Optimal synthesis of anaerobic digester networks

The objective of this paper is to develop a mathematical model for the synthesis of anaerobic digester networks based on the optimization of a superstructure that relies on a non-linear programming formulation. The proposed model contains the kinetic and hydraulic equations developed by Pontes and Pinto [Chemical Engineering journal 122 (2006) 65-80] for two types of digesters, namely UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) and EGSB (Expanded Granular Sludge Bed) reactors. The objective function minimizes the overall sum of the reactor volumes. The optimization results show that a recycle stream is only effective in case of a reactor with short-circuit, such as the UASB reactor. Sensitivity analysis was performed in the one and two-digester network superstructures, for the following parameters: UASB reactor short-circuit fraction and the EGSB reactor maximum organic load, and the corresponding results vary considerably in terms of digester volumes. Scenarios for three and four-digester network superstructures were optimized and compared with the results from fewer digesters. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Start-up adjustment of a plug-flow digester for cassava wastewater (manipueira) treatment

Um dos resíduos gerados no processamento da mandioca (Manihot esculenta) é a manipueira, passível de tratamento por biodigestão anaeróbia. Este trabalho objetivou estudar o processo de partida de um biodigestor tipo plug-flow, tratando manipueira de duas maneiras: diminuindo-se gradativamente o tempo de retenção hidráulica (TRH) até se chegar ao tempo pré-estabelecido, quatro dias; ou mantendo-se o TRH fixo em quatro dias e aumentando-se gradativamente a concentração do afluente. O biodigestor, com capacidade 1980 mL, foi mantido a temperatura de 32ºC ± 1. Empregou-se como substrato manipueira e ajustou-se o pH entre 5,5 e 6,0. A primeira etapa foi caracterizada empregando-se TRH de 16,6; 13,6; 11,6 e 9,6 dias e 3,1; 2,0; 2,3 e 2,9 g DQO L-1 d-1 de carga orgânica, respectivamente. Na segunda etapa manteve-se TRH fixo, 4 dias, porém cargas orgânicas de 0,48, 0,86, 1,65 e 2,46 g DQO L-1 d-1. Determinaram-se no afluente e efluente, sólidos totais (ST) e sólidos voláteis (SV), demanda química de oxigênio (DQO), alcalinidade e acidez volátil. Na primeira etapa, melhores resultados foram observados trabalhando com TRH 9,6 dias e carga orgânica 2,9 g DQO L-1 d-1, quando houve redução de DQO, ST e SV de 60%, 44% e 60%, respectivamente. Na segunda etapa o TRH de 4 dias apresentou melhores resultados empregando-se carga orgânica de 0,86 g DQO L-1 d-1, houve redução de 71%, 58% e 79% de DQO, ST e SV, respectivamente. A partida do biodigestor plug-flow tratando manipueira, pode ser realizada tanto diminuindo-se o TRH, quanto mantendo-o fixo e aumentado-se a concentração do afluente.

Energetic performance of landfill and digester biogas in a domestic cooker

The energetic performance of landfill biogas (LB) and biodigester biogas (BB) from municipal waste was examined in consumption tests. These tests were performed in situ at a gas generation plant associated with a landfill facility in Madrid (Spain) and following the standard UNE-EN 30-2-1 (1999). The jets of a domestic cooker commonly used for natural gas (NG) or liquefied petroleum gas (LPG) were modified to operate with the biogases produced at the facility. The working pressures best suited to the tested gases, i.e., to avoid flashback and flame lift, and to ensure the stability and correct functioning of the flame during combustion, were determined by trial and error. Both biogases returned optimum energetic performance for the transfer of heat to water in a metallic recipient (as required by the above standard) at a supply pressure of 10 mbar. Domestic cookers are normally supplied with NG at a pressure of 20 mbar, at which pressure the energetic performance of G20 reference gas was higher than that of both biogases (52.84% compared to 38.06% and 49.77% respectively). Data concerning these issues involving also unexplored feedstock are required for the correct conversions of domestic cookers in order to avoid risks of serious personal injuries or property damages.

Anaerobic Digestion Project Working Guide: A Case Study Analysis and Procedural Summary of Anaerobic Digester Projects for the United States Agricultural Sector

Renewable energy such as biomass has given markets, including dairy farms, an effective approach to reducing the costs of sustaining a profitable business. Anaerobic digestion systems offer dairy farms a very effective way to reduce manure odor, comply with soil and water pollution regulations, manufacture compost for general market sales, produce irrigation capacity and generate on-site electricity as well as the ability to sell excess electricity back to the local utilities. This project defines anaerobic digestion technologies and practices, analyzes case studies and presents a step-by-step anaerobic digestion project startup checklist. The result is an anaerobic digestion project working guide that acts as a tool to aid dairy farmers in their own potential anaerobic digestion project.

The digester ...

Mimeographed.

The Digester, over the spillway.

"To promote optimum operation and maintenance of every water and wastewater treatment facility in Illinois."

Nitrogen removal from sludge digester liquids by nitrification/denitrification or partial nitritation/anammox: environmental and economical considerations

In wastewater treatment plants with anaerobic sludge digestion, 15-20% of the nitrogen load is recirculated to the main stream with the return liquors from dewatering. Separate treatment of this ammonium-rich digester supernatant significantly reduces the nitrogen load of the activated sludge system. Two biological applications are considered for nitrogen elimination: (i) classical autotrophic nitrification/heterotrophic denitrification and (ii) partial nitritation/autotrophic anaerobic ammonium oxidation (anammox). With both applications 85-90% nitrogen removal can be achieved, but there are considerable differences in terms of sustainability and costs. The final gaseous products for heterotrophic denitrification are generally not measured and are assumed to be nitrogen gas (N-2). However, significant nitrous oxide (N2O) production can occur at elevated nitrite concentrations in the reactor. Denitrification via nitrite instead of nitrate has been promoted in recent years in order to reduce the oxygen and the organic carbon requirements. Obviously this achievement turns out to be rather disadvantageous from an overall environmental point of view. On the other hand no unfavorable intermediates are emitted during anaerobic ammonium oxidation. A cost estimate for both applications demonstrates that partial nitritation/anammox is also more economical than classical nitrification/denitrification. Therefore autotrophic nitrogen elimination should be used in future to treat ammonium-rich sludge liquors.

Performance and molecular evaluation of an anaerobic system with suspended biomass for treating wastewater with high fat content after enzymatic hydrolysis

The effect of a lipase-rich fungal enzymatic preparation, produced by a Penicillium sp. during solid-state fermentation, was evaluated in an anaerobic digester treating dairy wastewater with 1200 mg of oil and grease/L The oil and grease hydrolysis step was carried out with 0.1% (w/v) of solid enzymatic preparation at 30 degrees C for 24 h, and resulted in a final free acid concentration eight times higher than the initial value. The digester operated in sequential batches of 48 h at 30 degrees C for 245 days, and had high chemical oxygen demand (COD) removal efficiencies (around 90%) when fed with pre-hydrolyzed wastewater. However, when the pre-hydrolysis step was removed, the anaerobic digester performed poorly (with an average COD removal of 32%), as the oil and grease accumulated in the biomass and effluent oil and grease concentration increased throughout the operational period. PCR-DGGE analysis of the Bacteria and Archaea domains revealed remarkable differences in the microbial profiles in trials conducted with and without the pre-hydrolysis step, indicating that differences observed in overall parameters were intrinsically related to the microbial diversity of the anaerobic sludge. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Performance of a horizontal-flow anaerobic immobilized biomass (HAIB) reactor and dynamics of the microbial community during degradation of pentachlorophenol (PCP)

The anaerobic biological treatment of pentachlorophenol (PCP) and methanol as the main carbon source was investigated in a horizontal-flow anaerobic immobilized biomass (HAIB) reactor at 30 +/- 1 degrees C, during a 220-day trial period. The reactor biomass was developed as an attached biofilm on polyurethane foam particles, with 24 h of hydraulic retention time. The PCP concentrations, which ranged from 2.0 to 13.0 mg/L, were controlled by adding synthetic substrate. The HAIB reactor reduced 97% of COD and removed 99% of PCP. The microbial biofilm communities of the HAIB reactor amended with PCP, without previous acclimatization, were characterized by polymerase chain reaction (PCR) and amplified ribosomal DNA restriction analysis (ARDRA) with specific Archaea oligonucleotide primers. The ARDRA technique provided an adequate analysis of the community, revealing the profile of the selected population along the reactor. The biomass activities in the HAIB reactor at the end of the experiments indicated the development of PCP degraders and the maintenance of the population of methanogenic Archaea, ensuring the high efficiency of the system treating PCP with added methanol as the cosubstrate. The use of the simplified ARDRA method enabled us to monitor the microbial population with the addition of high concentrations of toxic compounds and highlighting a selection of microorganisms in the biofilm. (C) 2008 Published by Elsevier Ltd.

Quantification of sulfur and sulfur-containing compounds in wastewaters by means of a combination of liquid chromatographic methods

Low-micromolar concentrations of sulfite, thiosulfate and sulfide, present in synthetic wastewater or anaerobic digester effluent, were quantified by means of derivatization with monobromobimane, followed by HPLC separation with fluorescence detection. The concentration of elemental sulfur was determined, after its extraction with chloroform from the derivatized sample, by HPLC with UV detection. Recoveries of sulfide (both matrices), and of thiosulfate and sulfite (synthetic wastewater) were between 98 and 103%. The in-run RSDs on separate derivatizations were 13 and 19% for sulfite (two tests), between 1.5 and 6.6% for thiosulfate (two tests) and between 4.1 and 7.7% for sulfide (three tests). Response factors for derivatives of sulfide and thiosulfate, but not sulfite, were steady over a 13-month period during which 730 samples were analysed. Dithionate and tetrathionate did not seem to be detectable with this method. The distinctness of the elemental sulfur and the derivatizing-agent peaks was improved considerably by detecting elution at 297 instead of 263 nm. (C) 2002 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Avaliação técnica e econômica de um biodigestor de fluxo tubular: estudo de caso do modelo implantado na etec "orlando quagliato" em Santa Cruz do Rio Pardo, SP

Pós-graduação em Agronomia (Energia na Agricultura) - FCA

Recuperação do calor de um efluente primário para aquecimento de lamas de um reactor anaeróbio

O presente trabalho tem como principal objectivo o estudo da possibilidade de recuperação de calor de um efluente proveniente do tratamento primário da fábrica do grupo Portucel Soporcel (fábrica produtora de pasta de papel), para o aquecimento da corrente de lamas do digestor anaeróbio da SimRia S.A. – ETAR Norte, (ambas localizadas em Cacia, distrito de Aveiro). A solução consiste na implementação de um sistema de permuta térmica entre estas duas correntes, constituído fundamentalmente por dois permutadores de placas em espiral, montados em paralelo que operam em contra-corrente. Segundo este novo sistema de aquecimento, as lamas abandonam o digestor anaeróbio da mesma ETAR a um caudal de 110 m3/h, que se dividirá em duas linhas, sendo admitidas em cada permutador a 55 m3/h e a uma temperatura de 32 ºC regressando ao digestor a uma temperatura de 37 ºC (temperatura óptima a que ocorre a digestão anaeróbia das lamas). O efluente disponível, abandona o tratamento primário da Portucel, a 45 ºC e é encaminhado até aos permutadores da SimRia S.A., onde vai trocar calor com as lamas e regressa à Portucel a 40ºC, sendo admitido nas torres de arrefecimento da fábrica de papel. A nova instalação proposta pretende substituir a actual existente na ETAR em causa, em que a corrente de água que aquece as lamas, circula num circuito fechado entre um único permutador e uma caldeira, alimentada com o biogás que se produz no digestor anaeróbio, e que é responsável pelo controlo da temperatura da corrente de água. Pretende-se que a implementação deste novo método de aquecimento de lamas seja uma alternativa económica relativamente ao actual sistema, uma vez que vai substituir a corrente de biogás alimentada à caldeira podendo este recurso ser transformado em energia eléctrica e posteriormente comercializada. A análise financeira realizada ao projecto demonstrou que o projecto é rentável, uma vez que, a diferença entre todos ganhos e custos ao fim dos 10 anos de vida útil estimados é de cerca de 150 000,0 €. O período de retorno do investimento é alcançado no final dos primeiros 6 anos e a taxa interna de rentabilidade obtida foi de 36 %. Posteriormente incluiu-se neste estudo a possibilidade de tratamento das lamas geradas na fábrica da Portucel na ETAR da SimRia recorrendo a um terceiro digestor. Conclui-se que se trata duma opção vantajosa, uma vez que permite obter um caudal de biogás 44 m3/h, que convertido em potência permite obter 150 kW que poderá ser aproveitado para produção de energia ou comercializado gerando uma receita adicional de 130 000,0 €/ano para as entidades envolvidas.

Diagnóstico ambiental de uma queijaria e proposta de melhorias

O presente trabalho tem como objectivo o diagnóstico ambiental da empresa Lacticinios do Paiva, S.A, a avaliação da água do processo e da ETARI e o estudo da fermentação do soro de queijo com o intuito de produção de bioetanol. No diagnóstico ambiental da empresa, observou-se que 18.227.731 litros de leite usados anualmente geram 5.031 ton/ano de queijo, 7.204 ton/ano de soro de queijo, 74.201 m3/ano de efluente liquido, 14 ton/ano de plástico e 20 ton/ano de cartão. Os principais problemas com necessidade de optimização são a recuperação de água das lavagens, avaliação da produção de biogás no digestor anaeróbio, recuperação do volume de leite que é desperdiçado na produção de queijo fresco de longa duração, avaliação da eficiência energética da empresa, valorização das natas e do soro de queijo. Decidiu-se neste trabalho avaliar a possibilidade de reciclagem das águas de lavagem, avaliar o funcionamento da ETARI face à legislação existente e estudar a possibilidade de valorização do soro de queijo. Na avaliação das águas de processo das lavagens para posterior reciclagem, verifica-se que relativamente ao pH e aos sólidos suspensos não existe problema, podendo encarar-se a hipótese de reciclagem directa. No entanto, no que respeita à carga orgânica das águas de lavagem do sistema de ultrafiltração do queijo fresco de longa duração, constata-se que esta não poderia ser utilizada novamente, uma vez que apresenta valores elevados de CQO. Para a sua reutilização, será necessário remover a CQO, hipótese que se estudou com resultados positivos. Verificou-se que, um tratamento por adsorção em carvão activado precedido de microfiltração, reduz a CQO de forma significativa permitindo admitir a hipótese de reciclagem da água, nomeadamente para as 1ª e 3ª águas de lavagem. As outras águas teriam necessidade de mais tempo de contacto com o carvão activado. No sentido de avaliar o funcionamento da ETARI, foram analisadas várias correntes da mesma, em particular a do efluente final, no que respeita a parâmetros como: pH, Sólidos Suspensos Totais, Carência Química de Oxigénio, Carência Bioquímica de Oxigénio, Turvação, Nitratos, Fósforo Total, Azoto Kjeldalh, Azoto Amoniacal e Cloretos. Observou-se que os valores para o efluente final da ETARI são os seguintes: pH compreendido entre [7,21 – 8,69], SST entre [65,3 – 3110] mg/L, CQO entre [92,5 – 711,5] mg/L, CBO5 entre [58 – 161] mg/L, NO3- entre [10,8 – 106,7] mg/L, fósforo total entre [8,3 – 64,3] mg/L, turvação entre [67,7 – 733,3] FTU e cloretos entre [459,9 – 619,81] mg/L; pode-se dizer que os parâmetros analisados se encontram quase sempre dentro da gama de valores impostos pela Câmara Municipal de Lamego pelo que o efluente pode ser lançado no Colector Municipal de Cambres. Relativamente à fermentação alcoólica do soro de queijo, verifica-se que a levedura Kluyveromyces Marxianus consegue degradar praticamente todo o açúcar presente no permeado produzindo assim uma quantidade razoável de etanol. Quando se utilizou a levedura Saccharomyces Cerevisiae, a produção de etanol foi muito reduzida, como esperado, dado que esta levedura apresenta dificuldades na metabolização da lactose. Constatou-se assim que a melhor levedura para a fermentação do permeado do soro de queijo é a Kluyveromyces Marxianus, estimando-se em 150 mg a produção de etanol por L de soro.