Impact of co-digesting fruit juice processing wastewater with primary sludge on VFA and methane production

Resumo Técnico: Impacto da Co-digestão de Águas Residuais de Processamento de Suco de Fruta com Lodo Primário na Produção de VFA e Metano

Definição do Problema
As águas residuais do processamento de suco de fruta (FJPWW) são caracterizadas por alto conteúdo orgânico (DQO), alta biodegradabilidade, baixo pH, baixa alcalinidade e uma alta relação carbono-nitrogênio (C:N). Embora sejam adequadas para a digestão anaeróbia (DA), essas características criam desafios operacionais significativos, incluindo acidificação rápida, acúmulo de ácidos graxos voláteis (AGV) e desestabilização do sistema devido à capacidade de tamponamento limitada. Embora o tamponamento químico (ex: NaOH) e a adição de nutrientes possam mitigar esses problemas, eles aumentam os custos operacionais. A co-digestão com substratos ricos em nutrientes e bem tamponados, como o lodo primário (PS), é proposta como uma alternativa de baixo custo para equilibrar a relação C:N e melhorar a estabilidade do processo. No entanto, existem dados limitados sobre a eficácia de adições de baixo volume de PS na conversão sequencial acidogênica e metanogênica de FJPWW altamente biodegradável.

Metodologia
O estudo empregou uma abordagem experimental de duas etapas para avaliar o impacto da co-fermentação de FJPWW com lodo primário (PS) em diferentes proporções volume-volume (97:3 e 90:10) comparado ao FJPWW isolado.

1. Fermentação Acidogênica (Estágio 1): Testes em batelada foram conduzidos em frascos de 1 L durante 100 horas a 35°C com uma razão substrato-inóculo (S:I) de 2:1 g DQO g VS⁻¹ e um pH inicial de 6,0. O inóculo foi biomassa floculenta de um tanque de homogeneização. Nutrientes (ureia e ácido fosfórico) e bicarbonato de sódio foram adicionados para garantir estabilidade e alcalinidade.
2. Potencial Bioquímico de Metano (BMP) (Estágio 2): Os sobrenadantes dos testes acidogênicos foram utilizados como substratos para ensaios de BMP utilizando inóculo de lodo granular. Estes testes rodaram por 120 horas a 35°C com uma razão S:I de 0,25 g DQO g VS⁻¹ e um pH inicial ajustado para 7,0. A produção de gás foi medida utilizando um sistema OxiTop®-IDS AN 6.
3. Análise: Os parâmetros monitorados incluíram DQO total e solúvel, pH, alcalinidade e composição de AGV (via HPLC). Os indicadores-chave de desempenho incluíram o Grau de Acidificação (DoA), rendimento de AGV e rendimento de metano.

Resultos Principais

• DQO e Hidrólise: A hidrólise e acidogênese rápidas ocorreram nas primeiras 7 horas, evidenciadas por quedas acentuadas na DQO solúvel e total. No entanto, após 24 horas, a solubilização estabilizou-se e a remoção adicional de DQO foi limitada (19,4%–29,4%), provavelmente devido à conversão de orgânicos em gases (CO₂, H₂) e biomassa, em vez de acúmulo líquido.
• Produção e Composição de AGV: As concentrações totais de AGV atingiram o pico em 24 horas. O ácido acético foi o componente dominante (51–57% do total de AGVs) em todos os tratamentos. Contrariando a hipótese de que o PS aumentaria o acúmulo de AGV, a adição de PS não aumentou significativamente os rendimentos de AGV. De fato, a maior proporção de PS (90:10) resultou no menor rendimento de AGV (0,45 g net TVFA-COD g VS⁻¹) em comparação ao FJPWW isolado (0,89 g net TVFA-COD g VS⁻¹).
• Grau de Acidificação (DoA): O DoA atingiu o pico em 24 horas, chegando a 33% para o FJPWW isolado, 31% para a mistura 97:3 e apenas 15% para a mistura 90:10. Isso indica que o aumento da fração de PS reduziu a eficiência de conversão da DQO do substrato em AGVs, provavelmente devido à introdução de matéria fibrosa e particulada menos biodegradável proveniente do lodo.
• Rendimento de Metano: Na fase de BMP, os rendimentos de metano foram comparáveis entre o FJPWW isolado (504,3 NmL CH₄ g VS⁻¹) e a mistura 97:3 (504,5 NmL CH₄ g VS⁻¹). No entanto, a mistura 90:10 produziu ligeiramente menos metano (483,7 NmL CH₄ g VS⁻¹). O estudo atribui essa redução ao menor potencial metanogênico intrínseco do PS (132,4 NmL CH₄ g VS⁻¹) e à presença de frações menos biodegradáveis.
• Balanço de Nutrientes: Embora as métricas de desempenho do processo (rendimentos de AGV e metano) não tenham melhorado, a co-fermentação melhorou com sucesso a razão DQO:N da mistura de substratos, aproximando-a da faixa recomendada para fermentação.

Significância e Conclusões
Os autores concluem que, sob as condições específicas de batelada testadas (baixas proporções de PS, pH inicial não controlado de 6,0 e fontes de inóculo específicas), a co-digestão de FJPWW com lodo primário não levou a um aumento significativo no acúmulo de AGV ou no rendimento de metano. Em vez disso, o aumento da proporção de lodo primário reduziu ligeiramente tanto a eficiência de acidificação quanto a produção de metano.

O estudo sugere que a falta de melhoria pode ser devida ao baixo volume de PS adicionado e à origem específica do lodo (proveniente de uma planta onde o FJPWW já constituía 50% do fluxo de entrada, potencialmente diluindo o perfil de nutrientes do lodo). O artigo afirma modestamente que, embora os benefícios imediatos de rendimento não tenham sido alcançados, a melhoria na razão DQO:N permanece uma vantagem potencial. Os autores enfatizam que pesquisas adicionais são necessárias para avaliar lodos primários de diferentes estações de tratamento de águas residuais municipais, testar condições de pH controladas e avaliar os benefícios de longo prazo da co-digestão em sistemas de reatores contínuos no que diz respeito à estabilidade do processo e capacidade de tamponamento.