III UTILIZAÇÃO DA CONSTANTE DE BIODEGRADAÇÃO PARA AVALIAÇÃO DO PROCESSO DE TRATAMENTO ANAERÓBIO DE RESÍDUOS SÓLIDOS

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1 22º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 14 a 19 de Setembro Joinville - Santa Catarina III UTILIZAÇÃO DA CONSTANTE DE BIODEGRADAÇÃO PARA AVALIAÇÃO DO PROCESSO DE TRATAMENTO ANAERÓBIO DE RESÍDUOS SÓLIDOS Wilton Silva Lopes (1) Doutorando em Ciências pela Universidade Federal da Paraíba. Mestre em Saneamento Ambiental pelo Programa de Pós-Graduação em Desenvolvimento e Meio Ambiente PRODEMA da UFPB/UEPB. Químico Industrial pela Universidade Estadual da Paraíba. Professor do Departamento de Química da Universidade Estadual da Paraíba. Valderi Duarte Leite Doutor em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo EESC/USP. Mestre em Engenharia Sanitária pela Universidade Federal da Paraíba. Engenheiro Químico pela Universidade Federal da Paraíba. Professor do Departamento de Química da Universidade Estadual da Paraíba. Shiva Prasad Doutor em Química pela University of Rajassthan - Jaipur/Índia. Mestre em Química pela University of Rajassthan - Jaipur/Índia. Professor do Departamento de Engenharia Química da Universidade Federal de Campina Grande. José Tavares de Souza Doutor em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo EESC/USP. Mestre em Engenharia Sanitária pela Universidade Federal da Paraíba. Engenheiro Químico pela Universidade Federal da Paraíba. Professor do Departamento de Química da Universidade Estadual da Paraíba.

2 Maria Luciana Dias de Luna Mestre em Desenvolvimento e Meio Ambiente pelo PRODEMA UFPB/UEPB. Química Industrial pela Universidade Estadual da Paraíba Endereço(1): Rua Papa João Paulo I, 325 Nova Brasília Campina Grande PB CEP: Brasil Tel: (83) / (83) wiltonlopes@terra.com.br RESUMO Este trabalho teve como propósito utilizar a constante de biodegradação para avaliação do processo de tratamento anaeróbio da fração orgânica putrescível dos resíduos sólidos urbanos inoculada com rúmen bovino em reatores de batelada operando com alta concentração de sólidos. Os reatores foram alimentados com a FOPRSU (fração orgânica putrescível dos resíduos sólidos urbanos) inoculada com rúmen bovino. A FOPRSU foi coletada em centrais de abastecimento e feiras livres e o rúmen bovino em matadouros particulares. Depois de coletados os resíduos foram transportados para o Laboratório onde foram triturados e caracterizados física e quimicamente. O sistema experimental foi monitorado durante um período de 365 dias. O monitoramento foi realizado nas frações sólida e líquida. A fração sólida reporta-se ao material alimentado aos reatores e o material remanescente no final do período de monitoração, enquanto a fração líquida refere-se ao percolado produzido durante o processo de bioestabilização anaeróbia do material orgânico. A taxa média de produção de biogás determinada durante o trabalho foi de 3,135m3.kgDQOtransfor, para uma taxa de utilização de substrato média de 2,51 gdqo.dia-1. Os valores das constantes de decomposição foram influenciados diretamente pelo percentual de inóculo utilizado, assim como, a taxa de utilização do substrato e produção de biogás. PALAVRAS-CHAVE: resíduos sólidos orgânicos, reator de batelada, tratamento biológico, constante de biodegradação. INTRODUÇÃO O crescimento microbiano pode ser considerado como um conjunto de reações bioquímicas em cadeia, que levam a síntese dos constituintes da biomassa microbiana obtida no final da operação (Leveau & Bouix, 1985). Metcalf & Eddy (1991), apresentam o perfil do crescimento padrão de microorganismos num sistema fechado, conforme mostrado na Figura 4, dividido em quatro fases:

3 FIGURA 4 Perfil de crescimento bacteriano. A fase de adaptação, ou fase lag: com a adição de um inóculo a um meio de cultura, esta fase representa o tempo requerido pelo organismo para se adaptar ao seu novo meio e iniciar seu processo de divisão; A fase de crescimento logarítmica: durante este período, as células dividem-se à taxa determinada por seu tempo de geração e sua habilidade ao processo de alimentação; A fase estacionária: onde a população permanece estacionária. As razões para este fenômeno são: que as células consumiram todo o substrato ou nutrientes para crescimento ou que o crescimento de novas células está equilibrado com a morte de células velhas; Fase endógena ou de decaimento: durante esta fase, a taxa de morte bacteriana excede a produção de novas células. A taxa de morte é usualmente uma função proveniente da viabilidade da população e das características ambientais. Em alguns casos, a fase de morte logarítmica é o inverso da fase de crescimento logarítmico. A biodecomposição do substrato orgânico em reator anaeróbio de batelada é caracterizada por uma fase lenta, que é o período necessário para adaptação e inicio da multiplicação da massa bacteriana, além de uma fase de decomposição rápida, cujo crescimento bacteriano é máximo. Portanto, a taxa de biodegradação do substrato pode ser descrita por modelos exponenciais (Leite et al, 2001). Na grande maioria dos trabalhos publicados, relacionado com o tratamento biológico de resíduos sólidos orgânicos, o parâmetro avaliativo tomado como referencial para avaliação do desempenho do processo é a eficiência de redução da massa do substrato aplicada, redução de sólidos totais voláteis e algumas vezes o carbono orgânico total é utilizado. Os valores das constantes de biodegradabilidade podem ser utilizados para avaliação da performance do processo. Por se tratar de equações exponenciais teremos que quando maior a magnitude de k melhor o desempenho do processo. Os valores de k são característicos para cada tipo de substrato e existem vários fatores que podem influenciar na taxa de degradação do substrato, principalmente, quando o substrato utilizado é sólido. No que se refere a resíduos sólidos orgânicos vários fatores podem ser mencionados dentre eles pode-se destacar: concentração de sólidos, granulometria, composição química, presença e teor de inóculo. A constante de biodegradação fornece uma idéia da velocidade com que o substrato é bioestabilizado no interior do reator. Assim, quando maior o valor da constante maior a taxa de bioestabilização do material. Na grande maioria dos trabalhos publicados, relacionado com o tratamento biológico de resíduos sólidos orgânicos, o parâmetro avaliativo tomado como referencial para avaliação do desempenho do processo é a

4 eficiência de redução da massa do substrato aplicada, redução de sólidos totais voláteis e algumas vezes o carbono orgânico total é utilizado. Este trabalho teve como propósito utilizar a constante de biodegradação para avaliação do processo de tratamento anaeróbio da fração orgânica putrescível dos resíduos sólidos urbanos inoculada com rúmen bovino em reatores de batelada operando com alta concentração de sólidos. MATERIAIS E MÉTODOS Descrição do sistema experimental O sistema experimental era constituído por quatro reatores anaeróbios de batelada de 50 litros de capacidade unitária. Os reatores foram construídos a partir de baldes de plástico rígido. Os reatores foram alimentados com a FOPRSU (fração orgânica putrescível dos resíduos sólidos urbanos) inoculada com rúmen bovino. A FOPRSU foi coletada em centrais de abastecimento e feiras livres e o rúmen bovino em matadouros particulares. Depois de coletados os resíduos foram transportados para o Laboratório onde foram triturados e caracterizados física e quimicamente. Os parâmetros operacionais adotados para a realização do trabalho experimental estão apresentados na Tabela 1. TABELA 1. Parâmetros operacionais dos reatores. Parâmetros Reatores Prop. Resíduo/ rúmen (%) Massa de Resíduo (kg) Massa de Rúmen (kg) Massa Total (kg) COA (kg/m3) A 100/0 10,00 0,00 10,00

5 500 B 95/5 9,50 0,50 10, C 90/10 9,00 1,00 10, D 85/15 8,50 1,50 10, O sistema experimental foi monitorado durante um período de 365 dias. O monitoramento foi realizado nas frações sólida e líquida. A fração sólida reporta-se ao material alimentado aos reatores e o material remanescente no final do período de monitoração, enquanto a fração líquida refere-se ao percolado produzido durante o processo de bioestabilização anaeróbia do material orgânico.

6 O percolado era coletado com freqüência quinzenal e após o descarregamento do percolado do interior do reator um igual volume de água era adicionado com a finalidade de se manter constante a umidade do interior do reator. As análises dos líquidos percolados foram realizadas em consonância com os métodos preconizados por APHA (1995), enquanto, para a fração sólida era realizada inicialmente a digestão ácida da amostra com ácido nítrico, sulfúrico ou perclórico, seguida dos mesmos procedimentos analíticos adotados para o líquido percolado. Determinação da constante de biodegradação A concentração do substrato (S) tende a diminuir com o passar do tempo, já que ocorre um aumento da massa de microorganismos e, dessa forma, se tem um maior consumo da massa de substrato. A velocidade de consumo do substrato pode ser obtida através da tangente à curva da Figura 4 na fase de crescimento logaritmo. Então a velocidade de consumo do substrato pode ser representada pela equação 1: (1) para, a velocidade específica de consumo de substrato e dada por: (2) Integrando a equação (02), tem-se: (3) onde: k = constante de biodegradação (dia-1); S = concentração do substrato no instante t (mg.l-1); S0 = concentração inicial do substrato (mg.l-1). Muitos autores descrevem o comportamento da hidrólise da matéria orgânica obedecendo à cinética de 1ª, ordem tomando-se como base à biodegradabilidade do substrato a ph e temperatura constantes, conforme descrito na equação 3 (Pavlostalhis, 1998; Sanders et al, 2000). A constante de biodegradação foi calculada utilizado-se a equação 3. A concentração do substrato (S0) no início (t0) do processo era conhecida, após um determinado tempo (t) a concentração foi mensurada (S). Dessa forma, a constante (k) foi determinada. RESULTADOS E DISCUSSÃO Na Tabela 2 mostra-se os parâmetros cinéticos obtidos com os dados advindos do monitoramento do sistema experimental.

7 TABELA 2 Parâmetros cinéticos. Parâmetro Reator Taxa de utilização de substrato (gdqo.dia-1) Taxa de produção de biogás (m3.kg-1 DQOtransf.) Carga orgânica aplicada (gdqo.dia-1.m-3) Constante de decomposição do substrato (dia-1) A 2,18 2,49 92,17 0, B 2,23 2,93 90,56 0, C 2,55 3,49 91,73

8 0, D 3,08 3,63 90,00 0, Analisando os dados apresentados na Tabela 2, verifica-se que todos os parâmetros monitorados foram influenciados pelo inóculo utilizado. Com relação a constante de bioestabilização observa-se que o maior valor foi obtido para o substrato tratado no reator D (15% de rúmen bovino) e a menor no reator A (0% de rúmen bovino). A taxa de produção de biogás também fornece boas informações com relação ao grau de bioestabilização do substrato, visto que, à medida que o material é bioestabilizado anaerobiamente o biogás vai sendo produzido. Observando a Tabela 2, constata-se que o reator A apresentou uma taxa de produção de biogás de 2,49 m3.kg-1 DQOtransf., enquanto para o reator D este parâmetro atingiu o patamar de 3,63 m3.kg-1 DQOtransf.. Isto demonstra a influência do rúmen bovino durante o processo de tratamento anaeróbio da fração orgânica putrescível dos resíduos sólidos urbanos quando tratada em reatores de batelada. Na Figura 1 apresenta-se a correlação estabelecida entre o valor da constante de biodegradação do substrato e o percentual de inóculo utilizado na preparação do substrato. FIGURA 1. Correlação entre constante de biodegradação e percentual de inóculo. As equações exponenciais que foram ajustadas com os dados obtidos durante o trabalho experimental são apresentadas na Tabela 3. Estas constantes foram determinadas em função dos parâmetros monitorados durante o trabalho experimental. TABELA 3 - Equações exponenciais ajustadas com os dados experimentais obtidos durante a 2ª etapa do trabalho. Reator A2

9 B2 C2 D2 DQO DQO=1681.e-0, t DQO=1653.e-0, t DQO=1674.e-0, t DQO=1642.e-0, t STV STV=3198.e-0, t STV=3198.e-0, t STV=3172.e-0, t STV=3219.e-0, t NTK NTK=105.e-0, t NTK=98.e-0, t NTK=105.e-0, t NTK=100.e-0, t PT PT=9,4.e-0, t PT=10,4.e-0, t PT=10,6.e-0, t PT=9,2.e-0, t

10 S S=14,5.e-0, t S=14,5.e-0, t S=13,4.e-0, t S=12,0.e-0, t Analisando os dados apresentados na Tabela 3, verifica-se que a constante de biodecomposição foi função direta do percentual de inóculo utilizado, sendo que as maiores constantes de biodecomposição foram obtidas para substrato tratado nos reatores da série D (15% de rúmen bovino) e as menores constantes nos reatores da série A (0% de rúmen bovino) evidenciando, assim, a influência do inóculo utilizado. A tendência da redução de massa de DQO e STV no interior dos reatores durante o período de monitoração do sistema experimental é mostrada nas Figuras de 2 e 3. FIGURA 2 Tendência da redução de massa de DQO no interior dos reatores. FIGURA 3 Tendência da redução de massa de STV no interior dos reatores. Analisando a tendência das Figuras 2 e 3, observa-se que para todos os parâmetros monitorados a massa residual acumulada nos reatores foi função direta do percentual de inóculo utilizado na preparação do substrato. Os reatores da série D apresentaram as menores quantidades de massa de DQO e STV no final do período de monitoração do sistema experimental, enquanto as maiores quantidades foram registradas no reator A. CONCLUSÕES A taxa média de produção de biogás determinada durante o trabalho foi de 3,135m3.kgDQOtransfor, para uma taxa de utilização de substrato média de 2,51 gdqo.dia-1.

11 Os valores das constantes de decomposição foram influenciados diretamente pelo percentual de inóculo utilizado, assim como, a taxa de utilização do substrato e produção de biogás. Foram obtidas correlações significativas e positivas entre percentual de inóculo utilizado e taxa de redução da massa de substrato aplicada ao reator. O reator D (15% de inóculo) foi o que apresentou melhor desempenho, haja vista, ter reduzido cerca de 40% da massa de resíduos sólidos aplicada. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS APHA, AWWA, WPCF- Standard Methods for Examination of Water and Wastewater. 19th ed. Washington, Leite, V. D.; Lopes, W. S.; Prasad, S. Bioestabilização anaeróbia de resíduos sólidos orgânicos em reatores de batelada. R. Bras. Eng. Agríc. e Ambiental. Vol. 5, Nº 1, p , Leveau, J. Y. & Bouix, M. Cinéticas microbianas. In: SCRIBAN, R. (coord.). Biotecnologia. Tradução de Maria Ermaritina Galvão Gomes Pereira et al.. Editora Monole LTDA, São Paulo, 1985, p Metcalf & Eddy. Wastewater engineering treatment disposal reuse. 3ªed. New York: McGraw-Hill, p. Pavlostathis, S. G. Preliminary conversion mechanisms in anaerobic digestion of biological sludges. Journal of the Enviromental Engineering, London v. 114, n. 3, june of 1998, p Peres, C. S.; Sanches, C. R.; Matumoto, C.; Schmidell, W. Anaerobic Biodegradability of the Organic Components of Municipal Solid Waste (OFMSW). In Proceedings of the VI International Symposium of Anaerobic Digestion. São Paulo, Brazil, p , 1991.