Biogas from macrophytes : an energy recovery from constructed wetland waste

Orientadores: Ariovaldo José da Silva, Denis Miguel Roston Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Agrícola Resumo: O tratamento de águas residuárias pode entrar para o modelo de economia circular ao valorizar seus resíduos entendendo-os como subprodutos. Neste contexto, trazendo como pano de fundo valorizar e incentivar a aplicação de Wetlands Construídos para tratamento de efluentes, pretendeu-se demonstrar possibilidade de ganhos energéticos ao considerar resíduos de macrófitas como matéria-prima para geração de biogás a partir da digestão anaeróbia. Aqui, propôs-se a operação mais simplificada possível para sua viabilização prática. Assim, avaliou-se a produção de biogás por digestão das macrófitas aguapé, taboa e minipapiro a partir de ensaios de Potencial Bioquímico de Metano. Além de rendimento de biogás, estudou-se a cinética e a composição do biogás em experimentos individuais para cada substrato, em batelada, escala de bancada e mesofilia (37°C). O potencial energético foi avaliado com base no poder calorífico inferior do metano. A digestão anaeróbia resultou em: máximo rendimento de biogás de 207, 117 e 199 mLbiogás/gVSsubstrato em massa seca; rendimento máximo de metano e 94, 27 e 25 mLCH4/gVSsubstrato para a Taboa, Aguapé e Mini Papiro, respectivamente. A recuperação energética máxima foi de 19.569,65, 5.617,88 e 6.068,45 kJ/t de Taboa, Aguapé e Mini Papiro, respectivamente. O estudo cinético revelou as seguintes constantes hidrolíticas: 0,109 a 0,186, 0,35 a 0,55 e 0,07 a 0,165 dias-1 para Taboa, Aguapé e Mini Papiro, respectivamente, sendo o Aguapé a macrófita de mais rápida degradação. A aplicação de modelos cinéticos demonstrou que aqueles que consideram o tempo de fase lag são mais indicados para este tipo de substrato. A maior velocidade de digestão do Aguapé, em detrimento da Taboa, faz com que no mesmo espaço de tempo seja gerado maior montante de metano, refletindo em 2.901,88 kJ/t a mais de energia recuperada, resultado que aponta a E. crassipes como importante para a valorização das Wetlands Construídos. Os resultados obtidos neste trabalho podem ser aplicados como base para futuras pesquisas e desenvolvimento de sistemas de wetlands construídos mais sustentáveis através da digestão anaeróbia de macrófitas similares às aqui avaliadas Abstract: Wastewater treatment can participate in the circular economy model by considering their residue as by-products. In this context, and as background the appreciation and stimulus to Constructed Wetlands application to sewage treatment, this study intended to demonstrate the possibility of energy gains by using macrophytes residues as feedstock to biogas generation via anaerobic digestion. Here, we propose an operation as simple as possible to allow practical feasibility. We evaluate the biogas production from cattail, water hyacinth, and papyrus sedge through Biochemical Methane Potential assessment. Besides biogas yield, we studied the kinetics and the biogas composition in experiments with each substrate, in batch, lab-scale, and mesophilic (37°C). The energy potential was assessed by using the methane lower calorific value. The anaerobic digestion resulted in: biogas maximum yield 207, 117, and 199 mLbiogas/gVSsubstrate dry base; methane maximum yield 94, 27, and 25 mLCH4/gVSsubstrate to cattail, water hyacinth, and papyrus sedge, respectively. The energy recovery was 19.569,65, 5.617,88 e 6.068,45 kJ/t of cattail, water hyacinth, and papyrus sedge, respectively. The kinetic study showed hydrolytic constants as 0,109-0,186, 0,35-0,55, and 0,07-0,165 day-1 to cattail, water hyacinth and papyrus sedge, respectively; and revealed the water hyacinth as the faster degradation among the macrophytes. The kinetic analysis demonstrated that models that consider a lag phase time are more appropriate to this kind of substrate. As water hyacinth has the faster digestion comparing with cattail, it results in 2.901,88 kJ/t more energy recovery at the same time of digestion, which indicated E. crassipes as promising to stimulate Constructed Wetlands. Our results can be applied as basis to future researches and development of sustainable Constructed Wetlands through anaerobic digestion of macrophytes Doutorado Água e Solo Doutora em Engenharia Agrícola CAPES 7384/13-0 CNPQ 149364/2014-8