Anaerobic biodigestion of sugarcane vinasse : a modelling approach of ADM1 and the biodegradation efficiency in the soil

Orientador: Edson Aparecido Abdul NourTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e UrbanismoResumo: As práticas ambientalmente sustentáveis para o tratamento e descarte de efluentes acopladas à diversificação de fontes de energias renováveis, reforçam o conceito da sustentabilidade no setor sucroalcooeiro no Brasil. Nesse cenário, a vinhaça, por ser o principal efluente desse setor, tem imposto sérios desafios. O tratamento anaeróbio da vinhaça surge como uma solução viável a estes desafios, a partir da biodigestão da matéria orgânica, com consequente redução do seu potencial poluidor e produção de biogás, utilizado na geração de energia elétrica. A partir dos dados operacionais de uma unidade piloto, instalada na usina Ester em parceria com a Companhia Paulista de Força e Luz (CPFL), para geração de energia renovável a partir do biogás, foram propostos neste trabalho os seguintes objetivos: modelar a produção e a composição do biogás, em função das características da vinhaça e das variáveis operacionais da unidade piloto e avaliar a eficiência da biodegradação (EB) da vinhaça aplicada no solo de uma área da usina Ester, cultivada com cana-de-açúcar, antes e após a biodigestão anaeróbia da vinhaça. O método respirométrico de Bartha e Pramer foi utilizado para determinar a EB da vinhaça no solo, a partir de uma taxa de aplicação de 120 m3 ha-1 de vinhaça in natura e biodigerida. Dois conjuntos de dados, baseados nas safras de cana-de-açúcar de 2012/2013 e 2014/2015 foram utilizados para calibrar e validar, respectivamente, o modelo IWA Anaerobic Digestion Model No. 1 (ADM1). O modelo ADM1, após ser calibrado e validado provou ser uma ferramenta de engenharia capaz de simular satisfatoriamente tanto a produção como a composição do biogás, configurando uma plataforma para estudos de otimização e controle operacional em escala industrial. Os resultados dos ensaios respirométricos mostraram uma EB da vinhaça biodigerida superior ao da in natura, e que ambos os resíduos orgânicos são passíveis de serem tratados no solo, de acordo com a ABNT (1999)Abstract: The sustainable environmentally practices for the treatment and disposal of effluents coupled with renewable energy diversification sources, reinforce the concept of sustainability in the sugarcane industry in Brazil. In this context, the vinasse, which is the main effluent from this sector, has been concerned with important matters. Anaerobic treatment of vinasse emerges as a feasible solution for these matters, both as means of its pollution potential reduction and recovery biogas for renewable energy generation. The following goals were proposed using experimental data from a large-scale biogas plant, purpose-built in the Ester Mill in partnership with Companhia Paulista de Forca e Luz (CPFL), for renewable energy generation using biogas: modelling the biogas production and its composition, as a function of substrate characterization and operational variables of the biogas plant and assess the biodegradation efficiency (BE) of vinasse applied to the soil of Ester Mill area, growing sugarcane, before and after anaerobic biodigestion of vinasse. Bartha and Pramer respirometric technique was undertook to determine and compare both BE of raw and digestate vinasse in the soil under application rate of 120 m3 h-1.Two sets of data, based on sugarcane harvest in 2012/2013 and 2014/2015 were used to calibrate and validate the model IWA Anaerobic Digestion Model Model No. 1 (ADM1), respectively. The ADM1 model, after being calibrated and validated was proved as an engineering tool, simulating satisfactorily the production and biogas composition, setting up a platform for optimization studies and operational control in industrial scale. The results of the respriometric method showed that the BE of biodigestate vinasse is higher than the raw vinasse, and both organic residues are feasible to be treated in the soil, according to the ABNT (1999)DoutoradoSaneamento e AmbienteDoutor em Engenharia Civil999990.010883/2014-02CAPE