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Título: Produção de biogás e recuperação de nutrientes a partir da biodegradação de dejetos suínos
Título em inglês: Biogas production and nutrient recovery from biodegradation of swine manure
Autor(es): Oliveira Filho, José de Souza
Orientador(es): Viana, Thales Vinícius de Araújo
Palavras-chave: Biodegradação
Fertilizante Orgânico
Nitrogênio
Data do documento: 2016
Citação: OLIVEIRA FILHO, J. de S. (2016)
Resumo: A produção de energia renovável e fertilizante, através da biodegradação anaeróbia (BioAn) dos dejetos da suinocultura, apresenta-se como uma solução estratégica para minimizar os efeitos negativos associados ao grande volume de dejeto gerado em um reduzido espaço de produção. Contudo, mais estudos devem ser realizados para melhorar o entendimento do processo e propor melhorias. Nesse sentido, realizou-se este trabalho que foi dividido em três etapas. Na primeira, foi realizado um estudo com o objetivo de avaliar as mudanças que ocorrem na matéria orgânica e nas formas orgânicas e inorgânicas de nitrogênio (N) e fósforo (P) da fração sólida do dejeto suíno (DS), utilizando reatores anaeróbios de bancada, em função de sete tempos de retenção hidráulica (7, 14, 21, 28, 35, 42 e 49 dias de biodegradação) e comparados com o dejeto não degradado. Na segunda etapa, desenvolveu-se um estudo de co-digestão anaeróbia, em um reator semicontínuo, utilizando o DS e o resíduo da indústria do processamento do tomate (RPT) em diferentes proporções de mistura, visando melhorar o desempenho da biodegradação e estabelecer a melhor proporção dos dois substratos para a produção de biogás e metano. Utilizaram-se as seguintes proporções (% de DS + % de RPT): 10% + 90%, 20% + 80%, 30% + 70%, 50% + 50% e 60% + 40%. Na terceira etapa, realizou-se um estudo inovador visando recuperar o N presente no digestato gerado após a biodegradação, utilizando membranas semipermeáveis de politetrafluoroetileno expandido (PTFE) submersas no material. Esse sistema consistiu em forçar a volatilização do N presente no digestato na forma de NH3 e, posteriormente, recuperá-lo em uma solução ácida de H2SO4 1N que circulava pelo interior da membrana de PTFE. O N foi recuperado na forma do íon amônio (NH4+), com potencial para ser utilizado como fertilizante. Utilizou-se além do digestato, DS não degradado, para comparação do potencial de recuperação de N dos dois materiais. A determinação do acúmulo de NH4+ formado foi realizada em nove tempos de amostragem (0, 7, 20, 30, 44, 54, 70, 79 e 93 horas). Com base nos resultados obtidos na etapa 1, concluiu-se que durante a biodegradação, a matéria orgânica de maior labilidade, representada pelo carbono da fração ácido fúlvico e carbono oxidável com 2,5 mL de H2SO4, foi parcialmente consumida, promovendo o acúmulo de matéria orgânica recalcitrante no final do processo. Os conteúdos de N orgânico e NH4+ reduziram respectivamente, 45,2% e 54,2% em relação aos seus conteúdos iniciais no dejeto não degradado, devido, provavelmente, a perda por volatilização. O conteúdo de P reduziu 41,25% em relação ao seu conteúdo inicial, devido à precipitação química da fração inorgânica extraível em água com cátions metálicos no interior do reator. No caso da co-digestão, o aumento da proporção do DS até o limite de 30% da mistura de alimentação, proporcionou a máxima produção diária de biogás (175 L) e a maior proporção de metano (60%). Quantidades superiores a 30% de dejeto na mistura, reduziram a produção de biogás e metano devido ao aumento da concentração de NH3 Livre (272 mg L-1) tóxico a maioria dos microrganismos metanogênicos. No que se refere à recuperação do N utilizando as membranas de PTFE, observou-se que a eficiência de recuperação no digestato foi superior em 12% em relação ao observado no dejeto não degradado. Em termos quantitativos, conseguiu-se recuperar 4555 mg de NH4+ proveniente do digestato durante 93 horas de experimento que poderá, posteriormente, ser utilizado como fonte de N para as culturas agrícolas.
Abstract: The production of renewable energy and fertilizer, through anaerobic biodegradation (AnBio) of waste from pig farming, presents itself as a strategic solution to minimize the negative effects associated with the large volume of manure generated in a small production space. However, further studies should be conducted to improve the understanding on the process and propose improvements. In this sense, this work was divided into three stages. In the first stage, a study was conducted to evaluate the changes that occur in organic matter and in organic and inorganic forms of nitrogen (N) and phosphorus (P) of the solid fraction of pig manure (PM) using anaerobic bench-top reactors as a function of seven hydraulic retention times (7, 14, 21, 28, 35, 42 and 49 days of biodegradation) and compared with the raw manure. In the second stage, we developed a study of anaerobic co-digestion, in a semi-continuous reactor, using the PM and the industrial waste of tomato processing (WTP) at different mixing ratios, to improve the performance of digestion and establish the best ratio of the two substrates for the production of biogas and methane. The following proportions were used (% PM + % WTP): 10% + 90%, 20% + 80%, 30% + 70%, 50% + 50% and 40% + 60%. In the third stage, there was an innovative study to recover the N present in the digestate generated after AnBio, using semipermeable membranes made of expanded polytetrafluoroethylene (PTFE) submerged in the material. This system consists of forcing the volatilization of N present in the digestate in the form of NH3 and then recover it in an acid solution of 1N H2SO4 flowing through the inside of the PTFE membrane. The N is recovered as the ammonium ion (NH4+), with potential for being used as fertilizer. Besides the digestate, raw pig manure (RPM) was used to compare the N recovery potential of both materials. The accumulation of the NH4+ formed was determined at nine sampling times (0, 7, 20, 30, 44, 54, 70, 79 and 93 hours). Based on the results obtained in the first stage, it was concluded that, during the digestion process, the organic matter of higher lability, represented by the carbon of the fulvic acid fraction and carbon oxidizable with 2.5 mL of H2SO4, was partially consumed, promoting the accumulation of recalcitrant organic matter at the end of the process. The contents of organic N and NH4+ reduced respectively by 45.2% and 54.2%, compared with their initial contents in the RPM, probably due to loss by volatilization. The P content reduced by 41.25% in relation to the initial content, due to the chemical precipitation of the inorganic fraction extractable in water with metallic cations within the reactor. In the case of co-digestion, increasing PM proportion to up to 30% of the feed mixture led to the maximum daily production of biogas (175 L) and the largest proportion of methane (60%). Amounts above 30% of manure in the mixture reduced biogas and methane production due to the increase of free NH3 concentration (272 mg L-1), which is toxic to most methanogens. As regards the recovery of N using PTFE membranes, it was observed that the recovery efficiency of the digestate was 12% higher compared with that observed in the RPM. Quantitatively, 4555 mg NH4+ could be recovered from the digestate in 93 hours of experiment, which can be used later as a source of N to agricultural crops.
Descrição: OLIVEIRA FILHO, José de Souza. Produção de biogás e recuperação de nutrientes a partir da biodegradação de dejetos suínos. 2016. 82 f. Tese (Doutorado em Solos e Nutrição de Plantas)- Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2016.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/19287
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