Assessment microaeração in efficiency, stability operations, quality biogas and odor control systems anaerobic

This research work evaluated the feasibility of the micro-aerobic process to remove sulfide from biogas in order to control biogas quality and odors in wastewater treatment plants (WWTP). Moreover, the impact of micro-aeration over the anaerobic system stability was evaluated, and a comparison of the micro-aerobic biotechnology with a chemical absorption process (NaOH) for sulfide removal from biogas was performed. The experiments were performed in a continuous mode in two acrylic-constructed mesophilic (28º C) bioreactors fed with synthetic wastewater. The experiment consisted into four operation phases for both reactors, being the two first phases used for the stabilization of the systems. During the operation phase III, sodium sulfate was introduced into the reactors at a COD/SO42- ratio of ~7. At the operation phase IV, the hydrogen sulfide removal systems were applied into the reactors, i.e. the reactor 1 (R1) was operated under strictly anaerobic conditions with a biogas caustic scrubbing, and the reactor 2 (R2) was operated at micro-aerobic conditions by using a 0,2 mL.min-1 atmospheric air injection into the headspace of the system. Physical-chemical analyses, such as COD, pH, alkalinity, sulfate, dissolved sulfide was performed, and biogas was characterized in terms of N2, O2, CH4, CO2, H2S, NH3. During the operation phases III and IV, both rectors showed a good stability in terms of COD removal (>80%) and sulfate removal (>90%). During the micro-aerobic process, the introduced oxygen did not affect organic matter removal. Regarding biogas quality, content of methane in the micro-aerobic system decreased to a value of 76% (phase III) and 52% (phase IV), due to the dilution with the nitrogen present in air. Meanwhile, when nitrogen interference was removed, similar concentrations to the anaerobic phase (phase III) were obtained, suggesting that methanogenic archaea was not significantly affected by the introduced oxygen. Regarding to sulfide removal, the micro-aerobic process was effective, both removing sulfide from the liquid and the gaseous phases, showing an average removal of 42% e 94%, respectively. The biogas cleaning process applied to R1 showed a 100% sulfide removal from biogas and 100% removal of CO2 and NH3. In this way, both, the micro-aerobic and the scrubbing processes were efficient for sulfide removal and can be used for odor control in WWTP. The preliminary economical study considering two technologies (micro-aerobic and the scrubbing) showed that even taking into account the initial investment for the aeration and the electricity costs for the continuous aeration, the operational costs with the chemical acquisition for the scrubbing process are much higher. Likely, the micro-aerobic process will be more advantageous than the scrubbing process after a detailed economic analysis or a life cycle assessment, however, it is necessary to perform more research in order to confirm these hypotheses.Esta pesquisa avaliou o sistema microaeróbio como estratégia simples de remoção de sulfeto de hidrogênio da fração gasosa com vistas ao controle de odor e qualidade do biogás em estações de tratamento de esgotos (ETE). Adicionalmente, foi avaliado o impacto da microaeração na estabilidade operacional do sistema anaeróbio, além de um estudo comparativo entre a tecnologia microaeróbia e absorção química (NaOH) na remoção de H2S presente no biogás. Os experimentos foram conduzidos em fluxo contínuo em dois reatores mesofílicos (28°C) construídos em acrílico e alimentados com água residuária sintética. O experimento foi dividido em quatro fases de operação, para ambos os reatores, de modo que as duas primeiras fases foram para a estabilização dos reatores. Na fase III foi introduzido sulfato de sódio, em uma relação DQO/SO42- de aproximadamente 7. Por fim, na fase IV foram adicionados aos reatores os sistemas de remoção de H2S, ou seja, o reator 1 (R1) foi operado em condições estritamente anaeróbias com lavagem cáustica do biogás, enquanto que o reator 2 (R2) foi modificado para operar em condições microaeróbias a partir da injeção de 0,2 mL.min-1 de ar atmosférico em seu headspace. Foram realizadas análises físico-químicas no afluente e efluente dos reatores, como DQO, pH, alcalinidade, sulfato, sulfeto dissolvido e feita a caracterização do biogás em termos de N2, O2, CH4, CO2, H2S, NH3. Foi observado nas fases III e IV que ambos os reatores apresentaram boa estabilidade em termos de remoção de DQO (>80%) e remoção de sulfato (>90%). Durante o processo microaeróbio o oxigênio adicionado não modificou a remoção da matéria orgânica. Em relação à qualidade do biogás, observou-se que o conteúdo de metano no sistema provido de microaeração foi reduzido de 76% (Fase III) para 52% (Fase IV), devido à diluição com o nitrogênio presente no ar atmosférico. Entretanto, ao retirar a interferência do N2 foram obtidas concentrações próximas ao da fase totalmente anaeróbia (Fase III), indicando, portanto, que as arquéias produtoras de metano não foram afetadas significativamente pelo oxigênio introduzido. Em relação à remoção de sulfeto, o processo microaeróbio foi efetivo na redução tanto na fase líquida como na gasosa, com remoção média de 42% e 94%, respectivamente. O processo de lavagem do biogás aplicado no R1 promoveu remoção de 100% do H2S do biogás bem como 100% de CO2 e NH3. Dessa forma, tanto o processo microaeróbio como a lavagem foram eficientes na remoção do H2S e podem ser empregados no controle de odor em ETE. O estudo econômico preliminar das duas tecnologias (microaeróbio e lavagem cáustica) mostra que apesar do investimento inicial necessário para a instalação do processo microaeróbio e os custos de eletricidade para aeração contínua dos reatores, os custos operacionais com a aquisição do reagente químico no processo de lavagem superam os custos totais ao longo do tempo. Por fim, espera-se que o sistema microaeróbio seja mais vantajoso do que a lavagem química tanto sob o ponto de vista econômico em uma análise mais detalhada quanto na análise de ciclo de vida, mas que novos estudos devam ser conduzidos para comprovar tais hipóteses