Digestate-derived biochar as a functional carbon material to enhance methane yield and process stability in the anaerobic co-digestion of agro-industrial wastes

Transformar resíduos em energia é um conceito familiar no mundo moderno, mas o processo é frequentemente um delicado ato de equilíbrio. No cerne deste esforço está a digestão anaeróbica, um método natural onde micróbios decompõem matéria orgânica na ausência de oxigênio para produzir biogás, um combustível rico em metano. Este combustível pode alimentar casas e veículos, oferecendo uma alternativa mais limpa aos combustíveis fósseis. No entanto, o processo é frágil. Quando agricultores e processadores de alimentos misturam diferentes tipos de resíduos para alimentar estas comunidades microbianas, o sistema pode tornar-se instável. Os micróbios podem produzir ácido em excesso, ou o ambiente pode tornar-se demasiado tóxico com amônia, fazendo com que toda a operação abrande ou pare. Para manter o sistema a funcionar sem problemas, os cientistas procuram há muito tempo aditivos que possam atuar como um tampão, estabilizando o ambiente e ajudando os micróbios a trabalhar de forma mais eficiente. Uma via promissora envolve o uso de materiais ricos em carbono, que podem absorver subprodutos prejudiciais e fornecer uma superfície para o crescimento de bactérias benéficas.

Num estudo recente, investigadores exploraram uma solução específica para este problema: transformar o resíduo sólido restante do próprio processo de digestão numa ferramenta para melhorar o processo. Após a decomposição inicial dos resíduos, resta um material chamado digestato. Embora seja frequentemente utilizado como fertilizante, a parte sólida deste digestato pode ser aquecida num ambiente com baixo teor de oxigênio para criar uma substância porosa, semelhante ao carvão, conhecida como biochar. Os investigadores fizeram uma pergunta simples, mas significativa: se pegassem neste resíduo sólido, o transformassem em biochar e o adicionassem de volta ao tanque de digestão, isso ajudaria a produzir mais combustível e a manter o sistema estável? Eles testaram isto criando o biochar a partir da fração sólida do digestato e aquecendo-o a uma temperatura específica, e depois misturando-o em lotes de resíduos agrícolas e industriais em ambientes laboratoriais controlados.

A equipa testou cinco quantidades diferentes deste aditivo de biochar para encontrar o ponto ideal. Observaram que a adição do material de facto alterou o resultado, mas apenas até certo ponto. Quando adicionaram uma pequena quantidade, o sistema melhorou, mas adicionar demasiado não o tornou melhor e simplesmente adicionou volume desnecessário. A dose mais eficaz revelou-se ser um por cento do peso total da mistura. Neste nível específico, os resultados foram claros e mensuráveis. O volume total de gás produzido saltou significativamente, subindo de 619 mililitros para 992 mililitros sob condições padrão. Mais importante ainda, a quantidade de metano, o componente de combustível valioso, aumentou de 322 mililitros para 565 mililitros. O gás também se tornou mais rico em metano, passando de 52 por cento para 57 por cento, o que significa que o combustível era de maior qualidade.

Além de produzir mais gás, o biochar ajudou o sistema a funcionar de forma mais suave. Os investigadores mediram os níveis de ácidos gordos voláteis, que são subprodutos ácidos que podem envenenar os micróbios se se acumularem, e descobriram que estes níveis diminuíram. Da mesma forma, a concentração de nitrogênio amoniacal total, outra substância que pode inibir o processo, diminuiu. A quantidade de sulfeto de hidrogênio, um gás tóxico e de odor desagradável frequentemente associado ao biogás, também baixou. Ao analisar a rapidez com que o gás era produzido ao longo do tempo, os investigadores determinaram que os micróbios começaram a trabalhar mais cedo e atingiram o seu pico de velocidade mais rapidamente quando o biochar estava presente. Isto sugere que o material ajudou a comunidade microbiana a estabelecer-se mais rapidamente e a operar com maior eficiência.

O estudo também analisou se esta ideia poderia funcionar numa planta de biogás real, de escala total. Os investigadores calcularam os fluxos de energia e de materiais necessários para pegar no resíduo sólido, secá-lo, aquecê-lo para criar biochar e alimentá-lo de volta no sistema. Descobriram que uma planta não precisaria de converter todos os seus resíduos sólidos em biochar para ver benefícios; apenas uma parte seria necessária. No entanto, identificaram um obstáculo significativo: a energia necessária para secar o resíduo sólido húmido antes de o aquecer é substancial. Embora o conceito de reciclar o resíduo num aditivo útil seja sólido, a implementação prática depende da capacidade de uma planta recuperar calor suficiente para tornar o processo de secagem eficiente. O estudo conclui que, embora esta abordagem circular mostre grande promessa para melhorar a produção de metano e a estabilidade, o uso bem-sucedido em grande escala exigirá testes cuidadosos das capacidades de secagem locais e monitorização a longo prazo para garantir que o sistema permanece estável ao longo do tempo.