III-107 ESTUDO CINÉTICO DO PROCESSO DE BIOESTABILIZAÇÃO ANAERÓBIA DE RESÍDUOS SÓLIDOS ORGÂNICOS

Transcrição

1 III-107 ESTUDO CINÉTICO DO PROCESSO DE BIOESTABILIZAÇÃO ANAERÓBIA DE RESÍDUOS SÓLIDOS ORGÂNICOS Valderi Duarte Leite (1) Engenheiro Químico:DEQ/CCT/UFPB. Mestre em Saneamennto :DEC/CCT/UFPB. Doutor em Saneamento : EESC/USP. Prof. do DQ/CCT/UEPB Salomão Anselmo Silva Engenheiro Civil: DEC/CCT/UFPB. Mestre em Saneamento: DEC/CCT/UFPB. PhD em Engenharia Civil:University of Dundee/UK. Prof. Tit. do DEC/CCT/UFCG. Shiva Prasad Bacharel em Química : University of Rajassthan, Jaipur/Índia. Mestre em Química: University of Rajassthan, Jaipur/Índia. Doutor em Química: University of Rajassthan, Jaipur/Índia. Prof. Tit. do DEQ/CCT/UFPB. Wilton Silva Lopes Bacharel em Química Industrial: DQ/CCT/UEPB. Mestre em Desenvolvimento e Meio Ambiente PRODEMA/UEPB/UFPB. Doutor em Ciências: CCEN/CT/UFPB Prof. do DQ/CCT/UEPB. Gilson Barbosa Athayde Júnior Engenheiro Civil: DEC/CCT/UFPB. PhD em Engenharia Civil: University de Leeds/ London. Prof. do DEC/CT/UFPB. Endereço (1) : Av Vigário Calixto, 1475 Catolé Campina Grande, PB Tel. (83) / valderileite@uol.com.br ou valderi123@globo.com. RESUMO Estudo da cinética de um fenômeno ou de um processo significa estudar a evolução no tempo desse processo, através da quantificação de certas grandezas que definem adequadamente esta produção. Dessa forma, o estudo cinético de um certo processo fermentativo significa estudar as alterações que ocorrem neste processo em um determinado intervalo de tempo. Normalmente efetua-se a medida da concentração de microrganismos presentes (X), a concentração do substrato que limita o processo (S) e a concentração do produto (P) na qual se possa estar interessado (SCHMIDELL NETTO, 1999). O trabalho experimental foi realizado nas dependências do Laboratório de Saneamento Ambiental do DQ/CCT/UEPB. Para realização da parte experimental do trabalho foi construído, instalado e monitorado um reator anaeróbio de batelada com capacidade unitária de litros. O substrato utilizado para alimentação do reator era constituído de resíduos tipicamente vegetais, advindo de central de abastecimento e feiras livres, além de lodo de esgoto sanitário originado em sistemas de tratamento de águas residuárias domésticas. Após análise dos resultados deste trabalho, foi constatado que a eficiência de transformação de massa de DQO atingiu o patamar de 51%, acontecendo o mesmo para os sólidos totais voláteis.outrossim, a taxa de produção média de gás metano foi 0,25Nm 3 CH 4.kg -1 de DQO transformada, para o tempo de monitoração de 270 dias. PALAVRAS-CHAVE: Anaeróbio; cinética ; resíduos sólidos orgânicos. INTRODUÇÃO Os resíduos sólidos orgânicos compreendem grande parte dos resíduos sólidos urbanos, dos resíduos sólidos rurais ou agrícolas, de alguns tipos de resíduos industriais e de lodo de estação de tratamento de esgoto doméstico. Na América Latina, os resíduos sólidos orgânicos presentes nos resíduos sólidos urbanos, estão sendo em sua grande maioria dispostos em aterro sanitário, que em muitos municípios não dispõe de infraestrutura básica para conseguir obedecer aos pré-requisitos mínimos da engenharia sanitária e ambiental, passando a gerar lixiviado com elevada concentração de DQO e de determinados metais pesados que são lançados de forma inadequada ao meio ambiente, além do biogás que é constituído volumetricamente de CO 2, CH 4, H 2 S e N 2, que são lançados diretamente na atmosfera. No geral os resíduos sólidos urbanos são constituídos em média por 50% (percentagem em peso) de matéria orgânica putrescível. Na Tabela 1 são apresentados os dados percentuais relativos a composição gravimétrica de resíduos sólidos urbanos de seis diferentes cidades brasileiras. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 Tabela 1. Dados da composição gravimétrica de resíduos sólidos urbanos Cidade/Componente Campina. Caxias do Porto Ouro Preto Vitória Matéria Putrescível orgânica Grande (PB) Sul Alegre (MG) (ES) Criciúma (SC) 56,8% 58,8% 41,9% 53,7% 53,1% 45,2% Papel e papelão 13,6% 17,3% 20,8% 19,3% 19,1% 21,1% Plástico 15,5% 6,6% 22,5% 9,2% 11,8% 17,1% Metais 1,5% 2,9% 4,1% 4,2% 2,7% 2,1% Vidro 1,1% 1,3% 2,1% 4,2% 2,7% 2,1% Outros 8 11,5% 13,7% 8,6% 9,4% 10,0% 11,2% Outros: couro+ borracha+ ossos+trapos+madeira+cerâmica+isopor. Fonte: Adaptado de Lopes(2000). Os dados apresentados na Tabela 1 indicam que no caso específico das seis cidades brasileiras estudadas, o percentual de matéria orgânica presente nos resíduos sólidos urbanos variou de 41,9% na cidade de Porto Alegre capital do estado do Rio Grande do Sul a 58,8% na cidade de Caxias do Sul no estado do Rio Grande do Sul. Estes dados deverão ser levados em consideração apenas como elemento indicador, haja vista o resultado da caracterização de resíduos sólidos urbanos envolver uma série de fatores que poderão influenciar diretamente tal caracterização. Portanto, não é tarefa fácil analisar dados pontuais advindos da caracterização gravimétrica de resíduos sólidos urbanos, principalmente quando se trabalhar com dados de diferentes regiões do país. Trabalhando-se com a média da matéria orgânica putrescível dos resíduos sólidos urbanos das seis cidades apresentadas na Tabela 2, o percentual de matéria orgânica putrescível é de 51,5% ( percentagem em peso), o que representa em valores aproximados os dados em nível nacional. Em nível nacional são produzidos diariamente cerca de toneladas (base úmida) de matéria orgânica putrescível advinda de resíduos sólidos urbanos. Adicionando-se a esta fração algo em torno de toneladas (em base seca) de material sólido de lodo de esgoto sanitário, mais resíduos de agroindústria e demais outras fontes de resíduos, totaliza-se uma massa bastante representativa de resíduos sólidos orgânicos. Na Tabela 2 são apresentados os dados da caracterização física e química da matéria orgânica putrescível presente nos resíduos sólidos urbanos de quatro diferentes cidades brasileiras. Tabela 2. Dados da caracterização física e química da matéria orgânica putrescível. Cidade/Parâmetro Campina Grande (PB) Vitória (ES) Caxias do Sul Porto Alegre ph 4,9 5,4 5,5 4,5 Umidade (%) 80,0 53,7 70,6 89,8 ST (%) 20,0 46,3 29,4 10,2 STV (%) 69,0 47,2 72,4 - COT (%) 38,3 26,2 40,2 43,0 NTK (%) 1,3 1,2-2,0 DQO (%) 26, C/N 29,4 21,8-21,5 Fonte: Adaptado de Lopes(2000). O percentual de umidade da matéria orgânica putrescível presente nos resíduos sólidos urbanos depende diretamente do sistema coletor primário, da estação do ano, do índice de precipitação pluviométrica local ou regional e do tipo de resíduo que está sendo gerado. No geral os dados em nível nacional apontam para ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 percentual de umidade sempre superior a 50%. A matéria orgânica putrescível apresenta características ligeiramente ácidas, com valores de ph em torno de 5,0 unidades de ph e relação C/N variando de 20 a 30. O estudo da cinética de um fenômeno ou de um processo significa estudar a evolução no tempo desse processo, através da quantificação de certas grandezas que definem adequadamente esta produção. Dessa forma, o estudo cinético de um certo processo fermentativo significa estudar as alterações que ocorrem neste processo em um determinado intervalo de tempo. Normalmente efetua-se a medida da concentração de microrganismos presentes (X), a concentração do substrato que limita o processo (S) e a concentração do produto (P) na qual se possa estar interessado (SCHMIDELL NETTO, 1999). O crescimento microbiano pode ser considerado como um conjunto de reações bioquímicas em cadeia, que levam a síntese dos constituintes da biomassa microbiana obtida no final da operação (LEVEAU & BOUIX, 1985). METCALF & EDDY (1991), apresentam o perfil do crescimento padrão de microrganismos num sistema fechado, conforme mostrado na Figura 4, dividido em quatro fases: S : concentração do substrato X : nº de microrganismos Tempo Fase lag Fase de crescimento logaritmo Fase estacionária Fase endógena ou de decaimento Figura 1.Perfil de crescimento bacteriano. Fonte: Adaptado de METCALF & EDDY (1991). A fase de adaptação, ou fase lag: com a adição de um inóculo a um meio de cultura, esta fase representa o tempo requerido pelo organismo para se adaptar ao seu novo meio e iniciar seu processo de divisão; A fase de crescimento logarítmica: durante este período, as células dividem-se à taxa determinada por seu tempo de geração e sua habilidade ao processo de alimentação; A fase estacionária: onde a população permanece estacionária. As razões para este fenômeno são que as células consumiram todo o substrato ou nutrientes para crescimento ou que o crescimento de novas células está equilibrado com a morte de células velhas; Fase endógena ou de decaimento: durante esta fase, a taxa de morte bacteriana excede a produção de novas células. A taxa de morte é usualmente uma função proveniente da viabilidade da população e das características ambientais. Em alguns casos, a fase de morte logarítmica é o inverso da fase de crescimento logarítmico. Em processos biológicos de tratamento de resíduos a principal fase no perfil do crescimento microbiano é a do crescimento logaritmo, visto que a taxa de degradação do material orgânico é função do número de microrganismos presentes, espera-se, assim, que a concentração máxima da massa microrganismos seja alcançada. Dentre as quatro fases apresentadas no diagrama de crescimento de microrganismos e utilização de substrato, a fase que menos interessa é a de adaptação ou lag, devido à taxa de crescimento ser nula. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 A concentração do substrato (S) tende a diminuir com o passar do tempo, já que ocorre um aumento da massa de microorganismos e, dessa forma, se tem um maior consumo da massa de substrato. A velocidade de consumo do substrato pode ser obtida através da tangente à curva da Figura 4 na fase de crescimento logaritmo. Então a velocidade de consumo do substrato pode ser representada pela equação 1: r S ds = dt ( 1) A velocidade específica de consumo de substrato pode ser determinada pela equação 2 ds rs ds 1 1 ds rs = = k = dt S dt S S dt (2) Em que: Integrando a equação 2, tem-se: S = S. e - ( t t ) k (3) S :concentração do substrato no instante t (mg.l S : concentração inicial do substrato (mg.l 0-1 ); -1 ); k: constante de biodegradabilidade do substrato (dia -1 ). t: tempo (dia) MATERIAL E MÉTODOS O trabalho experimental foi realizado nas dependências do Laboratório de Saneamento Ambiental do DQ/CCT/UEPB. Para realização da parte experimental do trabalho foi construído, instalado e monitorado um reator anaeróbio de batelada com capacidade unitária de litros. O substrato utilizado para alimentação do reator era constituído de resíduos tipicamente vegetais, advindo de central de abastecimento e feiras livres, além de lodo de esgoto sanitário originado em sistemas de tratamento de águas residuárias domésticas. Os resíduos sólidos orgânicos eram coletados e transportados para o Laboratório de Saneamento. No laboratório, os resíduos eram submetidos ao processo de trituração e posterior controle de umidade. Depois de atingido o percentual de umidade desejado, os resíduos foram submetidos à caracterização química, sendo determinados os seguintes parâmetros: ph, STV, COT, DQO e NTK. Conhecendo o percentual de COT e NTK nos resíduos sólidos vegetais e no lodo de esgoto sanitário, determinava-se o percentual em peso de cada tipo de resíduo para a preparação do substrato. No geral o substrato (mistura de resíduos sólidos vegetais mais lodo de esgoto sanitário) era constituído por 80% de resíduos sólidos vegetais mais 20% de lodo de esgoto sanitário (percentagem em peso). A preparação do substrato sempre acontecia diariamente, haja vista a variação dos resíduos sólidos vegetais, propiciada pela própria dinâmica de material comercializado na central de abastecimento e feira livre. O processo de monitoração do reator consistia de: caracterização química do substrato e alimentação do reator, caracterização química do material efluente do reator e quantificação e caracterização do biogás produzido. O reator anaeróbio e batelada foi alimentado com uma massa total de 2.088,0 kg de resíduos sólidos orgânicos, sendo kg de resíduos soídos vegetais mais 418,0kg de lodo de esgoto sanitário. O tempo de retenção de sólidos aplicado ao reator foi de 270 dias e a carga orgânica aplicada em termos de DQO foi de 285,7gDQO.m -3. dia -1 Na Figura 1 apresenta-se o desenho esquemático do reator anaeróbio em batelada utilizado para realização da parte experimental do trabalho. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 Figura 2. Desenho esquemático de reator anaeróbio em batelada. Após o período de monitoração, foi realizada a caracterização química do material acumulado no reator e aplicado o princípio do balanço de massa, para determinação da eficiência de transformação de massa em termos de STV e DQO. As análises das amostras sólidas e líquidas foram realizadas em consonância com o que preconiza APHA (1995) RESULTADOS Na Tabela 3 são apresentados os dados advindos da caracterização química do substrato alimentado ao reator durante todo o período de monitoração. Tabela 3. Magnitude dos parâmetros químicos do substrato. Parâmetro TU (%) ph DQO (%) STV (%) COT (%) NTK (%) PT (%) C/N Magnitude 76,4 6,9 40,6 69,7 38,7 2,3 0,4 16,8 Analisando os dados da Tabela 3, constata-se que o substrato apresentava relação C/N inferior ao teoricamente recomendado para processo de tratamento biológico, mesmo assim não foi evidenciados problemas relacionados à toxicidade. O percentual de STV esteve sempre em torno de 70% (percentagem em peso), justificando a utilização destes resíduos como uma promissora fonte alternativa de energia. Salienta-se ainda que a combinação de resíduos sólidos vegetais mais lodo de esgoto sanitário, propicia a formação de substrato com característica neutra sem que seja necessária a utilização de agentes químicos, além de contribuir para a formação de uma maior densidade bacteriana. Na Tabela 4 são apresentados os principais modelos ajustados com os dados advindos do processo de monitoração e quantificados, tendo sido utilizado para tal o princípio do balanço de massa. Tabela 4. Modelos matemáticos ajustados para diversos parâmetros. Parâmetro DQO STV NTK Modelos DQO=169,5.e -0,00278 t STV=291,1.e -0,00262 t NTK=9,6.e -0,00157 t Analisando os valores das constantes cinéticas determinadas em relação à DQO, STV e NTK, constata-se que todos ficaram no patamar de 10-3, o que expressa relativamente à lentidão do processo de bioestabilização deste tipo de material orgânico. Portanto, existe a necessidade de se procurar alternativas tecnológicas que possam viabilizar a estabilização de material orgânico em um menor espaço de tempo, favorecendo a relação custo/benefício para o tratamento racional destes resíduos. A taxa de utilização de substrato pelos microrganismos durante todo o período de monitoração, foi quantificada utilizando a Equação 4. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 Em que: TUS : Taxa de utilização do substrato (g.dia -1 ); COA : Carga orgânica aplicada (g.dia -1 ); ET : Eficiência de transformação (%). TUS = COA. ET ( 4) Na Tabela 5 são apresentadas às taxas de utilização de substrato em relação à DQO, STV e NTK. Tabela 5. Taxas de utilização do substrato DQO STV NTK Parâmetro COA (g.dia -1 ) TUS (g.dia -1 ) COA (g.dia -1 ) TUS (g.dia -1 ) COA (g.dia -1 ) TUS (g.dia -1 ) Magnitude 628,0 320,3 1078,0 546,6 30,9 12,7 Analisando os dados da Tabela 5, constata-se que do quantitativo diário de massa de DQO aplicada, foi utlizada pelos microrganismos envolvidos no processo de bioestabilização, algo em torno de 51%. Este mesmo percentual foi constatado em relação a massa aplicada de sólidos totais voláteis. Com relação ao nitrogênio total, o percentual de utilização foi de 41%, propiciando uma relação C/N na massa bioestabilizada de 24, relação esta bastante favorável quando da utilização deste composto como agente condicionador de solos agrícolas. Na Figura 3 é apresentado o volume acumulado de biogás e de gás metano quantificado ao longo da do período experimental. Volume acumulado (m 3 ) Biogás Metano TD (dias) Figura 3. Volume acumulado de biogás e de gás metano. Analisando o comportamento da Figura 3, constata-se que a produção de biogás foi de 33,1m3, com composição média em torno de 64% de gás metano, o que equivale a 21,0m3 de metano. Na Tabela 6 são apresentados os dados das taxas de produção de metano em relação aos valores teóricos e experimentais. Os valores são expressos em m3ch4. kg-1 de massa de DQO transformada. Tabela 6. Taxa de produção de metano. Parâmetros M DQO Volume de CH 4 (T) Volume de CH 4 (E) TPM (T) TPM (E) Magnitude 86,50 (kg) 30,28 (m 3 ) 21,40 (m 3 ) 0,35 0,25 E: valor experimental; T: valor teórico. Analisando os dados apresentados na Tabela 6, pode-se constatar que de um volume teórico estimado de 30,28m 3 foi constatado a produção de 21,40m 3 de gás metano, alcançando a taxa de produção de gás metano de 0,25Nm 3 CH 4. kg -1 de massa de DQO transformada. Possivelmente, esta taxa de produção de gás metano poderia alcançar um valor ainda bem mais representativo, caso fosse catalisado mecanismos que favorecesse a ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 quebra de material orgânico de cadeia mais longa, no mesmo espaço de tempo do material orgânico mais solúvel. Por outro lado, poderia se trabalhar com um tempo de detenção de sólido mais longo, desde que se levasse em consideração a relação custo/benefício do processo em sua totalidade. CONCLUSÔES Frente à análise dos dados apresentados neste trabalho, pode-se concluir que: 1. A eficiência de transformação de massa de DQO atingiu o patamar de 51%, acontecendo o mesmo para os sólidos totais voláteis. 2. A mistura dos tipos de resíduos, que no caso específico deste trabalho foram resíduos sólidos vegetais mais lodo de esgoto sanitário, na proporção de 80 e 20% (percentagem em peso) respectivamente, contribuiu significativamente para o ajustamento do percentual de umidade do substrato, para a correção da relação C/N e para o aumento da densidade de microrganismos, propiciando consequentemente uma maior eficiência de transformação de massa de material carbonáceo. 3. A taxa de produção média de gás metano obtida foi de 0,25Nm 3 CH 4. kg -1 de DQO transformada, para o tempo de monitoração de 270 dias. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS. 1. APHA, AWWA, WPCF. Standard methods for examination of water and wastewater. 19 th ed. Washington, 1995, p IBGE, Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística Censo Demográfico LEVEAU, J. Y. & BOUIX, M. Cinéticas microbianas. In: SCRIBAN, R. (coord.). Biotecnologia. Tradução de Maria Ermaritina Galvão Gomes Pereira et al. Editora Monole LTDA, São Paulo, 1985, p LOPES, W. S. Biodigestão Anaeróbia de Resíduos Sólidos Urbanos Inoculados com Rumem Bovino. Dissertação ( Mestrado em Desenvolvimento e Meio Ambiente ) UFPB/UEPB/PRODEMA, Campina Grande, METCALF & EDDY. Wastewater engineering treatment disposal reuse. 3ªed. NewYork: McGraw- Hill, p. 6. SCHMIDELL NETTO, W. Cinéticas dos processos fermentativos. Apostila do IVCurso de tratamento biológico de resíduos, FURB/UFSC. Florianópolis, 1999, p. 27. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7