EMPREGO DO BALANÇO DE MASSA NA AVALIAÇÃO DO PROCESSO DE DIGESTÃO ANAERÓBIA DOS RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS

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1 EMPREGO DO BALANÇO DE MASSA NA AVALIAÇÃO DO PROCESSO DE DIGESTÃO ANAERÓBIA DOS RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS Valderi Duarte Leite (1) Professor - UEPB Graduação: Engenharia Química - UFPB Mestrado: Engenharia Civil - UFPB Doutorado: Hidráulica e Saneamento - Escola de Engenharia de São Carlos - USP. Jurandyr Povinelli Professor Titular do Departamento de Hidráulica e Saneamento da Escola de Engenharia de São Carlos - USP Doutorado: Hidráulica e Saneamento - Escola de Engenharia de São Carlos - USP Função Administrativa: Diretor da Escola de Engenharia de São Carlos - USP. Virgínia Raquel C. Vazquez Aluna de pós-graduação do Departamento de Hidráulica e Saneamento da Escola de Engenharia de São Carlos - USP. Endereço (1) : Rua Vigário Calixto, Bairro do Catolé - CEP: Tel: (083) valderi@paqtc.rpp.br. RESUMO O emprego do balanço de massa pode ser utilizado como um instrumento de avaliação do processo de bioestabilização anaeróbia da fração orgânica dos resíduos sólidos urbanos. Para isto, são necessários a definição de critérios para o monitoramento do sistema e a utilização de métodos analíticos adequados e representativos. Neste trabalho foi realizada a caracterização física e físico-química da massa in natura compreendendo: fração orgânica dos resíduos sólidos urbanos, lodo de esgoto sanitário e substrato ; da massa acumulada e da massa efluente em suas frações líquidas e gasosas. Os resultados da pesquisa, demonstram a viabilidade de se utilizar o balanço de massa, objetivando principalmente a determinação de modelos para o controle e avaliação do processo. PALAVRAS-CHAVE: Balanço de Massa, Resíduos Sólidos, Inoculo, Substrato, Anaeróbio. INTRODUÇÃO O emprego do balanço de massa leva em consideração o princípio da conservação da massa: a massa de um sistema fechado permanece constante durante os processos que nele ocorrem. Considera-se que a massa alimentada durante o intervalo de tempo a um sistema aberto é igual à massa que sai, mais a massa que ficou acumulada no sistema durante o intervalo de tempo considerado. O balanço de massa pode ser aplicado para reatores operando com alimentação 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1584

2 contínua, semi-contínua ou em batelada, tratando substratos sólidos, semi-sólidos ou líquidos. De modo simplificado, a equação que expressa o balanço é a do tipo: Massa que Entra no Sistema - Massa que Sai do Sistema - Massa Acumulada no Sistema = 0 (Eq. 1.1) Os procedimentos básicos utilizados para a determinação da massa em substratos de natureza sólida e líquida são diferentes. Desejando-se expressar o balanço de massa em termos de massa de DQO, para resíduos sólidos urbanos, recomenda-se: 1) Determina-se a DQO do Resíduo Sólido Urbano; 2) Conhecendo-se a DQO do resíduo sólido urbano, determina-se a massa de DQO do resíduo sólido urbano à ser tratado, considerando-se neste caso o método preconizado na determinação da DQO. Então, tratando-se de resíduo sólido urbano, o balanço de massa pode ser realizado, empregando-se a equação 1.2. afluente - efluente = acumulada (Eq. 1.2) Considera-se que as diversas frações de massa envolvidas no processo estão submetidas ao mesmo tempo de operação dos reatores. A base de cálculo recomendada pode ser o quilograma, respeitando-se, portanto, a escala dos reatores utilizados. No caso específico deste trabalho, a massa de DQO efluente, compreendia duas frações distintas, a saber: 1) Massa de DQO do percolado, produzido pelo processo de bioestabilização anaeróbia da matéria orgânica. 2) convertida em gás CH 4, denominada também de massa de DQO transformada. A massa de DQO do percolado foi determinada utilizando-se a equação 3.1. do percolado = Volume do percolado produzido x Concentração de DQO no líquido percolado (Eq. 1.3) A massa de DQO transformada foi determinada utilizando-se a equação 1.4. transformada = afluente - acumulada - do percolada (Eq. 1.4) METODOLOGIA O trabalho foi realizado utilizando-se como substrato a ser tratado à fração orgânica dos resíduos sólidos urbanos inoculada com lodo de esgoto industrial. O sistema experimental foi instalado e monitorado nas dependências do Laboratório de Processos Anaeróbios do Departamento de Hidráulica e Saneamento da Escola de Engenharia de São Carlos - USP. O trabalho foi realizado, utilizando-se 04 reatores com volume unitário de 50 L. O monitoramento dos reatores baseou-se nas caracterização físico-química do material afluente, efluente e acumulado em cada reator. Foram monitoradas as frações sólidas, líquidas e gasosas. Nas análises realizadas, utilizou-se os métodos preconizados pelo Standard Methods for Examination of Water and Wastewater, 18 th ed. Washington, APHA - AWWA - WPCF, 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1585

3 1992. Nas Tabelas 01 e 02 são apresentados os parâmetros operacionais dos reatores e as características físico-químicas da massa in natura alimentada aos reatores. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1586

4 TAB Parâmetros operacionais dos reatores. Parâmetro / Reator Percentagem de Inoculo (%) Teor de Umidade (%) Massa Total (kg) A 0,0 70,3 32,0 645,0 B 9,2 70,6 31,3 645,0 C 18,3 70,6 31,3 570, D 43,6 70,7 30,5 570,0 Tempo de Operação (dias) TAB Características físico-químicas da massa in natura alimentada aos reatores. Parâmetro ph STV (%) DQO C : N Massa de g.dqo.kg -1 RSU / Reator (mg.l -1 ) DQO (g) A 7,5 47, ,0 20, ,0 324,0 B 6,8 45,45 800,0 18, ,0 218,0 C 6,5 43,87 830,0 15, ,0 268,0 D 8,0 44, ,0 11, ,0 253,0 RSU = Resíduos Sólidos Urbanos. RESULTADO E DISCUSSÃO Na Tabela 03, são apresentados os valores da massa de DQO afluente, efluente, acumulada e transformada em cada reator. A massa de DQO transformada foi determinada utilizando-se a equação 1.4. TAB Valores das diversas frações de. Parâmetros / Reator afluente (g) efluente (g) acumulada (g) A 3078,0 449,73 737, ,60 B 2003,0 406,56 586, ,58 C 2471,0 357,00 632, ,28 D 2259,0 121,00 557, ,77 transformada (g) Na Figura 01, observa-se o diagrama de fluxo do balanço de massa de DQO para o reator D. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1587

5 MASSA DE RESÍDUO IN NATURA 30,52 kg 29,30% ST MASSA DE SÓLIDOS TOTAIS 8,94 kg 30,5% DQO MASSA DE DQO EFLUENTE 0,136 kg 5% MASSA DE DQO APLICADA 25% 2,72 kg 70% MASSA DE DQO ACUMULADA 0,680 kg VOLUME DE CO 2 639,69 L 51,5% MASSA DE DQO 48,5% TRANSFORMADA 1,90 kg VOLUME DE CH 4 618,46 L MASSA DE CO 2 1,26 kg MASSA DE CH 4 0,444 kg (APLICADA) (PROCESSADA) 2,72 kg 2,72 kg (TRANSFORMADA) Massa de (CH4 + CO2) 1,90 kg 1,70 kg + M RESIDUAL 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1588

6 FIGURA 01- Diagrama de fluxo do balanço de massa de DQO para o reator D. Na Figura 02 é representado o comportamento da eficiência da transformação da massa de DQO em função da percentagem (em peso) de inoculo utilizado na preparação do substrato. 100,00 Eficiência de Transformação de (%) 80,00 60,00 40,00 20,00 0,00 y = 0,2859x + 55,094 R 2 = 0,473 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 Percentagem de Inóculo (%) FIGURA 02 - Comportamento entre eficiência de transformação de massa de DQO e percentagem (em peso) de inoculo. Observa-se que a eficiência de transformação de massa de DQO foi diretamente proporcional a percentagem (em peso) de inoculo utilizado na preparação do substrato. LEITE (1996), constatou que a eficiência de transformação de massa de DQO é função do percentual de inoculo (lodo de esgoto sanitário) utilizado na preparação do substrato, fato este explicado possivelmente por uma melhor distribuição granulométrica do substrato e a um aumento acentuado da flora de microrganismos metanogênicos. Ratificando estas constatações, observase na Figura 03 a presença de estreitas correlações entre DQO, Ácidos Graxos Voláteis e Percentagem de Metano no Biogás AGV (g.l -1 ) r = 0, ,50 2,50 3,20 7,60 19,20 52,80 DQO (g.l -1 ) AGV (g.l -1 ) r = -0,71 0,00 0,00 9,68 37,94 45,30 52,57 CH 4 (% V/V) FIGURA 03 - Correlação entre DQO e ácidos graxos voláteis, ácidos graxos voláteis e percentagem de CH4 no biogás - Reator D. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1589

7 Analisando a Figura 03, constata-se que a concentração de DQO é diretamente proporcional a concentração de ácidos graxos voláteis, enquanto a percentagem de metano no biogás é inversamente proporcional a concentração de ácidos graxos voláteis no percolado. Isto se deve aos mecanismos envolvidos no processo de bioestabilização da matéria orgânica realizada pelas interações entre bactérias hidrolíticas - fermentativas, bactérias acidogênicas, bactérias acetogênicas e bactérias produtoras de metano. O comportamento da massa de DQO transformada pode ser representado por uma função exponencial do tempo, resultando em um modelo do tipo. MDQO TRANSF. = MDQO AFLUE.? e -kt (1.5) Onde: MDQO TRANSF. = transformada (g) MDQOAFLUE. = afluente (g) k = Constante de bioestabilização de 1 a ordem (dia -1 ) t = Tempo de operação (dias) Trabalhando-se com a fração orgânica de resíduos sólidos urbanos inoculada com lodo de esgoto sanitário em reatores anaeróbios de batelada com escala de até 50 L, o k estimado foi de 8,3 x 10-4 dia -1.Conhecendo-se a massa DQO transformada é possível estimar a produção de metano resultante do processo de bioestabilização da matéria orgânica. Neste trabalho foram obtidas as seguintes taxas de produção de metano: 0,20 ; 0,50 ; 0,42 ; 0,33 NLCH4. g - 1 DQO TRANSF., para os reatores A, B, C e D respectivamente, com tempo de operação variando de 570 a 645 dias. CONCLUSÃO Empregando-se o balanço de massa, é possível estimar a eficiência de transformação de massa DQO no sistema e sua respectiva taxa de produção de metano. Neste trabalho, pode-se concluir ainda que:? para escala de reatores de até 50 L, é viável o emprego do processo de tratamento anaeróbio da fração orgânica putrescível dos resíduos sólidos urbanos inoculada com lodo de esgoto sanitário ;? que ficou evidenciada a viabilidade de se tratar anaerobiamente à fração orgânica dos resíduos sólidos urbanos, utilizando-se como agente catalisador do processo lodo de esgoto sanitário na proporção média de 20% em peso da massa de resíduo a ser tratada. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. APHA - AWWA - WPCF. Standard Methods for Examination of Water and Wastewater, 18 th ed., Washington, LEITE, V. D. et al. Tratamento de resíduos urbanos mais lodo de esgoto sanitário, XXV Congresso Interamericano de Ingenieria Sanitária y Ambiental, México, D.F o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1590