Thermophilic AnSBBR for methane production by co-digestion of glycerin, cheese whey and sugarcane vinasse

Este trabalho investigou a aplicação de um reator anaeróbio termofílico operado em bateladas sequenciais ou em bateladas alimentadas sequenciais, contendo biomassa imobilizada em suporte inerte e agitação mecânica (AnSBBR) visando a adequação ambiental e a produção de metano a partir da codigestão, em pares, de resíduos gerados nas indústrias de biodiesel (glicerina), de laticínios (soro de queijo) e de etanol (vinhaça), no qual foram implementadas diferentes combinações entre os substratos (soro-vinhaça; glicerina-soro; e, glicerina-vinhaça). Os ensaios foram separados em etapas: (i) variação da composição da água residuária; (ii) elevação da carga orgânica com o aumento da concentração afluente; (iii) alteração da estratégia de alimentação; e, (iv) modificação da temperatura de operação (50 e 45 °C). O sistema foi avaliado em função da estabilidade operacional e dos indicadores de desempenho referentes à produtividade de metano (PrM) e rendimento entre metano gerado e matéria orgânica removida (YDQO-REM). Em termos experimentais, os resultados indicaram a viabilidade de produzir metano utilizando as combinações de substratos estudadas. As condições operadas em bateladas alimentadas sequenciais e temperatura de 55 °C apresentaram melhores resultados. Na codigestão entre soro e vinhaça, a condição de 25% soro e 75 % vinhaça e COVA de 24,4 kgDQO.m-3.d-1 atingiu 79 % de remoção de DQO, PrM de 272 molCH4.m-3.d-1 e YDQO-REM de 14,1 mmolCH4.gDQO-1. Em relação à codigestão entre glicerina e soro, a condição de 75% glicerina e 25 % soro e COVA de 19,1 kgDQO.m-3.d-1 apresentou 64 % de remoção de DQO, PrM de 244 molCH4.m-3.d-1 e YDQO-REM de 15,6 mmolCH4.gDQO-1. Considerando a aplicação do AnSBBR termofílico em um laticínio de porte médio, a recuperação de energia seria de, respectivamente, 94 MWh.mês-1 e 120 MWh.mês-1. No caso da codigestão entre glicerina e vinhaça, o aumento da COVA para 11,1 kgDQO.m-3.d-1 só foi possível ao reduzir a proporção de glicerina de 25 % para 12,5 % e aumentar a proporção de 87,5 % vinhaça. O sistema apresentou remoção de DQO de 72 %, PrM de 73 molCH4.m-3.d-1 e YDQO-REM de 9,1 mmolCH4.gDQO-1, cuja recuperação de energia estimada foi de 4.100 MWh.mês-1. Em todas as condições estudas o modelo cinético foi ajustado aos dados experimentais.In this work, it was investigated the co-digestion, in pairs, of agro-industrial wastewater generated by dairy (cheese whey), biodiesel (glycerin) and ethanol (sugarcane vinasse) industry in a thermophilic anaerobic reactor with biomass immobilized on inert support, mechanically stirred and operated in sequential batch and fed-batch (AnSBBR) for environmental compliance and methane production. Different combinations between substrates were implemented (cheese whey-sugarcane vinasse; glycerin-cheese whey; and, glycerin-sugarcane vinasse). Assays were performed in steps: (i) wastewater composition; (ii) increase of organic load (AVOL) through the affluent concentration; (iii) changing the feeding strategy; and (iv) modification of the operating temperature. The system was evaluated according to operational stability and performance indicators related to methane productivity (MPr) and the yield of methane generation relative to the amount of removed organic matter (YCOD-REM). In experimental terms, the results indicated the feasibility of producing methane using the studied substrate combination. Best results were obtained at operation in fed-batch and at temperature of 55 °C. In co-digestion of cheese whey and sugarcane vinasse, assay conducted with 25 % cheese whey and 75 % sugarcane vinasse and AVOL 24,4 kgCOD. m-3.d-1 reached 79 % of COD consumption, MPr of 272 molCH4.m-3.d-1 and YCOD-REM of 14,1 mmolCH4.gCOD-1. Regarding co-digestion of glycerin and cheese whey, COD removal of 64 %, MPr of 244 molCH4.m-3.d-1 and YCOD-REM of 15,6 mmolCH4.gCOD-1 were obtained in assay with 75 % glycerin and 25 % cheese whey and AVOL 19,1 kgCOD.m-3.d-1. It was predict that the application of thermophilic AnSBBR in a medium-size dairy, the energy recovery would be 94 MWh.month-1 and 120 MWh.month-1, respectively. In the case of co-digestion of glycerin and sugarcane vinasse, the increase in AVOL to 11 kgDQO. m-3.d-1 was possible by reducing the proportion of glycerin from 25 % to 12,5 % and increasing the proportion of 87,5 % of sugarcane vinasse. The COD removal was 72 %, the MPr was 73 molCH4. m-3.d-1 and YCOD-REM of 9,1 mmolCH4.gDQO-1, which estimated energy recovery was 4,100 MWh.month-1. In all conditions studied, the kinetic model was adjusted to the experimental data