Publicação

Brewery and olive oil industries: wastes valorisation by anaerobic digestion

Detalhes bibliográficos
Resumo:	A produção do azeite é uma indústria importante em Portugal, bem como em toda a região Mediterrânica. É feito a partir do fruto da azeitona (Olea europaea), esmagando-a e extraindo o óleo da pasta resultante através de prensagem ou centrifugação. A cerveja é uma bebida consumida mundialmente e com grande impacto económico, em Portugal inclusivamente. Na sua produção são utilizados malte e lúpulo que são fervidos em caldeiras de cobre e depois são fermentados pelas leveduras até obter o produto final. A produção suinícola é outra área comercial importante, com instalações estabelecidas no território nacional. Todas estas produções geram grandes volumes de águas residuais e, devido à sua elevada carga orgânica e toxicidade, levantam preocupações ambientais, quer das zonas aquáticas (lagos e rios, por exemplo) quer a nível do ar e solo. A fim de minimizar a potencial capacidade poluidora destes efluentes, é necessário providenciar a devida gestão tendo em conta, sempre que possível, a respetiva valorização. Este trabalho visa a valorização e tratamento de efluentes/resíduos orgânicos através da sua degradação em condições anaeróbias, como método de tratamento biológico de efluentes que utiliza microrganismos com a capacidade de degradar a matéria orgânica e compostos tóxicos na ausência de oxigénio. O processo de digestão anaeróbia foi aplicado a efluentes industriais – água ruça (OMW) e águas residuais da indústria cervejeira (BWW), obtidos da produção de azeite e de cerveja, respetivamente - por meio do conceito de complementaridade de efluentes, para melhorar o tratamento dos substratos e a produção de biogás/metano. A digestão da água ruça (“OMW”) em mistura com um substrato concentrado (efluente suinícola, “PE”: primeiro ensaio) foi realizada em condições mesófilas de temperatura (37°C ± 1ºC) e em condições de alimentação em descontínuo, utilizando diferentes proporções volumétricas de efluentes: 100%PE, 30%OMW+70%PE, 50%OMW+50%PE, 80%OMW+20%PE. As unidades com uma proporção baixa de OMW (30%OMW) e apenas com PE (100%PE) forneceram a maior quantidade de biogás (780 mL, 70% CH4), enquanto que as unidades contendo 80% OMW geraram os menores volumes (120 mL, 6% CH4), possivelmente devido à influência negativa da OMW, em elevadas quantidades, sobre as populações microbianas. Nas misturas com idênticas proporções de efluentes (50%OMW+50%PE), foi observada uma fase inicial de latência sem a produção de gás, de cerca de 25 dias, interpretada como um período de inibição do processo em que a população microbiana se foi adaptando ao longo do tempo e veio a proporcionar a evolução da produção do gás até ao volume de 327 mL (60% CH4). Em concordância com as produções em gás, as unidades 100%PE e 30%OMW+70%PE apresentaram uma maior capacidade de remover/converter a matéria orgânica, tendo-se registado valores de 63% e 75% na Carência Química de Oxigénio (CQO), respetivamente. Nas restantes unidades, as remoções em CQO foram de 48% (50%OMW+50%PE) e 29% (80%OMW+20%PE). Quanto à atividade antioxidante (Capacidade Antioxidante Equivalente em Trolox, TEAC), verificou-se que o decréscimo originado pelo processo de digestão anaeróbia é também mais acentuado nas primeiras duas situações do que nas restantes. Alterações de 1,11 para 0,64 mmol TEAC (100%PE) e de 1,07 para 0,39 mmol TEAC (30%OMW+70%PE) foram registadas. Os resultados obtidos indicam que o efluente da indústria do azeite tem um efeito negativo sobre os microrganismos, inibindo o bom desenvolvimento do processo anaeróbio de tratamento dos efluentes, quando presente em volumes da ordem dos 50%. No entanto, verificou-se que o efluente da indústria do azeite em misturas com proporções inferiores (30%), tem efeitos benéficos e que, comparado com as unidades com apenas o efluente suinícola, revela maior capacidade de remoção da matéria orgânica, apesar de apresentar idênticas produções em biogás e metano. Na segunda experiência, o OMW foi digerido com um substrato diluído (efluente de cervejaria, “BWW”), a 37°C ± 1ºC e em condições de alimentação em descontínuo, utilizando inóculo (I) a 30% v/v. Todas as unidades testadas das diferentes misturas - 70%BWW+I, 50%BWW+20%OMW+I, 30%BWW+40%OMW+I, 10%BWW+60%OMW+I, I+H2O - geraram baixos volumes de biogás. A produção mais elevada foi 66 mL, obtida nas unidades sem OMW (70%BWW+I). É de referir que, à semelhança da experiência anterior, na mistura com a menor proporção de OMW (50%BWW+20%OMW+I) foi identificada uma fase de inibição do processo, de cerca de 20 dias, durante a qual a população microbiana teve possibilidade de se adaptar às condições operacionais e de gerar uma produção média de biogás de 42 mL, decorridos 34 dias de ensaio. O incremento da proporção de OMW nas misturas testadas ocasionou um aumento na concentração de diversos parâmetros nos substratos a digerir (e.g. CQO, AGV, sólidos, azoto), os quais, após digestão anaeróbia, não foram sujeitos a grandes alterações, constatando-se haver uma diminuta/nula capacidade de remoção por parte do processo. O aumento da concentração em CQO e AGV, bem como o decréscimo do pH para valores na gama ácida (pH 4,8, 10%BWW+60%OMW+I), observada nas misturas com OMW, está de acordo com as baixas produções em biogás obtidas e que confirmam a ação inibidora por parte da OMW. Um aspeto relevante desta experiência diz respeito ao aparecimento de depósitos de cor avermelhada no meio de cultura. A análise microscópica mostra a existência de aglomerados da mesma cor que são identificados por espectrofotometria como corresponderem aos pigmentos bacterioclorofila a e carotenoides, típicos de bactérias púrpura não sulfúricas. Posteriormente, por análise molecular, verificou-se a presença de populações do género das Rhodobacter. Os resultados obtidos nesta segunda experiência, em que o OMW foi digerido com um substrato diluído (BWW), confirmam a existência de um efeito negativo por parte do OMW sobre a atividade da população microbiana, indicando que não há vantagem em usar as águas residuais de cervejaria em mistura com OMW. O reator anaeróbio híbrido foi alimentado com BWW em mistura com PE (60:40% v/v, respetivamente), tendo funcionado sob regime semi-contínuo de alimentação e com três diferentes tempos de retenção hidráulica (TRH). Operando com 5,7 dias de TRH (carga orgânica de 5,2 kg m-3 d-1), a produção de biogás evoluiu de 0,4 para 1,2 L L-1 d-1, com um teor em metano de 63-78%. Com a diminuição do tempo de residência para 3 dias, e o consequente aumento da carga orgânica para 10,0 kg m-3 d-1, houve uma melhoria na produção de biogás e na sua qualidade (2,3 L L-1 d-1, 79,5% de teor em metano). Sujeitando o reator anaeróbio híbrido a TRH de 1 dia, correspondente à máxima carga orgânica ensaiada (33,6 kg m-3 d-1), obteve-se um novo aumento na produção de biogás, tendo-se alcançando volumes próximos de 3 L L-1 d-1 e mantido a quantidade de metano na mesma gama de valores (79,5%). No que respeita à capacidade de remoção do processo levado a cabo no híbrido anaeróbio, obtiveram-se remoções de 52% em CQO dos substratos digeridos na primeira fase da experiência (TRH=5,7d). Contudo, este comportamento não se veio a verificar nas fases seguintes devido, possivelmente, à saída de partículas/flocos do interior do híbrido em conjunto com o substrato digerido, em resultado do aumento do fluxo do alimento. O bom funcionamento do hibrido, ao longo das três condições operacionais estudadas, é suportado pela produção em biogás e metano e pela capacidade em remover/converter os AGV contidos no alimento (64 e 87-95%). A análise ao perfil do híbrido anaeróbio permitiu verificar que existe uma diminuição acentuada de AGV no troço inferior da coluna, sugerindo que estes compostos são maioritariamente degradados nesta seção da unidade. Quanto aos outros parâmetros (CQO, ST e SV), observa-se um aumento das respetivas concentrações também neste troço e que é interpretado como corresponder à existência de um manto de lamas na base da coluna. Nas restantes tomas até ao topo do híbrido, onde é recolhido o substrato tratado, verifica-se um decréscimo gradual da concentração da matéria orgânica, indicando que a degradação do substrato continua nas zonas superiores do reator. Os resultados obtidos durante a operação do híbrido anaeróbio permitem confirmar que a digestão combinada das águas residuais da produção de cerveja e da suinicultura foi realizada com sucesso mesmo quando o reator anaeróbio híbrido funcionou um tempo de residência tão baixo quanto o de 1 dia. A estrutura da comunidade microbiana foi caracterizada por Next Generation Sequencing (NGS) do gene 16S rRNA nos substratos, no inóculo e nas amostras com melhor produção de biogás/metano. Relativamente ao domínio Bacteria, Proteobacteria (54,6%) e Chloroflexi (18,4%) foram os filos dominantes detetados no inóculo. Durante os ensaios de digestão anaeróbia, as populações microbianas Pseudomonadales e Anaerolineales, pertencentes àqueles filos, mantiveram-se predominantes em todas as amostras que foram inoculadas. Bacteroidetes (53,2%) foi o filo dominante encontrado na BWW, e Firmicutes (65,1%) em PE, mantendo-se predominantes as populações Clostridiales em todos os ensaios complementados com PE. Relativamente ao domínio Archaea, as populações dominantes pertencem aos géneros Methanosaeta (99,7%) e Methanobrevibacter (72,1%), detetadas nas amostras de inóculo e PE, respetivamente. O BWW não revelou populações de árqueas presentes nas amostras. No final do processo da digestão anaeróbia de amostra de OMW complementada com PE, detetou-se a predominância de Methanosarcina em todas as amostras. No segundo e terceiro ensaios, Methanosaeta apresentou a maior abundância relativa. A predominância de Methanosarcina e Methanosaeta é consistente com a maior produção obtida de biogás nas amostras caracterizadas.
Autores principais:	Neves, André Filipe Martins das
Assunto:	Digestão anaeróbia Biogás/metano Efluentes agropecuários e industriais Populações de bactérias e árqueas Teses de mestrado - 2019
Ano:	2019
País:	Portugal
Tipo de documento:	dissertação de mestrado
Tipo de acesso:	acesso aberto
Instituição associada:	Universidade de Lisboa
Idioma:	inglês
Origem:	Repositório da Universidade de Lisboa

Descrição
Resumo:	A produção do azeite é uma indústria importante em Portugal, bem como em toda a região Mediterrânica. É feito a partir do fruto da azeitona (Olea europaea), esmagando-a e extraindo o óleo da pasta resultante através de prensagem ou centrifugação. A cerveja é uma bebida consumida mundialmente e com grande impacto económico, em Portugal inclusivamente. Na sua produção são utilizados malte e lúpulo que são fervidos em caldeiras de cobre e depois são fermentados pelas leveduras até obter o produto final. A produção suinícola é outra área comercial importante, com instalações estabelecidas no território nacional. Todas estas produções geram grandes volumes de águas residuais e, devido à sua elevada carga orgânica e toxicidade, levantam preocupações ambientais, quer das zonas aquáticas (lagos e rios, por exemplo) quer a nível do ar e solo. A fim de minimizar a potencial capacidade poluidora destes efluentes, é necessário providenciar a devida gestão tendo em conta, sempre que possível, a respetiva valorização. Este trabalho visa a valorização e tratamento de efluentes/resíduos orgânicos através da sua degradação em condições anaeróbias, como método de tratamento biológico de efluentes que utiliza microrganismos com a capacidade de degradar a matéria orgânica e compostos tóxicos na ausência de oxigénio. O processo de digestão anaeróbia foi aplicado a efluentes industriais – água ruça (OMW) e águas residuais da indústria cervejeira (BWW), obtidos da produção de azeite e de cerveja, respetivamente - por meio do conceito de complementaridade de efluentes, para melhorar o tratamento dos substratos e a produção de biogás/metano. A digestão da água ruça (“OMW”) em mistura com um substrato concentrado (efluente suinícola, “PE”: primeiro ensaio) foi realizada em condições mesófilas de temperatura (37°C ± 1ºC) e em condições de alimentação em descontínuo, utilizando diferentes proporções volumétricas de efluentes: 100%PE, 30%OMW+70%PE, 50%OMW+50%PE, 80%OMW+20%PE. As unidades com uma proporção baixa de OMW (30%OMW) e apenas com PE (100%PE) forneceram a maior quantidade de biogás (780 mL, 70% CH4), enquanto que as unidades contendo 80% OMW geraram os menores volumes (120 mL, 6% CH4), possivelmente devido à influência negativa da OMW, em elevadas quantidades, sobre as populações microbianas. Nas misturas com idênticas proporções de efluentes (50%OMW+50%PE), foi observada uma fase inicial de latência sem a produção de gás, de cerca de 25 dias, interpretada como um período de inibição do processo em que a população microbiana se foi adaptando ao longo do tempo e veio a proporcionar a evolução da produção do gás até ao volume de 327 mL (60% CH4). Em concordância com as produções em gás, as unidades 100%PE e 30%OMW+70%PE apresentaram uma maior capacidade de remover/converter a matéria orgânica, tendo-se registado valores de 63% e 75% na Carência Química de Oxigénio (CQO), respetivamente. Nas restantes unidades, as remoções em CQO foram de 48% (50%OMW+50%PE) e 29% (80%OMW+20%PE). Quanto à atividade antioxidante (Capacidade Antioxidante Equivalente em Trolox, TEAC), verificou-se que o decréscimo originado pelo processo de digestão anaeróbia é também mais acentuado nas primeiras duas situações do que nas restantes. Alterações de 1,11 para 0,64 mmol TEAC (100%PE) e de 1,07 para 0,39 mmol TEAC (30%OMW+70%PE) foram registadas. Os resultados obtidos indicam que o efluente da indústria do azeite tem um efeito negativo sobre os microrganismos, inibindo o bom desenvolvimento do processo anaeróbio de tratamento dos efluentes, quando presente em volumes da ordem dos 50%. No entanto, verificou-se que o efluente da indústria do azeite em misturas com proporções inferiores (30%), tem efeitos benéficos e que, comparado com as unidades com apenas o efluente suinícola, revela maior capacidade de remoção da matéria orgânica, apesar de apresentar idênticas produções em biogás e metano. Na segunda experiência, o OMW foi digerido com um substrato diluído (efluente de cervejaria, “BWW”), a 37°C ± 1ºC e em condições de alimentação em descontínuo, utilizando inóculo (I) a 30% v/v. Todas as unidades testadas das diferentes misturas - 70%BWW+I, 50%BWW+20%OMW+I, 30%BWW+40%OMW+I, 10%BWW+60%OMW+I, I+H2O - geraram baixos volumes de biogás. A produção mais elevada foi 66 mL, obtida nas unidades sem OMW (70%BWW+I). É de referir que, à semelhança da experiência anterior, na mistura com a menor proporção de OMW (50%BWW+20%OMW+I) foi identificada uma fase de inibição do processo, de cerca de 20 dias, durante a qual a população microbiana teve possibilidade de se adaptar às condições operacionais e de gerar uma produção média de biogás de 42 mL, decorridos 34 dias de ensaio. O incremento da proporção de OMW nas misturas testadas ocasionou um aumento na concentração de diversos parâmetros nos substratos a digerir (e.g. CQO, AGV, sólidos, azoto), os quais, após digestão anaeróbia, não foram sujeitos a grandes alterações, constatando-se haver uma diminuta/nula capacidade de remoção por parte do processo. O aumento da concentração em CQO e AGV, bem como o decréscimo do pH para valores na gama ácida (pH 4,8, 10%BWW+60%OMW+I), observada nas misturas com OMW, está de acordo com as baixas produções em biogás obtidas e que confirmam a ação inibidora por parte da OMW. Um aspeto relevante desta experiência diz respeito ao aparecimento de depósitos de cor avermelhada no meio de cultura. A análise microscópica mostra a existência de aglomerados da mesma cor que são identificados por espectrofotometria como corresponderem aos pigmentos bacterioclorofila a e carotenoides, típicos de bactérias púrpura não sulfúricas. Posteriormente, por análise molecular, verificou-se a presença de populações do género das Rhodobacter. Os resultados obtidos nesta segunda experiência, em que o OMW foi digerido com um substrato diluído (BWW), confirmam a existência de um efeito negativo por parte do OMW sobre a atividade da população microbiana, indicando que não há vantagem em usar as águas residuais de cervejaria em mistura com OMW. O reator anaeróbio híbrido foi alimentado com BWW em mistura com PE (60:40% v/v, respetivamente), tendo funcionado sob regime semi-contínuo de alimentação e com três diferentes tempos de retenção hidráulica (TRH). Operando com 5,7 dias de TRH (carga orgânica de 5,2 kg m-3 d-1), a produção de biogás evoluiu de 0,4 para 1,2 L L-1 d-1, com um teor em metano de 63-78%. Com a diminuição do tempo de residência para 3 dias, e o consequente aumento da carga orgânica para 10,0 kg m-3 d-1, houve uma melhoria na produção de biogás e na sua qualidade (2,3 L L-1 d-1, 79,5% de teor em metano). Sujeitando o reator anaeróbio híbrido a TRH de 1 dia, correspondente à máxima carga orgânica ensaiada (33,6 kg m-3 d-1), obteve-se um novo aumento na produção de biogás, tendo-se alcançando volumes próximos de 3 L L-1 d-1 e mantido a quantidade de metano na mesma gama de valores (79,5%). No que respeita à capacidade de remoção do processo levado a cabo no híbrido anaeróbio, obtiveram-se remoções de 52% em CQO dos substratos digeridos na primeira fase da experiência (TRH=5,7d). Contudo, este comportamento não se veio a verificar nas fases seguintes devido, possivelmente, à saída de partículas/flocos do interior do híbrido em conjunto com o substrato digerido, em resultado do aumento do fluxo do alimento. O bom funcionamento do hibrido, ao longo das três condições operacionais estudadas, é suportado pela produção em biogás e metano e pela capacidade em remover/converter os AGV contidos no alimento (64 e 87-95%). A análise ao perfil do híbrido anaeróbio permitiu verificar que existe uma diminuição acentuada de AGV no troço inferior da coluna, sugerindo que estes compostos são maioritariamente degradados nesta seção da unidade. Quanto aos outros parâmetros (CQO, ST e SV), observa-se um aumento das respetivas concentrações também neste troço e que é interpretado como corresponder à existência de um manto de lamas na base da coluna. Nas restantes tomas até ao topo do híbrido, onde é recolhido o substrato tratado, verifica-se um decréscimo gradual da concentração da matéria orgânica, indicando que a degradação do substrato continua nas zonas superiores do reator. Os resultados obtidos durante a operação do híbrido anaeróbio permitem confirmar que a digestão combinada das águas residuais da produção de cerveja e da suinicultura foi realizada com sucesso mesmo quando o reator anaeróbio híbrido funcionou um tempo de residência tão baixo quanto o de 1 dia. A estrutura da comunidade microbiana foi caracterizada por Next Generation Sequencing (NGS) do gene 16S rRNA nos substratos, no inóculo e nas amostras com melhor produção de biogás/metano. Relativamente ao domínio Bacteria, Proteobacteria (54,6%) e Chloroflexi (18,4%) foram os filos dominantes detetados no inóculo. Durante os ensaios de digestão anaeróbia, as populações microbianas Pseudomonadales e Anaerolineales, pertencentes àqueles filos, mantiveram-se predominantes em todas as amostras que foram inoculadas. Bacteroidetes (53,2%) foi o filo dominante encontrado na BWW, e Firmicutes (65,1%) em PE, mantendo-se predominantes as populações Clostridiales em todos os ensaios complementados com PE. Relativamente ao domínio Archaea, as populações dominantes pertencem aos géneros Methanosaeta (99,7%) e Methanobrevibacter (72,1%), detetadas nas amostras de inóculo e PE, respetivamente. O BWW não revelou populações de árqueas presentes nas amostras. No final do processo da digestão anaeróbia de amostra de OMW complementada com PE, detetou-se a predominância de Methanosarcina em todas as amostras. No segundo e terceiro ensaios, Methanosaeta apresentou a maior abundância relativa. A predominância de Methanosarcina e Methanosaeta é consistente com a maior produção obtida de biogás nas amostras caracterizadas.