Swine meat production integrated with energy cogeneration: challenges and opportunities in using anaerobic biodigestion

As environmental concerns and regulatory requirements increase over time, new alternatives for swine manure disposal emerge. Among them, anaerobic biodigestion is a relevant technology because it reduces the organic load of wastewater before its final disposal and provides economic benefits to farmers with biogas and biofertilizer production. Efficiently managing the anaerobic biodigestion process remains a challenge in developing countries, mainly due to the lack of information from swine meat producers to deal with the complexity of this system. A risk analysis can represent a promising tool for farm assistance because it provides a process overview. Hence, this study reports the results of a process mapping in a swine meat production farm in Minas Gerais, Brazil. This mapping was performed while monitoring biodigestion operational parameters and allowed the identification of the primary causes of process failures and potential environmental impacts. The results showed that anaerobic digestion promotes a relevant environmental gain. However, the need for improved process monitoring, investments in environmental assessment equipment, and technical training for producers also stood out as an improvement opportunity

Investigation of anaerobic biodigestion of swine farm sewage and rice husk

Orientador: José Vicente Hallak D'AngeloTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia QuímicaResumo: O propósito desta Tese foi investigar o processo de biodigestão anaeróbia, como ferramenta para a valorização de resíduos agropecuários, em especial o efluente de suinocultura e a casca de arroz. O trabalho iniciou com uma investigação da casca de arroz, do pseudocaule de bananeira e do efluente de suinocultura, para produção de materiais e/ou energia. Em seguida, trouxe a temperatura de operação e a presença de agitação e de casca de arroz como foco de investigação no desempenho da biodigestão anaeróbia. Avaliou-se, também, o efeito da inoculação de microrganismos provenientes do conteúdo ruminal e do processo em regime semicontínuo, a fim de melhorar o aproveitamento da casca de arroz, para geração de biogás. A partir da investigação da codigestão, foi possível estimar que menos de 60 % da casca de arroz adicionada foi biodegradada. Ainda assim, a presença deste resíduo foi um fator estatisticamente significativo na produção de biogás. A agitação intermitente, em regime laminar, também se mostrou significativa para a produção de biogás, em escala piloto. Por exemplo, nos pilotos operados em regime semicontínuo, a agitação foi responsável por uma produção de biogás 40 % superior. Os biodigestores operados a 35 ºC demostraram maior rapidez na estabilização do processo, comparados aos biodigestores operados a 50 ºC. Entretanto, mesmo a 35 ºC, o start-up dos biodigestores pilotos foi lento e a produção de metano foi comprometida. O uso de inóculo enriquecido com microrganismos, provenientes do conteúdo ruminal, aumentou a eficiência de conversão da matéria orgânica de 40,2 % (inóculo não enriquecido), para 80,8% e 88,9 % (enriquecido com estrume bovino e bolo ruminal, respectivamente) e melhorou o start-up dos biodigestores em escala de bancada e piloto. Em regime semicontínuo, a geração de biogás variou de 0,1 a 0,75 L/ L d, sendo compatível com valores da literatura. Nesta etapa, o monitoramento do FOS/TAC (medida de alcalinidade parcial) se demonstrou eficiente para direcionar a carga orgânica aplicada e a produção de biogás. No último capítulo, utilizando os resultados obtidos frente ao controle da temperatura e da agitação e o uso da codigestão com resíduos lignocelulósicos, foi proposta uma pequena unidade de biodigestão anaeróbia de efluente de suinocultura/cogeração de energia, como foco de aplicação em Tecnologia Social. O investimento apresentou um Tempo de Retorno entre 5 a 6 anos, em função da energia elétrica gerada, podendo se tornar mais atrativo se considerar os ganhos nas condições sanitárias e ambientaisAbstract: The purpose of this Thesis was to investigate the anaerobic biodigestion, as a tool for the valorization of agricultural residues, especially swine farm effluent and rice husk. The work began with the investigation of the rice husk, the banana pseudo stem and the swine farm effluent, for the production of materials and/or energy. This research brought the operating temperature and the presence of agitation and rice husk as operational parameters to evaluate the performance of anaerobic biodigestion. It was also evaluated the effect of the inoculation of microorganisms from ruminal content and the semi continuous process, in order to improve rice husks for biodegradation. From the codigestion investigation, it was possible to estimate that less than 60 % of the added rice husk was biodegraded. Nevertheless, the presence of this residue was a statistically significant factor in the production of biogas. The intermittent agitation, in laminar regime, was also significant for the production of biogas, in pilot scale. For example, in pilots operated in semicontinuous regime, agitation was responsible for a 40 % higher biogas production. The biodigesters operated at 35 ºC showed a faster process stabilization, compared to biodigesters operated at 50 ºC. However, even at 35 °C, the start-up of the pilot biodigesters was slow and methane production was compromised. The use of inoculum enriched with microorganisms from ruminal content increased the conversion efficiency of organic matter from 40.2% (unenriched inoculum) to 80.8% and 88.9% (enriched with bovine manure and ruminal content, respectively) and improved start-up of bench scale and pilot scale biodigesters. In a semi continuous regime, the biogas generation ranged from 0.1 to 0.75 L / L d, being compatible with values in the literature. At this stage, the FOS/TAC monitoring (partial alkalinity measurement) was shown to be efficient to direct applied organic load and biogas production. In the last chapter, a small anaerobic biodigestion unit of swine effluent and energy cogeneration was proposed, to be applied in Social Technology, using as reference the results from temperature and agitation control and the use of codigestion with lignocellulosic residues. The investment presented a Pay Back Period between 5 and 6 years, in function of electric energy generated. The investment may be become more attractive considering the gains in sanitary and environmental conditionsDoutoradoEngenharia QuímicaDoutora em Engenharia Quimica141923/2017-2CNP