Nova configuração de reator UASB para co-digestão de resíduos agroindustriais (melaço de soja e lignina) visando a geração de bioenergia

Abstract

Com os avanços tecnológicos e o atual comportamento global de consumo, as questões relacionadas às mudanças climáticas, meio ambiente e energia sustentável estão cada vez mais em destaque. No campo científico, há uma busca pela integração dessas áreas, incluindo o uso de resíduos agroindustriais para gerar energia limpa. Economicamente, o Brasil se destaca como uma potência agrícola, sendo um grande produtor, exportador e consumidor de soja e cana-de-açúcar, fundamentais para produção de alimentos e biocombustíveis. No entanto, o processamento dessas commodities resulta em grandes volumes de resíduos, como o melaço de soja e a lignina. Neste estudo, foram avaliados dois reatores UASB modificados em escala de bancada (16,5 L e 20,3 L) para tratar melaço de soja e lignina por co-digestão anaeróbia em sistema em dois estágios, visando à produção de biogás. O tempo de detenção hidráulica (TDH) ótimo obtido para o tratamento de melaço de soja foi estimado em 24 horas para concentrações de DQO entre 500-2000 mgO2L-1. Para a lignina, foi utilizado um pré-tratamento de eletrooxidação, que reduziu sua recalcitrância em mais de 80%. Assim, no primeiro estágio foi fixado TDH de 24 horas, enquanto o segundo teve um TDH de 19,5 horas, com a concentração de DQO mantida em cerca de 1000 mgO2L-1 durante toda a co-digestão. Foram realizadas cinco fases experimentais, variando a proporção de lignina no meio de alimentação de 15% a 30%. Com isso, foi verificado que os reatores alcançaram eficiências de remoção superiores a 90% em termos de DQO e remoção de compostos fenólicos de cerca de 80% no efluente final. Durante os ensaios de atividade metanogênica específica (AME), a lignina pré-tratada apresentou um potencial superior de geração de metano em comparação com a lignina não tratada quando co-digerida com melaço de soja. Já nos reatores no sistema em dois estágios, a produção de biogás atingiu um pico de 5,3 L por dia quando tratando apenas melaço de soja, mas houve uma redução para aproximadamente 2,5 L por dia quando a lignina pré-tratada foi adicionada. No entanto, a produção aumentou gradualmente para cerca de 3,5L por dia com a adaptação da biomassa ao substrato misto. Concentrações de metano no biogás foram consistentemente superiores a 70%. Em resumo, os resultados experimentais indicaram que a nova configuração do reator de alta taxa é eficaz na produção de metano a partir de melaço de soja e lignina pré-tratada, além de ter potencial no tratamento de compostos tóxicos e recalcitrantes.

With technological advancements and current global consumption trends, issues related to climate change, the environment, and sustainable energy are increasingly prominent. In the scientific realm, there is a pursuit of integrating these areas, including using agro-industrial residues for clean energy generation. Economically, Brazil stands out as an agricultural powerhouse, being a significant producer, exporter, and consumer of soybeans and sugarcane, crucial for food and biofuel production. However, processing these commodities results in substantial waste volumes, such as soy molasses and lignin. This study evaluated two bench-scale modified UASB reactors (16.5 L and 20.3 L) for anaerobic co-digestion of soy molasses and lignin in a two-stage system, aiming for biogas production. The optimal hydraulic retention time (HRT) for treating soy molasses was estimated at 24 hours for COD concentrations between 500-2000 mgO2L-1. For lignin, electro-oxidation pretreatment was employed, reducing its recalcitrance by over 80%. Thus, the first stage had a fixed HRT of 24 hours, while the second had an HRT of 19.5 hours, with the COD concentration maintained at around 1000 mgO2L-1 throughout co-digestion. Five experimental phases were conducted, varying the proportion of lignin in the feedstock from 15% to 30%. Consequently, it was found that the reactors achieved removal efficiencies exceeding 90% in terms of COD, with approximately 80% removal of phenolic compounds in the final effluent. During specific methanogenic activity tests, pre-treated lignin exhibited higher methane generation potential compared to untreated lignin when co-digested with soy molasses. In the two-stage system reactors, biogas production peaked at 5.3 L per day when treating only soy molasses, but decreased to approximately 2.5 L per day when pre-treated lignin was added. However, production gradually increased to around 3.5 L per day with biomass adaptation to the mixed substrate.Methane concentrations in biogas consistently exceeded 70%. In summary, experimental results indicate that the new configuration of the high-rate reactor is effective in methane production from soy molasses and pre-treated lignin, with potential in treating toxic and recalcitrant compounds.