EFEITO DA CARGA ORGÂNICA VOLUMÉTRICA NO TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUÁRIAS DE SUINOCULTURA EM REATORES UASB EM DOIS ESTÁGIOS

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1 EFEITO DA CARGA ORGÂNICA VOLUMÉTRICA NO TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUÁRIAS DE SUINOCULTURA EM REATORES UASB EM DOIS ESTÁGIOS Oliveira, R.A. de 1 *; Duda, R.M. 2 ; Urbinati, E. 3 ; Santana, A.M. de. 4 1 Eng.º Agrônomo e Tecnólogo em Construção Civil; Doutor em Engenharia Civil (Hidráulica e Saneamento) pela Escola de Engenharia, USP, São Carlos; Professor Assistente Doutor, Departamento de Engenharia Rural, UNESP, Jaboticabal; Tel: (16) ; oliveira@fcav.unesp.br 2 Engª Química, Doutoranda em Microbiologia Agropecuária; UNESP, Jaboticabal/SP; 3 Eng.º Agrônomo; Mestrado em Microbiologia Agropecuária; UNESP, Jaboticabal/SP; 4 Bióloga; Doutoranda em Microbiologia Agropecuária; UNESP, Jaboticabal/SP; Resumo Avaliou-se o desempenho de dois reatores anaeróbios de fluxo ascendente com manta de lodo (UASB), em escala-piloto, com volumes de 908 L (R1) e 188 L (R2), instalados em série, no tratamento de águas residuárias de suinocultura. Foram aplicadas cargas orgânicas volumétricas crescentes de 3,40 a 40,1 g DQO total /L d no reator UASB (R1). As eficiências médias de remoção para o sistema de reatores (R1+R2) foram superiores a 86% para o SST e SSV e de 87% para a DQO total e DQO diss, para as COV e tempos de detenção hidráulico (TDH) aplicados. Palavras-chave: digestão anaeróbia, metano, resíduos de suínos, tempo de detenção hidráulica. 110

2 EFFECT OF THE ORGANIC LOAD RATE IN THE TREATMENT OF SWINE WASTEWATER IN A TWO-STAGE UPFLOW ANAEROBIC SLUDGE BLANKET REACTORS Abstract In this study two-stage upflow anaerobic sludge blanket reactors (UASB) were evaluated, installed in series, in pilot scale (volumes of 908 L and 188 L, respectively) for the treatment of swine wastewater. The organic loading rates (OLR) applied on the first UASB were 3.40 to 40.1 g total COD / L d. The average removal efficiencies for the system of reactors (R1+R2) were higher than 86% for TSS and VSS, and 87% for totalcod and disscod, for OLR and hydraulic detention time (HDT) applied. Key-words: anaerobic digestion, methane, swine waste, hydraulic detention time. Introdução A suinocultura intensiva é uma exploração pecuária concentradora de dejetos animais, com altas cargas poluidoras para o solo, o ar e a água. Nos últimos anos, muitos estudos têm sido conduzidos, buscando-se o desenvolvimento de tecnologias que minimizem o impacto desses dejetos no ambiente (OLIVEIRA et al., 2000; PAGILLA, 2000). Segundo a Pesquisa Agropecuária Municipal (IBGE, 2006) o plantel brasileiro de suínos é estimado em 35 milhões de cabeças. Com as limitadas áreas, a escolha do sistema de tratamento tornou-se importante, procurando-se sistemas simples, sustentáveis e com projetos compactos (AIYUK et al., 2006). Os reatores anaeróbios de fluxo ascendente com manta de lodo (UASB) estão sendo amplamente estudados em todo mundo, aplicado ao tratamento de esgoto sanitário (HALASLSHEH et al., 2005; AIYUK et al., 2006; ALVAREZ et al., 2008) e de águas residuárias agropecuárias (OLIVEIRA & FORESTI, 2004; SANCHEZ et al., 2005; SANTANA & OLIVEIRA, 2005), mas segundo SANCHEZ et al (2005), ainda são limitados os trabalhos utilizando o reator UASB para o tratamento de águas residuárias de suinocultura. A utilização de sistemas de tratamento anaeróbio de águas residuárias em dois estágios, com reatores de alta taxa, por exemplo UASB, pode levar ao aumento da eficiência da remoção da matéria orgânica e ao aperfeiçoamento de projetos, uma vez que o sistema pode ser executado com baixos tempos de detenção hidráulico, resultando em unidades de tratamento compactas e de baixo custo. Sendo assim, o objetivo desse trabalho foi avaliar o desempenho de um sistema de reatores UASB instalados em série, em escala piloto, tratando de águas residuárias de suinocultura, com cargas orgânicas volumétricas crescentes de 3,40 a 40,1 g DQOtotal / L d no reator UASB (R1). 111

3 Material e Métodos I Simpósio Internacional sobre Gerenciamento de Resíduos de Animais A unidade experimental foi constituída por dois reatores UASB, instalados em série, com volume de 908 L (R1) e 188 L (R2) para o primeiro e segundo reator, respectivamente, caixa armazenadora de afluente, bomba helicoidal, selos hidráulicos e gasômetros, ilustrado na Figura 1 (SANTANA & OLIVEIRA, 2005). O reator UASB (R1) foi construído em argamassa armada com diâmetro de 0,96 m e o reator UASB (R2) foi construído com um tubo rígido de policloreto de vinila (PVC) com diâmetro de 0,4 m. O esterco utilizado como afluente foi coletado diariamente, em confinamento de suínos na fase de terminação, com lâmina d água, alimentados com ração à base de milho ou sorgo e soja, com complemento vitamínico e mineral. A avaliação de desempenho da unidade experimental baseou-se na monitorização da água residuária de suinocultura bruta afluente e do efluente tratado, em amostras compostas com freqüência de amostragem de 2 vezes por semana. Os parâmetros determinados no afluente e efluente dos reatores anaeróbios foram ph, demanda química de oxigênio total (DQO total), demanda química de oxigênio dissolvida (DQO diss), sólidos suspenso totais (SST), sólidos suspensos voláteis (SSV), segundo metodologias descritas por APHA, AWWA, WPCF (1998), ácidos voláteis totais (AVT), conforme metodologia descrita por DILLALO & ALBERTSON (1961). O volume de biogás produzido foi monitorado diariamente por meio de medidas em gasômetros (SANTANA & OLIVEIRA, 2005) e a composição do biogás foi analisada semanalmente em cromatografia gasosa, conforme descrito por APHA, AWWA, WPCF (1998). As temperaturas médias do ar foram obtidas na Estação Agroclimatológica do Departamento de Ciências Exatas da Unesp, Câmpus de Jaboticabal. Resultados e Discussão A temperatura média do ar variou de 21 a 24 C nos ensaios 1 a 7. As cargas orgânicas volumétricas (COV) aplicadas o primeiro reator (R1) foram crescentes de 3,4; 5,5; 7,4; 10,4; 14,4; 20,7 e 40,1 g DQO total / L d, nos ensaios 1, 2, 3, 4, 5, 6 e 7, respectivamente. Os valores médios da DQO total e SST do afluente foram de 8.818; ; 9.625; ; ; e mg / L e de 2.216; 4.589; 2.803; ; 7.131; e mg / L nos ensaios 1, 2, 3, 4, 5, 6 e 7, respectivamente (Tabela 1). O tempo de detenção hidráulico (TDH) aplicados no sistema de tratamento anaeróbio (R1 +R2) foram de 75,2; 57,9; 37,6 57,9 37,6; 29,0 e 19,3 h, respectivamente, nos ensaios 1, 2, 3, 4, 5, 6 e 7 (Tabela 1). As eficiências médias de remoção para o sistema de reatores (R1+R2) foram superiores a 86% para o SST e SSV e de 87% para a DQO total e DQO diss, para as COV e TDH aplicados. COSTA & MEDRI (2002) operando quatro lagoas em série, com volume total de 375 m 3 e TDH de 125 dias, obtiveram eficiências de remoção de 86% para os ST, no tratamento de águas residuárias de suinocultura com DQO total media de mg / L. As eficiências de remoção de DQO total e SST 112

4 observadas neste trabalho, para temperaturas superiores a 21 o C, assemelham-se as encontradas por COSTA & MEDRI (2002). Os valores médios do ph do efluente do R1 e do R2 foram superiores a 7,1 nos ensaios 1 a 7. (Tabela 1). Segundo CHERNICHARO (1997), a faixa ótima de ph para o desenvolvimento das metanogênicas é de 6,6 a 7,4, embora possa se conseguir estabilidade na formação de metano numa faixa de 6,0 a 8,0. Os valores de AVT nos efluentes do R1 e R2 foram de 89 e 177 mg / L e de 188 a 75 mg / L. Segundo GERARDI (2003), para que exista estabilidade no processo anaeróbio, os ácidos voláteis devem estar na faixa de 50 a 500 mg / L. A produção volumétrica de metano no R1 e R2 foi de 0,138 a 1,456 m 3 CH 4 / (m 3 reator d) e de 0,037 a 0,552 m 3 CH 4 / (m 3 reator d), respectivamente, durante os sete ensaios. Conclusões Com os reatores UASB em série foram obtidas eficiências de remoções de DQO total, SSV e SST de até 95; 92; 96 e 96%, para a DQO total ; DQO diss ; SST e SSV, respectivamente, para as cargas orgânicas volumétricas aplicadas, indicando que o emprego pode ser viável no tratamento de águas residuárias de suinocultura. Agradecimentos CAPES, FAPESP e a Tigre S.A. pelo apoio financeiro. Literatura Citada AiYuk, S.; Forrez, I.; Lieven, D.K.; Van Haandel, A.; Verstraete, W. (2006). Anaerobic and complementary treatment of domestic sewage in regions with hot climates A review. Bioresource Technology, 97, Alvarez, J.A.; Armstrong, E.; Gomez, M.; Soto, M. (2008) Anaerobic treatment of lowstrength municipal wastewater by a two-stage pilot plant under psychrophilic conditions. Bioresource Technology, 99, Chernicharo, C.A.L. de. (1997). Reatores anaeróbios: princípios do tratamento biológico de águas residuárias. Belo Horizonte: Polytécnica LTDA, 246p. Costa, R.H.R. da, Medri, W. (2002). Modelling and optimisation of stabilisation ponds system for the treatment of swine wastes: organic matter evaluation. Brazilian Archives of Biology and Technology, Curitiba, 45, Dilallo, R.; Albertson, 0.E. Volatile acids by direct titration. (1961) Journal Water Pollution Control Federation, Alexandria, v. 33, n. 4, p Fundação Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE) (2006). Disponível: < em: 20 de maio

5 Girardi, M.H. (2003). The microbiology of anaerobic digesters. Jon Wiley & Sons, 130p. Halalsheh, M.; Sawajneh, Z.; Zu, M.; Zeeman, G.; Lier, J.; Fayyad, M.; Lettinga, G. (2005). Treatment of strong domestic sewage in a 96 m3 UASB reactor operated at ambient temperatures: two-stage versus single-stage reactor. Bioresource Technology, 96, Oliveira, R.A. de & Foresti, E. (2004)) Balanço de massa de reatores anaeróbios de fluxo ascendente com manta de lodo (UASB) tratando aguas residuarias de suinocultura. Engenharia. Agrícola, Jaboticabal, 24 (3), Pagilla, K.; Kim, H.; Cheunbarn, T. (2000) Aerobic Thermophilic and anaerobic mesophilic treatment of swine waste Water Research, 34 (10), Oliveira, R.A.; Campelo, P.G.; Matos, A.T.; Martinez, M.A.; Cecon, P.R. (2000). Influência da aplicação de águas residuárias de suinocultura na capacidade de infiltração de um solo Podzólico Vermelho-Amarelo. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola Ambiental.4 (2), Sanchez, E. ; Borja, R.; Travieso, l.; Mart, A.; Colmenarejo, M.F. (2005). Effect of organic loading rate on the stability, operational parameters and performance of a secondary upflow anaerobic sludge bed reactor treating piggery waste. Bioresource Technology, 96, Santana, A.M. de & Oliveira, R.A. de. (2005). Desempenho de reatores anaerobios de fluxo ascendente com manta de lodo em dois estagios tratando agues residuarias de suinocultura. Engenharia Agrícola, Jaboticabal,25(3), Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (1998). 20th edn, American Public Health Association/American Water Works Association/Water Environment Federation, Washington DC, USA, 1348p. 114

6 Tabela 1. Condições operacionais, produção volumétrica de metano, concentrações médias de DQO total, DQO diss, SST, SSV do afluente e efluente do sistema de tratamento anaeróbio em dois estágios com os reatores UASB nos ensaios 1, 2, 3, 4, 5, 6 e 7. Parâmetros Ensaio 1 Ensaio 2 Ensaio 3 Ensaio 4 Ensaio 5 Ensaio 6 Ensaio7 Média c.v. Média c.v. Média c.v. Média c.v. Média c.v. Média c.v. Média c.v. Temperatura media (ºC) ph AVT TDH (h) COV R1 62,3-48,0-31,1-48,0-31,1-24,0-16,0 - R2 12,9-9,9-6,5-9,9-6,5-5,0-3,3 - R1 3,4 56 5,5 54 7, , , , ,1 34 R2 2,2 30 8,4 30 4,0 36 5, , , ,7 133 Afluente 5,8 7 6,8 4 6,1 4 6,1 5 6,1 4 6,1 6 6,4 3 Efluente R1 7,3 7 7,3 1 7,1 2 7,5 2 7,3 3 7,5 2 7,1 2 Efluente R2 7,5 2 7,5 1 7,5 2 7,6 2 7,5 3 7,5 2 7,1 2 Afluente Efluente R Efluente R Afluente DQO total Efluente R Efic. Sistema Afluente DQO diss Efluente R Efic. Sistema SST SSV Afluente Efluente R Efic. Sistema Afluente Efluente R Efic. Sistema Produção R1 0, , , , , , , volumétri-ca de metano R2 0, , , , , , , TDH tempo de detenção hidráulico; COV carga orgânica volumétrica (gdqo total / (L d)) AVT ácidos voláteis totais (mg CH 3COOH /L), DQO total demanda química de oxigênio total (mg / L) DQO diss demanda química de oxigênio devido as frações dissolvidas (mg / L); SST- sólidos suspensos totais (mg / L); SSV sólidos suspensos voláteis (mg / L); c.v. coeficiente de variação; Efic. Sistema Eficiência do sistema (R1 + R2) (%), produção volumétrica de metano (m 3 CH 4 / m 3 reator d). Figura 1. Corte longitudinal esquemático do sistema de tratamento anaeróbio em dois estágios, em escala-piloto, com reator UASB de 908 L, construído em argamassa armada (4), e reator UASB de 188 L, construído com tubo de PVC (5) (SANTANA & OLIVEIRA, 2005). 115