Utilização de metanol, etanol e metano como doadores de elétrons para a desnitrificação

Esta tese apresenta e discute os dados obtidos a partir de trabalho experimental projetado para avaliar comparativamente o desempenho de reatores desnitrificantes em batelada, tendo etanol, metanol e gás metano como doadores de elétrons. Os experimentos foram realizados em reatores em escala de bancada. Os ensaios com gás metano objetivaram verificar a efetividade deste sub-produto de reatores anaeróbios em substituir os doadores exógenos de elétrons comumente utilizados, tais como metanol e etanol. Para alcançar o objetivo principal deste trabalho, os parâmetros cinéticos de desnitrificação, para os doadores de elétrons ensaiados, foram determinados nas diferentes condições operacionais. Além disso, as alterações ocorridas na população microbiana, ao longo do período experimental, foram avaliadas em relação à diversidade microbiana, por meio de análises microscópicas (óptica, de fluorescência e eletrônica de varredura) e da técnica de Biologia Molecular de PCR/DGGE. A completa desnitrificação foi alcançada para todos os compostos testados, e o etanol foi o doador de elétrons mais eficiente para a desnitrificação. A melhor razão carbono-nitrogênio para a desnitrificação foi igual a 1,0. Contudo, este parâmetro foi encontrado ser inadequado para utilização no processo de desnitrificação, uma vez que não expressa a capacidade real do composto usado em doar elétrons. A desnitrificação com metano ocorreu tanto na presença como na ausência de oxigênio, embora a baixas velocidades quando comparado com os outros compostos. No entanto, a configuração do reator utilizado neste estudo não foi adequada para promover a efetiva dissolução do gás metano na fase líquida. Por essa razão, sugere-se o desenvolvimento de configurações de reatores apropriadas para minimizar as resistências à transferência de massa da fase gasosa para a líquida e também desta para a biomassa.

Nitrato na dieta de ruminantes como estratégia nutricional para mitigação de metano entérico

A produção de metano entérico está entre as principais fontes de emissão de gases de efeito estufa dentre as atividades agropecuárias, além de gerar perda energética ao animal de até 12% da energia bruta consumida. Assim, o objetivo deste trabalho foi avaliar o uso de nitrato de cálcio encapsulado na alimentação de ruminantes como estratégia nutricional a mitigação de metano entérico. O experimento consistiu de duas fases. Fase I: Foram testadas dietas suplementadas com produto comercial de nitrato de cálcio encapsulado utilizando a técnica semiautomática de produção de gases in vitro. Meio grama de substrato com 50 mL de meio de incubação e 25 mL de inóculo ruminal foram incubados em frascos de vidro (160 mL) à 39 ºC por 24 horas para determinação da melhor dieta a ser testada in vivo. O primeiro ensaio testou a associação entre a monensina (dietas com e sem adição de monensina) e doses de nitrato encapsulado (0; 1,5 e 3% da matéria seca (MS)) para mitigação de metano in vitro. Não foi observada interação entre monensina e nitrato para as variáveis testadas. O segundo ensaio in vitro testou a interação do tipo de dieta com duas relações concentrado:volumoso, 20:80 e 80:20, e a inclusão de doses de nitrato encapsulado (0; 1,5; 3 e 4,5% MS). Embora não foi observado efeito associativo entre dieta e nitrato para redução de metano, foi observada mudança nos produtos da fermentação ruminal, com redução de propionato, em decorrência da concorrência de nitrato e propianogênicas por hidrogênio mais escasso em dietas com menor fermentação. Fase II: Conforme os resultados obtidos na Fase I, na segunda fase foi avaliado o efeito associativo da relação de concentrado:volumoso da dieta e a dose de nitrato sobre a emissão de metano, constituintes ruminais e toxicidade do nitrato in vivo. Utilizou-se seis borregos canulados no rúmen, distribuídos em delineamento experimental quadrado latino 6 x 6, em fatorial 2 x 3. Os fatores foram tipo de dieta (relação concentrado:volumoso 20:80 e 80:20) e inclusão de doses de nitrato encapsulado na dieta (0; 1,5 e 3% MS) em substituição gradual ao farelo de soja, totalizando seis tratamentos. Os teores de substituição do farelo de soja pelo nitrato foram em equivalente proteico de maneira a deixar as dietas isonitrogenadas. Os animais foram adaptados gradualmente a oferta de nitrato dietético para evitar problemas com toxidez. A análise de toxicidade foi avaliada pela taxa de metahemoglobina no sangue dos ovinos 3 horas após a alimentação. Nitrato reduziu a produção de metano em ambas as dietas. Os níveis de metahemoglobina no sangue dos animais não foram alterados pela adição de nitrato. Foi observado efeito associativo entre o tipo de dieta e nitrato para os produtos da fermentação ruminal, como acetato, que aumentou linearmente nas dietas com 80% de concentrado quando nitrato foi adicionado. Concluí-se que nitrato, utilizado de forma segura, é uma promissora estratégia para redução de metano entérico independentemente do tipo de dieta com que está sendo suplementado

Efeito da adição de fibras de cana-de-açúcar pré-tratadas na produção de metano advinda da biodigestão anaeróbia de gorduras do leite

A digestão anaeróbia é uma alternativa para o tratamento de resíduos com altas concentrações de matéria orgânica. Por meio dos processos anaeróbios é possível a produção de biogás, fonte de energia renovável e ambientalmente amigável. Elevadas concentrações de lipídios, todavia, apesar de representarem elevado potencial metanogênico, interferem negativamente nos sistemas de tratamento, podendo inibir a atividade microbiana e, consequentemente, a produção de metano. O presente projeto avaliou o efeito da adição de bagaço de cana-de-açúcar no processo de biodigestão anaeróbia de elevadas concentrações de gorduras advindas de efluentes de laticínio. Para tanto foi utilizado bagaço de cana-de-açúcar in natura e pré-tratadas pelos seguintes métodos: organossolve, hidrotérmico, explosão à vapor e ácido diluído. O uso desse material lignocelulósico teve o objetivo de controlar a inibição causada pelos produtos da hidrólise dos lipídios por meio de sua adsorção e, consequentemente, diminuição das concentrações de tais compostos no meio. Outra hipótese era que o bagaço de cana-de-açúcar pudessem agir como co-substrato no processo de biodigestão anaeróbia. Inicialmente realizaram-se ensaios de biodegradabilidade anaeróbia com concentrações crescentes de gordura, que resultaram em relação entre substrato e microrganismo 0,06, 0,1, 0,2, 0,4 e 0,6 g DQO/gSTV. O ensaio com concentração em que foi verificada a inibição severa (0,4 gDQO/gSTV) do processo foi repetido com adição das fibras tratadas e não tratadas. Aos dados de produção acumulada de metano ajustou-se modelo de Gompertz, e parâmetros cinéticos foram inferidos. O bagaço de cana-de-açúcar mostrou potencial como adsorvente de gordura, pois as produções metanogênicas foram superiores à condição inibida sem adição desse material. A adição de fibras pré-tratadas por método organossolve resultou nas maiores produções de metano.

Síntese, caracterização e modificação de superfícies de sílicas mesoporosas ordenadas para captura de CO2

Processos como a purificação do metano (CH4) e a produção de hidrogênio gasoso (H2) envolvem etapas de separação de CO2. Atualmente, etanolaminas como monoetanolamina (MEA), dietanolamina (DEA), metildietanolamina (MDEA) e trietanolamina (TEA) são as substâncias mais utilizadas no processo de separação/captura de CO2 em processos industriais. Entretanto, o uso destas substâncias apresenta alguns inconvenientes devido à alta volatilidade, dificuldade de se trabalhar com material líquido, também ao alto gasto energético envolvido das etapas de regeneração e à baixa estabilidade térmica e química. Com base nessa problemática, esse trabalho teve por objetivo a síntese de um tipo de sílica mesoporosa altamente ordenada (SBA-15) de modo a utilizá-la no processo de captura de CO2. O trabalho foi dividido em quatro etapas experimentais que envolveram a síntese da SBA-15, o estudo do comportamento térmico de algumas etanolaminas livres, síntese e caracterização de materiais adsorventes preparados a partir de incorporação de etanolaminas à SBA-15 e estudo da eficiência de captura de CO2 por esses materiais. Novas alternativas de síntese da SBA-15 foram estudadas neste trabalho, visando aperfeiçoar as propriedades texturais do material produzido. Tais alternativas são baseadas na remoção do surfatante, utilizado como molde na síntese da sílica mesoporosa, por meio da extração por Soxhlet, utilizando diferentes solventes. O processo contribuiu para melhorar as propriedades do material obtido, evitando o encolhimento da estrutura que pode ser ocasionado durante a etapa de calcinação. Por meio de técnicas como TG/DTG, DSC, FTIR e Análise Elementar de C, H e N foi realizada a caracterização físico-química e termoanalítica da MEA, DEA, MDEA e TEA, visando melhor conhecer as características destas substâncias. Estudos cinéticos baseados nos métodos termogravimétricos isotérmicos e não isotérmicos (Método de Ozawa) foram realizados, permitindo a determinação de parâmetros cinéticos envolvidos nas etapas de volatilização/decomposição térmica das etanolaminas. Além das técnicas acima mencionadas, MEV, MET, SAXS e Medidas de Adsorção de N2 foram utilizadas na caraterização da SBA-15 antes e após a incorporação das etanolaminas. Dentre as etanolaminas estudadas, a TEA apresentou maior estabilidade térmica, entretanto, devido ao seu maior impedimento estérico, é a etanolamina que apresenta menor afinidade com o CO2. Diferentemente das demais etanolaminas estudadas, a decomposição térmica da DEA envolve uma reação intramolecular, levando a formação de MEA e óxido de etileno. A incorporação destes materiais à SBA-15 aumentou a estabilidade térmica das etanolaminas, uma vez que parte do material permanece dentro dos poros da sílica. Os ensaios de adsorção de CO2 mostraram que a incorporação da MEA à SBA-15 catalisou o processo de decomposição térmica da mesma. A MDEA foi a etanolamina que apresentou maior poder de captura de CO2 e sua estabilidade térmica foi consideravelmente aumentada quando a mesma foi incorporada à SBA-15, aumentando também seu potencial de captura de CO2.

Produção de biohidrogênio a partir de soro de leite em AnSBBR com recirculação da fase líquida

O presente estudo investigou a aplicação de dois tipos de AnSBBR (reatores anaeróbio com biofilme e operados em batelada e batelada alimentada sequenciais: com recirculação da fase líquida e com agitação) para produção de biohidrogênio tratando água residuária sintética (a base de soro de leite e lactose, respectivamente). O AnSBBR com recirculação da fase líquida, que foi o estudo principal do presente trabalho, apresentou problemas na produção de hidrogênio utilizando soro de leite como substrato. Algumas alternativas, como adaptação da biomassa com substratos puros de degradação mais fácil, controle do pH em valores muito baixos e diferentes formas de inoculação foram testadas, entretanto, sem obtenção de sucesso. A solução do problema foi obtida ao refrigerar o meio de alimentação a 4ºC para evitar a fermentação no frasco de armazenamento, retirar a ureia e a suplementação de nutrientes, e realizar lavagens periódicas do material suporte para retirada de parte da biomassa. Dessa forma eliminaram-se indícios de produção de H2S por possível ação de bactérias redutoras de sulfato (BRS) e atingiu-se uma produção estável de hidrogênio sem, entretanto, eliminar completamento o metano, que foi produzido em baixas concentrações. Depois de atingida a estabilidade, investigou-se a influência da concentração afluente de substrato, do tempo de enchimento e da temperatura na produção de biohidrogênio no AnSBBR com recirculação da fase líquida tratando soro de leite. O estudo da concentração afluente apresentou um ponto ótimo para a concentração de 5400 mgDQO.L-1, atingindo valores de 0,80 mol H2.mol-1 lactose e de 660 mL H2.L-1.d-1. O estudo do tempo de enchimento apresentou resultados similares para as condições analisadas. Com relação à temperatura, os melhores resultados foram obtidos com a temperatura mais baixa testada de 15ºC (1,12 mol H2.mol lactose-1 e 1080 mL H2.L-1.d-1), sendo que na temperatura mais alta testada (45°C) não ocorreu produção de hidrogênio. Para o AnSBBR com agitação mecânica, que foi um estudado complementar realizado pelo fato da lactose ser o principal complemento do soro de leite, o desempenho do biorreator foi avaliado de acordo com influência conjunta do tempo de ciclo (tC – 2, 3 e 4 h), da concentração afluente (CSTA – 3600-5400 mgDQO.L-1) e da carga orgânica volumétrica aplicada (COAV – 9,3, 12,3, 13,9, 18,5 e 27,8 mgDQO.L-1.d-1). Foram obtidos excelentes resultados: consumos de carboidratos (lactose), com valores médios sempre acima de 90% e uma produção estável de biohidrogênio em todas as condições estudadas, com metano em baixas concentrações apenas na condição de maior COAV. A diminuição do tC apresentou tendência clara de melhora sobre o RMCRC,n (rendimento molar entre hidrogênio produzido e carboidrato removido) apenas para as condições com menor concentração CSTA, havendo uma relação direta entre CSTA, e RMCRC,n em todos os valores de tC, exceto para o tempo de ciclo de 3 h, exatamente onde ocorreu produção de metano. O melhor valor de RMCRC,n obtido na operação com lactose (1,65 mol H2.mol Carboidrato-1) foi superior aos obtidos em outros trabalhos utilizando a mesma configuração de reator e sacarose como substrato. As análises filogenéticas mostraram que a maioria dos clones analisados foi semelhante à Clostridium. Além destes, clones filogeneticamente semelhantes com a Família Lactobacilaceae, especificamente Lactobacillus rhamnosus foram observados em menor porcentagem no reator, assim como clones com sequências semelhantes a Acetobacter indonesiensis.

Disposição de resíduos gerados em estações de tratamento de água em estações de tratamento de esgoto

O presente trabalho foi realizado em duas fases. Na primeira, foram estimados os efeitos produzidos nos decantadores primários de uma ETE, após receber resíduo da ETA-SC, que utiliza sulfato de alumínio como coagulante. Foram realizados ensaios em colunas de sedimentação, onde os parâmetros SST, SSV, cor, turbidez, DQO, coliformes totais, Escherichia coli e parasitas, pesquisados no sobrenadante, diminuíram com o aumento da quantidade de resíduo adicionado. Com relação aos sedimentos obtidos nas colunas de sedimentação, foi encontrada maior quantidade de ST e menor resistência específica nos lodos provenientes das colunas que receberam os resíduos da ETA-SC. No teste de atividade metanogênica, a concentração molar de metano foi reduzida nos sistemas que receberam resíduo da ETA-SC, influenciando negativamente no desenvolvimento dos microrganismos metanogênicas. As espécies de microrganismos do gênero Methanothrix sp foram inibidas, sendo encontradas em maior número no frasco-reator controle e em menor quantidade a medida que se aumentou a quantidade do resíduo adicionado. Nesta etapa foi constatado que o resíduo da ETA-SC poderá apresentar interferências negativas sobre a digestão anaeróbia do lodo produzido em decantadores primários de uma ETE. Na segunda fase, na estação piloto, composta de lagoa de aeração seguida de lagoa de sedimentação, que recebeu resíduo da ETA-Fonte, que utiliza cloreto férrico como coagulante, foi verificado que tal resíduo melhorou a qualidade do efluente em termos de DQO, DBO, SST, turbidez, cor, amônio, nitrato, NTK e fosfato total. Os parâmetros ST, SDT, cloreto, nitrito, condutividade e pH não apresentaram diferenças significativas. Em relação ao exame microscópico não houve influências negativas no licor misto das lagoas de aeração. O lodo formado nas lagoas de sedimentação piloto apresentou-se em maior quantidade na lagoa que recebeu resíduo da ETA-Fonte. Neste lodo a resistência específica a filtração foi menor em comparação ao lodo da lagoa que não recebeu resíduo da ETA-Fonte. A desidratação deste lodo por centrifugação necessitou menor quantidade de polieletrólito. Baseado neste estudo não foi verificado interferências que possa impedir o lançamento do resíduo da ETA-Fonte na ETE-Araraquara.

Gaseificação de vinhaça em água supercrítica.

A gaseificação utiliza o conteúdo intrínseco de carbonos e hidrogênios das matérias primas sólidas ou líquidas na geração de uma mistura de hidrogênio (H2), monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2) e metano (CH4). Tal mistura pode ser utilizada como matéria prima na síntese de novos produtos ou como combustível. A gaseificação pode ser utilizada no processamento de uma gama variada de produtos, independentemente de suas características ou estado físico. A utilização de biomassa como insumo da gaseificação vem sendo cada vez mais explorada e estudada, já que apresenta benefícios não somente na esfera ambiental, mas também em âmbitos econômicos e sociais. A vinhaça é um subproduto do processo de produção de álcool, que contém grandes concentrações de nutrientes e matéria orgânica em sua composição. A sua utilização hoje está limitada a fertirrigação e a aplicações isoladas em biodigestão e outros, que não são suficientes para o consumo da produção anual crescente do resíduo. Seu uso na gaseificação permitiria o aproveitamento do conteúdo orgânico da mesma e a produção de gases de alto valor agregado. Como a umidade do insumo interfere negativamente na eficiência da gaseificação clássica, a aplicação da mesma para matérias primas com alto teor de líquidos não é recomendada. Uma alternativa viável seria a utilização do meio gaseificante supercrítico, que resulta em rendimentos constantes, independentemente da umidade da corrente de entrada do reator. O presente trabalho consiste no projeto de um módulo de gaseificação de vinhaça em água supercrítica, a ser instalado como uma unidade anexa a usinas de açúcar e álcool. Ele compreende o projeto conceitual e análise de viabilidade deste módulo, incluindo estimativas de CAPEX (Capital Expenditure) e OPEX (Operation Expenditure) e uma análise de sensibilidade dos mesmos. O estudo apresenta ainda o estado da arte do conhecimento e da tecnologia de gaseificação com água supercrítica (SCWG), relacionando os gargalos a serem resolvidos, assim como os ganhos intrínsecos da definição conceitual do projeto.

Estudo sobre aproveitamento de resíduos sólidos dispostos em aterros sanitários visando seu aproveitamento energético

Equacionar a problemática do aumento da geração de resíduos sólidos é tarefa complexa, que envolve entre outras, questões de ordem ambiental, de saúde pública e econômica. Quando se trata de disposição final de resíduos sólidos, o aterro sanitário é a única técnica utilizada ambientalmente correta, porém ainda são poucas as cidades que a emprega. Espera-se que nos próximos anos, aumente o número de municípios com aterro sanitário e deste modo, surge um outro problema de cunho ambiental, e em nível mais global, que se refere aos gases liberados pelos aterros sanitários, durante a decomposição anaeróbia da parte orgânica dos resíduos. Estão entre estes gases, o dióxido de carbono e o metano, que contribuem para o efeito estufa. Se por um lado o metano é prejudicial, quando se trata de efeito estufa, por outro lado, pode ser utilizado para fins energéticos como fonte de energia renovável e justamente substituindo os combustíveis fósseis, que representam a maior fonte dos chamados gases de efeito estufa. O presente trabalho, tem como objetivo inicial, levantar as alternativas para o uso de gases de aterro sanitário como fonte de energia, em um segundo momento do trabalho, relacionar as fases da digestão anaeróbia com a produção de metano, através da análise de amostras coletadas em diferentes pontos e profundidades do aterro do município de Piracicaba/SP.

Degradação anaeróbia de fenol sob diferentes condições nutricionais

A tecnologia anaeróbia tem sido utilizada com sucesso no tratamento de água residuária contendo compostos fenólicos. Recentes pesquisas incluem tais compostos entre aqueles que podem ser degradados através desse processo. O objetivo desse trabalho foi avaliar a degradação do fenol em diferentes condições nutricionais, com ênfase na redução do sulfato. Os experimentos foram realizados com meio de cultura específico para esses microrganismos anaeróbios. Foram realizados ensaios de degradação em reatores em batelada alimentados nas seguintes condições: (1) fenol e sulfato, a diferentes concentrações, com inóculo previamente enriquecido; (2) fenol, sulfato e co-substratos e; (3) fenol, sulfato e extrato de levedura. Todos os ensaios foram realizados em temperatura de 30 graus Celsius, sob agitação de 150 rpm. Foi avaliado o consumo de fenol e sulfato e, produção de metano, em função do tempo, para diferentes concentrações iniciais de fenol e sulfato. Nos ensaios com reatores alimentados com fenol (329,3 mg/l); fenol (307,3 mg/l) e sulfato (160 mg/l); fenol (322.3 mg/l), sulfato (160 mg/l) e lactato (478,16 mg/l); fenol (332,1 mg/l), sulfato (150 mg/l) e etanol (129,76 mg/l), a remoção foi de, respectivamente, 99,8%, 98,2%, 98,8% e 98,8%. Os reatores alimentados com fenol (239,7 mg/l) obtiveram 100% de eficiência na degradação em apenas 11 dias e, os reatores alimentados com fenol (234,3 mg/l) e sulfato (162,5 mg/l) e fenol (256,0 mg/l) e sulfato (500 mg/l) tiveram eficiências de degradação de, respectivamente, 98,8% e 99,3% com 17 dias de operação. Tais eficiências foram obtidas pelo acréscimo de extrato de levedura nos reatores, no início dos ensaios. A caracterização morfológica foi realizada através de microscopia óptica. A diversidade microbiana referente aos Domínios Bacteria e Archaea, além do grupo de bactérias redutoras de sulfato foi avaliada através da técnica de PCR DGGE, onde foram observadas alterações nas populações microbianas, em função das condições nutricionais. Para o Domínio Archaea não foram observadas diferenças nos ensaios realizados. Para o Domínio Bacteria e Grupo das BRS essas diferenças foram, mais facilmente, percebidas com relação ao inóculo e entre os diversos reatores. A alteração na diversidade microbiana pode ter sido decorrente da composição do meio que, nesse caso, foi específico para BRS e a composição do inóculo que continha parte previamente adaptada às BRS. Essas condições adequadas puderam propiciar surgimento e desenvolvimento de populações microbianas capazes de degradar fenol, utilizando sulfato.