Digestão anaeróbia de resíduos vegetais em reatores UASB em série: efeitos da adição do biochar

Abstract

O desperdício de alimentos é um problema crescente que impacta o meio ambiente, contribuindo para a emissão de gases de efeito estufa (GEE) e geração de chorume em aterros. Entretanto, resíduos vegetais, como banana e tomate, possuem grande potencial para serem reaproveitados na produção de energia renovável por meio do biogás. A digestão anaeróbia é uma alternativa viável para o tratamento desses resíduos, mas a presença de açúcares facilmente fermentáveis pode levar à acidificação dos reatores, comprometendo a eficiência do processo. Neste estudo, foram utilizados dois conjuntos independentes com dois reatores UASB cada (R1 e R2) para tratar resíduos de banana e tomate, sendo que um dos sistemas recebeu a adição de biochar de banana como estratégia para mitigar os efeitos da acidificação. O biochar foi introduzido como forma de promoção da sintrofia entre os microrganismos, facilitando a troca de elétrons e fornecendo micro-habitat para estabelecimento da microbiota. O primeiro sistema, sem biochar, foi operado com cargas orgânicas volumétricas (COV) crescentes de até 2,4 g DQOtotal (L d)-1, alcançando uma produção volumétrica de metano (PVM) máxima de 0,34 L CH4 (L d)-1. Contudo, ao exceder COV de 2 g DQOtotal (L d)-1, o reator apresentou acidificação, com queda na PVM e na remoção de DQO. O segundo sistema, com biochar, operou com COV de até 7,7 g DQOtotal (L d)-1 e alcançou PVM de 0,59 L CH4 (L d) -1, sem inibições nas arqueias metanogênicas. Ao contrário, ao exceder COV de 7 g DQOtotal (L d)-1, houve aumento na produção de metano, devido à adição de biochar ao inóculo e ao afluente do sistema. A microscopia eletrônica revelou o estabelecimento de microrganismos nos micro-habitats criados pelo biochar, promovendo uma degradação mais eficiente da matéria orgânica e o tamponamento do sistema. Análises microbiológicas demonstraram que Chloroflexi, Firmicutes e Proteobacteria foram os filos bacterianos predominantes no lodo de inóculo, enquanto Methanosaeta, Methanobacterium e Methanosarcina foram as arqueias metanogênicas mais abundantes, refletindo a importância de uma ampla diversidade microbiológica para ocorrência da digestão anaeróbia.

Food waste is a growing problem with a significant environmental impact, contributing to greenhouse gas emissions and leachate generation in landfills. However, plant residues such as banana and tomato hold great potential for renewable energy production through biogas. Anaerobic digestion offers a viable alternative for treating these wastes, but the presence of easily fermentable sugars can lead to reactor acidification, compromising process efficiency. In this study, two UASB reactor systems were used to treat banana and tomato waste, with one of the systems incorporating banana biochar to mitigate the effects of acidification. Biochar was introduced to promote syntrophy among microorganisms, facilitating electron transfer and providing microhabitats for microbial colonization. The first system, without biochar, was operated with increasing organic loading rates up to 2.4 g CODtotal (L d)-1, reaching a maximum methane volumetric production of 0.34 L CH4 (L d)-1. However, when the OLR exceeded 2 g CODtotal (L d)-1, the reactor experienced acidification, resulting in a decrease in both MVP and COD removal efficiency. The second system, with biochar, operated with OLRs up to 7.7 g CODtotal (L d)-1 and achieved an MVP of 0.59 L CH4 (L d)-1, without inhibiting methanogenic archaea. In contrast, at OLRs above 7 g CODtotal (L d)-1, a specific increase in methane production was observed due to the addition of biochar to the inoculum and system influent. Scanning electron microscopy revealed the establishment of microorganisms within the microhabitats created by the biochar, enhancing organic matter degradation and buffering the system against acidification. Microbiological analyses demonstrated that Chloroflexi, Firmicutes, and Proteobacteria were the predominant bacterial phyla in the inoculum sludge, while Methanosaeta, Methanobacterium, and Methanosarcina were the most abundant methanogenic archaea, highlighting the importance of microbial diversity for successful anaerobic digestion.