TRATAMENTO DA VINHAÇA: EFEITOS NA REDUÇÃO DA POLUIÇÃO DAS ÁGUAS. Vitor Amigo Vive 1, Maria Cristina Rizk 2

Transcrição

1 TRATAMENTO DA VINHAÇA: EFEITOS NA REDUÇÃO DA POLUIÇÃO DAS ÁGUAS Vitor Amigo Vive 1, Maria Cristina Rizk 2 1 Graduando em Engenharia Ambiental pela Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho Faculdade de Ciências e Tecnologia, campus de Presidente Prudente. Departamento de Planejamento, Urbanismo e Ambiente. Bolsista FAPESP. Endereço: Rua Roberto Simonsen, n. 305, Presidente Prudente-SP. CEP: Contato: vitorvive@hotmail.com. 2 Professor Assistente Doutor da Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho Faculdade de Ciências e Tecnologia, campus de Presidente Prudente. Departamento de Planejamento, Urbanismo e Ambiente. Endereço: Rua Roberto Simonsen, n. 305, Presidente Prudente-SP. CEP: Contato: crisrizk@fct.unesp.br. Resumo Um dos motivos de aumento das preocupações com o meio ambiente é devido ao crescimento do setor sucroalcooleiro, que ocorre de forma significativa no Brasil. A produção de álcool acarreta em grandes volumes de resíduos, principalmente a vinhaça, sendo que são produzidos aproximadamente 13 litros de efluente por litro de álcool destilado. Este resíduo apresenta elevadas concentrações de nitrato, potássio e matéria orgânica, de modo que, se disposto de forma inadequada, pode prejudicar as propriedades físicas e químicas do solo e contaminar os recursos hídricos superficiais e subterrâneos. Assim, este trabalho estudou o tratamento da vinhaça antes do seu descarte no meio ambiente por meio do processo oxidativo avançado H 2 O 2 /UV, onde os principais resultados obtidos para remoção de DQO e cor foram de 24 e 39%, respectivamente, em ph 3,0 e na concentração de 5,51 g.l -1 de H 2 O 2, e para remoção de turbidez foi de 56% em ph 7,0 e na concentração de 5,51 g.l -1 de H 2 O 2. Palavras-chave: contaminação dos recursos naturais, efluentes industriais, processos oxidativos avançados. 1

2 INTRODUÇÃO Nos últimos tempos, as áreas de produção de cana-de-açúcar (Saccharum sp.) vêm aumentando continuamente, sobretudo na região Centro-Oeste do Brasil. Concomitantemente ao aumento da produção de álcool, é também acrescido à produção de vinhaça, efluente denso produzido a partir de processos de destilação do álcool, de cor escura, com carga orgânica elevada e ph ácido (ZAYAS et al., 2007). Geralmente, o teor de matéria orgânica da vinhaça é equivalente a uma demanda biológica de oxigênio (DBO 5 ) na ordem de a mg.l -1 e uma demanda química de oxigênio (DQO) de a mg.l -1 (LEAL et al., 2003). Como consequência, a vinhaça tem um poder altamente poluente e, considerando-se que a produção de 1 tonelada de álcool anidro gera 16 m 3 de vinhaça, em média, a eliminação da vinhaça representa um passivo ambiental grave (VLYSSIDES et al., 1997). Segundo Freire e Cortez (2000), o poder poluente da vinhaça é cerca de cem vezes maior que o do esgoto doméstico justamente em decorrência da sua riqueza em matéria orgânica, sólidos dissolvidos e baixo ph, onde os valores elevados destes parâmetros são suficientes para considerar a vinhaça altamente nociva à fauna e à flora. Devido a altas concentrações de cor associadas aos sólidos suspensos, este efluente pode obstruir a penetração de luz e os processos fotossintéticos quando lançado em corpos hídricos, além de contribuir para o aumento do consumo de oxigênio, causando a morte de peixes e de plantas, destruindo a flora e a fauna aquática e dificultando o aproveitamento dos mananciais contaminados como fonte de abastecimento de água potável (FITZGIBBON et al., 1995). Além disso, a vinhaça no final da produção do etanol possui temperatura entre 50 e 80ºC, onde o seu lançamento em corpos d água implica na elevação da temperatura e na diminuição de oxigênio dissolvido, podendo alcançar níveis críticos para a sobrevivência da fauna aquática (MANE et al., 2006). As concentrações elevadas de nutrientes como fósforo e nitrogênio podem causar eutrofização nos corpos d água (VLYSSIDES et al., 1997). Diversos estudos sobre a degradação de poluentes orgânicos presentes em efluentes como a vinhaça vêm ocorrendo. Segundo Muruganandham e Swaminathan (2006), os processos de oxidação avançada (POA) têm atraído muita atenção para o tratamento de águas residuais nos últimos anos, pois estes processos consistem em gerar radicais altamente reativos ( OH) capazes de degradarem produtos químicos orgânicos 2

3 recalcitrantes presentes em águas residuais. Os POA têm tido preferência na degradação dos compostos orgânicos presentes em resíduos líquidos, pois os processos biológicos têm pouca eficiência para o tratamento de águas altamente contaminadas e tóxicas (MONTASER et al., 2000). Assim, tais processos são considerados como alternativas no tratamento da vinhaça. Desta forma, em razão das consequências ambientais graves acometidas com o descarte inadequado da vinhaça e diante da quantidade de vinhaça produzida, este trabalho objetivou o estudo do processo oxidativo avançado que combina o peróxido de hidrogênio com irradiação ultravioleta (H 2 O 2 /UV) no tratamento da vinhaça. MATERIAIS E MÉTODOS O efluente utilizado neste trabalho foi coletado numa usina de açúcar e álcool (abril de 2012 e julho de 2012), armazenado em galões de 5 litros e conservado a temperatura abaixo de 10ºC até o seu uso. A vinhaça foi caracterizada em termos de cor aparente e DQO (APHA, 1998) utilizando-se um espectrofotômetro HACH modelo DR3900. O ph foi determinado no phmetro HANNA modelo HI 221 e a turbidez no espectrofotômetro HANNA modelo HI A série de sólidos seguiu a metodologia APHA (1998) e o nitrogênio Kjeldahl a metodologia do Instituto Adolf Lutz (1985). O tratamento da vinhaça consistiu na passagem do efluente em fluxo contínuo com vazão de 25 ml.min -1, de modo a favorecer a exposição da amostra à radiação UV e a mistura com H 2 O 2, por um reator formado de um tubo de aço inoxidável de 63 cm de diâmetro e 40 cm de comprimento com uma lâmpada germicida (11 W, λmax = 254 nm e 1,5 cm de diâmetro) revestida por um cilindro de quartzo (diâmetro de 2,5 cm e 30 cm de comprimento), o qual foi inserido concentricamente no tubo de aço inoxidável. Nos ensaios foram variados a concentração de peróxido de hidrogênio e o tempo de exposição à UV, de modo que foram escolhidos três faixas de ph para a aplicação do tratamento: 3,0, 5,0 e 7,0. Todos os tratamentos foram avaliados em termos da eficiência de remoção de DQO, cor e turbidez. O ajuste de ph foi feito com solução de ácido clorídrico 25% e de solução de hidróxido de sódio 50%. As concentrações de H 2 O 2 e o tempo de exposição à luz UV estudado foram baseadas nos trabalhos de Beltrán et al. (1997) e Shu et al. (2006). Os valores de ph 3

4 utilizados foram baseados nos trabalhos de Yonar et al. (2006) e Schrank et al. (2007). Assim, as concentrações de peróxido de hidrogênio testadas foram de 2,76, 5,51 e 10,97 g.l -1 e os tempos de exposição à luz UV foram de 30, 60, 90, 120, 150 e 180 minutos. Neste trabalho estão apresentados somente os resultados finais obtidos no tempo de exposição à UV de 180 minutos. Depois de obtidos os resultados de remoção de cor, DQO e turbidez, os ensaios utilizando H 2 O 2 /UV foram analisados estatisticamente pelo software Statistica 10.0, onde a análise de componentes principais (ACP) (GAUCH, 1994) foi aplicada com o objetivo de reduzir a dimensionalidade dos dados e avaliar padrões na ordenação quanto aos diferentes valores de ph e as diferentes concentrações de peróxido de hidrogênio. RESULTADOS E DISCUSSÃO Os resultados da caracterização da vinhaça estão apresentados na Tabela 1. Tabela 1 Caracterização do efluente bruto Parâmetros 1ª Coleta 2ª Coleta Cor Aparente (mg PtCo.L -1 ) DQO (mg O 2.L -1 ) ,5 ph 4,80 4,93 Turbidez (NTU) Sólidos Suspensos Totais (mg.l -1 ) Sólidos Suspensos Fixos (mg.l -1 ) Sólidos Suspensos Voláteis (mg.l -1 ) Sólidos Dissolvidos Totais (mg.l -1 ) Sólidos Dissolvidos Fixos (mg.l -1 ) Sólidos Dissolvidos Voláteis (mg.l -1 ) Sólidos Totais (mg.l -1 ) Sólidos Totais Fixos (mg.l -1 ) Sólidos Totais Voláteis (mg.l -1 ) Nitrogênio Kjeldahl (g.l -1 ) 17,56 31,93 4

5 Com os dados obtidos pela análise físico-química foi possível confirmar o elevado nível de DQO da vinhaça, além dos altos teores de cor e de turbidez, que estão associados principalmente aos sólidos suspensos e aos compostos melanoidinas, respectivamente (GONZÁLEZ et al., 2012), o que confirma o potencial poluente do material. Verificou-se também que o valor encontrado de nitrogênio Kjeldahl não foi elevado, onde suas características ficaram próximas dos valores encontrados na literatura. Dessa maneira, a caracterização de alguns parâmetros físico-químicos da vinhaça permite dizer que sua descarga não controlada em corpos d água pode prejudicar a penetração de luz e, consequentemente, os processos fotossintéticos essenciais à vida aquática, além de contribuir para o fenômeno da eutrofização, destruindo a flora e a fauna aquática e dificultando o aproveitamento dos mananciais como fonte de abastecimento de água potável. A Tabela 2 apresenta a eficiência de remoção de DQO, cor e turbidez após 180 minutos de exposição à radiação UV no tratamento H 2 O 2 /UV. Tabela 2 Eficiência de remoção de DQO, cor e turbidez no processo H 2 O 2 /UV Eficiência de Remoção (%) Faixa de ph Concentração de H 2 O 2 (g.l -1 ) DQO Cor Turbidez 2,76 15% 25% 21% ph 3,0 5,51 24% 39% 36% 10,96 10% 35% 26% 2,76 7% 10% -1% ph 5,0 5,51 18% 19% 23% 10,96 10% 18% 4% 2,76 4% -1% 7% ph 7,0 5,51 11% 38% 56% 10,96 14% 22% 42% De acordo com a análise estatística realizada pelo software Statistica 10.0 podese dizer que os resultados em ph 3,0 apresentaram maiores remoções dos parâmetros físico-químicos estudados em comparação aos ensaios em ph 5,0 e 7,0. Do mesmo 5

6 modo, a concentração de 5,51 g.l -1 de H 2 O 2 apresentou maiores remoções dos parâmetros físico-químicos em comparação com as concentrações 2,76 e 10,96 g.l -1. É válido ressaltar os ensaios em ph 3,0 e 7,0 utilizaram amostras da segunda coleta de vinhaça que teve em sua caracterização DQO muito superior a da primeira, em razão de maiores concentrações de sólidos totais e de sólidos em suspensão. Nesse sentido, o tratamento da vinhaça no ph 3,0 foi mais eficiente que o tratamento em ph 5,0, mesmo com o efluente da segunda coleta tendo carga de matéria orgânica superior, o que evidencia um aumento no potencial de geração de radicais hidroxilas em meio ácido, melhorando o tratamento por H 2 O 2 /UV. De acordo com Kang et al., 1999 a melhor faixa de atuação do peróxido hidrogênio, para remoção da DQO, situa-se entre os valores de ph de 2,5 e 4,5. Acima desses valores o H 2 O 2 sofre decomposição perdendo sua ação. Portanto, a baixa eficiência de remoção da DQO em ph 5,0 e 7,0 pode estar associada a baixa atuação do peróxido de hidrogênio nestes valores de ph estudados. A partir dos resultados de remoção dos parâmetros físico-químicos obtidos ao final do estudo pode-se dizer que o tratamento melhorou a qualidade ambiental da vinhaça, o que contribui diretamente para a diminuição do risco de poluição das águas. No entanto, este tratamento poderia ter sido mais efetivo, pois de acordo com Shu et al. (2006), a elevada DQO da vinhaça requer tratamentos combinados para alcançar remoções significativas, pois os sólidos suspensos causam o espalhamento da luz UV diminuindo a eficiência do tratamento H 2 O 2 /UV. CONCLUSÃO De acordo com a análise estatística, os resultados em ph 3,0 apresentaram as maiores remoções de DQO, cor e turbidez. Do mesmo modo, a concentração de 5,51 g.l -1 de H 2 O 2 apresentou maiores eficiências de remoção de DQO, cor e turbidez. No que diz respeito ao melhor tempo de exposição à UV, a análise estatística identificou o tempo de 180 minutos como o mais apropriado para este tratamento da vinhaça. Na remoção de DQO o melhor resultado ocorreu na concentração de 5,51 g.l -1 de peróxido de hidrogênio no ph 3,0 com aproximadamente 24%. As maiores remoções de cor ocorreram nos valores de ph 3,0 e 7,0, com cerca de 39% de remoção, ambos na concentração de 5,51 g.l -1 de peróxido de hidrogênio. Para a remoção de turbidez, o 6

7 melhor resultado ocorreu no ph 7,0 com aproximadamente 56% na concentração de 5,51 g.l -1 de peróxido de hidrogênio. Em síntese, o tratamento da vinhaça por H 2 O 2 /UV apresentou processos limpos e não seletivos, consistindo-se em uma técnica atrativa para a degradação de contaminantes orgânicos não biodegradáveis em efluentes industriais. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo pelo apoio financeiro. REFERÊNCIAS APHA American Public Health Association. Standard methods for the examination of water and wastewater. Washington D.C., 20th ed, BELTRÁN, F. J.; GONZÁLEZ, J. F.; GONZÁLZ, M. Industrial wastewater advanced oxidation. Part 1. UV radiation in the presence and absence of hydrogen peroxide. Water Research, v. 31, n. 10, p , FITZGIBBON, F. J.; NIGAM, P.; SINGH, D.; MARCHANT, R. Biological treatment of distillery waste for pollution-remediation. Basic Microbiology, v. 35, n. 5, p , FREIRE, W. J.; CORTEZ, L. A. B. Vinhaça de cana-de-açúcar. Agropecuária, Guaíba, p. 203, GAUCH, H. G. Multivariate analysis in community ecology. Cambridge: Cambridge University Press, p. 298, GONZÁLEZ, V. R.; MAYER, J. G.; SEIJAS, N. R.; VARALDO, H. M. P. Treatment of mezcal vinasses: A review. Biotechnology, v. 157, p , KANG, Y. W.; CHO, M.; HWANG, K. Correction of hydrogen peroxide interference on standard chemical oxygen demand test. Water Research, v. 33, n. 5, p , LEAL, G. I.; CHIRINOS, E.; LEAL, M.; MORÁN, H. Characterization physicochemical of vinasse of Agave cocui and your possible use agroindustrial. Multiciencias, v. 3, p ,

8 LUTZ, A. Normas Analíticas do Instituto Adolf Lutz Métodos Químicos e Físicos para Análise de Alimentos v.1, 3ª ed., MANE, J. D.; MODI, S.; NAGAWADE, S.; PHADNIS, S. P.; BHANDARI, V. M. Treatment of spentwash using chemically modified bagasse and colour removal studies. Bioresource Technology, v. 97, n. 1, p , MONTASER Y.; GHALY, G. H.; ROLAND, M.; ROLAND H. Photochemical oxidation of p-chlorophenol by UV/H 2 O 2 and photo-fenton process. A comparative study. Waste Management, v. 21, p , MURUGANANDHAM, M.; SWAMINATHAN, M. Advanced oxidative decolourisation of Reactive Yellow 14 azo dye by UV/TiO 2, UV/H 2 O 2, UV/H 2 O 2 /Fe +2 processes: a comparative study. Separation and Purification Technology, v. 48, p , SCHRANK, S. G.; SANTOS, J. N. R.; SOUZA, D. S.; SOUZA, E. E. S. Decolourisation effects of Vat Greeen 01 textile dye and textile wastewater using H 2 O 2 /UV process. Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, v. 186, p , SHU, H. Y.; CHANG, M. C.; HSIEH, W. P. Remedy of dye manufacturing process effluent by UV/H2O2 process. Hazardous Materials, v. 128, p , 2006-a. VLYSSIDES, A.G.; ISRAILIDES, C.J.; LOIZIDOU, M. Electrochemical treatment of vinasse from beet molasses. Water Sciency Technology, v. 36, n. 2-3, p , YONAR, T.; KESTIOGLU, K.; AZBAR, N. Treatability studies on domestic wastewater using UV/H 2 O 2 process. Applied Catalysis B: Environmental, v. 67, p , ZAYAS, T.; RÓMERO, V.; SALGADO, L.; MERAZ, M.; MORALES, U. Applicability of coagulation/flocculation and electrochemical processes to the purification of biologically treated vinasse effluent. Separation and Purification Technology, v. 57, p ,