Estudo e caracterização de digestores anaeróbios de leito fixo

Abstract

Este trabalho centrou-se no estudo de digestores anaeróbios de leito fixo. Num primeiro estudo, comparam-se duas configurações de digestores, uma segmentada em três andares e uma configuração convencional de modo ascendente. Inicialmente avaliou-se o efeito de aumentar a concentração de substrato entre 3 e 12 g CQO/L no desempenho, nos perfis de degradação de substrato, nas características físicas e biológicas da biomassa desenvolvida e nas características hidrodinâmicas das duas configurações. O tempo de retenção hidráulico foi mantido em 2 dias. Em termos de desempenho não houve diferenças significativas. A remoção de CQO era superior a 97% em ambas as configurações. As diferenças de escoamento entre as duas configurações foram mais acentuadas para baixas concentrações de substrato. Com o aumento da concentração de substrato a população microbiana ficou segregada ao longo da altura dos digestores, com a actividade acidogénica mais concentrada na base, a actividade sintrófica no meio e a actividade acetoclástica e hidrogenofílica no topo. Os agregados não apresentavam características muito diferenciadas nas várias secções dos digestores, embora o seu tamanho e a sua velocidade de sedimentação tenham aumentado com o aumento da concentração de substrato, especialmente nas secções do topo. A introdução de alimentações laterais no digestor segmentado, diminuindo o tempo de retenção hidráulico entre 2 dias e 10 horas, não provou melhorar o funcionamento desta configuração relativamente ao digestor convencional. A actividade acidogénica máxima passou a estar localizada na secção do meio do digestor segmentado, que era o andar que recebia a maior parte da carga orgânica que foi aplicada ao sistema. O volume “morto” dos digestores atingiu 60%. Os agregados acumulados no topo dos digestores variaram acentuadamente as suas propriedades biológicas e físicas ao longo da operação, tendo passado por máximos acentuados de actividade acetoclástica, tamanho, velocidade de sedimentação e dimensão fractal. Devido a alguns problemas de amostragem da biomassa em filtros anaeróbios, foi desenvolvida e é apresentada uma metodologia que permite estudar interacções entre a biomassa e o suporte em filtros anaeróbios de fluxo ascendente. O conceito baseia-se na colocação de vários mini-biorreactores em paralelo na secção central do digestor com possibilidade de serem retirados simultânea ou periodicamente, de acordo com os objectivos do estudo. São apresentadas duas aplicações. Numa primeira experiência compara-se a capacidade de retenção de biomassa de anéis de Raschig de três materiais (Vidro, vidro acrílico e policloreto de vinil (PVC)) com três tamanhos e numa segunda experiência determina-se evolutivamente a distribuição da biomassa no suporte e a actividade de diferentes grupos tróficos. A metodologia anterior é utilizada para estudar comparativamente o desenvolvimento da biomassa em digestores de leito fixo alimentados com diferentes teores de lípidos. Apesar de não se terem detectado diferenças em termos de actividade metanogénica acetoclástica e hidrogenofílica, verificou-se que a actividade metanogénica em butirato foi estimulada no reactor alimentado com lípidos. Por outro lado, a exposição a lípidos desfavoreceu a adesão da biomassa ao suporte e a resistência das bactérias acetoclásticas a um ácido gordo de cadeia longa (oleato de sódio). No entanto, quando se passou a alimentar directamente este ácido gordo de cadeia longa, mais de 50% do biofilme formado na ausência de lípidos foi removido do suporte e o biofilme formado na presença de lípidos aumentou com a presença de oleato. Por outro lado, a biomassa que tinha estado em contacto com os lípidos tornou-se mais resistente à toxicidade do oleato do que a biomassa que não tinha contactado com lípidos. Após alimentação de oleato como única fonte de carbono, verificou-se que a biomassa foi encapsulada por oleato, tendo-se concluído que a taxa de degradação a metano do oleato adsorvido (105 mg CQO-CH4/gSV.dia) era superior à taxa de degradação obtida com biomassa adaptada, mas não encapsulada (86 mg CQO-CH4/gSV.dia) e que esta era superior à taxa de degradação com biomassa não adaptada (18 mg CQO-CH4/g SV.dia)

The aim of this work was the study of anaerobic fixed bed digesters. In a first study a staged configuration was compared with a conventional non-staged upflow fixed bed digester. Initially the effect of increasing substrate concentration from 3 to 12 g COD/L was evaluated in terms of performance, COD and VFA profiles along the height, physical and biological characteristics of biomass and hydrodynamic behaviour of both configurations. Hydraulic retention time was kept in 2 days. No differences were detected in terms of overall performance and during all the trial period more than 97% of influent COD were removed in both digesters. Differences in the fluid flow pattern were more evident for the lowest influent COD. With the increase in influent COD, microbial population became stratified. Higher acidogenic activity was detected at the bottom and hidrogenophilic and acetoclastic activities were maximal at the top. The syntrophic activity in propionate was maximal at the middle sections of both configurations. In terms of they physical properties such as size, settling rate and fractal dimension, microbial aggregates were not differentiated along the height in both configuration, but after increasing the substrate concentration, microbial aggregates increased in size and in settling properties. This change was more evident in the top sections. The introduction of lateral feedings in the staged configuration, decreasing the hydraulic retention time from 2 days to 10 hours, did not enhance the overall performance of this configuration in comparison with the conventional upflow anaerobic filter. The acidogenic activity became maximal at the middle section, where most of the applied organic loading rate was introduced. The “dead volume” achieved 60% of the total volume in both digesters and the microbial aggregates present at the top of both configurations changed markedly they properties. Maximum values of acetoclastic activity, size, settling rate and fractal dimension were detected at the top, during this trial period. Due to some problems in biomass sampling in anaerobic filters, a new anaerobic, random-packed, fixedbed reactor, where the fixed bed matrix is distributed between up to 36 independent mini-bioreactors, has been developed to investigate biomass-support interactions in anaerobic filters. In a first experiment the biomass retention capacity of three materials (Glass, Plexiglas and polyvinyl chloride (PVC)) of three sizes was compared after a trial period of 115 days. All materials gave similar results, though entrapped biomass was maximal at 3 g/L of matrix void volume for the smallest size and a maximum of 1 g adhered biomass per m2 was obtained for the largest size. Glass, the most smooth and hydrophilic surface, accumulated a thinner biofilm essentially composed of Methanospirillum-like bacteria. In a second run, by periodically removing 3 mini-bioreactors, potential specific methanogenic activities against individual substrates were determined along the time and a continuous growth of the adhered biomass was observed, achieving a maximum of 40% of the total biomass. This methodology was used to study the biomass development in anaerobic filters, fed with different lipid contents. The contact with lipids decreased the adhesion of biomass and the resistance of acetoclastic bacteria to sodium oleate toxicity. Although no effect of lipids was detected on acetoclastic and hydrogenophilic activities, a clear enhancement of methanogenic activity against butyrate was measured. When oleic acid was fed, more than 50% of the biofilm formed in the absence of lipids was removed from the support, whereas the biofilm that had been formed in contact with lipids, increased in the presence of oleate. Furthermore, the biomass that had been in contact with lipids became more resistant to oleic acid toxicity than the biomass developed in the absence of lipids. When oleate was the sole carbon source fed to both digesters, the biomass became encapsulated by adsorbed oleate. The adsorbed oleate degradation rates (105.4 mg COD-CH4/gVS.day, was higher than the maximum oleate degradation rate developed by acclimatised, but not encapsulated sludge (86 mg COD-CH4/gVS.day) and this was higher than the oleate degradation rate obtained with non - acclimatised sludge (18 mg COD-CH4/gVS.day).