Produção de biogás em reator semicontínuo a partir de codigestão de resíduos sólidos orgânicos (RSO)
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Data
2025-07-22
Autores
Luiz, Franciele Natividade
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Editor
Resumo
O crescimento populacional e o desenvolvimento econômico têm uma relação direta com o aumento da produção de Resíduos Sólidos Urbanos (RSU) no Brasil. Em 2022, o país gerou mais de 77,1 milhões de toneladas de RSU. Um dos maiores desafios é a destinação inadequada desses resíduos, que afeta mais de 35% dos resíduos coletados. Entre os resíduos, a fração orgânica, que inclui material orgânico de diferentes fontes, pode ser reaproveitada e contribuir com o atendimento às legislações ambientais e metas de descarbonização. Uma das alternativas para o aproveitamento da fração orgânica dos RSU é a digestão anaeróbia (DA), um processo biológico que decompõe a matéria orgânica em condições anaeróbias, gerando biogás. O biogás, composto principalmente de metano (CH4) e dióxido de carbono (CO2), possui diversas aplicações, como a geração de energia térmica, elétrica e combustível veicular. Com os incentivos governamentais e leis como a Lei do Combustível do Futuro (Lei 14.993/24), sancionada em outubro de 2024, há um crescente interesse no desenvolvimento de combustíveis avançados e renováveis, destacando a importância de estudos que explorem o potencial do biogás. Este estudo visa avaliar o potencial de produção de biogás e metano a partir da codigestão de Resíduos Sólidos Orgânicos (RSO), através da mistura de resíduos alimentares, azeite de oliva e macarrão. Para isso, foram realizados ensaios de Potencial Bioquímico de Metano (PBM), que medem a capacidade de produção de biogás, além de experimentos em um reator do tipo CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor), que considerou a partida do reator e posterior operação em diferentes condições de Carga Orgânica Volumétrica (COV), com variação de 1,32 g SV/L a 7,88 gSV/L. Os resultados dos ensaios de PBM com os resíduos individuais apresentaram uma produção de biogás entre 669 NL/kg de SV a 1190 NL/kg de SV, com teores de CH4 acima de 50%. No reator, a condição com o melhor desempenho foi aquela com COV de 4,49 gSV/L e um Tempo de Retenção Hidráulica (TRH) de 30 dias, enquanto em uma condição de sobrecarga, com COV de 7,88 gSV/L, o rendimento médio de aproveitamento do potencial bioquímico de metano foi de de 22% e o meio apresentou indicadores de acidificação. Esses resultados indicam que a digestão anaeróbia, quando aplicada à codigestão de resíduos sólidos orgânicos, é eficiente tanto na quantidade quanto na qualidade do biogás gerado, para operação de biodigestores em regimes semi contínuos o controle analítico do processo pode subsidiar intervenções necessárias para preservar a estabilidade do meio. Além disso, a DA tem o potencial de auxiliar o país a atingir metas ambientais, reduzindo as emissões de gases de efeito estufa e valorizando recursos que, de outra forma, estariam dispostos de maneira inadequada no meio ambiente ou encaminhados a aterros sanitários.
Resumen
El crecimiento poblacional y el desarrollo económico están directamenterelacionados con el aumento de la producción de Residuos Sólidos Urbanos (RSU) en Brasil. En 2022, el país generó más de 77,1 millones de toneladas de RSU. Uno de los mayores desafíos es la disposición inadecuada de estos residuos, lo que afecta a más del 35% de los residuos recolectados. Entre los residuos, la fracción orgánica, que incluye material orgánico de diferentes fuentes, puede ser reutilizada y contribuir al cumplimiento de las normativas ambientales y los objetivos de descarbonización. Una de las alternativas para el aprovechamiento de la fracción orgánica de los RSU es la digestión anaeróbica (DA), un proceso biológico que descompone la materia orgánica en condiciones anaeróbicas, generando biogás. El biogás, compuesto principalmente por metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2), tiene diversas aplicaciones, como la generación de energía térmica, eléctrica y combustible vehicular. Con los incentivos gubernamentales y leyes como la Ley del Combustible del Futuro (Ley 14.993/24), sancionada en octubre de 2024, existe un creciente interés en el desarrollo de combustibles avanzados y renovables, destacando la importancia de estudios que exploren el potencial del biogás. Este estudio tiene como objetivo evaluar el potencial de producción de biogás y metano a partir de la codigestión de Residuos Sólidos Orgánicos (RSO), mediante la mezcla de residuos alimentarios, aceite de oliva y fideos. Para ello, se realizaron ensayos de Potencial Bioquímico de Metano (PBM), que miden la capacidad de producción de biogás, además de experimentos en un reactor tipo CSTR (Reactor Continuo Agitado por Tanque), que consideró el inicio del reactor y posterior operación en diferentes condiciones de Carga Orgánica Volumétrica (COV), con variación de 1,32 g de SV/L a 7,88 gSV/L. Los resultados de los ensayos de PBM con los residuos individuales mostraron una producción de biogás entre 669 NL/kg de SV a 1190 NL/kg de SV, con concentraciones de CH4 superiores al 50%. En el reactor, la condición con mejor desempeño fue aquella con COV de 4,49 gSV/L y un Tiempo de Retención Hidráulica (TRH) de 30 días, mientras que en una condición de sobrecarga, con COV de 7,88 gSV/L, el rendimiento promedio de aprovechamiento del potencial bioquímico de metano fue del 22% y el medio presentó indicadores de acidificación. Estos resultados indican que la digestión anaeróbica, cuando se aplica a la codigestión de residuos sólidos orgánicos, es eficiente tanto en la cantidad como en la calidad del biogás generado. Para la operación de biodigestores en regímenes semi-continuos, el control analítico del proceso puede respaldar las intervenciones necesarias para preservar la estabilidad del medio. Además, la DA tiene el potencial de ayudar al país a alcanzar metas ambientales, reduciendo las emisiones de gases de efecto invernadero y valorizando recursos que, de otro modo, serían dispuestos de manera inadecuada en el medio ambiente o enviados a vertederos sanitários.
Abstract
Population growth and economic development are directly related to the increased production of Urban Solid Waste (USW) in Brazil. In 2022, the country generated more than 77.1 million tons of USW. One of the biggest challenges is the improper disposal of these wastes, which affects more than 35% of the waste collected. Among the waste, the organic fraction, which includes organic material from different sources, can be reused and contribute to meeting environmental legislation and decarbonization targets. One alternative for utilizing the organic fraction of USW is anaerobic digestion (AD), a biological process that breaks down organic matter under anaerobic conditions, generating biogas. Biogas, mainly composed of methane (CH4) and carbon dioxide (CO2), has several applications, such as the generation of thermal energy, electricity, and vehicle fuel. With government incentives and laws like the Future Fuel Law (Law 14.993/24), enacted in October 2024, there is a growing interest in the development of advanced and renewable fuels, highlighting the importance of studies exploring the potential of biogas. This study aims to evaluate the biogas and methane production potential from the co-digestion of Organic Solid Waste (OSW) by mixing food waste, olive oil, and pasta. To this end, Biochemical Methane Potential (BMP) tests were conducted to measure the biogas production capacity, along with experiments in a CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor) type reactor, which considered reactor startup and subsequent operation under different Organic Loading Rates (OLR) conditions, ranging from 1.32 g VS/L to 7.88 gVS/L. The results of the BMP tests with individual wastes showed biogas production between 669 NL/kg of VS and 1190 NL/kg of VS, with CH4 concentrations above 50%. In the reactor, the best-performing condition was the one with a VOL of 4.49 gVS/L and a Hydraulic Retention Time (HRT) of 30 days, while in an overloaded condition, with a OLR of 7.88 gVS/L, the average methane biochemical potential utilization yield was 22%, and the medium showed acidification indicators. These results indicate that anaerobic digestion, when applied to the co-digestion of organic solid wastes, is efficient both in the quantity and quality of the biogas generated. For the operation of biodigesters in semi-continuous regimes, the analytical control of the process can support necessary interventions to maintain the stability of the medium. Furthermore, AD has the potential to help the country achieve environmental goals by reducing greenhouse gas emissions and valorizing resources that would otherwise be improperly disposed of in the environment or sent to landfills.
Descrição
Tese apresentada ao Programa de Pós-Graduação Interdisciplinar em Energia e Sustentabilidade da Universidade Federal da Integração Latino-Americana, como requisito parcial à obtenção do título de Doutor em Energia e Sustentabilidade.
Palavras-chave
resíduos sólidos, digestão anaeróbia, biogás, metano