Biodigestão anaeróbia da cama de frangos de corte com ou sem separação das

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1 1 Biodigestão anaeróbia da cama de frangos de corte com ou sem separação das frações sólida e líquida sobre a produção de biogás e a qualidade do biofertilizante Airon Magno Aires *1; Jorge de Lucas Junior 2; Ellen Hatsumi Fukayama 3; Camila Romantine Machado 4; Diego Gomes Freire Guidolin 5 1 Parte da dissertação do Primeiro Autor - Doutorando da Pós graduação em Zootecnia da Universidade Estadual Paulista (UNESP) Campus de Jaboticabal-SP Brasil 2 Orientador e Professor do Departamento de Engenharia Rural da UNESP Campus de Jaboticabal. CEP jlucas@fcav.unesp.br 3 Doutora em Zootecnia da UNESP Campus de Jaboticabal. ellenfukayama@yahoo.com.br 4 Mestranda da Pós-graduação em Energia na Agricultura da UNESP Campus de Botucatu. camilarmachado@hotmail.com 5 Doutorando da Pós-graduação em Melhoramento Genético Animal da UNESP Campus de Jaboticabal. dguidolin@hotmail.com *Autor para correspondência: aironzootecnista@yahoo.com.br Palavras chave: Potencial bioenergético, biodigestor batelada, tratamento de dejetos, gestão ambiental, sustentabilidade energética Título abreviado: Produção de biogás e de biofertilizante ABSTRACT The objective was to evaluate the dilution (4:1 water / litter) and total separation of total solids (in mesh of 5 mm) of substrates of anaerobic digester batch operated with the liquid fraction of broiler litter for 50 days, analyzing the production of biogas and consequently the potential polluter of air emission of greenhouse gases. We

2 2 used six digestors filled with broiler litter (peanut hulls) of 2º lot, water and inoculum, and two treatments: with separation CSFS (mesh of 5 mm) and without separation SSFS, with three replications. The data cumulative weekly of production of biogas were analyzed in design of repeated measures in time. The burning of biogas occurred after 16 and 27 days of supply for treatments SSFS and CSFS, respectively. The production of biogas per kg of subtract Added did not differ between treatments. Although received a lower total volume of biogas. The separation of solids provides greater reductions in total solids and higher amounts of nutrients in a single volume. RESUMO Avaliou-se a diluição (4:1 água/cama) e separação dos sólidos totais de substratos de biodigestores batelada operados com a fração líquida da cama de frango durante 50 dias, analisando a produção de biogás e a qualidade do biofertilizante gerado no processo. Foram utilizados seis biodigestores abastecidos com cama de frango (casca de amendoim) de 2º lote de utilização, água e inóculo, sendo dois tratamentos: com separação (malha de 3 mm) e sem separação da fração sólida, com três repetições. Os dados de produção de biogás acumulado semanal foram analisados em delineamento de medidas repetidas no tempo. A queima do biogás ocorreu após 16 e 27 dias do abastecimento para os tratamentos SSFS e CSFS, respectivamente. A produção de biogás por kg de substrato adicionado não diferiu entre os tratamentos, porém obteve um menor volume total de biogás. A separação de sólidos proporciona maiores reduções de sólidos totais e maiores quantidades de nutrientes em um mesmo volume. 1 INTRODUÇÃO O desenvolvimento de tecnologias limpas para o tratamento de dejetos e a sua utilização, visando à redução de custos de produção e da poluição ambiental é o grande

3 3 desafio dos dias atuais. Por isso muitos estudos estão apontando a biodigestão anaeróbia como a alternativa mais viável para o desenvolvimento sustentável da cadeia avícola. No primeiro semestre de 2009, o Brasil produziu 2.65 bilhões de pintos de corte, que resultaram a produção de 5.16 milhões de toneladas de carne (ABEF, 2009). Tamanha produção gera em mesma proporção uma grande quantidade de impactos ambientais, causados pela falta de tratamento adequado. Assim se considerar a produção média de cama de 2.19 kg por frango de corte (SANTOS & LUCAS JR., 2003), estima-se que até junho de 2009 foram produzidos aproximadamente 5.80 bilhões de kg de cama de frango. A aplicação desses dejetos (cama de frango) no solo, sejam eles na forma sólida ou líquida sem um adequado tratamento, podem provocar eventos impactantes no ambiente (no solo e nos corpos d água), provocando a degradação dos ecossistemas aquáticos e gerando riscos à saúde humana, sobretudo pela grande carga orgânica e pela enorme quantidade de nitrogênio e fósforo presente nos dejetos Segundo a resolução 001 de 23/01/86 do CONAMA, impacto ambiental é "qualquer alteração das propriedades físicas, químicas e biológicas do meio ambiente causada por qualquer forma de matéria ou energia resultante das atividades humanas que direta ou indiretamente, afetam: I - a saúde, a segurança e o bem estar da população; II - as atividades sociais e econômicas; III - a biota; IV - as condições estéticas e sanitárias do meio ambiente; V - a qualidade dos recursos ambientais." Em 2005 o mesmo órgão (CONAMA), lançou a Resolução nº 357. Em seu artigo 29, a resolução determina que a disposição de efluentes no solo não poderá causar poluição ou contaminação das águas. No entanto esta é a única citação em legislações federais que inferem a aplicação de dejetos e/ou efluentes no solo.

4 4 Por isso os órgãos estaduais de proteção ao meio ambiente carregam o fardo de definir até onde os produtores avícolas podem chegar, sem degradar o meio em que se inserem. O fato é que muitos órgãos não possuem a estrutura necessária para o comprometimento com a saúde ambiental. Neste sentido muitos estudos surgiram nas últimas décadas para avaliar a biodigestão anaeróbia de dejetos de aves com a finalidade de otimizar a produção de biogás e a qualidade do biofertilizante gerado no processo (JONES JR e OGDEN, 1984; LUCAS JR et al., 1993; STEIL et al., 2002; FUKAYAMA, 2008; AIRES et al., 2009). A biodigestão anaeróbia da cama de frangos de corte é uma alternativa sustentável para o tratamento de resíduos avícolas. Através desse processo, o produtor ganha energia elétrica a baixo custo, recicla o material residual da sua granja e contribui para a diminuição dos impactos ambientais gerados no processo de produção. Entre as novas opções de manejo de resíduos encontra-se a separação das frações sólidas e líquidas com destinos diferenciados dentro da propriedade, aonde a fração líquida teria o destino da biodigestão anaeróbia e a fração sólida a compostagem. No entanto, para uma otimização do processo de biodigestão anaeróbia, esse substrato residual, a fração líquida, pode precisar de ajustes em suas características de sólidos totais e diluições necessárias visando o melhor desempenho do biodigestor (AIRES, 2009). O princípio da separação das frações sólida e líquida norteia a possibilidade de percolação dos nutrientes existentes no material total, sendo este lixiviado para a fração líquida, aumentando o poder de adesão das bactérias, melhorando o desempenho do biodigestor. Os ensaios de biodigestão anaeróbia das camas de frangos de corte foram desenvolvidos com o objetivo de avaliar o potencial para produção de biogás com camas, bem como

5 5 conhecer a distribuição da produção ao longo do tempo, além de dimensionar as características químicas dos nutrientes do biofertilizante gerado no processo. 2 METODOLOGIA Os ensaios de biodigestão anaeróbia foram realizados na Universidade Estadual Paulista (UNESP), no Departamento de Engenharia Rural da Faculdade de Ciências Agrárias e Veterinárias Campus de Jaboticabal, SP Brasil. Foram utilizados seis biodigestores tipo batelada, com capacidade útil de 60 litros de substrato em fermentação, que faziam parte de uma bateria de mini-biodigestores, descrita por Ortolani et al. (1986). E dois tratamentos, sendo um com separação das frações sólidas (CSFS) e outro sem separação das frações sólidas (SSFS). Foi utilizado como substrato cama de frangos de corte (segundo lote de utilização) com material base de casca de amendoim água e inóculo. No tratamento CSFS, realizou-se a diluição em quatro partes de água para uma parte de cama (4:1) segundo Aires et al. (2009), em seguida realizou-se o peneiramento (malha de 3 mm), separando a fração sólida e líquida (46.20 % de fração sólida e % de fração líquida). Já no tratamento SSFS, utilizou-se cama de frango + água + inóculo, sem nenhum tratamento físico de separação de frações. O inóculo (efluente previamente obtido da biodigestão anaeróbia de cama de frango com tempo de retenção hidráulica de 50 dias utilizado para o abastecimento foi preparado para obtenção do teor de sólidos totais (ST) próximos a 15 % do total da mistura, como recomendado por Santos (2001). Os substratos dos abastecimentos de ambos os tratamentos, foram preparados para obtenção de teor de sólidos totais próximos a 3 %.

6 6 Estão apresentados os períodos de operação dos experimentos e as quantidades médias dos componentes do substrato colocados nos biodigestores, de acordo com o tratamento (Tabela 1). Tratamento Período de TRH Cama Água Solução Inóculo Operação (dias) (kg) (kg) (kg) (kg) SSFS 26/jul a CSFS 15/ago Tabela 1. Períodos de operação, tempos de retenção hidráulica (TRH) e quantidades médias dos componentes iniciais do substrato colocado nos biodigestores, de acordo com o tratamento. Determinação da produção de biogás As produções de biogás foram calculadas com base nos deslocamentos dos gasômetros medidos com régua. O número obtido na leitura foi multiplicado pela área da seção transversal interna dos gasômetros, igual a m 2. Após cada leitura, os gasômetros foram zerados utilizando-se o registro de descarga do biogás. A correção do volume de biogás para as condições de 1 atm e 20 C, foi efetuada com base no trabalho de Caetano (1985). A temperatura do biogás era verificada por ocasião da leitura da produção com o uso de um termômetro digital. Para comparação dos dados de produção acumulada de biogás de sete dias utilizou-se o delineamento de medidas repetidas no tempo, no qual foram considerados os tratamentos na parcela principal e as semanas na parcela secundária. Determinação dos teores de sólidos totais e voláteis As amostras destinadas às determinações dos teores de sólidos totais e voláteis, dos substratos e efluentes nos ensaios de biodigestão anaeróbia, foram acondicionadas em latinhas de alumínio previamente tarados, pesados para se obter o peso úmido (Pu) do material e em seguida, levadas à estufa com circulação forçada de ar, à temperatura de

7 7 65ºC até atingirem peso constante (em média 72 horas), em seguida foram pesadas novamente em balança com precisão de 0,01 g, obtendo-se o peso seco (Ps). O teor de sólidos totais foi determinado segundo metodologia descrita pela APHA (2000). Em seguida as amostras foram previamente moídas em moinho IKA A11 basic, para realização de todas as análises experimentais. Para determinação do teor de sólidos voláteis, os materiais secos obtidos após a determinação do teor de sólidos totais, foram pesados em cadinhos de porcelana e levados à mufla a temperatura de 575ºC durante um período de 2 horas e 30 minutos, após resfriamento em dessecadores, os materiais foram pesados em balança com precisão de 0,0001 g, obtendo-se o peso de cinzas. O teor de sólidos voláteis foi determinado a partir de metodologia descrita pela APHA (2000). Sendo os sólidos voláteis foram expressos, portanto, em porcentagem da matéria seca. Digestão e quantificação dos minerais As amostras coletadas foram digeridas, utilizando-se do método da digestão ácida Nítrico-Perclórica, que promove a digestão total da matéria orgânica à base de ácido nítrico (HNO3) e ácido perclórico (HClO4) levados ao bloco digestor, segundo metodologia descrita pela APHA (2000). Neste extrato foi possível determinar-se os teores dos macro e micronutrientes fósforo (P), potássio (K), cálcio (Ca), magnésio (Mg) e sódio (Na) em g/100g, zinco (Zn), cobre (Cu), manganês (Mn) e Ferro (Fe) em mg/kg, segundo BATAGLIA et al. (1983). A digestão das amostras para determinação do nitrogênio foi realizada utilizado ácido sulfúrico (H2SO4) e mistura digestora composta por sulfato de sódio (Na2SO4), sulfato de cobre (CuSO4.5H2O) e selenito de sódio (Na2SeO3). O nitrogênio foi determinado por meio da utilização do destilador micro-kjeldahl, cujo princípio baseia-se na

8 8 transformação do nitrogênio amoniacal (NH4)2SO4 em amônia (NH3), a qual é fixada pelo ácido bórico e posteriormente titulada com H2SO4 até nova formação de (NH4)2SO4, na presença do indicador ácido/base, conforme metodologia descrita por SILVA (1981). Os teores de fósforo foram determinados pelo método colorimétrico utilizando-se espectrofotômetro HACH modelo DR O método baseia-se na formação de um composto amarelo do sistema vanadomolibdofosfórico em acidez de 0.2 a 1.6N, onde a cor desenvolvida foi medida em espectrofotômetro, determinando-se assim a concentração de fósforo das amostras, por meio da utilização de uma reta padrão traçada previamente a partir de concentrações conhecidas, entre 0 e 32 µg de P/mL. Os padrões foram preparados conforme metodologia descrita por Malavolta et al. (1991). Os demais elementos foram quantificados através da leitura em espectrofotômetro de absorção atômica GBC, modelo 932 AA. Para comparação de médias, utilizou-se o teste de Tukey (P<0.05). Sendo as análises estatísticas, analisadas pelo procedimento GLM do SAS RESULTADOS E DISCUSSÃO Estão apresentados na Tabela 2, os percentuais de sólidos totais (ST) e voláteis (SV), assim como as suas reduções, nos diferentes tratamentos. Os percentuais de ST para ambos os tratamentos foram calculados para obter 3 %, no entanto, quando se separa as frações sólidas de maneira heterogênea e pela diferença na eficiência da operação de separação pode-se justificar o percentual de 3.33 % obtido no tratamento CSFS e 1.21 % do tratamento SSFS. Por isso o tratamento SSFS obteve valores médios de 0.72 kg de ST adicionados nos afluentes, menores (P>0.05) que os valores médios do tratamento CSFS (2.00 kg de ST adicionados).

9 9 Tratamento Sólidos Totais Sólidos Voláteis A E A E A E A E Redução (%) (kg) (%) (kg) % CSFS SSFS A: Afluente; E: Efluente Tanto nas comparações médias de afluentes e efluentes como também na de tratamentos e reduções, diferem pelo Teste de Tukey (P<0.05). Tabela 2. Concentrações de sólidos totais e voláteis, em porcentagem e em massa e redução de sólidos voláteis (%), para os tratamentos com separação da fração sólido (CSFS) e sem separação da fração sólido (SSFS) em biodigestores batelada. Os tratamentos CSFS e SSFS apresentaram valores de SV reduzidos (46.31 e %) equivalentes aos encontrados por Santos (2001), ao avaliar a biodigestão anaeróbia de cama de frango (maravalha), obteve a % de redução nos teores de SV nas camas de 1º e 2º reutilização, respectivamente. De acordo com a Tabela 3, foram verificadas diferenças (P<0.05) entre os tratamentos nas semanas 3, 4, 5, 6 e 7. Tratamentos/Semanas CSFS SSFS Aa Ba Aa Aa Ab Aa Bb Aa Bb Aa Bb Aa Bb Aa Volume total 0.135b 0.313a F para tratamentos (T) ** F para semanas (S) 5.26** F para T * S 12.42** CV da parcela (%) Médias seguidas de mesma letra minúscula na linha e maiúscula na coluna não diferem entre si pelo teste de Tukey (P>0,05). Tabela 3. Produção acumulada de biogás (m3), média semanal, de biodigestores batelada contendo cama de frango de corte de 2º lote, peneirado ou não e diluído em água na proporção de 4:1 (água/cama)

10 10 Os tratamentos diferiram (P<0.05) a partir da 3º semana. As maiores produções médias de biogás foram observadas no tratamento SSFS. Em relação às semanas, observa-se que no tratamento CSFS, houve queda (P<0.05) na produção média de biogás a partir da 4º semana, ao passo que no tratamento SSFS, a menor produção de biogás (P<0.05) ocorreu na 1º semana. O volume total de biogás produzido durante os 50 dias de operação dos biodigestores foi maior (P>0.05) para pelo tratamento SSFS m3 de biogás foi maior (P>0.05) para o tratamento SSFS Ao analisar a produção de biogás e a sua relação com a quantidade de substrato adicionado (biodigestor de 60 litros), não houve diferença (P>0.05) entre os tratamentos CSFS e SSFS, os quais produziram 2-3 e 5-3 m3 de biogás/kg de substrato. Como podem ser verificados na Figura 1, os 50 dias de tempo de retenção hidráulica (TRH) não foram suficientes para atingir o potencial total das camas nas condições desse experimento. 0,012 CSFS SSFS Inicio da queima Volume de Biogás (m 3 ) 0,010 0,008 0,006 0,004 0,002 0, Dias de Produção Figura 1 Volume de biogás dos tratamentos CSFS e SSFS da cama de frangos de corte de 2º lote de utilização, diluídas na proporção de 4:1 (água/cama).

11 11 O tratamento CSFS teve uma maior produção de CO2 no inicio do ensaio, tendo a sua queima aos 27 dias em média, já o tratamento SSFS, teve um pico mais baixo de CO2, iniciando a sua etapa metanogênica com maior antecedência, aos 16 dias em média. A baixa produção de biogás observada no tratamento CSFS, pode ter o seu fundamento na hipótese de que a quantidade de dejetos encontrados nessa cama de casca de amendoim de 1º reutilização é bem pequena, visto que o produtor utiliza uma quantidade maior que a necessária para a criação dessas aves. Por isso, quando se faz a separação das frações diluída em água, ocorre apenas uma lavagem da cama, que é lixiviada em quantidade inadequada para equilíbrio químico da biodigestão anaeróbia. Os teores de macro, micronutrientes e metais dos afluentes e efluentes dos tratamentos CSFS e SSFS encontram-se nas Tabelas 4 e 5. Tratamento N P K Ca Mg Na (g/100g) CSFS Afluente Efluente SSFS Afluente Efluente Tanto nas comparações médias de afluentes e efluentes como também na de tratamentos e reduções, diferem pelo Teste de Tukey (P<0.05). Tabela 4. Concentrações de nutrientes, em g/100g de matéria seca (MS) nos afluentes e efluentes de biodigestores batelada abastecidos com cama de frango, em tratamentos CSFS e SSFS. As variações de concentrações de minerais dos afluentes, podem ser um representatividade heterogênea da coleta da cama de frangos, visto que as coletas manuais das amostras oferecem dificuldades de homogeneização, em detrimento disto as concentrações de afluentes variaram.

12 12 Tratamento Zn Cu Mn Fe CSFS (mg/kg) Afluente Efluente SSFS Afluente Efluente * Tanto nas comparações médias de afluentes e efluentes como também na de tratamentos e reduções, diferem pelo Teste de Tukey (P<0.05). Tabela 5. Concentrações de metais, em mg/kg de matéria seca (MS) nos afluentes e efluentes de biodigestores batelada abastecidos com cama de frango, em tratamentos CSFS e SSFS. As médias das concentrações de N no tratamento SSFS do afluente e no efluente foram e g/100g, respectivamente, porém em ST foram utilizados e kg de afluentes e efluentes (Tabela 2), portanto em massa foram encontrados e g/100g de N no afluente e efluente, respectivamente. Comparando os mesmo dados para o tratamento CSFS, tem-se em massa e g/100g de N no afluente e efluente, respectivamente. Por fim tem-se um percentual de 15 e 30 % de redução de N para o tratamento SSFS e CSFS, respectivamente. Em todos os nutrientes e metais dos afluentes e efluentes analisados, verificou-se a mesma tendência observada na redução de minerais do N. Sendo as maiores reduções (P>0.05) encontradas no tratamento CSFS. Além disso esse tratamento obteve maiores concentrações de nutrientes e metais em massa. Esses resultados coadunam com o trabalho de Fukayama (2008), onde as quantidades (em massa) dos nutrientes e dos metais no efluente diminuíram com a biodigestão anaeróbia da cama de frangos de corte. Portanto, para contribuir com o a diminuição de impactos ambientais causados pela aplicação constante de biofertilizantes em solos para cultivo de grãos e forrageiras em

13 13 geral, devem utilizar o tratamento CSFS, pois este apresenta maiores reduções de ST, e maiores quantidades de nutrientes e metais (em massa), proporcionando a otimização da utilização do biofertilizante. Já o tratamento SSFS, oferece um biofertilizante com concentrações menores de nutrientes e metais, necessitando maiores quantidades (litros/ha) de biofertilizantes aplicados, para obter a mesma produtividade que o tratamento CSFS oferece. Enfim, maiores quantidades de aplicação, requerem maiores custos econômicos, energéticos e ambientais. 4 - CONCLUSÕES A produção de biogás da cama de francos de corte de 2º lote de utilização, separada por peneira de malha de 3 mm e diluição de 4:1 (água/cama) possui a mesma produção de biogás por quilo de substrato, porém menor em volume total. No entanto, ela proporciona maiores reduções de sólidos totais e maiores quantidades de nutrientes em um mesmo volume. 5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ABEF (Associação Brasileira de Exportadores e Produtores de Frango de Corte) Índices de produção. AIRES, A. M. A. Biodigestão anaeróbia da cama de frangos de corte com ou sem separação das frações sólida e líquida f. Dissertação (Mestrado em Zootecnia) Fac. de C. A. e Veterinárias, Universidade Estadual Paulista, Jaboticabal. APHA. AWWA. WPCF. Standart methods for the examination of water and wastewater. 20 th ed. Washington: American Public Health Association 2000.

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15 15 CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA AGRÍCOLA, 22., 1993, Ilhéus. Anais... Ilhéus:SBEA/CEPLAC, p MALAVOLTA, E. et al. Micronutrientes, uma visão geral. In: FERREIRA, M.; CRUZ, M. C. Micronutrientes na Agricultura. Piracicaba: POTAFOS / CNPq, p ORTOLANI, A. F. et al. Bateria de mini-biodigestores : estudo, projeto, construção e desempenho. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA AGRÍCOLA, 15., 1986, São Paulo. Anais... Botucatu: FCAV/UNESP, 1986, p SANTOS, T. M. B. Balanço energético e adequação do uso de biodigestores em galpões de frangos de corte f. Tese (Doutorado em Produção Animal) Fac. de Ciências Agrárias e Veterinária, Universidade Estadual Paulista, Jaboticabal, SANTOS, T. M. B.; LUCAS JUNIOR, J. Utilização de resíduos da avicultura de corte para a produção de energia. In: CONGR. INTERNACIONAL DE ZOOTECNIA, 5.; CONGR. NACIONAL DE ZOOTECNIA, 13., 2003, Uberaba, p SILVA, D.J. Análise de alimentos: métodos químicos e biológicos. Viçosa: UFV, p. STEIL, L.; LUCAS JUNIOR, J.; OLIVEIRA, R. A. Avaliação do uso de inóculo na digestão anaeróbia de resíduos de aves de postura, frangos de corte e suínos. Engenharia Agrícola, Jaboticabal, v. 22, n. 2, p , maio, 2002.