Palavras-chave: Tratamento de efluente, tratamento anaeróbio, reator anaeróbio.

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1 Operação de um filtro anaeróbio preenchido com espuma de poliuretano para remoção de matéria orgânica de efluente de uma indústria processadora de produtos cárneos Silvia Caroline Mariot (Curso de Engenharia Civil/ UEPG) Bianca Paola Comin (Curso de Engenharia Civil/ UEPG) Maria Magdalena Ribas Döll (Universidade Estadual de Ponta Grossa) Ana Claudia Barana (Universidade Estadual de Ponta Grossa) Resumo: O presente artigo trata da operação de um biorreator anaeróbio de fluxo ascendente e avaliação de seu desempenho através de análises físico-químicas. Busca-se tratar o efluente de uma indústria processadora de produtos cárneos na região de Carambeí PR, atingindo-se como resultado, no mínimo, o permitido para o padrão de lançamento constante na Licença de Operação da indústria. Visa-se, com esta pesquisa disseminar o tratamento anaeróbio como uma forma eficaz de remoção de carga orgânica. Palavras-chave: Tratamento de efluente, tratamento anaeróbio, reator anaeróbio. 1. Introdução No Brasil, o consumo de carne processada é aproximadamente 82 kg/hab.ano e é parte da dieta brasileira. Para suprir o mercado interno e externo, a produção de 14 milhões de toneladas por ano está concentrada no centro-oeste, sudeste e sul do Brasil. No Paraná, a região de Ponta Grossa tem pelo menos dois grandes abatedouros e indústrias processadores de carne instalados. Estas geram resíduos como restos de carcaças que são usadas como matéria prima para produção de substâncias flavorizantes para ração animal. Um dos principais subprodutos gerados durante o processamento de carne é um efluente com alta concentração de nutrientes e de difícil degradação, que é liberado, após tratamento, em corpos hídricos. Porém, o tratamento nem sempre é eficiente. O tratamento anaeróbio deste efluente pode reduzir os problemas causados em rios e corpos d água contaminados pela matéria orgânica, o que provavelmente melhorará a qualidade de vida da população ribeirinha e ao redor dessas indústrias. Considerando o exposto, neste trabalho foi avaliado o desempenho de um filtro biológico de fluxo ascendente preenchido com espuma de poliuretano operado em temperatura ambiente quanto à remoção de matéria orgânica tratando efluente de uma indústria processadora de produtos cárneos, que produz palatabilizante para ração animal. Este trabalho tem por objetivo avaliar o desempenho de um reator anaeróbio de fluxo ascendente na remoção de matéria orgânica de efluente de uma indústria processadora de produtos cárneos, que utiliza como matéria prima o subproduto do abate de suínos, frangos e

2 perus. A geração de resíduos, fator inerente a qualquer atividade, mostra-se expressiva na atividade das indústrias ligadas ao processamento de subprodutos cárneos pelo volume e teor de matéria orgânica de seus despejos. Esses efluentes, quando lançados diretamente em rios, podem levar a um desequilíbrio da vida aquática pela desoxigenação da água. O tratamento anaeróbio consiste num processo biológico, no qual um consórcio de diferentes tipos de microrganismos, na ausência de oxigênio molecular, promove a transformação de compostos orgânicos complexos carboidratos, proteínas e lipídios em produtos mais simples como metano e gás carbônico (CHERNICHARO et al, 2001). Segundo Arruda, 2004, a parcela do material orgânico presente no substrato convertida em biogás equivale a cerca de 50 a 90% e, cerca de 5 a 15% desse material é convertida em biomassa microbiana, tornando-se, então, parte constituinte do lodo do sistema. Sistemas anaeróbios apresentam custos capitais e operacionais mais baixos, se comparados a sistemas aeróbios convencionais, tendo, também, a vantagem de suportar maiores cargas orgânicas e possibilidade de utilização de gás metano. Sendo, portanto, uma alternativa viável para o tratamento de águas residuárias (PUKASIEWICZ, 2010). Apesar das vantagens expostas, o tratamento anaeróbio apresenta inconvenientes, como o longo período de partida do sistema e a sensibilidade à mudanças de condições ambientais, como ph, temperatura, e sobrecargas orgânicas e hidráulicas (PUKASIEWICZ, 2010). A biodigestão anaeróbia é afetada por diversos fatores. Além dos abaixo citados, fatores como carga orgânica, condutividade elétrica, presença de elementos de natureza tóxica, tempo de residência do substrato no reator, composição do substrato, tamanho das partículas,. podem interferir no processo. O crescimento microbiano na digestão anaeróbia é influenciado pela temperaura, mas os microrganismos não possuem meios paracontrolar sua temperatura interna que é, então, determinada pela temperatura externa do ambiente (CHERNICHARO, 1997). Van Handel e Lettinga (1994), dizem que variações bruscas são mais prejudiciais à digestão anaeróbia que as baixas temperaturas, pois alguns tipos de bactérias são sensíveis à mudança de temperatura. A faixa ótima para o crescimento das bactéria produtoras de metano é entre ph 6,6 e 7,4. O ph ótimo depende do tipo de microrganismo e o tipo de substrato (CHERNICHARO,1997). Desvios da faixa ótima de ph, se não for devido ao substrato, são consequência da produção e acúmulo de ácidos voláteis, isto ocorre pelo desequilíbrio entre as populações de microrganismos (acidogênicos e metanogênicos) e a alcalinidade total do sistema (MALINA JR; POHLAND, 2003). Um reator anaeróbio opera adequadamente enquanto a relação acidez volátil e alcalinidade (AV/ALC) mantiver-se abaixo de 0,4 (RIPLEY et al. 1986; SEGHEZZO et al, 1998; LEITÃO et al. 2006). Embora o processo de digestão anaeróbia seja simplificadamente considerado como de duas fases, este pode ser subdividido em quatro fases principais, como a Hidrólise, Acidogênese, Acetogênese e Metanogênese 1.1. Filtro biológico anaeróbio de fluxo ascendente O filtro biológico contém no seu interior um enchimento de materiais inertes, como: pedras, plástico ou bambus, que serve de leito para passagem do esgoto (RAJESHWARI et al., 2000). O efluente escorre através do leito, propiciando o desenvolvimento de uma população biológica que se acumula sobre o substrato do filtro sob forma de uma película de lodo, no interior do qual vivem microrganismos anaeróbios, que consomem a matéria orgânica, ou

3 seja, decompõem a matéria orgânica obtendo-se o efluente tratado (PEREIRA-RAMIREZ et al., 2001; MANCUSO, 2003). O filtro anaeróbio tem sido combinado com outros tipos de tratamento anaeróbio para remoção da matéria orgânica para reter elevada concentração de biomassa no meio suporte. Mas, os estudos de Beux et al (2007) e Pukasiewicz (2010) mostram que os filtros anaeróbios são responsáveis por apenas uma remoção de 60% de demanda química de oxigênio (DQO). Campos et al (1986) relataram o desempenho de um filtro anaeróbio com o cascalho como meio de suporte, e, mostrou eficiências de DQO de remoção de cerca de 80% em uma carga orgânica de 1,4 g DQO por litro por dia e tempo de detenção hidráulica (TDH) de 13 h. Carlos et al. (2011) analisou a remoção de matéria orgânica por um reator anaeróbio, com espuma de poliuretano como meio suporte, com substrato de processamento de produtos cárneos e apresentou 76,2% e 71,0% para os TDH de 4 e 2 dias respectivamente de remoção média de DQO. Por esta razão, o filtro de fluxo ascendente é uma boa alternativa para DQO e remoção de nutrientes. 2. Materiais e métodos O experimento foi desenvolvido no Laboratório de Instalações Hidráulicas e Saneamento do Departamento de Engenharia Civil da Universidade Estadual de Ponta Grossa (UEPG). Os dados do monitoramento dos reatores anaeróbios de fluxo ascendente foram obtidos no período entre 18/02/2013 e 05/08/ Substrato O substrato utilizado neste estudo foi cedido pela FOCAM, indústria que produz palatabilizante para ração animal e que trabalha com os subprodutos sólidos da Brasil Foods, em Carambeí, Paraná. Durante o processamento do palatabilizante, penas, vísceras e carcaças são submetidas à altas pressões e temperaturas, e posteriormente prensadas, gerando a farinha e a gordura. Durante o processamento do palatabilizante ocorre a geração do efluente, principalmente provenientes da lavagem do piso da fábrica e equipamentos. A referida empresa gera 240 m³.d -1 de efluente bruto, com DQO de aproximadamente mg.l -1 e óleos e graxas antes do tratamento primário. O substrato utilizado no presente experimento foi o efluente coletado após as etapas de remoção de óleos de gorduras e flotação por ar dissolvido. (PUKASIEWICZ, 2010). O afluente foi coletado e armazenado em galões sob refrigeração, em aproximadamente 5 C. Alguns lotes coletados apresentaram dados para ph muito baixos, o que traria danos à biomassa. Portanto, o ph destes lotes era corrigido com a adição de bicarbonato de sódio NaHCO 3 ) antes de abastecerem o reator. Ensaios prévios com três reatores tipo filtro anaeróbio que foram operados por 180 dias em outros projetos e que estavam um ano sem alimentação foram realizados na expectativa de ser desnecessário a construção de um novo reator e nova inoculação e adaptação Operação dos reatores preexistentes Pesquisas realizadas no período de julho/2010 a agosto/2011 utilizaram biorreatores com o mesmo dimensionamento e o mesmo meio suporte para biomassa que os utilizados neste projeto. Estes reatores foram alimentados em um sistema de bateladas, com um TDH de 48 horas, e monitoramento do efluente ao fim de cada batelada Construção e inoculação Após resultados insatisfatórios de remoção da carga orgânica pelos reatores já existentes, a construção de um novo filtro biológico foi considerada. A construção do reator foi feita com

4 tubulação de PVC, de 100 mm de diâmetro e 310 mm de altura. No topo do reator, e na parte frontal inferior e superior mangueiras de silicone de 5 mm de diâmetro foram instaladas para captação do biogás, entrada de afluente e saída de efluente, respectivamente. Os pontos de amostragem intermediários foram desprezados na construção do reator, porém, constavam com dimensionamento do mesmo. O filtro biológico foi preenchido com espuma de poliuretano cortada em cubos de, aproximadamente, 30x30 mm. A inoculação foi feita com lodo anaeróbio cedido de empresa Femsa, em 30% do volume útil do reator, cerca de 435 ml. O lodo foi misturado com as espumas e, em seguida reator foi preenchido por água e permaneceu assim pelas primeiras 24 horas. Na Figura 1 está apresentado o filtro escala de bancada que foi construído para tratamento de água residuária da empresa de produtos cárneos. Figura 1 - Biorreator constituinte do sistema de tratamento em escala de bancada para produção de biogás e remoção de carbono Processo de partida A partida do reator foi lenta. O filtro foi alimentado inicialmente em bateladas, com um TDH de 16 dias, e após este primeiro TDH, os próximos foram sendo diminuídos conforme resultados e estabilização da remoção de matéria orgânica. Tabela 1 Condições operacionais do experimento Período TDH (dias) Adição NaHCO 3 (g/volume de alimentação) Adição NaHCO 3 (g. l -1 ) Volume de alimentação (ml. dia -1 ) Tempo de operação Sistema % Água %Afluente Lote de substrato 27/mar a 18/abr dias Bateladas º

5 19/abr a 14/mai 10 0,5 3, dias Bateladas º 15/ mai a 04/jun 5 1,0 3, dias Bateladas º 05/jun a 11/jun 1,5 3,4 75 dias Bateladas º 3, /jun a 10/jul 20 46,0 104 dias Bateladas º 10/jul a 15/jul 1, dias Contínuo º 16/ jul a 05/ago 1, dias Contínuo º Após 10 de julho o sistema começou a ser alimentado continuamente por meio de uma bomba peristáltica Análises químicas Para monitorar a eficiência do tratamento durante todas as fases experimentais, as seguintes análises foram realizadas: ph; DQO; sólidos totais, fixos e voláteis; condutividade elétrica; acidez volátil; e alcalinidade total e parcial. Todas as análises seguiram a metodologia de APHA (2000), exceto a alcalinidade e acidez volátil que foram realizadas de acordo com Dilallo & Albertson (1961) e Ripley et al (1986). O volume de biogás foi medido por deslocamento de líquido (BARANA, 2000). 3. Resultados e discussões Neste capítulo serão apresentados os resultados das análises do afluente e efluente do filtro biológico de fluxo ascendente, englobando todos os parâmetros analisados. 3.1 Caracterização do substrato Os resultados das análises de cada lote de substrato coletado na empresa Focam estão compilados e apresentados na Tabela 2 Tabela 2 Caracterização dos lotes de substrato utilizados na fase de adaptação do reator anaeróbio Lote 1 Lote 2 Lote 3 Condutividade (ms.cm -1 ) 7,89 6,38 3,71 ph 5,48 4,26 5,06 Alcalinidade total (mgcaco3. l -1 ) 4,82 4,81 1,5 Acidez (mg. l -1 ) 2,26 1,77 2,46 DQO (mg. l -1 ) 1290, , ,8 Sólidos totais (g. l -1 ) , Sólidos voláteis (g. l -1 ) , ,0 Sólidos fixos (g. l -1 ) ,72 900,0 Observa-se grande variação das características da água residuária, uma vez que depende da matéria prima que estiver sendo processada e dos produtos usados. Os resultados da caracterização de Beux et al (2007) e Pukasiewicz (2010) também mostraram a grande variação Resultados obtidos nos ensaios prévios dos reatores preexistentes Na Tabela 3 constam os valores da remoção de matéria orgânica dos três primeiros reatores.

6 Tabela 3 Valores de DQO de entrada e saída e remoção do substrato e efluente em função do máximo tempo de operação dos filtros. Reator 1 Reator 2 Reator3 Tempo de operação 21 dias DQO afluente (mg.l) 12021,3 DQO efluente (mg,l) 11923, ,5 9208,5 Remoção (%) 0, , ,39656 Pela tabela 3 observa-se que mesmo alimentando os reatores a cada 24h, a biomassa não respondeu desejavelmente ao tratamento, o que se deve ao grande período cuja ficou sujeita à falta de alimentação Análises de monitoramento do filtro anaeróbio Na Figura 2 constam os valores médios, de cada fase, de ph do afluente diluído ou corrigido com bicarbonato de sódio e do efluente, conforme a fase. Figura 2 Valores médios de ph do substrato e efluente em função da fase de operação do filtro. Na Figura 3 constam os valores médios da condutividade elétrica do efluente e afluente diluído ou corrigido com bicarbonato de sódio, conforme a fase.

7 Figura 3 Valores da condutividade elétrica médios de cada fase em função da fase de operação do filtro. Os altos valores para condutividade do afluente e efluente no período entre a segunda e quarta fases, nesta principalmente, se deve à adição do bicarbonato de sódio. Na quinta e sexta fases, o substrato passou a ser diluído, logo os valores da condutividade afluente diminuíram bastante, porém, a adição do sal nas fases anteriores foi tanta, que no efluente ainda pode-se notar a alta condutividade. O gráfico da Figura 4 expõem os valores de concentração da DQO de entrada e saída do filtro, em relação ao tempo de operação. Assim como em outros parâmetros, as medidas de DQO diminuíram nas duas últimas fases, devido à diluição do, comprovando que quanto maior o tempo de adaptação da biomassa ao substrato, maior será o seu desempenho. Segundo Chernicharo, 1997, o tratamento anaeróbio pode ser considerado satisfatório quando apresenta valores para remoção de matéria orgânica acima de 65%, logo, os resultados encontrados foram satisfatórios somente em poucos períodos de operação, podendo ser considerado, como um todo, insatisfatório. A maior remoção da DQO foi de 73,8%, o que equivale à uma carga orgânica de 1075,20 mg.l-1, o que mostra que será necessário um tratamento complementar deste efluente, já que o padrão de lançamento da DQO para esta indústria seja de 125 mg.l-1, estabelecido pelo Instituto Ambiental do Paraná (IAP) e constante na Licença de Operação da indústria. Já esta sendo projetado, em escala de bancada um sistema que irá operar em conjunto à este reator, afim de complementar o tratamento. Este sistema será composto por um filtro aeróbio e um anóxico, ambos de fluxo ascendente, mais o anaeróbio que é apresentado neste artigo. Figura 4 Valores da DQO, em função do tempo de operação do filtro. As Figuras 5, 6, e 7 demonstram os valores médios, de cada fase, de alcalinidade total, parcial e acidez volátil do afluente e do efluente, respectivamente.

8 Figura 5 Valores médios da alcalinidade total, em função das fases do experimento. Figura 6 Valores médios da alcalinidade parcial, em função das fases do experimento.

9 Figura 7 Valores médios da acidez volátil, em função das fases do experimento. Em relação à acidez volátil, pode-se dizer que pouca foi a diminuição desta, se compararmos os valores afluentes e efluentes. Porém, na maioria das fases, houve aumento da alcalinidade total, o que é um resultado positivo, já que a alcalinidade mostra a quantidade de íons bicarbonatos liberados durante a digestão. Nas Figuras 8, 9 e 10 estão expressos os valores médios de cada fase, de sólidos totais voláteis e fixos, respectivamente, do afluente e do efluente. Figura 8 Valores médios da dos sólidos totais, em função das fases do experimento.

10 Figura 9 Valores médios da dos sólidos voláteis, em função das fases do experimento. Figura 10 Valores médios da dos sólidos fixos, em função das fases do experimento. 7. Conclusões De acordo com os objetivos propostos, pode-se concluir que: O sistema anaeróbio se mostrou eficiente em poucas fases, o que mostra que o sistema ainda não é adequado para o tratamento do efluente da Focam; Apesar de ter apresentado um desempenho de até 73% na remoção de matéria orgânica, cabe lembrar que a diluição do efluente não será realizada na indústria, inviabilizando ainda mais a implantação do sistema proposto. Agradecimentos Aos meus colegas de laboratório e ao Cícero, pelo preparo das soluções e ajuda na utilização de equipamentos. À minha família, e ao Philipe pelo apoio e à minha orientadora, Profª Drª Maria Magdalena, pela orientação e amizade. Ao CNPq, pela bolsa de iniciação científica. Ao Departamento de Engenharia de Alimentos pela colaboração nas pesquisas e análises. À empresa FOCAM, pela disponibilização de dados e efluente. À IFS (International Foundation

11 for Science) pelo financiamento do projeto de pesquisa. 8. Referências bibliográficas CHERNICHARO, C. A. L. Princípios do Tratamento Biológico de Águas Residuárias, vol 5: Reatores Anaeróbios, Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental. UFMG. Belo Horizonte/MG, p. PUKASIEWICZ, S. R. M.. Biodigestão anaeróbia para tratamento do efluente do processamento de resíduos de indústria de produtos cárneos. Dissertação. Mestrado em Ciência e Tecnologia de Alimentos, Universidade Estadual de Ponta Grossa LEITÃO R. C.; VAN HAANDEL, A. C.; ZEEMAN, G., LETTINGA, G. The effects of operational and environmental variations on anaerobic wastewater treatment systems. A review. Bioresource Technology, v.97, n.9, p , MALINA JR, R. F.; POHLAND, F. G. Design of anaerobic processes for the treatment of insdustrial and municipal wastes. Water Quality Manegement Library, v.17, RIPLEY, L.E.; BOYLE, W. C.; CONVERSE, J. C. Improved alkalimetric monitoring for anaerobic digestion of high-strength wastes. Journal Water Pollution Control Federation, v.58, n.5, p , SEGHEZZO, L.; ZEEMAN, G.; LIER, J. B.; HAMELERS, H. V. M.; LETTING, G. A review: The anaerobic treatment of sewage in UASB and EGSB reactors. Bioresource technology, v.65, n.3, p , RAJESHWARI, K. V.; BALAKRISHNAN, M.,KUSUM LATA, K. A.; KISHORE, V. V. N., State-of-theart of anaerobic digestion technology for industrial wastewater treatment. Renewable and Sustainable Energy Reviews, v.4, n.2, p , PEREIRA-RAMIREZ, O. ANTUNES, R. M., QUADROS, M. S., KOETZ, P. R. Pós-tratamento de efluentes de reator UASB com filtros anaeróbios. Revista Brasileira de Agrociência, v.7, n. 3, p , 2001 MANCUSO, P. C. S. Tecnologia de reúso da água. Barueri: Manole, P BEUX, S., NUNES, E., BARANA, A. C. Effect of temperature on two-phase anaerobic reactors treating slaughterhouse wastewater. Brazilian Archives of Biology Technology, v.50, n.6, p , ARRUDA, V. C. M., Tratamento anaeróbico de efluentes gerados em matadouros de bovinos f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) Universidade Federal de Pernambuco UFPE, Recife PE, SILVA, T. N.; CAMPOS, L. M. S. Avaliação da produção e qualidade do gás do Aterro para energiano aterro sanitário dos Bandeirantes SP. Engenharia Sanitária e Ambiental, v.13, n.1, p , APHA-AWWA. Stadart Methods For The Examinaton Of Water Na Wastewater. 20th ed., Washington, DC, USA: American Public Health Association, RIPLEY, L. E.; BOYLE,W. C.; CONVERSE, J. C., Improved alkalimetric monitoring for anaerobic digestion of high-strengh wastes. Journal Water Pollution Control Fedration, v.58, n.5, p , FAGUNDES, T. S., Uso de polímero Natural a Base de Amido como Auxiliar na floculação no pós-tratamento de efluentes UASB com Flotação por Ar Dissolvido. Monografia. Curso de Engenharia Ambiental, Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo

12 9. Anexos Anexo 1 Esquema do sistema de tratamento em escala de bancada para produção de biogás e remoção de carbono.