III EFEITOS ESCALA E CLIMA NO PROCESSO DE COMPOSTAGEM EM REGIÃO SUBTROPICAL

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1 III-71 - EFEITOS ESCALA E CLIMA NO PROCESSO DE COMPOSTAGEM EM REGIÃO SUBTROPICAL Mariza Fernanda Power Reis (1) Engenheira Química pela Universidade Pontifícia Católica (RS). Mestre em Recursos Hídricos e Saneamento pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Engenheira Química do Departamento Municipal de Limpeza Urbana de Porto Alegre. Doutoranda em Recursos Hídricos e Saneamento pela Universidade Federal do rio Grande do Sul. Francisco Ricardo Andrade Bidone Doutor em Engenharia Civil, área de concentração Hidráulica e Saneamento, pela Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo. Professor Adjunto do Instituto de Pesquisas Hidráulicas da UFRGS. Coordenador da equipe de pesquisadores de resíduos sólidos do PROSAB. Gino Roberto Gehling Engenheiro Civil pela Universidade Católica de Pelotas. Especialização em Engenharia Ambiental pelo Institut Catalá de Tecnologia, Barcelona- Espanha. Mestre em recursos Hídricos e Saneamento pelo IPH/UFRGS. Doutor em Engenharia Ambiental pelo Instituto de Tecnologia y Modelización Ambiental de la Universidad Politécnica de Catalunya- Espanha. Professor adjunto do IPH-UFRGS. Pesquisador da equipe de resíduos sólidos do PROSAB Endereço (1) : Rua Jenor Cardoso Jarros, Jardim Sabará - Porto Alegre - RS - CEP: Brasil - Tel: (51) ramal Fax: (51) marizareis@dmlu.prefpoa.com.br RESUMO A compostagem tem sido utilizada como uma das formas de reciclagem da matéria orgânica, podendo ser definida como um processo aeróbio de decomposição biológica e estabilização da matéria orgânica em condições que permitam o desenvolvimento de temperaturas termofílicas (controladas para não ultrapassarem valores máximos em torno de 65ºC) resultantes de uma produção calorífica de origem biológica, com obtenção de um produto final estável, higiênico, rico em compostos húmicos e cuja utilização, no solo, não ofereça riscos ao meio ambiente. A leira de compostagem deve registrar temperaturas de a ºC até os primeiros 3 (trinta) dias, propiciando o desenvolvimento de uma população microbiana diversificada, aumento da taxa de decomposição da matéria orgânica e eliminação de microorganismos patogênicos, entre outros. Elevados teores de umidade promovem a aglutinação de partículas e diminuição da resistência estrutural da leira, restringindo sobremaneira a difusão de oxigênio. Este fato reduz a temperatura média da leira para a faixa mesofílica de 2 à ºC, e a concentração de oxigênio para valores menores que 5%. Dada a grande importância do controle da umidade e da temperatura nos processos de compostagem e, principalmente, por tratar-se aqui de uma região de baixa temperatura ambiente e períodos de intensas precipitações pluviométricas, partiu-se para estudos de compostagem de resíduos orgânicos codispostos, com a finalidade de proporcionar uma aceleração ao processo. Alterações nas dimensões das leiras foram realizadas em virtude dos aspectos climáticos, chegando-se a algumas conclusões ao final dos experimentos. Este estudo objetivou verificar a performance do processo de compostagem em vista do desenvolvimento da temperatura e umidade em leiras em diferentes tamanhos e períodos climáticos. Este trabalho mostrou que o desenvolvimento do processo de compostagem é afetado pelas condições climáticas (precipitações e temperatura ambiente) e pela configuração geométrica das leiras. PALAVRAS-CHAVE: Compostagem, Fase Termofílica, Teor de Umidade, Reviramento da Leira, Aeração. INTRODUÇÃO A compostagem pode ser considerada uma alternativa de tratamento da matéria orgânica presente em resíduos sólidos. Neste processo, ocorre normalmente a decomposição aeróbia dos constituintes orgânicos que produz calor o qual é mantido no sistema dependo de fatores físicos como capacidade de retenção de calor, radiação e convecção (HAUG in: SIROKA,1983). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 A degradação biológica da matéria orgânica é acompanhada principalmente pelo controle da temperatura, como um dos fatores principais da performance da compostagem. É o fator mais indicativo do equilíbrio biológico na massa de compostagem, o que reflete a eficiência do processo. A compostagem deve registrar temperaturas de a ºC, até os primeiros 3(trinta) dias, como indicador de condições satisfatórias de equilíbrio no seu ecossistema. A compostagem moderna está associada ao desenvolvimento de temperaturas termofílicas, controladas na faixa de 55ºC, que garante uma série de vantagens como: desenvolvimento de uma população microbiana diversificada, aumento da taxa de decomposição da matéria orgânica e eliminação de microorganismos patogênicos, ervas daninhas, ovos de parasitas, larvas de insetos (PEREIRA NETO, 1995). A compostagem cessa quando algum nutriente essencial é limitado ou exaurido. Depois do material carbonáceo, o nitrogênio é o maior nutriente requerido pelos microorganismos, seguido pelo fósforo, potássio, magnésio, enxofre, cálcio e outros metais traço. A umidade é uma variável muito importante a ser controlada no processo de compostagem, sendo ideal na faixa de 55%, pois evita-se desta forma a decomposição anaeróbia. A umidade constitui-se no único meio de transporte para solubilizar o substrato, quanto para eliminar o material residual digerido. Elevados teores de umidade promovem a aglutinação de partículas, o que baixa a resistência estrutural da leira, restringindo sobremaneira a difusão de oxigênio. Este fato reduz a temperatura média da leira (para faixa mesofílica de 2 à ºC) e a concentração de oxigênio para valores menores que 5% (PEREIRA NETO, 1999). O teor de umidade em leiras de compostagem pode ser afetado por vários fatores, tais como: tipo de resíduo utilizado, aeração, temperatura de compostagem e pluviosidade. Este parâmetro de controle operacional pode ser utilizado como indicador de decomposição, principalmente em processos de aeração por reviramento, processo windrow. No processo de remoção da água do substrato em decomposição, o calor é perdido concomitantemente. Normalmente, a vaporização é o mecanismo principal de perda de calor. (SIKORA, 1983). LELIS et all (1999) observou que a manutenção do teor de umidade na faixa considerada como ótima (45 à 55ºC), objetivando a maximização da velocidade de degradação e a redução dos impactos ambientais associados ao processo, bem como a eliminação de organismos patógenos, pode ser obtida mediante um simples controle operacional, através de aeração e correção da umidade. O desenvolvimento de temperaturas em sistemas de compostagem na faixa termofìlica (55 à ºC) depende principalmente dos fatores citados acima, como nutrientes, umidade e aeração. E a manutenção desta faixa é realizada, principalmente, através de reviramentos, reposição ou retirada da umidade. Portanto, a temperatura e a umidade são os principais parâmetros de controle operacional do processo de compostagem. Sendo que o desenvolvimento das temperaturas neste processo interfere diretamente na umidade do substrato em decomposição. Dada a grande importância do controle da umidade e da temperatura nos processos de compostagem e, principalmente, por tratar-se aqui de uma região de baixas temperaturas ambiente e períodos de intensas precipitações pluviométricas, partiu-se para estudos de compostagem de resíduos orgânicos codispostos, com a finalidade de proporcionar uma aceleração ao processo. No entanto, foi necessário adotar-se alterações nas dimensões das leiras, em virtude dos aspectos climáticos, chegando-se a algumas conclusões ao final dos experimentos. DEVENS (1995) menciona em seu trabalho que leiras de menores alturas, conjugadas a menores larguras proporcionam um aumento considerável na relação da área de exposição e o volume da matéria, causando maior perda de calor por evaporação e maior perda de umidade. O presente estudo apresenta os resultados obtidos de observações dos parâmetros operacionais temperatura e umidade em leiras de diferentes tamanhos e períodos climáticos. A decomposição metabólica da matéria orgânica gera calor e normalmente este é removido do sistema por evaporação. Portanto, a secagem da massa em compostagem é esperada. A diminuição da temperatura ao longo do tempo pode ser um indicativo de que o processo esta se desenvolvendo adequadamente, pois estaria havendo menor geração de calor, já que haveria cada vez menos resíduo a ser decomposto.. No entanto, os resultados do presente estudo mostram que nem sempre esta observação é verdadeira, principalmente em regiões de clima frio e chuvoso. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 MATERIAIS E MÉTODOS Os substratos orgânicos utilizados na presente pesquisa foram os resíduos de podas urbanas picados, resíduos orgânicos da CEASA (Companhia Estadual de Abastecimento Sociedade Anônima), lodos de esgoto de estações de tratamento de esgotos domésticos. Os resíduos de podas, chamados de resíduos verdes (RV) são provenientes da Central de Podas do DMLU (Departamento Municipal de Limpeza Urbana de Porto Alegre), os resíduos da CEASA (RC) são provenientes da Companhia Estadual de Abastecimento e os lodos (L) anaeróbios/aeróbios provenientes de leitos de secagem das estações de tratamento do DMAE (Departamento Municipal de Águas e Esgoto de Porto Alegre). Para a execução desta pesquisa foram montados experimentos em três fases distintas. Na primeira fase foram montadas 9 (nove) leiras de compostagem, na segunda e terceira fases foram montadas 5 (cinco) leiras. Nestas últimas fases foram retiradas leiras com elevada proporção de lodo e outras com resultados semelhantes. As proporções utilizadas em cada fase são apresentadas na tabela 1. As leiras da fase 2 continham o dobro da massa da fase 1 e a fase 3 o triplo. Primeiramente foram preparadas as bases das leiras, confeccionadas em caixas de alvenaria revestidas externamente com reboco e internamente com manta de PEBD (polietileno de baixa densidade). Na extremidade da mesma foi colocado um cano para a coleta do percolado gerado nas leiras, sendo que antes deste foi colocado um dreno de brita revestido com bidim para evitar a obstrução na saída dos percolados. Na saída do cano foram colocadas bacias de polietileno para a coleta dos percolados das leiras. A figura1 apresenta o desenho esquemático da base das leiras. As alturas das leiras variaram entre 1,2m à 1,m, dependente das misturas utilizadas. O formato cônico nas leiras, para evitar acúmulo excessivo de umidade nas mesmas, foi utilizado em todos experimentos de compostagem devido ao excesso de chuvas nesta região. As dimensões das bases das leiras são de 2,m x 2,m. 2, metros,3 metros 2, metros Figura 1: Desenho esquemático da base das leiras. Nas fases 1 e 2, não foi realizada a irrigação das leiras devido às intensas precipitações pluviométricas ocorridas nos períodos. O reviramento através de pás e enxadas foi realizado somente quando a temperatura ultrapassava ºC, nestas duas fases. Na fase 3, foi implantada a cobertura com telheiro nas leiras em compostagem para evitar o excesso de umidade devido às chuvas. Nesta fase, foi necessário estabelecer o reviramento sistemático das leiras (uma vez por semana) e a rega com água para ajustar a umidade da massa em compostagem. Os trabalhos de acompanhamento das temperaturas e umidades foram conduzidos no Laboratório de Saneamento Ambiental do Instituto de Pesquisas Hidráulicas, durante os meses de março/1999 à abril/2. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 A avaliação diária da temperatura foi realizada em três pontos de cada leira, no topo, base e centro, controlada por dois termômetros analógicos, bimetálicos e com haste metálica rígida de 1, metros. A umidade foi determinada em laboratório através da análise de uma amostra composta de cada leira, semanalmente, onde cada amostra foi submetida a secagem à 15ºC, durante 24 horas, para a retirada total da água contida na amostra. Tabela 1: Quantidades mássicas dos resíduos nas leiras dos experimentos de compostagem. Leira Massa Fase 1 (kg)* Massa Fase 2 (kg)* Massa Fase 3 (kg)* RV* RC* L* RV* RC* L* RV* RC* L* 1 462,,, 924,,, 16,,, 2 38, 115,, 462, 462,, 772, 773,2, 3 24, 466,, 231, 231, 28, 375, 381, 7, ,, 115, 462,, 269,9 7,, 7, 5 231,, 231, 231, 462, 199, 375,8 766,7 375, , 115, 115, , 231, 115, , 118,2 231, ,2 249,3 252, *Em peso úmido RESULTADOS E DISCUSSÃO Analisando-se os resultados obtidos no acompanhamento do perfil das temperaturas, observa-se que na fase 1, onde cada leira foi construída com aproximadamente meia tonelada, a fase termofílica permaneceu no máximo em 15 dias e a umidade atingiu valores elevados ao longo do tempo, mesmo nas leiras que continham altos teores de resíduo verde ou seja, material carbonáceo (leiras 1 e 2). Ao final do experimento (9 dias), a umidade baixou até valores de 35% em algumas leiras. A figura 2 apresenta o perfil das temperaturas apresentado em uma das leiras da fase 1. Na figura 3 é apresentado o gráfico referente às umidades encontradas nos substratos sólidos das leiras da fase 1 ao longo dos 9 dias de compostagem. Na fase 2, que ocorreu durante o período de inverno (12/7/1999 à 7/1/1999), tentou-se acelerar o processo de biodegradação, para que houvesse a evaporação, que é um indicativo de que a compostagem está na fase termofílica. Portanto, nesta fase foi utilizada uma leira com maior volume (em torno de uma tonelada) e lodo mais ativo, isto é, na fase 1 foi utilizado lodo aeróbio seco em leito de secagem e na fase 2 utilizou-se lodo decantado da mesma estação de tratamento de esgotos. O perfil das temperaturas das leiras foi menos satisfatório, não atingindo em nenhum momento a fase termofílica (Figura 4). A umidade dos substratos sólidos das leiras permaneceram, na maior parte do tempo, na faixa dos 65% aos 75%. Portanto, não adequada ao processo de biodegradação (Figura 5). Na fase 3, que ocorreu no período de 11/11/1999 à 15/4/2, partiu-se para leiras com maiores volumes (1,5 tonelada) e controle da umidade para evitar o excesso de umidade da massa em decomposição. O controle da umidade foi realizado através da cobertura das leiras com telheiro e irrigação com água. A fase termofílica permaneceu até aproximadamente dias, na maioria das leiras (figura 6). A umidade dos substratos sólidos nas leiras desta fase foi mantida na faixa dos % aos %, com valores altos somente no início da compostagem nas leiras constituídas de altos teores de lodo ou resíduos da CEASA que possuem umidade elevada (figura 7). As figuras 8 e 9 mostram, respectivamente, a configuração das leiras montadas no experimento fase 3 e o momento do reviramento semanal com produção de vapor, raramente observado nos experimentos fase 1 e 2. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 7 Temperatura ( C) Tempo (dias) Base Centro Topo Ambien. Figura 2 : Temperaturas Leira 5- Fase 1 Início: 9/3/1999 Término: 11/6/ Umidade (%) L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9 17/3/99 24/3/99 31/3/99 7/4/99 14/4/99 21/4/99 28/4/99 5/5/99 12/5/99 Data Figura 3: Umidade nos substratos sólidos da compostagem Fase 1. 7 Temperatura ( C) Tempo (dias) Base Centro Topo Ambien. Figura 4 : Temperaturas Leira 4- Fase 2 Início: 12/7/1999 Término: 7/1/1999. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 Umidade(%) 8 7 L1 L2 L3 L4 L5 Figura 5:Umidade dos substratos sólidos da compostagem Fase Temperatura ( C) Água (L) Tem po(dias) Irrigação Base C entro Topo Am bien. R e v ira m. Figura 6 : Temperaturas Leira 4- Fase 3 Início: 11/11/1999 Término: 15/4/ /11/99 1/12/99 15/12/99 29/12/99 12/1/ 26/1/ 9/2/ 23/2/ 8/3/ 22/3/ 5/4/ 16/7/99 23/7/99 3/7/99 6/8/99 13/8/99 2/8/99 27/8/99 3/9/99 1/9/99 17/9/99 24/9/99 1/1/99 Data Umidade (%) L1 L2 L3 L4 L5 Data Figura 7: Umidade dos substratos sólidos da compostagem Fase 3. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 CONCLUSÕES A umidade é um fator que afeta sensivelmente o processo de compostagem, sendo que altos teores provocam compactação da leira, emanação de odores e produção de líquidos percolados (lixiviados), que podem atrair vetores biológicos causadores de doenças. O processo de compostagem normalmente desenvolve uma fase inicial mesofílica, onde há o aquecimento da leira, pois o calor produzido é maior que o calor perdido por evaporação.com controle da temperatura na fase termofílica, o calor produzido é praticamente igual ao calor perdido por evaporação. Nas fases 1 e 2, a temperatura baixou sensivelmente, no entanto o processo de biodegradação não desenvolveu-se adequadamente. Nos trabalhos realizados pelo DMLU com compostagem de resíduos verdes, é demostrado que é necessário em torno de 18 meses para degradar completamente este resíduo, proporção adotada nas leiras de número 1 dos experimentos. Figura 8: Leiras da compostagem Fase 3. Figura 9: Reviramento da compostagem Fase 3. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7

8 Este trabalho demonstrou que o desenvolvimento do processo de compostagem é afetado pelas condições climáticas (precipitações e temperaturas ambiente) e pela configuração geométrica das leiras. As citações de DEVENS (1995), dizem que pilhas com menores alturas perdem calor por evaporação e maior perda de umidade. Isto pode ser verdade para climas tropicais, no entanto com os resultados obtidos nesta região, onde as temperaturas diminuíram e a umidade aumentou, conclui-se que o calor produzido nas leiras, inicialmente com altas temperaturas é perdido por convecção, isto é, troca de calor com a atmosfera, relativamente maior que o calor perdido por evaporação. E este problema só foi solucionado quando adotouse volumes maiores nas leiras e controle de umidade. Estes estudos continuarão com a montagem de experimentos em escala real, com grandes volumes e reviramentos mecânicos, sem a construção de cobertura, para verificar a necessidade da mesma no controle do processo de compostagem. No entanto, com as observações realizadas, conclui-se que as precipitações além de interferirem no processo de compostagem, produzem grande volume de percolados com provável potencial de contaminação ambiental. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. DEVENS, D. C Aplicação do processo de compostagem com aeração forçada positiva aos resíduos sólidos na indústria de café solúvel. Dissertação de mestrado da Universidade Federal do Espírito Santo. Departamento de Hidráulica e Saneamento. Vitória. ES. 167p 2. LELIS, M. P. N. et all. 1999: A influência da umidade na velocidade de degradação e no controle de impactos ambientais da compostagem. Artigo apresentado no XX Congresso da ABES Rio de Janeiro- RJ, 1p. 3. PEREIRA NETO, J. T. e CUNHA, W. G Influência da inoculação de composto orgânico maturado, no período de compostagem de resíduos orgânicos. Artigo apresentado no XXVIII Congresso da ABES Salvador- BA, 7p. 4. PEREIRA NETO, J. T. e LELIS, M. P. N Importância da umidade na compostagem: uma contribuição ao estado da arte. Artigo apresentado no XX Congresso da ABES Rio de Janeiro- RJ, 8p. 5. SIROKA, L. J. e SOWERS, M. A Factors affecting the composting process. In: Proceedings of the Internacional Conference on Composting of Solid Wastes and Slurries. Leeds, Inglaterra. 1-22p ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 8