Anaerobic reactor fed with sugarcane vinasse: evaluation of the effects caused by interruption in feeding and strategies for mitigation

O tratamento biológico anaeróbio aparece como uma opção importante para remover a carga orgânica poluidora da vinhaça, e vem despertando interesse entre pesquisadores do mundo todo devido aos sucessos já alcançados, principalmente em trabalhos científicos. O interesse científico aponta para o aprimoramento do processo de degradação desse efluente em taxas elevadas, além de promover a produção de biogás, com potencial para produção de energia. A tecnologia de tratamento anaeróbio mais utilizada para o tratamento da vinhaça é o reator UASB, apresentando resultados satisfatórios inclusive em unidades em escala plena. A interrupção do funcionamento do reator em períodos de entressafra é, indubitavelmente, um problema a ser enfrentado na operação do reator UASB, cujo período de partida é lento. A repartida do sistema é agravada nos reatores de alta taxa, requerendo estratégias adequadas para reduzir o período necessário permitindo mitigar prontamente os efeitos do aporte de vinhaça ao ambiente e recuperar energia a partir dessa matriz. Diante disso, um reator anaeróbio de fluxo ascendente com manta de lodo (UASB) em escala piloto foi utilizado para o estudo da repartida do sistema e do tratamento da vinhaça e do melaço, sendo o último utilizado como fonte de carbono no período relativo à entressafra. O reator UASB foi operado durante 335 dias. Na Fase I utilizou-se a vinhaça como afluente, na Fase II o melaço de cana-de-açúcar e na Fase III novamente a vinhaça. Após período de interrupção de 30 dias, o período de repartida do sistema em estudo foi de 69 dias. Logo no início da repartida do reator, a eficiência de remoção de DQO foi superior a 80%, alcançando eficiência de 89,95 % em apenas oito dias de operação. O reator UASB apresentou valor médio de eficiência de remoção de DQO para as Fases I (vinhaça), II (melaço) e III (vinhaça) de 84 ± 3,35%; 82 ± 5,12% e 80 ± 9,22%, para cargas aplicadas de 5 a 34 kgDQO.m-3.d-1, 33 kgDQO.m-3.d-1 e 5 a 19 kgDQO.m-3.d-1, respectivamente. Em relação à produção de metano, de todo o período operacional, a Fase I referente à repartida do reator utilizando vinhaça como substrato após um mês sem alimentação foi a que apresentou a maior produção média no período, 7,93 LCH4. (L.d) -1, devido aos maiores valores de carga orgânica volumétrica (COV) aplicadas (5 a 34 kgDQO.m-3.d-1). A Fase II referente ao período de entressafra utilizando o melaço, foi de 7,28 LCH4. (L.d) -1 devido ao acúmulo de ácidos voláteis totais. A Fase III com retorno da safra utilizando a vinhaça, foi de 1,23 LCH4. (L.d) -1 devido aos menores valores de carga aplicada ao reator (5 a 8,5 kgDQO.m-3.d-1). As análises microbiológicas mostraram elevada diversidade microbiana e permitiu observar que com a utilização do melaço ocorreu alteração da população de microrganismos presente no reator, que apresentaram longo período de adaptação quando submetidos novamente à vinhaça, na última fase de operação. De forma geral, os resultados apontam que a tecnologia UASB é adequada no tratamento de vinhaça e melaço de alta carga orgânica e na geração de biogás. A substituição por melaço permitiu obter produção de biogás semelhante ao uso da vinhaça, entretanto dificultou a repartida, quando substituído pela vinhaça novamente (Fase III). Biological anaerobic treatment systems are a promising approach for the removal of organic loading content of vinasse. Previous studies have demonstrated the optimization of the vinasse degradation process at high rates, promoting the biogas production with potential for energy use. Upflow anaerobic with sludge blanket (UASB) is the most applied anaerobic technology for the treatment of vinasse. Such reactor configuration presents satisfactory results even in full-scale units. The interruption of reactor operation during the off-season is undoubtedly an operational problem to be faced, whose restarting period is slow. The system restarting is intensified in high-rate reactors, requiring adequate strategies to reduce the time needed to mitigate the environmental effects of vinasse supply and to recover energy from that matrix. Therefore, a pilot-scale UASB was used to investigate the system restart and the treatment of vinasse and molasses. Sugarcane molasses was used as the carbon source during the off-season period. The system was operated during 335 days. The operational procedure consisted of three phases, in which different streams were used as carbon source: vinasse (Phases I), sugarcane molasses (Phases II) and vinasse (Phases III). After an interruption period of 30 days, the restarting period was 69 days. At the beginning of the restarting period, the average COD removal efficiency was higher than 80%, reaching COD removal efficiencies of 89.95% in only eight days of operation. The average COD removal efficiencies for Phases I (vinasse), II (molasses) and III (vinasse) were 84 ± 3.35%; 82 ± 5,12% and 80 ± 9,22%, respectively. Those removal efficiencies were achieved with organic loading rate 5 to 34 kgCOD.m-3.d-1 , 33 kgCOD.m-3.d-1 and 5 to 19 kgCOD.m-3.d-1, respectively. Regarding methane (CH4) production, Phase I (vinasse as substrate after one month without feeding) presented the highest average CH4 production (7.93 LCH4. (L.d) -1), due to the higher values of OLR (5 to 34 kgCOD.m-3.d-1). The CH4 production during Phase II (off-season using molasses as substrate) was 7.28 LCH4. (L.d) -1, due to the accumulation of volatile fatty acids (VFA). In Phase III, in which vinasse was applied again as substrate the CH4 production was 1.23 LCH4.(L.d)-1, due to the lower values of organic loading rate to the reactor (5 to 8.5 kgCOD.m-3.d-1). Microbiological analyses showed high microbial diversity in biomass developed at UASB reactor. Moreover, it was possible to observe that with molasses used as carbon source probably promotes changes in the microorganisms population, After period with molasses feeding, such microbiota presented a long adaptation period when resubmitted to vinasse, as the main carbon source in the feeding. In general, the results indicate that the UASB configuration was adequate for the vinasse and molasses treatment at high organic loading rate, resulting in high biogas production. In which the feeding with sugarcane molasses resulted in a biogas production similar to that obtained by vinasse feeding, but it made it difficult to divide when replaced by vinasse (Phase III).