10.4 Tratamentos Anaeróbicos

A digestão anaeróbica (AD) tem sido utilizada há muito tempo para a estabilização e redução do processo de massa de lodo, principalmente devido à simplicidade de operação, custos relativamente baixos e produção de biogás como fonte de energia potencial. A representação estequiométrica geral da digestão anaeróbica pode ser descrita da seguinte forma:

$cnhaob+ (n-a/4-b/2)\ cdot H_2O\ rarr (n/2-a/8+b/4)\ cdot CO_2+ (n/2+a/8-b/4)\ cdot CH4$ (10.4)

Equação 10.4 Balanço geral de massas de biogás (Marchaim 1992).

E a concentração teórica de metano pode ser calculada da seguinte forma:

$ [CH_4] =0,5+ (a/4+b/2) /2n $ (10,5)

Equação 10.5 Concentração teórica esperada de metano no biogás (Marchaim 1992).

Os produtos finais da AD são principalmente materiais inorgânicos (por exemplo, minerais), compostos orgânicos ligeiramente degradados e biogás que são normalmente compostos por\ > 55% de metano (CHSub4/sub) e dióxido de carbono (COSub2/sub), com apenas pequenos teores (\ 1%) de sulfureto de hidrogénio (H<sub2/subs) e azoto amoníaco total (NHsub3/ Subsup+/SUP/NH4SUP+/Sup) (Appels et al. 2008).

Fig. 10.4 Diagrama esquemático mostrando degradação anaeróbica da matéria orgânica baseada em Garcia et al. (2000)

Durante o processo de AD, o lodo orgânico sofre mudanças consideráveis em suas propriedades físicas, químicas e biológicas e esquematicamente pode ser dividido em quatro estágios (Fig. 10.4). O primeiro estágio é a hidrólise, onde a matéria orgânica complexa, como lipídios, polissacarídeos, proteínas e ácidos nucleicos, se degradam em substâncias orgânicas solúveis (açúcares, aminoácidos e ácidos graxos). Esta etapa é geralmente considerada limitadora da taxa (Deublein e Steinhauser 2010). Na segunda etapa de acidogênese, os monômeros formados na primeira etapa se dividem ainda mais, e os ácidos graxos voláteis (VFA) são produzidos por bactérias acidogênicas (fermentativas) juntamente com amônia, COSub2/Sub, HSub2/Sub e outros subprodutos. O terceiro passo é a acetogénese, em que o VFA e os álcoois são digeridos por acetogénios para produzir principalmente ácido acético, bem como COSub2/Sub e HSub2/Sub. Esta conversão é controlada em grande medida pela pressão parcial de HSub2/sub na mistura. O último passo é a metanogênese onde o metano é produzido principalmente por dois grupos de bactérias metanogênicas: a arcaea acetotrófica, que divide o acetato em metano e Cosub2/sub, e a arcaea hidrogenotrófica, que usam hidrogênio como doador de elétrons e dióxido de carbono como aceitador de elétrons para produzir metano (Appels et al. 2008).

Vários fatores como pH de lodo, salinidade, composição mineral, temperatura, taxa de carga, tempo de retenção hidráulica (HRT), relação carbono-nitrogênio (C/N) e teor de ácidos graxos voláteis influenciam a digestibilidade do lodo e a produção de biogás (Khalid et al. 2011).

Fig. 10.5 Esquema de um reator de cobertura de lodo anaeróbio ascendente (UASB)

O tratamento de lamas anaeróbias da RAS começou há cerca de 30 anos com relatórios sobre lamas de água doce RAS (Lanari e Franci 1998) seguidos de relatórios sobre as operações marítimas (Arbiv e van Rijn 1995; Klas et al. 2006; McDermott et al. 2001) e operações de água salobra (Gebauer e Eikebrokk 2006; Mirzoyan et al. 2008). Recentemente, foi sugerido o uso de UASB (Fig. 10.5) para AD de lodo RAS seguido da produção de biogás como fonte alternativa de energia (Mirzoyan et al. 2010). O reator é feito de um tanque, parte do qual é preenchida com um cobertor de lamas granulares anaeróbias contendo a espécie ativa de microrganismos. As lamas fluem para cima através de um “cobertor microbiano”, onde são degradadas pelos microrganismos anaeróbicos e são produzidos biogás. Um colonizador de cone invertido no topo do digestor permite a separação de gás e líquido. Quando o biogás é liberado do floc, ele é orientado para o cone pelos defletores a serem coletados. Uma mistura lenta no reator resulta do fluxo ascendente juntamente com o movimento natural dos flocos microbianos que estão ligados a bolhas de biogás. Em algum momento, o floc deixa a bolha de gás e se instala de volta permitindo que o efluente fique livre de TSS, que pode então ser reciclado de volta ao sistema ou liberado. As principais vantagens da UASB são os baixos custos operacionais e a simplicidade de operação, proporcionando uma elevada eficiência de remoção de sólidos (\ > 92%) para resíduos com baixo teor (1— 3%) de TSS (Marchaim 1992; Yogev et al. 2017).

Dois estudos de caso recentes demonstraram o uso do UASB como tratamento para sólidos em escala piloto de RAS marinha e salina, que fornecem um exemplo das potenciais vantagens desta unidade em aquapônica (Tal et al. 2009; Yogev et al. 2017). Um olhar detalhado sobre o balanço de carbono sugeriu que cerca de 50% do carbono introduzido (proveniente da alimentação) foi removido por assimilação e respiração de peixes, 10% foi removido por biodegradação aeróbia no biorreator de nitrificação e 10% foi removido no reator de desnitrificação (Yogev et al. 2017). Portanto, em geral, cerca de 25% de carbono foram introduzidos no reator UASB, dos quais 12,5% foram convertidos em metano, 7,5% em CoSub2/Sub e o restante (\ ~ 5%) permaneceu como carbono não degradável no UASB. Em resumo, foi demonstrado que o uso do UASB permitiu melhor recirculação de água (\ > 99%), menor (\ 8%) produção de lodo quando comparado com RAS típicas que não possuem tratamento sólido no local, e recuperação de energia que pode representar 12% da demanda total de energia do RAS. Deve-se notar que o uso de UASB em aquapônica também permitirá uma recuperação significativa de até 50% mais nutrientes, como nitrogênio, fósforo e potássio, uma vez que são liberados na água como resultado da biodegradação sólida (Goddek et al. 2018).

O biorreator de membrana anaeróbica (AnMBR) é uma tecnologia mais avançada. O processo principal consiste em usar uma membrana especial para separar os sólidos do líquido em vez de usar um processo de decantação como no UASB. A fermentação do lodo ocorre em um tanque anaeróbio simples e os efluentes o deixam através da membrana. Dependendo do tamanho dos poros da membrana (descendo para 0,1—0,5 μm), mesmo os microorganismos podem ser retidos. Existem dois tipos de projeto de biorreator de membrana: um usa um modo de fluxo lateral fora do tanque e o outro tem a unidade de membrana submersa no tanque (Fig. 10.6), sendo este último mais favorável na aplicação AnMBR devido à sua configuração mais compacta e menor consumo de energia (Chang 2014). As membranas de diferentes materiais, tais como cerâmicos ou poliméricos [por exemplo, fluoreto de polivinilideno (PVDF), polietileno, polietileno, polietileno (PES), cloreto de polivinilo (PVC)] podem ser configuradas como chapas e armação, fibras ocas ou unidades tubulares (Gander et al. 2000; Huang et al. 2010). O ANMBR tem várias vantagens significativas em relação aos reatores biológicos típicos, como o UASB, nomeadamente, a dissociação do tempo de retenção de lamas (longo) e o tempo de permanência hidráulica (HRT) (curto), permitindo assim superar o problema da cinética lenta do processo AD; qualidade de efluentes muito alta na qual a maioria dos nutrientes permanecem; e remoção de patógenos e uma pequena pegada (Judd e Judd 2008). Além disso, a produção eficiente de biogás no ANMBR pode possivelmente resultar em um balanço energético líquido.

Fig. 10.6 (a) MBR de fluxo lateral com uma unidade de filtração separada com o fluido retido reciclado de volta ao biorreator; (b) MBR submerso: unidade de filtração integrada no biorreator. (Gander et al. 2000)

Embora esta tecnologia mereça muita atenção e pesquisa, deve-se notar que, uma vez que é uma tecnologia bastante nova, ainda há várias desvantagens significativas que devem ser abordadas antes que a ANMBR seja adotada pela indústria aquícola. Estes são os altos custos operacionais decorrentes da manutenção da membrana para evitar a bioqueima, troca regular de membrana e alta co<sub2/subfração (30— 50%) no biogás, o que limita sua utilização e contribui para a emissão de gases com efeito de estufa (GEE) (Cui et al. 2003). Numa nota positiva, num futuro próximo, serão desenvolvidas novas técnicas de prevenção de biofouling, enquanto o custo da membrana irá certamente cair com a utilização mais ampla desta tecnologia. A combinação de um UASB com um reator de membrana para filtrar o efluente UASB foi estudada com sucesso para remover carbono orgânico e nitrogênio (An et al. 2009). Esta combinação parece uma opção promissora para a aquapônica para uso seguro e sanitário de efluentes UASB.

10.4.1 Implementação

Uma solução possível para a implementação de reactores anaeróbicos é de forma sequencial (ver também [Cap. 8](/comunidade/artigos/sistemas aquánicos desacoplados do capítulo 8)). Uma combinação de pH alto e baixo pH permite a colheita de metano (reduzindo assim o carbono) na primeira etapa de pH elevado e mobilizando nutrientes nas lamas descarbonizadas em um ambiente subsequente de baixo pH. A vantagem deste método é que a redução de carbono em condições de pH elevado resulta em menos VFAs, o que pode ocorrer durante o segundo passo de pH baixo (Fig. 10.7). Esta abordagem permite também a co-digestão da matéria vegetativa verde (ou seja, a partir de qualquer colheita de plantas, haverá resíduos de matéria vegetativa que poderia ser submetida a um tal digestor) para aumentar tanto a produção de biogás como a recuperação de nutrientes a partir do regime global.

Outra possibilidade de integração técnica foi apresentada por Ayre et al. (2017). Eles propõem a descarga do efluente de um digestor anaeróbio de alto pH para um lago de cultura de algas. Dentro desse lago, são cultivadas algas, cuja biomassa pode ser utilizada para alimentação animal e aquicultura ou biofertilização (Fig. 10.8). Informações mais detalhadas sobre esta abordagem podem ser encontradas em [Cap. 11](/community/articles/capítulos 11-aquaponics-systems-modelling).

Fig. 10.7 Sistema anaeróbico de dois estágios. No primeiro estágio (pH elevado), o carbono será removido do lodo como biogás, enquanto o baixo pH no segundo estágio permite que os nutrientes que estão presos no lodo se dissolvam na água. Normalmente, os ácidos graxos voláteis (VFA) se formariam em ambientes de baixo pH. A remoção da fonte de carbono na primeira etapa, no entanto, limita a produção de VFA em tal configuração sequencial

Fig. 10.8 Sistema de digestão anaeróbica integrado com aquacultura e cultura de algas baseado em Ayre et al. (2017)