Valorização energética de biomassa algal cultivada em águas residuárias via digestão anaeróbia

Abstract

Várias abordagens têm sido feitas de forma a confirmar o potencial atrativo das microalgas como matéria prima para a produção de biogás. No entanto, limitações advindas do substrato biomassa algal são ainda na atualidade descritas. As maiores complexidades da digestão anaeróbia da biomassa algal são reportadas como sendo a baixa digestibilidade da parede celular das algas e a inibição do processo pela presença de amônia. De forma a propor estratégias de superação dessas limitações, esse estudo teve como objetivo avaliar o potencial energético de biomassa algal cultivada em efluentes a partir da digestão anaeróbia. Estratégias de pré-tratamentos (térmico e prévia extração lipídica) e complementariedade de substratos foram aplicadas. A extração lipídica aumentou o rendimento da produção de biogás em até 10 vezes, tornando mais disponível o conteúdo intracelular. No entanto, após análise energética, concluiu-se pelo pouco ganho energético acumulado da etapa de extração lipídica, devido principalmente ao baixo acúmulo lipídico da biomassa produzida em efluentes. O aproveitamento lipídico da biomassa se mostrou inviável energeticamente e a geração de biogás da biomassa bruta foi a rota energética mais favorável, tanto para biomassa produzida em lagoas de alta taxa com esgoto doméstico, como para biomassa cultivada em fotobiorreator coluna de bolhas com efluentes da indústria de processamento de carnes. A complementariedade de substratos foi avaliada utilizando-se efluente da indústria de extração de azeite (água ruça) na digestão anaeróbia de biomassa algal produzida em lagoa de alta taxa (LAT) utilizando efluente da indústria cervejeira e esgoto doméstico como meios de cultivo. Adicionalmente, a geração de biogás e a eficiência de degradação da matéria orgânica foram monitoradas ao longo de três fases (72 dias) de operação de um reator híbrido anaeróbio, caracterizadas pelo também uso da água ruça como um substrato complementar à biomassa algal e à aplicação de um pré-tratamento térmico para ruptura da parede celular da biomassa algal. Análises de citometria de fluxo foram realizadas para estimar a integridade da membrana e viabilidade metabólica das células algais de forma a mensurar a eficiência do pré-tratamento aplicado. A água ruça se mostrou um substrato complementar eficiente para digestão anaeróbia da biomassa algal, permitindo melhorar rendimento do processo, além de economia de recursos, facilidade operacional e aproveitamento energético de mais de um resíduo. Para os testes em batelada, o rendimento da digestão foi 36% maior para os testes com 10% de água ruça adicionada à biomassa algal cultivada em esgoto doméstico. Para biomassa cultivada em efluente da indústria cervejeira, valores de até 20% de água ruça puderam ser adicionados à biomassa algal, no entanto, teste utilizando somente a biomassa algal como substrato apresentou os melhores resultados de produção de biogás. Mesmo com a aplicação de pré-tratamento térmico, o melhor rendimento do reator híbrido foi obtido quando operado com 10% de água ruça, cerca de 3 vezes superior ao rendimento obtido somente com biomassa algal. Acredita-se que através do presente estudo foi possível avaliar uma rota promissora de produção de biocombustíveis a partir do tratamento de efluentes, elucidando limitações importantes para a aplicação e ampliação do processo. Temas emergentes e de grande importância no contexto mundial e principalmente nacional foram abordados, nomeadamente o aproveitamento de resíduos e a questão energética, tornando o saneamento ambiental mais atrativo dos pontos de vista econômico e de sustentabilidade, e propondo alternativas de diversificação da matriz energética com o uso de biocombustíveis oriundos de biomassa algal.

Several approaches to confirm the attractive potential of microalgae as a feedstock for biogas production have been undertaken. However, limitations arising from the algal biomass substrate are still described today. The main complicators of anaerobic digestion of algal biomass are reported to be the low digestibility of the algal cell wall and the inhibition of the process by ammonia. In order to propose strategies to overcome these limitations, this study aimed to evaluate the energy potential of anaerobic digestion of algal biomass grown in wastewaters. Thermal and lipid extraction pre-treatments and complementarity of substrates were evaluated. Lipid extraction increased biogas yield ten-fold, by making intracellular content more available. However, an energy analysis showed the lipid extraction stage produced only a small accumulated energy gain, mainly due to the low lipid accumulation in the biomass produced in wastewaters. Utilization of biomass lipid was shown to be energy-infeasible and biogas generation from the crude biomass was the most favorable energy route, both for biomass produced in high rate ponds with domestic sewage and for biomass cultured in a bubble column photobioreactor with effluents from the meat processing industry. The complementarity of substrates was evaluated using olive mill wastewater in the anaerobic digestion of algae biomass produced in a high rate algal pond using effluents from the brewery industry and domestic sewage as culture media. In addition, biogas production and organic matter degradation efficiency were monitored during three phases (72 days) of an anaerobic hybrid reactor, characterized by the use of the olive mill wastewater as a complementary substrate to the algal biomass and the application of a thermal pretreatment for algal biomass cell wall rupture. Algal cell membrane integrity and metabolic viability were analyzed through flow cytometry in order to measure pretreatment efficiency. Olive mill wastewater proved to be an efficient complementary substrate for anaerobic digestion of the algal biomass, allowing better process efficiency, both in batch and semi-continuous feeding modes of the hybrid reactor, as well as resource savings, operational ease and energy utilization of more than one waste. For batchs tests, digestion yield was 36% greater when using 10% of olive mill wastewater together with algal biomass grown in domestic sewage. Values of up to 20% of olive mill wastewater could be added to algal biomass grown in brewery wastewater, however, tests using only algal biomass as the substrate showed the best biogas production results. Even with the application of thermal pretreatment, the best performance of the hybrid reactor was obtained when operated with 10% olive mill wastewater, resulting in about 3 fold higher yield than obtained with algal biomass alone. Through the present study, it was possible to evaluate a promising route for biofuels production through wastewater treatment and identify important limitations to the application and expansion of the process. Emerging issues of great importance worldwide and especially at the national level were addressed, namely waste reuse and renewable energy, making environmental sanitation more attractive from both the economic and sustainability points of view, and alternatives for diversifying the energy matrix with the use of biofuels from algal biomass were proposed.