III-109 CO-DIGESTÃO ANAERÓBIA DE RESÍDUOS SÓLIDOS ORGÂNICOS Valderi Duarte Leite (1) Engenheiro Químico: DEQ/CCT/UFPB.Mestre em Saneamento: DEC/CCT/UFPB. Doutor em Saneamento : DHS/EESC/USP. Prof. do DQ/CCT/UEPB Salomão Anselmo Silva Engenheiro Civil:DEC/CCT/UFPB. Mestre em Saneamento: DEC/CCT/UFPB. PhD em Engeneering Civil: University de Dundee/UK. Prof. do DEC/CCT/UFCG. José Tavares de Sousa Engenheiro Químico: DEQ/CCT/UFPB. Mestre em Saneamento: DEC/CCT/UFPB. Doutor em Saneamento:DHS/EESC/USP. Prof. do DQ/CCT/UEPB Wilton Silva Lopes Bacharel em Química Industrial : DQ/CCT/UEPB. Mestre em Desenvolvimento e Meio Ambiente: PRODEMA UEPB/UFPB. Doutor em Ciências :CCEN/ UFPB. Prof. do DQ/CCT/UEPB. Susiene Almeida de Oliveira Bacharel em Arquitetura e Urbanismo: Universidade Tiradentes/Aracajú/Se. Mestranda em Desenvolvimento e Meio Ambiente:PRODEMA UEPB/UFPB Endereço (1) : Av Vigário Calixto, 1475 Catolé.58104-485 Campina Grande, PB Tel. (83) 337-336/ 93721475. E-mail :valderileite@uol.com.br ou valderi123@globo.com. RESUMO Os processos anaeróbios empregados no tratamento de resíduos sólidos ainda não constituem uma prática muita bem difundida devido à falta de configurações de sistemas de tratamento e, sobretudo devido ao tempo necessário para bioestabilizar os resíduos sólidos anaerobiamente que é bastante longo, quando comparado aos processos aeróbios. Portanto, a utilização de dois ou mais tipos de resíduos para a preparação do substrato, que caracteriza o processo de co digestão passa a apresentar influência fundamental, haja vista propiciar o equilíbrio da relação C/N, melhorar a estrutura física do substrato, a densidade microbiana, o percentual de umidade, além de incorporar diversos outros tipos de agentes tamponantes, proporcionando redução significativa do tempo de retenção de sólidos. Um exemplo típico do processo de co-digestão anaeróbia é a adição de lodo de esgotos sanitário aos resíduos sólidos orgânicos em proporções pré-estabelecidas. No caso específico deste trabalho o substrato foi preparado com 80% de resíduos sólidos vegetais mais 20% (percentagem em peso) de lodo de esgoto sanitário. O trabalho foi realizado nas dependências físicas do Laboratório de Saneamento Ambiental do DQ/CCT/UEPBO, utilizando reator com capacidade unitária de 2000 litros. A concentração de sólidos totais no substrato era de 5% ( percentagem em peso) e foi constato uma satisfatória capacidade de bioestabilização dos resíduos sólidos orgânicos, com uma significativa taxa de produção de gás metano. PALAVRAS-CHAVE: Co-digestão; anaeróbio; resíduos sólidos INTRODUÇÃO A biodigestão anaeróbia é um processo bioquímico que ocorre na ausência de oxigênio molecular livre, no qual diversas espécies de microrganismos interagem entre si de forma simbiótica para converter compostos orgânicos complexos em CH 4, compostos inorgânicos como CO 2, N 2, NH 3, H 2 S e traços de outros gases e ácidos orgânicos de baixo peso molecular. Desde a década de 60 tem-se intensificado estudos do processo anaeróbio para bioestabilizar resíduos sólidos orgânicos, objetivando-se o desenvolvimento de alternativas tecnológicas para melhorar a recuperação de energia, a redução do volume e da massa de resíduos sólidos orgânicos (Peres et al., 1991). A digestão anaeróbia de resíduos sólidos orgânicos, especialmente da fração orgânica putrescível dos resíduos sólidos urbanos, é de grande importância no manejo de resíduos sólidos (Lay, et al. 1998). Até a presente data tem sido estudado a configuração de diversos tipos de reatores, objetivando o desenvolvimento de sistemas de tratamento de resíduos sólidos orgânicos que possam bioestabilizar percentual significativo de resíduos com aproveitamento máximo de biogás e com custos operacionais apresentando relação custo/benefício ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1
satisfatória. Em geral, os tipos de reatores que mais tem sido estudos, são os reatores contínuos e os de batelada. Nos reatores operando continuamente, serão necessários que sejam bem definidas a concentração de sólidos totais do substrato e o tempo de retenção de sólidos. Em geral, nos reatores contínuos utilizados para tratamento de resíduos sólidos orgânicos, o substrato deverá conter em média 5% de sólidos totais e tempo de retenção de sólidos variando de 60 a 90 dias. Os reatores em batelada são carregados uma só vez com o substrato in natura, permitindo passar por todas as etapas da degradação anaeróbia e o substrato utilizado na alimentação deverá conter percentual superior a 12% (percentagem em peso) de sólidos totais. Embora os reatores em batelada apresentem características operacionais de aterro sanitário, quando bem monitorados tem alcançado produção de biogás de 50 a 100 vezes maior do que o observado em um aterro sanitário, quando alimentados com o mesmo tipo de substrato. Os processos anaeróbios empregados no tratamento de resíduos sólidos ainda não constituem uma prática muita bem difundida devido à falta de configurações de sistemas de tratamento e, sobretudo devido ao tempo necessário para bioestabilizar os resíduos sólidos anaerobiamente que é bastante longo, quando comparado aos processos aeróbios. Portanto, a utilização de dois ou mais tipos de resíduos para a preparação do substrato, que caracteriza o processo de co digestão passa a apresentar influência fundamental, haja vista propiciar o equilíbrio da relação C/N, melhorar a estrutura física do substrato, a densidade microbiana, o percentual de umidade, além de incorporar diversos outros tipos de agentes tamponantes, proporcionando redução significativa do tempo de retenção de sólidos. Um exemplo típico do processo de co-digestão anaeróbia é a adição de lodo de esgotos sanitário aos resíduos sólidos orgânicos em proporções pré-estabelecidas. No caso específico deste trabalho o substrato foi preparado com 80% de resíduos sólidos vegetais mais 20% (percentagem em peso) de lodo de esgoto sanitário. O objetivo básico deste trabalho foi estudar o processo de co digestão anaeróbia de resíduos sólidos vegetais mais lodo de esgoto sanitário com concentração de sólidos totais de 5% em reator anaeróbio compartimentado. MATERIAL E MÉTODOS Para realização do trabalho experimental foi construído, instalado e monitorado um sistema experimental constituído de um reator anaeróbio compartimento com volume unitário de 2.200 litros construído a base de fibra de vidro, com suporte de apoio metálico e dispositivo para alimentação de substrato, saída do material efluente, quantificação e qualificação do biogás e registros para coleta de material em cada câmara do reator. Os resíduos sólidos utilizados eram coletados em feira livre e central de abastecimento e o esgoto sanitário utilizado para preparação do substrato foi coletado no sistema de esgotamento sanitário da cidade de Campina Grande (PB). Após coletado os resíduos eram triturados, caracterizados e em seguida preparado o substrato. O substrado é o resultado da mistura de resíduos sólidos orgânicos e lodo de esgoto sanitário, sendo o percentual de umidade ajustado com a adição de esgoto sanitário. Na Tabela 1 apresenta-se os principais parâmetros operacionais aplicados ao processo de monitoração do reator nas quatro diferentes etapas. Tabela1. Parâmetros operacionais aplicados ao reator. Etapa/ Parâmetro I II III IV Volume do Reator (L) 2.200,0 2.200,0 2.200,0 2.200,0 Proporção (RSV/Lodo) 80,0/20,0 80,0/20,0 80,0/20,0 80,0/20,0 Teor de umidade (%) 95,0 95,0 95,0 95,0 TRS (dias) 90,0 80,0 70,0 100 TRS = tempo de retenção de sólidos Na primeira etapa do trabalho o reator foi monitorado com tempo de retenção de sólidos de 90 dias, haja vista, a presença pouco significativa de biomassa no interior do reator, principalmente na última câmara. Nesta etapa, o reator foi monitorado por um período de 143 dias. Na segunda etapa o reator foi monitorado com tempo de retenção de sólidos de 80 dias e período de monitoração de 60 dias, na 3ª etapa o tempo de retenção de sólidos foi de 70 dias e o período de monitoração de 80 dia e na 4ª etapa o tempo de retenção de sólidos foi de 60 dias e o período de monitoração de 130 dias. Na Figura 1 apresenta-se o desenho esquemático do reator anaeróbio compartimentado utilizado para realização do trabalho experimental. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2
Figura 1. Desenho esquemático do reator anaeróbio compartimentado. Ponto 1: Caixa de alimentação do reator. Ponto 2: dispositivo para coleta do biogás. Ponto 3: Registro para coleta do material efluente. Ponto 4. Registros para coleta de material nas câmaras do reator. RESULTADOS Na Figura 2 apresenta-se o aspecto geral da fração orgânica putrescível dos resíduos sólidos urbanos após a trituração. Figura 2. Aspecto geral dos resíduos sólidos vegetais utilizados na preparação do substrato. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3
Na Figura 3 apresenta-se o aspecto geral do lodo de esgoto sanitário utilizado para preparação do substrato. O lodo de esgoto sanitário foi coletado em lagoas de estabilização facultativas e reatores UASB. Após a coleta, o lodo foi caracterizado física e quimicamente, e em seguida realizado o ajustamento do teor de umidade. sanitário. Na Figura 3 mostra-se o aspecto geral do lodo de esgoto sanitário utilizado na preparação do substrato. Portanto, o substrato compreende a mistura de resíduos sólidos vegetais devidamente triturados e lodo de esgoto sanitário, na proporção de 80 mais 20% (percentagem em peso), conforme apresentado na Tabela 1. A definição do percentual de lodo de 20% pode ser justificada pela ligeira correção do ph dos resíduos sólidos vegetais, que na época apresentavam característica tipicamente ácida, por favorecer o ajuste da umidade do substrato e fundamentalmente para ao ajustamento da relação C/N, além de incorporar ao substrato uma maior densidade bacteriana. Figura 3. Visão geral do lodo de esgoto sanitário utilizado na preparação do substrato. Na Tabela 2 são apresentadas as principais características físicas e químicas do substrato alimentado ao reator nas três diferentes etapas de monitoração. Tabela 2. Dados da caracterização química do substrato. Etapas 1ª 2ª 3ª 4ª Parâmetros ph 5,3 5,4 4,9 5,0 AT (g.l -1 ) 3,1 2,7 2,2 2,8 AGV (g.l -1 ) 4,3 4,4 3,8 4,0 STV (g.l -1 ) 27,1 25,4 22,4 24,2 N-NH + 4 (g.l -1 ) 1,6 0,2 0,2 0,3 DQO (g.l -1 ) 19,1 17,3 22,4 21,0 AT: alcalinidade total; AGV: ácidos graxos voláteis. O substrato alimento ao reator era preparado diariamente e submetido à caracterização química de rotina. Analisando os dados da Tabela 2 verifica-se que mesmo utilizando 20% de lodo de esgoto sanitário na composição final do substrato, este ainda apresentou característica ácida, haja vista os resíduos sólidos vegetais apresentarem em sua composição gravimétrica determinada tipos de frutas e verduras com acentuado percentual de acidez. Um outro dado do substrato que causou certo tipo de preocupação foi o relacionado com a concentração de nitrogênio amoniacal, haja vista alcançar patamar de 1600mgHAC. L-1. Na Figura 4, são apresentadas as tendências das evoluções temporais dos sólidos totais voláteis nas quatro fases do período de monitoração do sistema experimental. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4
Figura 4. Comportamento da evolução temporal da concentração de STV. Analisando o comportamento das Figuras 4, observa-se que a concentração de sólidos totais voláteis no substrato afluente na primeira fase variou de 18134 a 32670 mg. L -1, enquanto que no material efluente essa variação foi de 2190 a 6972 mg. L -1, apresentando uma eficiência de remoção média de 82,4 %. A concentração de sólidos totais voláteis no substrato afluente na segunda fase variou de 19642 a 34692 mg. L -1 e de 1080 a 3816 mg. L -1 no material efluente, aumentando a eficiência de remoção para 93,3 %. A variação de sólidos totais voláteis na terceira fase foi de 16896 a 31028 mg. L -1 no substrato afluente e de 1296 a 4024 mg. L -1 no substrato efluente. A eficiência de remoção média de sólidos totais voláteis manteve-se próximo ao valor encontrado na fase anterior. Na quarta fase, a concentração média no substrato afluente e no material efluente do reator foi de 31070 mg. L -1 e 1237 mg. L -1, respectivamente. A eficiência de remoção nesta fase aumentou para aproximadamente 96 %. A eficiência de transformação de material carbonáceo em período relativamente curto de tempo pode ser atribuída à configuração do reator que possibilitou um maior contato da massa de resíduo com a massa bacteriana. Bouallagui (2003), trabalhando com resíduos sólidos vegetais em biodigestor tubular, com concentração de sólidos totais de 6% (percentagem em peso), obteve eficiência de remoção de sólidos totais voláteis de 74,4 % produzindo biogás com 65 % de gás metano. A quantidade de biogás produzida durante o processo de bioestabilização anaeróbia do material orgânico foi medida continuamente e os valores da produção diária de biogás são apresentados na Figura 5. Figura 5. Perfil da produção diária de biogás. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5
Analisando o perfil da produção diária de biogás apresentado na Figura 15, verifica-se que na primeira fase foi produzido um pico máximo de biogás de 291 litros aos 169 dias de monitoração. Na segunda, terceira e quarta fases, a produção média diária de biogás foi de 197, 189 e 192 litros de biogás, respectivamente. Em algumas leituras pontuais foram encontradas produções de biogás bem acima da média encontrada durante as fases de monitoração do trabalho (LUNA, 2003). Este fato pode ser explicado em princípio pela temperatura ambiente, ou seja, quando acontecia uma acentuada elevação da temperatura, conseqüentemente se obtinha uma maior produção de biogás. Para avaliar o desempenho do processo anaeróbio de bioestabilização da fração orgânica dos resíduos sólidos mais lodo de esgoto sanitário foi realizado estudo do perfil da relação CH 4 /CO 2 em função do tempo de operação do reator conforme apresentado na Figura 6. Teoricamente é citado que quando esta relação atinge valor médio de 1, 5, o processo de tratamento anaeróbio alcançou o estado de equilíbrio dinâmico. Nestas condições, o biogás produzido pelo processo de bioestabilização anaeróbia da matéria orgânica contém em média 60 % de metano e 40% de dióxido de carbono (Leite, 1997). Figura 6. Perfil da relação CH 4 /CO 2 do biogás produzido. CONCLUSÃO Tratar conjuntamente resíduos sólidos vegetais mais lodo de esgoto sanitário em reator anaeróbio compartimento, com substrato contendo em média 5% de sólidos totais, possibilita: redução dos custos de construção, instalação e monitoração de aterro sanitário; aproveitamento energético de resíduos sólidos orgânicos; redução do tempo de bioestabilização do material orgânico e a preservação dos recursos naturais, propiciando melhoria das condições sociais, econômicas e ambientais da população atendida. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. APHA, AWWA, WPCF. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 18 ed. Washington: 1995, 1193 p. 2. BOUALLAGUI, H; BEN CHEIKH, R; MAROUANI, L e HAMDI, M. Mesophilic Biogas Production From Fruit and Vegetable Waste in a Tubular Digester. Bioresource Technology, 86 (2003) p85-89. 3. LAY, J. J.; LI, Y. Y.; NOIKE, T. Dynamics of methanogenic activities in a landfillbioreactortreating the organic fraction of municipal solid wastes. Wat. Sci. Tech. Vol. 38, Nº 2, p. 177/184, 1998. 4. LEITE, V. D. Processo de Tratamento Anaeróbio de Resíduos Sólidos Urbanos Inoculados com Lodo de Esgoto Industrial. São Carlos, 1997. Tese (Doutorado em Hidráulica e Saneamento). Escola de Engenharia de São Carlos-USP, 190 p. 5. LUNA, M. L D. Tratamento Anaeróbio de Resíduos sólidos Orgânicos para Pequenas Comunidades. Campina Grande, 2003. Dissertação (Mestrado em Desenvolvimento e Meio Ambiente). PRODEMA UFPB/UEPB, 80 p. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6
6. PERES,C. S. et. al. Anaerobic biodegradabilidade of the Organic Componentes of Minicipal Solid Wast. São Paulo, Brasil. Paper Prepints. VI Internacional Symposium of Anaerobic digestion. P 12/16, 1991 ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7