31 Na digestão anaeróbia, co-digestão é o termo usado para descrever o tratamento combinado de vários resíduos com características complementares, sendo uma das principais vantagens da tecnologia anaeróbia (FERNANDEZ et al., 2005).
A situação mais comum é quando uma quantidade maior de um substrato básico principal (ex: esterco ou lodo de esgoto) é misturado ou digerido junto com quantidades menores de um substrato simples ou uma mistura de substratos (BRAUN, 2002).
Mata-alvarez (2002) aponta vantagens e limites para o uso da co-digestão anaeróbia:
Vantagens:
Melhor balanço de nutrientes e taxas de digestão.
Equalização de particulados, espumas, sedimentos, acidificação, etc.,
devido à diluição de resíduos por esterco ou lodo de esgoto.
Coleta de biogás adicional.
Obtenção adicional de fertilizante de solo. Fonte de energia renovável no setor agrícola.
Limites:
Pré-tratamento adicional requerido. Requerimento de mistura.
Requerimento de tratamento de resíduos. Requerimento de higienização.
Restrição de uso da terra para o material digerido.
Em relação aos resíduos sólidos, a co-digestão com outros compostos orgânicos possibilita uma otimização da razão carbono/nitrogênio (SOSNOSKI et al., 2003), além de melhorar a capacidade de tamponamento (FERNANDEZ et al., 2005).
Outros benefícios da co-digestão são apontados por Sosnoski et al. (2003), como diluição de potenciais compostos tóxicos, melhor balanço de nutrientes, aumento da taxa aceitável de matéria orgânica biodegradável, melhor geração de biogás e maior taxa de digestão.
O balanço de nutrientes é um fator que pode resultar em taxas insatisfatórias de digestão e produção de biogás. Na Tabela 5 são mostradas algumas características de
32 importantes parâmetros do FORSU, e de dois compostos orgânicos usados comumente como co-digestores.
Tabela 5 – Características da FORSU (fração orgânica dos resíduos sólidos urbanos), do esterco de gado
e do lodo de esgoto
Característica FORSU Esterco de
gado
Lodo de esgoto
Teor de macro e micro- nutrientes
Baixo Alto Alto
Relação C/N Alta Baixa Baixa
Capacidade de tamponamento Baixa Alta Média/Alta Teor de matéria orgânica
biodegradável
Alto Baixo Baixo
Conteúdo de material seco (sólidos)
Alto Baixo Baixo
C/N = carbono/nitrogenio Fonte: Mata-Alvarez (2002)
Este exemplo pode ser aplicado para outros compostos sólidos biodegradáveis, em que o teor de material orgânico é alto, mas o teor de nutrientes é baixo. A caracterização feita por Lehtomaki et al. (2008), ao digerir ensilado de grama inoculado com lodo proveniente de um reator UASB em reatores em batelada, se enquadra nessas características, como mostrado na Tabela 6.
Tabela 6 – Características do ensilado de grama e inóculo.
Parâmetro Ensilado de grama Inóculo
pH 4,1 7,7 ST 25,9 6,6 SV (%ST) 24,0 5,0 DQOs (mg g-1 ST) 228 189 NTOT (mg g-1 ST) 16,9 48,9 N-NH4 (mg g-1 ST) 1,4 17,2
ST = sólidos totais, SV = sólidos voláteis, DQOS = demanda bioquímica de oxigênio solúvel, NTOT =
Nitrogênio total, N-NH4 = nitrogênio amoniacal, %ST = porcentagem em peso seco.
Fonte: Lehtomaki et al. (2008).
O baixo teor de macro e micro nutrientes de materiais sólidos biodegradáveis pode ser compensado com o uso de um inóculo para a co-digestão anaeróbia. O uso de um inóculo também seria útil por aumentar a capacidade de tamponamento dentro dos reatores, o que poderia resultar em economia nos gastos com agentes tamponantes externos, como cal e bicarbonato. Elango et al. (2007) enfatizam a viabilidade de se produzir biogás na co-digestão de FORSU com esgoto doméstico, pois, enquanto
33 FORSU possui uma grande concentração de microrganismos necessários a digestão anaeróbia, o esgoto doméstico pode fornecer o substrato solúvel necessário a esses microrganismos, solucionando o problema de disposição final de ambos os resíduos, além de criar um resíduo sólido estável com alto teor de nutrientes que pode ser usado como fertilizante na agricultura.
No setor agrícola, uma possível solução para processar biomassa de culturas é a co-digestão com esterco animal, o mais abundante resíduo agrícola. O uso de esterco de porco e vaca como substrato básico para co-fermentação tem a vantagem da alta capacidade de tamponamento do esterco de estabilizar o valor do pH do processo e sua complexa composição pode balancear alguma falta de elemento traço ou nutriente (WEILAND, 2003).
Em adição à produção de energia renovável, digestão anaeróbia controlada de esterco animal reduz a emissão de gases causadores do efeito estufa, nitrogênio e odor do manejo agrícola, e intensifica a reciclagem de nutrientes dentro da agricultura (AMON et al., 2007).
Esterco animal possuiu tipicamente baixo conteúdo de sólidos totais (<10%ST), e, por isso, a tecnologia de digestão anaeróbia aplicada no processamento de esterco é baseada em processos úmidos, principalmente em reatores de tanque com agitação continua (LEHTOMAKI, 2006).
Na co-digestão de plantas e esterco, o esterco fornece capacidade de tamponamento e uma grande variedade de nutrientes, enquanto a adição de material vegetal com alto conteúdo de carbono balanceia a razão carbono/nitrogênio (C/N) do substrato, assim decrescendo o risco de inibição por amônia (ANGELIDAKI;AHRING, 1993). Em relação a tortas de oleaginosas, é essencial o uso de um inóculo para fornecer tanto os microrganismos como umidade, já que o material normalmente possui teor de sólidos totais maior que 80 %.
A proporção entre os substratos a serem usados na digestão anaeróbia é um fator essencial para melhor aproveitamento e estabilidade do processo. Nesse sentido, diversos estudos relacionados à co-digestão anaeróbia de culturas energéticas com outros substratos têm sido realizados.
Lehtomaki et al. (2007) investigaram a co-digestão de culturas energéticas (ensilado de grama) e resíduos de culturas (galhos de beterraba de açúcar e palha de aveia) com esterco de gado e inóculo de um digestor que tratava esterco de gado e co-
34 produtos industriais de uma fazenda para a produção de metano, bem como a influência da proporção entre a planta e esterco no substrato. As características dos substratos são mostradas na Tabela 7.
Tabela 7 – Características de inóculo e substratos.
Substrato ST (%) SV (%) NTOT(mgg- 1 ST) NH4N- N(Mgg- 1 ST) DQOs (mgg-1 ST) Inóculo 6,6 5,0 48,9 17,2 189 Esterco de vaca 6,5 5,3 41,5 15,8 233 Galhos de beterraba 10,3 8,3 18,1 0,6 263 Ensilado de grama 25,9 24,0 16,9 1,4 228 Palha de aveia 63,5 57,6 10,9 0,4 103
ST = Sólidos totais, SV= Sólidos voláteis, NTOT = Nitrogênio total, NH4-N = Nitrogênio amoniacal, DQOs
= Demanda química de oxigênio solúvel. Fonte: Lehtomaki et al. (2007)
A produção mais alta de metano foi obtida quando a proporção mais elevada de cultura no substrato foi de 30% de sólidos voláteis (SV). Durante esse regime de alimentação, a produção volumétrica de metano foi 65, 58 e 16 % maior nos reatores co- digerindo esterco com galhos de beterraba, grama e palha, respectivamente, comparada com a digestão de esterco sozinho. Ao aumentar a proporção de culturas para 40%, decresceu a produção de metano entre 4 a 12%.
Pabon-Pereira et al. (2008) investigaram o impacto da razão entre cultura e esterco na co-digestão de ensilhado de milho em experimentos em multi-frascos em batelada em dependência do tempo de digestão aplicado Os pesquisadores concluíram que a co-digestão anaeróbia favoreceu a disponibilidade de nutrientes. Um efeito positivo da adição de esterco foi observado na conversão de intermediários durante o experimento e no conteúdo total de nutrientes do biossólido. Por outro lado, ensilhado de milho favoreceu a quantidade ótima do metano produzido, bem como a mineralização do fósforo.
A co-digestão tem sido usada em escala real, especialmente na Europa, onde muitos projetos novos de estações de tratamento de esgoto preveem a adição de co- substratos, como restos de alimentos, resíduos de gorduras, lodo de flotação, etc. No setor agrícola, há mais de 1600 estações de digestão anaeróbia em funcionamento na
35 Alemanha, digerindo altas quantidades de co-substratos junto com esterco. Na Suécia e Dinamarca, resíduos agrícolas são tratados em estações anaeróbias, e o material digerido é reciclado até as fazendas e o biogás é usado como fonte de eletricidade (DEBAERE, 2007). Em fazendas produtoras de biodiesel já foram realizados experimentos com a co- digestão de diferentes resíduos a fim de gerar biogás, como uma mistura de torta de oleaginosas, glicerol e resíduo animal (HEAVEN et al., 2011)
Alguns problemas da aplicação da co-digestão em larga escala são os custos com transporte dos substratos, além de que alguns desses substratos não reagem bem em conjunto. Callaghan et al. (2002), ao estudarem uma digestão contínua de esterco de frango com resíduos sólidos, relataram alta produção de AGV, possivelmente causada pela alta concentração de amônia, que pode ter causado inibição da metanogênese.