Resumo. Palavras-chave: Biogás, Tratamento Anaeróbio, Cianeto. Introdução

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1 Avaliação do funcionamento de biodigestores anaeróbios de fases separadas e leito fixo abastecidos com substrato proveniente da mistura de manipueira e H 2 o Arestides Roberto Cavalcante TOLEDO 1 ; Renato Menezes Barbosa de MIRANDA 2 ; Millane Barbosa dos SANTOS 3 ; Edcarlos Cardôso de FARIAS 4 ; Vicente Rodolfo Santos CEZAR 5 1. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Alagoas (IF-AL), Graduando em Tecnologia em Gestão Ambiental arestidesroberto@gmail.com; 2. IF-AL, Graduando em Tecnologia em Gestão Ambiental - mirandarmb@gmail.com 3. IF-AL, Graduanda em Tecnologia em Gestão Ambiental millanebsantos@gmail.com 4. IF-AL, Graduando em Tecnologia em Gestão Ambiental edcarlos_cardoso@hotmail.com 5. IF-AL, Prof. Adjunto do Curso Superior Tecnológico em Gestão Ambiental do Instituto Federal de Ciência, Educação e Técnologia de Alagoas vrscezar@yahoo.com.br Resumo Devido à alta carga poluidora e a presença de glicosídeo cianogênico, que pode hidrolisar a cianeto, a manipueira se caracteriza como resíduo de alto impacto ambiental, sendo atualmente descartada nos cursos d água e solo próximos às casas de farinha. Além disso, outro fator que agrava a situação é a concentração das casas de farinha em determinadas regiões produtoras de mandioca, como por exemplo, o agreste alagoano. Outro problema encontrado é a utilização de lenha nativa para secagem da farinha. Com o intuito de proporcionar subsídios para solução desses problemas, o trabalho tem como objetivo estudar o uso de reatores anaeróbios com fases separadas (acidogênica e metanogênica com leito fixo) como alternativas de tratamento da manipueira e produção de biogás. O reator foi acionado com esgoto doméstico e após a estabilização do sistema foi introduzida, de forma gradual, a manipueira, sendo substituído o esgoto domestico pela H 2 O. Durante o estudo foram coletadas amostras nos pontos: A) afluente do biodigestor acidogênico, B) efluente do biodigestor acidogênico, C) efluente do biodigestor metanogênico. Foram avaliados periodicamente os parâmetros: produção de biogás, ph, alcalinidade total, acidez volátil, temperatura do biogás, DBO 5, sólidos totais e voláteis. O sistema mostrou-se eficiente, pois houve a adaptação dos microorganismos, em especial com a concentração de 50% de manipueira e 50% de água, a qual apresentou uma média diária de produção de biogás de 1,85L/L de substrato, redução de sólidos totais em 70,58% e voláteis 85,67% e a relação acidez volátil/alcalinidade total que ficou entre 3,56 afluente e 1,6 efluente. Palavras-chave: Biogás, Tratamento Anaeróbio, Cianeto. Introdução A lei federal nº9433, sancionada em 8 de janeiro de 1997 promulga a política e 51

2 gestão dos recursos hídricos e exige o controle dos efluentes descartados nos cursos d água por indústrias. Portanto, essa lei impõe que as empresas passem a pagar pela água pela quantidade e qualidade do efluente descartado em corpos d água. As indústrias de farinha no Brasil sofrem com a manipueira, que é um resíduo líquido gerado na etapa de prensagem da massa de mandioca descascada e ralada. Devido a sua alta carga poluidora associada à presença de glicosídeo cianogênico, que pode hidrolisar a cianeto, a manipueira é caracterizada como um resíduo de alto impacto ambiental, haja vista que este é atualmente lançado nos cursos d água e solos próximos às indústrias de farinha. Além disso, outro fator que agrava a situação é a concentração das casas de farinha em determinadas regiões produtoras de mandioca, como por exemplo, o agreste alagoano. O Estado de Alagoas possui atualmente mais de 500 casas de farinha de pequeno e médio porte, além da instalação da primeira grande fecularia de amido de mandioca com a capacidade de processar 50 toneladas de raiz dia que foi inaugurada em setembro de Segundo Del Bianchi (1998) citado por Barana (2000), a produção de farinha de mandioca gera entre 267 e 419 litros de manipueira para cada tonelada de raiz processada. Uma indústria de médio porte processa em média 696 toneladas de raiz por mês, gerando aproximadamente 239 mil litros de manipueira. Além da conjuntura supracitada, as farinheiras necessitam de energia para a secagem da farinha, que na maioria das vezes utilizam a queima da lenha nativa em fornos de baixa eficiência. Com o intuito de solucionar os problemas gerados pela manipueira e a demanda de energia, foi proposto o uso de reatores anaeróbios com 2 fases (acidogênica e metanogênica com leito fixo) no tratamento da manipueira. Objetivos: Geral Estudar o uso de reatores anaeróbios com 2 fases separadas (acidogênica e metanogênica) e leito fixo como alternativa de tratamento da manipueira. Específicos Avaliar o processo de digestão anaeróbia do afluente formado a partir da manipueira e H 2 O em reatores de fases separadas (acidogênica e metanogênica), com leito fixo. Analisar a eficiência do reator em relação às diferentes concentrações de manipueira. Metodologia Local da pesquisa O experimento foi realizado com o uso de dois reatores anaeróbios de fase acidogênica e metanogênica de leito fixo, construído no Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Alagoas - Campus Marechal Deodoro (IF/AL), sob as coordenadas de de latitude sul e de longitude oeste, de acordo com o MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA (2005). 52

3 Os biodigestores Tanto os reatores quanto os gasômetros foram construídos em tubos de policloreto de vinila (PVC). O afluente era conduzido ao interior dos biodigestores através de bombas peristálticas. Optou-se por este tipo de alimentação por se ter como fator limitante a baixa resistência das bombas empregadas. O reator acidogênico utilizado foi do tipo fluxo ascendente, cujas dimensões são 0,10m diâmetro interno e 0,72m de altura com um volume útil de 5,270L, com formato cilíndrico. Durante todo o experimento o TRH empregado foi de um dia (Fernandes Jr., 1995). Não se utilizou nenhum tipo de inóculo no biodigestor acidogênico, pois as bactérias que promoviam a acidificação do substrato já estavam presentes na manipueira. O reator metanogênico era de fluxo ascendete que durante todo o experimento foi operado com tempo de retenção hidráulica (TRH) de três dias (Lacerda, 1991). Possuía um volume útil de 15,8L, com formato cilíndrico, diâmetro interno de 0,20m e uma altura de 0,56m. Como suporte para as bactérias utilizou-se anéis de PVC de 1,27cm de diâmetro e 2cm de comprimento, que ocuparam toda a extensão do reator. A vazão de alimentação foi de 5,27L/d e oefluente permaneceu na temperatura ambiente. O reator foi inoculado com esterco bovino, que ocupou 1/3 do seu volume e operado após a adaptação dos microorganismos ao substrato. O gasômetro O biodigestor metanogênico estava acoplado a um gasômetro do tipo cúpula flutuante, feito com tubos de PVC. A cúpula estava ligada a um contrapeso, permitindo pressão nula sobre o biogás produzido. O tubo de maior diâmetro (20 cm), tampado na sua base, ficando preenchido com H 2 O para formar um selo d água, onde o tubo de menor diametro (15 cm) e tampado na sua extremidadade superior e uma válvula para a retirada do biogás. O substrato A manipueira utilizada no experimento foi coletada na casa de farinha Povoado Riachão, situada no município de Junqueiro - AL, cidade localizada a 98,2 Km de Marechal Deodoro. A manipueira era coletada na saída da prensa e após feita a coleta, o efluente era conduzido imediatamente ao IF-AL. Durante o trajeto de Junquero até o IF- AL, que durava cerca de 1 hora e 20 minutos, ocorria a decantação do amido, o qual era separado e descartado. O material sobrenadante era armazenado em garrafas de PET (polietileno tereftalato) de 2L e congelado a -18 C. Durante o congelamento ocorria sedimentação de amido que ainda havia permanecido na manipueira, porém apenas o líquido sobrenadante era utilizado na alimentação do reator acidogênico. A composição química deste resíduo é vista na Tabela 1. 53

4 Tabela 1- Composição química da manipueira empregada no abastecimento dos biodigestores. Parâmetros Umidade (%) 93,22 Sólidos Totais (%) 6,78 Sólidos Voláteis (%) 5,78 Cinzas 1,00 Alcalinidade (mg/l) 1890 Acidez Volátil (mg/l) 3018 DQO (mg/l) Carbono (%) 2,65 Nitrogênio (%) 0,35 Fósforo (%) 0,47 ph 4,30 Desenvolvimento do experimento A montagem dos reatores UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket), de acordo com Andrade Neto & Campos (1999), é disposto em sistema de fases separadas (acidogênica e metanogênica) como discutido por Barana (2000), para o tratamento de manipueira. Inicialmente o reator foi abastecido com esgoto domiciliar (100%) até sua adaptação e logo após foi introduzida a mistura com manipueira(m) e água, com concentração de 87,5%H 2 O + 12,5%(M), sendo posteriormente aumentada para 82% H2O + 18%(M), 75% H2O + 25%(M) e 50% H 2 O + 50%(M). Devido a manipueira apresentar características ácidas, houve a necessidade de corrigir o ph utilizando - se uma solução ( 30%) de NaOH, essa correção ocorreu no efluente do biodigestor acidogênico. Pontos de coleta das amostras Durante o estudo coletou-se para análises, amostras de água residuária nos pontos A, B e C onde: A) afluente antes do biodigestor acidogênico, B) efluente gerado após o biodigestor acidogênico, C) efluente gerado após o biodigestor metanogênico. Análises realizadas durante o experimento Determinação de alcalinidade e acidez volátil Segundo Barana(2000) alcalinidade é a capacidade que a amostra possui de neutralizar ácidos enquanto acidez é a capacidade quantitativa de um ácido reagir com uma base forte num determinado ph. Para medi-los utilizou-se metodologia descrita por Silva (1977) citado por Fernandes Jr. (1995). A amostra era centrifugada à rpm por 5 minutos e filtrada em papel de filtro qualitativo. Ao filtrado foi adicionado ácido sulfúrico 0,2 N até ph 4,0. O valor do volume gasto na titulação da amostra era aplicado na fórmula: Alcalinidade (mg CaCO 3 /l) = Vol. H 2 SO 4 x N x Volume de amostra Sendo: N = Normalidade do ácido sulfúrico 54

5 A mesma amostra foi utilizada na determinação da acidez volátil, sendo adicionado o ácido sulfurico (H 2 SO 4 ) a 0,2 Normal até ph 3,5 e em seguida a amostra foi aquecida por 3 minutos. Após resfriada foi titulada com NaOH 0,2N de ph 4,0 até 7,0. O volume gasto na titulação foi aplicado na fórmula: Acidez Volátil (CH 3 COOH/l) = Sendo: N = Normalidade do NaOH Volume de biogás produzido A determinação do volume de biogás produzido foi realizada através de medições da altura do gasômetro deslocado diariamente, corrigindo-se esse volume com relação à umidade, fator F presente no Quadro 1, e aplicando-se a equação 1, tem-se o volume de gás na CNTP (Condições Normais de Temperatura e Pressão): Equação 1: P 1 x V 1 = P 2 x V 2 x F T 1 T 2 Vol. NaOH x N x Volume de amostra Onde: P 1 Pressão na CNTP (1atm) V 1 Volume na CNTP T 1 Temperatura na CNTP (293 K) P 2 Pressão local de Marechal Deodoro (1atm) V 2 Volume medido (ml) T 2 Temperatura medida (K) F Fator de correção de umidade à temperatura de medição de gás, segundo a equação Y= 1,0568 0,0034. X, r=0,9979, onde X= a temperatura em C (segundo IPT/USP citado por Fernandes Jr. (1995)). Determinação de Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO 5 ) A Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO 5 ), é um teste padrão, realizado a uma temperatura constante e durante um período de incubação, também fixo de 5 dias. Sólidos totais, Sólidos voláteis. Foram determinados segundo SILVA (1977) citado por FERNANDES Jr. (1995). A amostra, colocada em cápsula de porcelana, era seca em estufa com circulação de ar à C até peso constante, obtendo-se os sólidos totais e umidade. A mesma cápsula era utilizada na determinação de sólidos voláteis, por incineração em forno mufla à 550 C por cerca de duas horas, seguida por resfriamento e pesagem. Determinação de ph Pelo fato de se conhecer a faixa de ph ideal para o crescimento das bactérias acidogênicas e metanogênicas, o ph é uma medida importante para se avaliar 55

6 rapidamente as condições do biodigestor. Essa determinação foi feita segundo metodologia descrita em APHA (1992), utilizando-se um phmetro da marca Labmeter modelo phs-3b. Resultados e discussão Os resultados obtidos neste estudo são apresentados de maneira a discutir as informações levantadas sobre o tratamento anaeróbio de manipueira e H 2 O, demonstrados através de Quadros e Figuras. Todo o comportamento do sistema operado de forma contínua com o substrato líquido formado. Acompanhamento e controle do sistema. Para o controle e acompanhamento dos reatores foram analisados os seguintes parâmetros: ph, temperatura, acidez volátil (AV), alcalinidade total (AT) e a relação AV/AT. Os resultados destas variáveis foram apresentados no Quadro 1. No Quadro 1, pode-se verificar que o ph do afluente do reator acidogênico, composto de água e manipueira, manteve-se em média entre 4,4 para concentração de 87,5% H 2 O e 12,5% (M) e 4,7 para concentração de 82% H 2 O + 18% (M), durante o tratamento. Após sua passagem pelo reator acidogênico, o qual conseqüentemente é o afluente do reator metanogênico, apresentou valor de ph médio de 6,28 para a concentração de 87,5% de H 2 O e 12,5% de manipueira e atingiu um valor de 8,35 para a concentração de 50% de H 2 O e 50% de manipueira. Para conseguir esses valores de ph houve a necessidade de correção do mesmo e este foi controlado com uma solução 30% de hidróxido de sódio (NaOH) segundo os autores (Barana 2000 e 1995; Lacerda 1991). Quadro 1: Resultados do ph, temperatura, Acidez Volátil (AV), Alcalinidade Total (AT) e a relação AV/AT, do afluente dos reatores acidogênico e metanogênico bem como do efluente do reator metanogênico. Concentração + H 2 O TRH dia ph Temperatura C AV mg L -1 AT mg L -1 Relação AV/AT Reator Acidogênico (Volume = 5,270L) 87,5% de H 2 O + 12,5% de 3 4,4 26,67 N N N 82% de H 2 O + 18% de 3 4,7 27,1 N N N 75% de H 2 O + 25% de 3 4,67 27,5 N N N 50% de H 2 O + 50% de 3 4,46 28,37 N N N Valores referente ao Efluente (Obs.: efluente do reator acidogênico = afluente reator metanogênico) 87,5% de H 2 O + 12,5% de 3 6,28 26,67 N N N 82% de H 2 O + 18% de 3 6,48 27, ,84 75% de H 2 O + 25% de 3 6,39 27, ,26 50% de H 2 O + 50% de 3 8,35 28, ,67 2,65 Reator Metanogênico (Volume = 15,8L) Valores referente ao Efluente 87,5% de H 2 O + 12,5% 3 6,68 26,67 N N N 56

7 de 82% de H 2 O + 18% de 3 6,79 27, ,12 75% de H 2 O + 25% de 3 7,19 27, ,52 50% de H 2 O + 50% de 3 7,2 28, ,5 1,55 TRH= tempo de retenção hidráulica; AV= ácidos voláteis; AT=alcalinidade total; AV/AT=relação acidez volátil/alcalinidade total; N=não analisado; C=corrigido. O efluente do reator metanogênico iniciou com ph de 6,68 (para a concentração de 87,5% H 2 O + 12,5% M), e subiu para um valor de 7,2 na concentração de 50% H 2 O + 50% M, mantendo-se dentro da faixa ótima de crescimento para as bactérias metanogênicas. Segundo Chernicharo (2007) os microrganismos produtores de metano têm um crescimento ótimo na faixa de ph entre 6,6 e 7,4. Estes valores foram menores que os obtidos por Barana (2000), onde foi registrado o ph entre 7,56 e 8,21, na fase metanogênica. Como o presente trabalho foi realizado em temperatura ambiente, as variações observadas foram de 26,67 C até 28,37 C, conforme pode ser observado no Quadro 1. Isto representa temperaturas sub-ótimas, como descrito por Chernicharo (2007), em que o crescimento e a atividade bacteriana são sensivelmente reduzidos. O autor também alerta sobre a atividade bacteriana que diminui 11% a cada 1 C, para digestores operados a temperaturas abaixo de 30 C. Na temperatura de 26,67 C, isto é, 3,33 C abaixo da faixa ótima pode-se esperar uma atividade pelo menos 36,63% menor que em condições ideais. Outras variáveis importantes para acompanhamento de reatores anaeróbios são a acidez volátil, a alcalinidade total e a relação AV/AT. A acidez volátil mede a concentração de radicais ácidos que a amostra possui e, assim, a sua resistência em permitir a elevação do ph, quando uma base é adicionada; é utilizada como uma estimativa da quantidade de ácidos voláteis presentes no reator. Já a alcalinidade total é a capacidade de uma amostra em neutralizar ácidos, devido à concentração de radicais alcalinos presentes, sendo utilizada como uma estimativa da capacidade tampão do reator. A relação acidez volátil/alcalinidade total (AV/AT) é utilizada como estimativa do estado do processo de digestão (Feiden, 2001). Segundo Silva, apud, Feiden(2001) a relação AV/AT é a chave para o sucesso de uma boa digestão anaeróbia. Os ácidos voláteis (acético, propiônico e butírico), além de serem utilizados como substrato pelas bactérias, podem também funcionar como inibidores, uma vez que para valores baixos de ph se formam preferencialmente as formas não ionizadas, as quais podem penetrar na membrana celular (GONÇALVES, 1988). Os efeitos da acumulação dos ácidos voláteis manifestam-se principalmente ao nível da população metanogênica (POHLAND, 1992), sendo o ácido propiônico o mais tóxico para este grupo de bactérias. De acordo com ANDERSON et al. (1980) os valores de acidez voláteis que promovem a instabilidade no processo inicia em BARFORD (1988) comenta que os reatores operam normalmente nas concentrações entre 2000 a 3000, sendo desejável que se mantenha valores inferiores a 500. Já SOUZA (1984), citado por BARANA (1995) afirma que os reatores tornam-se instáveis com valores de acidez entre 6000 e Os resultados obtidos para acidez volátil, alcalinidade total e relação AV/AT estão relacionados no Quadro 1. Verifica-se que o valor médio de acidez volátil no reator metanogênico ocorre um decréscimo a medida em que aumentava a carga

8 para concentração de 12,5% (M), 2352 para concentração de 25% (M) e 2198 para concentração de 50% (M) e a alcalinidade total variou de 1410,5 para concentração de 50% (M) até 1700 para concentração de 18% (M). Já a relação AV/AT, na fase metanogênica ficou entre 1,52 para a concentração de 25% (M) e 2,12 para 18% (M). Barana (2000), realizou estudos com e sem correção de ph no afluente. Sem correção, obteve valores de acidez volátil entre e e alcalinidade total variando de a 7.500, com relação AV/AT de 0,35 a 8,17. Discutir a importância da relação av/at Remoção dos sólidos totais e voláteis. Os resultados das análises dos sólidos totais (ST) e sólidos voláteis (SV) são demonstrado Quadro 2 e é verificado que a taxa de remoção de ST pelo sistema de tratamento ficou entre 44,92% para a concentração de 18% (M) e 70,58% para 50% (M). Nas Figuras 1 e 2, representa o comportamento dos Sólidos Totais e Voláteis de entrada e saída do sistema. Quadro 2: Resultados dos sólidos totais (ST) e sólidos voláteis (SV) e suas respectivas taxas de redução. Sólidos Totais Sólidos Voláteis Concentração manipueira(m) + H 2 O TRH dia Afluente Efluente Redução % Afluente Efluente Redução % Sistema de Tratamento Acidogênico+Metanogênico (Volume = 21,07L) 87,5% de H 2 O + 12,5% de 82% de H 2 O + 18% de 75% de H 2 O + 25% de 50% de H 2 O + 50% de 4 3,42 1,57 51,51 1,62 1,01 47, ,76 8,68 44,92 12,51 3,38 72, ,25 10,08 50,20 15,51 4,09 73, ,69 9,57 70,58 25,35 4,42 85,67 Comportamento dos Sólidos Totais Entra da Saída Concentração de (%) Figura 1: Comportamento dos Sólidos Totais Para os SV, ocorreram reduções maior 72,98% para a concentração de 18% (M) 58

9 e 85,67% para a 50% (M), porém para 12,5% a diminuição observada foi mais suave, de cerca de 47,06%. No processo ocorreu reduções de sólidos totais e sólidos voláteis. Isto indica o efeito da capacidade interna de decantação do reator UASB, que foi desenhado para reter sólidos, particularmente, a biomassa bacteriana ativa do reator Comportamento dos Sólidos Voláteis Entrada Saída Concentração de (%) Figura 2: Comportamento dos sólidos voláteis. Produção de biogás Os resultados da produção de biogás são apresentados no Quadro 3. Neste trabalho somente foi quantificado o volume de biogás produzido no reator metanogênico, e o teste da geração de metano que foi através do método da queima do gás e a verificação da chama azul. Quadro 3: Produção de biogás. Produção de Biogás Rendimento (L Biogás por L) Concentração manipueira(m) + H 2 O TRH dia Volume L Substrato L L -1 Reator Metanogênico (Volume = 15,8L) 87,5% de H 2 O + 12,5% de 82% de H 2 O + 18% de 75% de H 2 O + 25% de 50% de H 2 O + 50% de 3 0,31 0, ,408 0, ,877 0, ,28 1,85 59

10 A produção diária de biogás está relacionada com a concentração do substrato, onde nota-se no Quadro 3, que, ao elevar a quantidade de manipueira, aumentou o volume de biogás, onde a maior produção foi de 1,85LL -1 para a concentração de 50% (M) e um rendimento de 1,85L de manipueira para cada litro de substrato. O mesmo comportamento foi relatado por Barana (1995). Conclusão Conclui-se que: Houve adaptação dos microorganismos envolvido no processo de digestão anaeróbia com o substrato; Após a mistura com manipueira ocorreu à necessidade de corrigir o ph; Houve a produção de biogás que variou de acordo com as concentrações de manipueira, 0,31L para 12,5% de manipueira à 1,877L para 25% de manipueira; O sistema mostrou-se eficiente na redução de sólidos totais que ficou em média 48,88% e voláteis 64,56%, O sistema de tratamento é capaz de reduzir à demanda de lenha pelas casas de farinha. Referencias bibliográficas ANDRADE NETO, C. O.; CAMPOS, J. R. Introdução. In: CAMPOS J. R. Tratamento de esgoto por processo anaeróbio e disposição controlada no solo. Rio de Janeiro: ed. PROSAB, 1999, p APHA AMERICAM PUBLIC HEALTH ASSOCIATION. Standard methods for examination of water and wastewater. 18º. ed. Washington, BARANA, A.C. Estudo de carga orgânica de manipueira na fase metanogênica de reator anaeróbio de fluxo ascendente e leito fixo. Botucatu, p. Dissertação (Mestrado em Agronomia/Energia na Agricultura) Faculdade de Ciências Agronômicas, Universidade Estadual Paulista, UNESP. BARANA, A.C. Avaliação de tratamento de manipueira em biodigestores fase acidogênica e metanogênica. Botucatu, p. Tese (Doutorado em Agronomia/Energia na Agricultura) Faculdade de Ciências Agronômicas, Universidade Estadual Paulista, UNESP. CHERNICHARO, C.A. de L. Princípios do tratamento biológico de águas residuárias: Reatores Anaeróbios. Vol.5. 2ª Ed.pag.308. Belo Horizonte: Departamento de engenharia Sanitária e Ambiental, CORDEIRO, G. Q. Tratamento de manipueira em reator anaeróbio Compartimentado. São José do Rio Preto, p. Dissertação (Mestrado em /Ciência e Tecnologia de Alimentos) - Campus de São José do Rio Preto, Universidade Estadual Paulista, UNESP. FEIDEN, ARMIN. Tratamento de águas residuárias de indústria de fécula de mandioca através de biodigestor anaeróbio com separação de fases em escala piloto. Botucatu, p. Tese (Doutorado em /Energia na Agricultura) Faculdade 60

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