Produção de biogás a partir de dejetos de ruminantes e monogástrico com e sem

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1 Produção de biogás a partir de dejetos de ruminantes e monogástrico com e sem inoculo José R. Micalli Junior a, João A. Galbiatti a *, Henrique L. Perez a, Mariana F. Ragazzi a, Ricardo Galbiatti a a Universidade Estadual Paulista ( FCAV - Unesp) Câmpus de Jaboticabal, via de acesso Prof. Paulo Donato Castellane s/n CEP: Jaboticabal SP, Brasil. * autor para correspondência: r 220. galbi@fcav.unesp.br Palavras chave: Aves, Biodigestor, Efluente, Bovinos, Suínos ABSTRACT The human activities linked to population growth have caused major environmental problems throughout the world, and one of the responsible activities to this factor is agricultural, because of the large amounts of animal manure generated on it. This organic waste should be disposed to an appropriate treatment. The use of biodigester may be one of alternative for the stabilization of organic matter, as well as it promotes biogas and biofertilizer production. This study aimed to evaluate the use of biodigester with different types of animal manure, with or without inoculum. Therefore, using batch type biodigester was set up eight treatments: bovine manure + water, buffalo manure + water, laying hens manure + water, swine manure + water, laying hens manure + water + bovine manure, swine manure + water + bovine manure, laying hens manure + water + effluent from biodigester operated with swine manure, and swine manure + water + effluent from biodigester operated with swine manure. Each treatment was repeated three times. After the initial filling biodigester were sealed with the gas tank and during the fermentation period (112 days), the biogas production was measured. The treatments that have suffered major reductions in volatile solids were the swine manure + water + effluent from biodigester operated with swine manure

2 (57,64%), laying hens manure + water (57,49%), laying hens manure + water + effluent from biodigester operated with swine manure (56,90%), laying hens manure + water + bovine manure (42,22%). It was observed that when used inoculum, the biodigester effluent was more efficient, advanced the average of biogas production by up to 80 days when compared with the treatments without inoculum. RESUMO As atividades humanas aliadas ao crescimento da população têm causado grandes problemas ambientais em todo o planeta, e uma das atividades que contribui para esse fator é a agropecuária, devido grande quantidade de dejeto animal gerado. Estes são resíduos orgânicos devem ser destinados a um tratamento adequado. A utilização de biodigestores pode ser uma das alternativas para a estabilização dessa matéria orgânica, além de produzir biogás e biofertilizante. Este trabalho teve como objetivo avaliar a utilização de biodigestor com diferentes tipos de resíduos animais, com ou sem inoculo. Assim sendo, utilizando de biodigestores tipo batelada, definiu-se oito tratamentos; dejeto de bovinos + água, dejeto de búfalos + água, dejeto de aves + água, dejeto de suínos + água, dejeto de aves + água + dejeto de bovinos, dejeto de suíno + água + dejeto de bovinos, dejeto de aves + água + efluente de biodigestor operado com dejeto de suínos, e dejeto de suínos + água + efluente de biodigestor operado com dejeto de suínos. Cada tratamento foi repetido três vezes. Após o enchimento inicial os biodigestores foram fechados com o gasômetro sendo que, durante o período de fermentação (112 dias) foram feitas determinações de produção de biogás. Os tratamentos que sofreram maiores reduções de sólidos voláteis foram o dejeto de suínos + água + efluente de biodigestor operado com dejeto de suínos, dejeto de aves + água, dejeto de aves + água + efluente de biodigestor operado com dejeto de

3 suínos, dejeto de aves + água + dejeto de bovinos, com valores de 57,64%, 57,49%, 56,90% e 42,22% respectivamente. Notou-se que quando se utilizou inóculo, os melhores resultados foram com o inóculo de efluente de biodigestor, antecipando a produção média de biogás em até 80 dias, quando comparado com os tratamento sem inóculo. INTRODUÇÃO O conceito de desenvolvimento econômico estabelecido pela sociedade a tempos vem sendo questionado, pois a intensificação das atividades humanas aliadas ao crescimento da população tem causado grandes problemas ambientais em todo o planeta. Nos últimos tempos começaram a surgir alternativas para esse desenvolvimento, o chamado desenvolvimento sustentável, que compreende a manutenção da cadeia produtiva e a responsabilidade com a qualidade ambiental. Nos países desenvolvidos a biomassa, de uso muito pouco representativo, mais que dobrou a sua participação na matriz energética, de 2,3% em 1973, para 4,8% em 2006, o que reflete a preocupação em atenuar as emissões de poluentes atmosféricos. No caso do Brasil, a expressiva participação da energia hidráulica e o uso ainda representativo de biomassa proporcionam indicadores de emissões de CO2 bem menores que a média dos países desenvolvidos. No país, a emissão é de 1,44 toneladas de CO2 por tonelada equivalente de petróleo - tep da oferta interna de energia, enquanto nos países da Organização de Cooperação e de Desenvolvimento Econômicos - OECD a emissão é de 2,32 toneladas de CO2 por tep, ou seja, 62% maior (BEM, 2009). As atividades agropecuárias, pode causar problemas ambientais pela produção de grande quantidade de dejeto animal. Com o crescimento da demanda para produtos de origem animal, aliada ao crescimento populacional, novas técnicas de produção foram adotadas. Geralmente essas técnicas adensam os animais, os confinado na espera

4 de melhor desempenho, com isso, ocorre a geração de grande quantidade de resíduos de origem animal em um determinado local. Estes resíduos orgânicos se não forem destinados a um tratamento adequado ou serem dispostos de maneira indiscriminada no ambiente, tendem a poluir o ar, solo e os recursos hídricos, além de disseminar doenças. Uma alternativa para estes resíduos, também chamados de biomassa é a utilização em biodigestores, o qual tem a capacidade de estabilizar matéria orgânica reduzindo o impacto ambiental, produzido biogás e biofertilizantes. Dentro do biodigestor, devido à ausência de oxigênio livre ocorre a digestão anaeróbica, no qual diversas populações de bactérias convertem a matéria orgânica numa mistura de metano, dióxido de carbono e pequenas quantidades de hidrogênio, nitrogênio e sulfato de hidrogênio, sendo essa mistura conhecida como biogás, e pode ser utilizada como combustível devido às elevadas concentrações de metano, entre 55 e 70% (GRANATO 2003). Os resíduos de animais ruminantes, quando submetidos à digestão anaeróbia, propiciam partida e produção de biogás rapidamente, em virtude da existência de grandes quantidades de microrganismos anaeróbios no trato digestivo desses animais, que são eliminados junto com as fezes. No entanto para resíduos de animais monogástricos devem ser tomados alguns cuidados com o início do processo a população anaeróbia presente nesses resíduos, ou seja, o inóculo natural é menor quando comparado com resíduos de ruminantes, o que poder comprometer a produção do biodigestor. Sendo assim a adição de inóculo pode ser favorável a biodigestão anaeróbia desses resíduos STEIL (2001). Portanto estudos que avaliem a utilização de inóculo em diferentes tipos de resíduos animais são essenciais para proporcionar novas informações, viabilizando e

5 otimizando o processo de produção de biogás e biofertilizante, o que conseqüentemente reduz o impacto ambiental e gera ganhos econômicos ao produtor. MATERIAL E MÉTODOS O presente trabalho foi desenvolvido em biodigestores instalados nas dependências do Departamento de Engenharia Rural da Faculdade de Ciências Agrárias e Veterinárias Campus de Jaboticabal UNESP, cujas coordenadas geográficas são Latitude, 21º 15 22, Longitude, 48º W. Gr. E Altitude de 575 metros. O clima da região é, subtropical úmido, seco no inverno e com chuvas no verão, com precipitação anual de 1400 mm e temperatura média anual de 20ºC. Utilizou-se uma bateria de mini-biodigestores constituída de 24 unidades que operaram no sistema de batelada. Os biodigestores constituíram-se, basicamente, de dois cilindros circulares retos um dos quais se encontra implantado no interior do outro, de tal forma que o espaço existente entre a parede externa do cilindro interior e a parede interna do cilindro exterior comporte um volume de água denominado selo de água e que atinge a profundidade de 48 cm. Uma campânula flutuante de fibra de vidro, emborcada no selo de água, propicia as condições anaeróbicas sob as quais se desenvolve o processo de fermentação, alem de armazenar o gás produzido e conferir pressão ao mesmo. Os biodigestores são semi-subterrâneos. O cilindro interior (câmara de fermentação) encontra-se em comunicação com uma vala de drenagem, através de um tubo de escoamento, ligado ao fundo da câmara e que serve para limpeza. Assim sendo, para o desenvolvimento deste estudo, utilizando de biodigestores tipo batelada; dejetos de ruminantes (bovinos e bubalinos), e dejetos de monogástricos (aves de postura e suínos)

6 bem como de dois tipos de inóculo (dejetos de bovinos e efluente de biodigestor operado com dejetos de suínos) definiu-se oito tratamentos; - tratamento 1: Dejetos de bovinos + água (DB) - tratamento 2: Dejetos de búfalos + água (DBu) - tratamento 3: Dejetos de aves + água (DA) - tratamento 4: Dejetos de suínos + água (DS) - tratamento 5: Dejetos de aves + água + DB (DAB) - tratamento 6: Dejetos de suíno + água + DB (DSB) - tratamento 7: Dejetos de aves + água + efluente de biodigestor operado com dejeto de suínos (DAefs) - tratamento 8: Dejetos de suínos + água + efluente de biodigestor operado com dejeto de suínos (DSefs). Cada tratamento foi repetido três vezes e cada repetição foi distribuída ao acaso entre os biodigestores pertencente a bateria já descrita. Os dejetos utilizados foram coletados em instalações pertencentes a faculdade de ciências agrárias e veterinárias de Jaboticabal Unesp, obtendo-se informações como idade e sistema de criação a que eram submetidos os animais. O efluente de biodigestor utilizado como inoculo foi coletado na caixa de saída de biodigestor modelo indiano. O biodigestor era operado com cargas diárias constituídas de dejetos de suínos e água e com tempo de retenção de 50 dias e em regime de estabilidade. De cada material utilizado na composição dos oito tratamentos e dos substratos após sofrerem o processo de fermentação, retirou-se amostras as quais foram levadas ao laboratório, para se obter o peso úmido (Pu) do material, e levadas à estufa com circulação forçada de ar, à temperatura de 65ºC, até atingirem peso constante e a seguir eram resfriadas em dessecador e pesadas novamente em balança de precisão de 0,001 g,

7 obtendo-se peso seco (Ps). O teor de sólidos totais foi determinado efetuando-se os seguintes cálculos: ST= 100 U U= (Pu Ps) / Pu x 100 Onde: ST = percentual do teor de sólidos totais; U = percentual do teor de umidade da amostra; Pu = peso úmido da amostra (g); Ps = peso seco da amostra (g) Para a determinação do teor de sólidos voláteis, aproveitou-se os materiais secos obtidos após a determinação do teor de sólidos totais, os quais foram levados à mufla e mantidas a temperatura de 575 ºC durante o período de 2 horas depois de uma queima inicial com a mufla parcialmente aberta e, em seguida, após resfriamento em dessecadores os materiais eram pesados em balança com precisão de 0,001 g, obtendo peso de cinzas. O teor de sólidos voláteis foi determinado efetuando os seguintes cálculos: SV = ST CINZAS Cinzas % = (1 Pu Pm) / Pu x 100 Onde: SV = percentual de teor de sólidos voláteis; Pm = peso obtido após a queima na mufla (g) O abastecimento inicial de cada biodigestor foi realizado com 65 kg de substrato. Na determinação da quantidade dos dejetos, a água e inóculos a serem misturados para se obter 65 kg de cada substrato com a percentagem de sólidos totais desejada (8%) foram utilizadas as seguintes expressões: Es = (K x W) / 100 Eu = (Es / ST) x 100 A = W - Eu

8 Onde: W = peso do substrato que se pretende colocar no biodigestor (65 kg); Es = peso seco de dejeto que deverá se adicionado em W; K = percentagem de sólidos totais que se pretende colocar em W (8%); ST = porcentagem de sólidos totais contidos no dejeto fresco; Eu = peso de dejeto fresco para se obter W; A = peso da água que deve ser misturado com Eu para se obter W. No dia do abastecimento os dejetos apresentavam com os teores de sólidos totais e voláteis apresentados na Tabela 1 Tabela 1. Teores de sólidos totais e voláteis dos dejetos. Componente Sólidos totais (%) Sólidos voláteis (%) Dejeto de bovinos 28,75 21,73 Dejeto de bubalinos 14,15 11,71 Dejeto de aves 34,54 20,97 Dejeto de suínos 25,15 20,16 Efluente de biodigestor 6,95 5,49 Os biodigestores foram operados em batelada, após o enchimento inicial os mesmos foram fechados com o gasômetro sendo que, durante o período de fermentação (112 dias), foram feitas somente determinações de produção de biogás. Após 112 dias os biodigestores foram abertos e coletou-se amostra visando a determinação teor de sólidos totais e voláteis. O volume de biogás produzido diariamente foi determinado medindo-se o deslocamento vertical do gasômetro e multiplicando pela área de seção transversal interna do gasômetro que é igual a 0,2827 m 2. Para a verificação do deslocamento vertical do gasômetro, instalou-se réguas milimetrada na posição vertical e uma seta na parte superior da guia de cada gasômetro. Após a leitura os gasômetros eram zerados utilizando-se o registro de descarga do biogás. A correção do volume de biogás para as condições normais de temperatura e pressão, CNTP (1 atm e 273,15 K), foi efetuada com base no trabalho de Caetano

9 (1985), onde se verifica que pelo fator de compressibilidade (Z) o biogás apresenta comportamento termodinâmico próximo do ideal. Assim para a correção do volume de biogás utilizou-se a expressão que resulta das leis de Boyle e Gay-Lussac: (Vo x Po) / To = (V1 x P1) / T1 Onde: Vo = volume de biogás corrigido nas CNTP; Po = pressão do biogás na CNTP, 10332,72 mm H 2 O; To = temperatura do biogás na CNTP, 273,15 K; V1 = volume de biogás nas condições de leitura; P1 = pressão de biogás no gasômetro, mm de água; T1 = temperatura do biogás no instante da leitura, K. Como a pressão atmosférica media de Jaboticabal e igual a 9641,77 mm de H 2 O e a pressão conferida pelos gasômetros é igual a 10,53 mm de H 2 O, temos como resultado a seguinte expressão para a correção do volume de biogás: Vo x (V1 / T1) = 255,16241 RESULTADOS E DISCUSSÃO Tabela 2. Teores médios de sólidos totais e voláteis, em porcentagem, no inicio e no final do processo de fermentação anaeróbia. Substratos ST (%) SV (%) Inicial Final Inicial Final DB 9,60 6,98 7,26 4,96 DBu 7,82 5,32 6,47 4,15 DA 8,45 3,34 5,13 2,18 DS 7,78 4,64 6,24 3,66 DAB 8,65 4,18 5,53 2,92 DSB 8,13 5,21 6,43 4,15 DAefs 8,34 3,46 5,36 2,30 DSefs 7,82 3,65 6,25 2,65

10 Os valores iniciais de sólidos totais que foram obtidos no dia do enchimento dos biodigestores, não apresentaram-se com 8% conforme era esperado pelos cálculos. Dois fatores, pelo menos, contribuem para essa diferença: a heterogeneidade natural da biomassa e o tempo decorrido entre a determinação do teor de sólidos totais da biomassa e a formulação dos substratos que, em geral, é de um ou dois dias, propiciando alterações nos valores determinados. Essas pequenas variações são sempre esperadas, tanto é que determinam-se os teores de ST inicial dos substratos, para conhecer-se o valor correto. Na Tabela 3, são apresentados os dados médios de sólidos voláteis no inicio e no final no processo de fermentação, bem como a redução destes sólidos em porcentagem, obtido em cada tratamento até o dia em que se abriu os biodigestores. Tabela 3. Teores médios de sólidos voláteis, em massa, no inicio e no final do processo de fermentação anaeróbia e redução em porcentagem, na quantidade de sólidos voláteis. Substrato SV (Kg) Inicial Final Redução (%) DB 4,72 3,22 31,78 DBu 4,21 2,70 35,87 DA 3,34 1,42 57,49 DS 4,06 2,38 41,38 DAB 3,60 1,90 47,22 DSB 4,18 2,70 35,41 DAefs 3,48 1,50 56,90 DSefs 4,06 1,72 57,64 Os tratamentos que sofreram maiores reduções foram o DSefs, DA, DAefs, DAB, com valores de 57,64%, 57,49%, 56,90% e 42,22% respectivamente, ficando as menores reduções para os tratamentos DS, DBu, DSB, DB, com valores de 41,38%, 35,87%, 35,41% e 31,78%, respectivamente. Comparando-se o inóculo observasse

11 maiores reduções quando se utilizou o efluente de biodigestor. O efluente de biodigestor contribuiu com 0,818 Kg de sólidos voláteis nos tratamentos com este inóculo e, o inoculo de dejeto bovino, com 0,934 Kg, representando em porcentagem de inóculo em relação ao teor de sólidos voláteis, 23,5%, 20,15%, 25,94% e 22,34%, respectivamente para os tratamentos DAefs, DSefs, DAB e DSB. Tabela 4. Produção média de biogás; semanalmente até 28 dias e depois quinzenalmente: para os tratamentos dejeto de bovinos (DB), dejeto de bubalinos (DBu), dejeto de aves (DA), dejeto de aves + DB (DAB), dejeto de suínos (DS), dejeto de suínos + DB (DSB), dejeto de aves + efluente de suíno (DAefs) e dejeto de suíno + efluente de suíno (DSefs) Produção de biogás Dias DB DBu DA DS DAB DSB DAefs DSefs 7 0,0191 0,0007 0,0770 0,0074 0,0633 0,0149 0,3390 0, ,0745 0,0124 0,0187 0,0107 0,0065 0,0170 0,4490 0, ,0884 0,0083 0,0511 0,0081 0,0020 0,0107 0,2064 0, ,0995 0,0241 0,0511 0,0075 0,0471 0,0088 0,0854 0, ,1359 0,1126 0,0029 0,0283 0,0025 0,0041 0,0547 0, ,0929 0,1052 0,0070 0,0081 0,0118 0,0015 0,0267 0, ,0572 0,0779 0,0241 0,0003 0,0567 0,0043 0,0155 0, ,0518 0,0729 0,0428 0,0006 0,1304 0,0073 0,0116 0, ,0301 0,0432 0,1067 0,0021 0,0811 0,0128 0,0064 0, ,0247 0,0289 0,1296 0,0081 0,0696 0,0259 0,0066 0,0214 Produção total 0,6741 0,4862 0,5110 0,0812 0,4710 0,1073 1,2013 1,2576 Observa-se pela Tabela 4, diferenças significativas para a produção de biogás ao longo do período de fermentação. Os dejetos de ruminantes apresentaram o pico de produção bem antes do que os dejetos de monogástricos. Aos 42 dias de fermentação para os dejetos de bovinos e bubalinos, para aves o pico de produção se inicia aos 98 dias e para os suínos se mantém constante, talvez necessitando de mais dias de fermentação para atingir o pico de produção. Além disso, observou-se que DB produziu

12 50% de potencial total dos 14 aos 56 dias e DBu dos 42 aos 84 dias. AMARAL et al. (2004) em estudo realizado com dejetos de bovinos leiteiros concluíram, que o tempo de retenção hidráulica de vinte dias em biodigestores de modelo chinês foi mais eficiente que o modelo indiano, essa informação condiz com o presente estudo demonstrando que os dejetos bovinos atingem seu pico de produção próximos dos vinte dias. Tabela 5. Porcenagem de produção de biogás, para os tratamentos dejeto de bovinos (DB), dejeto de bubalinos (DBu), dejeto de aves (DA), dejeto de aves + DB (DAB), dejeto de suínos (DS), dejeto de suínos + DB (DSB), dejeto de aves + efluente de suíno (DAefs) e dejeto de suíno + efluente de suíno (DSefs) Dias Porcentagem do total DB DBu DA DS DAB DSB DAefs DSefs 7 2,83 0,14 15,07 9,11 13,44 13,89 28,22 20, ,05 2,55 3,66 13,18 1,38 15,84 37,38 23, ,11 1,71 10,00 9,98 0,42 9,97 17,18 11, ,76 4,96 10,00 9,24 10,00 8,20 7,11 8, ,16 23,16 0,57 34,85 0,53 3,82 4,55 11, ,78 21,64 1,37 9,98 2,51 1,40 2,22 9, ,49 16,02 4,72 0,37 12,04 4,01 1,29 5, ,68 14,99 8,38 0,74 27,69 6,80 0,97 4, ,47 8,89 20,88 2,59 17,22 11,93 0,53 2, ,66 5,94 25,36 9,98 14,78 24,14 0,55 1,70 Total Pela Tabela 5, nota-se que quando utilizou inóculo, os melhores resultados foram com o inóculo de efluente de biodigestor, pois no tratamento DAefs conseguiu-se 50% de produção total dos 7 a 14 dias, adiantando a produção de biogás, para o tratamento DSefs, observa-se os 50% da produção total de 7 aos 28 dias, esses valores são bastante expressivos comparando com os dejetos sem inóculo, pois quando se utiliza dejeto de monogastricos para produção de biogás com inóculo pode ocorrer

13 antecipação na produção de até 80 dias. Os maiores potenciais de produção de biogás foram obtidos quando se utilizou dejetos de monogastricos com o uso de inóculo sendo que o tratamento que teve maior produção foi o DSefs 1,2576 m 3, esta potencial de produção pode ser observado na Figura 1. Efeito semelhante não se observou para o inóculo de estrume bovino. DE PRETTO (1985), obteve melhores resultados para ocorrência do pico, porém utilizou inóculo de dejetos bovinos representando 50 % do teor de sólidos, ao passo que utilizamos neste trabalho teor próximo de 20 % de sólidos como inóculo, pois conforme pode verificar em um sistema de batelada, uma quantidade muito grande de inóculo poderá comprometer a produção de biogás, devido ao volume que acupará no biodigestor. Tabela 6. Equações de regressão, com os respectivos coeficientes de determinação, para estimativa da produção de biogás dos devidos tratamentos, dejeto de bovinos (DB), dejeto de bubalinos (DBu), dejeto de aves (DA), dejeto de aves + DB (DAB), dejeto de suínos (DS), dejeto de suínos + DB (DSB), dejeto de aves + efluente de suíno (DAefs) e dejeto de suíno + efluente de suíno (DSefs) Tratamento Equação ajustada R² DB y = 7E-07x 3-0,000x 2 + 0,008x - 0,029 0,920 DBu y = 6E-08x 3-4E-05x 2 + 0,004x - 0,046 0,772 DA y = 1E-08x 3 + 3E-05x 2-0,003x + 0,087 0,838 DS y = 2E-07x 3-3E-05x 2 + 0,001x - 0,003 0,443 DAB y = -8E-07x 3 + 0,000x 2-0,007x + 0,099 0,686 DSB y = 4E-08x 3-4E-07x 2-0,000x + 0,019 0,961 DAefs y = -1E-06x 3 + 0,000x 2-0,02x + 0,541 0,864 DSefs y = -5E-07x 3 + 0,000x 2-0,008x + 0,328 0,854 Na Tabela 6 são apresentadas as equações de regressão com os respectivos coeficientes de determinação, para estimativa de produção de biogás. Com base no R 2 (tabela 3), observou-se que dos oito tratamentos, apenas um não se ajustou a equação de

14 regressão, o tratamento DS, isso pode ter ocorrido devido o tempo de retenção hidraulica da biomassa. Segundo SOUZA et al. (2005), o pico de produção de biogás utilizando dejeto de suínos foi aos 71 dia, este resultado corrabora parcialmente com a produção encontrada neste trabalho. Confirmando que a produção de biogás com dejeto de suinos necessita de maior tempo de retenção da biomassa. As curvas de produção de biogás são apresentadas na Figura 1, na qual constam as curvas correspondentes às equações da Tabela 6. Figura 1: curvas de produção de biogás, para os devidos tratamentos dejeto de bovinos (DB), dejeto de bubalinos (DBu), dejeto de aves (DA), dejeto de aves + DB (DAB), dejeto de suínos (DS), dejeto de suínos + DB (DSB), dejeto de aves + efluente de suíno (DAefs) e dejeto de suíno + efluente de suíno (DSefs) CONCLUSÕES Verificou-se que a inoculação e vantajosa na utilização de biodigestores tipo batelada. Quando se utiliza o efluente de biodigestor como inóculo, antecipa o pico de produção e aumentando o potencial efetivo da biomassa.

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