Análise experimental e de simulação da produção de biogás a partir de lodo de águas residuais de bebidas para geração de eletricidade

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 9107 (2022) Citar este artigo

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Este estudo avaliou o potencial de produção de biogás e metano do lodo de águas residuais gerado na indústria de bebidas. A otimização do potencial de produção de biogás de um digestor anaeróbio de batelada alimentada única foi operada em diferentes temperaturas (25, 35 e 45 ℃), pH (5,5, 6,5, 7,5, 8,5 e 9,5) e proporção de alimentação orgânica (1 :3, 1:4, 1:5 e 1:6) com tempo de retenção hidráulica de 30 dias. A produtividade de metano e biogás do lodo de águas residuais de bebidas em termos de sólido volátil (VS) e volume foi determinada. A produção máxima de biogás (15,4 m3/g VS, 9,3 m3) e teor de metano (6,3 m3/g VS, 3,8 m3) foram obtidos em termos de SV e volume a 8,5, 35 ℃, 1:3 de pH ótimo, temperatura e taxa de carga orgânica, respectivamente. Além disso, o teor máximo de metano (7,4 m3/g VS, 4,4 m3) e o potencial de produção de biogás (17,9 m3/g VS, 10,8 m3) foram alcançados por dia à temperatura ambiente. O total de biogás e metano a 35 ℃ (30 dias) é de 44,3 e 10,8 m3/g VS, respectivamente, enquanto a 25 ℃ (48 dias) aumentou para 67,3 e 16,1 m3/g VS, respectivamente. Além disso, foi estimado o potencial de geração de eletricidade do biogás produzido em temperatura ambiente (22,1 kWh aos 24 dias) e temperatura ótima (18,9 kWh) aos 40 dias. O modelo simulado TDH ótimo (25 dias) em termos de produção de biogás e metano na temperatura ótima esteve em boa concordância com os resultados experimentais. Assim, podemos concluir que o lodo de efluentes industriais de bebidas tem um enorme potencial para produção e eletrificação de biogás.

Hoje em dia, vários resíduos são reciclados de forma sustentável em produtos úteis, por exemplo, tijolos energeticamente eficientes1, embalagens2, uso agrícola3, e produzem diferentes sistemas de bioenergia4,5, como bioetanol5,6, biodiesel7,8, biogás9 e produção de briquetes10. Para permitir o desenvolvimento sustentável do fornecimento de energia e mitigar as emissões de gases com efeito de estufa, a produção de biogás através da digestão anaeróbica a partir de diversas matérias-primas, tais como culturas, resíduos e resíduos (resíduos industriais, agrícolas e municipais) desempenha um papel fundamental11. A produção de biogás a partir de lodos industriais apresenta diversas vantagens. Além da produção sustentável de energia a partir de biogás, tem também a vantagem de tratar resíduos orgânicos. Além disso, o desenvolvimento de técnicas atualizadas de biogás impulsionará ainda mais a utilização do biogás para aplicações versáteis, incluindo no setor da cozinha e dos transportes12. A digestão anaeróbica é uma sequência do processo biológico pelo qual os microrganismos convertem matéria orgânica em biogás na ausência de oxigênio. O biogás é composto por aproximadamente 60% de metano (CH4), 40% de dióxido de carbono (CO2) e vestígios de outros gases, por exemplo, vapor de água (H2O) e sulfeto de hidrogênio (H2S). Assim, a digestão anaeróbica pode desempenhar um papel significativo na abordagem de todas as preocupações acima mencionadas que assolam as nações subdesenvolvidas e em desenvolvimento (ou seja, a gestão da energia e dos resíduos), aumentando simultaneamente a produtividade agrícola.

Nos estudos anteriores de Ngoc e Schnitzler (2009)13 e Goňo et al. (2013)14 relataram que o biogás produzido a partir da fermentação pode ser queimado para gerar energia combinada de calor e energia (CHP) e iluminação durante os processos de produção. Os sistemas de biogás com biogás de boa qualidade podem ser utilizados como fonte de eletricidade, o que é altamente benéfico para a proteção e o desenvolvimento ambiental. Os efluentes da indústria de alimentos e bebidas estão contaminados com metais tóxicos, que podem afetar negativamente a saúde humana como doenças agudas ou crônicas15,16. Os milhões de galões de águas residuais que passam diariamente pelas estações de tratamento contêm centenas de toneladas de biossólidos. De acordo com o relatório da USEPA (1979), os biossólidos geram biogás através da digestão anaeróbica, que pode produzir 55 a 70 por cento de metano e 25 a 30 por cento de dióxido de carbono17. No entanto, a produção de biogás a partir de resíduos de biomassa e a sua utilização para aplicações energéticas ainda constituem um desafio devido às complexas propriedades físicas e químicas dos resíduos orgânicos, que afetam as vias metabólicas e o teor de metano. Consequentemente, a atenção centrou-se nas oportunidades para melhorar ainda mais o rendimento e a qualidade do biogás18. Portanto, o lodo de águas residuais é a principal área de preocupação de pesquisa na comunidade científica, especialmente na indústria de alimentos e bebidas. De acordo com Sreekrishnan et al. (2004) relatam que a matéria-prima às vezes requer pré-tratamento para aumentar o rendimento de metano no processo de digestão anaeróbica16. O pré-tratamento decompõe a estrutura orgânica complexa em moléculas mais simples que são então mais suscetíveis à degradação microbiana. Além disso, o rendimento e o teor de metano no biogás podem ser aumentados pela utilização de produtos químicos (por exemplo, CaO2) durante o processo de pré-tratamento, o que permite uma maior decomposição e degradação do material de lamas19,20.