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 POTENCIAL DE PRODUÇÃO DE BIOGÁS DA CAMA DE FRANGO COM PÓ-DE-SERRA DE PINUS EM ABASTECIMENTO SEQÜENCIAL DOS BIODIGESTORES Tânia Mara Baptista dos Santos Jorge de Lucas Junior PRÓXIMA Realização: ICTR Instituto de Ciência e Tecnologia em Resíduos e Desenvolvimento Sustentável NISAM - USP Núcleo de Informações em Saúde Ambiental da USP

2 POTENCIAL DE PRODUÇÃO DE BIOGÁS DA CAMA DE FRANGO COM PÓ-DE-SERRA DE PINUS EM ABASTECIMENTO SEQÜENCIAL DOS BIODIGESTORES Tânia Mara Baptista dos Santos 1, Jorge de Lucas Junior 2 A avaliação do potencial de produção de biogás da cama de frango com pó-de-serra de pinus, utilizando-se o abastecimento seqüencial dos biodigestores foi o objetivo que se buscou no desenvolvimento deste trabalho. Utilizaram-se camas provenientes de galpão comercial com produção média de aves/lote. Para cada lote foram abastecidos 3 biodigestores (60 L) com as respectivas camas, totalizando 9 ensaios. Os substratos continham cerca de 9,5% de sólidos totais, e 15% de inóculo (50% efluente estrume de bovinos + 50% efluente cama de frangos). Avaliaram-se as produções e qualidade do biogás e reduções nos teores de sólidos voláteis (SV), considerando-se períodos de produção de 15 dias (15-30 dia de fermentação), período de utilização efetiva de biogás para aquecimento das aves e de 50 dias, produção total entre lotes. O biogás sofreu queima a partir do 6 dia, porém, recomenda-se sua utilização do dia (60-70% CH 4 e 35-22% CO 2 ). Os potenciais de produção de biogás para 15 dias de uso efetivo do biogás variaram de 0,0668-0,0987 m 3 /kg cama e, para o período total de produção de 50 dias de 0,1837-0,2396 m 3 /kg cama. A produção de biogás utilizando-se abastecimento seqüencial é boa alternativa quando o objetivo é o atendimento das necessidades energéticas para aquecimento das aves (15 dias). Há a necessidade do uso de inóculo para que se tenha uma produção efetiva de biogás logo após o período de vazio sanitário dos galpões. Palavras-chave: avicultura de corte; biodigestão anaeróbia; sustentabilidade 1 Prof. Adjunto. Universidade Estadual de Mato Grosso do Sul - UEMS - Unidade Universitária de Aquidauana, santostm@terra.com.br 2 Prof. Titular. Depto de Engenharia Rural - FCAV/UNESP-Jaboticabal., jlucas@fcav.unesp.br 2349

3 Introdução Na matriz energética mundial atual os combustíveis fósseis ainda predominam como os mais utilizados. Dados de 1996 do Balanço Energético Nacional (BRASIL, 1999) mostram que, do montante de energia utilizada mundialmente, o petróleo participa com 35,3%, o carvão mineral com 24% e o gás com 20,2%. A energia hidráulica e nuclear participam com 2,3 e 6,7%, respectivamente, e as fontes de energia renováveis já respondem por 11,1% do suprimento de energia total do mundo. Hoje, além da perspectiva de escassez de petróleo, as questões relacionadas aos impactos negativos sobre o meio ambiente impõem a necessidade de busca de novas formas de suprimento energético e ampliação do uso de fontes renováveis. A energia renovável para substituir os combustíveis fósseis deverá ter como características principais a compatibilidade ambiental, o alto coeficiente energético, o baixo custo, a fácil estocagem e transporte, e ainda, ser de uso conveniente e socialmente compatível (REZENDE et al., 1998). Dentre as formas alternativas de conversão da biomassa em energia secundária, destaca-se a biodigestão anaeróbia de resíduos (agroindustriais, domésticos, rurais, etc.), o que permite o seu aproveitamento sob a forma de biogás (metano). Na verdade, a produção de metano é apenas uma das vantagens da biodigestão anaeróbia, cuja finalidade maior é o tratamento de efluentes. Suas vantagens são: alta redução de demanda bioquímica de oxigênio (DBO), produção de biofertilizante, pequena produção de lodo, baixos custos operacionais e de investimento e possibilidade de sistemas descentralizados de tratamento (POMPERMAYER & PAULA JR., 2000). No processo de digestão anaeróbia, a matéria orgânica presente nos efluentes é transformada pela ação dos microorganismos em aproximadamente 78% em biogás, sendo uma mistura de metano (CH 4 ) e dióxido de carbono (CO 2 ), 20% de material orgânico que continua em dissolução, e entre 1 a 2% de novos microorganismos (Arrieta & Cantera, 1999, citados por BERNI & BAJAY, 2000). As possibilidades de conversão biológica da cama de frangos em biogás têm sido demonstradas mediante diversos relatos científicos e práticos. No que diz respeito à biodigestão anaeróbia são observadas variações quanto ao potencial de produção de biogás para este resíduo, porque o potencial está diretamente relacionado às características das excretas das aves, que dependem fundamentalmente de fatores intrínsecos ao animal como: tipo de ração, estação do ano, tipo de cama, densidade de alojamento de aves, reutilização da cama, entre outros. Para obtenção do potencial do resíduo, devem ser levados em conta também outros aspectos importantes relacionados ao biodigestor, os quais estão diretamente relacionados com o projeto e manejo do biodigestor. O aproveitamento de chorumes gerados na criação de frangos de corte, em biodigestores de laboratório com temperaturas entre 30 e 35 C e tempo de retenção hidráulica (TRH) variando de 15, 22 e 30 dias é mostrado por JAMILA (1990). O rendimento de produção de biogás variou entre 0,2 e 0,4 m 3 de biogás por kg de ST, com teores de metano variando entre 44,8 e 73,9%. Os melhores resultados foram alcançados com 6% de ST no afluente, temperatura de 34 C e 15 dias de TRH. WEBB & HAWKES (1985a) utilizando chorume obtido a partir do estrume de frangos obtiveram 0,41 a 0,44 m 3 de biogás por kg de sólidos voláteis (SV) adicionados. Trabalhando em escala piloto para produção de biogás, YAO et al. (1989) utilizaram estrume de frangos em dois biodigestores com 3,5 m 3 cada um. O líquido após peneiramento era fermentado observando-se que, para uma taxa de 2350

4 carregamento de 10 kg de DQO (demanda química de oxigênio) por m 3 de biodigestor obteve-se uma produção de biogás de 3,57 m 3 de biogás por m 3 de biodigestor com 65,4% de metano. A redução de DQO foi de 80,07%, o efluente era usado como fertilizante e o biogás para cozimento atendendo 18 famílias. Mesmo com o inconveniente da adição de substrato como cama, têm sido demonstrados altos potenciais para a produção de biogás a partir das camas sem qualquer processamento prévio. A este respeito, WEBB & HAWKES (1985b) operaram um biodigestor com cama de frangos (excreta + serragem) e observaram que a produção de biogás aumentou com o TRH e com o aumento nos teores de SV no afluente. Observaram os rendimentos de 0,245 a 0,372 m 3 de biogás por kg de SV adicionados, com teores de metano de 59%. Utilizando substrato semelhante (cama de frangos com maravalha) em biodigestores batelada, LUCAS, JR et al. (1993) observaram melhores rendimentos com o uso de inóculo, sendo de grande importância o teor de ST do substrato, visto que o potencial de produção de biogás aumentou quando se utilizou, além do inóculo, substrato com 8% de sólidos. O potencial médio obtido foi de 0,25 m 3 de biogás/kg de cama. Dando continuidade a estes estudos, LUCAS JR. et al. (1996), utilizando o mesmo tipo de cama, obtiveram um potencial de 0,26 m 3 de biogás por kg de cama adicionada no biodigestor para substratos com inóculo. Para substratos sem inóculo os autores verificaram um potencial de 0,20 e 0,25 m 3 /kg de cama adicionada. O tipo de material utilizado como base nas camas de aviário e o número de lotes criados sobre a mesma cama podem interferir nos potenciais obtidos, como demonstrado por SANTOS & LUCAS JR. (1997) em estudo de três tipos de cama (napier-n, mistura de napier + maravalha-nm e maravalha-m) utilizadas em um ciclo de criação e reutilizadas num segundo ciclo. Verificou-se que as produções de biogás obtidas, tanto com um lote de criação (N=0,2494 > NM=0,2092 > M= 0,1747 m 3 de biogás por kg de ST adicionados) como com dois lotes de criação sobre a mesma cama (N=0,2712 > NM=0,2464 > M=0,2300 m 3 de biogás/kg de ST adicionados), apresentaram bons potenciais, porém com diferenças entre os três materiais utilizados e com efeitos da reutilização das camas. Concluiu-se que as camas podem se constituir em excelente alternativa energética para galpões de frangos de corte. O uso de biodigestores para o tratamento de resíduos obtidos em avicultura permite a integração de sistemas como apontado por MAHADEVASWAMY & VENKATARAMAN (1986), os quais estudaram um sistema integrado de biodigestão anaeróbia para produção de biogás a partir da excreta de frangos e utilização do efluente para produção de alga Spirulina platensis. Obteve-se produção de 0,54 m 3 de biogás por kg de ST e o efluente foi utilizado como meio para produção de Spirulina platensis, a qual após secagem foi adicionada à ração dos frangos. A avaliação do potencial de produção de biogás da cama de frango com pó-deserra de pinus, utilizando-se o abastecimento seqüencial dos biodigestores foi o objetivo que se buscou no desenvolvimento deste trabalho. Material e métodos Foram utilizados biodigestores batelada com capacidade útil de 60 L de substrato em fermentação, constituídos por dois cilindros retos, um inserido no interior do outro, formando um espaço denominado "selo d'água" (profundidade de 480 mm). Uma campânula flutuante de fibra de vidro, emborcada no selo d'água, propicia as 2351

5 condições anaeróbias sob as quais se desenvolve o processo de fermentação, além de armazenar o gás produzido e conferir pressão ao mesmo. Os biodigestores são semisubterrâneos, sendo a superfície do solo a sua volta revestida por uma calçada de concreto com 5 cm de espessura (Figura 1). FIGURA 1 Ilustração de um biodigestor batelada (Ortolani, 1986). Componentes: 1) gasômetro, 2) "selo de água", 3) câmara de fermentação, 4) guia do gasômetro, 5) saída do biogás (sem escala). Os substratos foram preparados conforme expressões citadas em ORTOLANI et al. (1991) e LUCAS JR. (1994). Foram utilizadas as camas provenientes de 9 lotes estudados na seqüência de um galpão comercial de frangos de corte da Empresa Frango Sertanejo, Sertãozinho-SP, com produção média de aves/lote, de forma que cada abastecimento correspondeu à saída de um lote, com intervalo de aproximadamente 65 dias entre um abastecimento e outro. Foram utilizados 3 biodigestores (repetições) para cada abastecimento para obtenção do potencial energético das camas de frango. Em cada abastecimento o substrato foi preparado com teor de sólidos totais próximo a 9,5%, misturando-se cama de frangos, água e inóculo. O inóculo representou em torno de 15% da matéria seca presente nos substratos e para o primeiro abastecimento constituiu-se de 50% efluente de biodigestor contínuo operado com estrume de bovinos + 50% efluente cama de frangos. Nos ciclos subseqüentes utilizou-se o efluente do abastecimento anterior. Os teores de sólidos totais e voláteis foram determinados a partir de metodologias descritas por APHA (1992). Na Tabela 1 são apresentadas as quantidades dos componentes utilizados no preparo dos substratos, bem como os teores de sólidos totais e voláteis obtidos após a mistura dos componentes. Os volumes de biogás produzidos diariamente foram determinados medindo-se o deslocamento vertical dos gasômetros e multiplicando-se pela área da seção transversal interna dos gasômetros (0,2827 m 2 ). Após cada leitura os gasômetros foram zerados utilizando-se o registro de descarga do biogás. A correção do volume do biogás para as condições de 1 atm e 20 o C foi efetuada com base no trabalho de CAETANO (1985). 2352

6 TABELA 1 - Componentes de cada substrato (60 kg) e teores de sólidos totais (ST) e voláteis (SV), em abastecimentos seqüenciais. Abasteci Mento Cama kg Inóculo kg Água kg ST % ST kg SV % SV kg 1 6,52 18,62 34,85 9,21 5,52 7,62 4,57 2 6,28 15,70 38,02 9,22 5,53 8,19 4,92 3 5,97 14,06 39,97 9,38 5,63 7,92 4,75 4 6,70 13,50 39,80 10,35 6,21 9,24 5,55 5 6,11 12,73 41,16 9,39 5,63 8,14 4,88 6 6,20 17,30 36,50 9,17 5,50 7,51 4,51 7 6,40 13,80 39,80 9,39 5,63 8,09 4,85 8 6,40 15,00 38,60 9,94 5,96 8,26 4,96 9 6,30 13,80 40,00 9,77 5,86 8,31 4,99 A temperatura do biogás produzido, nos horários de determinação de seu volume, foi medida utilizando-se aparelho registrador portátil Brastermo, com sensor localizado na extremidade de uma haste metálica, introduzida em orifícios próprios para sensores termométricos. Foram avaliadas as produções e qualidade de biogás (teores de metano e dióxido de carbono por cromatografia gasosa) e reduções nos teores de sólidos voláteis de acordo com CETESB (s/d) e APHA (1992). Resultados Na Tabela 2 são apresentados os teores médios de sólidos totais e voláteis no início e final do processo de biodigestão anaeróbia e as reduções dos sólidos voláteis, em porcentagem. Observa-se que as reduções estiveram entre 25,48 % (8 lote) e 46,39 % (5 lote), sendo o primeiro valor bem abaixo do que se espera em um processo em que a biodigestão ocorre normalmente. TABELA 2 - Teores de ST e SV, em % e em massa e redução de SV, em %. Abasteci- ST SV redução Mento Inicial Final inicial final Inicial final Inicial Final de SV (%) (%) (%) (kg) (kg) (%) (%) (kg) (kg) 1 9,21 5,30 5,524 3,180 7,62 4,17 4,571 2,501 45,29 2 9,22 6,18 5,531 3,707 8,19 5,15 4,916 3,093 37,09 3 9,38 6,72 5,628 4,032 7,92 5,68 7,920 3,409 28, ,35 6,70 6,208 4,023 9,24 5,76 5,545 3,457 37,67 5 9,39 5,37 5,634 3,220 8,14 4,36 4,884 2,618 46,39 6 9,17 6,21 5,503 3,729 7,51 5,15 4,508 3,090 31,45 7 9,39 6,04 5,632 3,624 8,09 4,94 4,854 2,961 39,00 8 9,94 7,34 5,963 4,407 8,26 6,16 4,956 3,693 25,48 9 9,77 7,05 5,861 4,227 8,31 5,74 4,986 3,446 30,89 Os potenciais médios de produção de biogás serão enfocados sob dois aspectos: utilização do biogás no início do processo (15 ao 30 dia de fermentação), que é o período de utilização efetiva de biogás para aquecimento das aves, e produção obtida no período total de fermentação (50 dias). 2353

7 Na Tabela 3 são apresentados os potenciais médios de produção de biogás por kg de substrato, de sólidos voláteis adicionados e de cama, considerando-se um período de produção de 15 dias (15 o ao 30 o dia) e de 50 dias. TABELA 3 - Potenciais médios de produção de biogás, corrigidos para 20 C e 1 atm, considerando 15 (15 ao 30 dia) e 50 dias de fermentação para os lotes estudados. Abasteci- queima Prod. mín/ Potenciais (m 3 /kg) mento dias kg cama.dia substrato SV adic. Cama , ,0073 0,0200 0,1044 0,2873 0,0668 0, , ,0003 0,0062 0,0040 0,0723 0,0032 0, , ,0003 0,0055 0,0035 0,0578 0,0033 0, , ,0004 0,0061 0,0042 0,0633 0,0036 0, , ,0101 0,0244 0,1381 0,3354 0,0987 0, , ,0005 0,0087 0,0056 0,1013 0,0046 0, , ,0032 0,0117 0,0388 0,1420 0,0299 0, , ,0002 0,0032 0,0018 0,0313 0,0017 0, , ,0002 0,0046 0,0024 0,0483 0,0022 0, Na Figura 2 são apresentadas as produções médias de biogás, em m, para camas de frango de pó-de-serra de pinus em abastecimento seqüencial. Produção de biogás (m 3 ) 0,1 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0, dias FIGURA 2 - Produções médias de biogás, em m 3, para camas de frango em abastecimento seqüencial. Com relação aos teores de metano e dióxido de carbono, observou-se que aos seis e nove dias de fermentação (período em que o gás queimou), os teores de metano foram de 33,71 e 47,49%, demonstrando a possível utilização do biogás, porém para maior segurança, determinou-se a utilização deste do 15 ao 30 dia 2354

8 (período efetivo do uso do biogás), período no qual os teores de metano estiveram entre 60 e 70% e os teores de dióxido de carbono entre 35 e 22%. Discussão Por se tratar de estudo em escala comercial, problemas ocorridos com as aves durante a criação do segundo lote incorreram na necessidade de aplicação de antibióticos, com interferência na produção do biogás. Observou-se que os problemas com o substrato preparado com cama do segundo lote, interferiram até o 5 lote. Para o substrato do 6 lote, utilizou-se inóculo proveniente de biodigestor indiano operado com estrume de bovinos e obteve-se boa produção de biogás (Figura 2), porém demonstrando que o inóculo obtido, e que foi utilizado no 7 abastecimento, perdeu qualidade prejudicando, não somente o 7, como também o 8 e 9 abastecimentos. Os problemas operacionais observados se devem, possivelmente às características do material utilizado como cama pela granja, o pó-de-serra de pinus, uma vez que, tais problemas não foram observados por SANTOS & LUCAS JR. (1997 e 1998a) quando se utilizou a maravalha (a qual possui maior dimensão que o pó-de-serra). Com base nos resultados do primeiro e quinto abastecimento, pode-se afirmar que o biogás pode sofrer queima a partir do 6 e 10 dias. Os potenciais de produção de biogás por kg de cama de 0,0668 0,0987 m 3, considerando 15 dias de uso efetivo do biogás, foram próximos aos obtidos por SANTOS & LUCAS JR. (1998b). Os potenciais de produção de biogás por kg de cama de 0,1837 e 0,2396 m 3, considerando o período total de produção de biogás de 50 dias, indica a possibilidade da utilização do biogás em outras atividades e/ou galpões. Para segurança no dimensionamento, deve ser considerada a produção mínima de 0,00288 m 3 de biogás/kg cama.dia. Conclusão A cama de frango de pó-de-serra de pinus não se apresentou como boa opção para biodigestão anaeróbia. A produção de biogás utilizando-se abastecimento seqüencial é boa alternativa quando o objetivo é o atendimento das necessidades energéticas para aquecimento das aves (15 dias), estando o biodigestor apto para receber outro abastecimento após 50 dias de fermentação. Há a necessidade do uso de inóculo para que se tenha uma produção efetiva de biogás logo após o período de vazio sanitário dos galpões. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS APHA - American Public Health Association. Standard Methods for the examination of water and wastewater. 18 ed. Washington, 1992, pag. irreg. BERNI, M.D.; BAJAY, S.V. Geração de energia e a digestão anaeróbia no tratamento de efluentes: estudo de caso na indústria de papel. In: AGRENER 2000, 2355

9 ENCONTRO DE ENERGIA NO MEIO RURAL, 3, 2000, Campinas. Trabalhos... Campinas: UNICAMP/SBEA, (paper nº 1_3) CD-ROM. BRASIL. Ministério de Minas e Energia. Balanço energético nacional. Brasília, Disponível em: <ftp://ftp.mme.gov.br/pub/balanco/ben/portugues/benp99.pdf.> Acesso em: 30 jul CAETANO, L. Proposição de um sistema modificado para quantificação de biogás f. Dissertação (Mestrado Energia na Agricultura) - Faculdade de Ciências Agronômicas, Universidade Estadual Paulista, Botucatu, CETESB. Métodos analíticos para o acompanhamento da biodigestão. São Paulo, 11p. s.d. (Boletim Técnico). JAMILA, A. Optimization of factors allowing best gas yield from anaerobic fermentation of poultry manure: energy and the environment, into the 90s. In: WORLD RENEWABLE ENERGY CONGRESS, 1, 1990, Reading. Proceedings... p LUCAS JR., J. Algumas considerações sobre o uso do estrume de suínos como substrato para três sistemas de biodigestores anaeróbios f. Tese (Livre-Docência) - Faculdade de Ciências Agrárias e Veterinárias, Universidade Estadual Paulista, Jaboticabal, LUCAS JR., J. et al. Avaliação do uso de inóculo no desempenho de biodigestores abastecidos com estrume de frangos de corte com cama de maravalha In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA AGRÍCOLA, 22, 1993, Ilhéus. Anais... p LUCAS JR., J. et al. Uso da cama de frangos com maravalha em biodigestores batelada. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA AGRÍCOLA, 25, CONGRESO LATINOAMERICANO DE INGENIERIA AGRICOLA, 2, 1996, Bauru. Resumos... p.527. MAHADEVASWAMY, M.; VENKATARAMAN, L.V. Bioconversion of poultry dorppings for biogas and algal production. Agricultural Wastes, v. 18, n. 2, 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... p ORTOLANI, A.F.; BENINCASA, M.; LUCAS JR., J. Biodigestores rurais modelos indiano, chinês e batelada. Jaboticabal: FUNEP, p. POMPERMAYER, R.S.; PAULA JR., D.R. de. Estimativa do potencial brasileiro de produção de biogás através da biodigestão da vinhaça e comparação com outros energéticos. In: AGRENER 2000, ENCONTRO DE ENERGIA NO MEIO RURAL, 3, 2000, Campinas, Trabalhos... Campinas: UNICAMP/SBEA, (paper nº 16_6) CD-ROM. REZENDE, A.P.; PRADO, N.J.S.; SANTOS, E.P. A energia renovável e o meio ambiente. In: SIMPÓSIO ENERGIA, AUTOMAÇÃO E IMPLEMENTAÇÃO, CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA AGRÍCOLA, 27, 1998, Poços de Caldas-MG. Trabalhos Publicados... p

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