Produção de metano e ácidos orgânicos a partir da digestão anaeróbia da vinhaça

Abstract

Atualmente, a vinhaça (principal resíduo da produção de etanol) é utilizada na fertirrigação por ser rica em nutrientes. Por outro lado, a vinhaça possui elevado teor de matéria orgânica e pH ácido, o que pode ocasionar riscos ambientais caso seja aplicada de maneira incorreta. Uma forma de minimizar este risco é o tratamento por meio da digestão anaeróbia, com o qual é possível gerar produtos de valor agregado (biogás e/ou ácidos orgânicos), e obter um efluente final apto para a fertirrigação (por conter os nutrientes desejados) com menor risco de contaminação ambiental. Assim, este trabalho teve dois objetivos principais: i) avaliar diferentes compostos como agentes tamponantes para viabilizar a geração de biogás com digestão anaeróbia da vinhaça e, ii) avaliar a produção de ácidos orgânicos voláteis com valor agregado, intermediários da digestão anaeróbia da vinhaça. Para alcançar os objetivos, foram realizados experimentos distintos, todos em condições mesofílicas. O primeiro teste avaliou a utilização do sobrenadante resultante do cultivo de microalgas como regulador do pH na digestão anaeróbia da vinhaça, bem como o uso da suspensão de microalgas, em co-digestão com a vinhaça. Após foram realizados dois experimentos, um contínuo com um reator UASB (com pré-teste determinar as condições ser empregadas) e outro em bateladas, utilizando ureia e bicarbonato de sódio como compostos de tamponamento. A fim de avaliar a possibilidade produzir de ácidos orgânicos intermédios com valor agregado, foram realizados testes para verificar o efeito do pH (usando NaHCO3), e a possibilidade gerar ácidos de cadeia média (pelo alongamento de cadeia) com adição de etanol. Com os resultados obtidos em relação à produção de metano, a hipótese de se utilizar o sobrenadante do cultivo de microalgas e a suspensão das microalgas como agentes tamponantes mostrou-se inviável, visto que o mesmo não possui alcalinidade suficiente para elevar o pH e tamponar o sistema. Por outro lado, o pré-teste realizado com ureia, mostrou que a relação de 0,22 gUREIA.gDQO-1 pode ser utilizada durante a digestão da vinhaça sem riscos ao sistema. Assim, esta concentração foi aplicada no reator UASB. Na 1ª etapa de operação do reator utilizou-se ureia e NaHCO3, nesta etapa o pH se manteve neutro e estável, favorecendo a produção de biogás e remoção de DQO (≈85%). Por outro lado, na 2ª etapa, realizada somente com ureia, mesmo mantendo o pH neutro, houve uma redução no percentual de remoção de DQO para ≈43%, com acúmulo de AGVs e consequente queda na produção de biogás. Uma das causas desta instabilidade pode ser a baixa concentração de alcalinidade bicarbonato disponível no meio, aliada a uma possível alteração nos microrganismos presentes na biomassa, especialmente nas produtoras de metano que podem ser dependentes do NaHCO3. No segundo teste em bateladas, com a realização da identificação das arqueas presentes na biomassa, pode-se comprovar que a eficiência da ureia na digestão anaeróbia da vinhaça está relacionada às características dos microrganismos presentes (visto que alguns gêneros são mais sensíveis), juntamente com a formação de alcalinidade bicarbonato e a concentração e de ácidos acumulados no sistema. Com os resultados obtidos em relação à produção de ácidos, foi possível constatar que utilizando vinhaça, sem adição de algum composto, foram obtidos somente 38% do potencial total de formação de ácidos, com predomínio de ácidos de cadeia curta. Com o aumento do pH (pela dosagem de NaHCO3), o potencial de acidificação foi reduzido, visto que as condições tornase propicias para a produção de metano. Utilizando o etanol com a vinhaça, verificou-se que a maior formação de ácidos de cadeia média, em especial butírico, propiônico e capróico, foram proporcionais à relação de etanol e vinhaça utilizada, com maiores concentrações para relação 1:1.

Currently, vinasse (the main residue of ethanol production) is used in fertirrigation, as this effluent is rich in nutrients. However, vinasse has a high organic matter concentration and a low pH, meaning it can cause environmental risks if applied incorrectly. One way to reduce this risk is to treat the vinasse by means of anaerobic digestion, with which it is possible to generate value-added products like biogas and/or organic acids, as well as a final effluent suitable for fertigation (as the treated effluent will still contain the desired nutrients), with less risk of environmental contamination. This work had two main objectives: i) evaluate different compounds suitable for buffering to improve the anaerobic digestion of vinasse, and ii) evaluate the production of volatile organic acids, which are valuable intermediates produced during the anaerobic digestion of vinasse. In order to evaluate the different possibilities of buffering the anaerobic digestion of vinassem under mesophilic conditions, first a batch test was carried out using first the supernatant from microalgae cultivation, and second a suspension of microalgae as buffering, while later on two tests in were conducted, one in batch and another in a continuously operating UASB reactor, both using urea and sodium bicarbonate as buffering compounds. In order to evaluate the possibility to increase the production of value-added intermediate organic acids, batch experiments were performed to examine the effect of pH (using NaHCO3), and the possibility of chain extension of the intermediate fatty acids by means of addition of ethanol, also under mesophilic conditions. With respect to buffering the anaerobic digestion of vinasse, in order to improve methane production, the possibility of using the supernatant from microalgae cultivation or a suspension of microalgae for buffering of the system proved unfeasible since neither of these materials, although having a high pH, have sufficient alkalinity to raise the pH of the system. On the other hand, the tests with bicarbonate and urea addition showed that dosing 0.22 gUREA.gCOD-1 can be used for buiffering vinasse digestion without risk to the system. This concentration was then applied in a continuous experiment using a UASB reactor. In the 1st stage of reactor operation both urea and NaHCO3 were used, and the pH remained neutral and stable, with a biogas production and COD removal of around 85%. In the 2nd step, using only urea, although the pH remained neutral, a reduction in COD removal to ≈43% was observed, with VFAs accumulating and a reduction of the biogas production. One of the causes of these phenomena can be the low concentration of bicarbonate alkalinity available in the medium, together with a possible change in the microorganisms present in the biomass, especially the methanogenic organisms which may have become dependent on NaHCO3. A second batch test proved that the efficiency of using urea in the anaerobic digestion of vinasse is related to the characteristics of the organisms present (since some genres are more sensitive) along with the formation of bicarbonate alkalinity and the concentration of acids retained in the system. With the results obtained in the experiments carried out to study the production of volatile and intermediate chain fatty acids, we found that using vinasse without the addition of any buffering compound only 38% of the potential of acids formation was obtained, with predominance of short-chain acids. With the increase of pH (dosage NaHCO3), the potential to produce acids was reduced even further, since more neutral conditions are more favorable for the production of methane. Adding ethanol to the vinasse, an increased formation of medium chain carboxylic acids was observed, in particular production of butyric, propionic and caproic acid was proportional to the amount of ethanol added, with higher concentrations of these acids obtained at the 1: 1 vinasse:ethanol (in terms of COD) ratio.