AnSBBR applied to cheese whey treatment and methane production under termophilic condition

Uma das alternativas para a recuperação de energia de resíduos é o tratamento anaeróbio de efluentes com produção de metano e hidrogênio, utilizando-se reatores anaeróbios. Dentre as configurações possíveis de reatores, os descontínuos, como o ASBR e o AnSBBR, destacam-se ao permitem maior flexibilidade e estabilidade na operação, bem como maior controle dos efluentes do processo e menores tempos de partida. O objetivo deste trabalho foi avaliar a produção de metano a partir da digestão anaeróbia do soro em condição termofílica, avaliando também a adequação ambiental deste resíduo. O soro de queijo é o maior subproduto da indústria de laticínios, sendo gerado na proporção de 90% do volume de leite utilizado, com concentração de matéria orgânica entre 2 e 80g DQO.L-1, dependendo do processo produtivo. O reator foi operado de forma a permitir avaliar a influência da carga orgânica aplicada (limite de estabilidade), da estratégia de alimentação (tempo de enchimento batelada ou batelada alimentada), e da relação entre tempo de ciclo e concentração afluente (flexibilidade operacional). O reator operou a 55ºC, com tempo de ciclo de 8 horas e velocidade de agitação (100 rpm), sendo o volume alimentado por ciclo de 1,0 litro, com 1,5 litros de volume residual. O reator teve um período inicial de adaptação de 29 dias. Após este período, estudou-se a influência do aumento da carga orgânica pelo aumento da carga orgânica volumétrica aplicada, variando de 6,20 a 30,34 gDQO.L-1.d-1. A condição com carga orgânica volumétrica aplicada de 19,20 gDQO.L-1.d-1 apresentou os melhores resultados globais, alcançando eficiência de remoção de matéria orgânica na forma de DQO de 85,8% e 99,6% de carboidratos. O rendimento de metano gerado em função da matéria orgânica consumida foi de 13,07 mmolCH4.gDQO-1, sendo a produção de biogás de 6506 mL-CNTP.ciclo-1, com fração molar de metano equivalente a 73,7%. A produtividade molar de metano alcançada nesta condição foi de 324,0 molCH4.m-3.d-1 . Percebeu-se que as maiores cargas aplicadas acarretaram em perda de eficiência e instabilidade no reator. O modelo cinético de todas as condições foi ajustado corretamente, indicando que a rota de produção de metano preferencial foi a hidrogenotrófica em todo o período de estudo, porém, a via acetoclástica também foi presenciada em todas as condições. A mudança de estratégia de alimentação de batelada (2% do ciclo) para batelada alimentada (50% do ciclo) não melhorou os resultados de eficiência, estabilidade e produção de metano no reator. Realizou-se também a estimativa da recuperação energética estimando a produção de um pequeno, médio e grande produtor de queijo. A condição V apresentou os melhores resultados, possibilitando a recuperação de 826,10 MWh por dia tratando o volume de soro gerado numa indústria de grande porte (1.000.000 kg.mês-1) enquanto a melhor condição global (VIII) apresentou recuperação de 548,40 MWh.One of the alternatives to recover energy from waste treatment is by the anaerobic treatment of effluents using discontinuous reactor configuration, such as ASBR and AnSBBR, aiming to produce methane and hydrogen. This reactors configuration allows greater flexibility and stability in the operation, a better controlled process, as well as shorter start-up. The objective of this project was to evaluate the methane production from the anaerobic digestion of cheese whey under thermophilic conditions. Cheese whey is the largest by-product of the dairy industry, it is generated in a proportion of 90% of the milk volume, its organic matter concentration can vary between 2 and 80 g COD.L-1 depending on the process. The evaluation of the environmental suitability of this residue was also analyzed. The reactor was operated to determinate the influence of the applied organic load (stability limit), feeding strategy (filling time - batch or fed-batch), and the relationship between cycle time and affluent concentration (operational flexibility). The reactor was operated at 55 ºC, with cycle time of 8 hours and 100 rpm of agitation speed. The volume fed per cycle was 1.0 liter with 1.5 liters of residual volume. The reactor had an initial adaptation period of 29 days. After this period, the influence of the organic load by increasing the applied volumetric organic load, ranging from 6.20 to 30.34 gDQO.L-1.d-1, was studied. The condition with volumetric organic load of 19.20 gDQO.L-1.d-1 presented the best overall results, reaching organic matter removal efficiency in the form of COD of 85.8 ± 2.0% and 99.6 ± 0.2% for carbohydrates. The yield of methane generated by organic matter consumed was 13.07 mmolCH4.gDQO-1, within biogas production of 6506 ± 185 mL-CNTP.cycle-1, with a methane molar fraction equivalent to 73.68 ± 0,43%. This condition molar productivity of methane achieved 324.0 molCH4.m-3.d-1. It was noticed that the higher organic loads applied lead to loss of efficiency and instability of the reactor. The kinetic model of all conditions was correctly adjusted, indicating that the preferred methane production route was hydrogenotrophic throughout the study period, but the acetoclastic pathway was also observed in all conditions. Changing from batch feeding strategy (2% cycle) to fed batch (50% cycle) did not improved the efficiency, stability and methane production results in the reactor. The energy recovery was also estimated by estimating the production of a small, medium and large cheese producer. Condition V presented the best results, allowing the recovery of 826.10 MW per day by treating the volume of cheese whey generated in a large industry (1.000.000 kg.month-1), while the best overall condition (VIII) recovered 548.40 MW