Estratégias operacionais para o incremento da metanização em estado sólido de resíduos orgânicos urbanos com vistas ao aproveitamento energético do biogás

• Ano de defesa: 2019
• Autor(a) principal: Bernardo Ornelas Ferreira
• Orientador(a): Carlos Augusto de Lemos Chernicharo
• Banca de defesa: Fabiana Lopes Del Rei Passos, Cláudio Leite de Souza, Elisabeth Ritter, Roberto Alves de Oliveira
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Universidade Federal de Minas Gerais
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos
• Departamento: ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL
• País: Brasil
• Palavras-chave em Português: Gerenciamento de resíduos sólidos urbanos; Resíduos orgânicos; Digestão anaeróbia; Metanização; Biogás; Energia renovável
• Link de acesso: http://hdl.handle.net/1843/46937; https://orcid.org/0000-0001-8703-573X

Em vista da urgência no tratamento fração orgânica dos resíduos sólidos urbanos (FORSU) nos municípios brasileiros, a biotecnologia de metanização em estado sólido por batelada (MESB) destaca-se como um alternativa sustentável de tratamento biológico, por possibilitar: mitigação das emissões de gases de efeito estufa (GEE) e da poluição por lixiviado; redução dos custos de disposição final; produção de biogás, fonte de energia renovável; e produção de biossólidos, passível de uso agrícola. Com intuito de definir estratégias operacionais para o incremento da metanização de resíduos orgânicos com vistas ao aproveitamento energético do biogás, um sistema de metanização em escala semi-industrial foi construído e pesquisado junto à Unidade de Transbordo de Resíduos do Caju, na Cidade do Rio de Janeiro. Este sistema é dotado por reatores MESB, integrados a uma Unidade de Produção de Inóculo (UPI), e unidades de tratamento de biogás e cogeração de energia elétrica e térmica (CHP). Como forma de subsidiar a partida e operação deste sistema foram realizados os seguintes estudos: (i) caracterização físico-química da FORSU de um grande gerador e definição de estratégias de gerenciamento do lixiviado fresco; (ii) avaliação, por meio de testes de BMP e sequenciamento metagenômico, do potencial de produção bioquímica de metano da FORSU e da composição microbiana do inóculo utilizado para partida do processo MESB; (iii) avaliação da estabilidade operacional ao longo das bateladas MESB da FORSU com recirculação de lixiviado; e (iv) avaliação dos ganhos associados a diferentes estratégias de recuperação energética do biogás (eletricidade ou biometano) produzido em um sistema de tratamento da FORSU via MESB, assim como os impactos ambientais e econômicos. A pesquisa demonstrou que a FORSU continha um teor de sólidos próximo a 20 %ST e elevado potencial de biodegradação (SV/ST > 0,88), sendo pobre em resíduos ricos em carbono (relação C/N baixa) e deficiente em materiais estruturantes (ex.: poda). Aproximadamente 18% da massa da FORSU era composta por lixiviado fresco, um efluente acidificado (pH < 4,22), com elevada concentração de matéria orgânica (60 gSV.L-1; 112,5 gO2.L-1) e elevado conteúdo de nitrogênio amoniacal (3,18 gN-NH4.L-1), o que tornou seu gerenciamento ainda mais complexo. O sequenciamento metagenômico dos microrganismos presentes no inóculo foi fundamental para partida do processo MESB, sendo o maior rendimento de CH4 (285 Nm³CH4.t-1SV) obtido por uma comunidade anaeróbia mais diversa e uma relação S/I de 0,25 gSVsubstrato.gSVinóculo. A estruturação da FORSU com poda (1:3 kg.kg-1FORSU), associada à recirculação de lixiviado (0,8 m³.t-1FORSU), foram estratégias-chave para otimizar o desempenho dos reatores MESB, possibilitando a melhora da relação C/N e da percolação de inóculo através da leira, além do incremento de CH4 nos reatores MESB (CH4 ~ 30 %). No conjunto, as estratégias operacionais não foram suficientes para promover a estabilidade metanogênica nos reatores MESB (CH4 > 30 %) e a estabilização completa do material digerido (SV/ST < 0,60). Entretanto, estas estratégias possibilitaram a estabilização biológica do lixiviado fresco e a manutenção da atividade metanogênica na UPI (CH4 > 65 % e rendimento de 400 m³CH4.t-1SV), o que correspondeu a importantes ganhos ambientais e econômicos relativos ao tratamento da FORSU; redução do transporte e aterramento de resíduos; mitigação dos GEE; e produção de biogás e energia renovável (eletricidade e biometano) - ratificando a sustentabilidade do processo MESB.