Produção de hidrogênio em condições extremamente ácidas e avaliação do desempenho e recuperação de energia em sistemas de tratamento de dois estágios (acidogênico-metanogênico)

Autor(es)

Vera Tainá Franco Vidal Mota

• Tipo de documento: Tese de Doutorado
• Imprenta: São Carlos.
• Instituição: Universidade de São Paulo (USP). Escola de Engenharia de São Carlos (EESC/SBD)
• Data de defesa: 2018-09-04

Membros da banca

Marcelo Zaiat; Magali Christe Cammarota; David Alejandro Jeison Núñes; Edson Luiz Silva; Marcos Von Sperling

• Orientador: Marcelo Zaiat

Resumo

A presente pesquisa teve por objetivo avaliar a produção biológica de hidrogênio em longo prazo, e os impactos da separação das principais etapas da digestão anaeróbia, acidogênese e metanogênese, sobre a eficiência do tratamento em reatores de leito fixo estruturado e sobre o desempenho da filtração em biorreatores com membrana. O efluente utilizado foi à base de sacarose e a temperatura foi mantida em 30ºC. Na primeira etapa experimental, avaliou-se a produção de H2 em três configurações de reatores: leito fixo estruturado (FB), UASB granular (UG) e UASB floculento (UF-1). Na segunda etapa experimental, um reator UASB acidogênico (UF-2) foi combinado a um reator metanogênico de leito fixo estruturado (RM). Um reator de estágio único de leito fixo estruturado (RU) foi operado em paralelo. Na última etapa experimental, foram avaliados dois biorreatores anaeróbios conjugados com módulos externos de membranas tubulares, nomeadamente 1-AnMBR, que foi alimentado com efluente bruto, e 2-AnMBR, que foi alimentado com efluente acidificado. Na primeira etapa, sob um TDH de 3,3 h (COV = 33 gDQO.L-1d-1), os reatores FB, UG e UF-1 apresentaram produção de H2 contínua, porém instável, com rendimentos de aprox. 1,5, 0,8 e 1,2 molH2.mol-1sacaroseconsumida, respectivamente. O reator UF-1 apresentou uma estabilidade relativamente melhor e, por isso, esta configuração foi utilizada nos experimentos seguintes. No reator UF-2, aumentou-se o TDH para 4,6 h (COV = 25 gDQO.L-1d-1), o que significativamente promoveu a melhoria do desempenho. Nenhum alcalinizante foi adicionado e o pH do efluente permaneceu em torno de apenas 2,7. Contudo, uma produção de H2 contínua, estável e por longa duração foi atingida, de 175 mLH2.L-1h-1 (= 4,2 LH2.L-1d-1), com rendimento de 3,4 molH2.mol-1sacaroseconsumida, concomitante com a produção de ácido acético e etanol. Nos reatores metanogênicos, o TDH aplicado foi gradativamente reduzido (53-18 h no RM e 56-23 h no RU). Após os sistemas atingirem estabilidade, os valores de DQO permaneceram inferiores no efluente do RM, sobretudo pela redução da concentração de SSV, equivalente a 92 mg.L-1, enquanto que no RU essa concentração foi de 244 mg.L-1. No final da operação, o rendimento energético do sistema de dois estágios foi de 20,69 kJ.g-1DQOadicionada, sendo 90% proveniente do CH4 e 10% do H2. Este rendimento foi 34% maior do que o obtido no reator de estágio único, que foi de 15,48 kJ.g-1DQOadicionada. Por fim, avaliando-se o desempenho da filtração nos biorreatores com membrana, verificou-se que a permeabilidade operacional foi, na maior parte do tempo, superior no 2-AnMBR. A pré-acidificação do efluente levou à redução de cerca de 56-59% na concentração de sólidos voláteis suspensos e totais no 2-AnMBR e à modificação no perfil do tamanho das partículas. No 1-AnMBR, porém, não havia partículas de pequenas dimensões, tais quais encontradas no reator acidogênico, indicando reduzido crescimento suspenso de bactérias acidogênicas. Embora os valores de fluxo crítico tenham sido muito semelhantes para ambos os AnMBR, testes de resistência específica da torta indicaram maior resistência do lodo do 1-AnMBR (1,02 x 1018 m-1), comparado ao lodo do 2-AnMBR (1,03 x 1012 m-1) e ao lodo acidogênico (7,44 x 1011 m-1). Portanto, essa pesquisa demonstrou, por meio da aplicação do tratamento anaeróbio em dois estágios, a viabilidade da produção contínua de hidrogênio em pH extremamente ácido e com mínimos requerimentos operacionais, a redução da concentração de sólidos suspensos no efluente de reatores de leito fixo estruturado, o potencial de aumento da recuperação de bioenergia e de redução da incrustação em membranas de ultrafiltração. (AU)

• Processo FAPESP: 14/22475-3 - Tratamento anaeróbio de duplo estágio: investigação da influência sobre a produção de bioenergia, as características do lodo e a sua aplicabilidade para o tratamento de efluentes
• Beneficiário: Vera Tainá Franco Vidal Mota
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado