3. MATERIAL E MÉTODOS
3.2. Projeto e construção do biodigestor
Em função das informações obtidas durante a pesquisa inicial realizou-se o dimensionamento do biodigestor. O projeto do biodigestor teve o apoio e orientação da equipe técnica da empresa Bio4 Soluções Biotecnológicas, a qual está incubada junto à Universidade Positivo.
No projeto do biodigestor levaram-se em consideração todos os aspectos construtivos e operacionais observados durante as visitas técnicas, com objetivo de aperfeiçoar o processo
e evitar ou minimizar os problemas descritos pelos usuários dos biodigestores. Entre os quais se destacam:
Formato: seguiu as orientações descritas em Weiland (2010),
Número de tanques,
Carga orgânica (carga orgânica volumétrica),
Temperatura,
Pressão,
Homogeneização e sedimentação dos sólidos,
Tempo de detenção hidráulica,
Saída de gases,
Descarte do lodo,
Resistência mecânica à corrosão,
Modo de Operação (batelada ou contínua),
Forma de alimentação,
Forma de Transporte.
3.3. Instalação
O Biodigestor foi submetido inicialmente a testes hidráulicos e de operacionalidade na empresa Rozalcool em Santa Catarina, utilizando-se como fonte de resíduos orgânicos materiais provenientes da produção de álcool de arroz (vinhaça) e dejetos suínos de criadouros próximos à empresa. Como o biodigestor foi projetado para ser transportado conforme a necessidade realizou-se o primeiro deslocamento de Santa Catarina para o Paraná junto a Universidade Positivo em Curitiba, próximo ao refeitório da mesma e do Ribeirão dos Müller (25o27’00.83”S e 49o21’25.21”O) (Figura 20).
Figura 20. Imagem da localização do biodigestor (Google Earth).
A instalação do biodigestor e o acesso ao fluxo de carga e descarga do produto tratado estão representados na Figura 21. A água proveniente do Ribeirão dos Müller foi bombeada até a caixa auxiliar na qual verificou-se o volume para posterior bombeamento ao biodigestor.
Nesta mesma caixa adicionaram-se os resíduos sólidos triturados e a homogeneização foi feita manualmente para posterior dosagem em sistema de batelada ou contínuo. Durante o processo de biodigestão, o sistema pôde ser agitado e aquecido, com controle de temperatura. Na saída do sistema, o líquido passou pela camada de brita na parte superior lateral, para retenção de espuma, e saiu pela tubulação dotada de um mecanismo (copo hidráulico) para manutenção da pressão interna. Saindo do biodigestor, o efluente seguiu pela tubulação auxiliar até a rede de esgoto municipal. O copo hidráulico tem o objetivo de forçar a saída do biogás pela parte superior do tanque, para posterior tratamento ou utilização direta em equipamentos.
Figura 21. Esquema de instalação do biorreator anaeróbio piloto.
Para o suporte físico do biorreator, uma vez que com carga pesa cerca de 1.500 kg, construiu-se um piso de alvenaria (Figura 22 A) e uma valeta para a tubulação de esgotamento ligada à rede coletora de esgoto para posterior tratamento pelo sistema municipal (Figura 22 B). O biorreator possui três linhas auxiliares: a de alimentação de água proveniente do Ribeirão dos Müller, a de energia elétrica e uma de alimentação auxiliar ligada às bombas de apoio do sistema onde se faz adição do substrato desejado (Figura 22 C).
Figura 22. Detalhes das linhas de entrada e saída do biodigestor. (A) Saída do biodigestor, (B) Linha de esgotamento do efluente tratado para a rede de esgoto, (C) Bomba dosadora de alimentação na entrada do biodigestor.
Uma vez instaladas as linhas auxiliares, o biorreator recebeu uma camada superior de material inerte, sendo o material escolhido brita N° 4, cerca de 30 kg (Figura 23), que foi depositado sob uma peneira de inox tipo AISI 304, perfurada e suspensa na parte superior do biorreator. A função da brita é impedir que partículas grossas ou a escuma obstruíssem a tubulação superior de saída, responsável pela manutenção do nível e de saída do biodigerido.
Figura 23. Foto da brita número 4 adicionada na parte superior do biodigestor.
O biodigestor dispõe ainda de uma central de comandos elétricos instalada na lateral do mesmo com interruptores e disjuntores necessários ao acionamento e proteção dos quatro motores auxiliares do biodigestor e um disjuntor / contactor para atender a demanda de energia da resistência elétrica instalada para aquecimento (Figura 24).
A B C
Figura 24. Quadro de comando elétrico: (A) Chave que liga a bomba dosadora de alimentação auxiliar identificada pela cor branca; (B) Chave que liga sistema de agitação identificado pela cor verde; (C) Chave que liga bomba principal identificando pela cor azul; (D) Chave que liga a bomba imersa no rio identificado pela cor amarela; (E) Chave que liga a resistência identificada pela cor vermelha.
3.4.1. Inoculação do Biodigestor Piloto
Utilizou-se para inóculo no segundo e terceiro experimentos lodo proveniente de biorreatores tipo RALF em pleno funcionamento. O inóculo obtido para o segundo experimento foi do tipo adensado da unidade Sanepar do bairro Santa Quitéria (Figura 25 A).
Para o terceiro experimento utilizou-se lodo obtido do fundo dos biorreatores proveniente da unidade da Sanepar CIC-Xisto, próxima a cidade de Araucária (Figura 25 B).
Figura 25. (A) Unidade Sanepar localizada no bairro Santa Quitéria, Curitiba , PR e (B) Unidade Sanepar CIC-Xisto localizada próxima a Araucária, PR.
A B C D E
A B
A quantidade inicial inóculo foi de 300 L para o segundo experimento, sendo 30% da capacidade do biodigestor. No terceiro experimento foram inoculados 200 L, correspondendo a 20% do volume do biodigestor. Uma vez adicionado o inóculo, iniciou-se a alimentação do biodigestor com a adição da água proveniente do Ribeirão dos Müller cujas características estão descritas no item 3.4.3.
3.4.2. Alimentação do Sistema
Para a alimentação do sistema foi utilizada uma bomba de recalque (bomba sapo), que foi instalada submersa no ribeirão, para bombeamento da água até a caixa de recepção (Figura 26 A).
No terceiro experimento, adicionou-se uma quantidade de 1 kg de resíduos alimentares provenientes do refeitório universitário (Figura 26 B), sendo os resíduos triturados previamente e diluídos em 1 a 2 litros de água da caixa (Figura 26 B) a fim de facilitar o processo. O líquido foi homogeneizado manualmente e dosado em contínuo no biorreator através da bomba dosadora (Figura 22 C e 26 C).
Figura 26. Sistema de alimentação do biodigestor: (A) Conjunto caixa d’água e biodigestor;
(B) Caixa d’água contendo resíduo e efluente; (C) Bomba centrífuga para alimentação do biodigestor com alta vazão.
3.4.3. Procedência e Características Físico-Químicas da Água utilizada no Processo
A água empregada nos testes foi obtida com a instalação de uma bomba de recalque, junto ao Ribeirão dos Müller, que é um rio afluente do Rio Barigüi e situa-se na região oeste da cidade de Curitiba, PR. A bacia hidrográfica do Ribeirão dos Müller drena uma área de 10,29 km2 e abrange uma região composta por residências, indústrias, comércios e pelo
A B C
Campus da Universidade Positivo. Esse rio é classificado como Classe 3, segundo a portaria SUREHMA n°92, de 12 de maio de 1992, artigo 1°, inciso VII. Há um intenso processo de degradação da qualidade das águas do Ribeirão dos Müller, sendo percebido um odor desagradável e uma cor acinzentada, indicando, em muitos pontos, degradação anaeróbia (BREGUNCE, 2008).
3.4.4. Operação do Biodigestor
No primeiro experimento o biodigestor recebeu apenas a água proveniente do Ribeirão dos Müller, sem controle de temperatura, com agitação intermitente e em regime de batelada alimentada. No segundo experimento houve a inoculação, controle de temperatura, agitação intermitente e regime de batelada alimentada. No terceiro experimento, à medida que o biodigestor foi carregado, um sensor de temperatura ligou a resistência, bem como o agitador para a manutenção da temperatura em torno de 35 a 37°C. A alimentação de processo durante o terceiro experimento foi feita por uma bomba auxiliar que funcionava dosando regularmente o líquido para dentro do biorreator na proporção necessária a cada teste, permitindo a operação em regime contínuo.
A saída do gás ocorreu por uma tubulação feita na parte superior do tanque (Figura 27), ligada a uma mangueira conectada a um sistema de recolhimento de amostra (bolsa coletora).
Figura 27. Sistema de saída do biogás para recolhimento, utilização e/ou medição.
Para coleta do biogás utilizou-se uma bolsa coletora que dispõe de um sistema de válvula de retenção ao mesmo tempo em que permite uma retirada do conteúdo com seringa para análise posterior (Figura 28).
Figura 28. Bolsa coletora de amostra de biogás.
3.4.5. Avaliação do Biodigestor no Tratamento da Água do Ribeirão dos Müller
A avaliação do biorreator foi dividida em três experimentos, conforme observação do comportamento do mesmo em relação ao substrato, bem como as adequações mecânicas necessárias ao bom funcionamento do equipamento. As datas estão apresentadas na Figura 29.
08/08/2011 01/03/2012
Figura 29. Cronologia dos experimentos realizados durante a operação do biorreator.
O primeiro experimento visou observar o comportamento do biorreator à temperatura ambiente, variação compreendida entre 15 a 25°C, com agitação intermitente diária por 15 minutos a 40 rotações por minuto, com água proveniente do Ribeirão dos
Müller, sem inoculação de lodo, considerando apenas a possibilidade de fermentação da matéria orgânica (em suspenção) em ambiente anaeróbio e a retenção da mesma pela camada superior de brita. O biorreator teve seu volume completado com água do Ribeirão dos Müller e a alimentação foi feita diariamente através da caixa receptora em pulsos, com uma proporção de 400 litros dia, sistema denominado batelada alimentada. A primeira análise começou no dia 17/08/2011 seguindo até o dia 18/10/2011, sendo realizadas 25 coletas correspondendo a 28 dias de operação.
No segundo experimento, iniciado em 21/10/2011, buscou-se corrigir as deficiências encontradas no primeiro experimento. A fim de acelerar o processo de biodegradação, adicionou-se 300 L de lodo adensado da unidade da SANEPAR do bairro Santa Quitéria. A resistência foi ligada e controlada por um termostato acoplado à caixa de comando elétrica do biorreator, regulando-se a temperatura entre 35°C + 2 °C (variação de dois graus conforme sensibilidade do termostato), temperatura esta compreendida dentro da faixa adequada para o desenvolvimento de microrganismos mesófilos (ver item Temperatura, 2.4.6), agitação e adição de água do ribeirão na proporção de 250 L.dia-1. Considerou-se também a possibilidade de eluição ou caminhos preferenciais do efluente e para verificação, foi realizada uma retirada de amostra do meio do biorreator denominada análise da torneira. O experimento foi finalizado no dia 19/12/2011.
Devido às dificuldades no controle de temperatura apresentadas no segundo experimento e os resultados não terem demonstrado efeito de biodegradabilidade dos resíduos, iniciou-se o terceiro experimento no dia 11/01/2012, em que se modificou a forma de alimentação de pulso para dosagem contínua considerando que a quantidade de resíduos em suspenção, na água do Ribeirão dos Müller, foi insuficiente para ocorrer a biodigestão para o tipo de biorreator desenhado, no período de tempo estabelecido. Desta forma, adicionaram-se resíduos alimentares do refeitório universitário na proporção de 1 kg.dia-1. A temperatura e o agitador foram sincronizados para evitar a formação de gradiente de temperatura dentro do biorreator, a alimentação passou de intermitente à contínua com a finalidade de manter constante a concentração de substrato orgânico na proporção de 100 L.dia-1 na fase de adaptação e de 350 L.dia-1 quando o mesmo estivesse completo. A ambientação do lodo foi realizada de forma gradual, onde buscou-se favorecer a adaptação dos microrganismos ao meio. No dia 02/02/2012 foi fixado o primeiro saco amostrador para armazenamento do gás proveniente do biorreator, pois já se percebia a produção de biogás,
sendo que no dia 16/02/12 o biorreator estava cheio e iniciaram-se as análises. No dia 04/03/2012 o experimento foi finalizado.
3.4.6. Monitoramento do Sistema de Tratamento
O monitoramento do sistema foi feito por meio da análise de variáveis físico-químicas de amostras coletadas na entrada e saída do biodigestor, tais como: pH, Alcalinidade Total, Acidez Volátil, Sólidos Totais, Sólidos Voláteis e DQO.
3.4.6.1. Determinação do pH
A verificação do pH foi realizada utilizando-se um pHmetro de bancada da marca Microtécnica (TCP01), eletrodo marca SensorGlass (SC 09), calibrado semanalmente com soluções tampão padrão pH= 4 e 7 (APHA, 2005).
3.4.6.2. Determinação de Alcalinidade e Acidez Volátil
A determinação de alcalinidade e ácidos voláteis totais foi realizada através do método titulométrico e potenciométrico. A alcalinidade de uma solução corresponde a medida da sua capacidade de neutralizar ácidos, resistindo às mudanças de pH ou tamponando o sistema. Os principais íons responsáveis pela alcalinidade em meios aquosos sob tratamento anaeróbio são: HCO3
-, CO3
e OH-,cujas concentrações são funções do pH. O valor da alcalinidade foi expresso em mg CaCO3/L (usado para padronizar ácidos) (DILALLO e ALEBERTSON, 1961).
3.4.6.3. Determinação de Sólidos Totais
A determinação do teor de sólidos totais em amostras de água, expresso em mg/L, foi realizada através do método gravimétrico.
Na determinação dos sólidos totais, as amostras homogêneas foram evaporadas em cápsulas previamente pesadas e secas a peso constante a uma temperatura de 103-105ºC em
estufa de secagem (Marca Quimis). O aumento de peso da cápsula corresponde aos sólidos totais, também denominados de resíduo total (APHA, 2005).
3.4.6.4. Determinação de Sólidos Voláteis
Para determinar o teor de sólidos voláteis em amostras de água, expresso em mg/L, utilizou-se o método gravimétrico, determinados pela porção do sólido total, filtrável ou não filtrável, que se perde na calcinação da amostra a 550 ± 50 ºC em mufla (Marca Quimis) por 1 h (APHA, 2005).
3.4.6.5. Determinação da DQO
Para determinação de altas concentrações de DQO entre 200 mg/L e 5060 mg/L foi utilizada uma solução mais concentrada de dicromato de potássio, que a recomendada pelo APHA (2005), o que possibilitou aumentar a faixa de trabalho do método de determinação da demanda química de oxigênio.