Valorização do lodo excedente do tratamento de esgoto e de dejeto bovino através da co-digestão anaeróbia e recuperação de amônia

Abstract

O crescimento populacional contínuo intensifica desafios globais, como o aumento na demanda por energia renovável e a maior geração de resíduos. Nesse contexto, a digestão anaeróbia se destaca como uma alternativa sustentável para o tratamento de resíduos e produção de combustível renovável, especialmente quando aplicada por meio da co-digestão anaeróbia, que combina diferentes substratos para elevar a produção de biogás, melhorar a estabilidade operacional e otimizar o balanço nutricional. O Brasil apresenta elevado potencial para a co-digestão devido à sua forte base agropecuária, aos grandes volumes de dejetos de bovinos, suínos e avícolas e à expansão das estações de tratamento de esgoto, que produzem consideráveis quantidades de lodo a serem manejados. O presente estudo teve como objetivo investigar a co-digestão anaeróbia do lodo de esgoto sanitário proveniente do tratamento secundário aeróbico com o esterco bovino proveniente de uma fazenda leiteira, a fim de aumentar a produção de biogás e recuperar a amônia resultante no digestato através da destilação por membranas. O Potencial Bioquímico de Produção de Biogás foi avaliado através do ensaio em batelada utilizando o teste de eudiômetros de acordo com a norma VDI 4630 (2006) e o ensaio semi-contínuo foi explorado através de um reator semi-contínuo em escala de bancada com progressão de carga. As frações de mistura investigadas nos ensaios de PBB foram de 100/0%, 80/20%, 60/40%, 40/60%, 20/80% e 0/100% (SV/SV) de lodo de esgoto e esterco bovino, respectivamente. Os parâmetros analisados foram pH, série de sólidos, alcalinidade e acidez e análise CHN. A recuperação de amônia foi analisada através da destilação com membranas utilizando membrana hidrofóbica PTFE na condição natural do pH da amostra e com o pH ajustado para 9,3. A codigestão anaeróbia apresentou desempenho superior à monodigestão, especialmente com a adição de 20% de esterco bovino (VS/VS), que resultou em um aumento de 53,07% no ganho de produção de biogás, alcançando um PBB padronizado de 260,97 ± 23,37 mL gSV?¹, em comparação com os 124,79 ± 28,47 mL gSV?¹ obtidos na digestão isolada do lodo de esgoto. Com base nesses resultados, a mistura 80/20 foi selecionada para o experimento semicontínuo, operado sob cargas orgânicas progressivas de 1,0; 1,5 e 2,0 kgSV m?³ d?¹, correspondentes aos TRHs de 23, 16 e 14 dias, respectivamente. O reator demonstrou estabilidade operacional em todas as condições aplicadas e atingiu um volume diário máximo de biogás de 816,99 mL/dia, com teor de metano de 75,94%, valor superior ao normalmente observado na monodigestão de lodo. A remoção de sólidos voláteis variou entre 14,35% e 27,99%, destacando-se o estágio intermediário (1,5 kgSV m?³ d?¹), no qual o processo apresentou maior eficiência de degradação. Na etapa de recuperação de nitrogênio, o sistema de destilação com membranas recuperação máxima de 34,38% de amônia em pH 9,3. De forma geral, o processo demonstrou elevado potencial dentro dos princípios da economia circular, uma vez que integra a produção de biogás com a geração de biofertilizante proveniente do digestato, além de favorecer a recuperação de nitrogênio como insumo agrícola.

Abstract: Continuous population growth intensifies global challenges, such as the increasing demand for renewable energy and higher waste generation. In this context, anaerobic digestion stands out as a sustainable alternative for waste treatment and renewable fuel production, especially when applied through anaerobic co-digestion, which combines different substrates to enhance biogas production, improve operational stability, and optimize nutrient balance. Brazil has high potential for co-digestion due to its strong agricultural base, the large volumes of cattle, swine, and poultry manure, and the expansion of wastewater treatment plants, which generate considerable amounts of sludge that require proper management. The aim of this study was to investigate the anaerobic co-digestion of sanitary sewage sludge from secondary treatment with cattle manure from a dairy farm in order to increase biogas production and recover ammonia from the digestate through membrane distillation. The Biochemical Biogas Potential was assessed through batch assays using eudiometer tests according to the VDI 4630 (2006) guideline, and the semi-continuous assay was conducted using a bench-scale reactor operated under progressive organic loading rates. The mixing ratios investigated were 100/0%, 80/20%, 60/40%, 40/60%, 20/80%, and 0/100% (VS/VS) of sewage sludge and cattle manure, respectively. The parameters analyzed were pH, solids content, alkalinity and acidity, and CHN analysis. Ammonia recovery was evaluated through membrane distillation using a hydrophobic PTFE membrane under the natural pH of the sample and with the pH adjusted to 9.3. Anaerobic co-digestion showed superior performance compared to mono-digestion, especially with the addition of 20% cattle manure (VS/VS), which resulted in a 53.07% increase in biogas production, reaching a BBP of 260.97 ± 23.37 mL gVS?¹, compared to 124.79 ± 28.47 mL gVS?¹ obtained in the isolated digestion of sewage sludge. Based on these results, the 80/20 mixture was selected for the semi-continuous experiment, operated under progressive organic loading rates of 1.0, 1.5, and 2.0 kgVS m?³ d?¹, corresponding to HRTs of 23, 16, and 14 days, respectively. The reactor demonstrated operational stability under all tested conditions and reached a maximum daily volume of 816.99 mL/day, with a methane content of 75.94%, a value higher than typically observed in sludge mono-digestion. Volatile solids removal ranged between 14.35% and 27.99%, with the intermediate stage (1.5 kgVS m?³ d?¹) showing the highest degradation efficiency. In the nitrogen recovery stage, the membrane distillation system achieved a maximum ammonia recovery of 34.38% at pH 9.3. Overall, the process demonstrated strong potential within circular economy principles, as it integrates biogas production with biofertilizer generation from the digestate and enables nitrogen recovery for agricultural use.