DETERMINAÇÃO DA CONSTANTE DE DEGRADAÇÃO (K) DE LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃO PARA DEJETOS SUÍNOS

DETERMINAÇÃO DA CONSTANTE DE DEGRADAÇÃO (K) DE LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃO PARA DEJETOS SUÍNOS Rejane Helena Ribeiro da Costa (1) Engenheira Civil, Doutora pelo INSA-Toulouse, França; Professora da Universidade Federal de Santa Catarina; Coordenadora da Pós-Graduação em Engenharia Ambiental. Waldir Medri. FOTO Graduado em Matemática e Especialização em Estatística pela Univ. Estadual de Londrina; Especialização e Mestrado em Engenharia de Produção pela Univ. Federal de Santa Catarina (UFSC); Prof. Adjunto do Depto. de Matemática Aplicada da Univ. Estadual de Londrina. Doutorando do Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Produção da UFSC. Fábio Cruz Manhães da Silva. Biólogo pela Universidade do Oeste de Santa Catarina (UNOESC), Mestre em Engenharia Ambiental - UFSC, pesquisador do Centro Nacional de Pesquisas de Suínos e Aves - CNPSA/EMBRAPA. Carlos Cláudio Perdomo. Graduado em Engenharia Agronômica pela Universidade Federal de Pelotas; Mestre e Doutor em Zootecnia pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Pesquisador do Centro Nacional de Pesquisas de Suínos e Aves - CNPSA/EMBRAPA. Endereço (1) : UFSC - CTC - Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental - Campus Universitário - Trindade - CEP: 88010-970 - Florianópolis - SC - Brasil - Tel: (048) 231-9821 - Fax: (048) 231-9770 - e-mail: rejane@ens.ufsc.br. RESUMO Um problema que se apresenta em modelar lagoas de estabilização é a determinação do valor correto das constantes de degradação da matéria orgânica (DBO), assim como do Nitrogênio a utilizar, para tratamento de dejetos suínos, pois este valor é afetado por fatores ambientais e de carga orgânica aplicada. Não é possível recomendar um valor geral, a tendência é determinar esses valores locais regionais e gerar equações de projetos em função dos parâmetros que mais o afetam. Este trabalho apresenta a determinação das constantes de degradação da DBO, da DQO e do Nitrogênio de um sistema de lagoas de estabilização, em escala real, e de uma lagoa de alta taxa, em escala piloto, localizadas no CNPSA, em Concórdia, SC. O sistema de lagoas consiste de quatro lagoas em série: duas anaeróbias, uma facultativa e uma de aguapés. Os dados foram obtidos na UNETDS no período de janeiro/96 a fevereiro/97. Na determinação das constantes de degradação k admitiu-se cinética de primeira ordem e utilizou-se os modelos de mistura completa, fluxo pistão e fluxo disperso. Este último, para obtenção do número de dispersão, usou-se a fórmula proposta por Yanez. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 814

PALAVRAS-CHAVE: Constante de Degradação, Constante Cinética, Dejetos Suínos, Lagoas de Estabilização. INTRODUÇÃO - OBJETIVOS A suinocultura é uma atividade agropecuária relevante, tanto em termos econômicos como sociais, para o Estado de Santa Catarina, com um rebanho estimado em torno de 3,7 milhões de animais, segundo o INSTITUTO CEPA/SC (1995), concentrado principalmente na Região Oeste, o que traduz um quadro crítico quanto à poluição dos dejetos provenientes das instalações suinícolas que, em sua maioria, funcionam sem unidades de tratamento e sem valorização de seus dejetos. Neste sentido, a criação de suínos em grande escala trouxe como conseqüência a intensa produção de dejetos nas propriedades rurais, os quais são altamente poluentes e causadores de degradação ambiental, como contaminação dos corpos receptores e desenvolvimento de odores. Razão pela qual os elevados volumes de dejetos produzidos nas granjas, carregados com nitrogênio e fósforo, e a reduzida área para lavoura, excedem a capacidade disponível da terra ao redor dos grandes suinocultores, dificultando o seu aproveitamento como fertilizante do solo. Além disso, com a modernização dos sistemas de confinamento dos suínos, houve um aumento crescente no uso da água para limpeza das baias. O uso d água tem como finalidade diluir a concentração das fezes e urina produzidas recentemente e tratá-las como resíduos líquidos, tornando seus manejos mais fáceis (Andreadakis, 1992). Porém, este aumento de dejetos e sua diluição colocaram aos produtores sérios problemas de disposição, já que os métodos tradicionais de pré-tratamento, como armazenamento dos dejetos através de esterqueiras e bioesterqueiras, para posteriormente serem usados no solo como adubo, na maioria das situações não são aplicáveis, uma vez que os investimentos para viabilizar a sua utilização estão acima das capacidades dos pequenos e médios produtores. Estudos recentes realizados por Costa et al (1995), Medri et al (1996) e Silva (1996) indicam que um sistema de lagoas de estabilização para dejetos suínos tem se destacado para tratamento da fração líquida, uma vez que elas apresentam um excelente desempenho quanto à eficiência de remoção da matéria orgânica, dos sólidos, dos nutrientes e de coliformes fecais. Contudo, a grande dificuldade é como dimensionar essas lagoas para tratamento desses resíduos, já que a nível de Brasil pouco se tem a respeito de parâmetros de projeto, principalmente quanto à constante de degradação. Portanto, para a modelagem das lagoas: anaeróbias, facultativas, de aguapés e de alta taxa, a determinação das constante de degradação da matéria orgânica (DBO) e do Nitrogênio assume fundamental importância. Razão pela qual a maioria dos sistemas de tratamento apresenta problemas em seu funcionamento, por não ter um valor correto das constantes de degradação a utilizar, pois este valor é afetado por fatores ambientais (temperatura, clima e radiação solar) e de carga orgânica aplicada. Dessa forma, o presente trabalho tem por objetivo principal apresentar matematicamente os coeficientes k da DBO, DQO e do Nitrogênio das lagoas 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 815

anaeróbias, facultativa, de aguapés e de alta taxa, adotando-se os modelos hidráulicos de Mistura Completa (MC), Fluxo Pistão (FP) e Fluxo Disperso (FD). 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 816

MATERIAIS E MÉTODOS O presente trabalho foi realizado em dois sistemas na Unidade Experimental de Tratamento de Dejetos Suínos (UNETDS), do Centro Nacional de Pesquisas de Suínos e Aves - CNPSA, da Empresa Brasileira de Pesquisas Agropecuárias - EMBRAPA, em Concórdia/SC, Brasil. O sistema experimental de lagoas em série, em escala real, consiste de um equalizador, seguido por um decantador de palhetas, duas lagoas anaeróbias (LA1) e (LA2), uma facultativa (LF) e uma de aguapés (LAG) em fluxo contínuo; e o sistema lagoa de alta taxa (LAT) opera em escala piloto, em sistema de batelada. A Figura 1 apresenta um esquema do mesmo. Equalizador Decantador Lagoa anaeróbia 1 Lagoa anaeróbia 2 Lagoa de aguapés Lagoa facultativa Misturador Lagoa de alta taxa Fig.1 - Unidade Experimental de Tratamento de Dejetos Suínos (UNETDS) - CNPSA. As características físicas e operacionais do sistema de lagoas utilizado no estudo são apresentadas na Tabela 1. Tabela 1 - Características físicas e operacionais das lagoas. PARÂMETROS LA1 LA2 LF LAG Superfície máxima (m 2 ) 83,62 83,62 105,60 100,00 Superfície mínima (m 2 ) 44,50 44,50 67,60 46,00 Profundidade (m) 1,70 2,20 0,85 0,80 Volume (m 3 ) 106,40 137,70 73,00 58,00 Vazão (m 3 /d) 3,00 3,00 3,00 3,00 o de detenção (d) 35,00 46,00 24,00 19,30 A lagoa de alta taxa foi projetada para operar em escala piloto, compreendendo uma área superficial de aproximadamente 12 m 2. As dimensões são de: 6 m de comprimento, 2 m de 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 817

largura e 0,35 m de profundidade, perfazendo um volume de 4,6 m 3. Para movimentação da massa líquida, utilizou-se um sistema misturador constituído de um motor trifásico (0,5 CV), responsável pela rotação do eixo ao qual se apoia um conjunto de seis pás de mesmo tamanho (0,80 m x 0,15 m). SISTEMA DE LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃO EM SÉRIE O sistema de lagoas em escala real era alimentado diariamente, pela manhã, com taxa de fluxo de aproximadamente 20 litros/min, até completar o volume de 3 m 3. Os dejetos do sistema de produção de suínos do CNPSA eram transportados até ao equalizador (UNETDS) e imediatamente conduzidos ao decantador através do acionamento de uma bomba, daí dirigidos à lagoa anaeróbia LA1, por gravidade, e consequentemente para as demais lagoas, uma vez que o sistema é em série. O monitoramento de rotina foi realizado, após entrada em regime permanente, no período de janeiro, fevereiro e março de 1996 até fevereiro de 1997, respectivamente para as lagoas LA1, LA2 e LF. A lagoa LAG foi monitorada durante cinco meses, no período de outubro/96 a fevereiro/97. As amostras foram coletadas na entrada e na saída de cada lagoa e em cinco pontos distintos ao longo do fluxo das lagoas anaeróbias LA1 e LA2, em quatro pontos ao longo da lagoa LF e em três pontos ao longo da lagoa LAG (Medri et al). Foram realizadas análises semanais, pela manã, para os seguintes parâmetros: temperatura, ph, Sólidos Totais (ST), Sólidos Fixos (SF), Sólidos Voláteis (SV), Nitrogênio Total (NT), Fósforo Total (PT), Coliformes Fecais (CF), Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO) e Demanda Química de Oxigênio (DQO), este último foi medido duas vezes por semana. Todos os parâmetros foram determinados conforme Standard Methods (APHA-AWWA-WEF, 1992). LAGOA DE ALTA TAXA Os ensaios da LAT tiveram duração de 30 dias e foram realizados em duas épocas climatológicas distintas, verão e inverno, a primeira realizada nos meses de janeiro e fevereiro, e a segunda em julho e agosto de 1996. Em cada ensaio foi colocado dejeto pré-tratado com concentrações de DQO em torno de 2.000 mg/l. A lagoa foi monitorada quanto à fração líquida e foi realizada uma série de análises, como: temperatura, ph, Sólidos, Nitrogênio, Fósforo, DBO, DQO, além de outros, Silva (1996). Todos os parâmetros foram determinados conforme Standard Methods (APHA-AWWA-WEF, 1992). 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 818

RESULTADOS São apresentados os resultados do sistema de lagoas em série para tratamento de dejetos suínos do CNPSA correspondentes aos valores médios obtidos para os parâmetros analisados durante o período de operação das lagoas anaeróbias LA1 e LA2, da lagoa LF e da lagoa LAG. Durante os estudos, notou-se que os valores médios ao longo do fluxo das lagoas mostraram-se quase idênticos, evidenciando um sistema próximo ao de Mistura Completa, apesar da relação geométrica comprimento/largura existente entre elas. Assim, os pontos coletados ao longo das lagoas, juntamente com o seu efluente, constituíram um valor composto único, caracterizando o efluente de cada uma delas. As Tabelas 2, 3, 4 e 5 apresentam os resultados dessas lagoas e a Tabela 6 apresenta os valores médios obtidos para a lagoa de alta taxa através dos ensaios realizados nas épocas quente e fria. Tabela 2 - Valores médios obtidos para a LA1 com 13 meses de funcionamento AMOSTRAS ph ST SF SV DQO DBO 5 NT PT Afluente 7,0 10.000 4.032 5.968 15.069 7.808 1.812 279 - Efluente médio 7,5 4.840 2.580 2.260 3.183 1.672 1.398 123 21,7 Tabela 3 - Valores médios obtidos para a LA2 com 11,5 meses de funcionamento AMOSTRAS ph ST SF SV DQO DBO 5 NT PT Afluente 7,5 4.484 2.425 2.059 3.084 1.865 1.324 111 - Efluente médio 7,8 3.456 2.124 1.332 1.524 794 1.024 67 21,1 Tabela 4 - Valores médios obtidos para a LF com 10,5 meses de funcionamento AMOSTRAS ph ST SF SV DQO DBO 5 NT PT Afluente 7,8 3.473 2.079 1.394 1.491 824 998 65 Efluente médio 7,9 3.059 1.263 796 803 437 413 42 20,2 Tabela 5 - Valores médios obtidos para a LAG com 4 meses de funcionamento AMOSTRAS ph ST SF SV DQO DBO 5 NT PT Afluente 7,8 2.244 1.345 899 831 428 362 48 Efluente médio 7,8 1.332 734 598 370 209 180 26 24,7 Através da pesquisa realizada na UNETDS, observou-se que os parâmetros fundamentais para modelagem de lagoas que tratam dejetos de suínos, para adequação do efluente às exigências dos padrões estabelecidos na Legislação Ambiental de Santa Catarina, são: DBO e Nitrogênio, pois esses dejetos são altamente concentrados em matéria orgânica e nutrientes, e suas remoções ocorrem de maneira adversa em sistema de lagoas de estabilização, ou seja, a DBO 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 819

é removida basicamente nas lagoas anaeróbias, e o Nitrogênio nas lagoas facultativas, de aguapés e, de uma forma otimizada, na lagoa de alta taxa, por apresentarem melhores condições para sua degradação. Tabela 6 - os valores médios obtidos para a lagoa de alta taxa através dos ensaios realizados nas épocas quente e fria. V E NTNs R Ã O ph I N V NTKs E R N ph O Dia DQOs DQOs 01 1.475 621 8,10 20,6 1.026 444 8,10 13,6 02 1.194 625 8,15 22,7 868 433 8,05 15,7 03 1.197 590 8,25 18,9 787 415 8,05 13,1 04 1.116 548 8,20 23,3 799 426 8,05 18,0 05 1.052 380 8,20 22,1 824 375 8,15 15,5 06 705 374 8,30 19,1 - - - - 07 944 355 8,30 16,9 - - - - 08 800 310 8,30 18,9 768 348 8,15 13,7 09 549 286 8,30 20,0 663 315 8,15 18,0 10 594 273 8,20 21,6 552 309 8,15 17,7 11 608 215 8,10 19,0 485 310 8,20 22,6 12 - - - - 459 296 8,20 22,4 13 - - - - - - - - 14 492 174 8,10 17,7 - - - - 15 444 167 8,20 21,1 442 310 8,10 19,3 16 300 159 8,00 20,9 466 304 8,10 16,1 17 230 88 8,10 26,7 433 282 8,15 17,9 18 166 67 8,15 23,1 384 283 8,05 14,8 19 - - - - 468 285 8,05 20,1 20 - - - - - - - - 21 166 59 8,10 22,1 - - - - 22 175 60 8,20 21,2 442 265 8,05 19,6 23 186 45 8,00 20,8 427 252 8,00 16,0 24 186 28 8,00 21,6 431 232 8,00 14,6 25 169 30 7,75 24,7 382 211 8,00 17,2 26 - - - - 316 198 7,75 18,0 27 - - - - - - - - 28 155 20 8,50 26,3 - - - - 29 158 17 9,90 28,3 273 176 7,85 18,0 30 101 14 9,70 26,7 - - - - 31 73 13 9,90 29,0 - - - - 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 820

DETERMINAÇÃO DA CONSTANTE DE DEGRADAÇÃO Os coeficientes k da DBO para as lagoas LA1, LA2, LF e LAG e do NT para as algoas LF e LAG, foram determinados admitindo-se a taxa de degradação através da cinética de primeira ordem e utilizando-se os modelos de mistura completa e de fluxo disperso, por possibilitar uma imediata dispersão do poluente por toda a lagoa, fazendo com que sua concentração seja logo igualada à concentração efluente, apesar da relação comprimento/largura que existe entre elas. Da mesma forma, apresenta-se a seqüência do valor de k da DQOs e do NTKs para a lagoa LAT, utilizando os modelos de mistura completa, fluxo disperso e fluxo pistão. Os valores de k para as lagoas LA1, LA2, LF e LAG da UNETDS no modelo de mistura completa foram determinados através das concentrações médias da DBO ou NT na entrada e na saída e o tempo de detenção, tendo em vista os problemas operacionais para alterações da vazão afluente no sistema em escala real trabalhando em fluxo contínuo. Para o modelo de fluxo disperso, foram calculados por tentativas e erros, tendo por base t e d (t = tempo de detenção e d = número de dispersão). Os valores de k, para a lagoa de alta taxa em sistema de batelada nos modelos de mistura completa, fluxo disperso e fluxo pistão, foram determinados para os parâmetros (DQOs e NTKs) remanescente através dos ensaios realizados em duas épocas (quente e fria), uma vez que esses parâmetros vão se moficando ao longo do tempo. Dessa forma, para a lagoa LAT, utilizou-se o método dos mínimos quadrados para minimizar os desvios, e o método de Newton, para a convergência através dos procedimentos iterativos (EXCEL). Barnwell (1980) apresentou um artigo utilizando o método dos mínimos quadrados, de Reed-Theriault, para determinação do coeficiente de desoxigenação e da DBO última, e de acordo com Von Sperling (1983), o método de Reed-Theriault foi considerado o de melhor precisão entre outros métodos utilizados em seu trabalho. O número de dispersão (d) foi estimado através da equação 1 apresentada por Yanez (1993) devido a sua simplicidade, já que depende apenas da relação comprimento/largura, pois de acordo com Von Sperling (1996), através de comparações efetuadas, indicaram que a fórmula de Yanez conduz a resultados próximos aos alcançados por fórmulas mais sofisticadas, como a de Agunwamba et al (1992). As Tabelas 7 e 8 apresentam resultados obtidos para os valores das constantes de degradação para os dois sistemas de lagoas em estudo na UNETDS. d = (C/L) / (-0,261 + 0,254 (C/L) + 1,014 (C/L) 2 ) (1) onde: - d é o número de dispersão da lagoa; - C é o comprimento da lagoa; - L é a largura da lagoa. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 821

Tabela 7 - Valores das constantes de degradação (k em d -1 ) da DBOt e do NT para cada lagoa do sistema, em seus respectivos períodos de funcionamento. LAGOAS LA1 LA2 LF LAG MC FD MC FD MC FD MC FD k (DBOt) 0,105 0,068 0,029 0,024 0,037 0,030 0,052 0,039 k (NT) - - - - 0,059 0,044 0,050 0,038 Tabela 8 - Valores médios das constantes de degradação (k em d -1 ) da DBOs e do NTKs para a lagoa de alta taxa. V E R Ã O I N V E R N O MC FD FP MC FD FP k (DQOs) 0,262 0,135 0,095 0,079 0,054 0,043 k (NTKs) 0,320 0,160 0,112 0,042 0,033 0,028 Desvio (DQOs) 360.528 165.016 137.050 65.596 74.957 86.971 Desvio (NTKs) 107.236 36.025 19.262 7.093 6.883 7.047 Os valores de k encontrados mostram que existem diferenças quanto ao regime de funcionamento hidráulico. No sistema em série, a primeira lagoa apresenta uma taxa de degradação de DBO superior às outras lagoas, tanto para a mistura completa como para o fluxo disperso. A degradação do NT apresenta-se ligeiramente superior na lagoa facultativa em comparação com a lagoa de aguapés. Embora a cinética de remoção da DBO seja a mesma para as duas lagoas anaeróbias LA1 e LA2 (cinética de primeira ordem), a taxa de remoção da DBO é tanto mais elevada quanto maior for a concentração da matéria orgânica do meio. Além disso, dois fatores básicos podem ter acontecido para o baixo valor de k para a lagoa LA2: o primeiro é que a degradação da matéria orgânica mais facilmente biodegradável deve ter ocorrido na lagoa LA1; e o segundo, provavelmente, devido ao maior tempo de detenção da lagoa LA2. Na avaliação da lagoa de alta taxa, nota-se (Tabela 8) claramente que a temperatura é um fator fundamental para a remoção dos poluentes, pois as constantes de degradação da época quente são muito superiores às da época fria. Para a lagoa de alta taxa, os valores de k obtidos com mistura completa foram superiores ao fluxo disperso e estes ao fluxo pistão, confirmando à bibliografia consultada. Observa-se porém, através dos desvios obtidos para os valores de k da DQOs que o modelo de fluxo pistão se ajusta melhor no verão, decorrente talvez das variações de temperaturas na massa líquida, enquanto que no inverno, o modelo de mistura completa é o que melhor se ajusta. Mostrando assim a importância da temperatura na caracterização do regime de funcionamento desse tipo de lagoa. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 822

CONCLUSÕES Na determinação das constantes de degradação, é importante que se mencione o modelo hidráulico utilizado, uma vez que existem diferenças nos valores de k para os diferentes regimes hidráulicos. Em sistemas de lagoas de estabilização em série, para tratamento de dejetos suínos, os valores das constantes de degradação da DBO de lagoas sucessivas e com mesmas características vão se reduzindo, uma vez que a matéria orgânica remanescente torna-se mais resistente à biodegradação, mostrando a importância da obtenção dos pares (k e L) para as respectivas lagoas. Os valores das constantes k obtidos para as condições experimentais estudas, permitem concluir: - em sistema em série, a primeira lagoa apresenta uma taxa de degradação de DBO superior às lagoas posteriores; - a degradação do NT ocorre próximas para as lagoas facultativa e de aguapés; - na lagoa de alta taxa, as constantes de degradação na época quente são superiores às da época fria. Estes valores se ajustam melhor ao fluxo pistão no verão e ao modelo de mistura completa no inverno. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. ANDRADAKIS, A. D. Anaerobic digestion of piggery waste. Wat. Sci. Tech., v. 25, n.1, p. 9-16, 1992. 2. APHA- WWA - WEF. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 18 th Ed. 979 p. 1992. 3. BARNWELL, T. O. Least squares estimates of BOD parameters. Journal of the Envir. Eng. Div., ASCE, v. 106, n. EE6, 1980. 1980. 4. COSTA, H. R. C.; SILVA, F. C. M.; OLIVEIRA, P. A. V. Preliminary studies on the use of lagoons in the treatment of hog waste products. In: 3 rd. IAWQ International Specialist Conference and Workshop: Waste Stabilization Ponds Technology and Applications. Preprint volume. João Pessoa, Pb, Brazil. IAWQ and CCT/UFPb. 1995. 5. INSTITUTO CEPA/SA. Síntese anual de agricultura de Santa Catarina, 1995. 6. MEDRI, W.; COSTA, R. H. R.; PERDOMO, C. C. Estudo econômico e avaliação preliminar de sistema de tratamento: lagoas anaeróbias e facultativa para dejetos suínos. In: Anais do 25 0. AIDIS Congresso Interamericano de Ingenieria Sanitaria y Ambiental, México, D.F, 3-7 de novembro de 1996, v. 1, p. 388-395, 1996. 7. SILVA, F. C. M. Tratamento dos dejetos suínos utilizando lagoa de alta taxa de degradação em batelada. Florianópolis, 1996. Dissertação de mestrado - Engenharia Sanitária e Ambiental - Universidade Federal de Santa Catarina, 1996. 8. VON SPERLING, M. A iinfluência do tempo de retardo na determinação do coeficiente de desoxigenação. Engenharia Sanitária, V. 22, n. 3, p. 375-379, 1983. 9. VON SPERLING, M. Determinação da taxa de decaimento bacteriano em lagoas de estabilização em função das relações geométricas da lagoa. In: 3 0 SIBESA - Simpósio Ítalo-Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, Gramado-RS, 9-13 junho de 1996 de (anais eletrônico), 1996. 10. YANEZ, F. Lagunas de estabilizacion. Teoria, disenõ y mantenimento - ETAPA, Cuenca, Equador, 1993, 421p. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 823