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

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 9107 (2022) Cite este artigo

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Este estudo avaliou o potencial de produção de biogás e metano de lodo de efluente gerado na indústria de bebidas. A otimização do potencial de produção de biogás de um único digestor anaeróbico alimentado em batelada foi operada em diferentes temperaturas (25, 35 e 45 ℃), pH (5,5, 6,5, 7,5, 8,5 e 9,5) e taxa 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 efluentes de bebidas em termos de sólidos voláteis (SV) 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 VS e volume a 8,5, 35 ℃, 1:3 de pH ideal, 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, estimou-se 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 HRT ótimo (25 dias) em termos de produção de biogás e metano na temperatura ótima estava de acordo com os resultados experimentais. Assim, podemos concluir que o lodo de efluentes industriais de bebidas tem um enorme potencial para produção de biogás e eletrificação.

Atualmente, vários resíduos são reciclados de forma sustentável em produtos úteis, por exemplo, tijolos energeticamente eficientes1, embalagens2, uso agrícola3, e fazem 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 de efeito estufa, a produção de biogás por meio da digestão anaeróbica de várias matérias-primas, como culturas, resíduos e resíduos (resíduos industriais, agrícolas e municipais) desempenha um papel fundamental11. A produção de biogás a partir de lodos industriais tem várias vantagens. Além da produção sustentável de energia com biogás, tem também a vantagem de tratar resíduos orgânicos. Além disso, o desenvolvimento de técnicas atualizadas de biogás aumentará ainda mais a utilização do biogás para aplicações versáteis, inclusive no setor de cozimento e transporte12. A digestão anaeróbia 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 por cento de metano (CH4), 40 por cento 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 afligem nações subdesenvolvidas e em desenvolvimento (ou seja, gerenciamento de energia e resíduos), ao mesmo tempo em que aumenta 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 calor e energia combinados (CHP) e iluminação durante os processos de produção. Os sistemas de biogás com biogás de boa qualidade podem ser usados ​​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 litros de águas residuais que passam diariamente pelas estações de tratamento contêm centenas de toneladas de biossólidos. Segundo relatório da USEPA (1979), os biossólidos geram biogás por meio da digestão anaeróbica, podendo ser produzidos 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 sua utilização para aplicações energéticas ainda são desafiadoras devido às complexas propriedades físicas e químicas dos resíduos orgânicos, que afetam as vias metabólicas e o conteúdo de metano. Conseqüentemente, a atenção se concentrou em oportunidades para melhorar ainda mais o rendimento e a qualidade do biogás18. Portanto, o lodo de águas residuais é a principal área 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 quebra 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 maior decomposição e degradação do material do lodo19,20.