as a fertilizer or as a soil conditioner, and the production of biogas that may be used as an alternative energy, promoting the protection of environment and a sustainable development. To accomplish this objective, discontinuous biodegradability essays were carried out in order to establish the influence of two different parameters on the anaerobic co-digestion process of the three organic wastes: the digestion temperature and the mixture composition. Two series of fourteen different mixtures each, in terms of various portions of the three wastes (OFMSW, IS and CM), were tested at two different temperature conditions: mesophilic conditions (35ºC) and thermophilic conditions (55ºC). From the results obtained in the biodegradability essays it was possible to conclude that the three organic solid wastes may be co-digested successfully. According to the amount of OFMSW present in the mixture of wastes, the performance of the digesters is different. From the three types of wastes, OFMSW is the one that presented the highest biodegradability but the lowest buffer capacity. Cattle manure and industrial sludge presented a very similar biodegradability, although much lower than OFMSW biodegradability. OFMSW is the waste that has the major influence on the methane production and organic matter removal. However the addiction of CM and specially IS to OFMSW seems to have a stabilization effect on the performance of batch digesters, due to the need of addition of lower quantities of alkalinity to avoid the drop of pH and the increase in concentration of volatile fatty acids (VFA) to levels that may cause inhibition to the methanogenic activity. The controlled addition of artificial alkalinity is a key factor on the success of batch reactors start-up and in the stability of the anaerobic digestion process. The use of the response surfaces obtained in this study played a very important role on the prediction and selection of the composition of the mixture of wastes that optimize the anaerobic co-digestion process. With the results achieved with the response surfaces was possible to conclude that, besides the OFMSW, the IS is the organic solid waste that has the major contribution in the methane production. In mesophilic conditions the binary mixtures composed by OFMSW and IS are also the ones that present the best results in terms of organic matter removal. However, in thermophilic conditions, the reduction of organic matter is slightly higher for the mixtures of only OFMSW and CM. In mesophilic conditions, the methane production and the total volatile solids (TVS) reduction reach its maximum value for the binary mixture with 77% of OFMSW and 23% of IS (211 m3 CH4/tonTVSadded and 65%, respectively). In thermophilic conditions the mixture that optimizes the specific methane production includes 100% of OFMSW (308 m3 CH4/tonTVSadded) and the optimal mixture for TVS removal consists in 89% of OFMSW and 11% of CM (59%): Mixtures with OFMSW between 75% and 90% were the ones that presented the best performance in terms of methane production and organic matter removal for both mesophilic and thermophilic conditions. The operation in thermophilic conditions improves the methane production, but doesn’t seem to have a significant effect on the organic matter removal. Mixtures with a range of OFMSW between 60% and 75% allow a more stable operation of the anaerobic digesters but the performance of the anaerobic codigestion process is lower than the one achieved for the mixtures with higher proportions of OFMSW. In mesophilic conditions, for OFMSW percentages in the mixture higher than 60%, the specific methane production is higher to 160 m3 CH4/tonTVSadded reaching the value of 200 m3 CH4/tonTVSadded for mixtures with a proportion of OFMSW near to 100%. In thermophilic conditions, for OFMSW percentages in the mixture of wastes higher than 60%, the methane production is higher than 200 m3 CH4/tonTVSadded and can go up to 300 m3 CH4/tonTVSadded for the higher fractions of OFMSW in the mixture (between 90% and 100%). For both temperatures tested, the organic matter reduction varies between 50% and 65% for mixtures that include in the composition more than 60% of OFMSW in composition.