Proposição e avaliação de processos físico-químicos para a recuperação de nutrientes do digestato de resíduos orgânicos
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
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Membros da banca
Marcos Von Sperling
André Bezerra dos Santos
Isaac Volschan Júnior
Roque Passos Piveli
André Bezerra dos Santos
Isaac Volschan Júnior
Roque Passos Piveli
Resumo
O nitrogênio e o fósforo são matérias primas essenciais para a produção de fertilizantes. Esses
nutrientes são obtidos a partir de fontes não renováveis (fósforo – rocha fosfática) e/ou
processos energeticamente dispendiosos (amônia – processo Haber-Bosch). Além disso, eles
têm como destino os corpos d’água e o solo a partir da disposição inadequada de efluentes e
resíduos, o que representa desperdício de recursos valiosos. Neste contexto, a digestão
anaeróbia (DA) é uma alternativa para o tratamento de resíduos, devido à produção do biogás
(que pode ser aproveitado para fins energéticos) e do digestato, que é rico em nutrientes. Os
processos físico-químicos de stripping-absorção para recuperação de nitrogênio, e de
precipitação química para recuperação de fósforo, a partir do digestato de resíduos orgânicos,
são os mais viáveis do ponto de vista técnico-operacional. Contudo, os altos custos
operacionais relacionados à adição de químicos (precipitação química) e aquecimento
(stripping-absorção), dificultam maior aplicação destas tecnologias, especialmente em países
em desenvolvimento. Sendo assim, os objetivos deste trabalho foram propor e avaliar
alternativas com potencial para redução de custos operacionais para estas tecnologias. Para
isto, foram usados dois digestatos de resíduos orgânicos: resíduos alimentares (DIG1) e
resíduos agroindustriais (DIG2). Inicialmente, foi proposto e avaliado um sistema
simplificado de stripping-absorção, que não utiliza químicos para ajuste do pH e usa
aquecimento solar (tubos a vácuo), para recuperar amônia do DIG1 e produzir sulfato de
amônio (fertilizante). Os resultados mostraram que o aquecimento solar foi capaz de manter a
temperatura estável à 45ºC ao longo de todo experimento. Além disso, foi possível obter
remoções de NH3 superiores a 91% em todas condições experimentais avaliadas. Em seguida,
foi proposto e avaliado o uso de agentes precipitantes convencionais (Ca(OH)2, Cal hidratada
e Mg(OH)2) para recuperação de fósforo do DIG1 por precipitação de fosfatos de cálcio (CaP) ou estruvita. Os resultados indicaram que foi possível promover remoção de mais de 95%
do fósforo presente. Contudo, os precipitados recuperados apresentaram pequeno teor de
fósforo, devido à baixa concentração deste elemento no DIG1. Por fim, foi proposto e
avaliado o uso de precipitantes alternativos (água do mar e pó de rocha calcária) na
recuperação de Ca-P ou estruvita a partir do DIG2. Os resultados mostraram que as maiores
remoções de fósforo foram 44% e 66%, respectivamente para pó de rocha calcária e água do
mar. Observou-se também que maiores remoções de fósforo usando o pó de rocha calcária
foram inibidas devido à formação de calcita. Por outro lado, notou-se a formação de estruvita
e K-estruvita nos experimentos utilizando água do mar. Conclui-se que este trabalho pode
favorecer a implementação de métodos alternativos para gerenciamento de resíduos orgânicos
agroindustriais e recuperação de nutrientes a partir de resíduos, especialmente em países de
clima tropical, contribuindo com a sustentabilidade da agricultura e da produção de alimentos.
Abstract
Nitrogen and phosphorus are essential raw materials for fertilizers production. These nutrients
are obtained through non-renewable sources (phosphorus – phosphate rock) and/or high
energy-demanding processes (ammonia – Haber-Bosch process). Furthermore, they are
wasted on soil and water bodies through inadequate effluents and waste disposal, which
represents a waste of valuable resources. In this context, anaerobic digestion (AD) is an
alternative for waste treatment, due to the production of biogas (that can be used for energy)
and a nutrient-rich digestate. Physical-chemical processes like stripping-absorption for
nitrogen recovery and chemical precipitation for phosphorus recovery can be used for nutrient
recovery from digestate since they are most viable technical-operational options. However,
the high operational costs related to chemical addition (chemical precipitation) and heating
(stripping-absorption), hinder a wider application of these technologies, mainly in developing
countries. Therefore, the aims of this work were to propose and to evaluate potential
alternatives to reduce these operational costs. For this, two different organic-based digestates
were used: food waste (DIG1) and agro industrial waste (DIG2). Initially, a simplified
stripping-absorption process for ammonia recovery as ammonium sulfate from DIG1 was
proposed and evaluated. This system used no chemicals for pH adjustment and solar energy
for heating (vacuum tubes). Results showed that solar heating was able to keep temperature
steady on 45ºC throughout experiments. Besides, ammonia removal higher than 91% was
achieved for all evaluated experimental conditions. In the second part, phosphorus recovery
from DIG1 by calcium phosphate and struvite precipitation using conventional precipitants
(Ca(OH)2, hydrated lime, Mg(OH)2) was proposed and evaluated. Results showed phosphorus
removal higher than 95%. However, recovered precipitated have a little phosphorus content
due to the low concentration of this element in DIG1. Finally, phosphorus recovery from
DIG2 by precipitation of calcium phosphates and struvite using low-cost precipitants
(seawater and limestone powder) was proposed and evaluated. Results showed that
phosphorus removal were 44% e 66%, respectively for limestone powder and seawater.
Higher phosphorus removals were inhibited by calcite formation in experiments using
limestone powder. On the other hand, phosphorus was removed by struvite and K-struvite
precipitation in experiments using seawater. The results of this thesis may contribute to the
implementation of alternative methods for managing agro-industrial organic waste and
recovering nutrients from waste, especially in tropical countries, contributing to the
sustainability of agriculture and food production.
Assunto
Engenharia sanitária, Saneamento, Digestão anaeróbia, Precipitação (Química), Resíduos orgânicos
Palavras-chave
Recuperação de nutrientes, Stripping-absorção, Precipitação química, Digestão anaeróbia, Resíduos orgânicos
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