Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10316/90006
Title: Estratégias para melhorar a digestão anaeróbia de chorume suíno
Other Titles: Strategies to improve anaerobic digestion of swine manure
Authors: Marques, Rute Carreira
Orientador: García-González, María Cruz
Ferreira, Rosa Maria de Oliveira Quinta
Keywords: Digestão anaeróbia; Chorume suíno; Membranas permeáveis a gases; Proteínas e fósforo; Pera Rocha; Anaerobic digestion; Swine manure; Gas-permeable membrane; Proteins and phosphorus; Rocha pear
Issue Date: 19-Dec-2019
Serial title, monograph or event: Estratégias para melhorar a digestão anaeróbia de chorume suíno
Place of publication or event: DEQ-FCTUC
Abstract: A acumulação de azoto amoniacal total (TAN = NH3 + NH4+) durante o processo de digestão anaeróbia (AD) de chorume suíno (SM) é uma das principais razões para a instabilidade de operação e falha do processo de AD, devido à inibição da atividade das bactérias metanogénicas, principalmente por amoníaco (NH3). Neste trabalho, com o propósito de recuperar diferentes produtos de valor acrescentado, de melhorar a produção de metano (CH4) e de prevenir a inibição da AD por NH3, foram estudados e comparados três métodos distintos: a) a remoção e recuperação de NH3 por membranas permeáveis a gases, b) a recuperação de proteínas e de fósforo pelo método descrito por Vanotti e Sgozi (2019) e, c) a co-digestão do SM com bagaço de pera Rocha (PW).No primeiro método, a recuperação de NH3 do chorume com membranas permeáveis a gases foi avaliado como pré e pós-tratamento da AD com o intuito de, em primeiro lugar, estudar o efeito do tipo de chorume, fresco ou anaerobicamente digerido, no desempenho do processo de recuperação de NH3 e, em segundo lugar, avaliar o chorume fresco pré-tratado (ATM) como substrato da AD. No caso do SM, que apresentava um conteúdo de sólidos totais (TS) de 8.3%, foi recuperado 48% da concentração de TAN contido no SM como solução de sulfato de amónio, enquanto no digestato (DT), com um conteúdo de TS de 3.2%, essa recuperação foi na ordem dos 80%. A recuperação de NH3 permitiu a redução da carga orgânica do DT, tendo sido a remoção de sólidos voláteis (VS) de 34%. Relativamente ao SM, com o mesmo tratamento, a degradação da matéria orgânica foi insignificante e, por isso, encontrava-se disponível para ser convertida em CH4 no processo de AD. O rendimento específico em CH4 nos dois substratos foi praticamente igual (148.95\pm\ 1.69 mL CH4 g VS-1adicionados no ATM e 148.23\ \pm\ 4.92 mL CH4 g VS-1adicionados no SM), bem como o conteúdo em CH4 (52% no ATM e 51% no SM) e a remoção de VS (\approx30%). Na recuperação de proteínas e de fósforo avaliou-se a eficiência de recuperação destes dois compostos através da metodologia de solubilização ácido-base e, em seguida, determinou-se o potencial de utilização do efluente pré - tratado como substrato da AD. O método de extração de proteínas e de fósforo envolveu, inicialmente, a separação sólido-líquido do SM, seguindo-se a precipitação das proteínas e a solubilização do fósforo da fração sólida do SM com ácido clorídrico e, por fim, a solubilização das proteínas do precipitado ácido com hidróxido de sódio. Com esta abordagem, obteve-se uma eficiência de recuperação de fósforo superior a 100% no sobrenadante ácido e uma eficiência de recuperação de proteínas de 18.1% no sobrenadante básico (BS). Após a recuperação das proteínas e do fósforo, o precipitado básico resultante do processo (PP) foi avaliado como substrato da AD. Neste processo, obteve-se um rendimento específico em CH4 do PP de 150.97\pm\ 1.14 mL CH4 g VS-1adicionados, praticamente igual ao do SM. A vantagem da AD do PP face à AD do SM está relacionada com o facto da produção de CH4 ter sido mais rápida. Esta aceleração na produção de CH4 é resultante da degradação do material lenhocelulósico presente no SM, devido à utilização de HCl e NaOH no pré-tratamento. Na AD do PP foram removidos aproximadamente 40% dos VS presentes no substrato e foi produzido biogás com um conteúdo em CH4 de 50%. No método de co-digestão anaeróbia (co-AD) do SM com PW (bagaço de pera Rocha) foram avaliadas diferentes proporções de PW na mistura a co-digerir, com o intuito de determinar o potencial de produção de CH4 de cada uma das misturas. A co-AD do SM com 10%, 20% e 30% de PW resultou num aumento de produção de CH4 de 9.3%, 12.5% e 18.6%, relativamente à AD apenas do SM, e numa produção específica de CH4 de 161.97\ \pm\ 5.83 mL CH4 g VS-1adicionados, 166.71\ \pm\ 10.49\ mL CH4 g VS-1adicionados e 175.80\ \pm\ 3.95 mL CH4 g VS-1adicionados, respetivamente. Para além disso, a redução dos VS aumentou com o aumento da proporção de PW na mistura a co-digerir, tendo essa redução sido de 37%, 47% e 48%, para 10%, 20% e 30% de PW, respetivamente. Em todos os métodos estudados, a produção de CH4 foi estável e não foi detetada qualquer inibição por NH3. Os métodos avaliados têm vantagens a eles associados. A tecnologia de membranas permeáveis a gases permite a produção de um fertilizante azotado e a redução do conteúdo azotado a ser aplicado no solo. A recuperação de proteínas, permite a recuperação deste produto de valor acrescentado e, ainda de fósforo, que pode ser utilizado na produção de fertilizantes fosfatados, minimizando a sua extração das rochas fosfáticas. Quanto à co-digestão anaeróbia aproveitam-se dois resíduos que potencialmente seriam descartados para o ambiente sem qualquer tipo de tratamento, chorume e bagaço de pera rocha. Em suma, apesar das vantagens associadas a cada uma das estratégias estudadas, a co-AD do SM com 30% de PW foi a que apresentou maior potencial para produzir energia.
The accumulation of total ammoniacal nitrogen (TAN) during anaerobic digestion (AD) of swine manure (SM), is one of the main reasons for operation instability and process failure due to inhibition of methanogenic activity, principally by NH3. In this work, with the purpose to recover different value-added products, improving methane production and preventing inhibition of AD by NH3, three distinct methods were studied and compared: a) removal and recovery of NH3 by gas-permeable membrane; b) proteins and phosphorous recovery following the methodology of Vanotti and Sgozi (2019) and, c) SM co-digestion with pear waste (PW). In the first method, NH3 recovery from manure with the gas-permeable membrane was evaluated as pre or post-treatment to AD with the intent to study the effect of manure type, fresh or anaerobically digested. Following the NH3 recovery process, the resultant manure effluent (Ammonia-trapped manure, ATM) was evaluated as AD substrate. In this study, the performance of NH3 recovery by gas-permeable membrane differs according to effluent type. The fresh manure used, with a total solids content of 8.3%, enabled 48% recovery of the initial TAN contained in manure as an ammonium sulfate solution. In DT, with 3.2% TS, being captured 80% of original TAN concentration. A 34% decrease in volatile solids (VS) was observed in DT, while in SM no significant change was observed. In the AD process, CH4 production potential of ATM was compared with SM effluent, without any pretreatment. The specific methane yield on both substrates was nearly equal (148.95 ± 1.69 mL of CH4 g VS-1 added in ATM and 148.23 ± 4.92 mL of CH4 g VS-1 added in SM). The methane content was also similar (52% in ATM and 51% in SM), as well as VS content decrease (≈30%).The second method consisted in the recovery of proteins and phosphorus present in SM by acid-base extraction. Next, an AD process was carried out using the effluent generated as a substrate. The extraction started with a solid-liquid separation. Then, the addition of hydrochloric acid (HCl) allowed the separation of phosphorus and precipitated proteins. Afterward, sodium hydroxide (NaOH) was added to protein solubilization. With this approach, the phosphorus recovery efficiency in the acid supernatant (AS) was over 100% and the protein recovery efficiency in the basic supernatant (BS) was 18.1%. The protein concentration in this supernatant was 130 g protein per 1000 g BS on dry basis. The basic precipitate was then used as an AD substrate. The specific CH4 yield was 150.97 ± 1.14 mL of CH4 g VS-1 added, values close to SM values. The advantage of AD of PP over AD of SM is related to the fact that CH4 production was faster. This acceleration in CH4 production results from the degradation of lignocellulosic material present in SM due to the use of HCl and NaOH in the pretreatment. The AD of PP decreased its VS content by 40% and produced biogas with 50% of CH4.Lastly, the third method consisted in the determination of CH4 production potential of anaerobic co-digestion (co-AD) of SM with PW using different SM-PW ratios. Co-AD of SM with 10%, 20% and 30% PW resulted in a 9.3%, 12.5% and 18.6% CH4 production increase over SM only AD. The specific CH4 production was obtained for the same mixtures of 161.97 ± 5.83 mL CH4 g VS-1 added, 166.71 ± 10.49 mL CH4 g VS-1 added and 175.80 ± 3.95 mL CH4 g VS-1 added, respectively. In addition, a reduction of 37%, 47% and 48% of VS was observed for mixtures of increasing PW content.In all studied methods, CH4 production was stable and no NH3 inhibition was detected. The evaluated methods have advantages associated with them. Gas permeable membrane technology enables the production of a nitrogen fertilizer and the reduction of nitrogen content to be applied to the soil. Protein recovery allows the recovery of this value-added product and phosphorus, which can be used in the production of phosphate fertilizers, minimizing its extraction from phosphate rocks. Regarding anaerobic co-digestion, two residues that could potentially be disposed of in the environment without any treatment were used: swine manure and Rocha pear waste.Concluding, despite the advantages related to every strategy studied, SM co-AD with 30% PW presented the best performance in the AD process.
Description: Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Química apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia
URI: http://hdl.handle.net/10316/90006
Rights: closedAccess
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