APLICABILIDADE DO REATOR ANAERÓBIO DE FLUXO ASCENDENTE COM MANTA DE LODO PARA O TRATAMENTO DE DEJETOS DE SUÍNOS

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1 2 o CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL APLICABILIDADE DO REATOR ANAERÓBIO DE FLUXO ASCENDENTE COM MANTA DE LODO PARA O TRATAMENTO DE DEJETOS DE SUÍNOS Gersina Nobre da R. C. Junior (1) Engenheira Sanitarista pela Universidade Federal de Mato Grosso. Mestre em Engenharia Ambiental pela Universidade Federal de Santa Catarina. Paulo Belli Filho Professor do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da Universidade de Santa Catarina e Engenheiro Sanitarista pela UFSC. Mestre pela Escola de Engenharia e São Carlos - USP. Doutor pela Université de Rennes, França. Carlos Claúdio Perdomo Engenheiro Agrônomo do Centro de Pesquisas de Suínos e Aves - CNPSA/EMBRAPA. Mestre e Doutor em Produção Animal pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Rejane Helena Ribeiro da Costa Professora do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da Universidade de Santa Catarina e Engenheiro Sanitarista pela UFSC. Mestre em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia e São Carlos - USP. Doutora pela Université de Toulouse, França. Endereço (1) : Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental - Universidade Federal de Santa Catarina - Florianópolis - SC - CEP: Brasil - Tel: (48) Fax: (48) belli@ens.ufsc.br RESUMO O desenvolvimento da suinocultura no estado de Santa Catarina trouxe como conseqüência a intensa produção de dejetos, que são altamente poluentes e causadores de degradação ambiental. Constitui-se portanto um grande desafio tecnológico, o desenvolvimento de novos sistemas de tratamento para esse resíduo. Na pesquisa de sistemas apropriados de manejo para resíduos de suinocultura, o uso de reatores anaeróbios não convencionais pode ser uma das alternativas para o tratamento. Neste trabalho são apresentados e discutidos resultados obtidos durante a operação de um reator anaeróbio de fluxo ascendente e manta de lodo (UASB), de 136 litros de volume, operado continuamente em uma faixa de temperatura de 25-3 C, com concentrações de sólidos suspensos totais (SST) afluente de 34 à 38 mg/l, tempos de detenção hidráulico (TDH) de 72 à 36 horas. O valor máximo de eficiência média de remoção da DQO total e solúvel foi de 73 e 85%, respectivamente para TDH de 32 horas. PALAVRAS-CHAVES : Reator UASB, Tratamento Anaeróbio, Dejetos de Suínos. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 72

2 2 o CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL INTRODUÇÃO A poluição do meio ambiente na região produtora de suínos é alta e vem sendo alvo de ações no sentido de atenuá-las. Anualmente no Estado de Santa Catarina, são produzidos 1 milhões de m 3 de dejetos, 85% das fontes de água no meio rural, das regiões produtoras estão poluídas e/ou contaminadas em razão do lançamento dos dejetos nos mananciais. Como conseqüência dos problemas expostos, o Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da Universidade Federal de Santa Catarina em conjunto com o Centro Nacional de Pesquisas em Suínos e Aves-Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária CNPSA/EMBRAPA, tem intensificado pesquisas buscando alternativas de tecnologias sustentáveis de manejo ambiental dos dejetos, contribuindo para a implementação de qualidade ambiental nas propriedades produtoras de suínos. O reator anaeróbio de fluxo ascendente e manta de lodo (UASB), tem-se apresentado como um método de redução substancial de cargas poluidoras. Ele combina construção e operação simplificada com capacidade de acomodar altas cargas orgânicas e hidráulicas, possibilitando o desenvolvimento e retenção de uma biomassa concentrada e altamente ativa, sem o uso de material suporte. Neste trabalho são apresentados e discutidos resultados obtidos na operação de um reator UASB piloto de 136 l, operado continuamente durante 256 dias para tratar dejetos de suínos após passar por um processo de elevada eficiência de remoção de sólidos em suspensão. O desafio do trabalho foi verificar a eficiência do reator trabalhando com altas concentrações de SST, o que diferencia de outros estudos com reatores e dejetos de suínos. METODOLOGIA O experimento foi realizado utilizando uma unidade experimental composta por tanque de alimentação, sistema de separação de sólidos, bomba peristaltica, reator anaeróbio e coletor de gás. O reator anaeróbio era do tipo fluxo ascendente e manta de lodo-uasb, com volume útil de 136 l, construído de PVC reforçado de corpo cilíndrico. A zona de entrada do reator, a 1 cm de altura do fundo, era provida de uma placa de fibra de vidro perfurada para distribuição uniforme do afluente. Acima tinha-se a zona de reação com 7 cm de altura e 38 cm de diâmetro. O reator possuía um separador sólido/gás/líquido localizado em sua região superior, que possuía a forma de chicanas, ocupava parte da zona de sedimentação e era construído de fibra de vidro. A área entre a zona de reação e o separador, possuía um pequeno estrangulamento, com o objetivo de direcionar todo gás gerado na zona de reação para o interior do separador. Um esquema da montagem experimental está indicado na figura 1. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 73

3 Figura 1 - Esquema completo da instalação experimental. 2 o CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL Na região do separador ocorre a decantação do líquido para permitir que o lodo retorne à região da manta de lodo. Foram instalados 5 pontos ao longo perfil do reator para coleta de amostras localizadas, partindo da base, à 2, 4, 6, 8, e 12 cm respectivamente. No interior do reator foi instalado um termostato para manter a temperatura no seu interior na faixa de 25 a 3 C. O efluente líquido era coletado por uma torneira localizada na parte superior do sedimentador. Este era o último ponto de amostras do reator. O volume de gás produzido era coletado e quantificado por um sistema de deslocamento de líquido, em que o gás produzido deslocava uma coluna d água; o volume deslocado correspondia a quantidade de gás produzido. O coletor de gás foi construído em PVC, com diâmetro interno de 15 mm e volume útil de 18 l. A alimentação do reator era feita por gravidade, através de um frasco alimentador com volume útil de 5 l. Os dejetos primeiramente eram micro peneirados (malha quadrada cm 1mm de lado) e filtrados em esponja, posteriormente bombeado para o tanque de alimentação. A partida do reator se deu com inoculação preliminar, com lodo granulado, de um reator UASB, de 7 m 3, tratando esgotos doméstico. O experimento foi dividido em duas fases, a primeira fase o reator foi operado e monitorado com DQO nédia afluente de 35 mg.l -1 com TDH de 72 horas (faixa de valores entre 24 a 46 mg.l -1 ), ST médio de 35 mg.l -1 e SST de 34 mg.l -1, COV de,8 a 1,5 Kg DQO m -3.d -1. Essa fase teve a duração de 91 dias (3 meses) e englobava a fase de partida do reator. Em função da resposta do reator, quando o mesmo passou a apresentar uma estabilidade considerável, foram feitas mudanças para a segunda fase. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 74

4 2 o CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL Na segunda fase, a DOQ média foi de 22 mg.l -1,TDH de 36 horas os ST apresentaram uma média de 32 mg.l -1, SST médio de de mg.l -1 e COV de 1,3 a 2 Kg DQO m -3.d -1. Esse TDH foi mantido até o término do experimento que teve a duração de meses e 14 dias, totalizando 256 dias de funcionamento do reator. A diminuição do TDH permitiu a operação com aumento de cargas orgânicas volumétricas (COV) e hidráulicas (COH). As duas fases do experimento tiveram a temperatura controlada entre 24 a 3 C. Diariamente foram monitorados a vazão, ph, potencial redox, temperatura e a produção de biogás. Duas a três vezes por semana foram tomadas amostras do afluente e efluente e analisados demanda química de oxigênio (DQO) total e solúvel, sólidos totais, sólidos suspensos totais e voláteis, alcalinidade total (AT), nitrogênio total (NTK), nitrogênio amoniacal (NH + 4 ) e fósforo total (P-total). Todas as análises foram realizadas de acordo com o Standart Methods for the Examination of Water and Wastewater (APHA, AWWA, 1991). RESULTADOS E DISCUSSÕES Os resultados de operação do reator anaeróbio de fluxo ascendente com manta de lodo (UASB) são apresentados a seguir em forma de gráficos. Foi observado um decréscimo nos valores médios dos parâmetros analisados, da primeira para a segunda fase, esse decréscimo foi atribuídos às alterações na composição das águas residuárias em virtude das mudanças das características dos dejetos de suínos coletado ao longo do experimento, pode ter ocorrido uma maior diluição dos dejetos no momento da higienização das edificações dos animais, em função de maior disponibilidade de água na segunda fase, período no qual, já havia começado a época das chuvas. Na figura 2 pode-se observar que os valores do ph médio efluente, a estabilidade nos valores, indicaram que não houve perturbações significativas nas condições ambientais que causassem acúmulo dos ácidos voláteis e consequente queda do ph, o qual pode ser verificado pelos valores encontrados nas diferentes fases de operação. No final da segunda fase o ph médio foi de 7,2, ambas as fases apresentaram valores dentro da faixa ótima para anaerobiose. O potencial redox pode ser observado na figura 3, durante toda operação, o reator apresentou um meio redutor. Na segunda fase, com as mudanças nas condições de operação, o potencial redox teve um pequeno aumento apresentando valores médios de - 26 e 28mV, após esse período o reator passou a apresentar valores menores em torno de 32 mv, para as duas fases também indicando condições de anaerobiose. Figura 2: Comportamento do ph Figura 3: Comportamento do Potencial Redox 1 ph ph ph t Eh(mV) ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 75

5 2 o CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL O comportamento da alcalinidade pode ser observado na figura 4, o aumento brusco da alcalinidade observado na primeira fase, foi atribuído a mudanças das características do dejeto utilizado, mais os valores apresentados indicavam que o reator estava estabilizado, não necessitando em nenhum dos TDH aplicados, o uso de substâncias tamponantes. A eficiência atingida de remoção dos sólidos totais na primeira fase de operação do reator foi 43% e 54% para a segunda fase (figura 5). Como os valores empregados neste estudo de sólidos totais (35 e 32mg/l) foram bem superiores que os recomendados pela literatura, os resultados encontrados foram satisfatórios. Figura 4: Comportamento da alcalinidade Figura 5: Valores dos Sólidos Totais alcalin.(mgcaco3/l) Sól.susp.totais(mg/l) Nas figuras 6 e 7 podemos observar o comportamento dos sólidos suspensos totais e voláteis respectivamente. Os sólidos suspensos trabalhados neste estudo foram valores bem elevados, apesar disso, a resposta do reator foi bem satisfatória. A eficiência de remoção atingida para os SST na primeira fase foi de 46% e para a segunda fase 6%. Os SSV representaram tanto para a primeira, como para a segunda fase 5% dos SST afluente, e a eficiência de remoção de SSV atingida no final do experimento foi de 45%. Figura 6: Sólidos Suspensos Totais Sól.susp.totais(mg/l) Figura 7: Sólidos Suspenso Voláteis Sol.Susp.Voláteis (mg/l) O reator apresentou eficiência de DQO total e solúvel no final dos 3 primeiros meses de operação de 5 e 4% respectivamente. Os valores médios da DQO total e solúvel pode ser observados nas figuras 8 e 9. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 76

6 2 o CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL O decréscimo da eficiência observado nas figuras foi em função da necessidade de descarte do lodo, após o descarte a eficiência foi aumentando gradativamente. No final da segunda fase a eficiência de DQO total foi de 73% e de DQO solúvel de 85%. Figura 8: DQO total Figura 9: DQO solúvel DQOtotal(mg/l) D Q Os olú vel ( Aflue Eflue t Com relação ao NTK e NH 4 +, foram analisados somente a segunda fase de operação do reator não houve eficiências de remoção, como pode ser observado nas figuras 1 e 11. Essa baixa eficiência já era esperado, pois não é tipico da digestão anaeróbia a remoção desse nutriente. Figura 1: Nitrogênio total 6 Figura 11: Nitrogênio amoniacal 4 NTK (mg/l) NH4 (mg/l) O nitrogênio orgânico deveria se transformar em nitrogênio amoniacal, isso pode ser justificado pela ala concentração de nitrogênio amoniacal em relação ao total, que era de 75%. Na figura 12, podemos observar a evolução do fósforo total. Observou-se que o fósforo total efluente acompanhou as tendências do fósforo total afluente, portanto, não havendo eficiência de remoção, levando-nos a supor que todas as transformações com relação a esse nutriente ocorreram na estocagem antes de ser levado ao reator. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 77

7 2 o CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL Figura 12: Fósforo Total P (mg/l) BALANÇO DE MASSA DA DQO Para melhor entendimento das transformações que ocorreram no interior do reator devido às transformações das cargas orgânicas aplicadas na forma de DQO, decidiu-se estudar o balanço de massa da DQO. Com base no comportamento do reator anaeróbio durante os cinco últimos meses de operação (9/1/97 a 9/3/98) o balanço da DQO foi realizado. Dos resultados obtidos através do balanço da DQO das 145 g DQO removida, em média, diariamente no sistema,125 g da DQO são removidas por biodegradação e 2 g são removidas por ação física (carga orgânica acumulada no sistema), representando 86% e 14% do total removido, respectivamente. Através desses resultados podemos observar que houve predominância da ação biológica no sistema. ZHANG & DAGUE (1995), também com água residuária de suínocultura, indicaram uma estimativa média de 97% da DQO total removida convertida em metano, para TCOV de 1,47 Kg.DQO.m -3.d -1 para TDH de 3 dias. Como não foi possível medir a produção diária de biogás no reator, os valores encontrados neste estudo foram através de cálculos estequiométricos em função da DQO aplicada no sistema. HAANDEL & LETTINGA (1994),citaram que em virtude das perdas de metano no efluente e para a atmosfera, a produção de metano é bem menor que aquela prevista com base em considerações estequiométricas, atingindo na prática valores de 2 a 5% da produção teórica de metano. Além desse aspecto, não podemos deixar de considerar que as condições de operação do reator eram muito favoráveis para altas produções de metano, com alimentação contínua, temperatura controlada e TDH de 32 horas. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 78

8 2 o CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL CONCLUSÃO Baseado nos resultados obtidos durante a operação do reator conclui-se que: O reator mostrou-se estável na eficiência de remoção da DQO, a qual manteve-se acima de 7% no final da segunda fase em relação ao efluente bruto e de 85% para a DQO solúvel. Apesar da alta concentração média de SST (34 e 38mg/l). Os resultados do perfil do reator, mostrou que a maior degradação da matéria orgânica ocorreu efetivamente no fundo do reator, como resultado de um alta concentração do lodo anaeróbio ativo junto a essa zona. Do balanço da DQO foi obtido que das 145 g DQO removida, em média, diariamente no sistema,125 g da DQO são removidas por biodegradação e 2 g são removidas por ação física (carga orgânica acumulada no sistema), representando 86% e 14% do total removido, respectivamente. Para se obter uma boa operação do reator é necessário descartes de lodos freqüentes, principalmente quando se trabalha com altas concentrações de SST como neste estudo. Durante toda operação do reator, não houve eficiência de remoção de nitrogênio total e amoniacal, esses nutrientes não são comumente removidos em reatores anaeróbios. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. APHA (American Public Health association)-awwa ( American Water and Wastewater Association)- WPCF (Water Pollution Control Federation). Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater BELLI F, P Stockage e todeurs des dejections animales, cas du lisier de porc. Thèse de Doctorat de L Université de Rennes I. France. 3. HAANDEL, C. V; LETTINGA G Tratamento anaeróbio de esgotos. Um manual para regiões de clima quente. Universidade Federal da Paraíba, Campina Grande, Paraíba/ Universidade Agrícola de Wageningen, Holanda. 4. LETTINGA, G. et al. (198). Use of the Upflow Sludge Blanket (USB) reactor concept for biological wastewaster treatment, espcially for anaerobic treatment. Biotchnology and Bioengineering,v.22, p NG, W. J A sequencing batch anaerobic reactor for treating piggery wastewater. Biological Wastes, v.28, n.1, p OLIVEIRA, R. A Efeito da concentração de sólidos suspensos do afluente no desempenho e características do lodo de reatores anaeróbios de fluxo ascendente com manta de lodo tratando águas residuárias de suinocultura. V. I,II. 357p. São Carlos (Tese de doutorado) Universidade Federal de São Carlos. 7. YANG, P. Y.; CHOU, C.Y Horizontal-baffled anaerobic reactor treating diluted swine wastewater. Agricultural Wastes, v.14, p ZHANG, R. H.; DAGUE, R.R. (1995). Treatment of swine wastes by the anaerobic sequencing batch reactors system. In : INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON AGRICULTURAL AND FOOD PROCESSING WASTES, 7th, Chicago, ASAE. p ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 79