Hydrogen and volatile fatty acids production by acidogenic fermentation in anaerobic fluidized bed reactor

A matéria orgânica presente nas águas residuárias representa uma matéria prima barata para integrar o processo de digestão anaeróbia e gerar fontes de energia alternativas, como o hidrogênio. O hidrogênio pode substituir os combustíveis fósseis não renováveis e diminuir as emissões de gases do efeito estufa responsável por grande parte da mudança climática global. A combustão do hidrogênio com o oxigênio produz somente vapor d\'água e representa 2,75 vezes mais conteúdo de energia que qualquer hidrocarboneto. Além disso, os ácidos orgânicos gerados no processo podem ser utilizados como fonte de carbono para a produção de metano, hidrogênio por organismos fototróficos e biopolímeros e, para a remoção de nutrientes biológicos. A produção de hidrogênio tem sido estudada em reatores de crescimento suspenso e de crescimento imobilizado como o reator anaeróbio de manta de lodo (UASB), reator anaeróbio de leito fixo e reator anaeróbio de leito fluidificado. O objetivo desse estudo foi avaliar a produção de hidrogênio e ácidos orgânicos em um reator anaeróbio de leito fluidificado contendo argila expandida como material suporte. O reator tinha 190 cm de altura, 5 cm de diâmetro interno e um volume de 4192 \'CM POT.3\'. O reator foi inoculado com lodo pré-tratado termicamente a 90°C por 10 minutos para o enriquecimento do inóculo acidogênico. O sistema foi operado com tempo de detenção hidráulica (TDH) de 8, 6, 4, 2 e 1 h e foi alimentado com água residuária sintética contendo 2000 mg/L de glicose. A operação contínua teve duração de 178 dias, e em cada TDH o reator foi operado durante, aproximadamente, 30 dias. A 30°C e pH de 3,8, cerca de 92 a 98% da glicose foi removida. A diminuição do TDH de 8 para 1 h conduziu a um aumento na velocidade média de produção de hidrogênio volumétrico de 0,28 para 1,15 L/h.L, respectivamente. A máxima velocidade de produção de hidrogênio, de 1,15 L/h.L, foi obtida em TDH de 1 h. Em geral, o rendimento de produção de hidrogênio aumentou com a diminuição do TDH, de 1,84 mols \'H IND.2\'/mol glicose em TDH de 8 h para 2,29 mols \'H IND.2\'/mol glicose em TDH de 2 h. O biogás não continha metano e o conteúdo máximo de hidrogênio foi de 37% em TDH de 2 h. Foi observada uma correlação linear entre a velocidade de produção de hidrogênio e a taxa de carregamento orgânico (TCO). Ainda, a TCO máxima de 104 kg/\'M POT.3\'.d não inibiu a produção de hidrogênio. Os maiores metabólitos solúveis foram o ácido butírico (44,64-52,52%) e o ácido acético (41,17-47,48%) com insignificante concentração de etanol (menor do que 10%). A produção de hidrogênio estável e a porcentagem de ácido butírico sobre o ácido acético indicam que o tratamento térmico do lodo foi efetivo e uma típica fermentação do tipo ácido butírico pode ser assegurada por Clostridium. Além disso, foram alcançados bons desempenhos de produção de hidrogênio sob condições de pH em torno de 4,0.Organic materials in the wastewater can be an inexpensive raw material for integrating fermentation process and suppling renewable energy source such as hydrogen. Nevertheless hydrogen can replace fossil fuels and reduce greenhouse gases responsible for global climate change. The hydrogen combustion with oxygen produces only water vapor and hydrogen gas has 2.75 times the energy content of any hydrocarbons. Furthermore, the volatile fatty acids production can be used as carbon source for methane, photosynthetic hydrogen, bioplastics production and biological nutrients removal. The hydrogen production was carried out in suspend cell system, anaerobic sludge blanket reactor, fixed bed reactors and fluidized bed reactors. The objective of this study was to evaluate the hydrogen and volatile fatty acids production in an anaerobic fluidized bed reactor containing expanded clay like a material to immobilize acclimated anaerobic sludge. The reactor has presented 190 cm high, 5 cm in internal diameter and volume of 4192 \'CM POT.3\'. The reactor was seeded with a heat treated sludge at 90°C for 10 minutes for enriching \'H IND.2\' producing inoculum and supressing methanogens. The system was operated at hydraulic retention time (HRT) of 8, 6, 4, 2 and 1 h and was fed with syntetic wastewater containing 2.000 mg glucose/L. The continuous operation lasted 178 days, and in each TDH the reactor was operated for approximately 30 days. At 30°C and pH 3.8, about 92-98% of glucose was removed. The decrease of HRT from 8.0 to 1.0 led to a marked increase in the mean volumetric hydrogen production rate from 0.28 to 1.15 L/h.L, respectively. The maximum volumetric hydrogen production rate, 1.15 L/h.L, was obtained at HRT of 1.0 h. In general, the hydrogen yield increase from 1.84 mol \'H IND.2\'/mol glucose at HRT of 8.0 h to 2.29 mol \'H IND.2\'/mol glucose at HRT of 2.0 h. The biogas was free methane and the hydrogen content accounted for 37% at HRT of 2.0 h. There was a linear correlation between the hydrogen production rate and the organic loading rate (OLR) and the maximum OLR, 104 Kg/\'M POT.3\'.d, is not expected to inhibit hydrogen production. The major soluble products were butyric acid (44.64- 52.52%) and acetic acid (41.17-47.48%) further ethanol was relatively insignificant (less than 10%). The stable hydrogen production and the percentagen of butyric acid over acetic acid indicated the heat treated sludge was effective and a typical butyrate type fermentation was achieved by Clostridium. In addition, hydrogen production could be performed under pH conditions near 4.0