DIGESTÃO ANAERÓBIA E COMPOSTAGEM ALTERNATIVAS PARA OS RESÍDUOS DE RESTAURANTES UNIVERSITÁRIOS

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1 DIGESTÃO ANAERÓBIA E COMPOSTAGEM ALTERNATIVAS PARA OS RESÍDUOS DE RESTAURANTES UNIVERSITÁRIOS P. E. G. GUERREIRO 1, E. P. COELHO 1, F. M. FERRARI 1, B. H. P. XAVIER 1, E. M. RADMANN 1, M. R. A. Z. SOUZA 1 1 Universidade Federal do Rio Grande, Escola de Química e Alimentos, Laboratório de Biotecnologia para contato: michrandrade@gmail.com RESUMO Buscando soluções aos impactos ambientais causados pela inadequada deposição de resíduos de alimentos, este projeto teve como objetivo avaliar as técnicas de compostagem e digestão anaeróbia como alternativas sustentáveis para o tratamento e agregação de valor dos resíduos orgânicos gerados no RU da Universidade Federal do Rio Grande. Diariamente, os resíduos orgânicos foram coletados, triturados e alimentados aos biorreatores. Na biodigestão foi utilizado reator anaeróbio descontínuo de 310 L, alimentado a cada 48 h. Na compostagem, três caixas neozelandesas com capacidades de 0,432 m 3 foram alimentadas diariamente, tendo volumes úteis variados em função da altura de substrato adicionado em cada caixa (0,7 m, 0,9 m e 1,3 m). Na digestão anaeróbia foram obtidos ph (7,21 ± 0,16), alcalinidade (5525,2 ± 551 mg.l -1 de CaCO3), nitrogênio amoniacal (422,2 ± 230 ppm), e sólidos totais (8,90 ± 2,07 g.l -1 ) e voláteis (3,61 ± 1,16 g.l -1 ). Também foi medida a vazão diária de biogás produzido (6,22 L.d -1 ). Na compostagem, foram analisadas as condições de operacionalidade e as temperaturas centrais em diferentes pontos verticais de cada leira. Os resultados obtidos na compostagem foram temperaturas acima de 40 C com máxima de 53 C durante o processo, indicando a decomposição da matéria orgânica. Os resultados sugerem que ambas alternativas podem ser utilizadas para tratar e agregar valor à resíduos alimentícios produzidos não apenas na universidade, mas em qualquer outra instituição. 1. INTRODUÇÃO Como parte do esforço que tem sido empregado nos estudos, análises e ações para corroborar com o desenvolvimento da sustentabilidade nos campi da Universidade Federal do Rio Grande (FURG), este projeto buscou estudar duas técnicas sustentáveis de tratamento de resíduo orgânico: a compostagem e a digestão anaeróbia. O foco inicial foi a utilização desses processos biológicos para o tratamento dos resíduos de alimentos do Restaurante Universitário (RU) da FURG. Esses resíduos têm potencial na produção de biocombustíveis e fertilizantes orgânicos, porém podem ser um problema ambiental se descartados inadequadamente. Atualmente, os resíduos orgânicos do RU são destinados à

2 compostagem em leiras de alvenaria, construídas e operadas sem projeto de estudo e, portanto, com baixa eficiência na conversão do residual em composto orgânico. Este projeto pretende transformar esta realidade. A decomposição da matéria orgânica por digestão anaeróbia consiste em uma série de reações bioquímicas realizadas por bactérias em anaerobiose (Kondusamy & Kalamdhad, 2014). A digestão anaeróbia, além de tratar a matéria orgânica através de sua decomposição, gera um biocombustível, o biogás, mostrando-se como uma alternativa para o manejo adequado de resíduos orgânicos sólidos (Ariunbaatar, et al., 2014). O biogás é composto principalmente de 60 % de metano (CH4) e 39 % de gás carbônico (CO2). O restante de sua composição é diversificada entre outros gases, como gás sulfídrico (H2S) e hidrogênio (H2). O processo de compostagem envolve uma fermentação em estado sólido que recria o ciclo natural de degradação da matéria orgânica resultando na produção de composto orgânico que pode ser utilizado como composto. Este processo apresenta duas etapas fundamentais: biodegradação rápida e humificação. A primeira etapa é realizada basicamente por bactérias termófilas a temperaturas que podem atingir mais de 50 ºC (Jurado, et al., 2014) e a segunda, por bactérias mesófilas, que complementam a degradação dos resíduos orgânicos, agregando ainda mais variedade de vitaminas, minerais e hormônios ao composto (Andrade, et al., 2011). A temperatura é consequência da atividade dos principais micro-organismos decompositores (termófilos) e fornece um indicativo de segurança do processo, visto que a manutenção das altas temperaturas em uma leira é responsável pela eliminação de micro-organismos patógenos do composto (Rebollido, et al., 2008). A relação Carbono/Nitrogênio é também muito importante na eficiência da compostagem e deve estar entre 25/1 e 35/1, devido à taxa de consumo dos elementos pelos micro-organismos. 2. MATERIAL E MÉTODOS Para a digestão anaeróbia foi utilizado um reator anaeróbio descontínuo de 310 L, alimentado a cada 48 h (Schmidell, et al., 2001). O resíduo orgânico vegetal remanescente do almoço gerado pelo RU foi coletado e triturado com o auxílio de um cortador de alto rendimento, a fim de padronizar a granulometria do resíduo. Tal pré-tratamento foi estabelecido visto que, de acordo com Liu et al. (2012) o processo de redução e padronização do resíduo favorece a sua degradabilidade quando se aproxima de 3 mm. O biorreator anaeróbio foi inoculado com lodo granular anaeróbio oriundo de um biodigestor utilizado para tratamento de água residual da parboilização do arroz, doado por uma empresa local. A decomposição anaeróbia foi monitorada semanalmente, através das análises de ph (AOAC, 2000), alcalinidade (APHA, 1998), nitrogênio amoniacal com eletrodo íon-seletivo de amônia (APHA, 1998) e sólidos totais e voláteis (APHA, 1998). Também foram determinadas a massa de resíduo alimentado e o volume de gás produzido diariamente por fluxômetro acoplado ao biorreator. Para a compostagem o resíduo orgânico vegetal gerado diariamente na produção do almoço no RU da FURG foi encaminhado para o Horto Florestal Universitário em embalagens plásticas de 100 L

3 e pesados com o auxílio de uma balança digital portátil. O resíduo foi homogeneizado e triturado até atingir granulometria média de 3 cm, aproximadamente. Foram utilizadas três leiras do tipo Caixa Neozelandesa de madeira, com arestas de base de 0,6 m e altura de 1,3 m. O fundo de cada leira foi forrado com folhas de bananeira e serragem para isolar parcialmente a troca de calor com o solo e conter uma possível geração de chorume. O substrato foi disposto em camadas alternadas de 10 cm do resíduo orgânico e cobertura de palha, com a finalidade de evitar a entrada de animais. A palha utilizada é residual da apara de grama do campus universitário. Foram feitas marcações denominadas pontos de 1 a 6 (Ponto 1: 15 cm; Ponto 2: 35 cm; Ponto 3: 55 cm; Ponto 4: 75; Ponto 5: 95 cm e Ponto 6: 115 cm de altura em relação à base da caixa) em cada caixa para que fosse realizado o acompanhamento da temperatura nas leiras. Tomando a base das leiras, forma marcados os. As leiras foram alimentadas em diferentes volumes: leira 1 até o ponto 6 (1,3 m de altura), leira 2 até o ponto 3 (0,9 m de altura) e a leira 3 até o ponto 2 (0,7 m de altura). Diariamente, as temperaturas em cada ponto das leiras foram verificadas com termômetro de mercúrio. O teor de umidade foi avaliado através do Teste da Mão (Nunes, 2009). A Figura 1 apresenta os biorreatores utilizados nos experimentos. (a) Figura 1 (a) Leira/Caixa Neozelandesa; (b) Biodigestor Anaeróbio. (b) 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1. Digestão Anaeróbia Como mostra a Figura 2, o ph do efluente da biodigestão encontra-se na faixa considerada ótima (6,8 a 7,5) para o processo de digestão anaeróbia, quando realizado em uma única etapa, de acordo com Omer & Fadalla (2003).

4 Alcalinidade (mg.l-1 CaCO3) ph 8 7,5 7 6,5 6 Figura 2 ph do efluente da biodigestão. A alcalinidade é uma segurança a possíveis desequilíbrios na complexa sequência de reações bioquímicas que compõem o processo biológico de decomposição anaeróbia e produção de gás. A faixa de alcalinidade segura para processos onde há flutuação na alimentação está entre 1000 e 5000 mg.l -1 de CaCO3 (Soares & Zaiat, 2007). Os valores para alcalinidade do efluente da digestão anaeróbia mantiveram-se, em geral acima de 5000 mg.l -1, como pode ser observado na Figura Figura 3 Alcalinidade do efluente da biodigestão. A Figura 4 apresenta a concentração de nitrogênio amoniacal (N-NH4) no reator. Tal fator deve ser acompanhado com atenção, pois as bactérias metanogênicas podem sofrer inibição devido a altas concentrações de amônia (NH3) (Gallert et al., 1998), porque esta espécie amoniacal entra na célula por difusão. A concentração de amônia é uma função do ph do meio, com constante de equilíbrio 1, L.mol -1 a 35 C. No entanto, devido à baixa concentração de proteínas no resíduo alimentado, composto basicamente de vegetais, a concentração de nitrogênio amoniacal manteve-se baixa, não alcançando concentrações inibitórias.

5 Sólidos Totais e Voláteis (g.l-1) Nitrogênio Amoniacal (ppm) Figura 4 Nitrogênio amoniacal do efluente da biodigestão. Na Figura 5 são apresentados os resultados obtidos com as análises de sólidos totais e voláteis, sendo possível observar uma pequena tendência de queda na concentração de sólidos voláteis, indicando o aumento da degradabilidade da matéria orgânica no biodigestor ao longo do tempo ,5 10 7,5 5 2,5 0 Sólidos Totais Sólidos Voláteis Figura 5 Sólidos totais e voláteis do efluente da biodigestão Compostagem As leiras foram avaliadas em diferentes pontos a fim de identificar a zona onde cada uma atingiu a maior temperatura. Para comparar o desempenho das leiras, adotou-se a temperatura de referência de 40 C conforme mostra a Tabela 1. Durante este processo biotecnológico, realizado outdoor, observouse a conversão dos resíduos em composto orgânico sem a presença de animais e sem a produção de chorume.

6 Temperatura Média ( C) Tabela 1 Temperatura nas leiras de compostagem Leira Nº de dias acima de 40 ºC Tmáx(ºC) Ponto da leira em que Tmáx , Ponto 1: 15 cm; Ponto 2: 35 cm e Ponto 4: 75 cm de altura em relação a base da caixa. A Leira 1 apresentou melhor desempenho na manutenção da sua temperatura média (foram 11 dias consecutivos acima de 40 C), e, além disso, obteve-se nesta 53 C o qual correspondeu ao maior valor de temperatura máxima atingida. Os valores máximos de temperatura da fase termofílica do presente trabalho foram semelhantes aos obtidos por Sunuda et al. (2014) que atingiu temperatura máxima no centro da leira de 53,3 C com processo de compostagem. O aumento da temperatura durante o processo de compostagem é consequência do metabolismo de decomposição microbiana podendo ser considerado um parâmetro de eficiência do processo de degradação. A Figura 6 compara os pontos de cada caixa que demonstraram maior média de temperatura ao longo do processo: o ponto 2 para as Leiras 1 e 2 e o ponto 1 para a Leira 3. A determinação de temperatura foi realizada diariamente, no entanto, utilizou-se a média aritmética das temperaturas durante cada semana, para uma melhor visualização do gráfico apresentado na Figura LEIRA 1 LEIRA 2 LEIRA 3 25 Figura 6 Relação das temperaturas dos pontos 2 (Leiras 1 e 2) e ponto 1 (Leira 3) com o decorrer das semanas. Pode-se observar que o melhor desempenho na elevação de temperatura das leiras ocorreu entre as 4ª, 5ª e 6ª semana, com a média das temperaturas das semanas variando de 31,2 a 44,5 C. Este aumento da temperatura está relacionado com vários fatores, como materiais ricos em proteínas, baixa relação C/N, umidade e outros. No entanto, pressupõe-se que o fator que influenciou para que as temperaturas não se elevassem mais, foi o efeito das chuvas, diminuindo a eficiência do processo em

7 razão da alta concentração de umidade presente na composteira. Quando a umidade é excessiva há aglutinação de partículas, o que baixa a resistência estrutural da leira, restringindo sobremaneira a difusão de oxigênio. Este fato reduz a temperatura média da leira e a concentração de oxigênio para valores menores que 5%. Assim, a Leira 3 apresentou maior desempenho no Ponto 1, indicando que as perdas para o solo são inferiores às ocorridas no topo, possivelmente devido ao isolamento térmico criado com folhas fibrosas e serragem evitando a ação da chuva, lixiviando apenas a matéria orgânica dos pontos superiores. 4. CONCLUSÃO O presente trabalho mostrou que é viável a utilização dos processos de degradação anaeróbia e compostagem como solução para o tratamento dos resíduos sólidos de restaurantes. Além disto, apontou para a possibilidade de implantação de um sistema de tratamento dos resíduos orgânicos gerados nos campi da universidade de forma sustentável, destinando de forma adequada os resíduos e, ainda, gerando bioprodutos como o biogás e o composto orgânico. Agradecimentos Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico CNPq, Universidade Federal do Rio Grande FURG pelo apoio financeiro para realização deste trabalho e Empresa Nelson Wendt Alimentos (Pelotas RS, Brasil) pela doação do lodo granular anaeróbio. 5. REFERÊNCIAS ANDRADE, F. M. C.; BONFIM, F. P. G.; HONÓRIO, I. C. G.; REIS, I. L.; PEREIRA, A. J.; SOUZA, D. B. Caderno de microrganismos eficientes (EM): instruções práticas sobre uso ecológico e social do EM. 2ª ed., Universidade Federal de Viçosa Departamento de Fitotecnia, Viçosa MG, Brasil, ANDRADE, M. R. Biossistema para produção de biomassa microalgal e biometano. Tese de Doutorado, Universidade Federal do Rio Grande, Rio Grande RS, Brasil, AOAC Official methods of analysis of the association of official analytical chemists, 17th ed., HORWITZ, W. ed. Maryland: J. AOAC Int., APHA Standard methods for the examination of water and wastewater, 19th ed., CLESCERI, L. S.; GREENBERG, A. E.; EATON, A. D. ed. Washington: J. Am. Pharm. Assoc., 1998.

8 Powered by TCPDF ( ARIUNBAATAR, J. et al. Pre-treatment methods to enhance anaerobic digestion of organic solid waste. Appl. Energy, v. 123, p , GALLERT, C.; BAUER, S.; WINTER, J. Effect of ammonia on the anaerobic degradation of protein by a mesophilic and thermophilic biowaste population, Appl. Microbiol. Biotechnol., v. 50, p , HEERDEN, I. van; Cronjé, C.; Swart, S. H.; Kotzé, J. M. Microbial, chemical and physical aspects of citrus wastes composting. Bioresour. Technol., v.81, p.71-76, JEONG, Y. K.; Kim, J. S. A new method for conservation of nitrogen in aerobic composting process. Bioresour. Technol., v.79, p , JURADO, M. et al. J. Exploiting-composting biodiversity: Study of the persistent and biotechnologically relevant microorganisms from lignocellulose-based composting. Bioresour. Technol., Elsevier, KONDUSAMY, D.; KALAMDHAD, A. S. Pre-treatment and anaerobic digestion of food waste for high rate methane production A review. J. Environ. Chem. Eng., v. 2, n. 3, p , LIU, X. et al. Pilot-scale anaerobic co-digestion of municipal biomass waste: focusing on biogas production and GHG reduction. Renew. Energy, v. 44, p , NUNES, M. U. C. Compostagem de resíduos para produção de adubo orgânico na pequena propriedade, Aracaju SE, Brasil, OMER, A. M.; FADALLA, Y. Biogas technology in Sudan. Renew. Energy, v. 28, p , REBOLLIDO, R. et al. Microbial populations during composting process of organic fraction of municipal solid waste. AEER, Penkala Bt., Budapest, Hungary, SCHMIDELL, W.; LIMA, U. A.; AQUARONE, E.; BORZANI, W. Biotecnologia industrial. Edgard Blücher Ltda. v. 2, São Paulo SP, Brasil, SOARES, H. M.; ZAIAT, M. Sistemas de Tratamento. In: SCHMIDELL, W. et al. Tratamento biológico de águas residuais. Florianópolis SC, Brasil, Paper Print, SUNADA, N. S. et al., Compostagem de resíduo sólido de abatedouro avícola. Universidade Estadual Júlio de Mesquita Filho (UNESP), Jaboticabal SP, Brasil, 2014.