Hydrogen and methane production via anaerobic co-digestion in two stages reactors from food waste and sludge treatment of vinasse

Orientadores: Tania Forster-Carneiro, Mauro Donizeti BerniDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de AlimentosResumo: A tecnologia de digestão anaeróbia com configuração de reatores em dois estágios tem se destacado por permitir a produção de gás hidrogênio num primeiro reator e metano num segundo reator, ambos com elevado poder de combustão. Esta configuração no sistema apresenta muitas vantagens tais como, maior controle dos parâmetros operacionais e otimização da atividade dos micro-organismos acidogênicos e metanogênicos em fases distintas garantindo uma maior eficiência do processo. O objetivo deste trabalho foi produzir gás hidrogênio e gas metano a partir da codigestão anaeróbia de dois substratos, resíduo do Restaurante Universitário (RU) da Unicamp e lodo mesofílico do tratamento de vinhaça, em condições mesofílicas (37°C) de temperatura. Dentre as justificativas para a escolha do tema estão a crescente geração de resíduos sólidos urbanos e o desafio da ciência em desenvolver fontes energéticas limpas e renováveis. Um sistema contendo três reatores, sendo um com volume total de 3,7L utilizado para armazenar o inóculo, outro de 4,3L de volume total operando nas condições acidogênicas (pH:5,5-6,5) e, finalmente, um terceiro reator de 4,3L de volume total operando em condições metanogênicas (pH: 6,5-8,0), operou de forma sequencial e em regime semi-contínuo. Os parâmetros de controle foram volume, composição do biogás, pH, sólidos, amônia, alcalinidade, demanda química de oxigênio (DQO), ácidos graxos voláteris (AGV) e carbono orgânico total (COT). Ao final da digestão, o biogás resultante do reator acidogênico apresentou 76,54% de hidrogênio (H2) e 23,46% de dióxido de carbono (CO2). O biogás produzido no reator metanogênico apresentou concentração de metano (CH4) de 71,70% e 28,3% de dióxido de carbono (CO2). O volume acumulado de biogás no reator acidogênico (5647mL) foi maior que o produzido no reator metanogênico (2322mL), entretanto o rendimento do biogás produzido no reator metanogênico (311,42 mL/gSVTadd) foi superior ao produzido no reator acidogênico (291,93mL/gSVadd). A redução de sólidos totais (ST) e sólidos voláteis totais (SVT) no reator acidogênico foi de 52% e 64%, respectivamente e a redução de ST e SVT no reator metanogênico foi de 39,68% e 51,41%, respectivamente. A remoção de DQO nos reatores acidogênico e metanogênico foi de 38,50% e 48%, respectivamente. E a redução da matéria orgânica em relação ao conteúdo de COT foi de 52,64% no reator acidogênico e 42,50% no reator metanogênico. Ao final conclui-se que a digestão anaeróbia de resíduos alimentares fornece bons resultados tanto para a produção de biogás quanto para a degradação da matéria orgânicaAbstract: In the anaerobic digestion technology stand out the two-stage configuration which enable the production of hydrogen gas in a first reactor and the production of methane gas in a second reactor, both with high power combustion. This system configuration has many advantages such as greater control of operational parameters and the ability to optimize the activity of acidogenic and methanogenic microorganisms at different stages ensuring greater process efficiency. The objective of this study is produce hydrogen gas and methane gas from anaerobic co-digestion of two substrates, food waste of the university restaurant at Unicamp and mesophilic sludge treatment of vinasse, in temperature mesophilic conditions (37 °C). Among the reasons for choosing the theme are the growing generation of municipal solid waste and the challenge of science to develop cleaner and renewable energy sources. A system containing three reactors (a reactor with total volume of 3,7L used to store the inoculum, a 4,5L reactor total volume operated in acidogenic conditions (pH: 5,5-6,5) and finally a third 4,5L reactor total volume operating in methanogenic conditions (pH: 6,5-8,0)) operated under sequentially and semi-continuous regime. The control parameters were volume, biogas composition, pH, solids, ammonia, alkalinity, chemical oxygen demand (COD), volatile fatty acids (VFA) and total organic carbon (TOC). At the end of digestion, the resultant biogas acidogenic reactor showed 76.54% hydrogen (H2) and 23.46% of carbon dioxide (CO2). The biogas produced in the methanogenic reactor showed concentration of methane (CH4) of 71.70% and 28.3% of carbon dioxide (CO2). The accumulated volume of biogas in the acidogenic reactor (5647,0mL) was greater than that produced in the methanogenic reactor (2322mL). However, the biogas yield in the methanogenic reactor (311.42 mL / gSVTadd) was higher to that produced in the acidogenic reactor ( 291,93mL / gSVadd). The reduction in total solids (TS) and volatile solid (SVT) acidogenic reactor was 52% and 64% respectively and the reduction ST and SVT methanogenic reactor was 39.68% and 51.41%, respectively. The COD removal in the acidogenic and methanogenic reactors was 38.50% and 48%, respectively. And the reduction of organic matter relative to the TOC content was 52.64% in the acidogenic reactor and 42.50% in the methanogenic reactor. At the end it was concluded that anaerobic digestion of food waste, offers good results for the production of biogas and for the degradation of organic matterMestradoEngenharia de AlimentosMestra em Engenharia de Alimentos130741/2014-0CNP