Integrated aquapony production and anaerobic digestion for biogas generation in urban environment

Authors

DOI:

https://doi.org/10.6008/CBPC2179-6858.2021.003.0036

Keywords:

Pisciculture, Hydroponics, Energy, Anaerobic digester, Mathematical modeling

Abstract

The integrated system between aquaculture, hydroponics and cattle manure can present environmentally viable solutions for the production of food and energy in the urban environment. Anaerobic biodigesters are composed of a hermetic chamber, in which, under ideal operating conditions, they allow bacteria to break down organic waste present in the system. The biogas generated from it can be used as a fuel, used in turbines, gas engines and boilers to produce electricity. Thus, the objective was to evaluate the replacement of water in the process of anaerobic digestion of cattle manure by fish farming sludge. The experiment was carried out at the Rural Electrification and Alternative Energy Laboratory at the Engineering Department of UFRRJ. Prototypes of benchtop anaerobic digesters in the Indian model were used, the batch supply system being. The substrates used in the anaerobic mono-digestion and anaerobic co-digestion processes were fish farming sludge (FS) and cattle manure (CM), in ratios of 100:0, 75:25, 50:50, 25:75 and 0:100 FS:CM. By carrying out the biogas-flaring test to detect the presence or absence of methane in sufficient quantity to maintain the flame, biogas was confirmed from the third week. Boltzmann's Sigmoid mathematical model for the 75:25 and 0:100 FS:CM ratios and the Gompertz mathematical model for 50:50 and 25:75 FS:CM ratios were considered the best ones to estimate the kinetic curves of accumulated biogas production. The 25:75 FS:CM ratio showed the highest accumulated biogas production value, being 13.55 L in 16 weeks. The cumulative biogas yield, demonstrated use of more than 90% of the energy efficiency for fossil fuels compared to the ratio 0:100 FS:CM. Therefore, it is concluded that the fish farming sludge offered improvements in anaerobic co-digestion in relation to anaerobic mono-digestion, being a substrate of great importance for the generation of energy in the biogas production. When replacing a noble good such as water, it became a sustainable system on the pillars of the appropriate social, economic and environmental dimensions.

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Author Biographies

Luiza Maria Affonso Silva, Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro

Mestranda do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Agrícola e Ambiental na Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro (UFRRJ). Graduada no curso de Engenharia Agrícola e Ambiental pela UFRRJ. Participei em 2 projetos do programa de iniciação científica voluntaria (PICV) no Instituto de Tecnologia da UFRRJ, atuando na área de ciências agrárias. Integrei o quadro de estagiário voluntário da Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária (Embrapa Solos), no projeto de levantamento de indicadores ambientais para área de Campo Verde - MT. Atualmente sou integrante do grupo de pesquisa Grupo de Energias Renováveis e Alternativas Rurais - GERAR na área de biodigestores, com ênfase na geração de biogás a partir do tratamento de resíduos. 

Juliana Lobo Paes, Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro

A Coordenadora Geral, Professora Juliana Lobo Paes, Possui graduação em Engenharia Agrícola e Ambiental pela Universidade Federal de Viçosa (2006), mestrado em Engenharia Agrícola pela Universidade Federal de Viçosa (2008) e doutorado em Engenharia Agrícola pela Universidade Federal de Viçosa (2011). Atualmente é Professora Associada D1 da Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro e docente permanente no Programa de Pós-Graduação em Agroenergia da Universidade Federal de Tocantins. Participa como voluntária ? Núcleo Informar da Rede Brasileira Mulher na Energia Solar ? Rede MESol. Tem experiência na área de Engenharia Agrícola, com ênfase em Energia na Agricultura, atuando principalmente nos seguintes temas: economia circular, energia renovável e alternativa, biodigestores (biogás e biofertilizante), energia solar (secagem solar, fototérmica e fotovoltaica), ozonização e insetos-praga de grãos armazenado.É coordenadora do Grupo de Pesquisa GERAR - Grupo de Energias Renováveis e Alternativas Rurais. Mãe de uma filha, esteve em licença maternidade em 2014.

Frederico Alan de Oliveira Cruz, Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro

Licenciado em Física e Doutor em Ciências, pela Universidade do Estado do Rio de Janeiro. Atualmente é Professor (Associado II) e líder do Grupo de Pesquisa em Ensino-Aprendizagem de Física da Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro.

Beatriz Costalonga Vargas, Universidade Federal de Viçosa

Possui técnico em Eletromecânica pelo Instituto Federal do Espírito Santo (IFES) e graduação em Engenharia Agrícola e Ambiental pela Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro (UFRRJ). Durante a graduação, foi bolsista da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro (FAPERJ) de iniciação científica por três anos, nas áreas de Máquinas e Mecanização Agrícola e Energias Alternativas Rurais. Atualmente é discente de Mestrado pela Universidade Federal de Viçosa (UFV) na área de Mecanização Agrícola, seguindo a Linha de Pesquisa de Engenharia de Aplicação de Defensivos Agrícolas, utilizando o sistema PWM.

Vinicius Rocha Pereira, Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro

Possui ensino-medio-segundo-graupelo Centro Educacional da Lagoa(2010). Tem experiência na área de Engenharia Agrícola, com ênfase em Engenharia de Água e Solo.

Maxmillian Alves de Oliveira Merlo, Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro

Possui graduação em Gestão Ambiental pelo Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca (2012). Graduando em Engemharia Agrícola e Ambiental pela Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro, monitor das disciplinas Energias Alternativas, Energias na Agricultura e Eletrificação Rural. Membro do Grupo de Pesquisas em Energias Renováveis e Alternativas Rurais - GERAR da UFRRJ.

Published

2021-01-13

Issue

Section

Engenharia da Sustentabilidade e Meio Ambiente

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