Avaliação da etapa hidrolítica-acidogênica da digestão anaeróbia de resíduos alimentares em sistema de dois estágios

Abstract

A destinação de resíduos sólidos orgânicos para aterros sanitários demanda altos custos financeiros de gerenciamento e tratamento devido à geração de gases de efeito estufa e lixiviado. Sistemas anaeróbios apresentam-se como alternativas ambientalmente adequadas para o tratamento e recuperação energética desses resíduos devido aos importantes produtos finais (biogás e digestato). Sistemas operados em dois estágios permitem a separação das fases da digestão anaeróbia, possibilitando o controle das condições ótimas requeridas em cada etapa. Esta pesquisa tem como objetivo avaliar a influência do tempo de detenção hidráulica (TDH) e da carga orgânica volumétrica (COV) na performance da fase hidrolítica-acidogênica de um sistema de metanização de dois estágios que utiliza como substrato a mistura de resíduo alimentar (RA) e resíduo de jardinagem (RJ). O experimento foi realizado em um reator acidogênico piloto completamente agitado em temperatura mesofílica (35º C), regime de alimentação semi-contínuo (1 vez ao dia) e sem controle de pH. A realização de um ensaio em bancada determinou condições operacionais iniciais de TDH 2 dias e COV 1 Kg.STV.m-3.d-1. Durante a operação do reator piloto, foram avaliadas as COV: 1 e 1,5 Kg.STV.m-3.d-1 para TDH 2 dias; e 2, 3 e 4 Kg.STV.m-3.d-1 para TDH 2 e 3 dias. A maior concentração de ácidos graxos voláteis (AGV) totais (12957 mg.L-1) foi obtida no menor TDH (2 dias) e maior COV (4 Kg.STV.m-3.d-1) avaliados. O nitrogênio total Kjeldahl (NTK) apresentou influência direta na produção de ácido valérico em relação aos demais AGV. No TDH 2 dias, (concentração NTK máxima de 196 mg.L-1), o percentual de ácido valérico diminuiu de 38 para 27% e percentual do ácido acético aumentou de 2 para 11%, com o aumento da COV de 1 para 4 Kg.STV.m-3.d-1. No TDH 3 dias (concentração NTK máxima de 196 mg.L-1), o percentual de ácido valérico aumentou de 50 para 60% e o percentual do ácido acético permaneceu menor que 1%. Apesar da alta concentração de NTK, a concentração máxima de nitrogênio amoniacal foi baixa (19 mg.L-1) e não apresentou toxicidade ao sistema. O rendimento de hidrólise apresentou resultado máximo (51%) no menor TDH e maior COV, concordando com a produção de AGV totais obtidos nas análises de cromatografia gasosa. O grau de acidificação foi influenciado principalmente pelo TDH, sendo o maior resultado (31%) obtido para o menor TDH e menor COV. Os ácidos valérico, butírico, propiônico e, em menor concentração, o acético foram comumente produzidos. O reator acidogênico apresentou-se como uma boa alternativa para o controle e seleção dos AGV gerados durante a primeira etapa da digestão anaeróbia de RA e RJ.

Abstract: The allocation of organic solid waste to landfills requires high management and treatment costs due to the greenhouse gases and leachate generation. Anaerobic systems are presented as environmentally adequate alternatives for the treatment and energy recovery of these residues due to the important end products (biogas and digestate). Two stage sistems allow the anaerobic digestion phases separation, providing the optimum conditions control required in each stage. The aim of this research was to evaluate the influence of hydraulic detention time (HRT) and organic loading rate (OLR) on the hydrolytic-acidogenic phase performance of two-stage anaerobic system using the mixture of food waste (FW) and gardening waste (GW) as substrate. The experiment was developed in a completely stirred pilot acidogenic reactor in mesophilic temperature (35ºC) and semi-continuous feeding regime (once daily). A bench test determined initial operating conditions of HRT 2 days and OLR 1,0 Kg.TVS.m-3.d-1. During the operation of the pilot reactor, the OLR were evaluated: 1 and 1,5 Kg.TVS.m-3.d-1 for HRT 2 days, and 2, 3 and 4 Kg.TVS.m-3.d-1 for HRT 2 and 3 days. The highest concentration of Total Volatile Fatty acids (VFA) (12957 mg.L-1) was obtained in the lowest HRT (2 days) and highest OLR evaluated (4 Kg.TVS.m-3.d-1). The Total Kjeldahl Nitrogen (TKN) had a direct influence on the valeric acid production comparing with others VFA. In HRT 2 days (TKN concentration 196 mg.L-1) valeric acid percentage decreased from 38 to 27% and acetic acid increased from 2 to 11%, with an increase in OLR from 1 to 4 Kg.TVs.m-3.d-1. In TDH 3 days (maximum concentration TKN 196 mg.L-1) valeric acid percentage increased from 50 to 60% with an increase in OLR from 2 to 4 Kg.TVS.m-3.d-1 and acetic acid percentage remained below 1%. Despite the high concentration of TKN, the maximum ammoniacal nitrogen concentration obtained was low (19 mg.L-1) and did not represented toxicity to the system. The hydrolysis degree presented a maximum result (51%) in the lowest HRT and higher OLR, agreeing with the total VFA production obtained in the gas chromatographic analyzes. The acidification degree was influenced mainly by HRT, and the highest result (31%) was obtained for lower HRT and lower OLR. Valeric, butyric, propionic and, in a lesser proportion, acetic acids were commonly produced. The acidogenic reactor was presented as a good alternative to the control and selection of the VFA generated during the first stage of the FW and GW anaerobic digestion.