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Título: Avaliação da co-digestão anaeróbia em estágio sólido de resíduos agroindustriais: estratégias de aclimatação do inóculo e condições do processo
Título(s) alternativo(s): Assessment of solid-state anaerobic co-digestion of agro-industrial wastes: inoculum acclimation strategies and operational conditions
Autor(es): Pereira, Larissa Maria Silveira
Orientador(es): Edwiges, Thiago
Palavras-chave: Gestão integrada de resíduos sólidos
Redução de resíduos
Resíduos agrícolas
Integrated solid waste mangement
Waste minimization
Agricultural wastes
Data do documento: 6-Jun-2025
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Medianeira
Citação: PEREIRA, Larissa Maria Silveira. Avaliação da co-digestão anaeróbia em estágio sólido de resíduos agroindustriais: estratégias de aclimatação do inóculo e condições do processo. 2025. Dissertação (Mestrado em Tecnologias Ambientais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Medianeira, 2025.
Resumo: A digestão anaeróbia em estágio seco (solid-state anaerobic digestion – SSAD) é uma alternativa eficiente e sustentável para o tratamento de resíduos sólidos orgânicos por oferecer vantagens como menor demanda de água e maior tolerância a substratos com alto teor de sólidos. O estudo investigou o processo de digestão em estágio seco apresentando quatro ensaios experimentais distribuídos em dois capítulos. O foco foi otimizar a produção de metano (PBM) a partir de diferentes combinações de substrato e inóculo, identificando limitações operacionais. No ensaio experimental 1, utilizou-se dejeto bovino extrusado (DBE) e dejeto bovino digerido (DBD) como inóculo e bagaço de cana-de-açúcar (BCA) como substrato submetido a diferentes condições de pré-tratamento hidrotérmico. O destaque foi o ensaio BPT9 com produção acumulada de metano de 1,6 NL kgSV-1, indicando que o pré-tratamento realizado em temperatura ambiente aliado a um tempo prolongado de contato garantiu melhor desempenho. Contudo, apesar do resultado, a eficiência geral ainda foi considerada baixa, demonstrando que a estratégia não foi suficiente para potencializar significativamente a produção de metano. Além disso, a alcalinidade total (AT) do inóculo de 1.000 mg CaCO£ L-1 não garantiu tamponamento eficiente, refletido nos baixos teores de metano (5,9% a 21,6%). O ensaio experimental 2 avaliou a co-digestão do BCA com resíduos de frutas e vegetais (RFV) utilizando o digestato do reator piloto (IRP) e dejeto bovino fresco (DBF) como inóculo. Os resultados mostraram desempenho superior no E9 (56 NLCH4 kgSV-1; 58% CH¤), sob condições de S/I 0,5 e ST 14,9%. Embora a AT tenha aumentado para 1.583 mg CaCO£ L-1, ainda foi insuficiente para evitar acidificação, comprometendo a estabilidade de alguns ensaios. No ensaio experimental 3, o RFV permaneceu como substrato, mas com nova formulação de inóculo composta por digestato líquido (IRP), digestato semi-sólido (IUD) e dejeto bovino curtido (DBC), alcançando AT elevada de 3.500 mg CaCO£ L-1. O controle com RFV apresentou o melhor desempenho (297,7 NLCH4 kgSV-1; 56,2% CH¤), enquanto ensaios com maior S/I e teor de ST, como o E12 (S/I 2; ST 15%), tiveram queda significativa na produção e no teor de metano, atribuídos à acidificação e acúmulo de ácidos voláteis. O segundo capítulo abordou a co-digestão do BCA com DBF, ajustando relações S/I (0,5–2,0), ST (8,9%–17,2%) e C/N (16/1–32/1). Os melhores resultados foram obtidos nos ensaios T4, T8 e T12 (12,6–13,9 LCH¤/Lreator), com remoção de sólidos voláteis de até 36% e redução da C/N para 6/1. A estabilidade do processo foi observada em ST entre 12,5% e 11,6% (T4 e T12). Em conjunto, os quatro ensaios experimentais mostraram que a eficiência da digestão anaeróbia em estágio seco depende criticamente da composição do inóculo e dos ajustes em S/I, ST e C/N.
Abstract: Solid-state anaerobic digestion (SSAD) is an efficient and sustainable alternative for the treatment of organic solid waste, offering advantages such as lower water demand and greater tolerance to substrates with high solids content. This study investigated the solid-state digestion process through four experimental trials distributed across two chapters. The focus was on optimizing methane production (BMP) from different combinations of substrate and inoculum, identifying operational limitations. In experimental assay 1, extruded cattle manure (ECM) and digested cattle manure (DCM) were used as inoculum and sugarcane bagasse (SCB) was used as the substrate under different hydrothermal pretreatment conditions. The highlight was trial BPT9, which achieved a cumulative methane production of 1.6 NL kgSV⁻¹, indicating that pretreatment at room temperature combined with prolonged contact time resulted in better performance. However, despite this result, overall efficiency was still considered low, demonstrating that the strategy was insufficient to significantly enhance methane production. Additionally, the total alkalinity (TA) of the inoculum (1,000 mg CaCO£ L⁻¹) did not ensure effective buffering, reflected in low methane contents (5.9% to 21.6%). Experimental assay 2 evaluated the co-digestion of SCB with fruit and vegetable waste (FVW), using digestate from a pilot-scale reactor (PSI) and fresh bovine manure (FBM) as inoculum. Results showed superior performance in trial E9 (56 NLCH¤ kgSV⁻¹; 58% CH¤) under conditions of S/I 0.5 and TS 14.9%. Although TA increased to 1,583 mg CaCO£ L⁻¹, it was still insufficient to prevent acidification, compromising the stability of some trials. In experimental assay 3, FVW remained as the substrate, but with a new inoculum formulation composed of liquid digestate (PSI), solid digestate (RSI) and fresh cattle manure (FCM), achieving high TA (3,500 mg CaCO£ L⁻¹). The control with FVW presented the best performance (297.7 NLCH¤ kgSV⁻¹; 56.2% CH¤), while trials with higher S/I and TS, such as E12 (S/I 2; TS 15%), showed significant drops in production and methane content, attributed to acidification and accumulation of volatile fatty acids. The second chapter addressed the co-digestion of SCB with FBM, adjusting S/I ratios (0.5–2.0), TS (8.9%–17.2%), and C/N (16/1–32/1). The best results were obtained in trials T4, T8, and T12 (12.6–13.9 LCH¤/Lreactor), with volatile solids removal of up to 36% and a C/N reduction to 6/1. Process stability was observed at TS between 12.5% and 11.6% (T4 and T12). Overall, the four experimental trials demonstrated that the efficiency of solid-state anaerobic digestion critically depends on inoculum composition and fine-tuning of S/I, TS, and C/N ratio.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/37339
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