Please use this identifier to cite or link to this item: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/80376
Type: Tese
Title: Uso de materiais condutores no tratamento anaeróbio de água residuária de suinocultura
Title in English: Use of conductive materials in anaerobic water treatment Pig farming waste
Authors: Morais, Naassom Wagner Sales
Advisor: Santos, André Bezerra dos
Keywords in Brazilian Portuguese : Óxido de grafeno;Carvão ativado granular;Transferência direta de elétrons interespécies;Digestão anaeróbia;Ferro de valência zero;Nanomagnetita
Keywords in English : Graphene oxide;Granular activated carbon;Direct interspecies electron transfer;Anaerobic digestion;Zero-valent iron;Nano-magnetite
Knowledge Areas - CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA SANITARIA::SANEAMENTO AMBIENTAL
Issue Date: 2025
Citation: MORAIS, Naassom Wagner Sales. Uso de materiais condutores no tratamento anaeróbio de água residuária de suinocultura. 2025. 231 f. Tese (Doutorado em Engenharia Civil-Saneamento Ambiental) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2025.
Abstract in Brazilian Portuguese: A suinocultura È de suma import‚ncia para a economia global e brasileira. No entanto, essa atividade possui como passivo ambiental a geraÁ„o de ·guas residu·rias de suinocultura (ARS), as quais possuem elevada carga poluente, sendo indispens·vel seu tratamento antes de sua disposiÁ„o final. Nesse contexto, a digest„o anaerÛbia (DA) È um bioprocesso que permite o tratamento adequado desse efluente aliado com a recuperaÁ„o de metano (CH4), um valioso recurso energÈtico. A aplicaÁ„o de mediadores redox insol˙veis (MRIs), tambÈm denominados de materiais condutores (MCs) de elÈtrons, na DA de resÌduos org‚nicos È uma estratÈgia pujante para aumentar a produÁ„o de CH4, pois estimula a sintrofia microbiana e os processos de transferÍncia direta e indireta de elÈtrons interespÈcies. Entretanto, a utilizaÁ„o desses materiais no tratamento anaerÛbio da ARS, visando acelerar e aumentar a produÁ„o de CH4, foi pouco explorado em pesquisas cientÌficas. Portanto, este trabalho avaliou o uso de MCs, como Ûxido de grafeno funcionalizado com nanomagnetita (OG-Fe3O4), carv„o ativado granular (CAG), ferro de valÍncia zero (FeVZ), nanomagnetita (Fe3O4) e as associaÁıes Fe3O4+CAG e FeVZ+CAG, no tratamento anaerÛbio de ARS, avaliando par‚metros cinÈticos que governam a produÁ„o de CH4, analisando as alteraÁıes nas comunidades microbianas e discutindo os principais mecanismos de transferÍncia de elÈtrons promovidos por esses materiais. Os ensaios de Potencial BioquÌmico de Metano (PBM) foram conduzidos em reatores de vidro com 300 mL de volume total operando em regime de batelada sob temperatura mesofÌlica de 37 ∞C ou termofÌlica de 55 ∞C e agitaÁ„o orbital de 150 rpm. A ARS foi utilizada como substrato, e biomassas n„o adaptadas ao tratamento anaerÛbio desse efluente foram utilizadas como inÛculos. Os MCs foram adicionados nas seguintes concentraÁıes: 3,0 e 150,0 mg L-1 para OG- Fe3O4 e 0,4, 2,0 e 4,0 g L-1 para CAG, FeVZ e Fe3O4. As doses de MCs foram limitadas ‡ concentraÁ„o de inÛculo (sÛlidos suspensos vol·teis) aplicada aos reatores. Referente ao impacto do OG-Fe3O4 no tratamento anaerÛbio de ARS: o OG-Fe3O4 (150,0 mg L-1) tornou a DA mais eficiente, aumentando o PBM e a eficiÍncia de remoÁ„o de matÈria org‚nica em 17,2% e 12,6%, respectivamente. Esse aditivo tambÈm acelerou a velocidade de produÁ„o de CH4 (k) em 31,9%, diminuiu em 25,6% o tempo de adaptaÁ„o dos microrganismos ao substrato (fase lag - λ), e aumentou a taxa m·xima de geraÁ„o de CH4 (μ) em 32,3%. Chloroflexi e Methanobacterium beijingense foram os principais microrganismos enriquecidos por esse aditivo. Os potenciais parceiros de TransferÍncia Direta de ElÈtrons InterespÈcies (TDEI) foram as bactÈrias pertencentes ao filo Chloroflexi e as bactÈrias Clostridium sensu stricto 1 (filo Firmicutes) com as arqueias metanogÍnicas Methanobacterium beijingense e Methanothrix soehngenii. Acerca do feito da aplicaÁ„o de CAG, FeVZ e Fe3O4 na metanizaÁ„o da ARS verifica-se que o CAG (4,0 g L-1) foi o material que mais beneficiou a cinÈtica metanogÍnica, promovendo ausÍncia de fase lag e elevando em 52,9% e em 63,6% o k e o μ, respectivamente. O FeVZ (4,0 g L-1) foi o material que mais aumentou o PBM (+15,2%) e o teor de CH4 no biog·s (+13,5%). A Fe3O4 (4,0 g L-1) tambÈm aperfeiÁoou a cinÈtica metanogÍnica, aumentando o μ em 52,6% e o k em 37,7%. Os gÍneros bacterianos Clostridium sensu stricto 1, Mesotoga, Longilinea e JGI-0000079-D21 foram enriquecidos na presenÁa dos MCs e foram classificados como os potenciais parceiros de TDEI das arqueias Methanothrix soehngenii. No que tange ‡ influÍncia de MCs na DA de ARS, verifica-se que o desempenho dos digestores mesofÌlicos e termofÌlicos foi aperfeiÁoado, mesmo em diferentes razıes substrato inÛculo (RSI). Na digest„o anaerÛbia mesofÌlica (DAM) em RSI 0,5, o CAG foi melhor em otimizar a cinÈtica de metanizaÁ„o, elevando em 29,9% o k e reduzindo o tempo de digest„o tÈcnica (T80) em 15,9%. Enquanto isso, o FeVZ foi o material que mais aumentou o PBM (+19,4%), o μ (+ 40,5%) e o teor de CH4 no biog·s (+22,1%). Em RSI 2,0, o CAG destacou-se dentre os demais materiais, promovendo acrÈscimos de 11%, 10,2% e 26,3% no PBM, k e μ, respectivamente, alÈm de reduzir o T80 em 7,0%. Nos ensaios termofÌlicos em RSI 0,5, o FeVZ aumentou o PBM, o Y1, o teor de CH4 e o μ em 22,6%, 23,6%, 20,0% e 35,5%, nessa ordem; enquanto isso, o CAG e as combinaÁıes propiciaram melhor desempenho cinÈtico. Na digest„o anaerÛbia termofÌlica (DAT) em RSI 2,0, a Fe3O4, o FeVZ e as combinaÁıes Fe3O4+CAG e FeVZ+CAG obtiveram melhor desempenho. A Fe3O4, por exemplo, elevou o PBM (+32,2%), o Y1 (+30,1%), o teor de CH4 (+1,9%), o μ (+38,9%) e reduziu o T80 em 4,3%. Os aditivos enriqueceram bactÈrias e arqueias participantes de TDEI, aumentando e acelerando a produÁ„o de CH4. Methanothrix soehngenii dominou a DAM e Methanolinea tarda e Methanosarcina thermophila prevaleceram na DAT. Na DAM, a metanogÍnese acetocl·stica deve ter sido a principal rota de sÌntese de CH4, ao passo que a metanogÍnese hidrogenotrÛfica tornou-se preponderante na DAT. A metanogÍnese metilotrÛfica, associada a presenÁa Candidatus Methanomethylicus, foi estimulada na DAT. Conclui-se que a adiÁ„o de MCs em doses relativamente baixas em comparaÁ„o com outros estudos reportados na literatura tÈcnica e em doses limitadas ‡ concentraÁ„o de biomassa presente nos reatores foi suficiente para otimizar o tratamento anaerÛbio da ARS a partir de inÛculos n„o adaptados a degradaÁ„o desse substrato
Abstract: Pig farming is of utmost importance for the global and Brazilian economies. However, this activity has an environmental liability for generating swine wastewater (SW), which has a high pollutant load, making its treatment essential before its final disposal. In this context, anaerobic digestion (AD) is a bioprocess that allows the adequate treatment of this effluent combined with the recovery of methane (CH4), a valuable energy resource. Applying insoluble redox mediators (IRMs), also called electron conductive materials (ECMs), in the AD of organic waste is a powerful strategy to increase CH4 production, as it stimulates microbial syntrophy and the processes of direct and indirect interspecies electron transfer. However, the use of these materials in the anaerobic treatment of SW, aiming to accelerate and increase CH4 production, has been little explored in scientific research. Therefore, this work evaluated the use of ECMs, graphene oxide functionalized with nano-magnetite (GO-Fe3O4), granular activated carbon (GAC), zero-valent iron (ZVI), nano-magnetite (Fe3O4), and the associations Fe3O4+GAC and ZVI+GAC in the anaerobic treatment of SW, evaluating kinetic parameters that govern CH4 production, analyzing changes in microbial communities, and discussing the main electron transfer mechanisms promoted by these materials. The Biochemical Methane Potential (BMP) tests were conducted in glass reactors with 300 mL of total volume operating in batch mode at a mesophilic temperature of 37 °C or thermophilic 55 °C and orbital agitation of 150 rpm. SW was used as a substrate, and biomasses not adapted to the anaerobic treatment of this effluent were used as inocula. ECMs were added at the following concentrations: 3.0 and 150.0 mg L-1 for GO-Fe3O4 and 0.4, 2.0, and 4.0 g L-1 for GAC, ZVI, and Fe3O4. ECMs doses were limited to the inoculum concentration (volatile suspended solids) applied to the reactors. Regarding the impact of GO-Fe3O4 on the anaerobic treatment of SW, GO-Fe3O4 (150.0 mg L-1 ) made DA more efficient, increasing the BMP and the organic matter removal efficiency by 17.2% and 12.6%, respectively. This additive also accelerated the CH4 production rate (k) by 31.9%, decreased the adaptation time of microorganisms to the substrate (lag phase - λ) by 25.6%, and increased the maximum CH4 generation rate (μ) by 32.3%. Chloroflexi and Methanobacterium beijingense were the main microorganisms enriched by this additive. The potential Direct Interspecies Electron Transfer (DIET) partners were bacteria belonging to the phylum Chloroflexi and the bacteria Clostridium sensu stricto 1 (phylum Firmicutes) with the methanogenic archaea Methanobacterium beijingense and Methanothrix soehngenii.Regarding the application of GAC, ZVI, and Fe3O4 in the SW methanization, GAC (4.0 g L-1 ) was the material that most benefited the methanogenic kinetics, promoting the absence of a lag phase and increasing k and μ by 52.9% and 63.6%, respectively. ZVI (4.0 g L-1 ) was the material that most increased BMP (+ 15.2%) and CH4 content in biogas (+ 13.5%). Fe3O4 (4.0 g L-1 ) also improved methanogenic kinetics, increasing μ by 52.6% and k by 37.7%. However, doses higher than 0.4 gFe3O4 L -1 did not produce additional positive impacts on BMP. The bacterial genera Clostridium sensu stricto 1, Mesotoga, Longilinea, and JGI-0000079-D21 were enriched in the presence of ECMs and were classified as potential DIET partners of the archaea Methanothrix soehngenii. Regarding the influence of EMCs on the AD of SW, it appears that the performance of mesophilic and thermophilic digesters was improved, even at different inoculum substrate ratios (SIR). In mesophilic anaerobic digestion (MAD) at SIR 0.5, GAC was more successful in optimizing methanization kinetics, increasing k by 29.9% and reducing technical digestion time (T80) by 15.9%. Meanwhile, ZVI was the material that most increased BMP (+19.4%), μ (+40.5%), and CH4 content in biogas (+22.1%). At SIR 2.0, GAC stood out among the other materials, promoting increases of 11%, 10.2%, and 26.3% in BMP, k, and μ, respectively, and reducing T80 by 7.0%. In thermophilic tests at SIR 0.5, ZVI increased BMP, Y1, CH4 content, and μ by 22.6%, 23.6%, 20.0%, and 35.5%, in that order, while GAC and the combinations provided a better kinetic performance. In thermophilic anaerobic digestion (TAD) at SIR 2.0, Fe3O4, ZVI, and the combinations Fe3O4+CAG and ZVI+GAC obtained the best performance. Fe3O4, for example, increased BMP (+32.2%), Y1 (+30.1%), CH4 content (+1.9%), μ (+38.9%), and reduced T80 by 4.3%. The additives enriched bacteria and archaea participating in DIET, increasing, and accelerating CH4 production. Methanothrix soehngenii dominated the MAD, and Methanolinea tarda and Methanosarcina thermophila prevailed in the TDA. In MAD, acetoclastic methanogenesis must have been the main route of CH4 synthesis, while in TAD, hydrogenotrophic methanogenesis became predominant. Methylotrophic methanogenesis, associated with the presence of Candidatus Methanomethylicus, was stimulated in TAD. It is concluded that the addition of ECMs at relatively low doses compared to other studies reported in the technical literature and at doses limited to the biomass concentration present in the reactors was sufficient to optimize the anaerobic treatment of SW from inocula not adapted to the degradation of this substrate.
Description in Brazilian Portuguese: Este documento está disponível online com base na Portaria nº 348, de 08 de dezembro de 2022, disponível em: https://biblioteca.ufc.br/wp-content/uploads/2022/12/portaria348-2022.pdf, que autoriza a digitalização e a disponibilização no Repositório Institucional (RI) da coleção retrospectiva de TCC, dissertações e teses da UFC, sem o termo de anuência prévia dos autores. Em caso de trabalhos com pedidos de patente e/ou de embargo, cabe, exclusivamente, ao autor(a) solicitar a restrição de acesso ou retirada de seu trabalho do RI, mediante apresentação de documento comprobatório à Direção do Sistema de Bibliotecas.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/80376
Author's ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6013-3433
Author's Lattes: http://lattes.cnpq.br/8628113468603891
Advisor's ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3395-8878
Advisor's Lattes: http://lattes.cnpq.br/3626519258208111
Access Rights: Acesso Aberto
Appears in Collections:DEHA - Teses defendidas na UFC

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
2025_tese_nwsmorais.pdf68,73 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.