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http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/64724
Type: | Dissertação |
Title: | Methane and energy recovery potential from swine wastewater digestion by anaerobic and microaerobic processes |
Title in English: | Methane and energy recovery potential from swine wastewater digestion by anaerobic and microaerobic processes |
Authors: | Silva, Thobias Pereira |
Advisor: | Santos, André Bezerra dos |
Co-advisor: | Pereira, Erlon Lopes |
Keywords: | Recuperação energética;Água residuário de suinocultura;Processo microaeróbio;Biogás |
Issue Date: | 2022 |
Citation: | SILVA, Thobias Pereira. Methane and energy recovery potential from swine wastewater digestion by anaerobic and microaerobic processes. 2022. 93f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil: Saneamento Ambiental) – Universidade Federal do Ceara, Centro de Tecnologia, Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil: Saneamento Ambiental, Fortaleza, 2022. |
Abstract in Brazilian Portuguese: | A pesquisa teve como objetivo avaliar a utilização e potencial de produção de biogás como fonte de energia renovável a partir do tratamento da água residuária da suinocultura (ARS) em reator anaeróbio de manta de lodo e fluxo ascendente (UASB) e em reator microaeróbio de manta de lodo e fluxo ascendente (UMSB). A ARS foi vista como um potencial substrato para recuperação energética devido a sua alta complexidade e alto teor de matéria orgânica e o grande crescimento da suinocultura no Brasil. O foco foi prioritariamente na produção de energia elétrica, entendendo o potencial dos subprodutos gerados na digestão da ARS e identificando a autossuficiência do sistema e a aplicação da energia gerada em outros setores. Um modelo matemático foi desenvolvido para estimar com mais acurácia o potencial de recuperação de energia em reatores UASB tratando águas residuárias de uma granja de suínos com até 10.000 suínos. O modelo foi desenvolvido com base na simulação de Monte Carlo para estimar o potencial energético do biogás em três categorias de granjas de suínos (pequena, média e grande), que correspondiam a diferentes escalas (250, 500 e 1.000 suínos). Para determinar o potencial energético da ARS analisou-se cargas orgânicas volumétricas (COV) de 9,3 a 21,lkgDQO m-3d-1. Para cada escala de suinicultura, o potencial de recuperação de energia elétrica foi de 1,6 a 2,1 kWh kgDQOrem-l e 6.0 a 8.2 kWh mARs-1. O potencial energético da ARS foi calculado com base nos parâmetros operacionais do reator UASB, no poder calorífico do metano no biogás e na produção diária de ARS. A regressão linear entre as variáveis ARS (L d-1) (eixo x) e potencial energético do biogás (kWh d-1) (eixo y) foi y=-241,60+33,55x (r2=0,82), enquanto que para DQO removida (kg d-1) ( eixo x) e o potencial energético do biogás (kWh d-1) (eixo y) foi y=-80,10+2,24x (r2=0,93). O modelo demonstrou uma boa acurácia e houve um ajuste adequado aos dados monitorados, indicando poder ser aplicado na estimativa do potencial energético do biogás gerado em reatores UASB. Também foram investigados os efeitos da microaeração in-situ no desempenho da digestão da ARS para recuperação de metano e energia elétrica. A esse respeito, os desempenhos do reator UASB e do reator UMSB foram comparados. Duas doses de oxigênio (0,17 e 0,25 LO2 La1imentação-1d-1) foram avaliadas na recuperação de metano e energia elétrica com os reatores operados no tempo de detenção hidráulica (TDH) de 12h. A dose ar de 0,25 LO2 La1imentação-1d-1 foi posteriormente avaliada em TDHs de 1 O, 8 e 6h. O maior rendimento de metano obtido no reator UMSB foi de 228,6 NL kgDQo-1 d-1, durante uma COV de 12,2 kgDQO m-3d-1 (TDH de 10h). O aumento da COV e da dose no ar gerou diluição do metano no biogás, o que reduziu a possibilidade de recuperação de energia elétrica. Apesar disso, os resultados mostraram que o reator UMSB foi autossuficiente e teve eficiência energética no TDH de 12h nas doses de O, 1 7 e 0,25 L02 Lalimentação-1d-1 e no TDH de 1 Oh na dose de 0,25 L02 Lalimentação-1d-1. O reator UMSB obteve um retomo de energia sobre o investimento (EROI) de 11,6 a 18, 7, mostrando ser uma alternativa potencial para geração de energia. |
Abstract: | The research aimed to evaluate the use and potential of biogas production as a source of renewable energy from swine wastewater (SWW) treatment in upflow anaerobic sludge blanket reactor (UASB) and upflow microaerobic sludge blanket reactor (UMSB) reactors. The SWW was seen as a potential substrate for energy recovery due to its high complexity and high organic matter content and the large growth of pig farming in Brazil. The focus was primarily on electricity production, understanding the potential of the by-products generated in SWW digestion, and identifying the system self-sufficiency and the application of the energy generated in other sectors. A mathematical model has been developed to more accurately estimate the potential for energy recovery in UASB reactors treating wastewater from a pig farm with up to 10,000 pigs. The model was developed based on Monte Carlo simulation to estimate the energy potential of biogas in three categories of pig farms (small, medium, and large), which corresponded to different scales (250, 500, and 1,000 pigs). ln order to determine the SWW energy potential, various organic loading rates (OLR) from 9.3 to 21.1 kgCOD m-3d- 1 were analyzed. For each piggery scale, the potential for electrical energy recovery was 1.6 to 2.1 kWh kgCODrem-1 and 6.0 o 8.2 kWh msww-1. The SWW energetic potential was calculated based on the UASB reactor operational parameters, the calorific value of methane in biogas, and the daily SWW production. The linear regression between the variables SWW (L d-1) (axis x) and biogas energy potential (kWh d-1) (axis y) was y=-241.60+33.55x (r2=0.82), while for COD removed (kg d-1) (axis x) and biogas energy potential (kWh d-1) (axis y) was y=- 80.10+2.24x (r2=0.93). The model showed good accuracy, and there was an adequate fit to the monitored data, indicating that can be applied to estimate the energy potential of biogas generated in UASB reactors. It was also investigated the effects of the in-situ microaeration on the digestion performance of SWW for methane and electrical energy recovery. ln this regard, the performances of the UASB reactor and UMSB reactor were compared. Two oxygen doses (0.17 and 0.25 LO2 Lfeed-1d-1) were evaluated on methane and electrical energy recovery with the reactors operated at the Hydraulic Retention Time (HRT) of 12h. The air dose of 0.25 LO2 Lfeed-1d-1 was subsequently evaluated at HRT of 10, 8, and 6h. The highest methane yield achieved in the UMSB reactor was 228.6 NL kgcon-1 d-1, during an OLR of 12.2 kgCOD m- 3d-1 (HRT of 10h). OLR and air dose increase generated methane dilution in the biogas, which reduced the possibility of electrical energy recovery. Nevertheless, the results showed that the UMSB reactor was self-sufficient and had energy efficiency in the 12h HRT at doses of0.17 and 0.25 L02 Lfeed-1d-1 and in the lüh HRT at a dose ofü.25 L02 Lfeel1d-1 . The UMSB reactor achieved an energy retum on investment (EROI) of 11.6 to 18. 7, showing a potentially viable altemative for power generation. |
URI: | http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/64724 |
Appears in Collections: | DEHA - Dissertações defendidas na UFC |
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