Aproveitamento energético da vinhaça de cana-de-açúcar pela biodigestão em dois estágios em reatores anaeróbios de leito fluidizado: mesofílico e termofílico

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Ramos, Lucas Rodrigues
Data de Publicação: 2019
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSCAR
Texto Completo: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/13496
Resumo: This research evaluated the effect of operational parameters and of stage integration on the performance and energetic feasibility of the anaerobic digestion of sugarcane vinasse in anaerobic fluidized bed reactors. The research consisted of two studies. The first one investigated the effect of hydraulic retention time (HRT) (18 h to 10 h) on the CH4 production and organic load removal of the thermophilic (55 °C) methanogenic reactor of a two-stage digestion system. Based on these results, the second study evaluated the increase of organic loading rate (OLR) (2.7 a 24.7 kg COD.m-3.day-1) on thermophilic (55 °C) and mesophilic (30 °C) methanogenic reactors fed by the same acidogenic thermophilic reactor (55 °C). All systems were compared with single stage thermophilic digestors (55 °C). In addition to H2 (maximum yield of 0.70 ± 0.08 mmol H2.g COD-1 on the OLR of 90 kg COD.m-3.day-1), the higher production rates (MPR) were also observed on two-stage systems (2.71 ± 0.26 L CH4.day-1.L-1 to 3.18 ± 0.29 L CH4.day-1.L-1) on the OLR range of 13.3 to 21.6 kg COD.m-3.day-1, on thermophilic methanogenic reactors, and on the OLR of 24.7 kg COD.m-3.day-1 on the mesophilic reactor. Although the decrease in HRT was beneficial, the increase in OLR modified the performance of the methanogenic reactors in distinct ways. While the yield and the MPR of the thermophilic condition decreased by increasing the OLR to 24.7 kg COD.m-3.day-1, the MPR of the mesophilic reactor was maximum, indicating operational stability even under overload conditions. However, the higher MPR did not correspond to higher energy productions, especially on the thermophilic systems, being inferior to the single stage digester. The single stage system was estimated with 40567 m3 producing 28 MW (2.5 MW per million tons of sugarcane), with energy yield of 10850 kJ.kg CODrem-1. The best alternative to this system was the recycling of the effluent of the mesophilic metanogenic reactor to the feed of the thermophilic acidogenic reactor, designing an acidogenic reactor of 1424 m3 and a methanogenic reactor of 32,387 m3, producing 28.8 MW (2.6 MW per million tons of sugarcane) with an energy yield of 10777 kJ.kg CODrem-1. Thus, energetic recovery of sugarcane vinasse by biodigestion on anaerobic fluidized bed reactors is recommended on two-stage systems with a thermophilic acidogenic reactor (OLR 90 kg COD.m-3.day-1) and a mesophilic metanogenic reactor (OLR 8 kg COD.m-3.day-1).
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The first one investigated the effect of hydraulic retention time (HRT) (18 h to 10 h) on the CH4 production and organic load removal of the thermophilic (55 °C) methanogenic reactor of a two-stage digestion system. Based on these results, the second study evaluated the increase of organic loading rate (OLR) (2.7 a 24.7 kg COD.m-3.day-1) on thermophilic (55 °C) and mesophilic (30 °C) methanogenic reactors fed by the same acidogenic thermophilic reactor (55 °C). All systems were compared with single stage thermophilic digestors (55 °C). In addition to H2 (maximum yield of 0.70 ± 0.08 mmol H2.g COD-1 on the OLR of 90 kg COD.m-3.day-1), the higher production rates (MPR) were also observed on two-stage systems (2.71 ± 0.26 L CH4.day-1.L-1 to 3.18 ± 0.29 L CH4.day-1.L-1) on the OLR range of 13.3 to 21.6 kg COD.m-3.day-1, on thermophilic methanogenic reactors, and on the OLR of 24.7 kg COD.m-3.day-1 on the mesophilic reactor. Although the decrease in HRT was beneficial, the increase in OLR modified the performance of the methanogenic reactors in distinct ways. While the yield and the MPR of the thermophilic condition decreased by increasing the OLR to 24.7 kg COD.m-3.day-1, the MPR of the mesophilic reactor was maximum, indicating operational stability even under overload conditions. However, the higher MPR did not correspond to higher energy productions, especially on the thermophilic systems, being inferior to the single stage digester. The single stage system was estimated with 40567 m3 producing 28 MW (2.5 MW per million tons of sugarcane), with energy yield of 10850 kJ.kg CODrem-1. The best alternative to this system was the recycling of the effluent of the mesophilic metanogenic reactor to the feed of the thermophilic acidogenic reactor, designing an acidogenic reactor of 1424 m3 and a methanogenic reactor of 32,387 m3, producing 28.8 MW (2.6 MW per million tons of sugarcane) with an energy yield of 10777 kJ.kg CODrem-1. Thus, energetic recovery of sugarcane vinasse by biodigestion on anaerobic fluidized bed reactors is recommended on two-stage systems with a thermophilic acidogenic reactor (OLR 90 kg COD.m-3.day-1) and a mesophilic metanogenic reactor (OLR 8 kg COD.m-3.day-1).Este trabalho avaliou o efeito de parâmetros operacionais e da configuração de estágios no desempenho e na viabilidade energética da digestão anaeróbia da vinhaça de cana-de-açúcar em reatores anaeróbios de leito fluidizado. O trabalho consistiu de dois estudos. O primeiro avaliou o efeito do tempo de detenção hidráulico (TDH) (18 h a 10 h) na produção de CH4 e remoção de carga orgânica no segundo estágio metanogênico termofílico (55 °C) do sistema de dois estágios. Baseado nesses resultados, o segundo estudo investigou o efeito do aumento da taxa de carregamento orgânico (TCO) (2,7 a 24,7 kg DQO.m-3.dia-1) em reatores metanogênicos de segundo estágio termofílico (55 °C) e mesofílico (30 °C) alimentados pelo mesmo estágio acidogênico termofílico (55 °C). Todos os sistemas foram comparados com sistemas de um estágio metanogênico termofílico (55 °C). Além da produção de H2 (rendimento máximo de 0,70 ± 0,08 mmol H2.g DQO-1 na TCO de 90 kg DQO.m-3.dia-1), as maiores produtividades de CH4 (PVM) foram observadas nos sistemas de dois estágios (2,71 ± 0,26 L CH4.dia-1.L-1 a 3,18 ± 0,29 L CH4.dia-1.L-1) na faixa de TCO de 13,3 a 21,6 kg DQO.m-3.dia-1, em reatores metanogênicos termofílicos, e na TCO de 24,7 kg DQO.m-3.dia-1 no reator mesofílico. Apesar do benefício da redução do TDH, o aumento da TCO modificou o desempenho dos reatores metanogênicos de formas distintas. Enquanto o rendimento e a PVM da condição termofílica foram reduzidos com o aumento da TCO para 24,7 kg DQO.m-3.dia-1, a PVM do reator mesofílico foi máxima, indicando estabilidade operacional mesmo em condições de sobrecarga orgânica. Entretanto, as maiores PVM não corresponderam em maiores produções de energia, principalmente nos sistemas termofilicos que foram inferiores ao sistema de um estágio. O sistema de um estágio foi estimado com 40567 m3 produzindo de 28 MW (2,5 MW por milhão de tonelada de cana), com rendimento energético de 10850 kJ.kg DQOrem-1. A melhor alternativa a esse sistema foi recircular o efluente do reator metanogênico mesofílico no afluente do reator acidogênico termofílico, projetando um reator acidogênico de 1424 m3 e um reator de segundo estágio de 32.387 m3, produzindo 28,8 MW (2,6 MW por milhão de tonelada de cana) com rendimento energético de 10777 kJ.kg DQOrem-1. Portanto, é recomendado o aproveitamento energético da vinhaça de cana-de-açúcar pela biodigestão em reatores anaeróbios de leito fluidizado em sistema em dois estágios com reator acidogênico termofílico (TCO 90 kg DQO.m-3.dia-1) e reator metanogênico de segundo estágio mesofílico (TCO 8 kg DQO.m-3.dia-1).Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)CNPq: 141296/2016-0porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessBiohidrogênioBiometanoCarga orgânicaViabilidade energéticaEstimativa de aumento de escalaBiohydrogenBiomethaneOrganic loadEnergetic feasibilityScale-up estimationENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICAAproveitamento energético da vinhaça de cana-de-açúcar pela biodigestão em dois estágios em reatores anaeróbios de leito fluidizado: mesofílico e termofílicoHarnessing bioenergy from sugarcane vinasse by biodigestion in two-stage anaerobic fluidized bed reactors: mesophilic and thermophilic conditionsinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis600600a97a1394-e7be-4391-bdc1-1698a331652ereponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALTese_LRamos_Corrigida.pdfTese_LRamos_Corrigida.pdfArquivo da Tese de Doutoradoapplication/pdf10082491https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/8188e6b4-99c5-4694-a232-e47c114c131c/download23165c62b554b362a5075bc2410db4a1MD54trueAnonymousREADCarta comprovante_declaração_orientador_ELSilva - Lucas.pdfCarta comprovante_declaração_orientador_ELSilva - Lucas.pdfCarta comprovante assinada pelo orientadorapplication/pdf68612https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/ab5d8964-2103-4a0c-b23c-0d4040419478/downloadb4358360d5c00ff1d4f7e578be2f308fMD52falseAnonymousREADCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8811https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/f42bd5be-e558-47a3-b9f0-eb9f96d074ad/downloade39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34MD55falseAnonymousREADTEXTTese_LRamos_Corrigida.pdf.txtTese_LRamos_Corrigida.pdf.txtExtracted texttext/plain656297https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/e0a0d9d6-3bee-4109-b565-c5c95fd64e61/download12ff2fef3942a2ff55b35fa4b4147645MD510falseAnonymousREADCarta comprovante_declaração_orientador_ELSilva - Lucas.pdf.txtCarta comprovante_declaração_orientador_ELSilva - Lucas.pdf.txtExtracted texttext/plain1https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/dce572d5-b73c-49de-ae11-0fb4fa04bc14/download68b329da9893e34099c7d8ad5cb9c940MD512falseAnonymousREADTHUMBNAILTese_LRamos_Corrigida.pdf.jpgTese_LRamos_Corrigida.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg6801https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/6863e1d1-0e3a-45d3-9443-0e13736a2909/download1e433d6540c3af1c01d2f837f5cc4033MD511falseAnonymousREADCarta comprovante_declaração_orientador_ELSilva - Lucas.pdf.jpgCarta comprovante_declaração_orientador_ELSilva - Lucas.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg10206https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/d3f16965-aeac-458a-9d60-633a35740a54/downloadf092f33a6f4e763e49e099bbb2128b11MD513falseAnonymousREAD20.500.14289/134962025-02-05 19:29:08.233http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/13496https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-02-05T22:29:08Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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