III APLICAÇÃO DO BALANÇO DE MASSA NO PROCESSO DE BIOESTABILIZAÇÃO ANAERÓBIA DE RESÍDUOS SÓLIDOS

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1 III-47 - APLICAÇÃO DO BALANÇO DE MASSA NO PROCESSO DE BIOESTABILIZAÇÃO ANAERÓBIA DE RESÍDUOS SÓLIDOS Valderi Duarte Leite (1) Doutor em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo. Professor do Departamento de Química da Universidade FOTOGRAFIA Estadual da Paraíba. Wilton Silva Lopes NÃO Mestrando em Saneamento Ambiental pelo PRODEMA (Programa Regional de Pós- DISPONÍVEL Graduação em Desenvolvimento e Meio Ambiente) da Universidade Federal da Paraíba/Universidade Estadual da Paraíba. Químico Industrial pelo Centro de Ciências e Tecnologia da Universidade Estadual da Paraíba. José Tavares de Sousa Doutor em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo. Professor do Departamento de Química da Universidade Estadual da Paraíba. Endereço (1) : Rua Vigário Calixto, Catolé - Campina Grande - PB - CEP: Brasil - Tel: (83) valderi@paqtc.rpp.br RESUMO Dos resíduos sólidos urbanos produzidos no Brasil, um percentual médio de 55% é constituído de matéria orgânica putrescível passível de fermentação e a grande maioria desse material é lançada a céu aberto gerando sérios impactos ambientais negativos. Portanto, existe a necessidade de se desenvolver alternativas tecnológicas que tenham a finalidade de aproveitar esse tipo de resíduo. Desta forma, no presente trabalho avaliou-se o processo de bioestabilização anaeróbia da fração orgânica putrescível dos resíduos sólidos urbanos inoculada com rúmen bovino em reatores de batelada, utilizando-se para tal propósito o balanço de massa dos parâmetros: demanda química de oxigênio (DQO), sólidos totais voláteis (STV) e nitrogênio total Kjedahl (NTK). O trabalho foi realizado num sistema experimental constituído basicamente por quatro reatores anaeróbios de batelada, com capacidade unitária de 2 litros e foram monitorados durante um período de 365 dias. Os reatores foram alimentados com substratos constituídos pela fração orgânica putrescível dos resíduos sólidos urbanos mais rúmen bovino nas proporções de 5, 1 e 15% (percentagem em peso) da massa total, mais o reator testemunha. Os resultados obtidos demostraram que o percentual de inóculo utilizado na preparação do substrato apresentou influência nas reduções de DQO, STV e NTK e na produção de biogás. PALAVRAS-CHAVE: Tratamento Anaeróbio, Resíduos Sólidos, Balanço de Massa, Reator de Batelada, Rúmen Bovino. INTRODUÇÃO À fração orgânica putrescível dos resíduos sólidos urbanos pode ser reaproveitada através dos processos de fermentativos que podem ser aeróbio, de modo a transformar o resíduo em composto ou anaeróbio, onde obtém-se além do composto o biogás. O processo de tratamento anaeróbio consiste na decomposição de resíduos orgânicos putrescíveis na ausência de oxigênio livre, tendo como produtos finais CH 4, CO 2, NH 3, quantidade traços de outros gases e ácidos orgânicos de baixo peso molecular (POLPRASERT, 1989). O processo de biodegradação anaeróbia têm sido empregado para diversos fins; historicamente, foram utilizados para bioestabilizar lodo de esgotos sanitários, utilizando-se o CH 4 produzido (METCALF & EDDY, 1991). O processo de tratamento anaeróbio tem sido empregado em muitos países desenvolvidos, objetivando à bioestabilização de resíduos orgânicos putrescíveis gerados pelas atividades urbanas e rurais. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 Uma das desvantagens associadas aos processos anaeróbios refere-se ao longo período de tempo necessário para bioestabilização da matéria orgânica. Vários estudos tem sido realizados com o objetivo de aumentar a taxa de bioestabilização da matéria orgânica nos processos anaeróbios e consequentemente diminuir o tempo. Na maioria dos estudos realizados à fração orgânica putrescível dos resíduos sólidos urbanos foi inoculada com lodo proveniente de várias fontes, e os resultados tem mostrado a viabilidade do processo anaeróbio devido as altas taxas de produção de biogás obtidas. O balanço de massa é aplicado aos sistemas de tratamento anaeróbio dos resíduos sólidos com a finalidade de verificar a eficiência de conversão do substrato em biogás, a massa residual acumulada e a massa lançada nos líquidos percolados. O balanço de massa tem como base a Lei da Conservação da Massa de Lavoisier, segundo a qual em reações químicas, em sistemas fechados, a massa dos reagentes é igual a massa dos produtos. A Figura 1 mostra esquematicamente como ocorre a difusão da massa orgânica no processo de bioestabilização anaeróbia da fração orgânica putrescível dos resíduos sólidos urbanos no interior dos reatores de batelada. Massa transformada em biogás Massa aplicada REATOR Massa acumulada Massa convertida em percolado FIGURA 1. Fluxo de massa nos reatores de batelada. O presente trabalho teve o objetivo de avaliar o processo de bioestabilização anaeróbia da fração orgânica putrescível dos resíduos sólidos urbanos inoculada com rúmen bovino em reatores de batelada, utilizando-se para tal propósito o balanço de massa dos parâmetros: demanda química de oxigênio (DQO), sólidos totais voláteis (STV) e nitrogênio total Kjedahl (NTK) METODOLOGIA O trabalho foi realizado no Laboratório de Saneamento Ambiental do Centro de Ciências e Tecnologia da UEPB, com período de monitoração de 365 dias. O substrato tratado anaerobiamente era constituído da fração orgânica putrescível dos resíduos sólidos urbanos inoculada com diferentes percentagens de rúmen bovino. Os parâmetros operacionais empregados aos reatores constituintes do sistema experimental são apresentados na Tabela 1. TABELA 1. Parâmetros operacionais dos reatores. Parâmetro Reator Proporção RSU/Rúmen Massa de RSU(kg) Massa de Rúmen(kg) Massa Total (kg) Carga Orgânica Aplicada (kg.m -3 ) A 1/ B 95/ C 9/ D 85/ ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 Para a realização do trabalho experimental foram construídos, instalados e monitorados quatro reatores de 2 litros de capacidade unitária. Em cada reator foram construídos e instalados os seguintes dispositivos: dispositivo para coleta de percolado (ponto 1) dispositivo para recirculação de água (ponto 2) dispositivo para coleta de biogás (ponto 3) medidor quantitativo de biogás (ponto 4) Na Figura 2, mostra-se o esquema geral de um dos reatores utilizado no trabalho experimental. FIGURA 2. Esquema geral de um dos reatores utilizado no trabalho experimental. O monitoramento do sistema experimental foi realizado na fração sólida, líquida e gasosa. A fração sólida refere-se as amostras coletadas antes da alimentação e após o descarregamento dos reatores para realizar a caracterização físico-química e quantificar as massas de DQO, NTK e STV aplicadas e acumuladas em cada um dos reatores. A fração líquida reporta-se ao percolado produzido pelo processo de bioestabilização anaeróbia e foi caracterizado quizenalmente para avaliar a quantidade de massa liberada através dessa fração. Na fração gasosa, a monitoração foi realizada continuamente, haja vista, a necessidade de se quantificar com certo grau de precisão a produção de biogás. As análises foram realizadas quizenalmente em consonância com os métodos preconizados pelo Standard Methods for Examination of the Water and Wastewater, 19 th ed. (1995). O balanço de massa foi aplicado ao sistema para verificar a eficiência de conversão do substrato em biogás, utilizando-se para isso a equação 1. M AP = M AC + M TB + M TP equação (1) onde: M AP = massa aplicada M AC = massa acumulada M TB = massa convertida em percolado M TP = massa convertida em biogás ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 RESULTADOS E DISCUSSÕES Os resultados advindos da aplicação do balanço de massa aos parâmetros avaliativos referenciais, são apresentados na Tabela 2. TABELA 2. Resultados do balanço de massa. Parâmetro DQO (g) NTK (g) STV (g) Reator M AP M AC M TB M TP M AP M AC M TB M TP M AP M AC M TB M TP A B C D Analisando os dados da Tabela 2, observa-se que o aumento do percentual de inóculo influenciou nas eficiências de conversões dos parâmetros monitorados durante o trabalho. As taxas de conversões de DQO, STV e NTK em biogás foram maiores no reator D onde foi empregado 15% de inóculo (rúmen bovino). A quantidade de biogás produzida durante o processo de bioestabilização anaeróbia do substrato foi medida continuamente e os valores da produção acumulada durante o período de monitoração do sistema experimental estão mostrados na Figura 3. Produção acumulada de Biogás (L) FIGURA 3. Produção acumulada de biogás durante o período de monitoração do sistema experimental. O comportamento da Figura 3 denota que a maior quantidade de biogás foi produzida pelo reator D. As taxas de conversões de DQO em biogás foram:,1131;,1237;,1619 e,185 m 3 biogás.kg -1 DQO DEGRADADA, para os reatores A, B, C e D, respectivamente. Segundo Pavlostalhis e Giraldo-Gomes(1991) apud Sanders et al (2), muitos autores descrevem o comportamento da hidrólise da matéria orgânica obedecendo a cinética de 1ª, ordem tomando-se como base a biodegradabilidade do substrato a ph e temperatura constantes, conforme descrito na equação 1. S = S e -kt equação (2) onde: S = massa do substrato no tempo t (kg); S = massa inicial do substrato (kg); k = constante de biodecomposição do substrato (dia -1 ); t = tempo (dia) ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 O parâmetro cinético utilizado para avaliar a influência do inóculo durante o trabalho experimental, foi a constante de biodecomposição do substrato, cujos valores indicam a velocidade do processo. As equações exponenciais que foram ajustadas com os dados obtidos durante o trabalho experimental são apresentadas na Tabela 3. Tabela 3. Equações exponenciais ajustadas com os dados experimentais. Reator DQO NTK STV A DQO = 633,7.e -, t NTK = 18,2.e -,3187.t STV = 1385,5.e -, t B DQO = 698,7.e -, t NTK = 2,1.e -,36529.t STV = 1433,7.e -,14376.t C DQO = 679,2.e -, t NTK = 19,5.e -,44942.t STV = 1325,7.e -,16332.t D DQO = 698,7.e -,57137.t NTK = 21,3.e -, t STV = 1353,8.e -,24332.t Analisando os dados apresentados na Tabela 4, observa-se que as maiores constantes de biodecomposição foram obtidas para o substrato tratado no reator D (15% de rúmen bovino) evidenciando, assim, a influência do inóculo utilizado na preparação do substrato. O comportamento da evolução temporal de massa de DQO nos reatores monitorados durante o trabalho experimental é mostrado na Figura 4. DQO (g) FIGURA 4. Comportamento de evolução temporal de massa de DQO. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 Na Figura 5 mostra-se o comportamento da evolução da concentração de DQO nos líquidos percolados dos reatores monitorados durante o trabalho experimental. DQO (mg/l) FIGURA 5. Comportamento da evolução temporal da concentração de DQO nos líquidos percolados. Analisando o comportamento da Figura 5, verifica-se que aos 95 dias de monitoração, os líquidos percolados de todos os reatores atingiram o valor máximo na concentração de DQO. Observa-se ainda que o reator D atingiu uma redução de 96% da concentração de DQO inicial, enquanto no reator A a redução foi de apenas 21%, durante os 365 dias de monitoração. Na Figura 6 mostra-se o comportamento da evolução temporal da massa de STV nos reatores monitorados. 16 Sólidos Totais Voláteis (g) FIGURA 6. Comportamento da evolução temporal de massa de STV. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 O comportamento da evolução temporal da concentração de STV nos líquidos percolados dos reatores monitorados é mostrada na Figura STV (mg/l) FIGURA 7. Comportamento da evolução temporal da concentração de STV nos líquidos percolados. A concentração de STV nos líquidos percolados dos reatores B e C não apresentaram grandes diferenças. Com relação ao reator D o valor máximo registrado aconteceu aos 82 dias de monitoração quando foi alcançada a concentração de mg.l -1, valor este que decresceu continuamente até o final do período de monitoração do sistema, quando a concentração registrada foi de mg.l =1, uma redução de 87%. Quanto ao reator A, o pico máximo da concentração de STV nos líquidos percolados foi de mg.l -1 e ocorreu aos 138 dias de monitoração, chegando a reduzir em torno de 51% da concentração de STV. Na Figura 8 é mostra-se o comportamento da evolução temporal da massa de NTK nos reatores monitorados durante o trabalho experimental NTK (g) FIGURA 8. Comportamento da evolução temporal de massa de NTK. Analisando o comportamento da evolução temporal da massa de NTK, observa-se que a eficiência de redução foi diretamente proporcional ao percentual de inóculo aplicado. O comportamento da evolução temporal da concentração de NTK nos líquidos percolados dos reatores monitorados é mostrada na Figura 9. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7

8 NTK (mg/l) FIGURA 9. Comportamento da evolução temporal de NTK nos líquidos percolados. As concentrações de NTK nos líquidos percolados situaram-se em torno de 2. mg.l -1 no início da monitoração do sistema experimental. Os valores foram decrescendo e no final do período de monitoração o valor médio para os quatro reatores foi de 383 mg.l -1, estabelecendo uma eficiência média de redução de NTK de 8%. Na Tabela 4 apresenta-se a matriz de correlação entre percentagem de inóculo utilizado, produção de biogás e redução dos parâmetros monitorados. TABELA 4. Matriz de correlação entre percentagem de inóculo utilizado, produção de biogás e redução dos parâmetros monitorados. % Redução de DQO % Redução de STV % Redução de NTK Produção de Biogás % de Inóculo,9955,8943,9712,9578 Produção de Biogás,976,9736, % Redução de NTK,9655, % Redução de STV, Analisando os dados apresentados na Tabela 4, pode-se verificar que todas as correlações situaram-se acima de,91, com exceção do percentual de inóculo em função dos STV que apresentou correlação de,8943. CONCLUSÕES! O percentual de inóculo utilizado na preparação do substrato apresentou correlações positivas e significativas com relação a produção de biogás e reduções de DQO, STV e NTK;! A produção média de biogás foi de,146 m 3.kg -1 de DQO BIOESTABILIZADA ;! A aplicação de 15% de rúmen bovino tornou-se viável, haja visto, ter reduzido 56% da massa total alimentada ao reator;! Nos líquidos percolados do reator D ocorreu uma redução de massa de DQO em torno de 96%;! A constante média de bioestabilização determinada para DQO foi de 4,454x1-3 dia -1, para os STV foi de 1,557x1-3 dia -1 e para NTK foi de 4,675x1-3 dia -1. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 8

9 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. APHA, AWWA, WPCF. Standard Methods for Examination of the Water and Wastewater. 19 th ed. Washington, METCALF & EDDY. Waste engineering: treatment, disposal, refuse. 3 Ed. McGraw- Hill International editions, p RASIL. Leis, Decretos, etc. Resolução CONAMA nº 1, de 23 de janeiro de In: Diário Oficial da União. Distrito Federal, POLPRASERT, C. Organic waste recycling environmental engineering division, Asian Institute of Technology. Banckok, SANDERS, M.; GEERINK, M.; ZEEMAN, G. and LETTINGA, G.. Anaerobic hydrolysis of particulate substrates. Water Science and Technology. V. 41, Nº 3, p , 2. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 9