Engenharia Ambiental
SISTEMA DE TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUÁRIAS DE LATICÍNIOS
DAIRY WASTEWATER TREATMENT SYSTEM
Jéssica Santos Almeida1, Laisa Vieira De Sousa1, Enoque Pereira Da Silva 2 1 Acadêmicas do Curso de Engenharia Ambiental
2 Professor Doutor do Curso de Engenharia Ambiental
Resumo: As indústrias de laticínios possuem como em toda indústria a necessidade de obter uma gestão que busca inovações no que se diz respeito ao resíduo gerado em todo o processo em si. Os resíduos de laticínios possuem alta carga orgânica e alto potencial poluidor em corpos hídricos provenientes de diversas etapas como lavagens de pisos e equipamento que arrastam resíduos de leite e seus derivados incluindo também produtos de limpezas, daí a necessidade de se encontrar mecanismos de tratamento que levam, não somente à redução desses resíduos, como também à devolução de uma água mais pura ao meio ambiente, aliando o reuso da água em diversas aplicações. O objetivo deste trabalho foi analisar os principais tratamentos aplicado a águas residuais industriais de laticínios. As tecnologias mais utilizadas no tratament o de efluentes são os métodos biológico e físico-químico, bem como microorganismos benéficos, microalgas, coagulantes, dentre outros. No entanto, digestão anaeróbia é um processo biológico que é aplica-se neste tipo de água, porque tem maior vantagem em relação a outros tratamentos no mais alto grau de estabilização e baixo crescimento de biomassa. As águas residuais de laticínios apresentam elevados níveis de sólidos dissolvidos ou suspensos, incluindo gorduras, óleos e nutrientes, como amônia, minerais e fosfatos. Ao decorrer do trabalho nota-se que o processo de tratamento de águas residuárias de laticínios mais eficaz vem a ser o biológico, porque alteram a matéria orgânica produzindo diversos gases que são utilizados como fonte de energia.
Palavras-chave: águas residuárias, laticínios, tratamento.
Abstract: The dairy industries have, as in any industry, the need to obtain a management that seeks innovations with regard to the waste generated in the entire process itself. Dairy residues have a high organic load and high polluting potential in water bodies from different stages such as washing floors and equipment that drag milk residues and their derivatives, also including cleaning products, hence the need to find treatment mechanisms that lead , not only to reduce these residues, but also to return purer water to the environment , combining the reuse of water in several applications. The objective of this work was to analyze the main
Como citar esse artigo:
ALMEIDA, Jéssica Santos; SOUSA, Laísa Vieira; SILVA, Enoque Pereira.
SISTEMA DE TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUÁRIAS DE LATICÍNIOS. Anais do 3° Simpósio de TCC, das faculdades FINOM e Tecsoma. 2020; 617-630
treatments applied to industrial wastewater from dairy products. The most used technologies in the treatment of effluents are biological and physical-chemical methods, as well as beneficial microorganisms, microalgae, coagulants, among others. However, anaerobic digestion is a biological process that is applied in this type of water, because it has a greater advantage over other treatments in the highest degree of stabilization and low biomass growth. Dairy wastewater has high levels of dissolved or suspended solids, including fats, oils and nutrients, such as ammonia, minerals and phosphates. Throughout the work, it is noted that the most effective dairy wastewater treatment process turns out to be the biological one, because they alter the organic matter producing various gases that are used as an energy source.
Keyword: wastewater, dairy, treatment.
Contato: jessica.almeida@soufinom.com.br , laisa.sousa@soufinom.com.br
Introdução
A industrialização é essencial para o desenvolvimento de um país, mas a poluição gerada é uma preocupação séria em todo o mundo. A redução e o controle do consumo de água dos países industrializados estão ligados a otimização dos processos de tratamento de águas residuais industriais e domésticas.
Atualmente, há um interesse global em evitar ou reduzir os efeitos da poluição no Meio Ambiente, contudo, incontáveis contaminações continuam a ocorrer, especialmente porque grande parte dos efluentes gerados em processos de produção industrial são difíceis de remediar através de tratamentos convencionais (MATOS et al., 2010).
O setor de alimentos é um dos ambientes que consomem mais água produzem mais efluentes por unidade de produção. Águas residuais de laticínios são difíceis de tratar devido à presença de moléculas orgânicas muito complexas, como proteínas, carboidratos e lipídios; isso torna os métodos de tratamento convencionais caros e demorados. O objetivo do tratamento de águas residuárias de laticínios é remover poluentes, principalmente nitrogênio e fósforo, dos riachos, para que os efluentes tratados se tornem seguros para serem lançados no meio ambiente (MATOS et al., 2010).
Uma grande variedade de espécies bacterianas participa da oxidação de compostos orgânicos complexos em águas residuais, incluindo hidrolisadores, fermentadores e acidogênicos (PEREIRA, 2010).
A indústria de laticínios gera entre 3.739 e 11.217 milhões de metros cúbicos de resíduos por ano, ou seja, 1 a 3 vezes o volume do leite processado, sendo assim uma das maiores fontes de efluentes industriais em muitos países. Além disso, parte das águas residuais pode infiltrar-se no subsolo e afetar sua qualidade (TIKARIHA; SAHU, 2014).
O custo anual de tratamento e eliminação de esgoto em uma fábrica de laticínios está cada vez mais onerosa. A remoção de água potável está se tornando em muitos aspectos um problema de ordem econômica e social na indústria de processamento de laticínios. Quase todas as fábricas de produtos lácteos enfrentam o mesmo problema de tratamento, eliminação e uso de águas residuais (PEREIRA, 2010).
Os efluentes do laticínio apresentam resíduos sólidos e matéria orgânica, incluindo leite desperdiçado e água de limpeza, desinfecção, aquecimento, resfriamento e lavagem de pisos. As taxas de fluxo e conteúdo de matéria orgânica nestes efluentes variam entre 800 a 7.000 mg.L-1 demanda química de oxigênio (DQO). Este tipo de água requer tratamentos especializados para atender aos padrões de descarga de efluentes e para reduzir o risco de impactos ambientais em rios, lagos e águas costeiras (MATOS et al., 2010).
Estações de tratamento de água tradicionais de resíduos das indústrias de laticínios baseiam-se principalmente em processos de lama ativado, consistindo em tratamentos por quais águas residuais e lamas biológicas são misturados e aerados em um reator que envolve metabolismo aeróbio da gordura microbiana, lactose e proteínas, o tratamento anaeróbico, que muitas vezes é inibido por presença de gorduras que causam a eliminação de nutrientes (KONIG; LIMA; CEBALLOS, 2000).
Existem métodos físico-químicos, como desemulsificação, flotação, microeletrólise e processos de oxidação avançados, que podem ser usados para tratamento de água de resíduos lácteos, mas o alto consumo de energia e poluição secundária restringem as suas aplicações na engenharia de tratamento de águas residuais. Pelo contrário, os processos
biológicos estão mais focados aos tratamentos de águas residuais porque eles são econômicos e ecológicos e altamente eficientes (SUÁREZ, FIDALGO E RIERA, 2014).
O objetivo do presente trabalho foi analisar os principais tratamentos aplicados às águas residuais da indústria de laticínio, utilizando de sistemas biológicos, e o uso de reatores UASB como um sistema de tratamento.
Materiais e Métodos
Os procedimentos metodológicos consistiram em levantamento bibliográfico para a coleta de dados e compreensão do tema abordado na pesquisa. Para a fundamentação teórica foram utilizados livros, artigos científicos, teses e dissertações, disponibilizadas em meio impresso e digital.
A abordagem do problema é qualitativa, tendo em vista que o objeto de estudo não exige quantificação bastando tão somente à análise crítica dos dados que foram levantados por meio da pesquisa bibliográfica (MINAYO, 2010).
Resultados e Discussão Composição de água de resíduos leiteiros
A água residual, produto da unidade de processamento do leite, é gerada principalmente na pasteurização, homogeneização do leite líquido e na produção de laticínios como manteiga, queijo, leite em pó, entre outros. O volume, a concentração e a composição do efluente de uma fábrica de laticínios dependem do tipo de produto que está sendo processado, do cronograma de produção e dos métodos de operação e projeto da fábrica de processamento (PEREIRA, 2010).
A água residual de laticínios é semelhante à maioria das outras águas residuais de agroindústrias, caracterizada por uma alta demanda biológica de oxigênio (DBO) entre 2.000 e 3.000 mg.L-1 e uma DQO entre 2.000 e 4.000 mg.L-1, concentrações que representam alto conteúdo orgânico e altos níveis de sólidos dissolvidos ou suspensos, que
incluem gorduras, óleos e nutrientes como amônia, minerais e fosfatos (KONIG; LIMA;
CEBALLOS, 2000).
Eles são geralmente neutros ou ligeiramente alcalinos, mas têm tendência a se tornarem ácidos muito rapidamente devido à fermentação do açúcar do leite, produzindo ácido lático, especialmente na ausência de oxigênio e a formação simultânea de ácido butílico, baixando o pH para 4,5 - 5.0. A alta concentração de matéria orgânica nas águas residuárias causa problemas de contaminação no entorno, necessitando de tratamento antes de ser despejada em corpos d'água (CATÃO, 2000).
A maior parte da água é utilizada para limpeza em sistemas (CIP) e com o auxílio de bombas, essa água transporta soluções de limpeza por todos os equipamentos instalados no sistema de produção. A limpeza utiliza solução cáustica (hidróxido de sódio) para lavagem, enxágue com água, solução ácida (ácido fosfórico ou nítrico) para lavagem e, por fim, hipoclorito de sódio como desinfetante. Esses produtos químicos acabam se tornando parte das águas residuais (ARANGO E SÁNCHEZ, 2009). Grande parte da água é usada para limpar fábricas de processamento de laticínios; portanto, o efluente resultante pode conter detergentes, desinfetantes, bases, sais e matéria orgânica, dependendo da fonte (LIMA, 2013).
Alguns autores como Arango e Garcés, (2007) e Arango (2012) consideram que a DQO das águas residuais da indústria de laticínios se deve à composição, principalmente a sua quantidade de gordura, por isso é sempre economicamente favorável separar as gorduras utilizando armadilhas de gordura e, se estas aparecerem junto com os princípios ativos na forma emulsionada, são separadas por meio de flotação.
Alguns estudos contemplam a caracterização de efluentes leiteiros industriais.
Rosa et al. (2008) obtiveram resultados médios de DQO na ordem de 5000 mg de O2 / L e pH de 7, com valores extremos de 3 e 11 na limpeza das instalações. A composição dessas águas inclui substâncias dissolvidas como lactose, sais minerais e suspensões de proteínas coloidais (caseína, albuminas e globulinas) com DQO entre 2.000 e 4.000 mg.L-1 / L e DBO entre 2.000 mg.L-1 / L e 3.000 mg.L-1.
Por sua vez, Mazzucotelli et al.(2014) indicaram que as águas residuárias da indústria de laticínios são altamente poluentes, e que esse tipo de resíduo normalmente apresenta um DBO de 1000 a 6000 mg O2 / L, com uma razão DBO / DQO = 0,52, em comparação com Kushwaha, Srivastava e Mall (2010) que caracterizaram águas residuais de laticínios, relatando valores de DBO de 2300 mg.L-1 e Andrade et al. (2014) que obtiveram valores de 1120 mg.L-1 de DBO na aplicação de nanofiltração de água residuária de laticínios usando um biorreator de membrana.
Por fim, Andrade, Motta e Amaral, (2013) realizaram estudos utilizando um biorreator com membrana de microfiltração, aplicado ao tratamento de efluentes, simulando a água branca produzida no processo de limpeza dos equipamentos utilizados na produção de queijos, e observaram uma concentração de DQO no efluente que variou de 800 a 1200 mg.L-1.
Tratamentos de águas residuais da indústria leiteira
A quantidade de água residual gerada por um produto lácteo é de 2 a 3 L de água residual / kg de produto. Essas águas residuais podem ser tratadas por métodos tradicionais de tratamento aeróbio, químico ou por irrigação simples (PEREIRA, 2010).
Os métodos convencionais de tratamento de águas residuais, tanto para águas residuais municipais quanto para a indústria de laticínios, dependem fortemente de fontes de energia não renováveis. As águas residuais de laticínios são geralmente tratadas por métodos biológicos e físico-químicos. Os últimos são geralmente mais caros (RIERA et al., 2013).
Uma das principais alternativas para melhorar o funcionamento de estações de tratamento de efluentes em laticínios é a utilização de microrganismos benéficos (MB), misturas de fungos, bactérias e leveduras. Os MB são uma alternativa ao problema ambiental da poluição das águas, pois estes MB podem utilizar os compostos poluentes presentes nas águas residuárias como fonte de carbono e energia para seu metabolismo e crescimento (HERRERA E CORPAS, 2013).
Diferentes bactérias compõem a mistura MB, como Lactobacillus spp., que produz ácido láctico, que mata microrganismos nocivos e ajuda na decomposição de materiais como a celulose. Outro gênero de MB é Saccharomycetes spp., cujos compostos são substratos úteis para bactérias de ácido láctico (CATÃO, 2000).
Microorganismos eficientes como o SCD EMTM também têm sido usados, que é uma cultura mista de micróbios benéficos naturais compostos por bactérias lácticas, leveduras, actinomicetos e outras séries de microorganismos, que quando usados no tratamento de águas residuais e entram em contato com partículas, secretam substâncias como, vitaminas, ácido láctico, quelatos e minerais que desenvolvem o processo de decomposição da matéria orgânica e previnem a deterioração por oxidação (PEREIRA, 2010).
Córdoba (2009) relatou valores de remoção superiores a 80% após a aplicação do SCD EMTM no tratamento de águas residuais domésticas, com valores de DBO e DQO de 41 mg.L-1 e 76 mg.L-1, respectivamente. Na China e na Índia, "microrganismos eficazes"
têm sido aplicados para melhorar a estabilidade e a eficiência das estações de tratamento de águas residuais de lodo ativado. O uso da tecnologia EM ajuda a reduzir o volume de lodo; também reduz significativamente os custos operacionais da planta (MATOS et al., 2010).
Os processos de tratamento biológico incluem o tratamento em lagoas, plantas de lodo ativado e tratamento anaeróbio. Por sua vez, métodos físico-químicos como coagulação, tratamento eletroquímico, adsorção, entre outros, não são capazes de degradar e eliminar totalmente os contaminantes, principalmente os compostos orgânicos dissolvidos. Atualmente o método físico-químico mais utilizado é o da coagulação- floculação em que se pretende formar aglomerados de partículas poluentes presentes em suspensão ou dissolvidas, formando macroagregados para posteriormente serem removidos por sedimentação ou filtração (PEREIRA, 2010).
Entre os vários processos de tratamento físico-químico para resíduos da indústria de laticínios, a adsorção tem se mostrado o mais atraente para a remoção de compostos
orgânicos de águas residuais. O carvão ativado (CA) é geralmente usado como um adsorvente para tratar vários tipos de águas residuais.
Biotratamento de água na indústria de leite
Existe um interesse crescente no tratamento de águas residuais de laticínios, e a maioria dos estudos tem se concentrado no uso de fungos e bactérias para reduzir a carga orgânica de suas águas residuais (MATOS et al., 2010).
As aplicações práticas da biodegradação de poluentes por algas permanecem incertas e devem ser investigadas mais detalhadamente. No entanto, nos últimos anos tem sido relatado sobre a capacidade desses microrganismos de biotransformar e biodegradar fenol e outros poluentes, sugerindo que esses organismos poderiam ser potencialmente usados no tratamento biológico de solos e águas contaminados (LIMA, 2013).
A fauna aquática considerada para uso no tratamento de águas residuais inclui protozoários, cladóceros e uma grande variedade de peixes, mariscos, ostras e lagostas.
Embora abundante em águas residuais, a contribuição dos protozoários para o tratamento de águas residuais foi considerada insignificante até recentemente. Protozoários em cultura pura e bactérias auxiliam tanto na clarificação do efluente quanto na formação de lodo. A ausência de protozoários em plantas em grande escala se traduz em qualidade inferior e turva do efluente (CATÃO, 2000).
Atualmente o uso de microalgas no tratamento e reciclagem de águas residuais tem despertado grande interesse devido à geração excessiva de biomassa a um custo mais barato e sem aporte adicional de nutrientes, mas a aplicabilidade dos bioprocessos na proteção ambiental e nos processos de tratamento de águas residuais da indústria de laticínios é baseada na investigação da forma como os microrganismos atuam na reciclagem de águas residuais, poluição do ar e recuperação de chão. Nesse contexto, a modelagem de bioprocessos de tratamento de efluentes, especialmente de processos biotecnológicos utilizados para o tratamento de efluentes e resíduos orgânicos, torna-se uma necessidade (PEREIRA, 2010).
A digestão anaeróbia é um processo de tratamento biológico de águas residuais em vários estágios pelo qual as bactérias, na ausência de oxigênio, decompõem a matéria orgânica em dióxido de carbono, metano e água (LIMA, 2013). Devido às suas vantagens sobre os processos aeróbicos em termos de um maior grau de estabilização de águas residuais, baixo crescimento de biomassa e necessidades nutricionais, produção de metano e nenhuma necessidade de oxigênio, a digestão anaeróbia é uma alternativa viável para o tratamento de águas residuais da indústria de laticínios (SILVA; EYNG, 2013).
Tratamentos anaeróbios
O tratamento anaeróbio de efluentes laticínios industriais possui alto índice de matéria orgânica facilmente hidrolisada, o que dificulta a estabilidade do sistema, uma vez que a fase de acidificação ocorre de forma excessivamente rápida, principalmente quando altas taxas de velocidade de carregamento orgânico são aplicadas nos reatores (ARANGO E SÁNCHEZ, 2009).
A principal limitação do tratamento de soro de queijo reside na grande facilidade de acidificação, principalmente quando são utilizadas altas taxas de carregamento orgânico, onde as fases acidogênica e metanogênica se estendem em direção à parte superior do reator, causando a instabilidade do sistema. Essa instabilidade do processo metanogênico durante o tratamento anaeróbio do soro de queijo pode ser causada pela grande quantidade de compostos ácidos gerados pela fermentação da lactose. A presença e o acúmulo desses ácidos produzem uma diminuição do pH, promovendo o crescimento de bactérias acetogênicas e inibindo a atividade metanogênica (PEREIRA, 2010).
Os processos biológicos anaeróbios têm sido amplamente aplicados no tratamento de águas residuais agroindustriais, como as provenientes da fabricação de bebidas alcoólicas, laticínios e carnes. Esses métodos são mais eficazes e econômicos quando os compostos orgânicos biodegradáveis estão em alta concentração.
De acordo com Silva; Eyng (2013) algumas vantagens do processo anaeróbio nos resíduos da indústria de laticínios são: produção de metano (gás combustível usado como fonte de energia); menor consumo de energia em relação aos tratamentos aeróbicos,
resultando em menores custos operacionais; a fração de matéria orgânica convertida em células bacterianas é relativamente baixa (em torno de 10%) em relação ao tratamento aeróbio (em torno de 50%), o que significa que a quantidade de lodo biológico formado é menor e, portanto, menos problemas disposição dos mesmos; as unidades de tratamento são fechadas evitando a geração de odores; tolerância a altas cargas orgânicas e, finalmente, na digestão anaeróbia, a matéria orgânica é transformada pela ação de microorganismos anaeróbios e facultativos em dióxido de carbono e gás metano, embora as reações que ocorrem sejam complexas.
Tabela comparativa das principais vantagens e limitações dos processos aeróbio e anaeróbio.
PROCESSO AERÓBIO PROCESSO ANAERÓBIO
VANT AGENS
LIMITAÇÕE S
VANTAG ENS
LIMITAÇÕE S
Elevad a eficiência
Substancial investimento de
capital
Baixa produção de lodo
(5 a 10) vezes menor
A partida do sistema pode ser lenta na ausência
de lodo de semeadura
Baixos requisitos de
área
Alto custo operacional
Baixo consumo de
energia
Dificuldade em satisfazer
padrões de lançamento restritivos
Flexibil idade operacional
Supervisão contínua
Baixa demanda diária
Possibilidad e de maus odores
(podendo ser controlados)
Boa resistência a
carga de choque
Possibilida de de resíduos
aerossóis
Baixo custo de implantação
Possibilidad e de efluente com
aspecto desagradável
Menor possibilidade
de insetos e mau odores
Necessida de de tratamento
do lodo e da sua disposição
Requer menor quantidade de
nutrientes
Possibilid ade de preservar a biomassa sem alimentação por vários meses
Fonte: adaptado de Chemicharo (1997) e von Sperting (1997).
A tabela acima apresenta alguns parâmetros que fazem a distinção dos dois processos. Gerando a percepção de que o mais indicado e mais eficaz vem a ser o processo anaeróbio por ser mais viável economicamente e também em relação ao tratamento de águas residuárias em si.
Conclusão
Entre os métodos mais recomendados para águas residuárias de laticínios estão os tratamentos biológicos como a digestão anaeróbia e o lodo ativado, que vem a ser o mais recomendado, porque alteram a matéria orgânica produzindo diversos gases que são utilizados como fonte de energia.
Pôde-se constatar que a aplicação de microrganismos eficientes auxilia no processo de decomposição da matéria orgânica, melhorando as características físico-químicas das águas residuárias. Porém, a digestão anaeróbia continua sendo um processo com mais vantagens do que o uso de algas, coagulantes e outros processos de tratamento, pois produz um maior grau de estabilização e baixo crescimento de biomassa.
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