Publicação
Optimizing biogas production via ozone sludge pretreatment
| datacite.subject.fos | Engenharia e Tecnologia | |
| datacite.subject.sdg | 06:Água Potável e Saneamento | |
| dc.contributor.advisor | Martins, Ramiro | |
| dc.contributor.author | Alqudah, Safaa Ahmad Mustafa | |
| dc.date.accessioned | 2026-01-12T11:04:18Z | |
| dc.date.available | 2026-01-12T11:04:18Z | |
| dc.date.issued | 2025 | |
| dc.date.submitted | 2025 | |
| dc.description.abstract | Anaerobic digestion (AD) is the preferred method for handling wastewater sludge while producing renewable energy in the form of biogas. However, this process often occurs during the hydrolysis phase, which can prevent the system from working at maximum efficiency. This study examined the effect of ozone pre-treatment on methane generation from municipal sludge during mesophilic batch digestion. Ozone was applied at concentrations of 0%, 5%, and 10% for exposure times of 30, 60, and 90 s, respectively. A series of anaerobic co-digestion experiments was then conducted using different inoculum-tosubstrate (I/S) ratios of 1.0, 1.5, and 2.0. Methane production was continuously monitored using the AMPTS II system. The methane yield was 736 NmL CH4 g-1 VS at an ozone concentration of 4.41 L min-1. The Buswell–Mueller equation was applied to estimate the theoretical biochemical methane potential (TBMP), resulting in a value of approximately 517 mL CH₄ per gram of volatile solids (VS). Kinetic modeling using the modified Gompertz equation showed faster methane production rates and reduced lag times under the optimized pretreatment conditions. Overall, the data suggest that ozone pretreatment, when carefully controlled, can significantly improve sludge biodegradability and enhance biogas yields, indicating a promising method for increasing energy recovery in wastewater treatment systems. Furthermore, a comparative evaluation of four kinetic models (Gompertz, Logistic, Transference, and Cone) was conducted to identify the most suitable approach for describing biogas production kinetics under ozone pretreatment. Although all models provided statistically robust fits, the Logistic and Gompertz models demonstrated slightly superior consistency and interpretability across the range of experimental conditions. This careful model selection not only improved the reliability of methane yield predictions but also supported more informed process optimization. Overall, these findings emphasize that integrating robust kinetic modeling with innovative pretreatment strategies can significantly enhance biogas yield and process efficiency, offering valuable insights into advancing sustainable energy recovery from municipal sludge. | por |
| dc.description.abstract | A digestão anaeróbia (DA) é um método preferível para tratar as lamas das águas residuais e produzir energia renovável sob a forma de biogás. No entanto, o processo é frequentemente interrompido durante a fase de hidrólise - um verdadeiro obstáculo que pode impedir que as coisas funcionem com a máxima eficiência. Este estudo examinou a forma como o pré-tratamento com ozono afecta a produção de metano a partir de lamas municipais sob digestão mesofílica em lote. O ozono foi introduzido em concentrações de 0%, 5% e 10%, com tempos de exposição de 30, 60 e 90 segundos. Foi então realizada uma série de experiências de co-digestão anaeróbia utilizando diferentes rácios de inóculo-substrato (I/S) - especificamente 1,0, 1,5 e 2,0. A produção de metano foi monitorizada continuamente utilizando o sistema AMPTS II. O resultado mais notável foi o rendimento ótimo de metano de 1380,9 Nml, obtido quando 10% de ozono foi aplicado durante 30 segundos a uma relação I/S de 1,5. Representando um rendimento em metano de 735,758 NmL CH4 g-1 VS com uma concentração de ozono de 4,41 L.min-1. A equação de Buswell e Mueller foi aplicada para estimar o potencial bioquímico teórico de metano (TBMP), chegando a um valor de aproximadamente 517 mL CH₄ por grama de sólidos voláteis (VS). A modelagem cinética usando a equação de Gompertz modificada mostrou taxas de produção de metano mais rápidas e tempos de atraso reduzidos sob condições de pré-tratamento otimizadas. No geral, os dados sugerem que o pré-tratamento com ozono, quando cuidadosamente controlado, pode melhorar significativamente a biodegradabilidade das lamas e aumentar a produção de biogás, apontando para um método promissor para aumentar a recuperação de energia em sistemas de tratamento de águas residuais. Além disso, foi realizada uma avaliação comparativa de quatro modelos cinéticos - Gompertz, Logístico, Transferência e Cone - para identificar a abordagem mais adequada para descrever a cinética da produção de biogás sob pré-tratamento com ozono. Embora todos os modelos tenham fornecido ajustes estatisticamente robustos, os modelos Logístico e de Gompertz demonstraram consistência e interoperabilidade ligeiramente superiores em toda a gama de condições experimentais. Esta cuidadosa seleção de modelos não só melhorou a fiabilidade das previsões de produção de metano, como também apoiou uma otimização mais informada do processo. De um modo geral, estes resultados sublinham que a integração de uma modelação cinética robusta com estratégias inovadoras de pré-tratamento pode aumentar significativamente a produção de biogás e a eficiência do processo, oferecendo informações valiosas para o avanço da recuperação sustentável de energia a partir de lamas municipais. | por |
| dc.identifier.tid | 204124859 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/10198/35449 | |
| dc.language.iso | eng | |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ | |
| dc.subject | Anaerobic digestion | |
| dc.subject | Biogas production | |
| dc.subject | Co-digestion | |
| dc.subject | Gompertz model | |
| dc.subject | Methane yield | |
| dc.subject | Ozone pretreatment | |
| dc.subject | Sludge solubilization | |
| dc.subject | Wastewater sludge | |
| dc.title | Optimizing biogas production via ozone sludge pretreatment | |
| dc.type | master thesis | |
| dspace.entity.type | Publication | |
| thesis.degree.name | Dissertação de mestrado Engenharia Química |