ICTR 2004 CONGRESSO BRASILEIRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA EM RESÍDUOS E DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL Costão do Santinho Florianópolis Santa Catarina

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1 ICTR 2004 CONGRESSO BRASILEIRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA EM RESÍDUOS E DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL Costão do Santinho Florianópolis Santa Catarina AVALIAÇÃO DA EFICIÊNCIA DE REATORES ANAERÓBIOS DE FLUXO ASCENDENTE E MANTA DE LODO NO TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUÁRIAS DA SUINOCULTURA Marlise Schoenhals Laércio Mantovani Frare Luiz Alberto Vieira Sarmento PRÓXIMA Realização: ICTR Instituto de Ciência e Tecnologia em Resíduos e Desenvolvimento Sustentável NISAM - USP Núcleo de Informações em Saúde Ambiental da USP

2 AVALIAÇÃO DA EFICIÊNCIA DE REATORES ANAERÓBIOS DE FLUXO ASCENDENTE E MANTA DE LODO NO TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUÁRIAS DA SUINOCULTURA Marlise Schoenhals 2 Laércio Mantovani Frare 3 Luiz Alberto Vieira Sarmento 4 RESUMO A adoção de sistemas confinados de produção de suínos, juntamente com o emprego de tecnologia para aprimorar estes sistemas, tem levado a um aumento considerável do uso de água nestas instalações e, conseqüentemente, a produção cada vez maior de dejetos, os quais constituem o resíduo proveniente da atividade de suinocultura. A utilização de processos anaeróbios para reduzir o poder poluente dos resíduos líquidos vem se destacando, pois além de reduzir a poluição ambiental, recuperam o poder energético do resíduo em forma de fertilizante e biogás. Este trabalho teve como objetivo avaliar a eficiência de reatores anaeróbios de fluxo ascendente e manta de lodo (UASBs) tratando resíduos líquidos de suínos, através do monitoramento operacional do sistema, de análises físico-químicas e produção de biogás. Os resultados obtidos apresentam uma eficiência média de remoção de DBO, DQO e Sólidos Totais Suspensos de 18%, 15% e 17,52%, respectivamente. A produção média de biogás pelos reatores foi de 0,75 m 3.dia -1. Palavras-chave: Reatores UASB, biogás. 2 Tecnóloga Ambiental, Mestranda em Engenharia Química UFSC < marlise_3@hotmail.com > 3, Engenheiro Químico, Doutorando em Engenharia Química UEM, professor do CEFET/PR < lmfrare@md.cefetpr.br > 4 Engenheiro Químico, Doutorando em Engenharia Química - UFSC, professor do CEFET/PR < luizsarmento@md.cefetpr.br > 2039

3 1 Introdução A poluição ambiental por dejetos suínos é um problema que vem se agravando na suinocultura moderna. Diagnósticos recentes tem mostrado um alto nível de contaminação de rios e lençóis de água que abastecem tanto o meio rural como urbano. A capacidade poluente dos dejetos suínos, é muito superior a de outras espécies. Utilizando-se o conceito de equivalente populacional um suíno, em média, equivale a 3,5 pessoas (LINDER, 1999) apud (DIESEL et al.,2002). Conforme DARTORA et al. (1998), a causa principal da poluição nas regiões com altas concentrações de suínos, é que grande parte dos dejetos é lançada no solo sem critérios e em cursos de água sem tratamento prévio. De acordo com LUDKE e LUDKE (2003), o manejo e o destino adequado do excesso de dejetos produzidos em um número cada vez menor de unidades produtoras com maior número de animais alojados, representa um desafio que tende a se agravar. A necessidade de obter mais economia no tratamento, com a recuperação de resíduos orgânicos e interesse na produção de energia a partir de biomassa como fonte renovável, são motivos para avaliação e estudo dos processos de digestão anaeróbia. Segundo CHERNICHARO (1997), os sistemas anaeróbios de alta taxa se caracterizam basicamente, pela capacidade em reter grandes quantidades de biomassa de elevada atividade, mesmo com a aplicação de baixos tempos de detenção hidráulica, resultando em reatores compactos, com volumes bastante inferiores aos digestores anaeróbios convencionais. Conforme LORA (2000), o tipo de reator anaeróbio de alta taxa mais difundido na indústria é o UASB Upflow Anaerobic Sludge Blanket Anaeróbio de Fluxo Ascendente com Manta de Lodo. CHERNICHARO (1997), afirma que o reator de manta de lodo é capaz de suportar altas taxas de carga orgânica tendo simplicidade construtiva e baixos custos operacionais. Segundo JORDÃO e PÊSSOA (1995), estes sistemas tem sido projetados com tempos de permanência da ordem de 5 a 6 horas, com eficiência de remoção de DQO de até 70% no tratamento de esgotos domésticos. O presente trabalho teve por objetivo avaliar a eficiência de reatores UASBs em escala plena como etapa secundária no tratamento de dejetos líquidos de suínos, através da análise de critérios operacionais adotados no projeto do sistema e sua comparação com valores obtidos experimentalmente no processo, bem como o monitoramento de parâmetros físico-químic0s e verificação quantitativa da produção de biogás. 2 Materiais e métodos O estudo foi realizado em uma Unidade Produtora de Leitões UPL de porte excepcional (2.500) matrizes, localizada no extremo oeste do Estado do Paraná, numa altitude de 300 metros, latitudes de 25º e 25º sul, longitudes 54º e 54º 28 06, clima subtropical úmido mesotérmico, com precipitação anual girando em torno de 1500 a 1900 mm e umidade relativa do ar variando de 80 a 85%. O sistema de tratamento aplicado aos resíduos no local é composto por etapas preliminares, primárias e secundárias, sendo que os dois reatores analisados são as primeiras células do tratamento secundário. Nestes o afluente entra pela extremidade inferior e sai na extremidade superior. Ao longo desse percurso, que leva algumas 2040

4 horas, uma série de mecanismos contribui para a purificação das águas residuárias. Estes mecanismos ocorrem em cinco zonas, denominadas: câmara de digestão, zona de transição, separador de fases, zona de sedimentação e zona de acumulação de gás. Os reatores UASBs operam em paralelo e possuem as seguintes dimensões: Volume 27,5 m 3 Área superficial m 2 Altura útil 5,2 m Velocidade Ascensional de Projeto (v) 0,35 m/h Tempo de Retenção Hidráulica (TRH) 15,71h 2.1 Metodologia para análise operacional do sistema As medidas de vazão do sistema foram realizadas em Calha Parshall de 3 localizada à jusante o reator 2. A determinação da velocidade ascensional de fluxo foi calculada a partir da relação entre a vazão afluente e a seção transversal do reator, conforme CHERNICHARO (1997): V = Q/A, Onde: V = velocidade ascensional do fluxo (m/h); Q = vazão (m 3 /h; A = área da seção transversal do reator (m 2 ). 2.2 Metodologia para o monitoramento de parâmetros físico-químicos Realizou-se amostragem dos afluentes e efluentes dos reatores no período de 5 semanas, a técnica utilizada foi a amostragem composta, sendo coletadas alíquotas continuamente em intervalos programados ao longo de um dado período e com volumes proporcionais à vazão no instante da coleta, segundo CETESB (1977). 2.3 Metodologia para medição de biogás As medidas da vazão de biogás foram realizadas no período de uma semana através de um medidor tipo bolhômetro, com diâmetro interno de 1,91 cm e altura de 1,5 m. O medidor foi instalado entre o reservatório de biogás e o queimador. A ilustração do aparato experimental pode ser visualizada na figura 01. O volume de biogás produzido pelos reatores foi determinado através da medida de deslocamento vertical das bolhas geradas, multiplicando-se pelo diâmetro interno do medidor. 3 Resultados Os dados de vazão resultantes das medidas realizadas no sistema apresentaram um diferencial considerável em relação àquela constante adotada no projeto dos reatores (3,5 m 3 /h). Devido a isso foram recalculadas as velocidades ascensionais de fluxo (v), de modo a confrontá-las com o valor de projeto (v = 0,35 m/h). Os resultados são apresentados na Figura

5 Figura 01 Aparato experimental para a medição de biogás Figura 02 : Velocidades ascensionais (v) do líquido nos reatores UASBs de projeto e calculadas em função da variação de vazão no tempo. Devido a não estabilidade do processo, o Tempo de Retenção Hidráulica calculado apresentou considerável diferencial quando comparado ao de projeto ( 15,71 h), situando-se abaixo deste praticamente em todo intervalo de medição, como pode ser observado na Figura 03. O período de monitoramento físico-químico do sistema, bem como o comportamento da temperatura ambiente, das amostras e do ph para os períodos de medição, são apresentados na tabela 01. Percebe-se que a temperatura ambiente registrada no período está dentro da faixa possível de formação de metano, porém é inferior ao nível ótimo de biodigestão (30 a 35 ºC), segundo NOGUEIRA (1986). Não ocorreram grandes variações na temperatura ambiente e das amostras, sendo os valores mais baixos registrados na 1ª e 2ª semana. O ph esteve na fixa 6,0 no início do monitoramento, apresentando um acréscimo nas semanas subseqüentes e situando-se em 7,2 no período final, estando, portanto, na faixa desejada para a digestão anaeróbia. 2042

6 Figura 03: Tempos de Detenção Hidráulica de projeto, e calculados em função da variação de vazão no tempo. Tabela 01: Comportamento da temperatura ambiente, da amostra e ph no período de amostragem dos reatores UASBs Semanas Temperatura ambiente Temperatura média das ph médio média (ºC) amostras (ºC) 1ª ,0 2ª ,5 3ª ,0 4ª ,0 5ª ,2 Os resultados obtidos nas análises de Sólidos Totais Suspensos (STS) são apresentados na Tabela 02. A remoção de STS pelo sistema mostrou-se insatisfatória, apresentando aumento da concentração do parâmetro analisado na 1ª, 2ª e 4ª semanas, indicando que há carreamento de sólidos do reator para o efluente final. O resultado mais satisfatório ocorreu na 3ª semana, onde a eficiência de remoção atingiu 40%. Tabela 02: Remoção de STS nos reatores UASBs Semanas Concentração de STS à montante reator ( mg/l) Concentração de STS à jusante reator (mg/l) Eficiência de remoção (%) 1ª 1466, ,00-22,72 2ª 1320, ,00-39,39 3ª 1600,00 960,00 40,00 4ª 1930, ,00-72,53 5ª 2280, ,00 7,01 Pela Figura 04 é possível observar o aumento significativo da concentração de STS à jusante os reatores. 2043

7 Figura 04: Concentração de STS à montante e à jusante reatores UASBs. Os resultados do monitoramento dos reatores pelo parâmetro Demanda Bioquímica de oxigênio (DBO 5 ), bem como as eficiências atingidas na remoção do mesmo encontram-se na Tabela 03 a seguir. Tabela 03: Resultados obtidos na avaliação de remoção do parâmetro DBO 5 pelos reatores UASBs Semanas DBO 5 à montante reatores (mg/l) DBO 5 à jusante reatores (mg/l) Eficiência de remoção (%) 1ª 3973, ,00 11,11 2ª 3733, ,00 19,64 3ª 4460, ,00 34,08 4ª 3125, ,50-09,71 5ª 8235, ,00 34,66 A concentração de DBO à montante os reatores se manteve constante até a 4ª semana, sendo que na última semana de monitoramento houve um aumento considerável. Registrou-se eficiência negativa de remoção do parâmetro na 4ª semana, o que provavelmente não está relacionado a temperatura ou aumento da concentração afluente, mas sim a outros fatores diversos, tendo em vista que a temperatura estava na marca dos 21 ºC e a concentração afluente foi a mais baixa registrada. A maior eficiência atingida foi de 35%. A Figura 05 apresenta graficamente a variação da concentração de DBO no período monitorado. Os resultados obtidos com a medição da Demanda Bioquímica de Oxigênio (DQO) têm comportamento semelhante àqueles resultantes da análise do parâmetro DBO 5 e são apresentados na tabela

8 Figura 05: Concentração de DBO 5 no afluente e efluente dos reatores UASBs. Tabela 04: Resultados obtidos no monitoramento do parâmetro DQO. Semanas DQO à montante reatores (mg/l) DQO à jusante reatores (mg/l) Eficiência de remoção (%) 1ª 7000, ,00 02,85 2ª 6750, ,00 17,77 3ª 8750, ,00 40,00 4ª 7350, ,00-08,43 5ª 13525, ,00 23,10 Nota-se que as maiores eficiências de remoção de DQO ocorreram nas mesmas semanas onde se registrou maior eficiência de remoção de DQO, sendo que também houve eficiência negativa na 4ª semana, ocasionando um aumento na concentração de DQO no efluente dos reatores nesse período, como é possível visualizar na Figura 06. Os valores obtidos através do monitoramento da produção de biogás pelos reatores UASBs no período de uma semana são apresentados na Figura 07. Percebe-se que as quantidades de biogás medidas sofrem grande variação em função do tempo, sendo que a produção mínima registrada ocorreu no início do monitoramento, sendo de 7,41 l/h. A vazão máxima registrada foi 89,14 l/h e a produção média total no período foi 31,25 l/h de biogás pelos dois reatores. Os valores obtidos através do monitoramento da produção de biogás pelos reatores UASBs no período de uma semana são apresentados na Figura 07. Percebese que as quantidades de biogás medidas sofrem grande variação em função do tempo, sendo que a produção mínima registrada ocorreu no início do monitoramento, sendo de 7,41 l/h. A vazão máxima registrada foi 89,14 l/h e a produção média total no período foi 31,25 l/h de biogás pelos dois reatores. O intervalo de temperatura registrado durante as medições variou de 15 ºC a 29ºC, como é ilustrado na Figura 08. Percebeu-se que para a faixa de temperatura de 15ºC a 20 ºC a produção de biogás permaneceu numa faixa constante, ocorrendo uma elevação quando a temperatura esteve na marca dos 21 ºC onde se registrou a vazão de 55 l/h de biogás. 2045

9 Figura 06: concentração de DQO à montante e jusante os reatores. Figura 07: produção de biogás em função do tempo. A produção de biogás não aumentou de forma gradual em função da elevação da temperatura, porém pode-se considerar através da Figura 08 que para temperaturas acima de 20 ºC a quantidade de biogás registrada foi maior. 4 Discussão Figura 08: geração de biogás em função da temperatura A variação da vazão registrada no período de monitoramento, indica que não há um controle eficiente da mesma, expondo os reatores à variações bruscas e sobrecarga em alguns momentos, como conseqüência o TDH mostrou-se inferior àquele para o 2046

10 qual o sistema foi projetado, o que pode estar afetando o desempenho do sistema, pois conforme CHERNICHARO (1997), os valores inferiores do TDH podem prejudicar o funcionamento do reator em relação aos seguintes aspectos: Perda excessiva de biomassa; Redução do tempo de residência celular; Possibilidade de falha do sistema, uma vez que o tempo de permanência de biomassa no reator pode ser inferior ao seu tempo de crescimento. As Velocidades ascensionais de fluxo calculadas em função das vazões medidas também não foram compatíveis com o valor para o qual os reatores foram projetados, sendo superiores para quase todo o período analisado, podendo devido a isso estar ocorrendo o carreamento de sólidos suspensos, considerando que houve um aumento médio de 17,52% na concentração de STS no efluente dos reatores. A remoção média de DBO foi de 18% e de DQO 15%. Segundo CHERNICHARO (1997), os resultados operacionais de reatores UASB operando na faixa de temperatura de 25ºC mostram que as eficiências de remoção de DBO e DQO são afetadas significativamente pelo TDH do sistema, tendo variado de 40 a 75%. HENN et al. (2000), avaliou a eficiência de um reator UASB aplicado ao tratamento de dejetos suínos em escala laboratorial com condições de operação similares as desse estudo, verificando eficiência de remoção de 80% para DQO. MOCHIZUKI et al. (2002), em seus estudos com um reator UASB em escala laboratorial tratando dejetos suínos, obteve uma eficiência de 79% na remoção de DQO e 83% na remoção de DBO 5. A baixa eficiência observada no período de monitoramento pode estar relacionada a perda excessiva de sólidos, devido ao descarte freqüente do lodo e a velocidade ascensional do líquido, que proporciona uma constante pressão seletiva sobre os microrganismos. A produção média de biogás pelos reatores de 31,5 l/h pode ser considerada baixa se analisado o volume dos reatores e a alta concentração de matéria orgânica presente nos dejetos suínos. Para CHERNICHARO (1997), taxas de liberação de biogás inferiores a 1,0 m 3 /m 2 h dificultam a liberação de biogás e favorecem a formação de camadas densas de escuma. A diminuição do leito e manta de lodo dos reatores bem como a formação de escuma na parte superior dos mesmos, provavelmente afetou o desempenho do sistema e conseqüentemente, causou a diminuição da produção de biogás, devido à baixa conversão da matéria orgânica em metano e/ou congestionando a tubulação de saída. 5 Conclusão Houve um aumento significativo na concentração de STS no efluente dos reatores durante as amostragens, o que indica que o processo está operando com eficiência negativa. A eficiência de remoção de DBO e DQO não foi satisfatória, sendo consideravelmente inferior ao esperado para o sistema. A produção de biogás registrada foi baixa e transiente. A variação de vazão que ocorre no sistema pode ser a causa principal daí ineficiência dos reatores, refletindo na redução do TDH e aumento da velocidade ascensional de fluxo. Nesse sentido, se faz necessário um controle eficiente da vazão afluente, de modo a evitar variações bruscas e sobrecarga do sistema, bem como individualizar as saídas do efluente dos reatores, para um 2047

11 melhor controle destes.os intervalos para descarte do lodo excedente deveriam ser programados para assegurar a máxima atividade microbiana no processo. 6 Referências bibliográficas DIESEL, R. et al. Coletânea de tecnologías sobre dejetos suínos. Boletim informativo pesquisa e extensão. Concórdia: EMBRAPA, DARTORA, V. et al. Manejo de dejetos suínos. Boletim informativo pesquisa e extensão. Concórdia: EMBRAPA, LUDKE, J. V., LUDKE, M. C. M. M. Preservação ambiental. Suinocultura industrial, Porto Feliz, n.02, p.10-13, CHERNICHARO, C. A. L. Reatores anaeróbios. SEGRAC, Belo Horizonte, LORA, E. S. Prevenção e controle de poluição nos setores energéticos, industrial e de transporte. Brasília: ANEEL, JORDÃO, E. P.; PÊSSOA, C. ª Tratamento de esgotos domésticos, 3ª ed. Rio de Janeiro: ABES, CETESB, Manual do meio ambiente. Rio de Janeiro, NOGUEIRA, L. A H. Biodigestão: a alternativa energética: NOBEL, São Paulo, HENN, A. et al. Tratamento de altas concentrações de dejetos suínos com reatores UASB. In: XXVII Congresso Interamericano de Engenharia Sanitária e Ambiental (2003 Florianópolis, SC) MOCHIZUKI, E. T. et al. Tratamento anaeróbio de dejetos suínos visando a geração de biogás, UFLA, Lavras, Efficiency Evaluation of the Up-flow Anaerobic Sludge Blanket Reactors in the treatment of swine wastewater Abstract The use of the water and, consequently, the waste material production has been increased with the adoption of swine production confined housing systems and the technology employment to improve these systems. The utilization of anaerobic process to reduce the liquid residues pollutant power has been detaching because beyond reducing the environmental pollution they allow to recover the energetic potential as fertilizer and biogas. This study has objective to evaluate the efficiency of the Up-flow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) Reactors treating swine wastewater, across of system monitoring using physical-chemical analysis and biogas production. The BOD, COD, Total Suspended Solids were analyzed in the influent and effluent of UASBs reactors and average percentages of removal were 18%, 15% and 17.5%, respectively. The average biogas production were 0,75 m 3.day -1 by the two reactors. Key words: UASB reactors, biogas. 2048