I Simpósio Internacional sobre Gerenciamento de Resíduos de Animais
Tratamento de Dejetos de Animais
11 a 13 de Março de 2009 – Florianópolis, SC – Brasil
REMOÇÃO DE NITROGÊNIO DA ÁGUA RESIDUAL DE
DIGESTOR ANAERÓBICO DE DEJETOS DE SUÍNOS EM
REATOR AERÓBICO DE BIOGRÂNULOS
1
2
3
3
4
Pujol, S.B.* ; Hübner, A.P. ; Aita, C. ; Giacomini, S.J. ; Ballem, A. ;
5
5
Schirmann, J. ; Leal, L.T.
1
Doutorando em Ciência do Solo da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM),
Av. Roraima 1000, CEP 97105-900, Santa Maria – RS, Brasil, [email protected]
2
Engº Agrônomo, Dr. em Ciência do Solo, (in memorian)
3
Engº Agrônomo, Prof. Dr., UFSM, [email protected]; [email protected]
4
Acadêmico(a) do Curso de Ciências Biológicas, UFSM, [email protected]
5
Acadêmico(a) do Curso de Agronomia, UFSM, [email protected]; [email protected]
Resumo
A concentração de animais em pequenas áreas, como ocorre na suinocultura,
gera grande volume de resíduos, os quais são potenciais poluentes do ambiente. No
Rio Grande do Sul, várias propriedades suinícolas utilizam o processo de
biodigestão anaeróbica das dejeções para o aproveitamento energético do metano
produzido e como meio de reduzir o impacto ambiental. Porém, a água residual
(efluente) do processo de digestão anaeróbica, se despejada em cursos d’água,
pode causar poluição, pois ainda apresenta Demanda Química de Oxigênio (DQO) e
nitrogênio (N), sendo os teores de N amoniacal maiores que dos dejetos in natura.
Este trabalho avaliou a aplicação da nova tecnologia de biogrânulos aeróbicos, em
reator seqüencial em batelada (RSB), na remoção do nitrogênio da água residual de
digestor anaeróbico alimentado com dejetos de suínos. Para tanto, foi conduzido um
experimento com biogrânulos, previamente desenvolvidos, no Laboratório de
Microbiologia do Solo e do Ambiente, UFSM. O RSB foi operado por 88 dias, com
três ciclos diários de oito horas, sendo que em cada ciclo havia fases seqüenciais
distintas: sem aeração, com aeração e sem aeração. Foram avaliadas a estabilidade
dos biogrânulos, a eficiência do processo na remoção de Nitrogênio Total Kjeldahl
(NTK) e os níveis de N inorgânico no efluente final. Os biogrânulos mostraram-se
estáveis ao longo do período, tendo o sistema obtido eficiência média de remoção
de 72 % para NTK e N amoniacal. Houve acúmulo de N nítrico no reator, indicando a
necessidade de estudos futuros para propiciar a remoção desta forma de N.
Palavras-chave: biotecnologia, efluente de biodigestor, remoção de poluentes.
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NITROGEN REMOVAL OF THE WASTEWATER ANAEROBIC DIGESTER
OF PIG SLURRY IN GRANULES AEROBIC REACTOR
Abstract
Animal concentration in small areas, as it happens in swine production,
produces large amounts of waste, which are potential pollutants to environment. In
the state of Rio Grande do Sul, several pig livestock properties use anaerobic
digestion for waste treatment, whether it be for energetic employment of the methane
or as a way to reduce environmental impact. However, the wastewater (effluent) of
this process, if dumped in current water, can cause pollution because of its Chemical
Oxygen Demand (COD) and nitrogen (N), being ammonium N levels higher than the
slurries in natura. This study evaluated the application of the new technology of
aerobic granules, in sequential batch reactor (SBR), in the removal of wastewater
nitrogen from anaerobic digester fed with pig slurries. For that, a study was done in
the Soil and Environment Microbiology Laboratory, UFSM. The SBR was operated for
88 days, with three daily cycles of 8 h, with different sequential stages: without air
supply, with air supply and without air supply. The stability of the granules, the
efficiency of the process as far as the removal of Total Kjeldahl Nitrogen (TKN) and
inorganic N levels in the final effluent were evaluated. The aerobic granules were
stable in the period, and the system showed average removal efficiency of 72 % for
TKN and ammonium N. Nitric N was accumulated in reactor, indicating the necessity
of future studies to obtain its removal.
Key-words: biotechnology, digester effluent, pollutants removal.
Introdução
A criação de animais em confinamentos é uma característica atual da
agropecuária brasileira, responsável por boa parte do PIB do país, notadamente
para a produção de suínos, aves e bovinos, sendo denominada de Sistema de
Produção de Animais Confinados (SPACs). No entanto, essa concentração de
animais em pequenas áreas pode acarretar em conseqüências graves para o
ambiente.
As dejeções (fezes + urina) dos suínos criados em confinamento, juntamente
com a água para dessedentação animal e a de lavagem das baias e, ainda, aos
restos de rações formam a água residual da suinocultura. Esta apresenta elevada
concentração de poluentes.
Em geral, poucos processos de tratamento são utilizados para reduzir o
potencial poluente dos dejetos de suínos, principalmente devido aos custos
inerentes (Perdomo et al., 2001). Dentre os processos disponíveis estão: lagoas (de
estabilização, anaeróbica e de plantas), digestores anaeróbicos e reatores.
No Estado do Rio Grande do Sul (RS) tem ocorrido um aumento no número
de propriedades suinícolas que utilizam o processo de digestão anaeróbica. Os
biodigestores proporcionam a geração de renda ao produtor através da venda de
créditos de carbono bem como energia, ambos pela produção do gás metano (CH4).
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Porém, no efluente desse processo permanecem vários dos problemas inerentes
aos dejetos de suínos, como elevadas concentrações de nitrogênio (N) e fósforo (P)
capazes de provocarem contaminação de diversos ambientes e, inclusive, a
eutrofização de corpos d’água. Assim, torna-se necessário o tratamento dos
efluentes de biodigestores anaeróbicos.
Com esse propósito, o reator seqüencial em batelada (RSB) com a
biotecnologia de grânulos aeróbicos parece ser uma alternativa para a realização do
tratamento de diferentes tipos de efluentes. Biogrânulos aeróbicos, células
bacterianas altamente organizadas em estrutura única, são caracterizados por
apresentarem elevada eficiência na remoção de poluentes (Hübner, 2008). Todavia,
pesquisas nessa área são ainda inéditas no Brasil, evidenciando a necessidade de
aprofundar o conhecimento científico nessa linha de pesquisa.
A partir do exposto, buscou-se neste estudo avaliar a estabilidade de
biogrânulos aeróbicos, em reator seqüencial em batelada, e a eficiência do processo
na remoção de nitrogênio da água residual suinícola digerida anaerobicamente.
Material e Métodos
Água residual (efluente) de digestor anaeróbico, obtida em uma granja de
suínos localizada no município de Santa Rosa, noroeste do Estado do RS, foi
utilizada como afluente do reator aeróbico de biogrânulos. Essa granja gera 200
3
m /dia de efluentes. O efluente coletado foi levado ao laboratório, sendo
homogeneizado e armazenado em galões plásticos à 1°C. O pH do material era 7,7
e a relação carbono:nitrogênio (C:N) 0,83.
O sistema foi operado em um reator seqüencial em batelada (RSB), contendo
biomassa de grânulos aeróbicos, no Laboratório de Microbiologia do Solo e do
Ambiente do Departamento de Solos, Universidade Federal de Santa Maria (UFSM),
Santa Maria – RS, Brasil. O reator (coluna de vidro borossilicato) possui 28,27 cm2
de área e um volume útil de 2.262 mL, sendo realizadas trocas de 50% do volume a
cada ciclo de operação. Três ciclos de 8 h foram constituídos por fases com e sem
aeração. A aeração foi suprida por três bombas de aquário. A seqüência de
operação dos ciclos foi: alimentação concomitante com a primeira fase sem aeração
do sistema (120 minutos), movimentação e “reação” da biomassa granular através
da fase aeróbica (324 min), segunda fase sem aeração (30 min), ressuspensão e
pressão de seleção com aeração (2 min), rápida sedimentação (2 min) e descarga
do efluente (1 min). As etapas de operação eram reguladas e acionadas através de
um timer digital.
Biogrânulos aeróbicos provenientes do trabalho de Hübner et al. (2006) foram
utilizados como inóculo no início do experimento.
Durante o período experimental o tempo de retenção hidráulico (TRH) foi
constante em 16 h. A alimentação do reator (entrada do afluente) era realizada pela
parte superior, onde também havia um sistema acoplado para a retenção de espuma
e a coleta de gases. A descarga do efluente tratado no reator era realizada por uma
válvula lateral.
Diariamente foram realizadas três coletas de efluente do reator em cone
Imhoff, do qual era retirada uma amostra do sobrenadante, após 15 min de
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sedimentação, para análises de Nitrogênio Total Kjeldahl (NTK), N amoniacal
(N-NH4+ + N-NH3) e N nítrico (N-NOx- = N-NO3- + N-NO2-), conforme descrito por
Tedesco et al. (1995). A estabilidade dos biogrânulos foi avaliada apenas
visualmente, em microscópio estereoscópico.
Resultados e Discussão
A concentração de NTK do afluente do reator foi demasiadamente elevada no
início das operações, próxima a 900 mg/L. Apesar da alta concentração, a eficiência
de remoção média de NTK foi satisfatória (72,4%), verificado na Figura 1,
equivalendo a uma remoção diária de 535,4 g/m3/dia de NTK.
A remoção do N obtida neste trabalho é similar àquela encontrada por Deng
et al. (2006) em RSB não granular. Contudo, faz-se ressalva ao resultado alcançado
neste estudo devido à utilização única e exclusiva de água residual da suinocultura
digerida anaerobicamente, enquanto a remoção obtida por Deng et al. (2006) só
ocorreu após a adição, no reator, de dejetos de suínos in natura na proporção 1:2.
Embora o reator tenha sido operado com eficiência sempre superior a 65 %, mesmo
sob carga elevada, os teores residuais de NTK no efluente permaneceram elevados,
com concentração variável de 78,7 a 196,0 mg/L.
Dentre as formas residuais de NTK contidas no efluente, o maior percentual
do NTK (84%) é devido ao N amoniacal, enquanto que o N na forma orgânica
corresponde a apenas 16%. Torna-se evidente, portanto, que a eficiência de
remoção de NTK foi limitada pelos processos de remoção de N amoniacal, isto é,
basicamente pela nitrificação. Na Figura 2 pode-se observar a remoção desta forma
de N inorgânico.
Mesmo sob elevada carga de N amoniacal (618 g/m3/dia), aplicadas
diariamente ao reator, um valor médio de aproximadamente 72% pôde ser removido
da solução, evidenciando a eficiência do sistema em reduzir esta forma de
nitrogênio.
Os valores de N-NOx- do efluente correspondem a 66% de todo o N
amoniacal removido da solução, o que evidencia que a nitrificação foi o principal
processo de remoção desse poluente. Embora não avaliado, o restante da remoção
do N amoniacal deve ter ocorrido pelos processos de nitrificação/desnitrificação e/ou
por imobilização pela biomassa microbiana (lodo). Além disso, parte do N amoniacal
pode ter saído do sistema por volatilização, especialmente no início de cada ciclo de
operação do reator.
Conclusões
A biomassa granular mostrou-se viável para o uso como inóculo, além de
manter a estabilidade mesmo após elevadas concentrações de N amoniacal.
Biogrânulos aeróbicos, em reator seqüencial em batelada, proporcionaram
elevada eficiência de remoção de NTK e N amoniacal (maior que 72%). Entretanto,
o teor de N amoniacal no efluente tratado ainda permanece elevado, bem como
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houve acumulação de N-NOx-, evidenciando a necessidade de tratamento
complementar ou de melhoria no mesmo.
Literatura Citada
DENG, L-W.; ZHENG, P.; CHEN, Z-A. Anaerobic digestion and post-treatment of
swine wastewater using IC–SBR process with bypass of raw wastewater. Process
Biochemistry, v. 41, p. 965-969, 2006.
HÜBNER, A.P. Reator aeróbico de biogrânulos e lagoa de aguapé como
biotecnologia para o tratamento de águas residuais da suinocultura. 164 f. Tese
(Doutorado em Ciência do Solo). Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria,
RS. 2008.
HÜBNER, A.P. et al. Desenvolvimento de biogrânulos aeróbicos para o tratamento
de dejetos líquidos de suínos. Anais... FERTBIO, Bonito, MS – 2006.
PERDOMO, C.C.; de LIMA, G.J.M.M.; NONES, K. Produção de suínos e meio
ambiente. Seminário Nacional de Desenvolvimento da Suinocultura, 9.
Gramado, RS, 25 a 27 de abril, 2001.
TEDESCO, M.J. et al. Análises de solo, plantas e outros materiais. Departamento de
Solos, Faculdade de Agronomia. UFRGS. Porto Alegre, RS. (Boletim técnico, n° 5)
2ª ed. 215 p., 1995.
Figura 1. Nitrogênio Total Kjeldahl (NTK) na água residual da digestão anaeróbica de dejetos de
suínos (afluente) e após tratamento em reator aeróbico de biogrânulos (efluente).
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Figura 2. Nitrogênio amoniacal (afluente e efluente), acúmulo de N nítrico (N-NOx-) e remoção de N
amoniacal em reator aeróbico de biogrânulos.
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