Use este identificador para citar ou linkar para este item: https://rd.uffs.edu.br/handle/prefix/4749
Tipo: Dissertação
Título: Modelagem matemática da co-digestão anaeróbia de dejetos de suínos e bagaço de mandioca para produção de metano
Autor(es): Dupont, Gabriele Kuhn
Primeiro Orientador: Wenzel, Bruno München
Primeiro coorientador: Daroit, Daniel Joner
Primeiro membro da banca: Scheufele, Fabiano Bisinella
Segundo membro da banca: Godoi, Benhur de
Resumo: A digestão anaeróbia (DA) é considerada uma abordagem promissora para tratamento de resíduos, uma vez que alia a destinação mais adequada de biomassas de grande geração com a produção de energia renovável, a partir do biogás. Nesse contexto, em busca de um processo eficiente de conversão de energia, e que reaproveita diferentes substratos simultaneamente, se destaca a codigestão anaeróbia (Co-DA), como uma biotecnologia viável para melhorar o desempenho da produção de metano. Diante disso, para o desenvolvimento deste trabalho pautou-se a produção de metano a partir da Co-DA de dejetos de suínos (DS) com diferentes concentrações de bagaço de mandioca (BM). Para isso, primeiramente foi realizado um ensaio preliminar de Co-DA, em que foi possível avaliar que diante da alta matéria orgânica rapidamente degradável do BM, ocorreu um acúmulo de ácidos graxos voláteis (AGV), logo no início do processo de digestão anaeróbia. Essa situação foi visualizada pela redução do pH final dos reatores contendo o cosubstrato, o que inibiu a produção de metano. Desta forma, implementaram-se para os próximos dois conjuntos experimentais, expostos pelo artigo principal deste trabalho, a Co-DA de DS com adições crescentes de BM e ajuste do pH inicial com uma solução tamponante de Na2CO3. No conjunto experimental 1, as caracterizações ao final da DA apontaram elevadas remoções de Sólidos totais (ST), Sólidos voláteis (SV), Demanda química de Oxigênio (DQO) e Demanda química de Oxigênio Solúvel (DQOS) em todos os grupos experimentais. Além disso, resultados relevantes de produção de metano também foram observados, com destaque para o grupo R4 (16,87 g/L de ST), contendo a maior concentração de BM, com volume acumulado de 41129 ± 1783,6 mL CH4/L reator. Ainda, este grupo apresentou a maior remoção de ST, SV e DQO, de 62,5%, 58,6% e 77,3%, respectivamente, e uma produção de metano que superou em 46,8% o grupo Controle (contendo apenas DS). Já no conjunto experimental 2, a produção de metano foi severamente inibida nos reatores com adição de 21,39 à 33,79 g/L de ST de bagaço de mandioca, devido à possível acumulação de grandes quantidades de AGV durante a Co-DA. Desta forma, observou-se que a solução tamponante adicionada não foi suficiente para evitar a redução do pH em quantidades elevadas de BM. Finalmente, para descrever a cinética de produção de metano da Co-DA de dejetos de suínos e bagaço de mandioca, em relação à capacidade tamponante do sistema, foi proposto a solução de três modelos matemáticos a partir de duas estruturas desenvolvidas para este trabalho. Os resultados das simulações indicaram que o modelo que representou adequadamente os dados experimentais, com coeficientes de determinação próximos a unidade (𝑅 2 𝐶𝐻4,𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 0,9811; 𝑅 2 𝐶𝑂𝐷 = 0,9636; 𝑅 2 𝑝𝐻 = 0,9912), sucedera-se para a estrutura 1 proposta (modelo de etapa limitante), com taxa de crescimento específico de primeira ordem e com a hipótese da capacidade tamponante ser linearmente dependente do substrato de BM. Diante disso, pode-se averiguar que o modelo de estrutura 1 descreveu de forma potencial e simplificada a capacidade tamponante do sistema, com base na etapa de crescimento celular e na concentração do cosubstrato adicionado no sistema.
Abstract/Resumen: Anaerobic digestion (AD) is considered a promising approach for waste treatment, since it combines the most suitable destination of large generation biomass with the production of renewable energy from biogas. In this context, in search of an efficient energy conversion process, which reuses different substrates simultaneously, anaerobic co-digestion (AcoD) stands out as a viable biotechnology to improve the performance of methane production. Therefore, the development of this work was guided by the methane production from AcoD of swine manure (SM) with different concentrations of cassava bagasse (CB). For this, a preliminary AcoD test was carried out, in which was possible to evaluate that, given the high rapidly degradable organic matter of the CB, an accumulation of volatile fatty acids (VFA) occurred at the beginning of the AD. This condition was visualized by final pH reduction of the reactors containing the co-substrate, which inhibited the production of methane. Thereby, it was implemented for the next two experimental batch, exposed by the main article of this work, the AcoD of DS with increasing additions of CB and adjustment of the initial pH with a buffering solution of Na2CO3. At experimental batch 1, the characterizations at the end of AD pointed high removals of Total Solids (TS), Volatile Solids (VS), Chemical Oxygen Demand (COD) and Soluble Chemical Oxygen Demand (CODS) in all experimental groups. Moreover, relevant results of methane production were observed particularly for the group R4 (16.87 g/L TS) containing the highest concentration of CB with accumulated volume of 41129 ± 1783,6 mL CH4/L reactor. In addition, this group showed the highest removal of TS, VS and COD, of 62.5%, 58.6% and 77.3%, respectively, and a methane production that exceeded the control group by 46.8% (containing SM only). At experimental batch 2, methane production was severely inhibited in the reactors with the addition of 21.39 to 33.79 g/L of TS of cassava bagasse, due to the possible accumulation of large amounts of VFA during AcoD. Thus, it was observed that the buffering solution added was not sufficient to avoid pH reducing in very high amounts of CB. Finally, to describe the kinetics of methane production of AcoD of swine manure and cassava bagasse, in relation to the buffering capacity of the system, the solution of three mathematical models from two structures developed for this work was proposed. The simulation results indicated that the model that adequately represented the experimental data, with determination coefficients close to the unit (𝑅 2 𝐶𝐻4,𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 0.9811; 𝑅 2 𝐶𝑂𝐷 = 0.9636; 𝑅 2 𝑝𝐻 = 0.9912), succeeded for proposed structure 1 (limiting step model), with a specific first order growth rate and with the hypothesis of buffering capacity is linearly dependent on the BM substrate. Therefore, it can be verified that the model of structure 1 described in a potential and simplified way the buffering capacity of the system, based on the cell growth step and the concentration of the added cosubstrate in the system.
Palavras-chave: Digestão anaeróbia
Tratamento de resíduos
Fontes renováveis de energia
Bagaços
Metano
Idioma: por
País: Brasil
Instituição: Universidade Federal da Fronteira Sul
Sigla da Instituição: UFFS
Faculdade, Instituto ou Departamento: Campus Cerro Largo
Nome do Programa de Pós Graduação : Programa de Pós-Graduação em Ambiente e Tecnologias Sustentáveis
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: https://rd.uffs.edu.br/handle/prefix/4749
Data do documento: 2021
Nível: Mestrado
Aparece nas coleções:Programa de Pós-Graduação em Ambiente e Tecnologias Sustentáveis

Arquivos associados a este item:
Arquivo Descrição TamanhoFormato 
DUPONT.pdf1,28 MBAdobe PDFVisualizar/Abrir


Os itens no repositório estão protegidos por copyright, com todos os direitos reservados, salvo quando é indicado o contrário.