11.4 Modelação da Digestão Anaeróbica

Fig. 11.10 Simulação de TAN (XSubnHx-N,1/Sub) em [mg/l] durante 2 dias = 2880 min com Q = 300 l/min (azul) e Q = 200 l/min (laranja)

Fig. 11.11 Simulação de nitrato-N (XSubNO3-N,1/Sub) em [mg/l] durante 50 dias = 72.000 min com Qsubexc/sub = 300 l/dia (amarelo), Qsubexc/sub = 480 l/dia (laranja) e Qsubexc/sub = 600 l/dia (azul)

A digestão anaeróbica (DA) do material orgânico é um processo que envolve as etapas sequenciais da hidrólise, acidogênese, acetogênese e metanogênese (Batstone et al. 2002). A digestão anaeróbica de uma mistura de proteínas, carboidratos e lipídios é visualizada na Figura 11.11. Na maioria das vezes, a hidrólise é considerada como o passo limitador da taxa na digestão anaeróbica da matéria orgânica complexa (Pavlostathis e GiralDoGomez 1991). Assim, aumentar a taxa de reação de hidrólise provavelmente levará a uma maior taxa de reação de digestão anaeróbica. No entanto, aumentar as taxas de reação precisa de uma maior compreensão do processo relacionado. Uma maior compreensão pode ser obtida através de experimentação e/ou modelagem matemática. Como há muitos fatores que influenciam, por exemplo, o processo de hidrólise, tais como concentração de amônia; temperatura; composição do substrato; tamanho da partícula; pH; intermediários; grau de hidrólise; ou seja, o potencial do conteúdo hidrolisável; e tempo de residência, é quase impossível avaliar o total efeito dos fatores na taxa de reação de hidrólise através da experimentação. A modelagem matemática poderia, portanto, ser uma alternativa, mas como resultado de todas as incertezas na formulação do modelo, coeficientes de taxa e condições iniciais, não se pode esperar respostas únicas. Mas, uma estrutura de modelação matemática permitiria análises de sensibilidade e incerteza para facilitar o processo de modelação. Como mencionado anteriormente, a hidrólise é apenas um dos passos na digestão anaeróbica. Consequentemente, a compreensão e otimização do processo completo de digestão anaeróbica precisa de conexões da hidrólise aos outros processos que ocorrem durante a digestão anaeróbica e interações entre todas essas etapas.

O conhecido e amplamente utilizado ADM1 (modelo de digestão anaeróbica\ #1) é um modelo estruturado que inclui etapas de desintegração e hidrólise, acidogênese, acetogênese e metanogênese. A desintegração e a hidrólise são duas etapas extracelulares. Na etapa de desintegração, os substratos de partículas compósitas são convertidos em material inerte, carboidratos particulados, proteínas e lipídios. Posteriormente, a etapa de hidrólise enzimática decompõe as partículas de hidratos de carbono, proteínas e lípidos em monossacarídeos, aminoácidos e ácidos gordos de cadeia longa (LCFA), respectivamente (Batstone et al. 2002) (ver Fig. 11.12).

ADM1 é um modelo matemático que descreve os processos biológicos e os processos físico-químicos da digestão anaeróbica como um conjunto de equações diferenciais e algébricas (DAE). O modelo contém 26 variáveis de estado dinâmico em termos de concentrações, 19 processos cinéticos bioquímicos, 3 processos cinéticos de transferência gas-líquido e 8 variáveis algébricas implícitas para cada unidade de processo. Como alternativa, Galí et al. (2009) descreveram o processo anaeróbio como um conjunto de equações diferenciais com 32 variáveis de estado dinâmico em termos de concentrações e 6 processos cinéticos ácido-base adicionais por unidade de processo. Para uma visão geral da modelação dos processos de digestão anaeróbia, referimo-nos a Ficara et al. (2012). No entanto, no que se segue e para alguns primeiros insights sobre o processo AD, apresentaremos um modelo simples de equilíbrio nutricional de AD em um reator de lote de sequenciamento (SBR).

11.4.1 Mineralização de nutrientes

A mineralização de nutrientes pode ser calculada utilizando a seguinte equação (Delaide et al. 2018):

$NR=100%\ vezes (\ frac {DN_ {out} -DN {in}} {TN_ {in} -DN_ {in}}) $ (11.15a)

Fig. 11.12 Um esquema simplificado para a digestão anaeróbica de partículas orgânicas complexas (baseado em El-Mashad 2003)

onde NR é a recuperação de nutrientes no final do experimento em porcentagem, DNsubout/sub é a massa total de nutriente dissolvido na saída, DNsubin/sub é a massa total de nutriente dissolvido na entrada e TNsubin/sub é a massa total de nutrientes dissolvidos mais não dissolvidos no fluxo de entrada (ver também Fig. 11, 13).

11.4.2 Redução Orgânica

O desempenho de redução orgânica do reator pode ser calculado utilizando a seguinte equação:

$η_ {OM} =1-\ frac {\ Delta OM+T_ {OM\ out}} {T_ {OM\ in}} $ (11.15b)

em que ΔOM é a matéria orgânica (ou seja, CQO, TS, TSS, etc.) no interior do reator no final do experimento menos a do início do experimento, TSUBOM out/sub é a saída OM total e TSUBOM in/sub é a entrada total de OM (ver também Fig. 11.14).

Fig. 11.13 Esquema geral do reator para determinar o potencial de mineralização, onde DN são os nutrientes dissolvidos na água, UN os nutrientes não dissolvidos no lodo (ou seja, TN-DN) e TN os nutrientes totais

Fig. 11.14 Esquema geral do reator para determinar o potencial de redução de material orgânico, em que Tsubom/Sub é a matéria orgânica total e ΔOM a mudança de matéria orgânica no interior do reator