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 |
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Tipo de documento: | Tese |
Tipo de acesso: | Acesso aberto |
Idioma: | por |
Instituição de defesa: |
Universidade Federal de Minas Gerais
Brasil ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL Programa de Pós-Graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos UFMG |
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País: |
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Palavras-chave em Português: | |
Link de acesso: | http://hdl.handle.net/1843/46937 https://orcid.org/0000-0001-8703-573X |
Resumo: | Regarding the urgency in the treatment of organic fraction of municipal solid waste (OFMSW) in Brazilian cities, solid-state anaerobic digestion (SSAD) stands out as an important treatment alternative, as it enables: mitigation of greenhouse gas emissions (GHG) and leachate pollution; reduction of disposal costs; biogas production, a renewable energy source; and biosolids production, to agricultural use. In order to define the best operational strategies for optimizing a SSAD process, a semi-industrial scale system was built and researched at the Caju’s Waste Transhipment Unit, in the City of Rio de Janeiro. This system is equipped with SSAD reactors integrated with an Inoculum Production Unit (IPU) and a cogeneration heat and power (CHP). In order to support the start-up and operation of this system, the following studies were carried out: (i) physicochemical characterization of a large generator of OFMSW and definition of fresh leachate management strategies; (ii) evaluation, through BMP assay and metagenomic sequencing, of the OFMSW methane yield and the microbiological composition of the inoculum used to start-up the SSAD process; (iii) evaluation of operational stability along OFMSW SSAD batches with leachate recirculation; (iv) estimation of the gains associated with different biogas energy recovery strategies (electricity or biomethane) in a OFMSW SSAD system, as well as the environmental and economic impacts. The research showed that OFMSW solid content was close to 20 %TS and a high biodegradation potential (VS/TS > 0.88), as well as a low carbon-waste sources (low C/N ratio) and no bulking materials (ex. : pruning). About 18% of OFMSW was composed by fresh leachate, an acidified effluent (pH < 4.22) with a high organic load (60 gVS.L-1; 112.5 gCOD.L-1) and high ammonia content (3.18 gN-NH4.L-1), which made its management even more complex. The metagenomic sequencing of the microorganisms in the inoculum was relevant to start-up the SSAD process and the highest OFMSW methane yield (285 Nm³CH4.t-1VS) was obtained by a more diverse anaerobic community and S/I ratio of 0.25 gVSsubstrate.gVSinoculum. The structuring of OFMSW with pruning (1:3 kg.kg-1OFMSW), associated to leachate recirculation (0.8 m³.t-1OFMSW), were key strategies to optimize the performance of SSAD, by improving the C/N ratio and the inoculum percolation through the substrate, in addition to increasing the CH4 content in SSAD reactors (CH4 ~ 30 %). Altogether, the operational strategies were not sufficient to promote methanogenic stability in SSAD reactors (CH4 > 30 %) and complete stabilization of the digested material (VS/TS < 0.60). However, these strategies enabled the leachate biological stabilization and the maintenance of methanogenic activity in the IPU (CH4 > 65 % and yield close to 400 m³CH4.t-1VS), corresponding to important environmental and economic gains related to the OFMSW treatment; waste transport and landfill reduction; GHG mitigation; biogas and renewable energy production (electricity and biomethane) - confirming the sustainability of the SSAD process. |
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Estratégias operacionais para o incremento da metanização em estado sólido de resíduos orgânicos urbanos com vistas ao aproveitamento energético do biogásOperational strategies for the increase of solid state methanization of the organic fraction of municipal waste for biogas energy recoveryGerenciamento de resíduos sólidos urbanosResíduos orgânicosDigestão anaeróbiaMetanizaçãoBiogásEnergia renovávelEngenharia sanitáriaSaneamentoBiogásDigestão anaeróbiaEnergia renovávelResíduos sólidos - AdministraçãoRegarding the urgency in the treatment of organic fraction of municipal solid waste (OFMSW) in Brazilian cities, solid-state anaerobic digestion (SSAD) stands out as an important treatment alternative, as it enables: mitigation of greenhouse gas emissions (GHG) and leachate pollution; reduction of disposal costs; biogas production, a renewable energy source; and biosolids production, to agricultural use. In order to define the best operational strategies for optimizing a SSAD process, a semi-industrial scale system was built and researched at the Caju’s Waste Transhipment Unit, in the City of Rio de Janeiro. This system is equipped with SSAD reactors integrated with an Inoculum Production Unit (IPU) and a cogeneration heat and power (CHP). In order to support the start-up and operation of this system, the following studies were carried out: (i) physicochemical characterization of a large generator of OFMSW and definition of fresh leachate management strategies; (ii) evaluation, through BMP assay and metagenomic sequencing, of the OFMSW methane yield and the microbiological composition of the inoculum used to start-up the SSAD process; (iii) evaluation of operational stability along OFMSW SSAD batches with leachate recirculation; (iv) estimation of the gains associated with different biogas energy recovery strategies (electricity or biomethane) in a OFMSW SSAD system, as well as the environmental and economic impacts. The research showed that OFMSW solid content was close to 20 %TS and a high biodegradation potential (VS/TS > 0.88), as well as a low carbon-waste sources (low C/N ratio) and no bulking materials (ex. : pruning). About 18% of OFMSW was composed by fresh leachate, an acidified effluent (pH < 4.22) with a high organic load (60 gVS.L-1; 112.5 gCOD.L-1) and high ammonia content (3.18 gN-NH4.L-1), which made its management even more complex. The metagenomic sequencing of the microorganisms in the inoculum was relevant to start-up the SSAD process and the highest OFMSW methane yield (285 Nm³CH4.t-1VS) was obtained by a more diverse anaerobic community and S/I ratio of 0.25 gVSsubstrate.gVSinoculum. The structuring of OFMSW with pruning (1:3 kg.kg-1OFMSW), associated to leachate recirculation (0.8 m³.t-1OFMSW), were key strategies to optimize the performance of SSAD, by improving the C/N ratio and the inoculum percolation through the substrate, in addition to increasing the CH4 content in SSAD reactors (CH4 ~ 30 %). Altogether, the operational strategies were not sufficient to promote methanogenic stability in SSAD reactors (CH4 > 30 %) and complete stabilization of the digested material (VS/TS < 0.60). However, these strategies enabled the leachate biological stabilization and the maintenance of methanogenic activity in the IPU (CH4 > 65 % and yield close to 400 m³CH4.t-1VS), corresponding to important environmental and economic gains related to the OFMSW treatment; waste transport and landfill reduction; GHG mitigation; biogas and renewable energy production (electricity and biomethane) - confirming the sustainability of the SSAD process.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.Universidade Federal de Minas GeraisBrasilENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTALPrograma de Pós-Graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos HídricosUFMGCarlos Augusto de Lemos Chernicharohttp://lattes.cnpq.br/6461615371964746Juliana Calábria de AraújoFabiana Lopes Del Rei PassosCláudio Leite de SouzaElisabeth RitterRoberto Alves de OliveiraBernardo Ornelas Ferreira2022-11-04T19:11:40Z2022-11-04T19:11:40Z2019-12-18info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/1843/46937https://orcid.org/0000-0001-8703-573Xporhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/pt/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFMGinstname:Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)instacron:UFMG2022-11-04T19:11:41Zoai:repositorio.ufmg.br:1843/46937Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufmg.br/oairepositorio@ufmg.bropendoar:2022-11-04T19:11:41Repositório Institucional da UFMG - Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)false |
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