Valorização de microalgas produzidas a partir do tratamento de residuos alimentares: biofertilizante e biogás por codigestão anaeróbia
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Cláudio Leite de Souza
Paula Peixoto Assemany
Sergio Francisco de Aquino
Marcio Arêdes Martins
Paula Peixoto Assemany
Sergio Francisco de Aquino
Marcio Arêdes Martins
Resumo
O atual modelo de saneamento está evoluindo para um conceito operacional circular
e autossustentável. Sistemas integrados de tratamento de resíduos alimentares com
produção de microalgas apresentam-se como alternativa promissora para incorporar
essa nova abordagem, caracterizada por baixa demanda energética e geração de
subprodutos de interesse. Entretanto, existem lacunas de conhecimento sobre as
estratégias ideais para valorizar a biomassa de microalgas gerada nesse contexto.
Assim, o objetivo deste estudo foi avaliar a valorização das microalgas na produção
de biogás, por meio de codigestão anaeróbia com resíduos alimentares, e como
biofertilizante agrícola. A pesquisa foi dividida em três partes: i) investigação da
monodigestão e codigestão anaeróbia de resíduos alimentares e microalgas em
reatores semicontínuos, com avaliação de diferentes cargas orgânicas e tempos de
detenção hidráulica; ii) análise do potencial uso de microalgas no solo como
biofertilizante agrícola em vasos, utilizando a cultura de Brachiaria híbrida cv. Sabiá,
identificando resultados quantitativos e qualitativos no solo e na planta; e iii)
estimativa e comparação da recuperação de nutrientes e energia em reator escala
demonstração operado em monodigestão e codigestão anaeróbia, com base nos
melhores indicadores de desempenho obtidos em experimento laboratorial. Os
resultados mostraram que o reator em monodigestão de resíduos alimentares
apresentou instabilidade ao longo das fases operacionais. A relação entre
alcalinidade intermediária e parcial (AI/AP) aumentou de 0,1 para 2,5, acompanhada
por um consumo de alcalinidade até valores inferiores a 0,9 gCaCO3/L. O pH caiu
para valores inferiores a 5,0, e o rendimento de metano foi drasticamente afetado,
diminuiu de 0,22 LCH4/gSV para 0,04 LCH4/gSV. Por outro lado, a codigestão com
microalgas manteve condições de estabilidade, com o pH neutro, a relação AI/AP
inferior a 0,3 e o rendimento de metano variou entre 0,2 e 0,3 LCH4/gSV. Os
biofertilizantes à base de microalgas melhoraram a qualidade do solo,
proporcionaram aporte de matéria orgânica, macro e micronutrientes. Além disso, a
produtividade da planta forrageira, em termos de matéria seca, aumentou 12% e
19% para as microalgas frescas e codigeridas com resíduos alimentares,
respectivamente. A codigestão com microalgas proporcionou um ganho energético
positivo, 60% maior que a monodigestão. Além disso, a produção anual de
biofertilizante correspondeu ao equivalente a 1,2 toneladas de fertilizante inorgânico.
Os resultados demonstraram que a incorporação das microalgas como substrato
secundário para a digestão anaeróbia de resíduos alimentares pode representar
uma estratégia eficaz para manter a operação contínua desse processo. Ademais,
essa abordagem contribui para a promoção da reutilização circular de recursos nos
sistemas de tratamento de resíduos orgânicos, dentro de uma perspectiva de
agricultura sustentável. Isso se traduz na geração de energia positiva e na
otimização dos fluxos de nutrientes.
Abstract
The current sanitation model is evolving toward a circular and self-sustaining
operational concept. Integrated systems for food waste treatment coupled with
microalgae production have emerged as a promising alternative for implementing this
new approach, characterized by low energy demand and the generation of valuable
by-products. However, knowledge gaps remain regarding optimal strategies for
valorizing the microalgal biomass produced in such systems. Therefore, the objective
of this study was to evaluate microalgae valorization through biogas production via
anaerobic co-digestion with food waste, and as an agricultural biofertilizer. The study
was structured into three parts: (i) investigation of mono- and co-anaerobic digestion
of food waste and microalgae in semicontinuous reactors, assessing different organic
loading rates and hydraulic retention times; (ii) evaluation of the potential use of
microalgae as a soil biofertilizer in pot experiments using Brachiaria hybrid cv. Sabiá,
with quantitative and qualitative assessments of soil and plant responses; and (iii)
estimation and comparison of nutrient and energy recovery in a demonstration-scale
reactor operated under mono- and co-digestion conditions, based on the best
performance indicators from laboratory experiments. Results showed that the reactor
operated with mono-digestion of food waste exhibited instability throughout the
operational phases. The intermediate-to-partial alkalinity ratio (IA/PA) increased from
0.1 to 2.5, accompanied by a decrease in alkalinity to values below 0.9 gCaCO₃/L.
The pH dropped below 5.0, and methane yield was significantly reduced from 0.22
LCH₄/gVS to 0.04 LCH₄/gVS. In contrast, co-digestion with microalgae maintained
stable conditions, with neutral pH, IA/PA ratio below 0.3, and methane yield ranging
from 0.2 to 0.3 LCH₄/gVS. Microalgae-based biofertilizers improved soil quality by
supplying organic matter, macro- and micronutrients. Additionally, dry matter
productivity of the forage crop increased by 12% and 19% when treated with fresh
and co-digested microalgae, respectively. Co-digestion with microalgae also resulted
in a positive energy gain, 60% higher than that observed in mono-digestion.
Furthermore, the annual production of biofertilizer was equivalent to 1.2 tons of
inorganic fertilizer. The results demonstrate that incorporating microalgae as a
secondary substrate in the anaerobic digestion of food waste can be an effective
strategy for maintaining stable process operation. Moreover, this approach promotes
the circular reuse of resources in organic waste treatment systems, contributing to
sustainable agriculture by enabling positive energy generation and optimizing nutrient
cycling.
Assunto
Engenharia sanitária, Saneamento, Resíduos - Tratamento, Microalga, Biodigestão anaeróbica, Biofertilizantes, Biogás
Palavras-chave
Bioprodutos, Economia circular, Agricultura sustentável, Biometano, Energia positiva