II-040 CARACTERIZAÇÃO DO BIOGÁS E DO AFLUENTE EM BIODIGESTORES DA ATIVIDADE SUINÍCOLA EM SANTA CATARINA

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1 II-040 CARACTERIZAÇÃO DO BIOGÁS E DO AFLUENTE EM BIODIGESTORES DA ATIVIDADE SUINÍCOLA EM SANTA CATARINA Anigeli Dal Mago (1) Engenheira Sanitarista e Ambiental pela Universidade Federal de Santa Catarina. Mestre em Engenharia Ambiental pela Universidade Federal de Santa Catarina. Engenheira da CASAN (Companhia Catarinense de Águas e Saneamento). Iria Sartor Araujo Engenheira Agrônoma. Doutora em Engenharia Ambiental. Pesquisadora da Epagri (Empresa de Pesquisa Agropecuária e Extensão Rural de Santa Catarina) CIRAM Setor de Recursos Hídricos. Paulo Belli Filho Engenheiro Sanitarista. Doutor em Química Industrial e Ambiental. Professor e pesquisador da Universidade Federal de Santa Catarina. Paulo Armando Victoria de Oliveira Engenheiro Agrícola, PhD. Pesquisador Embrapa Suínos e Aves. Endereço (1) : Rua Amaro Antônio Vieira, 2463, Bloco C, Ap. 608 Itacorubi Florianópolis Santa Catarina. CEP: Brasil - Tel: (48) anigelidalmago@yahoo.com.br. RESUMO O estado de Santa Catarina é o principal produtor de suínos brasileiro, possui aproximadamente 7 milhões de cabeças, representando 20% do efetivo nacional. A poluição causada pela atividade suinícola, tem causado sérios problemas ambientais, principalmente relacionados à poluição hídrica. O uso de biodigestores anaeróbios constitui uma forma de tratamento de dejetos de suínos, que possibilita a recuperação e o armazenamento do biogás e o a utilização do efluente como biofertilizante. A produção de CH 4 a partir de efluentes da suinocultura depende das características dos dejetos e seu manejo, do número de animais, do sistema de produção, das condições ambientais e operacionais do reator. O objetivo do presente estudo foi caracterizar o biogás e o afluente de 12 biodigestores localizados em granjas suinícolas de Santa Catarina, sendo dez localizados em propriedades suinícolas no município de Concórdia, região Oeste, e dois localizados no município de Braço do Norte, situado na região Sul. A medição da composição do biogás foi realizada através de um medidor portátil Drager X-am Para quantificar a produção de biogás em cada reator foi realizada a medição da velocidade através do termo-anemômetro Airflow TA45. Em relação ao afluente (dejetos brutos) e efluente dos biodigestores, os seguintes parâmetros foram analisados em laboratório: Demanda Química de Oxigênio (DQO), Sólidos Totais (ST), e Sólidos Voláteis Totais (SV). Através da realização deste trabalho conclui-se que a eficiência média de remoção de matéria orgânica nos biodigestores foi de 71% para DQO, 66% para ST e 74% para SV. Nos biodigestores estudados a vazão média de produção de biogás foi de 5,7 m³/h, sendo que 62% do volume produzido era composto por metano. PALAVRAS-CHAVE: dejetos suínos, digestão anaeróbia, biogás, metano. INTRODUÇÃO O Brasil apresenta um plantel com de mais 35 milhões de suínos, sendo considerado o quarto maior produtor mundial. O estado de Santa Catarina é o principal produtor de suínos brasileiro, possui aproximadamente 7 milhões de cabeças, representando 20% do efetivo nacional (IBGE, 2008). Segundo Oliveira (2002), a poluição causada pela atividade suinícola, tem causado sérios problemas ambientais, principalmente relacionados à poluição hídrica, devido à alta carga orgânica e presença de coliformes fecais. O uso de biodigestores anaeróbios constitui uma etapa de tratamento dos dejetos de suínos, que possibilita a recuperação e o armazenamento do biogás, o qual poderá ser utilizado como uma fonte renovável para fins de geração de energia, e o efluente poderá ser aplicado em lavouras como biofertilizante. ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 O dimensionamento de um biodigestor deve levar em conta, dentre outros aspectos, o tempo de detenção hidráulica, a temperatura da biomassa, a carga de sólidos voláteis e as demandas de biogás na propriedade, pois nem sempre é possível afirmar que grandes volumes de biodigestores, ou biomassa, são capazes de produzir elevadas quantidades de biogás (OLIVEIRA e HIGARASHI, 2006). A produção de CH 4 a partir de efluentes da suinocultura depende das características dos dejetos e seu manejo, do número de animais, do sistema de produção, das condições ambientais e operacionais do reator. De acordo com Belli Fº (1995), a média da concentração de CH 4 (gás metano) no biogás varia entre 50% e 75% e de CO 2 (gás carbônico) entre 25% e 40%. O percentual de CH 4 contido no biogás é diretamente proporcional ao seu potencial para fins energéticos. Segundo Oliveira e Higarashi (2006), o metano (CH 4 ), o dióxido de carbono (CO 2 ) e óxido nitroso (N 2 O) são os principais gases causadores do efeito estufa, sendo que o CH 4 apresenta um poder estufa cerca de 21 vezes maior que o CO 2. Os mesmos autores ainda afirmam que a simples queima do biogás, a qual produz basicamente água e dióxido de carbono, já reduz significativamente o poder estufa, levando em conta que CH 4 e o N 2 O deixam de ser emitidos para a atmosfera. O presente trabalho fez parte do projeto Potencialidades da Contribuição de Santa Catarina na Redução de Gases Efeito Estufa através da Conversão de Metano em Dióxido de Carbono, desenvolvido pelo Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da Universidade Federal de Santa Catarina em parceria com a Fundação de Apoio à Pesquisa Científica do Estado de Santa Catarina (FAPESC), com o apoio técnico da Embrapa Suínos e Aves. O objetivo deste estudo foi caracterizar o biogás e o afluente de 12 biodigestores localizados em granjas suinícolas de Santa Catarina. Através da realização deste trabalho conclui-se que a eficiência média de remoção de matéria orgânica nos biodigestores foi de 71% para DQO, 66% para ST e 74% para SV. Nos biodigestores estudados a vazão média de produção de biogás foi de 5,7 m³/h, sendo que 62% do volume produzido era composto por metano. MATERIAIS E MÉTODOS Neste trabalho foram avaliados 12 biodigestores no estado de Santa Catarina (Tabela 1), sendo dez localizados em propriedades suinícolas no município de Concórdia, região Oeste, e dois localizados no município de Braço do Norte, situado na região Sul. Tabela 1. Características dimensionais dos biodigestores. Biodigestor Comprimento Largura Profundidade Volume TDH (m) (m) (m) útil (m³) (dias) B B B , B , B , B , B , B , B , B , B B , Dos biodigestores avaliados, dois (B1 e B2) pertencem ao sistema de criação Ciclo Completo (CC), cinco (B3 ao B7) fazem parte do tipo Unidade de Produção de Leitões (UPL) e cinco (B8 ao B12) são do sistema Crescimento e Terminação (CT). A nomenclatura utilizada para cada biodigestor foi B, abrangendo do B1 ao B12. 2 ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental

3 O CC é uma unidade de produção em que existem todas as fases do ciclo produtivo de suínos. Na UPL existe somente os reprodutores, nascimento de leitões e crescimento inicial, ou creche, com peso dos animais até 25 kg. O sistema CT é uma unidade de produção com suínos na faixa de 25 a 100 kg (OLIVEIRA, 2005). Com exceção do B1, que apresenta a câmara de digestão em concreto e de formato circular (diâmetro de 6 m), os demais biodigestores são do tipo lagoa anaeróbia coberta, e apresentam a câmera de digestão constituída por lona de PVC e concreto, com seção de formato trapezoidal. O gasômetro (ou campânula), que armazena o biogás, é constituído por lona de PVC em todos os biodigestores. Todos os biodigestores são seguidos por lagoas de armazenamento, em que o efluente permanece até ser aplicado como biofertilizante no solo. Essas lagoas são construídas com manta de PVC ou concreto. As tubulações que conduzem os dejetos para o biodigestor e na sequência para a lagoa de armazenamento são constituídas de PVC. O biogás armazenado no gasômetro é conduzido por uma tubulação de PVC ao queimador (flare). O B1 é o único biodigestor avaliado que não possui queimador para o biogás produzido. A medição da composição do biogás foi realizada através de um medidor portátil Drager X-am 7000 (Figura 1a). Esse aparelho faz a detecção e a medição simultânea e contínua dos gases CH 4 e CO 2 através de sensores infravermelhos e do O 2 com sensor eletroquímico. A leitura da composição do biogás era realizada durante trinta minutos, no período da manhã e igualmente no da tarde, gerando uma leitura de 60 (sessenta) dados para cada gás, em cada amostragem, e totalizando 120 (cento e vinte) dados para um dia, sendo esse considerado para o cálculo da média da concentração. Para quantificar a produção de biogás em cada reator foi realizada a medição da velocidade através do termoanemômetro Airflow TA45 (Figura 1b), aparelho portátil que mede a velocidade (m/s) e a temperatura (ºC) do biogás. As medições de velocidade e temperatura foram realizadas, nos dois períodos avaliados (manhã e tarde), antes e depois da leitura de composição biogás. Para os cálculos de vazão foi utilizada a média diária, ou seja, a média dos valores da manhã e tarde. A partir das medições de velocidade, foi calculada a vazão de biogás que passa por uma tubulação com diâmetro conhecido. Posteriormente foi calculada a vazão normalizada baseada nas variações de temperatura do biogás e pressão atmosférica local, utilizando a equação apresentada por Mills et al. (1993). (a) (b) Figura 1. Aparelhos utilizados na quantificação e composição do biogás. (a) Termo-anemômetro; (b) medidor portátil de biogás. Para analisar o afluente (dejetos brutos) e o efluente dos biodigestores, os seguintes parâmetros foram analisados em laboratório: Demanda Química de Oxigênio (DQO), Sólidos Totais (ST), e Sólidos Voláteis Totais (SV). ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 A coleta dos dejetos brutos foi realizada no mesmo dia em que foram feitas as amostragens do biogás, que consistiu em três coletas pontuais no decorrer do ano de Os procedimentos das análises laboratoriais seguiram o Standard Methods for Examination of Water and Wastewater (APHA, 2005). RESULTADOS A Tabela 2 apresenta características médias dos dejetos brutos em termos de concentração de matéria orgânica e as eficiências de remoção, seguidas pelo desvio padrão de cada um dos biodigestores estudados. Tabela 2. Características dos dejetos brutos em termos de concentração de matéria orgânica (g/l) e eficiência de remoção (%). Biodigestor DQO Média ± DP* ST Média ± DP SV Média ± DP g/l E(%) g/l E(%) g/l E(%) B1 127±27 95±4 99±41 94±3 71±33 96±2 B2 29±19 65±25 16±2 42±37 12±2 55±32 B3 53±45 91±5 68±78 82±11 49±57 89±6 B4 10±3 50±11 8±5 45±0 4±3 56±0 B5 51±27 78±2 64±40 71±28 44±28 74±27 B6 49±45 96±0 51±45 87±10 34±31 93±7 B7 61±5 88±10 43±10 89±2 29±7 92±3 B8 43±18 52±15 36±15 47±10 26±11 55±16 B9 42±8 71±4 36±20 54±2 25±16 67±1 B10 61±32 62±36 69±50 62±39 49±39 69±39 B11 99±9 29±2 148±6 60±14 116±2 67±10 B12 51±35 78±11 44±37 56±2 31±28 73±8 *Desvio padrão. Os valores da concentração de DQO afluente (dejeto bruto) apresentam variação elevada entre os biodigestores, a média geral para os afluentes foi igual a 57 g/l. Foi possível verificar que as maiores concentrações de DQO corresponderam ao B1, que também apresentou, em campo, no momento da coleta, maior consistência no afluente (dejetos brutos), além da presença de fração sólida, quando comparado aos demais biodigestores. Esta característica é influenciada diretamente pela forma de manejo dos animais e dos dejetos, em que são utilizados bebedouros do tipo ecológico para evitar o desperdício de água. Além disso, o sistema de raspagem dos dejetos nas instalações diminui a utilização constante de água, ocorrendo uma maior concentração da matéria orgânica, o que é relevante para uma boa produção de biogás. Na propriedade correspondente ao B2 não há bebedouros ecológicos, o que faz com que os valores de concentração de DQO afluente sejam de duas a dez vezes menores em relação ao B1, embora o número de suínos na granja relativa ao B2 seja aproximadamente dezesseis vezes maior. No sistema de criação tipo UPL (B3 ao B7), os valores médios de DQO variaram entre 10 e 61 g/l com uma média de 44,8 g/l. Oliveira e Higarashi (2006) realizaram um estudo durante os meses de novembro e dezembro no município de Concórdia, em que foram atingidos valores médios de DQO afluente de 42,5 g/l, aproximado-se da média do sistema UPL encontrado no presente trabalho. Em relação ao sistema de criação tipo CT (B8 a B12), a variação da concentração de DQO ocorreu entre 42 (B9) e 99 g/l (B11). O valor médio obtido para a concentração de DQO foi de 59,2. Massé, Masse e Croteau (2003) encontraram em seus estudos um valor inferior, em torno de 48,8 g/l. Observa-se que o B1 e o B11 destacam-se por apresentarem as concentrações mais elevadas de DQO, porém, as melhores eficiências de remoção predominam no B1(95%) e no B6 (96%). 4 ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental

5 O sistema que se mostrou mais eficiente em todo o período de monitoramento foi o B1, com eficiências acima de 90%, e ainda superiores às obtidas por Henn (2005) e Monteiro (2005) que operaram este biodigestor com eficiências de remoção de 88 e 85%, respectivamente. Os valores de ST também apresentaram diferenças entre os biodigestores estudados. A baixa concentração de sólidos no B4 (8 g/l) pode estar relacionada a uma diluição que é perceptível nos dejetos produzidos, devido ao uso inadequado da água nas instalações e pelo fato de não haver bebedouros ecológicos. O B1 atingiu os valores mais elevados de ST (99 g/l). As eficiências de remoção ficaram na faixa entre 42 (B2) e 94% (B1), ambos com sistema de criação CC. As variações das concentrações de SV têm relação direta com as oscilações de ST. Da mesma forma que ocorreu nas concentrações afluentes de DQO, os valores de ST e SV sofreram variações entre os biodigestores analisados. A concentração média de SV afluente foi 40,8 g/l, ficando na faixa entre 4g/L no B4 e 116 g/l no B11. A maior eficiência de remoção foi encontrada no B1 (96%). A Figura 2 mostra a distribuição dos dados referentes à concentração de metano no biogás para os diferentes sistemas de criação. Os gráficos são do tipo box plot (diagramas de caixa) que permitem observar a dispersão dos dados de cada grupo. 80 Concentração metano X Sistemas de criação Median 25%-75% Non-Outlier Range Outliers CH 4 (%) CC UPL CT Sistema criação Figura 2. Distribuição dos valores de metano (%) no biogás dos biodigestores de diferentes sistemas de criação. A concentração de CH 4 nos doze biodigestores avaliados se apresentou dentro da faixa recomendada pela literatura na maioria dos casos, sendo que, conforme esperado, as maiores concentrações predominaram nos períodos mais quentes do ano, devido à atividade microbiana mais elevada. A concentração média de metano entre os biodigestores avaliados foi 61,5%. Confome o box plot apresentado, os valores das medianas da concentração de CH 4 no biogás foram de 64% para CC; 68% para UPL e 59% para CT, sendo que este último apresentou a maior amplitude de valores, pois o B11 atingiu valores inferiores aos demais biodigestores, ficando com percentuais entre 24 e 41% de CH 4. Além disso, foi observado que as concentrações médias da série de sólidos e DQO no efluente dos biodigestores do sistema CT foram superiores em relação aos demais sistemas, com destaque para o B11, em que praticamente todas as concentrações foram maiores em relação aos outros biodigestores estudados. Este biodigestor apresentou a menor eficiência de remoção de DQO, atingindo o percentual de 29%. ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 A Tabela 3 apresenta as vazões calculadas de biogás e metano para cada biodigestor estudado. Tabela 3. Produção de biogás e metano nos biodigestores. Sistema de Criação CC UPL CT Biodigestor m³ biogás/h m³ CH 4 /h Média ± DP Média ± DP B1 1,4±0,3 0,9±0,2 B2 9,9±4,7 6,2±3,0 B3 4,9±3,0 3,3±2,1 B4 5,7±0,5 4,0±0,4 B5 5,5±1,3 3,3±1,2 B6 6,9±1,0 4,7±0,8 B7 5,5±1,3 3,7±1,0 B8 7,2±0,7 4,4±0,7 B9 5,6±1,3 3,5±0,8 B10 4,3±0,8 2,5±0,2 B11 5,2±1,2 2,2±1,3 B12 6,4±0,1 3,9±0,2 A produção (vazão) de biogás foi determinada pela velocidade, temperatura do biogás e pressão atmosférica local, obtendo-se assim as vazões pontuais de biogás produzido em cada biodigestor. No sistema CC, no B1, a vazão obtida foi de 1,4 m³/h. Monteiro (2005) e Henn (2005), obtiveram uma vazão intermediária no mesmo biodigestor (volume de 90 m 3 ), equivalente a média de 1,33 m³/h. Angonese (2006) em seu experimento com biodigestor de dejetos de suínos no Paraná, com volume útil 50 m³, obteve uma faixa próxima aos valores encontrados por este estudo, em que as vazões médias variaram de 1,13 m³/h a 1,45 m³/h. Já Oliveira e Higarashi (2006), monitorando um biodigestor de 100 m³ no município de Concórdia, obtiveram uma faixa de vazões de biogás mais elevada, na faixa entre 1,67 m³/h e 2,50 m³/h. O B2 apresentou vazão média de 9,9 m³/h, valor mais elevado que o B1, mesmo apresentando o afluente mais diluído, isto se deve ao seu volume útil de 4000 m 3. No sistema UPL, os valores de vazão ficaram entre 4,9 m³/h (B3) e 6,92 m³/h (B6). No sistema CT, o valor máximo de vazão de biogás ocorreu no B8 (7,2 m³/h) e o menor valor no B10 (4,3 m³/h). Esta variação entre os valores de vazão de biogás pode ser justificada por diferenças no modo de operação, pelo grau de diluição e vazão do dejeto bruto. CONCLUSÕES Com base no trabalho realizado, concluiu-se que: A eficiência média da remoção de matéria orgânica atingida nos biodigestores foi de 71% para DQO, 66% para ST e 74% para SV. Quanto à composição do biogás, a média geral da concentração de gás metano obtida nos biodigestores estudados foi aproximadamente 62%. A média geral das vazões de biogás nos biodigestores estudados foi 5,7 m³/h. As grandes oscilações, registradas entre os diferentes biodigestores, está associada às características operacionais de cada um, aos diferentes volumes de dejetos produzidos e às características físico-químicas dos dejetos brutos. Foi possível observar, de um modo geral, que as características dos dejetos brutos permitem a formação de um biogás com boa qualidade em termos de gás metano, o que indica que este pode ser utilizado para geração de diferentes formas de energia. Além disso, o efluente dos biodigestores pode ser utilizado como biofertilizante 6 ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental

7 em lavouras das propriedades ou vendido para outras. Estas são medidas já conhecidas que podem agregar valor econômico aos dejetos produzidos, podendo revertê-los em investimentos para a melhoria do manejo e tratamento. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. ANGONESE, A. R.; CAMPOS A. T.; PALACIO, S. M.; SZYMANSKI, N. Avaliação da eficiência de um biodigestor tubular na redução da carga orgânica e produção de biogás a partir de dejetos de suínos Disponível em: < Acesso em: 12 de abr APHA. Standard Methods for the examination of water and wastewater. 21th ed. Washington: American Public Health Association, BELLI FILHO, P. Stockage et odeurs des dejections animales cas du lisier de porc. Rennes, France Thèse de Doctorat. L Univesrsité de Rennes I. 4. HENN, A. Avaliação de dois sistemas de manejo de dejetos em uma pequena propriedade produtora de suínos condição de partida. 2005, 157p. Dissertação de Mestrado em Engenharia Ambiental. Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística - IBGE. Produção da Pecuária Municipal Volume p. Rio de Janeiro, Disponível em: < Acesso em: 19 jun MASSÉ, D. I.; MASSE, L.; CROTEAU, F. The effect of temperature fluctuations on psychrophilic anaerobic sequencing batch reactors treating swine manure. Bioresource Technology, v. 89, p , MILLS, I. et al. Quantities, units and symbols in physical chemistry. Oxford: Blackwell Science Publications p. 8. MONTEIRO, L. W. S. Avaliação do desempenho de dois sistemas em escala real para o manejo dos dejetos suínos: lagoa armazenamento comparada com biodigestor seguido de lagoa de armazenamento p. Dissertação de Mestrado em Engenharia Ambiental. Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, OLIVEIRA, P. A. V. Produção e manejo de dejetos suínos. In: Curso de capacitação em práticas ambientais sustentáveis. Treinamentos Embrapa suínos e Aves. Concórdia, p OLIVEIRA, P. A. V. Projeto de biodigestor e estimativa da produção de biogás em sistema de produção. Embrapa Suínos e Aves. Comunicado Técnico, 417, 8p. Concórdia, OLIVEIRA, P. A. V., HIGARASHI, M. M. Geração e utilização do biogás em unidades de produção de suínos. Programa Nacional do Meio Ambiente PNMA II; Projeto de Controle da Degradação Ambiental Decorrente da Suinocultura em Santa Catarina. Embrapa Suínos e Aves. Concórdia, p. ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7