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USO DE REATOR UASB TRATANDO ÁGUA RESIDUÁRIA DA SUINOCULTURA

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Uso de reator uasb tratando água

residuária da suinocultura

Aruani Letícia da Silva Tomoto1; Ana Carolina Monteiro Landgraf2; Lucas Eduardo Ferreira da Silva3; Eudes José Arantes4;

Thiago Morais de Castro5;

1 Estudante do Curso de Engenharia Ambiental da Universidade Tecnológica Federal do Paraná; E-mail: arutomoto@hotmail.com; 2 Estudante do Curso de Engenharia Ambiental da Universidade Tecnológica Federal do Paraná; E-mail: analandgraf@alunos.utfpr.edu.br; 3 Estudante do Curso de Engenharia Ambiental da Universidade Tecnológica Federal do Paraná; E-mail: lucas.2013 alunos.utfpr.edu.br; 4 Professor do Curso de Engenharia Ambiental da Universidade Tecnológica Federal do Paraná; E-mail: eudesarantes@utfpr.edu.br; 5 Professor do Curso de Engenharia Ambiental da Universidade Tecnológica Federal do Paraná; E-mail: engenheirothiagocastro@gmail.com;

RESUMO

Na economia atual e nacional, a suinocultura é uma das cadeias produtivas que mais se desenvolveu. No entanto, por concentrar dejetos em pequenas áreas, produz grandes vo-lumes de água residuárias e essas são consideradas poluidoras do solo, ar e água. A água residuária de suinocultura possui em sua composição: sólidos em suspensão e dissolvidos, matéria orgânica, nutrientes (nitrogênio e fósforo); são esses elementos que fazem com que a água seja poluída e necessite de tratamento. Uma maneira de tratar a água residuária de suinocultura é utilizando o reator Anaeróbio de Manta de Lodo (UASB). Dessa forma, o objetivo desse trabalho é avaliar a eficiência do reator UASB por meio das análises fí-sico-químicas, monitorando o tratamento de águas residuárias de suinocultura. O reator UASB mostrou-se bastante eficiente na remoção de sólidos voláteis, porém apresentou uma eficiência baixa na remoção de demanda química de oxigênio (DQO).

Palavras-chave: Saneamento; Tratamento de efluentes; Análises físico-químicas.

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Use of uasb reactor treating swine

farming wastewater

ABSTRACT

In the national and today economy, the pig farming is one of the productive chains that has been the most developed. However, by concentrating manure in small areas, it produces large amounts of wastewater and these are considered soil, air and water polluters. The swine farming wastewater has in its composition: suspended and dissolved solids, organic matter, nutrients (nitrogen and phosphorus); these are the elements that pollute the water and make necessary the treatment. One way to treat wastewater of swine farming is using the Upflow Anaerobic Sludge Blanket reactor (UASB). Therefore, the aim of this study is to assess the efficiency of the UASB through physical-chemical analysis, monitoring the swine farming wastewater treatment. The UASB reactor proved to be effective in removing volatile solids, but it had a low efficiency in the removal of chemical oxygen demand (COD).

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1 INTRODUÇÃO

No cenário da economia nacional, a suino-cultura é uma das cadeias produtivas que mais se desenvolveu, ocupando um lugar expressivo no agronegócio. O rebanho bra-sileiro de suínos em 2011 correspondia a 39.306.718 cabeças, sendo o estado do Para-ná o mais representativo com 13,9% dessa produção, contudo, tal atividade econômi-ca é considerada pelos órgãos de controle ambiental como de alto potencial poluente (GONÇALVES, 2012; SEAB, 2013).

Rodrigues (2009) afirma que a suinocultura, por concentrar dejetos em pequenas áreas, produz grandes volumes de águas residu-árias com considerável potencial poluidor para o solo, o ar e água. Esse tipo de efluen-te é composto de sólidos em suspensão e dissolvido, matéria orgânica, nutrientes (nitrogênio e fósforo), agentes patogênicos, metais pesados e sais diversos, justificando seu alto poder poluidor.

A água residuária de suinocultura (ARS), apesar de ser poluidora, pode ser usada na fertilização de lavoura, gerando ganhos econômicos para o produtor rural, porém para que isso ocorra, o correto manejo e tratamento dos dejetos suínos devem ser valorizados no processo produtivo, exigin-do critérios para a escolha da tecnologia e o nível de tratamento desejado (RECH, 2015). Segundo Lima (2010), as águas residuárias de abatedouros são ricas em nutrientes e molé-culas orgânicas biodegradáveis, constituídas, geralmente, de elevados níveis de gordura e proteínas, as quais apresentam substâncias com baixo coeficiente de biodegradabilida-de. Esse efluente, quando não tratado, indi-ca níveis de demanda químiindi-ca e bioquímiindi-ca

de oxigênio (DQO E DBO) elevado.

Em muitos países, os efluentes provenientes da produção animal são considerados a prin-cipal fonte de poluição dos corpos hídricos, superando os índices industriais que outrora eram elencados como os grandes causadores de degradação ambiental (CAMPOS, 2001). Uma técnica utilizada para tratar a ARS é pelo uso de reatores biológicos, sendo o UASB, que em inglês refere-se a “upflow anaerobic sludge blanket”, traduzindo significa Reator Anaeróbio de Manta de Lodo, pode ser cons-truído e operado a fim de minimizar os cus-tos do tratamento com taxas baixas de pro-dução de sólidos (CAMPOS, 2006). O UASB possui fácil operação, uma hidrodinâmica eficiente (comparado a outros sistemas con-vencionais) e boa adaptação às condições climáticas do Brasil (RODRIGUES, 2009). O reator UASB possui como função o uso do processo biológico de tratamento com biomassa dispersa, no qual os compostos orgânicos são biodegradados e digeridos por meio de uma transformação anaeróbia, o que promove a produção de biogás e a manutenção de um consócio de microrga-nismos (LOURENÇO; CAMPOS, 2009). Segundo Foresti (1995), o reator UASB apresenta alta capacidade de retenção de biomassa no sistema, o que possibilita uti-lizar altos tempos de retenção dos micror-ganismos, baixa produção de lodo, suporta altas cargas orgânicas, há baixa necessidade de adição de nutrientes, bem como elevada estabilidade em situações de variações nas características da ARS. Os custos de cons-trução, instalação e operação comparados aos de sistemas de tratamento aeróbios são relativamente baixos.

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Considerando esse contexto, o objetivo des-se trabalho é analisar a eficiência do reator UASB para o tratamento da ARS, submeten-do análises de caracterização físico-química da ARS antes e após tratamento no reator, como também a caracterização do lodo.

2 METODOLOGIA

As análises foram realizadas no Laborató-rio de Saneamento da Universidade Tecno-lógica Federal do Paraná (UTFPR), campus Campo Mourão.

2.1 Aparato Experimental

O conjunto utilizado na pesquisa incluindo o reator UASB em escala piloto utilizado no presente trabalho foi confeccionado pela empresa Oscartec Soluções em Equipamento Ltda. na cidade de São Carlos/SP (Figura 1).

Figura 1: Reator UASB em escala de

banca-da construído em plexiglass.

Fonte: Cruz (2013).

O reator foi confeccionado por uma coluna cilíndrica de plexiglass, possuindo um di-âmetro interno de 0,15 m e altura de 1,22 m. O reator possui uma capacidade volu-métrica de 22 L, sendo adotado o volume útil de 21 L.

A alimentação do reator UASB de fluxo as-cendente com água residuária de suinocul-tura foi realizada por meio de uma bomba dosadora da marca Provitec® modelo AWG 5000 ABS, sendo o efluente armazenado em uma bombona plástica de PEAD com capacidade para 50 L.

Como consequência do uso de um reator anaeróbio, ocorre o processo de digestão anaeróbia, a qual promove um processo biológico de decomposição da matéria or-gânica biodegradável na ausência de oxi-dante externo.

O processo de digestão é desenvolvido por uma sequência de ações realizadas por uma gama muito grande e variável de bactérias, no qual se podem distinguir quatro fases subsequentes: hidrólise, acidogênese, ace-togênese e metanogênese (CHERNICHARO, 2007). Tem-se, então, uma cadeia sucessiva de reações bioquímicas, onde, inicialmen-te, acontece a hidrólise ou quebra das mo-léculas de proteínas, lipídios e carboidratos até a formação dos produtos finais, essen-cialmente gás dióxido de carbono.

2.1 Operação e Monitoramento do Reator

Para a operação do reator UASB inicialmen-te foi realizada uma inoculação com 7 L de lodo do biodigestor anaeróbio da granja de suínos (33% da capacidade útil), e o volu-me útil foi completado com a ARS. Após este procedimento de enchimento,

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rizado como batelada, a bomba de alimentação foi desligada, esperou-se uma semana para aclimatação da biomassa e, após esse período, deu início a operação do reator com ali-mentação contínua por meio da ligação da bomba com vazão aproximada de 1,05 L.h-1 e em um Tempo de Detenção Hidráulica (TDH) de aproximadamente 20 horas. A operação foi realizada em temperatura ambiente.

O monitoramento do desempenho do reator foi avaliado em cada etapa de operação por meio de determinação, sem frequência definida de parâmetros físico-químicos (Tabela 1) em amostras do afluente e efluente. Os parâmetros utilizados na avaliação da eficiência de tratamento com o uso do reator UASB foram: alcalinidade, ácidos voláteis, demanda química de oxigênio e sólidos totais, fixos e voláteis.

Tabela 1: Parâmetros analisados e metodologia empregada na avaliação do

comporta-mento do reator UASB.

Parâmetros Método de Análise Referência

pH Potenciométrico Eaton et al. (2005)

Demanda Química de Oxigênio (mg.L-1) Espectrofotométrico Eaton et al. (2005)

Alcalinidade (mgCaCO3.L-1) Titulométrico Ripley et al. (1986)

Ácidos voláteis (mgHAc.L-1) Titulométrico Dillalo e Albertson (1961)

Sólidos totais (mg.L-1) Gravimétrico Eaton et al. (2005)

Sólidos fixos (mg.L-1) Gravimétrico Eaton et al. (2005)

Sólidos voláteis (mg.L-1) Gravimétrico Eaton et al. (2005)

Fonte: Autor.

Com o intuito de avaliar a eficiência de remoção dos sólidos, foram coletadas 24 amos-tras da ARS tratada, por meio do coletor automático da marca ISCO série 6712 Portable Samplers, o intervalo proposto de uma amostra para outra foi de 1,15 min. Para avaliar as outras análises, coletaram-se manualmente as amostras.

3 RESULTADOS E DISCUSSÃO

Nesse tópico são apresentados os resultados obtidos das análises realizadas na caracteriza-ção da ARS, do lodo, das amostras da ARS afluente e efluente do reator para avaliacaracteriza-ção da eficiência do reator UASB na digestão da ARS.

3.1 Caracterização da Água Residuária de Suinocultura

Para a caracterização da água residuária são apresentados os resultados da estatística des-critiva das amostras (Tabela 2) com os valores das variáveis: pH, temperatura do líquido (TL), série de sólidos, alcalinidade a bicarbonato (AB), ácidos voláteis (AV), matéria or-gânica em termos de DQO (bruta e filtrada), nitrogênio total Kjedhal (NTK), nitrogênio amoniacal (N-amon), nitrogênio orgânico e fósforo.

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Tabela 2: Caracterização da água residuária de suinocultura.

PARÂMETROS RESULTADOS

Temperatura (ºC) 26,93

pH 8,76

Alcalinidade a bicarbonato (mgCaCO3.L-1) 3.320,00

Ácidos voláteis (mgHAc.L-1) 1.508,52

DQO bruta (mg.L-1) 6.734,74

DQO filtrada (mg.L-1) 3.002,47

Sólidos Suspensos Totais (mg.L-1) 3.451,25

Sólidos Suspensos Voláteis (mg.L-1) 2.461,66

Sólidos Suspensos Fixos (mg.L-1) 1.146,78

Sólidos Totais (mg.L-1) 9.010,50

Sólidos Totais Voláteis (mg.L-1) 6.016,50

Sólidos Totais Fixos (mg.L-1) 2.994,00

NTK (mg.L-1) 662,48

N-amon (mg.L-1) 476,00

Nitrogênio orgânico (mg.L-1) 186,48

P-total (mg.L-1) 219,14

Fonte: Autor.

Para um tratamento anaeróbio adequado, é desejável que o pH esteja em uma faixa de 6,7 e 8,0, já que os ácidos orgânicos estão em forma ionizada (não tóxicos), quando o pH diminui os ácidos graxos voláteis estão menos desassociados (tóxicos) (CAMPOS, 1999). Os ácidos voláteis estão intimamente ligados ao pH, o seu equilíbrio no sistema é um bom indicador do funcionamento adequado de um reator anaeróbio. Quando há valores de pH baixos, a quantidade de ácidos é alta, o que causa falência do processo, assim, espera-se que o sistema mantenha as taxas dos ácidos voláteis equilibradas. Segundo Rech (2015),

os ácidos voláteis podem estar em uma faixa aproximada de 900 a 2.900 mgHAc.L-1.

Pereira e Campos (2009) afirmam que, em grande parte dos estudos práticos, uma

alcalini-dade entre 2.500 e 5.000 mgCaCO3.L-1 é suficiente para alcançar um adequado poder

tam-pão no sistema. Assim, com uma média da alcalinidade de 3.320,00 mgCaCO3.L-1, a ARS

apresentou-se dentro do intervalo sugerido, contribuindo com o processo de metanificação. O teste da demanda química de oxigênio propõe medir o consumo de oxigênio ocorrido durante a oxidação química de matéria orgânica, como a ARS detêm muita matéria

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nica, é esperado que as taxas de DQO sejam altas, a DQO bruta média da ARS utilizada

obtida foi de 6.734,74 mg.L-1.

Comparando a quantidade de SST com Rodrigues (2009), verifica-se que os valores

en-contrados diferem-se, uma vez que o valor médio do autor é de 900 mg.L-1 enquanto que

o da ARS estudada foi de 3.451,25 mg.L-1. Para os valores de SSV, a diferença também é

significante, com 700 mg.L-1 apresentado pelo autor e 3.686,67 mg.L-1 da ARS analisada.

Essa diferença pode ser explicada pela composição predominante da matéria orgânica.

Para Campos (2006), a quantidade de ST correspondeu a 2.490 mg.L-1, com uma diferença

expressiva da encontrada nessa análise, que foi de 9.010,50 mg.L-1, dessa forma, pode-se

observar grande quantidade de sólidos.

3.2 Caracterização do Inóculo

No sistema UASB, o inóculo é adicionado no fundo do reator, formando ali uma manta de lodo e, normalmente, possui uma biomassa com alta atividade metanogênica (GONÇAL-VES, 2012). São apresentados os resultados obtidos na caracterização do inóculo (Tabela 3). Nota-se que a concentração média de sólidos totais (ST), sólidos totais voláteis (SVT) e

sólidos suspensos totais (SST) foram de apenas 3.047,04; 2.034,57 e de 1.220,25 mg.L-1,

respectivamente. Esta concentração é inferior à utilizada por Fernandes e Oliveira (2006),

com concentração de SST de 7.131 mg.L-1 e com concentração de SVT do lodo de inóculo

de 41.000 mg.L-1.

Tabela 3: Caracterização do lodo.

PARÂMETROS RESULTADOS

Sólidos Totais (mg.L-1) 3.047,04

Sólidos Totais Voláteis (mg.L-1) 2.034,57

Sólidos Totais Fixos (mg.L-1) 1.012,47

Sólidos Suspensos Totais (mg.L-1) 1.220,25

Sólidos Suspensos Voláteis (mg.L-1) 832,45

Sólidos Suspensos Fixos (mg.L-1) 387,80

Fonte: Autor.

3.3 Monitoramento do Reator UASB Tratando ARS

Com o intuito de avaliar a eficiência do reator UASB no tratamento da ARS, realizou-se um resumo dos resultados obtidos na entrada (afluente) e saída (efluente) do reator (Tabe-la 4). Esta etapa de operação foi compreendida do início da operação do reator UASB com vazão afluente 1,05 L.h-1 e um TDH de aproximadamente 20 horas.

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Tabela 4: Resumo dos resultados obtidos no tratamento de ARS em reator UASB. PARÂMETROS AFLUENTEN X N X EFLUENTEDP Mín. Máx.

pH 3 7,85 3 7,67 - - -Alc.bicarbonato (mgCaCO3.L-1) 6 347,33 6 315,67 - - -Ácidos voláteis (mgHAc.L-1) 5 55,92 6 65,60 - - -DQO bruta (mg.L-1) 12 9.963,20 12 9.299,00 960,00 8.212,20 11.424,30 % remoção DQO bruta - - - 6,66 - - -ST (mg.L-1) 3 9.010,50 24 3875,60 473,70 3445,00 4610,00 STF (mg.L-1) 3 2.994,00 24 2093,30 263,00 1530,00 2535,00 STV (mg.L-1) 3 6.016,50 24 1782,30 437,40 1090,00 2620,00 % de remoção média STV - - - 70,37 - - -SST (mg.L-1) 3 3.451,25 - - - - -SSF (mg.L-1) 3 915,00 - - - - -SSV (mg.L-1) 3 3.686,67 - - - -

-Legenda: Número de amostras (N); Média (X); Desvio padrão (DP); Valor mínimo (Mín.); Valor máximo

(Max.). Fonte: Autor.

O valor do pH obteve um resultado satisfatório tanto na entrada como na saída, uma vez que esteve na faixa ideal de 6,0 a 8,0. A estabilidade e o valor do pH em reatores anaeróbios são importantes devido a: uma taxa elevada de metanogênese só pode ocor-rer quando o pH permanece dento de uma faixa restrita e se o pH estiver abaixo de 6,3 e 7,8, a atividade metanogênica pode diminuir. O equilíbrio iônico dos sistemas ácidos/ base presente no sistema de tratamento está interligado ao valor do pH (VAN HAANDEL; LETTINGA, 1994).

Segundo Rodrigues (2009), o valor máximo e mínimo da alcalinidade no efluente utili-zando o reator UASB no tratamento da água residuária de suinocultura foi de 370 e de 80

mgCaCO3.L-1, respectivamente, tendo uma boa capacidade de tamponamento do reator,

já os valores obtidos nesse estudo para o efluente foi de 315,67 mgCaCO3.L-1, mesmo com

uma pequena redução entre o valor do efluente, nota-se que a alcalinidade permaneceu praticamente constante, indicando uma boa capacidade de tamponamento e não acidifi-cação do meio.

Os ácidos voláteis indicam os compostos a partir dos quais a maior parte do metano é pro-duzida, através das bactérias metanogênicas. No trabalho de Campos (2006), o valor

encon-trado para o afluente foi de 60 mg.L-1 e efluente de 56 mg.L-1, comparando os valores

obti-dos de 55,92 mg.L-1 para o afluente e 65,60 mg.L-1. Neste trabalho, observa-se um pequeno

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vez que as concentrações de alcalinidade se mantiveram praticamente constante.

De acordo com Neves (2012), utilizando o reator UASB, as concentrações máximas para o efluente foram de 4486, 1950 e 2536

mg.L-1 respectivamente para ST, STF e STV.

As concentrações obtidas nesse estudo

fo-ram de 3.875,6; 2.093,3 e 1.782,3 mg.L-1

para ST, STF e STV, respectivamente. No tratamento da ARS em UASB, houve uma eficiência de remoção de STV de 70,37%, indicando que o reator mostrou-se eficien-te para a remoção deseficien-tes sólidos e, possivel-mente, para a produção de biogás.

Os valores médios da DQO obtidos por Ro-drigues (2009) estão em uma faixa de 900

a 1.800 mg.L-1. O autor cita que esses

valo-res são obtidos devido à alta concentração de sólidos na água residuária. Comparando com os valores da DQO no presente estu-do, a quantidade de sólidos também é alta e isso pode explicar o valor do afluente

pró-xima a 10.000 mg.L-1.

A remoção de DQO no sistema foi muito bai-xa, um pouco acima de 6%, isto indica que possivelmente o inóculo (lodo) utilizado não estava adequado para o sistema. Observa-se que a concentração de sólidos suspensos

vo-láteis de 832,45 mg.L-1 no lodo foi

conside-rada baixa, sabe-se que esse valor é indicado para estimar a concentração de micro-orga-nismos que irão atuar na degradação da ma-téria orgânica que é estimada pela DQO.

4 CONSIDERAÇÕES FINAIS

Nestes ensaios preliminares, notou-se que o sistema utilizando o reator UASB

apresen-tou um resultado positivo para a redução de sólidos voláteis, com eficiência de 70,37% de remoção e um resultado negativo para a remoção de DQO, com eficiência próxima a 6%, um valor considerado muito baixo. Considerando os resultados obtidos, de maneira geral, o sistema utilizando o reator UASB é considerado, em diversas pesquisas, adequado para o tratamento de águas resi-duárias com altas cargas de matéria orgâni-ca, porém, neste trabalho, não foi obtido o sucesso esperado e isso pode ser explicado pelo lodo, que foi coletado erroneamente por funcionários da granja.

Durante a pesquisa houveram problemas técnicos com a bomba utilizada, que even-tualmente oscilava a vazão de funciona-mento e em alguns mofunciona-mentos parava de funcionar, sendo necessário que ela fosse reiniciada. Outra possibilidade de causa para uma não eficiência esperada pode es-tar relacionada ao não controle de tempe-ratura, pois o indicado para este tipo de tra-tamento é a manutenção da temperatura na faixa mesófila, entre 20 e 45ºC, porém como o reator atuou em temperatura am-biente e durante o inverno houveram tem-peraturas médias diárias abaixo de 20oC, possivelmente houve uma inibição da ati-vidade microbiológica.

Dessa forma, pode-se concluir que o rea-tor UASB possui um bom potencial para o tratamento da água residuária de suinocul-tura, sendo necessário um controle maior na coleta e na qualidade do lodo, buscan-do um inóculo mais adequabuscan-do, bem como o uso de um controlador de temperatura, para manter o sistema em fase mesófila.

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Imagem

Figura 1: Reator UASB em escala de banca- banca-da construído em plexiglass.
Tabela 1: Parâmetros analisados e metodologia empregada na avaliação do comporta- comporta-mento do reator UASB.
Tabela 2: Caracterização da água residuária de suinocultura.
Tabela 3: Caracterização do lodo.
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