Validação experimental de modelo matemático de reatores de biodigestão anaeróbica e avaliação do impacto da adição de microalgas na produtividade

Orientador : Prof. Dr. José Viriato Coelho VargasDissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 24/08/2017Inclui referências : fls. 85-90Resumo: Digestão anaeróbia (DA) de resíduos orgânicos é a forma mais convencional de produção de energia renovável (na forma de biogás), no qual possui um grande potencial para substituir o gás natural em diversas aplicações, como combustível veicular. Outro benefício da DA é produzir uma vazão de efluente digerido que pode ser separado em frações liquidas e sólidas e utilizado com fertilizante orgânico. Métodos empíricos são geralmente utilizados para o projeto de digestores anaeróbios, entretanto estes métodos requerem a construção de sistemas em escala laboratorial, que, na maioria das vezes, elevam o custo do projeto. Alternativamente, o projeto de digestores anaeróbios e a determinação da produção de biogás podem ser realizados através de modelos complexos que incluem os fenômenos de transporte e a cinética bioquímica associada com a DA. Neste estudo, o ensaio de potencial metanogênico (BMP) foi usado para determinar a produção de biogás oriunda da digestão anaeróbia de resíduo suíno e microalgas em diferentes proporções de mistura. Os resultados mostraram que a adição de microalgas (MA) aumentou a remoção de matéria orgânica e produtividade de biogás do resíduo suíno (RS), com produção de biogás de 212,8 mL.g SVad -1 e remoção da demanda química de oxigênio (DQO) de 48% com a adição de 10% de microalgas. Através deste resultado, um reator anaeróbio em escala laboratorial foi usado para calibrar e validar um modelo simplificado de digestão anaeróbia. Este modelo foi então implantado em Matlab usando os resultados experimentais provenientes da literatura e dos ensaios experimentais deste trabalho. Os resultados revelaram que o modelo é capaz de prever razoavelmente bem a produção de biogás, a concentração de metano e a remoção de sólidos voláteis à razão RS:MA de 0,9:0,1. Os resultados também indicaram que o modelo é uma ferramenta útil para simular a operação de reatores modelo tanque agitado (CSTR) durante o tratamento de resíduos agropecuários. Palavras-chave: Biogás. Digestão Anaeróbia. Resíduos Suínos. Microalgas.Abstract: Anaerobic digestion (AD) of organic wastes is the most conventional way to produce renewable energy (in form of biogas), which has great potential to replace the natural gas (NG) used in multiple applications, like vehicular transportation. Another benefit of AD is produces an effluent stream of digested materials that can be separated into solid and liquid fractions for use as an organic fertilizer. Empirical methods have been usually used to design anaerobic digesters systems, but these have required construction of expensive lab-scale systems. Otherwise, the design of anaerobic digesters and determination of biogas production can be performed using complex models that include the transport phenomena and biochemical kinetics associated with AD. In this study, biochemical methane potential (BMP) were used to determine the potential of biogas production from co-digestion of swine manure and microalgae at different ratios. The results showed that adding microalgae (MA) improved swine manure (SM) digestion performance and organic matter degradation, with the biogas yield of 212,8 mL.g SVad -1 and 48% of chemical oxygen demand (COD) removal obtained with the addiction of 10% percent of microalgae. Based on this result, a lab-scale reactor was used to calibrate and validate a simplified anaerobic digestion model. This model was then simulate on Matlab using the experimental data from the literature and our experimental results. The results showed that the model was able to predict reasonably well the biogas production, methane concentration and volatile solid removal at SM:MA ratio of 0,9:0,1. The results also indicated that the model would be a suitable tool to simulate continuously stirred tank reactors (CSTR) treating manure and crop residues. Keywords: Biogas. Anaerobic Digestion. Swine Manure. Microalgae