Técnica permite cultivar
cianobactérias para bioenergia e, ao mesmo tempo, limpar a água de estações de
tratamento de efluentes.
As florações de
cianobactérias têm bloqueado as vias fluviais em todo o mundo, desde estuários
na Flórida até a bacia do rio Mississippi e lagos na China.
E as toxinas que as
cianobactérias produzem são prejudiciais aos seres humanos, aos animais de
estimação e à vida selvagem. Esses organismos fotossintéticos, também chamados
de algas verde-azuladas, crescem em fontes humanas de nitrogênio e fósforo,
incluindo efluentes de estações de tratamento de resíduos e fertilizantes que
são levados para bacias de fazendas.
Mas os pesquisadores da
bioenergia há muito reconhecem um lado positivo dessa ameaça transmitida pela
água e que nutre os nutrientes: eles poderiam fornecer um excelente suprimento
de biomassa para biocombustíveis e energia.
Agora, um pesquisador do
Idaho National Laboratory desenvolveu uma nova maneira de cultivar
cianobactérias para bioenergia e, ao mesmo tempo, limpar a água de estações de
tratamento de efluentes.
Os resultados aparecem na
revista BioEnergy Research.
Instalação
de tratamento de águas residuais.
Um microrganismo repleto de energia
“A comunidade científica se
interessou em produzir biocombustíveis a partir de algas porque a quantidade de
óleo das algas é 10 vezes maior que a do óleo de palma e 131 vezes a da soja”,
disse Carlos Quiroz-Arita, que iniciou sua pesquisa como estudante de
pós-graduação no Colorado. Universidade. “Bem, as cianobactérias têm quatro
vezes mais produtividade que as algas em condições de escala laboratorial”.
Mas há um problema: cultivar
essa quantidade de cianobactérias exigiria muita água e muitos nutrientes.
Então, Quiroz-Arita e seus
colegas começaram a pensar em flores de cianobactérias. “Não faz sentido usar
mais água e mais fertilizantes para produzir biocombustíveis”, disse ele. “Se
cultivarmos cianobactérias em uma instalação de tratamento de águas residuais,
não só podemos usar cianobactérias e algas para o cultivo de biocombustíveis,
mas também para reduzir a proliferação de algas e cianobactérias a jusante.”
O funcionamento interno de uma estação de tratamento de águas
residuais
Os pesquisadores trabalharam
com a Drake Water Reclamation Facility (DWRF) em Fort Collins, Colorado, para
modelar a melhor abordagem para produzir cianobactérias a partir de águas
residuais. Como os funcionários da DWRF estavam mais interessados em melhorar a
qualidade da água e reduzir as emissões de CO2, a Quiroz-Arita
projetou sua abordagem para atingir essas metas.
Águas
residuais em uma moderna estação de tratamento de águas residuais como a DWRF
normalmente passam por vários processos diferentes antes que o efluente tratado
possa ser descarregado com segurança.
Quiroz-Arita estabeleceu o
ponto no processo onde uma centrífuga é usada para separar os resíduos sólidos
do lixo líquido. Os resíduos sólidos são secos e enviados para um aterro, e os
resíduos líquidos ricos em nutrientes, chamados de concentrados, são reciclados
de volta para a estação de tratamento de águas residuais antes de serem
descartados.
“As estações de tratamento de
águas residuais não podem liberar o centrado no meio ambiente”, disse Quiroz-Arita.
“Isso mataria tudo. O que eles fazem é apenas continuar reciclando o centrato
no processo com bombas. É um processo que consome muita energia para limpar o
nitrogênio e o fósforo e, em muitos casos, não é suficiente para atender aos critérios
de qualidade da água”.
Um processo passo a passo para produzir biomassa
É nesta etapa do processo de
tratamento de águas residuais que os operadores de plantas podem controlar
melhor as concentrações de nutrientes para o cultivo de cianobactérias.
Uma vez que a centrífuga
separa os sólidos do centrato, o concentrado é bombeado para um dispositivo
chamado fotobiorreator – um dispositivo onde as cianobactérias são cultivadas
usando nutrientes e luz solar, limpando o nitrogênio e o fósforo do centrato
para níveis consistentes com água do estado e federal, padrões de qualidade.
A cianobactéria se multiplica
e, em seguida, outra centrífuga separa a biomassa das cianobactérias da água.
Essa biomassa então passa
para um biodigestor – um dispositivo que usa micróbios para transformar a
biomassa em biogás, que é então queimada para calor e energia. O CO2
resultante é bombeado de volta ao fotobiorreator para ajudar na fotossíntese e
reduzir a pegada de carbono.
Trade-offs e avaliação do ciclo de vida
Como as cianobactérias
crescem melhor com a quantidade certa de nutrientes, os pesquisadores começaram
testando diferentes concentrações de concentrados / efluentes. “Encontramos a
melhor concentração total de nitrogênio para obter a maior taxa de crescimento
e taxa de absorção de nutrientes para esta cianobactéria”, disse Quiroz-Arita.
Encontrar a receita certa
para cada estação de tratamento de águas residuais depende das suas águas
residuais individuais e das suas características centradas. Cada planta
provavelmente exigiria suas próprias análises biológicas e de engenharia, disse
ele.
Quando os pesquisadores
começaram a observar a concentração de nitrogênio e o crescimento de
cianobactérias, houve algumas compensações. Em concentrações mais baixas de
nitrogênio, com uma taxa de crescimento mais lenta, a água alcançou os padrões
de qualidade da água mais rapidamente. O trade-off é que uma taxa de
crescimento mais lenta em baixas concentrações de nitrogênio requer mais área
plantada para o fotobiorreator que, por sua vez, consome mais eletricidade.
Quando todos os benefícios
desse processo são computados em uma avaliação do ciclo de vida, o resultado é
um efluente mais limpo, menores emissões de CO2 e menor consumo de
energia em relação aos processos convencionais de tratamento de águas
residuais. (O processo também produz um fertilizante, a estruvita, que se
precipita do centrato antes de entrar no fotobiorreator. A instalação pode
vender a estruvita como um coproduto).
O
processo atraiu o interesse da indústria, e o Escritório de Tecnologias de
Bioenergia do Departamento de Energia dos EUA destacou as instalações de águas
residuais municipais como uma promissora fonte de água e nutrientes para a
produção de biocombustível à base de algas.
Cianobactéria é testada como
matéria-prima para biodiesel.
Em seguida, a Quiroz-Arita
está procurando financiamento para continuar pesquisando maneiras de melhorar a
taxa de crescimento de cianobactérias e taxa de absorção de nutrientes,
otimizar o processo de remoção de nutrientes e métricas de sustentabilidade e
colaborar com as instalações municipais de tratamento de esgoto para ampliar o
processo sob diferentes condições. (ecodebate)
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