Valorização de microalgas produzidas a partir do tratamento de residuos alimentares: biofertilizante e biogás por codigestão anaeróbia

dc.creatorIacy Maria Pereira de Castro
dc.date.accessioned2026-01-13T14:25:53Z
dc.date.issued2024-04-08
dc.description.abstractThe 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.
dc.description.sponsorshipCNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico
dc.description.sponsorshipCAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
dc.description.sponsorshipFAPEMIG - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/1843/1378
dc.languagepor
dc.publisherUniversidade Federal de Minas Gerais
dc.rightsAcesso aberto
dc.subjectEngenharia sanitária
dc.subjectSaneamento
dc.subjectResíduos - Tratamento
dc.subjectMicroalga
dc.subjectBiodigestão anaeróbica
dc.subjectBiofertilizantes
dc.subjectBiogás
dc.subject.otherBioprodutos
dc.subject.otherEconomia circular
dc.subject.otherAgricultura sustentável
dc.subject.otherBiometano
dc.subject.otherEnergia positiva
dc.titleValorização de microalgas produzidas a partir do tratamento de residuos alimentares: biofertilizante e biogás por codigestão anaeróbia
dc.typeTese de doutorado
local.contributor.advisor1Fabiana Lopes Del Rei Passos
local.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/9718796020461161
local.contributor.referee1Cláudio Leite de Souza
local.contributor.referee1Paula Peixoto Assemany
local.contributor.referee1Sergio Francisco de Aquino
local.contributor.referee1Marcio Arêdes Martins
local.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/0511726543777018
local.description.resumoO 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.
local.publisher.countryBrasil
local.publisher.departmentENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL
local.publisher.initialsUFMG
local.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos
local.subject.cnpqENGENHARIAS

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