II-037 DIGESTORES ANAERÓBIOS PARA TRATAMENTO DE DEJETOS SUÍNOS AVALIAÇÃO DE PARTIDA PARA DIFERENTES CONFIGURAÇÕES DE REATORES
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- Sabina Graça da Costa
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1 II-037 DIGESTORES ANAERÓBIOS PARA TRATAMENTO DE DEJETOS SUÍNOS AVALIAÇÃO DE PARTIDA PARA DIFERENTES CONFIGURAÇÕES DE REATORES Rui Guilherme Cavaleiro de Macedo Alves (1) Professor adjunto do DESA/CT/UFPA, engenheiro sanitarista/ufpa, mestre em Engenharia Sanitária/UFPB (Campina Grande), doutorando do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental/UFSC. Paulo Belli Filho Professor adjunto do ENS/CTC/UFSC, engenheiro sanitarista/ufsc, mestre em Hidráulica e Saneamento/EESC-SP, doutor em Química Industrial e Ambiental Université de Rennes/França. Luiz Sérgio Philippi Professor titular do ENS/CTC/UFSC, engenheiro civil/ufsc, mestre em Hidráulica e Sanaemento/EECS-SP, doutor em Saneamento Ambiental Université de Montpellier I/França, pós-doutor - Université de Montpellier II/França Alan Henn Engenheiro Sanitarista/UFSC, mestre pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental /UFSC. Luiz Walter da Silva Monteiro Engenheiro Sanitarista/UFPA, mestrando pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental/UFSC. Endereço (1) : Rua das Acácias, 113 Condomínio Jardim Villandry, Bloco B1, Apto. 201 Carvoeira Fone: (48) Florianópolis/SC. CEP: rmacedo@ens.ufsc.br RESUMO A reduzida área disponível para a valorização no solo e fertilização agrícola dos dejetos da suinocultura no estado de Santa Catarina, exige a aplicação de tecnologias que proporcionem o controle da poluição ambiental deste setor. Dentre outras, a digestão anaeróbia apresenta-se com grande potencial de aplicação. Neste trabalho foram avaliadas as partidas de reatores anaeróbios, construídos em escala real (biodigestor clássico, biodigestor de lodo, lagoa anaeróbia não convencional e reator UASB), para tratamento e valorização de dejetos da suinocultura, a partir de inóculo de lodo de uma esterqueira. Tomaram-se amostras de lodo do inóculo, para caracterização. Coletaram-se amostras do lodo do fundo de cada um dos reatores para determinação da AME e avaliação microscópica. O teste de AME apresentou os seguintes resultados: Biodigestor clássico = 0,0486 g DQO-CH 4 /g SV.dia, Biodigestor de lodo = 0,0350 g DQO-CH 4 /g SV.dia, Lagoa anaeróbia = 0,05 g DQO-CH 4 /g SV.dia e Reator UASB = 0,04 g DQO-CH 4 /g SV.dia. Concluiu-se que a partida de reatores anaeróbios para o tratamento de dejetos suínos deve ser dada com o auxílio de inóculo, mesmo que em pequenas proporções de volume, de um lodo de atividade metanogênica maior que a do lodo de dejetos suínos puro. PALAVRAS-CHAVE: Tratamento de Dejetos Suínos, Digestão Anaeróbia, Reatores Anaeróbios, Partida de Reatores Anaeróbios, Atividade Metanogênica Específica. INTRODUÇÃO O Brasil é o quarto maior produtor de carne suína do mundo e Santa Catarina, o maior produtor do Brasil. A grande quantidade de dejetos suínos produzidos no Estado e a reduzida área disponível para a sua valorização no solo (para fertilização agrícola), exigem a aplicação de metodologias e tecnologias que proporcionem o controle da poluição ambiental deste setor. Dentre as tecnologias disponíveis para o tratamento destes dejetos, a digestão anaeróbia apresenta-se com grande potencial de aplicação, haja vista que este dejeto possui elevada concentração de matéria orgânica, favorecendo a ação das bactérias deste processo biológico. Estas e outras vantagens, como a produção e a utilização do biogás na propriedade (para geração de energia elétrica, por exemplo) justificam a utilização de reatores anaeróbios no meio rural. Os digestores de fluxo semicontínuo foram desenvolvidos para uso no tratamento de lodo e/ou esterco de animais. A digestão de lodo é conhecida desde 1850, mas hoje é empregada com conhecimento e controle do processo, favorecendo seu dimensionamento. As lagoas anaeróbias são utilizadas para amortecimento de altas cargas orgânicas, em processo que envolve a participação de bactérias facultativas e anaeróbias estritas. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1
2 Diversos trabalhos realizados pelo ENS/UFSC recomendam as lagoas anaeróbias, impermeabilizadas e profundas, para o tratamento de dejetos suínos, e aconselham que sejam cobertas para coleta e valorização do biogás. Os reatores UASB são reatores com crescimento bacteriano disperso, onde a biomassa é dotada de boa resistência física e qualidade de sedimentação, além de satisfatória atividade metanogênica específica. Caracteriza-se pela presença de um separador de fases que o divide em duas partes: zona de digestão e zona de sedimentação. Sua alta performance, comparada aos sistemas tradicionais, é devido à granulação da biomassa ativa. A partida de um reator é o período necessário para se obter uma qualidade constante do efluente e uma massa de lodo também constante, em qualidade e quantidade. É um processo lento, pois, é necessário se desenvolver uma massa bacteriana, adaptada às características do afluente. Se o esgoto é doméstico a partida é menos problemática, posto que, já contém populações bacterianas necessárias para as fermentações acidogênica e metanogênica, mas em se tratando de dejetos suínos, o problema ganha maiores proporções, pois, é necessário que esta biomassa se desenvolva no próprio reator. A partida de reatores anaeróbios pode ser conseguida a partir de uma das três seguintes formas: (a) utilizandose um inóculo já adaptado ao esgoto a ser tratado; (b) utilizando-se um inóculo não adaptado; e (c) sem a utilização de inóculo, condição mais desfavorável. Quando é necessária a utilização de inoculo, seu volume é determinado em função da carga biológica aplicada. Recomenda-se que esta carga seja determinada através de testes de Atividade Metanogênica Específica (AME) do lodo. Na impossibilidade, aconselha-se a faixa de 0,05 a 0,50 kg DQO/Kg SSV.dia. Neste trabalho foram avaliadas as partidas de reatores anaeróbios, construídos em escala real (biodigestor clássico, biodigestor de lodo, lagoa anaeróbia não convencional e reator UASB), para tratamento e valorização de dejetos da suinocultura, no sul do estado de Santa Catarina, a partir de inóculo de lagoa de armazenamento de dejetos suínos (esterqueira). MATERIAIS E MÉTODOS Foram trabalhados no município de Braço do Norte, em duas propriedades, digestores anaeróbios operados, resumidamente, da seguinte maneira: (a) pequena produção um biodigestor clássico foi alimentado com dejetos suínos (bruto) provenientes de um tanque de equalização; (b) média produção os dejetos brutos foram gradeados e, na seqüência, uma lagoa de decantação fez a separação das fases, sólido e líquido. Os sólidos foram descarregados para um biodigestor de lodo e o líquido fluiu para uma estação elevatória de onde foi recalcado para tratamento em uma lagoa anaeróbia, seguida de um reator UASB (ver Figura 1). Os principais parâmetros construtivos e operacionais dos reatores são mostrados na Tabela 1. Utilizou-se como inóculo os dejetos suínos transferidos de uma esterqueira que, devido aos anos de operação, supostamente, acumulou lodo rico em bactérias anaeróbias. A inoculação dos reatores deu-se da seguinte forma: (a) Biodigestor foi inoculado em setembro/03 com 50% do seu volume útil (V R ), sendo 39 m 3 de lodo suíno e 6 m 3 de uma mistura de lodo suíno+bovino; (b) Lagoa anaeróbia foram transferidos para este reator, em agosto/04, 100 m³ de lodo de dejeto suíno da esterqueira; a operação se repetiu durante mais três semanas até se alcançar o volume útil da lagoa, para em seguida, ser descartado o excedente e obter-se um volume de inóculo de aproximadamente, 1/3 V R ; (c) Biodigestor de lodo foi cheio com o mesmo lodo, em setembro/04; posteriormente, através de manobra de registro, descarregou-se o sobrenadante e manteve-se um volume de 8,0 m 3 de lodo; (d) Reator UASB também em setembro/04, foi parcialmente cheio; através de manobra de registro vazou-se o excesso e manteve-se no reator um volume de lodo de 5,0 m 3. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2
3 Biodigestor de Lodo Lagoa Anaeróbia Reator UASB Biodigestor Clássico Figura 1: Reatores anaeróbios avaliados para o tratamento de dejetos suínos Tabela 1: Parâmetros construtivos e operacionais dos reatores avaliados PARÂMETROS Reator Biodigestor Biodigestor de lodo Lagoa anaeróbia Reator UASB D INTERNO (m)* 3 3,2 7,0 x 23,5 2,3 H ÚTIL (m) 4 3,5 4 / 2 4 Q (m 3 /dia) 3 0, V R (m 3 ) TRH (dia) ,5 * Exceção para a Lagoa anaeróbia, de seção retangular. Tomaram-se amostras de lodo do inóculo, para caracterização. Coletaram-se amostras do lodo do fundo de cada um dos reatores para determinação, principalmente, da atividade metanogênica específica (AME) e, de forma complementar, a avaliação microscópica. A avaliação microscópica se deu através de exame em microscópio ótico (Olimpus BX 40) acoplado a um microcomputador com programa para análise de imagem. Esta técnica foi aplicada para a identificação de bactérias anaeróbias através da observação de sua intensidade de luminescência. O teste de AME utilizado é apresentado a seguir. Teste AME O teste de AME é realizado com o objetivo de avaliar as características do inóculo, a qualidade do lodo e sua potencialidade de produção de gás metano. O teste foi desenvolvido no Laboratório de Tratamento de Efluentes (LTE), do Departamento de Engenharia Química e de Alimentos (ENQ/CTC/UFSC) e segue a metodologia descrita por Soares e Hirata (1997), com adaptações (Figura 2). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3
4 Trabalha-se com uma relação inoculo/substrato de 5,0 g SV/L de concentração celular para 5,0 g DQO/L em ácidos orgânicos, ou seja, uma relação 1:1, em regime de agitação. São utilizados frascos de soro de 500 ml, sendo 400 ml de volume útil, para uma mistura inóculo + nutrientes + substrato. A composição das soluções estoques de nutrientes e de ácidos voláteis usados no teste encontram-se nas tabelas 2 e 3. Tabela 2: Composição das soluções estoques de nutrientes. Solução 1: macronutrientes NH 4 Cl 170 g/l MgSO 4. 7H 2 O 11,5 g/l KH 2 PO 4 37,0 g/l CaCl 2. 2H 2 O 8,0 g/l Solução 2: micronutrientes FeCl 3. 6H 2 O mg/l (NH 4 ) 6 Mo 7 O 2. 4H 2 O 90,0 mg/l CoCl 2. 6H 2 O mg/l Na 2 SeO 3 100,0 mg/l MnCl 2. 4H 2 O 500,0 mg/l NiCl 2. 6H 2 O 50,0 mg/l CuSO 4. 5H 2 O 38,0 mg/l EDTA mg/l ZnSO 4. 7H 2 O 106,0 mg/l HCl concentrado 1,0 ml/l H 3 BO 3 50,0 mg/l Solução 3: meio redutor Na 2 S. 9H 2 O 100,0 mg/l Tabela 3: Composição da solução estoque de ácidos voláteis. Ácidos Orgânicos g/l DQO em g/l Acético 28 29,88 Propiônico 28 42,28 Butírico 28 50,96 O teste de AME segue as seguintes etapas: a) Determina-se a concentração de sólidos voláteis (em g/l) presentes no lodo a ser analisado; b) Determina-se o volume de lodo a ser adicionado em cada frasco, a fim de se obter uma concentração final de inóculo correspondente a 5,0 g SV/L; c) Acrescenta-se ao lodo: 5,33 ml da Solução 1; 0,80 ml da Solução 2; 5 gotas da Solução 3; 16,24 ml da mistura de ácidos voláteis; e completa-se com água destilada até 400 ml; d) Purga-se o oxigênio presente nos frascos através de borbulhamento com nitrogênio gasoso (pressão de 5 psi, durante 5 minutos); e) Fecham-se os frascos com tampas de borrachas, vedadas com cola de silicone; f) Conectam-se os frascos com as amostras de lodo a frascos de Duran invertidos, para a medição volumétrica de gás metano por deslocamento de líquido (os frascos de Duran são preenchidos com uma solução de NaOH 5% para que haja retenção do CO 2 produzido). g) Todos os frascos são encubados em banho-maria, com agitação, e temperatura controlada a 35 C. h) Realizam-se os ensaios em triplicata e com um branco, sem os ácidos voláteis, mas contendo inóculo, nutrientes e água destilada. As leituras de volume de gás são feitas 10 minutos após o início do experimento. Nas primeiras 12 horas de ensaio, as medidas são realizadas em intervalos de 2 horas e nos três dias subseqüentes as leituras ocorrerem de duas a três vezes por dia. Após esse período, as medidas são realizadas uma vez por dia, até que a produção do biogás se estabilize. O volume de gás produzido é corrigido nas CNTP e a AME máxima calculada de acordo com a equação descrita por Soares e Hirata (1997) em que se considera que 1,0 g de DQO degradada produz 0,35 L de gás metano. A equação é a seguinte: AME MAX = (dv/dt) x (24 h/dia / 350 ml/gdqo) x (1/SV) x (1/V) Onde: AME MAX = atividade metanogênica específica máxima expressa em g DQO-CH 4 /g SV.dia. (dv/dt) = velocidade máxima de produção de metano, em ml/h; SV = concentração de sólidos voláteis do inóculo, em g SV/L; V = volume do meio de reação, em L. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4
5 Figura 2: Teste de atividade metanogênica específica. RESULTADOS A Tabela 4 apresenta as características físico-químicas do lodo de inóculo. O teste de atividade metanogênica, realizado em SET/03, apresentou 0,0331 g DQO-CH 4 /g SV.dia e 0,0565 g DQO-CH 4 /g SV.dia, para os lodos de suínos e bovino, respectivamente; e de 0,040 g DQO-CH 4 /g SV.dia para a mistura, na proporção apresentada para inocular o biodigestor (ver Tabela 6). No período de janeiro a março/04 mediu-se uma produção média de biogás no biodigestor convencional de 32 m 3 /dia, para um crescimento da AME de 147%, medido em ABR/04 (AME do biodigestor clássico igual a 0,0486 g DQO-CH 4 /g SV.dia). Testes de cromatografia gasosa realizados no mês de maio/04 revelaram uma concentração média de 62,3% de metano no biogás A microscopia de fluorescência do lodo do biodigestor clássico, realizada no 129 dia de operação, mostra uma possível presença de colônias de bactérias metanogênicas, baseada na propriedade que as enzimas metanogênicas têm de refletir esta luz; sob luz comum, a microscopia possibilitou visualizar uma estrutura floculenta da biomassa analisada. Os demais reatores, com inóculo de cerca de 0,33V R de lodo de dejeto suíno, ainda não entraram em estado estacionário. Não foi possível medir a produção de gás, mas o crescimento em valor numérico da AME de 106, 151 e 121% para o biodigestor de lodo, lagoa anaeróbia e reator UASB, respectivamente (Ver Tabela 6), em relação à atividade metanogênica do lodo de inóculo, indica uma condição de trabalho próxima a do biodigestor clássico, que apresentou crescimento de 122% e boa produção de biogás num período de sete meses. Problemas operacionais têm dificultado a partida nestes reatores: pane nas instalações de bombeamento, vazamentos no selo hídrico, reparos na fixação da lona de cobertura do biodigestor de lodo, dentre outros. Apesar das baixas concentrações de SV e DQO verificadas na caracterização físico-química do reator UASB (Tabela 5) o resultado do teste de atividade metanogênica (Tabela 6) superou a expectativa e apresentou resultado superior ao do biodigestor de lodo, com concentrações de SV e DQO, 20 ( mg/l / mg/l) e 10 ( mg O 2 /L / mg O 2 /l) vezes maior, respectivamente. A lagoa anaeróbia apresentou AME superior ao biodigestor clássico, 0,0500 g DQO-CH 4 /g SV.dia e 0,0486 g DQO-CH 4 /g SV.dia, respectivamente. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5
6 Tabela 4: Características físico-químicas dos lodos de inóculo Parâmetros Analisados Unidades Lodo suíno Lodo suíno + bovino PH - 7,44 7,17 SF mg/l SV mg/l DQO mg O 2 /L Tabela 5: Características físico-químicas dos lodos dos reatores Parâmetro / Biodigestor Biodigestor Lagoa anaeróbia Reator UASB Reator clássico de lodo PH 7,36 7,40 7,53 7,33 SF (mg/l) SV (mg/l) DQO (mg O 2 /L) Tabela 6: Resultado do teste de AME nos diversos reatores em diferentes épocas AME Período g DQO-CH 4 /g SV.dia Inóculo (suíno) SET/03 0,0331 Inóculo (bovino) SET/03 0,0565 Inóculo (suíno+bovino) SET/03 0,0400 Lodo biodigestor clássico ABR/04 0,0486 Lodo biodigestor de lodo MAR/05 0,0350 Lodo lagoa anaeróbia MAR/05 0,0500 Lodo reator UASB MAR/05 0,0400 CONCLUSÕES - A partida de reatores anaeróbios para o tratamento de dejetos suínos deve ser dada com o auxílio de inóculo, mesmo que em pequenas proporções de volume, de um lodo de atividade metanogênica maior que a do lodo de dejetos suínos puro. - A partida do biodigestor clássico, utilizando-se como inóculo uma mistura de lodo suíno e bovino (13% do volume total do inóculo), deu-se num período relativamente curto (sete meses) e sem grandes problemas, evidenciado pela produção média de 32 m 3 /dia de biogás, medida no período de janeiro a março/04. - A microscopia de fluorescência do lodo do biodigestor clássico atesta a possível ocorrência de colônias de bactérias metanogênicas; entretanto, a microscopia sob luz comum possibilitou visualizar uma estrutura floculenta da biomassa presente no lodo do biodigestor clássico evidenciando que o mesmo ainda não se encontra granulado. - A proporção de metano no biogás, medida no biodigestor clássico através de cromatografia gasosa (62,3%) se encontra próxima do que é comumente referenciado teoricamente. - Problemas operacionais impossibilitaram um resultado conclusivo sobre a partida nos outros reatores. - O crescimento em valor numérico da AME para o biodigestor de lodo, lagoa anaeróbia e reator UASB, em relação à atividade metanogênica do lodo de inóculo, indica uma condição de trabalho próxima a do biodigestor clássico, evidenciando uma possível proximidade do estado estacionário dos reatores. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. BELLI Fº, P. (1995) Stockage et odeur des deejctions animales cas di lisier de porc. Tese de doutorado. Université de Rennes. 250 p. 2. HENN, A. Comportamento de partida e avaliação de um sistema real de tratamento e armazenamento de dejetos de suínos em uma pequena propriedade suinícola no município de Braço do Norte/SC. Dissertação de mestrado. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental, UFSC. Florianópolis/SC. 3. MONTEIRO, L. W. S. Manejo ambiental de dejeto suíno integrado a potencialidade de geração de biogás em uma pequena propriedade em Braço do Norte/SC. Dissertação de mestrado. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental, UFSC. Florianópolis/SC. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6
7 4. SOARES, H. M. e HIRATA, T. S. (1997). Curso de Tratamento Biológico de Resíduos. Florianópolis. MCT/CNPq. PGENQ/UFSC, CDB. 23 p. 5. VAN HAANDEL, A. C. & LETTINGA, G. (1994) Tratamento Anaeróbio de Esgotos - Um Manual para Regiões de Clima Quente. Campina Grande/PB. 6. ZEEMAN, G. (1991). Mesophilic and psychrophilic digestion of liquid manure. Tesis Doctor. Landbouwuniversiteit. Wageningen, Netherlands. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7
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