REMOÇÃO DE NITROGÊNIO DA ÁGUA RESIDUAL DE DIGESTOR ANAERÓBICO DE DEJETOS DE SUÍNOS EM REATOR AERÓBICO DE BIOGRÂNULOS

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1 REMOÇÃO DE NITROGÊNIO DA ÁGUA RESIDUAL DE DIGESTOR ANAERÓBICO DE DEJETOS DE SUÍNOS EM REATOR AERÓBICO DE BIOGRÂNULOS Pujol, S.B.* 1 ; Hübner, A.P. 2 ; Aita, C. 3 ; Giacomini, S.J. 3 ; Ballem, A. 4 ; Schirmann, J. 5 ; Leal, L.T. 5 1 Doutorando em Ciência do Solo da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), Av. Roraima 1000, CEP , Santa Maria RS, Brasil, stefenpujol@hotmail.com 2 Engº Agrônomo, Dr. em Ciência do Solo, (in memorian) 3 Engº Agrônomo, Prof. Dr., UFSM, caita@smail.ufsm.br; sjgiacomini@smail.ufsm.br 4 Acadêmico(a) do Curso de Ciências Biológicas, UFSM, andressaballem@hotmail.com 5 Acadêmico(a) do Curso de Agronomia, UFSM, janqui@hotmail.com; lineuleal@yahoo.com.br Resumo A concentração de animais em pequenas áreas, como ocorre na suinocultura, gera grande volume de resíduos, os quais são potenciais poluentes do ambiente. No Rio Grande do Sul, várias propriedades suinícolas utilizam o processo de biodigestão anaeróbica das dejeções para o aproveitamento energético do metano produzido e como meio de reduzir o impacto ambiental. Porém, a água residual (efluente) do processo de digestão anaeróbica, se despejada em cursos d água, pode causar poluição, pois ainda apresenta Demanda Química de Oxigênio (DQO) e nitrogênio (N), sendo os teores de N amoniacal maiores que dos dejetos in natura. Este trabalho avaliou a aplicação da nova tecnologia de biogrânulos aeróbicos, em reator seqüencial em batelada (RSB), na remoção do nitrogênio da água residual de digestor anaeróbico alimentado com dejetos de suínos. Para tanto, foi conduzido um experimento com biogrânulos, previamente desenvolvidos, no Laboratório de Microbiologia do Solo e do Ambiente, UFSM. O RSB foi operado por 88 dias, com três ciclos diários de oito horas, sendo que em cada ciclo havia fases seqüenciais distintas: sem aeração, com aeração e sem aeração. Foram avaliadas a estabilidade dos biogrânulos, a eficiência do processo na remoção de Nitrogênio Total Kjeldahl (NTK) e os níveis de N inorgânico no efluente final. Os biogrânulos mostraram-se estáveis ao longo do período, tendo o sistema obtido eficiência média de remoção de 72 % para NTK e N amoniacal. Houve acúmulo de N nítrico no reator, indicando a necessidade de estudos futuros para propiciar a remoção desta forma de N. Palavras-chave: biotecnologia, efluente de biodigestor, remoção de poluentes. 104

2 NITROGEN REMOVAL OF THE WASTEWATER ANAEROBIC DIGESTER OF PIG SLURRY IN GRANULES AEROBIC REACTOR Abstract Animal concentration in small areas, as it happens in swine production, produces large amounts of waste, which are potential pollutants to environment. In the state of Rio Grande do Sul, several pig livestock properties use anaerobic digestion for waste treatment, whether it be for energetic employment of the methane or as a way to reduce environmental impact. However, the wastewater (effluent) of this process, if dumped in current water, can cause pollution because of its Chemical Oxygen Demand (COD) and nitrogen (N), being ammonium N levels higher than the slurries in natura. This study evaluated the application of the new technology of aerobic granules, in sequential batch reactor (SBR), in the removal of wastewater nitrogen from anaerobic digester fed with pig slurries. For that, a study was done in the Soil and Environment Microbiology Laboratory, UFSM. The SBR was operated for 88 days, with three daily cycles of 8 h, with different sequential stages: without air supply, with air supply and without air supply. The stability of the granules, the efficiency of the process as far as the removal of Total Kjeldahl Nitrogen (TKN) and inorganic N levels in the final effluent were evaluated. The aerobic granules were stable in the period, and the system showed average removal efficiency of 72 % for TKN and ammonium N. Nitric N was accumulated in reactor, indicating the necessity of future studies to obtain its removal. Key-words: biotechnology, digester effluent, pollutants removal. Introdução A criação de animais em confinamentos é uma característica atual da agropecuária brasileira, responsável por boa parte do PIB do país, notadamente para a produção de suínos, aves e bovinos, sendo denominada de Sistema de Produção de Animais Confinados (SPACs). No entanto, essa concentração de animais em pequenas áreas pode acarretar em conseqüências graves para o ambiente. As dejeções (fezes + urina) dos suínos criados em confinamento, juntamente com a água para dessedentação animal e a de lavagem das baias e, ainda, aos restos de rações formam a água residual da suinocultura. Esta apresenta elevada concentração de poluentes. Em geral, poucos processos de tratamento são utilizados para reduzir o potencial poluente dos dejetos de suínos, principalmente devido aos custos inerentes (Perdomo et al., 2001). Dentre os processos disponíveis estão: lagoas (de estabilização, anaeróbica e de plantas), digestores anaeróbicos e reatores. No Estado do Rio Grande do Sul (RS) tem ocorrido um aumento no número de propriedades suinícolas que utilizam o processo de digestão anaeróbica. Os biodigestores proporcionam a geração de renda ao produtor através da venda de créditos de carbono bem como energia, ambos pela produção do gás metano (CH 4 ). 105

3 Porém, no efluente desse processo permanecem vários dos problemas inerentes aos dejetos de suínos, como elevadas concentrações de nitrogênio (N) e fósforo (P) capazes de provocarem contaminação de diversos ambientes e, inclusive, a eutrofização de corpos d água. Assim, torna-se necessário o tratamento dos efluentes de biodigestores anaeróbicos. Com esse propósito, o reator seqüencial em batelada (RSB) com a biotecnologia de grânulos aeróbicos parece ser uma alternativa para a realização do tratamento de diferentes tipos de efluentes. Biogrânulos aeróbicos, células bacterianas altamente organizadas em estrutura única, são caracterizados por apresentarem elevada eficiência na remoção de poluentes (Hübner, 2008). Todavia, pesquisas nessa área são ainda inéditas no Brasil, evidenciando a necessidade de aprofundar o conhecimento científico nessa linha de pesquisa. A partir do exposto, buscou-se neste estudo avaliar a estabilidade de biogrânulos aeróbicos, em reator seqüencial em batelada, e a eficiência do processo na remoção de nitrogênio da água residual suinícola digerida anaerobicamente. Material e Métodos Água residual (efluente) de digestor anaeróbico, obtida em uma granja de suínos localizada no município de Santa Rosa, noroeste do Estado do RS, foi utilizada como afluente do reator aeróbico de biogrânulos. Essa granja gera 200 m 3 /dia de efluentes. O efluente coletado foi levado ao laboratório, sendo homogeneizado e armazenado em galões plásticos à 1 C. O ph do material era 7,7 e a relação carbono:nitrogênio (C:N) 0,83. O sistema foi operado em um reator seqüencial em batelada (RSB), contendo biomassa de grânulos aeróbicos, no Laboratório de Microbiologia do Solo e do Ambiente do Departamento de Solos, Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), Santa Maria RS, Brasil. O reator (coluna de vidro borossilicato) possui 28,27 cm 2 de área e um volume útil de ml, sendo realizadas trocas de 50% do volume a cada ciclo de operação. Três ciclos de 8 h foram constituídos por fases com e sem aeração. A aeração foi suprida por três bombas de aquário. A seqüência de operação dos ciclos foi: alimentação concomitante com a primeira fase sem aeração do sistema (120 minutos), movimentação e reação da biomassa granular através da fase aeróbica (324 min), segunda fase sem aeração (30 min), ressuspensão e pressão de seleção com aeração (2 min), rápida sedimentação (2 min) e descarga do efluente (1 min). As etapas de operação eram reguladas e acionadas através de um timer digital. Biogrânulos aeróbicos provenientes do trabalho de Hübner et al. (2006) foram utilizados como inóculo no início do experimento. Durante o período experimental o tempo de retenção hidráulico (TRH) foi constante em 16 h. A alimentação do reator (entrada do afluente) era realizada pela parte superior, onde também havia um sistema acoplado para a retenção de espuma e a coleta de gases. A descarga do efluente tratado no reator era realizada por uma válvula lateral. Diariamente foram realizadas três coletas de efluente do reator em cone Imhoff, do qual era retirada uma amostra do sobrenadante, após 15 min de 106

4 sedimentação, para análises de Nitrogênio Total Kjeldahl (NTK), N amoniacal (N-NH 4+ + N-NH 3 ) e N nítrico (N-NO x - = N-NO N-NO 2 - ), conforme descrito por Tedesco et al. (1995). A estabilidade dos biogrânulos foi avaliada apenas visualmente, em microscópio estereoscópico. Resultados e Discussão A concentração de NTK do afluente do reator foi demasiadamente elevada no início das operações, próxima a 900 mg/l. Apesar da alta concentração, a eficiência de remoção média de NTK foi satisfatória (72,4%), verificado na Figura 1, equivalendo a uma remoção diária de 535,4 g/m 3 /dia de NTK. A remoção do N obtida neste trabalho é similar àquela encontrada por Deng et al. (2006) em RSB não granular. Contudo, faz-se ressalva ao resultado alcançado neste estudo devido à utilização única e exclusiva de água residual da suinocultura digerida anaerobicamente, enquanto a remoção obtida por Deng et al. (2006) só ocorreu após a adição, no reator, de dejetos de suínos in natura na proporção 1:2. Embora o reator tenha sido operado com eficiência sempre superior a 65 %, mesmo sob carga elevada, os teores residuais de NTK no efluente permaneceram elevados, com concentração variável de 78,7 a 196,0 mg/l. Dentre as formas residuais de NTK contidas no efluente, o maior percentual do NTK (84%) é devido ao N amoniacal, enquanto que o N na forma orgânica corresponde a apenas 16%. Torna-se evidente, portanto, que a eficiência de remoção de NTK foi limitada pelos processos de remoção de N amoniacal, isto é, basicamente pela nitrificação. Na Figura 2 pode-se observar a remoção desta forma de N inorgânico. Mesmo sob elevada carga de N amoniacal (618 g/m 3 /dia), aplicadas diariamente ao reator, um valor médio de aproximadamente 72% pôde ser removido da solução, evidenciando a eficiência do sistema em reduzir esta forma de nitrogênio. Os valores de N-NO x - do efluente correspondem a 66% de todo o N amoniacal removido da solução, o que evidencia que a nitrificação foi o principal processo de remoção desse poluente. Embora não avaliado, o restante da remoção do N amoniacal deve ter ocorrido pelos processos de nitrificação/desnitrificação e/ou por imobilização pela biomassa microbiana (lodo). Além disso, parte do N amoniacal pode ter saído do sistema por volatilização, especialmente no início de cada ciclo de operação do reator. Conclusões A biomassa granular mostrou-se viável para o uso como inóculo, além de manter a estabilidade mesmo após elevadas concentrações de N amoniacal. Biogrânulos aeróbicos, em reator seqüencial em batelada, proporcionaram elevada eficiência de remoção de NTK e N amoniacal (maior que 72%). Entretanto, o teor de N amoniacal no efluente tratado ainda permanece elevado, bem como 107

5 houve acumulação de N-NO x -, evidenciando a necessidade de tratamento complementar ou de melhoria no mesmo. Literatura Citada DENG, L-W.; ZHENG, P.; CHEN, Z-A. Anaerobic digestion and post-treatment of swine wastewater using IC SBR process with bypass of raw wastewater. Process Biochemistry, v. 41, p , HÜBNER, A.P. Reator aeróbico de biogrânulos e lagoa de aguapé como biotecnologia para o tratamento de águas residuais da suinocultura. 164 f. Tese (Doutorado em Ciência do Solo). Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, RS HÜBNER, A.P. et al. Desenvolvimento de biogrânulos aeróbicos para o tratamento de dejetos líquidos de suínos. Anais... FERTBIO, Bonito, MS PERDOMO, C.C.; de LIMA, G.J.M.M.; NONES, K. Produção de suínos e meio ambiente. Seminário Nacional de Desenvolvimento da Suinocultura, 9. Gramado, RS, 25 a 27 de abril, TEDESCO, M.J. et al. Análises de solo, plantas e outros materiais. Departamento de Solos, Faculdade de Agronomia. UFRGS. Porto Alegre, RS. (Boletim técnico, n 5) 2ª ed. 215 p., Figura 1. Nitrogênio Total Kjeldahl (NTK) na água residual da digestão anaeróbica de dejetos de suínos (afluente) e após tratamento em reator aeróbico de biogrânulos (efluente). 108

6 Figura 2. Nitrogênio amoniacal (afluente e efluente), acúmulo de N nítrico (N-NO x - ) e remoção de N amoniacal em reator aeróbico de biogrânulos. 109