TRATAMENTO DE EFLUENTE DA PRODUÇÃO DE BIODIESEL EM REATOR ANAERÓBIO UPFLOW ANAEROBIC SLUDGE BLANKET (UASB) Tayan Miranda Silva Castro1; Eduardo Frrira Jr.1; Priscila Lops Florido2; Magali Christ Cammarota1 1 Univrsida Fral do Rio Janiro, Escola Química, Laboratório Tcnologia Ambintal tayanmiranda@hotmail.com; duardo_jr89@yahoo.com; christ@q.ufrj 2 Tcnologias m Tratamnto Rúso Águas/CENPES/PETROBRAS - priscillalf@ptrobras.com RESUMO Eflunts grados na produção biodisl aprsntam lvada concntração ólos graxas, colóis, matéria orgânica sais dissolvidos, sndo ncssário um tratamnto físico-químico biológico intgrado. A lvada concntração matéria orgânica solúvl no flunt após tratamnto físico-químico indica um procsso biológico anaróbio como mlhor opção para o tratamnto subsqunt. No ntanto, procssos anaróbios são muito snsívis à prsnça tóxicos como sais mtanol prsnts no flunt. Assim, o objtivo st trabalho foi avaliar o tratamnto biológico anaróbio flunt grado m usina biodisl, via catális básica, após tratamnto físico-químico, m um rator bancada do tipo UASB (upflow anarobic sludg blankt) oprado durant 272 dias, a 30ºC. Obsrvou-s qu, na faixa carga orgânica volumétrica (COV) studada (0,74 2,91 kg DQO/m3.d), o aumnto sta rsultava m acúmulo tmporário ácidos graxos volátis (AGV), quda do ph inibição da produção biogás, porém contornávis mdiant um mlhor tamponamnto pla adição bicarbonato. Após rcuprar a stabilida, o rator aprsntou rmoçõs DQO acima 80% produção spcífica mtano (PEM) até 281 NmL CH4/g DQO rmovida, o qu indica um tratamnto muito ficint m trmos aprovitamnto nrgético, pois a PEM é 80% do valor tórico máximo obtido. Palavras-chav: biodisl, flunt, tratamnto biológico anaróbio, rator UASB. 1. INTRODUÇÃO O Brasil é pioniro mundial no uso nrgias rnovávis. Em 2015, crca 45% da nrgia 18% dos instalada, no msmo ano, para crca 7,9 bilhõs litros [ANP, 2015; BRASIL, 2007] combustívis Em janiro 2005, a Li nº 11.097 consumidos no Brasil foram forncidos introduziu o biodisl na matriz nrgética através nrgias rnovávis [ANP, 2015; brasilira BERMANN, 2008]. E stá ntr os maiors administrativa produtors consumidors biodisl do nominar-s Agência Nacional do Ptrólo, mundo, com uma produção anual, m 2013, Gás Natural Biocombustívis [ANP, 2015; 2,9 bilhõs litros uma capacida BRASIL, 2007]. Em novmbro 2014, o ampliou a da ANP, qu comptência passou a www.conptro.com contato@conptro.com
Conslho Nacional Política Enrgética corrsponnts. Cada litro biodisl (CNPE) stablcu um aumnto 5% para produzido po consumir três vzs mais 7% biodisl no ólo disl comrcializado água [DE BONI t al., 2007]. Além disto, a m todo o Brasil [ANP, 2014 2015]. sta água lavagm ainda s somam outras Os biocombustívis são combustívis corrnts do procsso, originando o flunt rivados biomassa rnovávl (matéria da produção do biodisl [ATADASHI t al., orgânica origm vgtal ou animal) uma 2011; OLIVEIRA t al., 2013; TAKETA t font nrgia biogradávl, provocando al., 2009]. mnor impacto ambintal ao substituírm, O flunt grado após a tapa parcial ou totalmnt, combustívis rivados purificação é aquoso, sbranquiçado, ptrólo gás natural m motors a contm basicamnt rsíduos sabõs combustão ou m outro tipo gração sódio ou potássio, além dos ácidos graxos, nrgia [BRASIL, 2007]. glicrina, alcoóis (mtanol ou tanol) outros A produção do biodisl é fita através contaminants, sndo sta forma inaquada da transstrificação ólo vgtal ou para scart nos corpos hídricos, sgundo gordura animal, qu ocorr por adição padrõs álcool (mtanol ou tanol) na prsnça um CONAMA 430/2011. catalisador (NaOH ou KOH). O produto da stablcidos Existm vários pla Rsolução tratamntos físico- transstrificação é uma massa constituída por químicos biológicos aquados para st duas fass, qu pom sr sparadas por flunt [DE BONI t al., 2007, BEDOR, cantação ou cntrifugação. O método mais 2015; PALOMINO t al., 2012]. Para a barato é o cantação, pois o glicrol rmoção sólidos m suspnsão /ou formado, sndo mais nso qu o biodisl, flotávis ajust do ph os procssos mais canta facilmnt também arrasta outras comuns impurzas prsnts na mistura. floculação Após a cantação, para a rtirada são: sdimntação, flotação coagulação/ [BEDOR, 2015; METCALF & EDDY, 2003]. Para a rmoção stas impurzas os éstrs grados prcisam compostos orgânicos biogradávis passar por uma tapa lavagm com água, dissolvidos, rmovndo-s rsíduos sabão sódio ou biológicos aróbios anaróbios. mprgam-s procssos potássio, glicrina, ácidos graxos outros A lvada carga orgânica dos flunts contaminants qu pom compromtr a da produção biodisl torna o procsso purza biológico anaróbio mais aquado para su do ólo as spcificaçõs www.conptro.com contato@conptro.com
tratamnto, mbora sta altrnativa ainda sja 2. METODOLOGIA pouco utilizada nas usinas [METCALF & 2.1. Origm caractrísticas do EDDY, 2003; BEDOR, 2015]. Tais procssos aprsntam divrsas vantagns, como mnor flunt produção sólidos, consumo nrgia O tratamnto biológico anaróbio do nutrints, mnor manda ára custos flunt grado m usinas biodisl foi implantação, além da produção mtano, avaliado m amostras coltadas na Usina um tor Canias (Salvador, Bahia) após as tapas calorífico, qu po sr usado m substituição sparação água/ólo (SAO) coagulação/ a combustívis fóssis, rduzindo o consumo floculação com 60 mg/l FCl3.6H2O no sts ph do flunt. gás combustívl o consqunt lvado aumnto da Est flunt foi submtido a uma concntração CO2. stão à caractrização físico-química, mprgando nutrints métodos scritos no Standard Mthods patógnos, gralmnt a produção [APHA, 2005; ABNT, 2012 para mtanol], flunt com qualida insuficint para conform aprsntado na Tabla 1. Dntr rmoção as svantagns, insatisfatória atnr os padrõs ambintais, xigindo alguma forma pós-tratamnto. E ainda, um Tabla 1: Caractrização do flunt. alto control opracional com fators qu Parâmtro ph DQO (mg/l) Mtanol (g/l) Nitrogênio Total (mg/l) Fósforo (mg/l) aftam a condição ial, logo, a stabilida do crscimnto microbiano, como por xmplo: nutrints, tmpratura, ph, aciz alcalinida [CHERNICHARO, Média ± DP 2,9±0,9 34211±12356 10,6±8,3 2,1±2,1 148,0±80,9 2007; 2.2. Biorrator anaróbio BEDOR, 2015]. dos Foi mprgado um biorrator do tipo microrganismos anaróbios à prsnça UASB (upflow anarobic sludg blankt), tóxicos, faz-s ncssária uma avaliação do construído m acrílico, com volum útil 4,9 l comportamnto do rator frnt a altraçõs (13 cm diâmtro 37 cm altura - Figura condiçõs opração a fim s 1). Dvido à susctibilida stablcr a condição maior ficiência stabilida, sndo st o objtivo principal do prsnt studo. www.conptro.com contato@conptro.com
2.3. Condiçõs opração do biorrator O rator foi oprado a 30ºC. Crca 2 L lodo coltado m rator anaróbio industrial (SVT 26 g/l) foi utilizado como inóculo. Carrgado com flunt diluído suplmntado, foi ixado m batlada por 7d para adaptação, sndo m sguida iniciada a alimntação contínua com flunt diluído suplmntado com NH4Cl KH2PO4 para Figura 1: Esquma xprimntal mprgado. uma rlação DQO:N:P 350:5:1 solução Est biorrator opra com um lito micronutrints (1ml/L) [CHERNICHARO, 2007). biomassa (lodo) concntrado na bas do Cinco rgims opração foram msmo (ntr os pontos A7 A5) na forma avaliados, sndo os valors aproximados granular, fluxo carga orgânica volumétrica (COV kg ascnnt flunt, alimntado na bas do DQO/m3.d), tmpo rtnção hidráulica rator (ponto A7) por bomba pristáltica. O (TRH - dias), DQO média alimntação topo do rator é quipado com um sparador (mg/l) sólido-líquido-gás, sparando as bolhas gás visualizados na Tabla 2. A stratégia do lodo flunt. Cinco pontos opração adotada foi aumntar a COV, amostragm (A2, A3, A4, A5 A6 na Figura aumntando a DQO na alimntação do 1) stão localizados ao longo da altura do biorrator rduzindo o TRH, mantndo a rator concntração mtanol abaixo 1 g/l. plo para qual prcola rtirada um amostras quantificação da biomassa. tmpo opração (dias), Ensaios antriors, conduzidos m batlada A saída flunt s dá após passagm no primiro contato do lodo com o composto, por um tubo m U invrtido (ponto A1) para indicaram qu concntraçõs mtanol formar um slo hídrico vitar prdas até 4 g/l não rduziram a produção mtano biogás. A saída gás do biorrator foi ligada m comparação à condição Control. No a um mdidor biogás da marca Rittr ntanto, o forncimnto contínuo altas (Milligascountr) Amostras do biogás foram concntraçõs mtanol lvou à inibição da coltadas para trminação da composição produção mtano [BEDOR, 2015]. st por cromatografia m fas gasosa. www.conptro.com contato@conptro.com
Para o monitoramnto do rator foram DQO 1:3 no flunt [OLIVEIRA, 2013; mdidos: tmpratura, ph, vazão, manda CHAVALPARIT ONGWANDEE, 2009], química oxigênio total solúvl (DQO), conform obsrvado nst studo. Elvadas ácidos volátis totais, alcalinida total, concntraçõs mtanol pom causar volum composição biogás [APHA, inibição dos microrganismos anaróbios. O 2005]. aumnto da carga mtanol 15 para 32 g mtanol/l.d. na alimntação um rator Tabla 2: Parâmtros obsrvados ao longo dos UASB rduziu a ficiência rmoção 272 dias opração do rator UASB m 84% para 70% [BHATTI t al., 1993]. No rgim contínuo. rator do prsnt studo, a carga mtanol Rgim 1 2 3 4 5 COV 0,74 1,22 1,93 1,77 2,91 DQO 2000 3000 3000 1500 1500 TRH Duração 2,4 96 2,4 34 1,5 47 0,7 49 0,5 46 COV (kg DQO/m3.d), DQO (mg/l), TRH (d), duração (d). foi mantida 1 g mtanol/l.d, bm abaixo dos valors oprados plos autors. No ntanto, os autors mncionam qu m torno do 40º dia opração do rator ocorru um scontrol do procsso com o ph caindo para 5,5 por dois ou três dias. Como as 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO concntraçõs obtidas nos flunts da produção biodisl m algumas rmssas 3.1. Caractrísticas do flunt O flunt aprsnta ph muito ácido m função da adição ácido para mlhor atingm valors supriors a 10 g/l, v-s consirar o fito sua prsnça nos nsaios biogradabilida. sparação ólo livr mulsionado, Os nívis nitrogênio fósforo são ncssitando ajust com NaHCO3 para baixos apontam para a ncssida valors próximos 7,0 ants dos nsaios suplmntação sts macronutrints no biogradabilida anaróbia. tratamnto A concntração matéria orgânica é biológico [CHERNICHARO, 2007]. lvada após o tratamnto físico-químico, por ncontrar-s prdominantmnt na forma solúvl (96% no flunt após tratamnto físico-químico). Esta DQO solúvl s v ao mtanol não rcuprado no procsso. Vários 3.2. ph, ácidos volátis alcalinida A variação ph, ácidos volátis totais (AVT) alcalinida (Alc) ao longo da autors citam rlaçõs mássicas mtanol: www.conptro.com contato@conptro.com
opração é aprsntada na Figura 2. no rgim 3) a rdução da DQO (nos rgims 4 5) na alimntação do rator prmitiram a rcupração valors aquados ph (6,6 7,4) para a gradação anaróbia [CHERNICHARO, 2007] já no rgim 3. A instabilida obsrvada no rator s v à rdução do TRH 2,4 para 1,5 d, qu s rcupra mdiant uma alimntação com mnor DQO. No rgim 5, a instabilida volta a aparcr com a rdução do TRH 0,7 para 0,5 d, mas é contornada plo aumnto alcalinida na alimntação. A rlação AVT/Alc aprsntou valors abaixo 0,5 à xcção dos primiros dias opração, príodos instabilida nos rgims 3 5 com a rdução do TRH. 3.3. DQO Na Figura 3 são aprsntados os rsultados DQO sob difrnts COV aplicadas. Obsrva-s qu, após um curto príodo adaptação, o rator aprsnta Figura 2: ph (a), AVT alcalinida (b) da lvada rmoção DQO no rgim 1 (95,0 ± rlação AVT/Alc (c) ao longo da opração do 2,6 % para DQO total). No ntanto, o rator biorrator s torna mais instávl a rmoção cai com o aumnto da COV nos rgims 2 (87,3 ± 4,2%) O ph do rator s mantv ntr 6 7 3 (79,9 ± 7,4 %). A quda rmoção (média 6,6 ± 0,3) até o rgim 3, quando DQO aprsntou quda para valors até 5,7 m mtanogêns, provavlmnt m função função do acúmulo ácidos volátis. O maior introdução sais mtanol nas aumnto da alcalinida (adição NaHCO3 maiors COV, com o consqunt aumnto da stá rlacionada à inibição da www.conptro.com contato@conptro.com
AVT no rator [BEDOR, 2015; CHERNICHARO, 2007]. DQO mais baixas (dias 252 a 264), atingindo ao final do rgim, valors próximos a 80%. 3.4. Biogás Mtano A produção biogás foi monitorada somnt até o rgim 3, sndo intrrompida por conta problmas opracionais. Vrifica-s, no príodo monitorado, uma corrlação positiva ntr volum diário biogás a COV aplicada, conform aprsntado na Figura 4. A produção mtano também aumnta com a COV aplicada no rator, mas a uma taxa mnor por conta da rdução do % CH4 no biogás, qu é (94,7±1,9), (90,0±1,2) (86,2±4,0) nos rgims 1, 2 3, rspctivamnt. Figura 3: Valors DQO na ntrada saída do rator (a) rmoção DQO (b) ao longo da opração do biorrator. Uma maior diluição do flunt (rgim 4) prmitiu a rcupração do rator (com rmoçõs DQO total 90,8 ± 5,4 %). Voltando a aumntar a COV na msma DQO, mas com mnor TRH (rgim 5), o rator volta a aprsntar quda rmoção DQO, sguida rápida rcupração. Nst último rgim, o rator prmancu m batlada, sm alimntação, por um príodo 6 mss. Ao sr rtomada a alimntação, o msmo aprsntou prda sólidos rmoçõs www.conptro.com contato@conptro.com
Figura 4: Produção biogás (CNTP) ao longo do tmpo (a) corrlação ntr volums diários biogás mtano com a COV aplicada (b). Esta rdução provavlmnt s v a www.conptro.com contato@conptro.com
um aumnto progrssivo da inibição das mtano obtidos m cada rgim, po-s arquias mtanogênicas vido a maiors stimar a produção spcífica mtano concntraçõs sais mtanol COV, (PEM), qu foi 225, 237 281 NmL CH 4/g smlhant ao itm antrior. Uma condição DQO ssncial para manutnção da stabilida do prcntual mtano diminuir com a COV, a rator anaróbio é a manutnção baixas assimilação complta carbono (mdido concntraçõs como sais mtanol na alimntação do msmo [BEDOR, 2015]. Na Figura 5 é aprsntada uma corrlação ntr volum diário acumulado biogás DQO rmovida rmovida. DQO) Portanto, plos apsar do microrganismos mtanogênicos aumnta, provavlmnt m função adaptação dos msmos aos constituints do flunt com o tmpo. acumulada diariamnt, cujo coficint angular rtas 3.5. tangnts à curva cada um dos três rgims suplmntação avaliados fornc a produção spcífica biogás (PEB). Rcirculação Duas condiçõs opração foram avaliadas durant o monitoramnto do rator: a opração com rcirculação part do flunt tratado a suplmntação com sgoto sanitário grado na própria usina biodisl. A rcirculação foi avaliada m part do rgim 1, mdiant diluição do flunt bruto no flunt tratado, condição opração m scala industrial para obtnção COV compatívl com a configuração do rator. Vrifica-s, na Tabla 3, qu a Figura 5: Corrlação ntr volum diário rcirculação flunt tratado não altrou a acumulado biogás DQO rmovida ficiência do rator, qu mantv baixa diariamnt acumulada. rlação AVT/Alc lvada rmoção DQO. O msmo po sr afirmado para a Vrifica-s qu a PEB foi 238, 263 suplmntação com sgoto sanitário, avaliada 326 NmL biogás/g DQO rmovida nos durant o rgim 4, indicando qu é possívl rgims suprimir as fonts macro micronutrints 1, 2 3, rspctivamnt. Consirando os prcntuais médios www.conptro.com contato@conptro.com
com adição sgoto sanitário ao flunt com isso uma rdução custo opracional. Tabla 3: Rsumo rsultados obtidos com sm rcirculação suplmntação com sgoto. Parâmtros 1º rgim TRH (d) COV (kg DQO/m3.d) ph ntrada ph saída AVT/ALC Rmoção DQO total (%) Rmoção DQO solúvl (%) a 2,4±0,2 0,77±0,10 7,8±0,5 6,5±0,3 0,09±0,05 a 94,8±2,4 a 96,9±2,0 a 1º rgim c/ rcirculação 2,5±0,1 0,71±0,06 7,7±0,4 6,5±0,1 0,09±0,03 95,2±2,9 97,9±1,3 4º rgim c/ sgoto 0,7±0,0 1,72±0,12 7,4±0,7 7,3±0,5 0,05±0,03 87,6±5,1 94,8±4,2 4º rgim 0,7±0,0 1,79±0,18 6,8±0,5 6,8±0,4 0,12±0,05 93,2±4,5 96,4±1,5 no príodo stabilida. 4. CONCLUSÕES O aumnto da COV na faixa 0,74 a 5. AGRADECIMENTOS 2,91 kg DQO/m3.d rsultou m curtos príodos instabilida, com acúmulo Ao LABTARE Laboratório ácidos volátis, créscimo do ph inibição Tratamnto Água Rúso Eflunts, da das mtanogênicas. Escola Química, UFRJ, pla ralização do O rator, no ntanto, rcupra sua tratamnto físico-químico. À PETROBRAS, stabilida mdiant um maior control plo forncimnto do flunt rcursos para ph snvolvimnto da psquisa. concntração bicarbonato na alimntação, aprsntando rmoçõs DQO acima 80% produção spcífica 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS mtano (PEM) até 281 NmL CH4/g DQO rmovida. ABNT. A rcirculação flunt tratado a suplmntação nutricional com sgoto Dtrminação mtanol por cromatografia gasosa. 4a Ed. ABNT NBR 15343:2012, 2012 sanitário s mostraram viávis, rduzindo problmas sobrcarga opracionais m scala industrial. custos ANP. Biodisl- Introdução. Disponívl m: <http://www.anp.gov/? pg=73292&m=&t1=&t2=&t3=&t4=&ar=&ps www.conptro.com contato@conptro.com
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