III BALANÇO DE MASSA DE DQO EM REATOR ANAERÓBIO DE BATELADA TRATANDO RESÍDUOS SÓLIDOS ORGÂNICOS

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1 III BALANÇO DE MASSA DE DQO EM REATOR ANAERÓBIO DE BATELADA TRATANDO RESÍDUOS SÓLIDOS ORGÂNICOS Alberto Magno Medeiros Dantas (1) Bacharel em Química Industrial - DQ/CCT/UEPB. Mestrando em Desenvolvimento e Meio Ambiente pelo PRODEMA-UFPB/UEPB. Valderi Duarte Leite Engenheiro Químico pela Universidade Federal da Paraíba. Doutor em Hidráulica e Saneamento, EESC/USP SP. Professor do Departamento de Química do CCT/UEPB. Shiva Prasad Doutor em química pela University of Rajassthan Jaipur/Índia. Professor do Departamento de Engenharia Química do CCT/UFPB. Wilton Silva Lopes Bacharel em Química Industrial - DQ/CCT/UEPB. Mestre em Desenvolvimento e Meio Ambiente pelo PRODEMA-UFPB/UEPB. Professor do Departamento de Química do CCT/UEPB. Gilson Barbosa Athayde Júnior Doutor em Engenharia Sanitária pela Universidade de Leeds. Professor do departamento de Engenharia Civil da UNIVALE. José Vanderley do Nascimento Silva Graduando em Química Industrial DQ/CCT/UEPB. Bolsista de iniciação científica do CNPq. Endereço (1) : Rua João Suassuna, 83 - Centro Campina Grande - PB - CEP: Brasil - Tel: (83) albertopicui@bol.com.br RESUMO No Brasil à fração orgânica putrescível dos resíduos sólidos urbanos, representa mais de 50% (percentagem em peso), podendo ser aproveitada através de processos fermentativos aeróbios ou anaeróbios. A digestão anaeróbia proporciona economia de recursos naturais, de energia e reduz consideravelmente a quantidade de resíduos lançados no meio ambiente. Neste trabalho foi utilizado o tratamento anaeróbio da fração orgânica putrescível dos resíduos sólidos urbanos com lodo de esgoto sanitário na proporção de 80 e 20 % respectivamente em reator de batelada. Foi utilizado substrato com 20% (percentagem em peso) de sólidos totais e o tempo de monitoração do sistema experimental foi de 270 dias. Para avaliar a eficiência de transformação da massa de substrato transformada em biogás, foi realizado um balanço de massa, levando-se em consideração a massa do substrato in natura, nos líquidos percolados gerados e descarregados do reator e na massa parcialmente bioestabilizada descarregada do reator após o período de monitoração. PALAVRAS-CHAVE: Resíduos sólidos orgânicos, anaeróbio, DQO, balanço de massa. INTRODUÇÃO Segundo a ABNT (1987), os resíduos sólidos compreendem o lixo urbano, lixo hospitalar, lixo agrícola ou rural, lodo de estações de tratamento de esgotos sanitários ou industriais, resíduos gerados por equipamentos e instalações de controle de poluição e determinados líquidos, cujas características tornem inviável seu lançamento em redes públicas ou corpos receptores de água. O Brasil de acordo com os dados do IBGE (2000) tem uma população em torno de 169 milhões de habitantes e que produz cerca de 125 mil de toneladas de resíduos sólidos urbanos por dia. Destes resíduos apenas 55% é composto de matéria orgânica, que pode ser degradada por processo fermentativos aeróbios e anaeróbios. A digestão anaeróbia é um processo biológico que ocorre na ausência de oxigênio molecular livre e que devido à interação de diversas espécies de microrganismos entre si, de forma simbiótica convertem compostos orgânicos complexos em CH 4 e outros compostos CO 2, N 2, NH 3, H 2 S, traços de outros gases e ácidos orgânicos de baixo peso molecular. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 O processo de biodigestão anaeróbia só começou a ser estudado para o tratamento de resíduos sólidos a partir da década de 60, na tentativa de se desenvolver tecnologias para melhorar a recuperação de energia e a redução do volume e da massa orgânica (Peres et al., 1991). Segundo Tchobanoglous et al. (1993), a concentração de sólidos define duas alternativas de tratamento anaeróbio: tratamento anaeróbio com baixa concentração de sólidos que é caracterizado pelo teor de sólidos variando entre 4 e 8%; tratamento anaeróbio com alta concentração de sólidos onde o teor de sólidos situa-se em torno de 22% e visa principalmente a recuperação da energia da biomassa. Compreendendo resíduos sólidos orgânicos como a fração dos resíduos sólidos urbanos passíveis de serem fermentados, a digestão anaeróbia dessa fração contribui para a economia de recursos naturais, de energia e reduz consideravelmente a quantidade de resíduo lançado no meio ambiente. O balanço de massa pode ser entendido como um processo que objetiva o delineamento das variáveis que atuam em um sistema. Este processo é baseado na Lei da Conservação da Matéria: a matéria não é criada nem destruída (Incropera & Dewitt, 1992). O balanço de massa para ser realizado é necessário primeiramente especificar que tipo de sistema vai ser estudado e delimitar as fronteiras do deste sistema. O sistema pode ser definido como uma porção arbitrária ou todo o processo escolhido para análise. O sistema pode ser aberto, quando o processo se dá com transferência de materiais além das fronteiras do sistema e o sistema fechado, no qual o material permanece um certo intervalo de tempo sem que haja transferência de materiais (batelada). Portanto, um balanço de massa é uma representação simplificada da realidade, desconsiderando-se alguns aspectos que participam de forma irrelevante no sistema em estudo. Para avaliar a conversão do substrato em biogás, a massa residual acumulada e a massa lançada no percolado foi realizado um balanço de massa e as variáveis intervenientes são mostradas na Equação 01. M AP = M AC + M CB + M CP Eq. 01 Em que: M AP = massa de DQO aplicada ao reator (kg); M AC = material parcialmente bioestabilizado (kg); M CP = massa de DQO no percolado (kg); M CB = massa de DQO convertida em biogás (kg). Neste sentido, o trabalho objetiva realizar um balanço de massa em um reator anaeróbio de batelada tratando resíduos sólidos orgânicos com alta concentração de sólidos. MATERIAIS E MÉTODOS O trabalho experimental foi realizado de janeiro a outubro de 2001 nas dependências da Estação Experimental de Tratamento Biológico de Esgotos Sanitários (EXTRABES), na cidade de Campina Grande-PB (7º13 11 S, 35º52 31 O, 550 m acima do nível do mar), nordeste do Brasil. O sistema experimental era composto por um reator anaeróbio de batelada, construído de fibra de vidro, em forma de cone, com base de sustentação metálica. A altura do reator é de 1,65 metros, o diâmetro de 1,54 metros e tem capacidade unitária de 2200 litros. No reator foram instalados os seguintes dispositivos, dispositivo para medir o biogás, dispositivo para coleta de biogás, dispositivo para recirculação de percolado e dispositivo para coleta de percolado. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 Na Figura 1, apresenta-se o esquema do reator anaeróbio de batelada e os diversos dispositivos complementares. 8 RSO + LES Figura 1 Esquema do reator utilizado no trabalho experimental 1. Dispositivo para medir o biogás; 2. Dispositivo para coleta de biogás; 3. Dispositivo para recirculação de percolado; 4. Dispositivo para coleta de percolado; 5. Filtro; 6. Reservatório de equalizador; 7. Bomba peristáltica; 8. Distribuidor de fluxo. Na Tabela 1 são apresentados os principais parâmetros operacionais do reator. V R (L) M RSU (Kg) M LES (Kg) Tabela 1 Parâmetros operacionais CO (Kg/M3) TU TOP (Dias) Proporção RSU/LES M DQO (Kg) ,6 264, /20 114,3 RSU: resíduos sólidos vegetais; CO: carga orgânica; TU: teor de umidade; TOP: tempo de operação. A fração orgânica putrescível dos resíduos sólidos orgânicos e o lodo de esgoto sanitário eram dispostos no pátio do laboratório, objetivando atingir o percentual de umidade desejável que era de 80%. A caracterização física e química realizada na massa in natura da fração orgânica putrescível dos resíduos sólidos urbanos e na massa de lodo de esgoto sanitário. Após a caracterização química, os resíduos eram devidamente misturados na proporção de 80 e 20% de fração orgânica putrescível dos resíduos sólidos urbanos e lodo de esgoto sanitário, resultando no que neste trabalho passou a se chamar de substrato. Para efeito de definição dos parâmetros operacionais realizava-se por diversas vezes a homogeneização do substrato, e coletava-se amostras para caracterização química do substrato. Conhecendo-se os principais parâmetros químicos do substrato, foi procedido o carregamento do reator. Na Tabela 2 apresenta-se os principais parâmetros operacionais aplicados ao reator. Depois de realizado o carregamento do reator, foi instalado e aferido os dispositivos complementares de todo o aparato experimental e em seguida lacrado o reator. O lacramento do reator foi realizado com uma tampa de fibra de vidro dimensionada para tal e devidamente atarrachada com parafusos em toda extensão perimetral da borda superior do reator. Na parte central e inferior da tampa foi instalado dispositivo para circulação do percolado, enquanto na parte superior foram construídos dispositivos para saída de biogás. No dispositivo de saída do biogás existia uma intersecção, onde realizava-se a coleta do biogás para análise cromatográfica. Na base inferior interna do reator foi construída uma base filtrante, com brita de diferentes granulometria, ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 objetivando evitar a obstrução da saída do percolado. A saída do percolado era realizada por uma tubulação acoplada a uma conexão instalada na base inferior, logo após o leito filtrante. A uma determinada distância da tubulação condutora do percolado foi instalado um registro que controlava o fluxo de percolado descarregado do reator. Com freqüência quinzenal se abria o registro de tubulação de percolado e deixava-se fluir totalmente todo o percolado acumulado na base inferior do reator. O percolado descarregado era quantificado e armazenado em um depósito de equalização, para posterior adução para o reator UASB. O efluente do reator UASB retorna por adução forçada para o reator de batelada através do dispositivo de distribuição de percolado. O dispositivo de distribuição de percolado foi projetado para fazer com que todo o percolado efluente do reator UASB fosse distribuído uniformemente em toda a massa de resíduo. O percolado afluente do reator anaeróbio de batelada e efluente do reator UASB era caracterizado uma vez por semana, sendo muitas vezes realizada análise com maior freqüência, objetivando controlar determinados problemas operacionais. As análises física e química, do percolado eram realizadas em consonância com os métodos preconizados por APHA (1995). O biogás produzido era quantificado continuamente e caracterizado uma vez por semana. Tabela 2 - Principais parâmetros operacionais aplicados ao reator Fração Parâmetro analisado Método empregado Freqüência de coleta Sólida ph potenciométrico quando da alimentação e ST e suas frações gravimétrico descarregamento dos DQO, PT espectrofotometria reatores NTK micro Kjedahl ph potenciométrico ST e suas frações gravimétrico Líquida K 20ºC eletrométrico AT e AGV Titulação potenciométrica quinzenalmente DQO, PT espectrofotometria + NTK e N-NH 4 micro Kjedahl Gasosa volume produzido deslocamento de igual volume de água diariamente Terminado o período de monitoração que neste trabalho foi de 270 dias, o reator foi descarregado, sendo realizado a quantificação do peso especifico dos resíduos parcialmente bioestabilizado no interior do reator, além da caracterização físico e química, determinando-se os mesmos parâmetros da massa in natura. RESULTADOS E DISCUSÃO Neste item serão apresentados e discutidos os resultados advindos do processo de monitoração do reator, levando se em consideração principalmente os valores de DQO distribuídos nas frações sólidas e líquidas e gasosas, utilizadas para aplicar balanço de massa. Na Tabela 3 apresentam-se as magnitudes dos principais parâmetros físicos e químicos do substrato utilizado na alimentação do reator. Tabela 3 Composição física e química do substrato in natura alimentado ao reator ph TU ST STV STF COT NTK PT DQO 4,6 77,1 22,9 83,6 16,4 46,5 2,86 0,41 43,2 16,3 Analisando os dados da Tabela 2, constata-se que o substrato continha 77% de umidade e apresentava características ácidas, com ph em torno 4,5. Dos 1322,5 kg de substrato in natura, 114 kg correspondia a massa de DQO, o que equivale a 43,2% dos 23% dos sólidos totais alimentados ao reator. A relação C/N no substrato esteve abaixo do teoricamente recomendável, haja vista, tanto a fração orgânica putrescível como lodo de esgoto sanitário serem constituídos em base seca por mais de 2% de nitrogênio total. Mesmo trabalhando-se com relação C/N de 16,3 não foi detectado toxicidade por nitrogênio amoniacal. Na massa parcialmente bioestabilizada a magnitude dos parâmetros físicos químicos são apresentados na Tabela 4. C/N ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 Tabela 4 Composição física e química do substrato parcialmente bioestabilizado descarregado do reator ph TU ST STV STF COT NTK PT DQO C/N 8,53 77,7 22,3 53,5 46,5 29,7 2,40 0,40 31,9 12,4 Observa-se na Tabela 4 que não houve variação do teor de umidade entre o substrato e a massa bioestabilizada, justificando a eficiência do processo de recirculação do percolado e a habilidade do pessoal técnico envolvido na monitoração. Tratando-se de resíduos sólidos orgânicos, materiais de difícil bioestabilização, principalmente resíduo com significativo percentual de celulose, seria necessário um tempo maior de bioestabilização do resíduo, ou quando conveniente um pré-tratamento químico nos resíduos a serem bioestabilizados, haja vista, apenas 36,4% da massa de DQO ter sido reduzida com o tempo de operação de 270 dias. O balanço de massa é uma ferramenta importante no estudo de qualquer processo de tratamento, pois a partir dela pode-se avaliar a eficiência do processo, bem como a contribuição de cada fração que compõe o mesmo. Na Tabela 5 é apresentado os valores obtidos para as quatro frações de DQO componentes do balanço de massa. Tabela 5 Valores obtidos para as quatro frações de DQO Parâmetro DQO Fração M AP M AC M CP M CB Massa (g) 114,2 41,2 53,3 19,74 Como pode ser visto na Tabela 5, houve um grande conversão da DQO em percolado (47%), pode-se constatar também que a conversão do substrato em forma de biogás foi de apenas 17% totalizando uma conversão total de 64%. A baixa conversão da DQO em biogás aconteceu devido os primeiros líquidos percolados terem sido retirados do reator, pois nestes líquidos estava a parte mais solúvel da DQO, daí, a grande conversão de massa de DQO em percolado. Na Figura 2, mostra-se um modelo das diversas frações de DQO da qual era composto o balanço de massa aqui apresentado. Massa de RSO CO 2 8,64 kg CH 4 11,1 kg 1322,5 kg Biogás 19,74 kg Massa de RSO em Base Seca 264,5 kg Massa de DQO transformada 73,0 kg Massa de DQO aplicada 114,3 kg Massa de DQO Acumulada 41,2 kg percolado 53,30 kg Figura 1: Modelo esquemático das variáveis envolvidas no sistema Durante o processo de bioestabilização da massa total de DQO aplicada, 36% ficou acumulada na massa residual e de 64% foi transformada. O termo massa de DQO transformada está associado a fração de massa de DQO presente nos líquidos percolados e no biogás. Dos 73% de massa de DQO transformada, apenas 27% foi convertida para biogás e 73% foi carreada do interior do reator nos líquidos percolados. A razão de se ter a maior fração de massa de DQO presente nos líquidos percolados se deve ao ajuste da umidade da massa in natura ter sido realizada de maneira que possibilitou o arraste da massa de resíduos sólidos orgânicos com características favoráveis de biodisponibilidade para a base inferior do reator. As medidas tomadas para evitar ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 que a massa de DQO seja carreada pelos líquidos percolados são basicamente: carbono, o que correspondeu a um quantitativo de 11,1 e 8,64 kg de metano e dióxido de carbono, respectivamente: Alimentar o reator com substrato contendo o teor de umidade estabelecido. Quando for necessário se ajustar a umidade do substrato, esta operação deverá ser realizada antes do carregamento do reator; Se trabalhar com o peso específico superior a 800kg/m 3, no caso específico de resíduos sólidos orgânicos. O peso específico alto reduz a presença de caminhos preferenciais na massa de resíduos; Adicionar sempre o líquido recirculante na mesma proporção do percolado descarregado do reator; Estudar detalhadamente a freqüência de recirculação, levando-se em consideração que não se pode deixar a massa de resíduos com teor de umidade abaixo do substrato in natura. Para reatores anaeróbios de batelada, a tendência é que a massa superficial sempre fique com o teor de umidade abaixo da média do perfil total da massa residual, o que não é recomendável para o bom desempenho do processo; Diversas outras medidas poderam ser adotadas, como por exemplo a granulometria da massa do resíduo e a configuração do reator. Quando tomadas estas medidas se propiciará a homogeneização do teor de umidade na massa de resíduo, reduzindo a concentração de DQO nos líquidos percolados e aumentando conseqüentemente a taxa de produção de biogás e de gás metano. CONCLUSÕES Analisando-se os dados deste trabalho, concluiu-se que: A viabilidade deste trabalho está condicionada a uma transformação em torno de 70% da massa de DQO em biogás e conseqüentemente em metano. Neste trabalho, a remoção de DQO foi de 64%, sendo que apenas 27% foram transformados em biogás e 73% foi carreado nos líquidos percolados produzidos. Uma maior conversão do substrato em biogás pode ser alcançada através de algumas medidas que evitem a perda da DQO através dos líquidos percolados, dentre essas medidas podemos citar: o aumento do peso específico do substrato, adicionar sempre o líquido recirculante na mesma proporção do percolado descarregado do reator, diminuir a granulometria do substrato. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. APHA, AWWA, WPCF. Standard methods for examination of water and wastewater. 19 th ed. Washington, 1995, p FUNDAÇÃO INSTITUTO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA E ESTATÍSTICA. Censo Demográfico Disponível em < Acesso em: 02 de março de INCROPERA, P. F. & DEWITT, D. P. Fundamentos de transferência de calor e de massa.ltc Livros Técnicos e Científicos Editora S. A. Rio de Janeiro, 1992, p LEITE, V. D. Processo de tratamento anaeróbio de resíduos sólidos urbanos inoculados com lodo de esgoto industrial. São Carlos Tese de Doutorado. Escola de Engenharia de São Carlos-Universidade de São Paulo PERES, C. S. et al. Anaerobic Biodegradability of the Organic Components of Municipal Solid Waste (OFMSW). São Paulo Brasil. Paper Prepints. VI International Symposium of Anaerobic Digestion. P , May, TCHOBANOGLOUS, G. T.; THEISEN, H.; VIGIL, S. A. Intergrated solid waste managemente. Engineering principles and management issues. New York: McGraw-Hill, p. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6