Biomass production in high rate ponds with different depths and its use for energy generation through hydrothermal liquefaction

Essa pesquisa abordou a produção de biomassa em lagoas de alta taxa (LATs) durante o tratamento de esgoto doméstico e o aproveitamento dessa biomassa para a produção de bio-óleo por meio do processo de liquefação hidrotérmica. Avaliou-se a produção de biomassa em diferentes profundidades da LAT e a adioao de CO2. Foram monitoradas LATs de 20, 3O e 4O cm de profundidade, com e sem adição de CO2 e uma sétima LAT com 4O cm de profundidade com efluente da desinfecção ultravioleta, com o intuito de aferir se esse dispositivo permitia a adooao de maiores profundidades. A biomassa produzida nas LATs foi caracterizada e utilizada no processo de liquefação hidrotérmica. Foram avaliados os efeitos de parametros operacionais, tais como tempo de reação, temperatura e razão biomassa/água. A liquefação hidrotérmica converte toda matéria orgânica presente na biomassa, não apenas lipídeos, e ocorre em meio aquoso. Essas características fazem com que o processo possua grande potencial para o aproveitamento da biomassa gerada em LATs durante o tratamento de efluentes, uma vez que, comumente, a fração lipídica é reduzida e o conteúdo de água é elevado. Os experimentos permitiram observar que a assimilação de CO2 pelas microalgas nas LATs varia com a profundidade, sendo que esse valor foi de 90%, 72% e 68% para as LATs de 20, 30 e 4O cm, respectivamente. Somado a isso, constatou-se que a redução da demanda de CO2 no meio de cultivo e a pré-desinfecção UV permitem a adoção de profundidades maiores, com produção de biomassa algal em LATs de 4O cm equivalente a LATs de 30 cm, sem comprometer a eficiência do tratamento do efluente. Sobre a liquefação hidrotérmica, a elevação do tempo de reação acima de 15 minutos não propiciou ganhos significativos de rendimentos e a temperatura a partir de 300ºC favoreceu a formação do bio-óleo. O rendimento do bio-óleo nessas condições foi de 25,3% em base seca. Os demais subprodutos apresentaram características que Ihes conferem o potencial para aproveitamento dentro do Ciclo de produção de biomassa e geração de energia, o que é de suma importância para a viabilidade econômica e ambiental do processo. O processo de secagem e o conteúdo de água no interior do reator foram os fatores que mais contribuiram negativamente para o balanço energético do prooesso. No entanto, o mesmo foi positivo em grande parte das condições avaliadas. O estudo esta relacionado as reais necessidades do país no que diz respeito a solução de problemas ambientais e a produção de energia limpa. Concomitantemente, está em consonância com o que vem sendo estudado em nível mundial em termos de biotecnologia de microalgas, e seu amplo leque de utilização.This research addressed the production of biomass in high rate ponds (HRPs) during domestic sewage treatment and the utilization of this biomass for bio- oil production through hydrothermal liquefaction process. Regarding biomass production, HRP depth and 002 addition were together evaluated. HRPs of 20, 30 and 40 cm of depth, with and without COz addition were monitored, in addition to a seventh HRP with 40 cm depth and ultraviolet disinfected effluent. This last pond had the main objective to test whether this device allows the adoption of greater depths. Biomass produced in HRPs was characterized and used in hydrothermal liquefaction process. Operational parameters were assessed, such as, reaction time, temperature and biomass/water ratio. Hydrothermal liquefaction converts the all the organic matter present in the biomass, not only lipids, and occurs in aqueous medium. Due to these characteristics, the process has a great potential for the utilization of biomass produced in HRPs during wastewater treatment, since it usually has low lipid fraction and high water content. Experiments allowed to observe that 002 assimilation through microalgae in HRPs can vary with depth. 002 assimilation values were 90%, 72% and 68% for HRPs of 20, 30 and 40 cm of depth, respectively. Beside this, was found that the reduction of 002 demand in the growth medium and the pre-UV disinfection allow the adoption of greater depths, with algal biomass production in HRPs of 40 cm depth equivalent to 30 cm HRPs, without compromising the efficiency of wastewater treatment. Regarding hydrothermal liquefaction, time reaction elevation of more than 15 minutes did not contribute to significant gains of yield. Temperatures equal to or higher than 300°C have favored bio-oil formation. Bio-oil yield in these conditions was 25.3% in dry basis. Other products presented characteristics that indicated their potential for utilization within the cycle of biomass production and energy generation, which is very important for the economic and environmental viability of the process. The biomass dewatering process and water content inside the reactor were the main factors that negatively contributed for the energy balance of the process. However, the balance was positive in most of the evaluated conditions. This study is related with real needs of the country regarding environmental problem solving and clean energy production. At the same time, is in accordance with what has been studied worldwide in terms of microalgae biotechnology and its wide range of use.Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerai