UNIVERSIDADE DE RIBEIRÃO PRETO
Centro de Ciências Exatas, Naturais e Tecnológicas
Curso de Mestrado Profissionalizante em Tecnologia
Ambiental
DELINEAMENTO DAS CONDIÇÕES BIOLÓGICAS E
FÍSICO-QUIMICAS PARA BIODIGESTÃO DE VINHAÇA
WILLIAN PAULO GRACIANO
Ribeirão Preto
2007
Livros Grátis
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UNIVERSIDADE DE RIBEIRÃO PRETO
Centro de Ciências Exatas, Naturais e Tecnológicas
Curso de Mestrado Profissionalizante em Tecnologia
Ambiental
DELINEAMENTO DAS CONDIÇÕES BIOLÓGICAS E
FÍSICO-QUIMICAS PARA BIODIGESTÃO DE VINHAÇA
Dissertação
apresentada
a
Universidade de Ribeirão Preto ao
centro de Ciências Exatas, Naturais
e Tecnológicas, para obtenção do
título de Mestre em Tecnologia
Ambiental.
Orientador (a): Profª. Drª. ELOISA APª. MOCHEUTE KRONKA
Orientando: Willian Paulo Graciano
Ribeirão Preto
2007
DEDICATÓRIA
A minha mãe Elizabeth, pelos bons princípios que me
ensinou, minha irmã Tatiana e minha sobrinha Ester (purguinha)
por tolerarem minha ausência em momentos importantes devido a
minha pesquisa.
A minha namorada Cláudia por apoiar e incentivar em
todos os momentos de minha pesquisa e acima de tudo ter a
tolerância de estar junta nos momentos de mau humor e
impaciência que não foram poucos.
A Deus, o grande arquiteto do mundo.
AGRADECIMENTO
A professora Drª. Eloisa Mocheute Kronka, que sempre soube descer os
degraus de saber, como bem sabe os grandes, e doou, além de sua sabedoria
seu apoio respeitando sempre as diferenças e conduzindo com experiência
meu trabalho.
Ao professor Msc. Rodrigo Latenze que foi o pilar para construção desse
trabalho, oferecendo sua indispensável colaboração em todos os momentos e
hoje acima de tudo o considero um grande amigo.
A Professora Drª. Leonice com muita serenidade deixava suas dicas que
foram de extrema valia e acima de tudo sempre transmitiu-me confiança
A Mscª. Fernanda e a futura Mscª. Flávia que sem elas não teria
concluído minha pesquisa.
Aos professores do mestrado, pelos ensinamentos.
A banca examinadora, Profº Dr. Paulo Sérgio Pereira e Profª. Dr. Odila
Rigolin de Sá, pelas importantes sugestões dadas para melhoria desta
pesquisa.
A secretária Cecília, pelo profissionalismo e atenção sempre presentes.
Aos colegas de curso e os colegas de laboratório, Ronny e Takao, pelo
incentivo, amizade e colaboração nas diversas fases de trabalho e em especial
ao meu amigo de curso Rogério Queiroz, que foi meu companheiro de viagem
e pessoa a qual sempre me deu forças não só com palavras, mas
principalmente com gestos.
SUMÁRIO
Sumário
i
Lista de Figuras
iv
Lista de Tabelas
vi
Lista de Abreviaturas e Símbolos
vii
RESUMO
viii
ABSTRACT
iv
1 INTRODUÇÃO
01
2 OBJETIVOS GERAIS
03
2.1 Objetivos Específicos
03
3 REVISÃO DA LITERATURA
04
3.1 Cana-de-açúcar
04
3.2 Composição química da cana-de-açúcar
05
3.3 Alguns dos principais elementos químicos encontrados na Vinhaça
06
3.3.1 Carbono
06
3.3.2 Nitrogênio
08
3.3.3 Fósforo
09
3.4 Resíduos como fonte energética no Brasil
10
3.5 Microbiologia do solo envolvida na biodegradação
13
3.5.1 Microrganismos relacionados ao processo de contaminação da
14
Fermentação Alcoólica
3.6 Evoluções da Legislação da disposição da vinhaça e águas residuarias
15
3.7 Tecnologias para tratamento e disposição da vinhaça
20
3.7.1 Aerobiose
20
3.7.2 A reciclagem na fermentação
21
3.7.3 Fertirrigação
21
3.7.4 Disposição da vinhaça ao solo
23
3.7.5 Incineração da vinhaça
23
3.7.6 Produção de levedura a partir da vinhaça
23
3.7.7 Utilização da vinhaça na construção civil
24
3.7.8 Fabricação de ração animal a partir da vinhaça
24
3.7.9 Digestão anaeróbia
25
3.7.10 Biodigestão anaeróbia da vinhaça
25
3.7.11 Disposição da vinhaça no solo
29
3.7.11.1 Efeitos Biológicos
29
3.7.11.2 Efeitos Químicos
29
3.8 Microbiologia
30
3.9 Fatores que influenciam no processo de biodigestão anaeróbia
33
3.10 Métodos para identificação de bactérias
37
4 MATERIAIS E MÉTODOS
38
4.1 Analises cromatográfica
38
4.1.1 Coleta do solo e preparo da amostra de solo
38
4.1.2 Experimento 1 - Analise cromatográfica dos solos coletados
38
4.1.3 Experimento 2 - Analise cromatográfica dos solos com
39
contaminação adicional de vinhaça
4.2 Ensaios Microbiológicos
39
4.2.1 Método de Coloração Gram.
39
4.2.2 Isolamento de Microrganismos em Cultura
40
4.3 Delineamento da digestão da vinhaça em diferentes condições por um
42
consórcio microbiano
4.3.1 Coleta do consórcio microbiano
42
4.3.2 Analise de DQO (demanda química de oxigênio)
43
4.3.3 Preparo do inoculo
43
4.3.4 Variação da temperatura
44
4.3.5 Variação do pH
44
4.3.6 Avaliação da melhor condição para biodigestão da vinhaça
45
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO
46
5.1 Caracterização físico-química da vinhaça na região de Ribeirão Preto
46
5.2 Analise cromatográfica
47
5.3 Análise Microbiológica
49
5.4 Digestão da vinhaça em diferentes condições por um consórcio
51
microbiano
5.4 1 Escolha do meio de cultura ideal para crescimento do consorcio
51
microbiano
5.4. 2 Variação da temperatura
52
5.4 3 Variação de pH
54
5.4.4 Avaliação das condições de temperatura e pH na biodigestão da vinhaça
56
6 CONCLUSÕES
57
7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFIAS
58
A
Figura 1
LISTA DE FIGURAS
Produção de vinhaça durante a safra em relação a produção de
2
álcool
Figura 2
Figura 3
Contaminação do meio sólido com método de estria composta
Produção de metano no experimento 1 em solos com diferentes
42
48
tempos de irrigação com vinhaça
Figura 4
Produção de metano no experimento 2 em solos com diferentes
49
tempos de irrigação com vinhaça
Colônias de Bastonetes Gram + em solo irrigado com vinhaça a 1 ano.
50
Figura 5 A
Magnitude de 40X.
Figura 5 B
Colônias de Bastonetes Gram + em solo nunca irrigado com
50
vinhaça, magnitude de 400 X
Figura 5 C
Colônias de Bastonetes Gram + em solo irrigado com vinhaça a 1
50
ano, magnitude de 1000 X
Figura 5 D
Colônias de Bastonetes Gram + em solo nunca irrigado com
50
vinhaça, magnitude de 400X
Figura 5 E
Figura 5 F
Coccus Gram + na vinhaça, magnitude de 400X
Coccus Gram + na vinhaça, magnitude de 1000X, utilizando óleo
51
51
de imersão
Figura 6
Figura 6 Placas inoculadas com amostra do consórcio microbiano (lodo).
52
A: meio BDA, B: meio MA, C e D: meio Pcye
Figura 7 A
Comportamento do consorcio microbiano inoculado em volume de 150mL
53
de vinhaça, temperatura de 55°C
Figura 7 B
Comportamento do consorcio microbiano inoculado em volume de 150mL
53
de vinhaça, temperatura de 37°C
Figura 8 A
Degradação da vinhaça pelo consorcio microbiano inoculado em volume
53
de 150mL de vinhaça, temperatura de 55°C
Figura 8 B
Degradação da vinhaça pelo consorcio microbiano inoculado em volume
53
de 150mL de vinhaça, temperatura de 37°C
Figura 9 A
Comportamento do consorcio microbiano inoculado em volume de 150
mL de vinhaça pH 4
54
Figura 9 B
Comportamento do consorcio microbiano inoculado em volume de 150
54
mL de vinhaça pH 4
Figura 10 A
Comportamento do consorcio microbiano inoculado em volume de 150Ml
55
de vinhaça pH 7, temperatura de 37°C
Figura 10 B
Comportamento do consorcio microbiano inoculado em volume de 150mL
55
de vinhaça pH 8, temperatura de 37°C
Figura 11 A
Degradação da vinhaça pelo consorcio microbiano inoculado em volume
55
de 150mL de vinhaça pH 7,0, temperatura de 37°C
Figura 11 B
Degradação da vinhaça pelo consorcio microbiano inoculado em volume
55
de 150mL de vinhaça pH 8, temperatura de 37°C
Figura 12 A
A Comportamento do consorcio microbiano inoculado em volume de
56
150mL de vinhaça pH 7, temperatura de 55°C
Figura 12 B
Degradação da vinhaça pelo consorcio microbiano inoculado em volume
de 150mL de vinhaça pH 7, temperatura de 55°C
56
LISTA DE TABELAS
Tabela 1
Quadro evolutivo das normas de leis de fiscalização da
15
disposição da vinhaça e águas residuárias
Tabela 2
Caracterização da vinhaça em um universo de 30 análises
realizadas entre 2005-2006
46
LISTA DE ABREVIAÇÕES
DQO
Demanda Química de Oxigênio
DBO
Demanda Bioquímica de Oxigênio
pH
Potencial Hidrogeniônico
IPT
Instituto de Pesquisa e Tecnológicas
Cetesb
CTC
Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental
Capacidade de troca catiônica
CONAMA
CONSELHO NACIONAL DO MEIO AMBIENTE
SISNAMA
Sistema Nacional de Meio Ambiente
AIA
Avaliação de Impacto Ambiental
RIMA
Relatório de Impactos Ambiental
IBAMA
Instituto Brasileiro de Meio Ambiente e dos Recursos Naturais
Renováveis
RESUMO
Com o desenvolvimento da indústria sucro alcooleira, no Brasil, tem-se o
aumento dos impactos ambientais causados pelos seus resíduos. Um dos
maiores problemas é o grande volume de vinhaça que é um resíduo líquido,
proveniente da produção do álcool, com elevada carga orgânica, grande
quantidades de sais e pH ácido, que é lançada na lavoura de cana de açúcar.
Este trabalho tem como principal objetivo avaliar parâmetros para a biodigestão
da vinhaça em áreas irrigadas, visando fornecer dados para um planejamento e
gerenciamento adequado na disposição da vinhaça em lavouras de cana de
açúcar. Foram identificados os parâmetros relevantes dentro deste processo,
tais como pH, temperatura e DQO com o intuito de monitorá-los e através
destes identificar quais as melhores condições da biodigestão da vinhaça. Foi
realizado um estudo, por cromatografia em fase gasosa, para identificação da
existência de metano antes e após o processo de fertirrigação no solo. Através
de um estudo microbiológico do solo, foi observado que o processo de
fertirrigação
com
a
vinhaça
não
promove
nenhuma
alteração
nos
microrganismos já presentes, porém, favorece a incidência de bactérias gram
positivas, que são prejudiciais ao processo da fermentação alcoólica.
Abstract
Due to the development of the sugar alcohol industry, there is an
increase on the environmental impacts caused by its residues. One of the
largest problems is the big volume of vinasse, which is a liquid residue that
comes from the production of alcohol with a high presence of organic material,
big quantities of salt and acid pH, which is thrown in the sugar cane crop. This
paper has as a principal objective the evaluation of parameters to the vinasse
digestion in irrigated areas, with the aim at providing data to an adequate
planning and managing to apply the vinasse in sugar cane crops. The relevant
parameters inside this process were identified, such as the pH, temperature,
and COD with the intention of monitoring them and through those identify which
the best conditions of the vinasse digestion are. A study by chromatography in
gas phase was carried out, to identify the existence of methane before and after
the process of irrigation of the soil. Through a micro biologic study of the soil, it
was noticed that the process of irrigation with the vinasse does not promote any
alteration in micro organisms already present, but it benefits the incidence of
gram positive bacteria, which are harmful to the alcoholic fermentation process.
1 INTRODUÇÃO
A vinhaça, conhecido líquido poluente e corrosivo, sempre foi um
problema nas destilarias de álcool, contudo, dado a sua riqueza em potássio,
matéria orgânica e teor de água, passou a ser aplicada na lavoura, com grande
sucesso econômico. Para tanto, normalmente, as empresas utilizam canais
sem revestimento para conduzir esse líquido aos pontos convenientes dos
canaviais, por meio do método de aspersão do tipo montagem direta. Em geral,
as destilarias dispõem de canal principal ou mestre, de onde o líquido é
distribuído a outros canais secundários, a partir dos quais é aplicado por
aspersão. A vinhaça é produzida e utilizada durante toda a safra canavieira
que, em geral, vai de maio a dezembro. Durante esse período e por conta dos
vários anos de aplicação, há infiltração da vinhaça pode atingir o lençol freático
e causar problemas de contaminação. Conforme a Figura 1, para cada litro de
álcool produzido tem-se uma geração de aproximadamente 13 L de vinhaça.
Para diminuição de gastos no transporte da vinhaça às lavouras,
algumas usinas vêm adotando o sistema de concentração da vinhaça para
diminuir seu volume. Tal procedimento representa, em alguns casos, a redução
em até 80% do volume total de vinhaça a ser fertirrigada. No entanto, esta
atividade promove, ao mesmo tempo, uma maior dificuldade de digestão do
resíduo, e um aumento do seu potencial poluidor.
De acordo com a Resolução CONAMA nº. 2 de 05/06/ 84 (Tabela 1),
que determina a realização de projetos para controle da poluição causada
pelos efluentes provenientes de destilarias de álcool e pela lavagem de cana,
faz-se
necessária
a
realização
de
estudos,
visando
monitorar
utilização
vinhaça
pode
a
biodegradabilidade da vinhaça no solo.
Desta
forma,
a
indiscriminada
trazer
conseqüências graves como a salinização e alterações dos microrganismos do
solo e a contaminação de águas subterrâneas. Diante da proporção de vinhaça
produzida e sua disposição no solo, esta pesquisa tem como finalidade o
estudo da decomposição da vinhaça, propondo meios para que se possa
minimizar seu potencial poluidor.
O gráfico logo abaixo, representa o aumento da vinhaça durante a safra
em relação a produção de álcool. Depois de três meses da atividade é atingido
os maiores valores da produção do álcool e conseqüentemente da vinhaça.
Isso se dá pelo fato do processo da produção de álcool ser realizado por
atividade de microrganismos e até esse período eles ainda estão em fase de
desenvolvimento.
álcool
vinhaça
Milhões de litros
2500
2000
1500
1000
500
90
70
50
30
10
8
6
4
2
0
0
Tempo (dias)
Figura 1 Produção de vinhaça durante a safra em relação a produção de álcool
Fonte: Hassuda (1989).
2 OBJETIVO GERAL
Avaliar parâmetros para a biodigestão da vinhaça, visando fornecer dados
para um planejamento e gerenciamento adequado na disposição da vinhaça
em lavouras de cana-de-açúcar.
2.1 Objetivos Específicos
•
Identificar se a produção de metano em solo fertirrigado com vinhaça é
relevante;
•
Analisar se a disposição da vinhaça pode alterar a população microbiana
do solo;
•
Identificar se os microrganismos presentes no solo são Gram positivos ou Gram negativos ;
•
Identificar o pH ideal para o processo de decomposição da vinhaça;
•
Verificar qual a melhor temperatura de decomposição;
•
Avaliar qual a eficiência de redução da DQO, no processo de
biodigestão da vinhaça.
3 REVISÃO DA LITERATURA
3.1 Saccharum officinarum (Cana-de-açúcar)
A cana-de-açúcar é considerada uma planta semi-perene, com ciclo
médio de quatro anos, desde o plantio até a renovação das áreas plantadas. A
planta pertence ao Gênero Saccharum, Família Poaceae, da classe das
Monocotiledôneas, sendo a única representante da Ordem Graminales. A
espécie Saccharum officinarum L. (cana nobre) é constituída de plantas eretas,
perenes, rizomatosas, com inflorescência formada por racemos arranjados em
grandes panículas, formando touceiras, e caule do tipo colmo. A maioria das
plantas atualmente cultivadas é híbrida de S. officinarum L. com outras
espécies de características mais rústicas (ARANHA & YAHN, 1987).
Dentre outras características, a cana-de-açúcar apresenta alta eficiência
fotossintética e ponto de saturação luminoso elevado (tipo C4). A temperatura
do ar exerce grande influência no crescimento dos colmos, sendo que a faixa
ótima varia entre 20oC e 35oC. O crescimento é lento abaixo de 25oC e nulo em
temperaturas inferiores a 19oC (CASAGRANDE, 1991; ALFONSI et al., 1987).
O cultivo da cana-de-açúcar estabeleceu-se sobre os mais diferentes
tipos de solos no território nacional, desde os solos de textura arenosa (a)
àqueles muito argilosos, bem como em solos com altos teores de matéria
orgânica. Ela é tolerante à acidez e à alcalinidade, desenvolvendo-se em solos
com pH desde 4,0 até 8,3, sendo o valor ótimo de pH 6,5.
Segundo Lamonica (2006), vinhaça é uma denominação empregada
indistintamente para o resíduo de destilação de uma solução alcoólica
chamada vinho, produzida pelo processo de fermentação alcoólica. O vinho é o
produto ou subproduto da fermentação alcoólica a partir de uma solução
açucarada chamada mosto que pode ser produzido pela fermentação de várias
culturas como a uva, a beterraba, a cana-de-açúcar ou até mesmo, do próprio
açúcar, mel e melaço. No Brasil a vinhaça produzida é oriunda da fermentação
do caldo de cana, mel e melaço, subprodutos da fabricação de açúcar.
A classificação padrão da vinhaça é feita segundo os componentes do
mosto, ou seja, melaço, misto ou caldo. Portanto, uma usina pode, em uma
mesma safra, apresentar vinhaça dos 3 tipos: com o melaço, com o caldo, ou
com uma mistura dos dois anteriores (caldo + melaço), denominada mista.
3.2 Composição Química da Cana-de-açúcar
Os carboidratos representam de 50% a 80% de matéria seca dos
vegetais enquanto os microrganismos apresentam em sua composição, cerca
de 60% de carbono orgânico. A idade e as espécies envolvidas são parâmetros
que podem promover variações nestes valores.
Os vegetais apresentam a celulose como polímero mais abundante
presente no processo de estruturação do protoplasma. Dentro de um único
vegetal observam-se variações significativas das concentrações de celulose.
Por exemplo, no lenho maduro observamos de 40% a 60% de celulose, nas
folhas em torno de 10%, no caule de 30% a 40%.
Já nas células animais, observa-se uma quantidade de carboidratos
menor do que em vegetais e microrganismos. O principal constituinte dos
animais são as glicoproteínas e em microrganismos a quitina é um composto
estrutural que só é superado pela celulose nos microrganismos.
Segundo Tauk (1990), grande parte destes elementos, quando
biodegradados, são transformados em CO2, e a quantidade de húmus, o pH e
a cobertura vegetal exercem pouca influência sobre o teor total de carbono
orgânico estabilizado.
O tipo de solo também exerce influência direta na
decomposição e fixação do carbono. Solos com características argilosas
apresentam melhores condições de fixarem carbono em sua estrutura, já
outros tipos de solos podem apresentar deficiências para essa fixação. Desta
forma, o composto é facilmente volatilizado ou até mesmo incorporado dentro
do protoplasma.
3.3 Alguns dos principais compostos químicos encontrados na vinhaça
3.3.1 Carbono
O ciclo do carbono é um dos principais ciclos em relação à vida humana,
pode ser encontrado na condição de CH4, CO2, CO.
O dióxido de carbono (CO2) no pool (reservatório) atmosférico é muito
pequeno, comparado com o de carbono dos oceanos e dos combustíveis
fósseis e de outros depósitos da crosta terrestre. Até o início da idade
industrial, os fluxos entre atmosfera, continentes e oceanos estavam
equilibrados. Porém, durante o
último século, o conteúdo de CO2 tem-se
elevado por causa de novas entradas antropogênicas. A queima de
combustíveis fósseis é, ao que parece, a principal fonte das novas entradas,
mas a agricultura e o desmatamento também contribuem.
A perda líquida de CO2 pode parecer surpreendente, isso ocorre porque
o CO2 fixado pelas culturas não compensa CO2 liberado do solo,
principalmente aquele que resulta de lavoura freqüente. O desmatamento
poderá liberar o carbono armazenado na madeira, principalmente se a madeira
for queimada imediatamente; e a isso se segue a oxidação do húmus, se a
terra for usada para a agricultura ou para desenvolvimento urbano.
Para Odum (1998), existem poucos estudos sobre a relativa contribuição
das várias atividades humanas para o enriquecimento atmosférico com CO2.
Segundo Woodwell et al. (1978) acredita-se que a destruição dos pools
(reservatórios) bióticos é tão importante quanto à queima de combustíveis
fósseis. Já Broecker et al.(1979), concluíram que estas fontes são muito
pequenas em relação à oxidação de combustíveis fósseis. Já Bolin et al. (1977)
tomam uma posição intermediária.
Na atmosfera existe ainda o carbono na forma de Monóxido de carbono
(CO) a um teor de aproximadamente 0,1 ppm, e o metano (CH4) cerca de 1,6
ppm. Como estas substâncias são gasosas, assim como o CO2, elas
apresentam um tempo de residência curto, cerca de 0,1 ano para o CO, 3,6
anos para o CH4 e 4 anos para o CO2. Tanto o CO quanto do CH4, originamse da decomposição incompleta ou anaeróbia da matéria orgânica; na
atmosfera, os dois se oxidam dando CO2. Uma quantidade de CO igual à que
se origina da decomposição natural está hoje sendo injetada no ar pela queima
incompleta de combustíveis fósseis, principalmente nas descargas de
automóveis. O monóxido de carbono, veneno fatal para os seres humanos, não
é uma ameaça global, mas torna-se um poluente que preocupa em áreas
urbanas, quando o ar está estagnado. Concentrações de até 100 ppm são
bastante comuns em áreas de trânsito intenso de automóveis. Quem fuma um
maço de cigarros por dia recebe até 400 ppm, o que reduz em 3 % a sua
oxiemoglobina, um estresse que pode levar à anemia, bem como a outras
doenças circulatórias relacionadas com o oxigênio. (ODUM, 1998).
Acredita-se que o metano tem uma função benéfica na manutenção da
estabilidade da camada ozônio da atmosfera superior, na qual age como
barreira contra a radiação ultravioleta letal de origem solar. Uma função
importante das terras inundáveis e das marés costeiras é a produção de
metano (ODUM, 1998).
3.3.2 Nitrogênio
Segundo Odum (1998), o nitrogênio é um elemento químico que possui
um processo de ciclagem complexo, precisando de uma série de bactérias.
Cada colônia de bactéria é responsável por realizar uma parte do processo.
Parte desse nitrogênio se transforma em amônia e nitrato, as formas mais
facilmente utilizadas pelas plantas verdes. A atmosfera, que contém 78% de
nitrogênio, é o maior reservatório e a válvula de escape do sistema. O
nitrogênio entra continuamente na atmosfera pela ação das bactérias
desnitrificantes e continuamente retorna ao ciclo pela ação das bactérias ou
algas fixadoras de nitrogênio (biofixação), por meio da radiação e por outras
formas de fixação física.
A atividade antropogênica promove o aumento de dois fluxos: a emissão
na atmosfera e a fixação industrial. Este último tipo de fluxo destina-se às
terras agrícolas, sob a forma de fertilizantes à base de nitrogênio. A fixação
atmosférica natural é menor que a biofixação, que se eleva pela cultura de
leguminosas. Como a quantidade de N2 atmosférico não tem mudado em
tempos recentes, acredita-se que as entradas e saídas (nitrificação e
desnitrificação) continuam equilibradas. Bactérias com Nitrosomonas (que
convertem amônia em nitrito) e Nitrobacter (que convertem nitrito em nitrato),
obtêm
energia
da
decomposição
química,
enquanto
as
bactérias
desnitrificantes e fixadoras de nitrogênio precisam de energia de outras fontes
para realizarem as suas transformações. (ODUM, 1998).
3.3.3 Fósforo
Para Odum (1998), o fósforo é um componente importante e necessário
para o protoplasma, e tende circular quando os compostos orgânicos
desintegram-se, finalmente, em fosfatos, que estão novamente disponíveis às
plantas. Porém, o grande reservatório de fósforo não é o ar, mas são as rochas
e outros depósitos que sofrem gradualmente erosão e liberam fosfatos para o
ecossistema. Entretanto, grande quantidade de fosfato escapa para o mar,
onde uma parte se perde nos sedimentos profundos. Os mecanismos de
devolução do fósforo ao ciclo podem ser insuficientes para compensar a perda.
Em algumas partes do mundo não está ocorrendo atualmente uma elevação
extensa de sedimentos, e o transporte de peixes do mar para a terra não é
suficiente para substituir o fósforo que flui da terra para o mar. As aves
marinhas desempenham um papel importante na devolução do fósforo para o
ciclo.
As atividades humanas aceleram a perda de fósforo. Embora se pesque
uma grande quantidade de peixes marinhos todo ano, estima-se que apenas
60.000 t de fósforo elementar são devolvidas anualmente para a litosfera.
Estima-se que de 1.000.000 a 2.000.000 t de rocha fosfatada é minerada e
utilizada em fertilizantes.
Segundo o autor acima, um procedimento experimental para a
reciclagem do fósforo “ladeira acima” implica o lançamento dos efluentes com
fósforo na vegetação de altitude, em vez de lançar o resíduo diretamente em
riachos e rios. O fósforo é um dos nutrientes mais escasso para as plantas.
3.4 Resíduos como fonte energética no Brasil
Além de ser uma estratégia de fonte alternativa de energia, a utilização
dos resíduos da agricultura como fonte de energia promove a diminuição do
seu potencial poluidor.
Os resíduos que se mostram mais apropriados para o pronto
aproveitamento são aqueles gerados no cultivo da cana-de-açúcar, da indústria
de papel e celulose, serragem e gravetos da indústria de móveis e madeira.
Mais de 300 Mt de bagaço de cana são produzidos anualmente no mundo. A
maior parte desse resíduo é utilizada para produção de energia nas usinas de
açúcar e álcool.
Um estudo de Larson & Kartha (2000) mostra que, em países em
desenvolvimento, a energia gerada pelos resíduos da cultura da cana,
descontada a parcela utilizada na obtenção de álcool e açúcar, pode significar
entre 15% e 20% do consumo de energia destes países, e em 2025, cerca de
1200 TWh/ ano, sobre uma oferta total de 1100 TWh/ano. São estes números
que apontam para a necessidade do investimento em PD&I (Pesquisa
Desenvolvimento e Inovação) e no fomento ao empreendedorismo em formas
não convencionais de obtenção de agroenergia.
Parcela ponderável da energia elétrica produzida a partir de biomassa
no Brasil, é proveniente do aproveitamento de resíduos agropecuários,
florestais ou da agroindústria. Segundo dados do Balanço Energético Nacional,
edição 2004, a participação da biomassa na matriz elétrica nacional é de
2,86%, distribuída em 1,69% de bagaço de cana, 1,17% em resíduos
madeireiros e resíduos agrícolas e silvícolas diversos.
O potencial dos resíduos da produção animal é estimado por Woods &
Hall (1994) em 20 EJ/ano, em todo o mundo. Entretanto, este valor não deve
ser tomado como absoluto devido às enormes variações metodológicas para
cálculo dos dejetos aproveitáveis, em função da espécie animal e sua
alimentação, do manejo etc. Como no caso dos resíduos vegetais, há
limitações em seu uso energético pelos demais usos concorrentes que são:
1. grande potencial para uso como fertilizante;
2. é uma fonte de baixa densidade energética, sendo viável
apenas em grande escala e quando não existirem fontes
alternativas disponíveis, mais competitivas;
3. há necessidade de bioprocessamento, normalmente em
biodigestores, gerando problemas logísticos de carga,
descarga, compressão e estocagem do gás e utilização do
fertilizante final;
4. eventuais impactos ambientais e na saúde humana,
decorrentes de sua manipulação (ROSILLO-CALLE, 2001).
As tecnologias para o aproveitamento energético são comerciais e
utilizam, em sua maioria, ciclos de potência a vapor. As usinas brasileiras de
açúcar e álcool já são auto-suficientes e algumas já produzem eletricidade
excedente, na forma de co-geração. Exceto em algumas poucas unidades, o
mesmo
não
ocorre
nas
instalações
industriais
dos
segmentos
de
beneficiamento de arroz e de madeira.
Segundo estudo realizado pelo Ministério da Agricultura em 2005, por
meio do NIPE/ Unicamp, a produção de eletricidade nos segmentos
sucroalcooleiro, madeireiro e em usinas de beneficiamento de arroz indica que
os resultados do potencial alcançado para o segmento sucroalcooleiro são
muito próximos daqueles apresentados em outros estudos sobre o mesmo
tema – na faixa de 2,4 a 6,1 GW excedentes, dependendo da configuração dos
sistemas e para um nível de moagem de 346 milhões de toneladas de cana. O
potencial de médio e longo prazo, considerando-se a expectativa de
crescimento acentuado da atividade sucroalcooleira nos próximos anos, seria
da ordem de 16 a 21 GW médios em 2025. Mais importante que a
quantificação do potencial total é a constatação de que o potencial efetivo,
economicamente viável, é inferior a 65% do potencial calculado de excedentes,
e que o mesmo está muito concentrado em algumas usinas. Assim, políticas
abrangentes quanto ao universo que se pretende atender, mas restritivas do
ponto de vista dos benefícios oferecidos, serão pouco eficazes. No caso do
segmento sucroalcooleiro, a janela de oportunidade que se configura em
função da reorganização empresarial em curso, da necessidade de substituição
dos principais equipamentos nos sistemas de potência existentes, e da
construção de novas usinas, bem como da ampliação de algumas existentes,
requer a definição imediata de uma estratégia de efetiva viabilização do
potencial.
Como ocorre para todas as fontes renováveis de energia, a efetiva
viabilização do potencial de produção de eletricidade, a partir da biomassa
residual da cana, da madeira e do arroz, requer a definição e a implantação de
políticas de fomento com horizonte de médio e longo prazo que definam
condições claras e efetivamente motivadoras para que o potencial, que é
economicamente viável e é estrategicamente de interesse, possa ser
aproveitado.
Refere-se, ainda, este estudo, que a produção de gás pela biodigestão
da vinhaça em usinas de açúcar/álcool, ou destilarias autônomas, tem sido
objeto de estudos e tentativas de viabilização comercial há várias décadas,
porém, só recentemente, surgiu o interesse de usar o biogás para geração de
energia elétrica. Tecnicamente, a tecnologia já alcançou um grau de
maturidade razoável devido às sucessivas experiências em escala de
demonstração. Ainda permanecem algumas incertezas tais como os efeitos
corrosivos do biogás nos equipamentos auxiliares e motogeradores, e a
estabilidade da biodigestão frente às flutuações na quantidade e qualidade da
vinhaça processada. Estes problemas potenciais, que podem causar impactos
negativos para o futuro comercial da tecnologia, só poderão ser realmente
avaliados e resolvidos com a operação de algumas unidades. Por isso, antes
de entrar em escala comercial, seria conveniente a implantação de algumas
unidades piloto, onde recursos que pudessem ser aplicados para diminuir os
riscos financeiros, dentro de uma escala razoável. Devido ao potencial de
geração de excedentes, estimados neste estágio em 20 kWh/t cana
(considerando 180 milhões de toneladas de cana para álcool resulta no
potencial para o Brasil de 3,6 TWh/ano), a introdução comercial da tecnologia
de biodigestão da vinhaça e uso do biogás em motogeradores de energia
elétrica deve ser feita com cuidado. É importante lembrar que existem, nos
países desenvolvidos, inúmeras plantas de geração de eletricidade a partir de
biogás proveniente da biodigestão anaeróbia de outros substratos, como
efluentes industriais e dejetos animais. A experiência operacional destas
plantas poderia ser bem aproveitada para melhorar a confiabilidade técnica e
econômica das futuras plantas de geração com biogás da vinhaça.
3.5 Microbiologia do solo envolvida na biodegradação
Os microrganismos do solo exercem um papel fundamental da
mineralização dos compostos orgânicos. Nematódeos, Anelídeos e Artrópodas
facilitam o processo de aeração do solo com a construção de galerias que
aumentam a superfície de contato entre o solo e gases como o oxigênio,
composto fundamental do processo de decomposição aeróbia. Outros
microrganismos, como bactérias, fungos e actinomicetos, estão envolvidos
diretamente nos processos de decomposição de elementos complexos como
proteínas, carboidratos, amidos e na sintetização de minerais compostos que
são utilizados novamente pelas plantas.
Se existisse uma relação entre heterótrofos e autótrofos observaria-se
que os microrganismos decompositores representam para os autótrofos o trato
digestivo para os heterótrofos. Sua função seria de digerir elementos
complexos e transformá-los em compostos mais simples.
Para Tauk (1990), os microrganismos decompositores consomem O2 e
liberam de CO2, exceto os anaeróbios e quimiotróficos. As taxas do O2
aumentam e a evolução do CO2 tem sido mais ou menos igualada com as
taxas de decomposição da matéria orgânica e pode muitas vezes ser utilizada
nos estudos deste processo. A evolução de CO2 é complicada pela solubilidade
em soluções, além do que essas medidas representam à respiração total da
comunidade, não distinguindo a contribuição individual de plantas ou dos
microrganismos.
3.5.1 Microrganismos relacionados ao processo de contaminação da
Fermentação Alcóolica
Os microrganismos que entram no sistema de fermentação alcoólica
realizado nas usinas, têm o solo ou as plantas como origem. As condições do
processamento da cana na colheita, extração do caldo e fermentação do
mosto, apresentam condições assépticas, causando o desenvolvimento de
outros microrganismos, especialmente bactérias.
De modo geral, dentre os microrganismos responsáveis pelo fracasso de
uma fermentação alcoólica, principalmente de caldo de cana, melaço ou
mistura de ambos, destacam-se as pertencentes aos gêneros Acetobacter,
Lactobacillus, Clostridium, Bacillus, Aerobacter, Streptococus, Leuconostoc e
outras.
3.6 Evolução da Legislação da disposição da vinhaça e águas residuarias
A Tabela 1 mostra o quadro evolutivo das normas de leis de fiscalização
a partir da safra de 1978/79 onde ficou interditado o despejo da vinhaça nos
mananciais superficiais, incorrendo em multa à usina que violasse a proibição.
Tabela 1 Quadro evolutivo das normas de leis de fiscalização da disposição da vinhaça e águas
residuárias.
Legislação
Descrição
Proíbe o lançamento da vinhaça nos mananciais
Portaria MINTER n° 323, de 29/11/1978.
superficiais.
Determinação da realização de estudos e apresentação
Resolução
CONAMA
n°
0002,
de de projeto de resolução contendo normas para controle
da poluição causada pelos efluentes das destilarias de
05/06/1984.
álcool e pelas águas de lavagem da cana.
Obrigatoriedade da Avaliação de Impacto Ambiental
Resolução
CONAMA
n°
0001,
de (AIA) e do Relatório de Impacto Ambiental (RIMA) para
23/01/1986.
novas indústrias instaladas ou qualquer ampliação
efetuada nas já existentes.
“Os resíduos líquidos, sólidos ou gasosos, provenientes
de atividades agropecuárias, industriais, comerciais ou
Lei n° 6.134, de 02/06/1988, art. 5°, do
de qualquer outra natureza, só poderão ser conduzidos
Estado de São Paulo.
ou lançados de forma a não poluírem as águas
subterrâneas”.
Fonte: Corazza, Rosana , (2000) apud Hassuda (1989)
Abaixo temos a descrita detalhada da Resolução CONAMA Nº 002 de 5 de
junho de 1984, da Resolução CONAMA Nº 001 de 23 de janeiro de 1986 e da
Leis Estadual SP, Nº 6.134 de 2 de junho de 1988.
•
RESOLUÇÃO CONAMA Nº 002, de 5 de junho de 1984
O CONSELHO NACIONAL DO MEIO AMBIENTE - CONAMA, no uso das
atribuições que lhe confere o item IX, do art. 7º, do Decreto nº 88.351, de 1º de
junho de 1983, considerando que a poluição causada pelos efluentes das
destilarias de álcool e pelas águas de lavagem da cana, nas destilarias e nas
usinas de açúcar, constitui problema relevante e tendo em vista que ainda
persistem áreas onde a questão não foi resolvida a contento, RESOLVE:
Determinar à sua Secretaria Executiva a promoção de estudos sobre o assunto
e a apresentação de um Projeto de Resolução contendo normas para o
controle da poluição causada pelos efluentes das destilarias de álcool e pelas
águas de lavagem das canas.
•
RESOLUÇÃO CONAMA Nº 001, de 23 de janeiro de 1986
O CONSELHO NACIONAL DO MEIO AMBIENTE - IBAMA, no uso das
atribuições que lhe confere o artigo 48 do Decreto nº 88.351, de 1º de junho de
1983, para efetivo exercício das responsabilidades que lhe são atribuídas pelo
artigo 18 do mesmo decreto, e considerando a necessidade de se
estabelecerem as definições, as responsabilidades, os critérios básicos e as
diretrizes gerais para uso e implementação da Avaliação de Impacto Ambiental
como um dos instrumentos da Política Nacional do Meio Ambiente, RESOLVE:
Artigo 1º - Para efeito desta Resolução, considera-se impacto
ambiental
qualquer
alteração
das
propriedades
físicas,
químicas e biológicas do meio ambiente, causada por qualquer
forma de matéria ou energia resultante das atividades humanas
que, direta ou indiretamente, afetam:
I - a saúde, a segurança e o bem-estar da população;
II - as atividades sociais e econômicas;
III - a biota;
IV - as condições estéticas e sanitárias do meio ambiente;
V - a qualidade dos recursos ambientais.
Artigo 2º - Dependerá de elaboração de estudo de impacto
ambiental e respectivo relatório de impacto ambiental - RIMA, a
serem submetidos à aprovação do órgão estadual competente,
e do IBAMA e em caráter supletivo, o licenciamento de
atividades modificadoras do meio ambiente, tais como:
VII - Obras hidráulicas para exploração de recursos hídricos,
tais como: barragem para fins hidrelétricos, acima de 10MW, de
saneamento ou de irrigação, abertura de canais para
navegação, drenagem e irrigação, retificação de cursos d'água,
abertura de barras e embocaduras, transposição de bacias,
diques;
VIII - Extração de combustível fóssil (petróleo, xisto, carvão);
XII - Complexo e unidades industriais e agro-industriais
(petroquímicos, siderúrgicos, cloroquímicos, destilarias de
álcool, hulha, extração e cultivo de recursos hídricos);
Artigo 3º - Dependerá de elaboração de estudo de impacto
ambiental e respectivo RIMA, a serem submetidos à aprovação
do IBAMA, o licenciamento de atividades que, por lei, seja de
competência federal.
Artigo 4º - Os órgãos ambientais competentes e os órgãos
setoriais do SISNAMA deverão compatibilizar os processos de
licenciamento com as etapas de planejamento e implantação
das atividades modificadoras do meio ambiente, respeitados os
critérios e diretrizes estabelecidos por esta Resolução e tendo
por base a natureza o porte e as peculiaridades de cada
atividade.
Artigo 6º - O estudo de impacto ambiental desenvolverá, no
mínimo, as seguintes atividades técnicas:
I - Diagnóstico ambiental da área de influência do projeto
completa descrição e análise dos recursos ambientais e suas
interações, tal como existem, de modo a caracterizar a situação
ambiental
da
área,
antes
da
implantação
do
projeto,
considerando:
a) o meio físico - o subsolo, as águas, o ar e o clima,
destacando os recursos minerais, a topografia, os tipos e
aptidões do solo, os corpos d'água, o regime hidrológico, as
correntes marinhas, as correntes atmosféricas;
b) o meio biológico e os ecossistemas naturais - a fauna e a
flora, destacando as espécies indicadoras da qualidade
ambiental, de valor científico e econômico, raras e ameaçadas
de extinção e as áreas de preservação permanente.
•
LEI ESTADUAL SP, N° 6.134, DE 2 DE JUNHO DE 1988
Dispõe sobre a preservação dos depósitos naturais de águas subterrâneas do
Estado de São Paulo, e dá outras providências O GOVERNADOR DO
ESTADO DE SÃO PAULO. Faço saber que a Assembléia Legislativa decreta e
eu promulgo a seguinte Lei:
Art. 1°. Sem prejuízo do disposto na legislação específica
vigente, a preservação dos depósitos naturais de águas
subterrâneas do Estado de São Paulo reger-se-á pelas
disposições desta Lei e regulamentos dela decorrentes.
Parágrafo único. Para os efeitos desta Lei são consideradas
subterrâneas as águas que ocorram natural ou artificialmente
no subsolo, de forma suscetível de extração e utilização pelo
homem.
Art. 2°. Nos regulamentos e normas decorrentes desta Lei
serão sempre levados em conta a interconexão entre as águas
subterrâneas e superficiais e as internações observadas no
ciclo hidrológico.
Art. 4°. As águas subterrâneas deverão ter programas
permanentes de preservação e conservação, visando ao seu
melhor aproveitamento.
Art. 5°. Os resíduos líquidos, sólidos ou gasosos, provenientes
de atividades agropecuárias, industriais, comerciais ou de
qualquer outra natureza, só poderão ser conduzidos ou
lançados de forma a não poluírem as águas subterrâneas.
Parágrafo único. A descarga de poluente, tais como águas ou
refugos industriais, que possam degradar a qualidade da água
subterrânea, e o descumprimento das demais determinações
desta Lei e regulamentos decorrentes sujeitarão o infrator às
penalidades previstas na legislação ambiental sem prejuízo das
sanções penais cabíveis.
Art. 6°. A implantação de distritos industriais e de grandes
projetos de irrigação, colonização e outros que dependam da
utilização de águas subterrâneas, deverá ser precedida de
estudos hidrogeológicos para a avaliação das reservas e
deverá ser precedida de estudos hidrogeológicos para
avaliação das reservas e do potencial dos recursos hídricos e
para o correto dimensionamento do abastecimento, sujeitos à
aprovação pelos órgãos competentes, na forma a ser
estabelecida em regulamento.
Parágrafo único. As disposições do art. 5° e seu parágrafo
único deverão ser atendidas pelos estudos citados no "caput"
deste artigo.
3.7 Tecnologias para tratamento e disposição da vinhaça
Diante da criação de leis e normas que proibiam o lançamento da
vinhaça nos corpos de água, foram desenvolvidas técnicas para redução dos
prejuízos ambientais. A necessidade de fazer investimentos para preservação
do meio ambiente trouxe certo desconforto para os empresários do mercado
sucroalcooleiro.
Técnicas como a aerobiose, a reciclagem na fermentação e
a
fertirrigação já eram bem estudadas e conhecidas nos anos 80. Atualmente, a
combustão, a produção de levedura, o uso na construção civil, a fabricação de
ração animal e a digestão anaeróbia encontram-se em distintos níveis de
desenvolvimento.
3.7.1 Aerobiose
A aerobiose consiste no tratamento da vinhaça como efluente em duas
fases: a primeira é anaeróbia e a segunda é aeróbia. A principal vantagem é a
grande redução de DBO (70 a 90% no primeiro passo) e até 99% no segundo.
Os principais problemas derivados dessa opção são associados à necessidade
de construção, manutenção e monitoramento de grandes tanques ou lagoas
para o tratamento, devido aos grandes volumes do resíduo.
3.7.2 A reciclagem na fermentação
A reciclagem da vinhaça na fermentação é um expediente empregado
para substituir a água como diluidor (razão 1:3 entre vinhaça e água). A
existência de um limite técnico no aproveitamento da vinhaça para este fim
impede que a redução da descarga de vinhaça, embora efetiva, possa ser
muito significativa.
3.7.3 Fertirrigação
A fertirrigação já era uma alternativa conhecida há muito tempo.
Despejada in natura no solo, a vinhaça irriga e, ao mesmo tempo, fertiliza a
lavoura, razão pela qual ela traz o duplo benefício da disposição da vinhaça e
da economia de custos em insumos, diminuindo gastos com fertilizantes e em
conseqüência disso, tornou-se uma prática adotada por quase todas as usinas
e destilarias. Vários experimentos comprovam os resultados positivos obtidos
na produtividade agrícola, associados à economia na aquisição dos adubos
minerais e reduzindo a poluição do lençol freático, quando a vinhaça é disposta
em doses recomendadas.
Para Ferreira e Monteiro (1987) a adição da vinhaça in natura nos solos
é, sem dúvida, uma boa opção para o aproveitamento deste resíduo, visto que
ele é um excelente fertilizante e proporciona inúmeros benefícios nas
propriedades físicas, químicas e biológicas do solo. Esses autores concluem
que as vantagens decorrentes da utilização da vinhaça são: elevação do pH,
aumento da capacidade de troca catiônica (CTC), aumento da disponibilidade
de certos nutrientes, melhoria da estruturação do solo e aumento na retenção
de água e no desenvolvimento da microflora e microfauna do solo. Ainda
segundo os autores, efeitos negativos no solo ou nas plantas estão diretamente
relacionados com doses excessivas ou aplicação em solos não apropriados.
Até 1950, acreditava-se que a fertirrigacão da vinhaça no solo provocava
aumento da sua acidez. Porém, Almeida (1950), concluiu que ao contrário do
que se acreditava, a vinhaça tornava os solos mais alcalinos. Este fenômeno
foi justificado pelo fato da vinhaça, inicialmente e logo após a sua aplicação,
aumentar a acidez do solo, para depois reduzi-la, devido à decomposição da
matéria orgânica e ao desaparecimento dos ácidos orgânicos existentes e que
se consomem no solo pelas bactérias presentes. Vários autores dentre eles,
Leme (1980) e Camargo (1983), compartilham essa idéia onde a vinhaça
provoca um aumento do pH, da CTC, da capacidade de armazenamento de
água e da agregação do solo.
Segundo Leal (1983), o aumento do pH do solo após a aplicação da
vinhaça estaria associado ao desenvolvimento da população microbiana e da
transformação do nitrogênio, através da reação de desnitrificação do nitrato
(NO3-) em nitrito (NO4-).
Os efeitos da vinhaça no pH do solo são efêmeros, voltando aos valores
originais após um determinado período de tempo (RODELLA ,1983).
3.7.4 Disposição da vinhaça ao solo
Para realização desta atividade devem ser considerados parâmetros
ambientais como: tipo de solo, distância de cursos de água, capacidade de
campo do solo (retenção de água) e percentual de sais presentes no solo.
De acordo com estudo realizado pela Coopersucar, por meio de
trabalhos realizados por Penatti (1999), doses de 300 m3/ha de vinhaça com
teor de potássio entre 3 e 4 kg/ m3 de vinhaça, independente do tipo de solo,
não alteram suas propriedades físicas, químicas e biológicas.
3.7.5 Incineração da vinhaça
A incineração da vinhaça é uma das alternativas para concentrá-la e
queimá-la em caldeiras. O consumo elevado de energia para evaporar a água
da vinhaça, contudo, não compensa a economia de energia na destilaria. As
pesquisas para esta alternativa devem buscar a melhoria do balanço
energético.
3.7.6 Produção de levedura a partir da vinhaça
A produção de levedura a partir da vinhaça também é uma tecnologia
alternativa que permite reduzir a descarga de vinhaça. Todavia, dois fatores
concorrem para a elevação dos custos desta alternativa. Em primeiro lugar, o
fato de que se deve acrescentar à vinhaça, sais de amônia e de magnésio para
se obter o fermento seco. Em segundo lugar, e talvez o mais importante, o fato
de ser elevado o consumo de energia para a evaporação da água da vinhaça,
requerida neste processo.
3.7.7 Utilização da vinhaça na construção civil
Na construção civil, a vinhaça pode ser adicionada à massa de cimento.
Também existem estudos sobre a fabricação de materiais de construção,
principalmente tijolos, a partir da vinhaça, tendo sido feitos avanços
significativos quanto à resistência do material obtido. A possibilidade de
redução da descarga de vinhaça é limitada, entretanto, a viabilidade econômica
desta alternativa deve se restringir às construções próximas ao local de origem
da vinhaça, devido ao problema dos custos de transportes.
3.7.8 Fabricação de ração animal a partir da vinhaça
A fabricação de ração animal a partir da vinhaça também é uma
possibilidade estudada durante os anos 80. O resíduo deve ser tratado para a
redução do nível de potássio, podendo ser utilizado como ração de bovinos,
suínos e aves. Reporta-se que a ração assim produzida não interfere no sabor
ou odor do leite e seus derivados, que tem boa aceitação pelos animais e que a
taxa de conversão (ganho de peso com relação ao consumo de ração) é
adequada. Há, porém, limitações de dosagem que devem ser obedecidas. Em
ruminantes, por exemplo, a ração feita da vinhaça não pode ultrapassar 10%
da alimentação diária: em suínos, ela não deve ultrapassar de 2 a 3%. As
pesquisas, realizadas desde a década de 1970, buscavam a redução de
potássio, da DBO e o aumento da aceitabilidade.
3.7.9 Digestão anaeróbia
A digestão anaeróbia da vinhaça tem a seu favor o argumento
econômico da produção do metano. O desenho e aperfeiçoamento do
equipamento (reator ou biodigestor) contaram com esforços, envolvendo
diversas instituições públicas (o IPT, Cetesb) e privadas (a PAISA - Penedo
Agroindustrial S/A, a Biometano e as Usinas São Martinho e Boa Vista, ambas
no Estado de São Paulo). Problemas técnicos, como o longo tempo de
retenção e a granulação do lodo de microorganismos, foram superados e a
digestão anaeróbia da vinhaça é, hoje, considerada tecnicamente viável.
A redução da DBO, embora grande, não dispensa o tratamento
posterior, end of pipe. A viabilidade econômica desta tecnologia, entretanto, é
dificultada por dois fatores, pelo menos. Em primeiro lugar, a falta de
valorização do biogás, como combustível alternativo; em segundo lugar, a
difusão bem sucedida da fertirrigação, que não sofreu nenhum controle
ambiental mais rigoroso.
3.7.10 Biodigestão anaeróbia da vinhaça
Segundo Granato (2003), os processos de fermentação bacteriológicos
da matéria são anteriores à existência do homem na terra, visto que a
quantidade de bactérias e a intensidade de suas ações no ambiente primitivo
colaboraram na determinação da composição da atmosfera, propiciando
condições de desenvolvimento da vida.
A biodigestão anaeróbia de matéria orgânica é uma das formas pela
qual o metano é produzido. Outra forma de se encontrar esse hidrocarboneto é
em jazidas subterrâneas, onde, na maioria das vezes, está associado ao
petróleo. Nessa última forma, o gás natural constitui-se importante combustível
fóssil e é bastante explorado. Em anos recentes, estudos da atmosfera
mostraram que aproximadamente 0,5 % da produção total anual de matéria
seca por fotossíntese, é transformada em metano, acumulando uma
quantidade de 800 milhões de toneladas de gás que é descarregada
anualmente em nossa biosfera, contribuindo para o chamado “efeito estufa”. De
fato, o metano é considerado o segundo principal responsável pelo
aquecimento global do planeta, atrás, é claro, do dióxido de carbono
(GRANATO, 2003).
Segundo Nogueira (1986), a primeira instalação operacional destinada a
produzir gás combustível foi construída em 1957, em Bombaim, na Índia, para
atender um hospital de hansenianos. Na época, pesquisadores como Fisher,
na Alemanha e Gayon, na França, estabeleceram as bases teóricas e
experimentais da biodigestão anaeróbia. Em 1980, Donald Cameron projetou
um tanque séptico para a cidade de Exeter, Inglaterra, e o gás foi coletado e
usado na iluminação pública de rua. Na Alemanha, Karl Imhoff desenvolveu um
tanque biodigestor para o tratamento anaeróbio de esgotos residenciais. O
tanque Imhoff foi bastante difundido na época.
Outra utilização intensa das possibilidades da biodigestão deu-se na
China, a partir de 1958, ampliando-se em 1980, com a instalação de cinco
milhões de biodigestores de uma nova concepção, todos localizados ao sul do
Rio Amarelo, onde as condições climáticas eram mais favoráveis à produção
do biogás. Atualmente, cerca de 25 milhões de chineses usam biogás,
principalmente para iluminação e cocção. Aproximadamente 10.000 digestores
de médio e grande porte se encontram em funcionamento em fábricas de
alimentos, destilarias, fazendas de gado, entre outros. O biogás produzido em
grandes unidades é transferido para estações centralizadas, onde é
aproveitado na geração de potência mecânica (existem cerca de 422 estações
com capacidade instalada de 5.849 hp) e potência elétrica ( 822 estações
responsáveis pela produção total de 7.836 kW) (FIORE, 1994).
A Biodigestão da vinhaça é uma tecnologia nova na qual o metano e o
dióxido de carbono são seus principais produtos, mas ainda requer melhorias
em sua eficiência. Apresenta uma redução significativa na DBO que, por sua
vez, diminui o poder poluidor da vinhaça.
Vários grupos de microorganismos atuam em cooperativismos, uns
fornecendo substratos para o outro. Tais microorganismos estão presentes na
natureza em ambientes anaeróbios como fundos de lagoas, pântanos, rúmen
de herbívoros e fezes de animais e humanos (GRANATO, 2003).
Apesar de a vinhaça apresentar pH ácido, após sua introdução no
reator, devido ao consumo dos ácidos orgânicos e formação de compostos
como amônia, ocorre rápida elevação do pH do meio reacional sem
necessidade de adição de compostos alcalinos (GRANATO, 2003).
Os principais inibidores em potencial encontrados na vinhaça são os
íons dos compostos de enxofre e o potássio solúvel, e apresentam
concentrações mais críticas nas vinhaças oriundas de mosto de melaço e misto
de caldo e melaço. Ressalta-se que o sulfato como tal não é inibidor do
processo, mas este composto, ao ser utilizado pelas bactérias redutoras de
enxofre, também presentes no reator anaeróbio, é transformado em sulfeto que
em forma solúvel, torna-se um agente inibidor em concentrações da ordem de
200mL/L. A inibição será, desse modo, em função do equilíbrio resultante no
sistema entre as formas solúvel, insolúvel e gasosa do sulfeto (PINTO, 1999).
Quanto aos nutrientes necessários para o desenvolvimento das
bactérias presentes no reator, fósforo, nitrogênio e os micronutrientes
encontrados
na
vinhaça
são
adequados.
Recomenda-se
apenas
a
complementação de nutrientes durante o procedimento de partida de novos
reatores, a fim de favorecer o desenvolvimento inicial das bactérias. Nesses
casos, são empregados compostos de nitrogênio e fósforo na forma de
fertilizantes minerais, em quantidades que variam conforme a composição da
vinhaça utilizada (GRANATO, 2003).
Para Nogueira (1996), os diferentes processos industriais de produção
do etanol dificultam a definição de uma composição específica para a vinhaça,
uma vez que os nutrientes são consumidos no processo apenas para o
crescimento microbiano, que ocorre em baixa taxa, conforme observado
anteriormente, as quantidades excedentes estarão disponíveis no efluente do
processo, tornando esse material atrativo à fertirrigação.
Para GRANATO (2003), o lodo anaeróbio possui baixa taxa de auto
consumo, mesmo em prolongados períodos de inatividade, sendo capaz de
conservar sua atividade específica com a mesma intensidade anterior à
paralisação,
em
curtos
intervalos
de
tempo.
Essa
característica
do
equipamento permite a volta ao funcionamento do reator após os períodos de
entressafra sem que ocorra a necessidade de substituir ou readaptar o lodo
biológico.
O autor ainda diz que, o potencial de geração do biogás a partir da
vinhaça é variável conforme seu conteúdo de matéria orgânica biodegradável
durante o processo. A aplicação do processo fermentativo anaeróbio tem
envolvido a utilização de reatores de grandes volumes devido à incapacidade
desses sistemas convencionais na retenção da população microbiana de
elevado tempo de duplicação. Se um sistema estiver submetido a um tempo de
retenção celular menor que o tempo de duplicação médio bacteriano, ocorrerá
a lavagem das bactérias e a conseqüente impossibilidade de realização do
processo. Desta forma, o tempo de retenção celular precisa ser igual ao tempo
de retenção hidráulica. O mínimo tempo de retenção hidráulica permitido está
limitado pelo tempo de duplicação das bactérias metanogênicas, que na prática
corresponde a um tempo e retenção e cerca de dez dias, inviabilizando a
aplicação do processo para despejos industriais.
3.7.11 Disposição da vinhaça no solo
3.7.11.1 Efeitos Biológicos
O lançamento da vinhaça no solo provoca um aumento da atividade
microbiológica que acelera a atividade de decomposição da vinhaça. O
processo de decomposição microbiológico interfere nas características físicas e
químicas do solo.
A vinhaça quando lançada promove uma acidificação imediata do solo,
favorecendo o desenvolvimento de fungos que são os microrganismos
responsáveis pelo início do processo de decomposição. À medida que o pH do
solo vai subindo, observa-se o desenvolvimento de bactérias que são
responsáveis pelo processo de decomposição final.
A atividade microbiana favorece o aparecimento de agregados no solo,
ou seja, os fungos com o desenvolvimento de seus micélios e as bactérias com
a produção de substâncias gomosas.
3.7.11.2 - Efeitos Químicos
Para sabermos as quantidades ideais de vinhaça a se dispor ao solo é
importante conhecermos as propriedades desta. É sabido, ainda, que a
aplicação de vinhaça em teores racionais não apresenta um comprometimento
à composição química e física do solo.
Segundo Orlando Filho (1995), solos arenosos com aplicação de
nitrogênio mineral (60 kg/ha) e doses de vinhaça com 0, 150, 300, 600 m3 / ha
mostraram que não houve lixiviação de nenhum composto derivado do N+, em
25 semanas após o uso. Acredita-se que este resultado foi alcançado devido à
atividade microbiológica.
A vinhaça, quando aplicada em doses racionais em solo arenoso,
apresenta melhores resultados do que em solos argilosos, visto que ela
promoverá uma agregação das partículas que compõem o solo e aumentará
sua eficiência na retenção de água, ações estas difíceis de serem realizadas
neste tipo de solo.
3.8 Microbiologia
A digestão anaeróbia é um processo biológico que ocorre na ausência
de oxigênio livre no qual, diversas populações de bactérias convertem a
matéria orgânica numa mistura de metano, dióxido de carbono e pequenas
quantidades de hidrogênio, nitrogênio e sulfato de hidrogênio. Essa mistura é
conhecida como biogás e pode ser utilizada como combustível devido às
elevadas concentrações de metano, usualmente na faixa de 55% e 70%.O
efluente líquido final do processo integra a parcela da matéria orgânica não
convertida em forma solúvel e estável (NOGUEIRA, 1986).
A degradação microbiológica de matéria em um ambiente anaeróbio só
pode ser obtida por microorganismos capazes de utilizar outras moléculas, ao
invés de oxigênio, como aceptores de hidrogênio. A degradação anaeróbia da
matéria orgânica é quimicamente um processo bastante complicado,
envolvendo centenas de possíveis compostos e reações intermediárias, cada
uma catalisada por enzimas e catalisadores específicos. As bactérias atuam
simbiótica e sinergeticamente, utilizando a matéria orgânica de forma
assimilativa para o crescimento da população atuante no processo. As
transformações podem ser obtidas por um dos vários caminhos metabólicos
alternativos, e os bioquímicos continuam tentando definir e descrever mais
precisamente esses vários mecanismos (SCHIRIM, 1991).
Quando as bactérias degradam moléculas complexas como celulose,
proteínas, amido e gorduras, que compõem a matéria orgânica, a primeira
etapa consiste em quebrar as ligações entre as unidades básicas. Isso é
realizado pelas enzimas liberadas externamente pelas bactérias para fazer,
especificamente, esse desdobramento, transformando os polímeros orgânicos
em suas subunidades constituintes, notadamente açúcares, aminoácidos e
ácidos graxos de cadeia longa, que podem ser incorporados no interior da
célula. Desta forma, para as bactérias alimentarem-se de moléculas
complexas, estas são separadas em unidades mais simples, e esta separação
geralmente conduz à produção de ácido acético, além de outros ácidos, e seus
respectivos sais, aumento da temperatura, utilização de material finamente
dividido e pH levemente ácido (GRANATO, 2003).
Segundo Glória (1998), a decomposição anaeróbia é geralmente dividida
em duas fases: a fase acidogênica e a fase metanogênica. Na fase
acidogênica, os compostos gerados na etapa anterior, uma vez encorpados no
interior da célula, são convertidos (pelas bactérias formadoras de ácidos) em
ácido voláteis, álcoois, dióxido de carbono, hidrogênio molecular e amônia. É a
fase que tem cinética rápida, em que a assimilação da matéria em biomassa
microbiana é grande.
Para Pinto (1999), as bactérias que realizam essa fase podem ser
anaeróbias ou facultativas, isto é, vivem com oxigênio ou sem ele. As
facultativas são importantes não apenas por produzirem alimento para as
bactérias anaeróbias, como, também, por eliminarem traço de oxigênio
dissolvido, fatal para essas bactérias, que tenha permanecido no material
orgânico. Na fase metanogênica, compostos simples como dióxido de carbono,
hidrogênio molecular, ácido acético e metanol, gerados na etapa anterior, são
metabolizados pelas bactérias metanogênicas, havendo desassimilação de
metano e dióxido de carbono.
Existem dúvidas sobre quais produtos finais da fase de formação de
ácidos são utilizados pelas bactérias formadoras de metano, mas é certo que
mais de 70% de todo o metano formado provém do acetato, um sal do ácido
acético, e o resto do dióxido de carbono e hidrogênio. Sendo assim, considerase que poderá ocorrer ainda uma etapa intermediária, chamada acetogênica,
na qual os ácidos orgânicos mais pesados e álcoois são fermentados em
acetato, dióxido de carbono e hidrogênio molecular, substrato efetivamente
utilizado pelas bactérias metanogênicas. Participam dessa etapa as bactérias
acetogênicas, produtoras de hidrogênio, que trabalham em estreita associação
com as bactérias metanogênicas, uma vez que as últimas são responsáveis
pela remoção do hidrogênio produzido, que, quando presente acima de
determinadas concentrações no meio de fermentação, torna-se inibidor ao
metabolismo das bactérias acetogênicas que o produziram (NOGUEIRA,
1986).
Segundo este autor, é importante observar que a população de bactérias
no biodigestor é interdependente e simbiótica. As bactérias formadoras de
ácido asseguram que o meio está livre de oxigênio e produzem o alimento
básico para as bactérias metanogênicas, além de suas enzimas agirem sobre
proteínas e aminoácidos, liberando sais de amônia, as únicas fontes de
nitrogênio que as bactérias metanogênicas aceitam. Estas por sua vez, embora
não possam viver sem as formadoras de ácidos, removem os produtos finais
do metabolismo das primeiras e os convertem em gases, que escapam do
sistema. Caso essa conversão não se processasse, as condições no
biodigestor se tornariam tão ácidas que matariam as bactérias formadoras de
ácidos (LETTINGA, 1991).
3.9 Fatores que influenciam no processo de biodigestão anaeróbia
Segundo Pinto (1999), quatro fatores influenciam no processo de
biodigestão anaeróbia:
- Temperatura
Experiências realizadas indicam uma correlação entre a produtividade
do processo de digestão anaeróbia e a faixa de temperatura de operação. Os
microorganismos devem ser adaptados à faixa de temperatura de trabalho, o
que permite classificá-los também com relação a este parâmetro. As bactérias
operando numa faixa inferior a 20ºC são chamadas psicrofílicas; outras
operando entre 20 a 45ºC são chamadas mesofílicas; acima de 45ºC operam
as bactérias termofílicas. Abaixo de 10ºC o processo é, em geral, interrompido,
visto que a produção de gás aumenta com a elevação da temperatura.
A faixa termofílica, portanto, apresenta taxas de conversão maiores e
assim, um menor tempo de residência do resíduo no digestor, além do seu
volume poder ser menor, reduzindo-se os custos iniciais. Na faixa de 55º a
70ºC, foi constatado que a celulose e outros polímeros alcançam as maiores
taxas de hidrólise. Apesar disso, a maior parte do digestores trabalha na faixa
mesofílica, por estes serem mais confiáveis, não necessitando de controle de
temperatura.
- pH e acidez do meio
Os microorganismos são seres vivos que necessitam de um meio
propício ao seu desenvolvimento; por isso, a acidez e a alcalinidade são fatores
importantes no processo de digestão anaeróbia. O pH do processo deve ser
mantido entre 6 e 8, podendo ser considerado ótimo de 7 a 7,2; seu controle é
função do acúmulo de bicarbonato, da fração de CO2 da parte gasosa, da
concentração em ácidos voláteis ionizados e da concentração de nitrogênio
sob a forma de amônia. As bactérias formadoras de ácidos fracionam a matéria
orgânica e produzem ácidos voláteis. Daí resulta um aumento da acidez do
meio e uma redução do pH. Quando as bactérias metanogênicas começam a
agir, transformam os ácidos em metano, neutralizando o meio e elevando o pH.
Outro fator que tende a elevar o pH é o teor de amônia, que aumenta quando
as proteínas começam a ser digeridas. Um terceiro fator atuante sobre o pH do
meio, agindo de modo a estabilizá-lo, é o bicarbonato. A concentração do íon
bicarbonato é diretamente proporcional ao teor de dióxido de carbono e ao pH
do meio. Assim se as bactérias do primeiro grupo são muito rápidas e
produzem mais alimentos do que as metanogênicas conseguem digerir, o
dióxido de carbono liberando tornará maior a concentração de bicarbonato, o
que impede a queda acentuada no pH. Com o correr da degradação do
material orgânico em um sistema fechado, o pH tende a se elevar e a produção
de metano tem o seu pico.
Se o conteúdo de um digestor em operação torna-se muito ácido, o
método mais comum de restaurar o pH ideal é interromper sua alimentação por
alguns dias. Isto dá um tempo para as bactérias metanogênicas reduzirem a
concentração dos ácidos voláteis. Em digestores de grande porte, nos quais a
interrupção da alimentação é complicada devido a problemas de estocagem do
resíduo, o pH é usualmente elevado pela adição de hidróxido de cálcio,
altamente alcalino.
- Composição e Concentração do Resíduo
A composição do resíduo a ser tratado afeta a produção de biogás na
proporção direta: quanto maior for o conteúdo de sólidos voláteis, os quais
representam a quantidade de sólidos orgânicos presentes na amostra, e a
disponibilidade de nitratos, fosfatos e sulfatos, maior será a produção de
biogás.
Nota-se, também que a produção de metano é diretamente proporcional
à demanda química de oxigênio (DQO). A presença de nitrogênio sob a forma
de proteína é favorável, pois a mineralização conduz à amônia, que é útil no
estabelecimento da alcalinidade.
Elementos nutrientes essenciais, como o ferro, e os micronutrientes,
como o níquel e o cobalto, demonstram efeitos positivos na produtividade de
metano. Já o enxofre em grande quantidade aumenta a produção de H2S.
Certos íons orgânicos, como o K+, o Na+, o Ca++, a amônia iônica NH4+, o Mg++
e o S-- apresentam, na fermentação, uma propriedade singular: quanto em
quantidade diminutas são excitantes do metabolismo celular, manifestando,
porém,
propriedades
inibidoras
do
mesmo
metabolismo
quando
em
concentrações mais elevadas. Ainda não é completamente conhecido o
fenômeno da inibição; acredita-se que, em maiores concentrações, os íons
atravessem a delicada membrana celular, interferindo no mecanismo biológico
da célula.
Alguns materiais orgânicos, especialmente os sintéticos, são também
tóxicos para as bactérias. De modo geral, os detergentes não biodegradáveis e
aqueles á base de cloro são fortes inibidores do metabolismo bacteriano. O
amoníaco (NH3), em concentrações da ordem de 150 mg/L, é, igualmente, um
forte inibidor. Também se deve cuidar para que não penetrem no digestor
resíduos, animais que tenham sidos tratados com antibióticos ou água de
lavagem de pesticidas. Porém, apesar da susceptibilidade das bactérias
acidogênicas e metanogênicas a componentes tóxicos nas matérias orgânicas,
o potencial que tem para se adaptarem e efetuarem a conversão de compostos
químicos foi demonstrado ser muito maior do que o percebido anteriormente.
Uma das vantagens da digestão anaeróbia consiste justamente na
diversidade de substrato passíveis de sofrerem fermentação. As bactérias
metanogênicas não exigem substâncias ou matérias específicas para sua
operação; diversamente da obtenção do álcool, na qual as enzimas somente se
desenvolvem a partir de açúcares, as bactérias anaeróbias se nutrem de toda a
matéria orgânica.
- Agitação
A agitação propicia um maior contato do substrato com as bactérias,
distribuindo melhor calor na biomassa e dando maior uniformidade dos
produtos intermediários e finais da biodigestão, além de evitar a produção de
uma crosta que pode obstruir a parte superior do biodigestor. A obtenção de
boas condições hidráulicas no digestor é um ponto fundamental para o sucesso
da exploração em longo prazo.
Vários são os casos de entupimento nas tubulações causados pela
formação de crostas em condições hidráulicas insatisfatórias.
Para a agitação podem-se utilizar mecanismos de acionamento direto
com um eixo e hélice em contato com a biomassa e o borbulhamento de
biogás.
3.10 Métodos para identificação de bactérias
Dentre os principais microrganismos responsáveis por contaminação e conseqüente fracasso da fermentação
alcoólica, destacam-se as pertencentes ao grupo das Gram-positivas: Lactobacillus, Clostridium, Bacillus, Streptococus,
Leuconostoc e apenas os microrgansimos, Acetobacter, Aerobacter pertencentes ao grupo das Gram - negativas.
O método consiste no tratamento de uma amostra de uma cultura
bacteriana crescida em meio sólido ou líquido, com um corante primário, o
cristal de violeta, seguido de tratamento com um fixador, o lugol. Tanto
bactérias Gram-positivas quanto Gram-negativas absorvem de maneira
idêntica o corante primário e o fixador, adquirindo uma coloração violeta devido
à formação de um complexo cristal violeta-iodo, insolúvel, em seus
citoplasmas. Segue-se um tratamento com um solvente orgânico, o etanolacetona. O solvente dissolve a porção lipídica das membranas externas das
bactérias Gram-negativas e o complexo cristal violeta-iodo é removido,
descorando as células. Por outro lado, o solvente desidrata as espessas
paredes celulares das bactérias Gram-positivas e provoca a contração dos
poros do peptidoglicano, tornando-as impermeáveis ao complexo; o corante
primário é retido e as células permanecem coradas. Em seguida, a amostra é
tratada com um corante secundário, a fucsina básica. Ao microscópio, as
células Gram-positivas aparecerão coradas em violeta escuro e as Gramnegativas em vermelho ou rosa escuro. (WILLIAN ; MAYBERRY, 2000)
4 MATERIAIS E MÉTODOS
4.1 Análises cromatográficas
Foram feitos estudos preliminares por meio da técnica de cromatografia
em fase gasosa, para verificar a presença de metano, produzido pelo processo
de decomposição da vinhaça no solo e foram seguidas as seguintes etapas
descritas abaixo:
4.1.1 Coleta do solo e preparo da amostra de solo
Foi feita a coleta de amostras de solo irrigado em diferentes períodos de
irrigação, sendo considerado o solo virgem (nunca irrigado) como amostra
padrão, solo com um ano de irrigação, solo nunca irrigado, porém próximo da
área irrigada e solo com mais de 10 anos de irrigação. As amostras foram
coletadas na fazenda Andrade em Pitangueiras - SP. Elas foram coletadas
numa profundidade de 30 cm da superfície do solo.
4.1.2 Experimento 1 - Analise por cromatografia em fase gasosa
No laboratório, foram feitos os experimentos, colocando-se em
recipientes metálicos (latas de 900mL), 200 g de amostra de solo e adicionado
200 mL de água destilada. Os recipientes foram fechados, agitados e deixados
em repouso por 02 semanas. Após este período, as latas foram perfuradas
com uma chave na região do “head space” (espaço aéreo acima do solo) e
com uma seringa, os gases foram coletados e injetados no cromatógrafo
modelo HP 6890 plus+ para análise.
Utilizou-se uma coluna capilar de sílica fundida (HP- Al/KCL) de 50 m de
comprimento, 0,32 mm de diâmetro interno e 8 µm de filme. O cromatógrafo foi
calibrado com uma mistura padrão de gases.
4.1.3
Experimento
2
-
Analise
cromatográfica
dos
solos
com
contaminação adicional de vinhaça
Foram colocados em novos recipientes, 200 g das amostras de solo,
conforme descrito acima, porém sem a adição da água destilada, e adicionados
20 mL de vinhaça. Após a adição, foi inserido CO2 no interior dos recipientes,
num período de 30 segundos e vazão de 3 L min-1 , na tentativa de reduzir o O2
atmosférico, fazendo desta forma, um ambiente anaeróbio.
4.2 Ensaios Microbiológicos
4.2.1 Método de Coloração Gram
O método de coloração Gram é baseado na capacidade das paredes celulares de bactérias Gram-positivas de
reterem o corante cristal de violeta durante um tratamento com etanol-acetona, enquanto que as paredes celulares de
bactérias Gram-negativas não o fazem. A coloração Gram é um dos mais importantes métodos de coloração utilizados em
laboratórios de microbiologia, sendo quase sempre o primeiro passo para a caracterização de amostras de bactérias. A
técnica tem importância ambiental e clínica, uma vez que, muitas das bactérias, associadas às contaminações e infecções, são
prontamente observadas e caracterizadas como Gram-positivas ou Gram-negativas em esfregaços de pus ou de fluidos
orgânicos. Essa informação permite um monitoramento à contaminação até que dados de cultura, que são mais demorados e
complexos, estejam disponíveis. As lâminas podem ser montadas permanentemente e preservadas como documentação.
(WILLIAN R.; MAYBERRY, WR, 2000).
O método foi desenvolvido da seguinte forma:
1- Aplica-se cristal de violeta sobre a lâmina e espera-se por um minuto.
2- Lava-se a lâmina com álcool.
3- Aplica-se lugol sobre a lâmina e espera-se por um minuto.
4- Lava-se a lâmina com álcool e água destilada.
5- Aplica-se fucsina sobre a lâmina e espera-se 30 segundos e depois se lava
com água.
4.2.2 Isolamento de Microrganismos em Cultura
Para volume de vinhaça adicionados nas amostras, foram preparados 05
frascos de Erlenmeyer de 250 mL onde foram adicionados 225 mL de água
desmineralizada em cada um. Os frascos foram tampados com algodão,
revestidos com papel alumínio e submetidos à autoclave a uma temperatura de
120ºC durante 20 minutos. Após o resfriamento, adicionou-se 25 mg de solo
em cada frasco. A mistura foi homogeneizada com a finalidade de formar uma
solução. Desta solução, retirou-se 01 mL que foi adicionado a um tubo de
ensaio previamente autoclavado contendo 09 mL de solução salina (0,85%) e
tampados com algodão. Os tubos foram homogeneizados e foi transferido 01
mL desta solução para um segundo tubo de ensaio contendo 09 mL solução
salina (0,85 %), formando-se uma solução diluída a 10-2. Deste segundo tubo
de ensaio, retirou-se novamente 01 mL da mistura que foi adicionada em um
terceiro tubo com 09 mL de solução salina (0,85 %), formando uma solução
diluída a 10-3. Este procedimento foi repetido para as demais amostras.
Para cada tubo de ensaio preparado, um volume de 0,1 mL da solução,
que foi transferido para um tubo de ensaio contendo um caldo nutritivo Muelle
Hinton Agar, de composição 2g de “ieef stratit”, 16,5g de “acid hydrolysate off
casin”, 1,5g “starsh”, 17g agar, pH final: 7,3 + ou – 0,1 e levado para à estufa a
37ºC por 24 horas, repetindo-se o procedimento para cada amostra preparada.
Após o período de crescimento em meio nutritivo, as amostras foram
inoculadas em placas de Petri contendo Muelle Hinton Agar Padrão Contagem
e incubadas a uma temperatura de 37ºC. A contagem das colônias foi efetuada
após 24 e 48 horas de incubação.
Na figura 2, é mostrado o processo de contaminação do meio sólido com
o método de estria composta, com bactérias desenvolvidas em meio líquido
(meio nutritivo).
Figura 2. Contaminação do meio sólido com método de estria composta.
4.3 Delineamento da digestão da vinhaça em diferentes condições por um
consórcio microbiano
Estes experimentos tiveram como finalidade identificar as melhores
condições para biodigestão da vinhaça pelo consórcio microbiano.
4.3.1 Coleta do consórcio microbiano
Este consórcio microbiano foi coletado de um lodo formado em uma
lagoa onde é despejada vinhaça em período de safra. Coletou-se em frasco
estéril de 1000 mL deste lodo, que ficou conservado em temperatura de 4°C
até o início dos experimentos.
4.3.2 Analise de DQO (demanda química de oxigênio)
A análise de DQO foi realizada nas amostras de vinhaça, melaço e lodo
(consórcio microbiano) nas seguintes condições:
Para 3mL de amostra diluída adicionou-se 3,5 mL de uma solução
digestora descrita abaixo:
Solução digestora: (10,120g de sulfato de prata para 1000mL de ácido
sulfúrico) e 1,5 mL da solução digestora B (10,216 g de dicromato de potassio,
33,33g de sulfato de mercúrio,127 mL de ácido sulfúrico em 1000mL de água
destilada). Agitou-se e colocou-se em bloco digestor á 90°C por duas horas e
posteriormente realizada leitura em espectrofotômetro em 550 nm.
Para as analises foram feitas diluições da vinhaça 1:50.
4.3.3 Preparo do inóculo
Para o crescimento dos microrganismos foram testados os seguintes
meio de cultura:
Meio BDA Composição: - 20g glicose (Dextrose); - 200g de batata;- 1000 mL
de água destilada; pH= 6,8
A sacarose foi diluída em água destilada e acrescentou-se caldo de
batata, o pH foi acertado para pH 6,8. O meio foi autoclavado por 20 minutos e
distribuído em placas.
Meio MA Composição:- 30g de extrato de malte;- 15g de água
para 1L,
pH6,5.* Marca: Sigma. O meio foi autoclavado por 20 minutos e distribuído em
placas.
Meio Pcye Composição:- 10g de extrato de levedura;- 2,0g de carvão ativado;1,0g de KH2PO4;- 1,10g de K2HPO4;- 0,4g de MgSO4.7H2O;- 0,25g de
FeSO4.7H2O;
Ajustar o pH para 6,9 com KOH 1M. O meio foi autoclavado por 20
minutos e distribuído em placas (LOPES e TORRES, 2006).
O meio líquido utilizado para o crescimento dos microrganismos para os
experimentos de variação de temperatura e pH foi o Pcye. Foi utilizada uma
modificação deste meio contendo 8,6° Brix com melaço diluído e não foi
adicionado carvão ativado.
4.3.4 Variação da temperatura
Para variação de temperatura foi retirada uma alíquota de 10 mL do
meio contendo microrganismos crescidos em melaço e inoculados em frascos
de 250mL com 150mL de vinhaça, em mesa agitadora à 125 rpm. As amostras
foram retiradas durante 4 dias, analisando a viabilidade microbiana e a DQO.
Foram avaliadas duas temperaturas distintas: 37°C e 55° C a fim de verificar
em qual classe de microrganismos atua melhor na biodigestão da vinhaça: os
mesófilos ou os termófilos.
4.3.5 Variação do pH
Uma alíquota de 10 mL do meio contendo microrganismos crescidos em
melaço, foram inoculados em frascos de 250 mL com 150 mL de vinhaça, em
mesa agitadora à 125 rpm. As amostras foram retiradas todos os dias e foi
analisado o crescimento microbioano e a DQO durante 4 dias. Foram avaliados
diferentes valores de pH: 4,0; 7,0 e 8,0 a fim de verificar em quais condições os
microrganismos atuam melhor na biodigestão da vinhaça.
4.3.6 Avaliação das melhores condições para biodigestão da vinhaça
Uma alíquota de 10 mL do meio contendo microrganismos crescidos em
melaço foram inoculados em frascos de 250mL com 150mL de vinhaça, em
mesa agitadora à 125 rpm, e cultivados durante 4 dias nas melhores condições
de pH e temperatura. As amostras foram avaliadas durante 4 dias e foi
analisado o crescimento microbiano, temperatura e a DQO.
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO
5.1 Caracterização da vinhaça na região de Ribeirão Preto
Para conhecer as características da vinhaça que é produzida na região
de Ribeirão Preto, foram analisados os dados fornecidos pelo laboratório de
Recursos Hídricos da UNAERP que apresentaram em média as seguintes
características físico-químicas, mostradas na Tabela 2. Estes dados foram
levantados em um universo de 30 análises feitas no período de 2005-2006.
Segundo Camargo (1982), o aproveitamento da vinhaça no solo, deve
ser bem controlado, para evitar o acúmulo de sais. O potássio é um dos sais
encontrados em maior concentração na vinhaça e seu acúmulo causa o
processo de salinização do solo, podendo afetar a produção da planta que
pode sofrer acúmulo deste sal dentro de sua estrutura, principalmente quando
a evapo-transpiração excede a precipitação de água e torna-se nociva à planta.
Outra variável importante é a DQO que é um parâmetro utilizado para
acompanhar a biodigestão da vinhaça. Por outro lado, também é importante
avaliar outras variáveis, pois com elas pode-se verificar a adequação do meio
para o crescimento dos microrganismos que são utilizados na degradação da
vinhaça.
Tabela 2. Caracterização da vinhaça (média de 30 análises realizadas entre 2005-2006).
Parâmetros
Unidade
Média das
Amostra
pH
resíduo não filtrável total
dureza total
Condutividade
Nitrogênio
Sódio
Potássio
Magnésio
Cálcio
Adimensional
mg/L
mg/L (CaCO3)
4,3
20575
3032
42
390
37
4994
394
658
9432
26162
mili S/cm
mg/L Cl
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
DBO (demanda bioquímica de oxigênio)
DQO(demanda química de oxigênio)
5.2 Análises cromatográficas
As análises feitas por cromatografia em fase gasosa descritas no
experimento 1, tem-se o objetivo de mostrar uma visão geral da produção de
metano em solo saturado com água. Conforme mostrado na Figura 3, observase que em todas as amostras houve produção de metano. Pode-se observar
também que, os valores encontrados para solo próximo de irrigação (solo que
nunca sofreu irrigação direta de vinhaça), não foram coerentes, visto que os
valores obtidos de metano foram superiores aos demais solos que foram
irrigados com vinhaça. Isto provavelmente foi devido à presença de matéria
orgânica na área amostrada, devido a grande quantidade de palha de cana
acumulada, que foi degradada pelos microrganismos anaeróbios do solo.
Segundo Santos (2001), a decomposição da vinhaça no solo pode ser
realizada pela conversão anaeróbia de biomassa em metano. A decomposição
biológica
da
matéria
orgânica
compreende
quatro
fases:
hidrólise,
acidogênese, acetogênese e metanogênese. Esta conversão do complexo
orgânico requer uma mistura de espécies bacterianas (consórcio microbiano).
Estas dependem umas das outras para o seu crescimento ocorrer, pela
seqüência de quatro reações: hidrólise, acidogênese, acetogênese e
metanogênese. Dependendo da temperatura que o processo ocorre, o
tratamento de resíduos orgânicos é basicamente de três tipos. A biometanação
com temperatura entre 45 – 60 ºC é considerada termofílica; A que ocorre entre
as temperaturas de 20 – 45 ºC é a mesofílica; A digestão anaeróbia de matéria
orgânica em baixas temperaturas (< 20 ºC) é referida como digestão
psicrofílica.
Desta forma, a produção de metano no solo pela decomposição da
vinhaça não depende somente da presença de matéria orgânica disponível,
mas também das condições de decomposição, aeróbias ou anaeróbias e da
temperatura em que está ocorrendo o processo.
EXPERIMENTO 1 - Produção de Metano
8,00
7,15
7,00
6,00
5,38
5,00
4,73
PPM 4,00
3,00
2,96
solo irrigado a 1 ano
solo irrigado a 10 anos
solo virgem
solo próximo de irrigação
2,00
1,00
0,00
Figura 3 Produção de metano no experimento 1 em solos com diferentes tempos de irrigação com
vinhaça
No experimento 2, no qual foi adicionada vinhaça no solo, tem-se uma
visão geral da produção de metano realizada com metodologia diferente do
experimento 1, numa proporção que simulava a fertirrigação do solo na usina
(em torno de 300 m3 ha-1). Nesta análise também foram encontrados valores de
metano em todos os tipos de solo conforme a Figura 4. Neste experimento,
assim como ocorreu no anterior, os valores obtidos de metano no solo próximo
a área de irrigação, foram superiores aos demais solos que foram irrigados
com vinhaça.
EXPERIMENTO 2 - Produção de Metano
450,00
405,53
400,00
350,00
300,00
solo irrigado a 1 ano
solo irrigado a 10 anos
solo virgem
solo próximo de irrigação
250,00
PPM
200,00
150,00
100,00
50,00
2,84
0,00
20,30
3,57
Figura 4 Produção de metano no experimento 2 em solos com diferentes tempos de irrigação com
vinhaça
Diante destes resultados, foram levantadas as seguintes hipóteses:
•
Os valores obtidos de metano na amostra de solo próximo à irrigação,
foi devido a grande quantidade de matéria orgânica contida na vinhaça
adicionada, que somada a quantidade já contida no solo, potencializou a
produção do metano.
•
O solo pode conter microrganismos que têm maior potencial para
degradação da vinhaça.
5.3 Análises Microbiológicas
Os resultados das análises microbiológicas, mostrados nas figuras 5A, 5B,
5C, 5D, 5E e 5F, demonstram que:
•
Há a presença de bactérias Gram positivas em todos os solos
analisados. Observa-se que há um aumento destas bactérias em solo
irrigado com vinhaça em relação ao solo sem irrigação. Ressalta-se que
estas bactérias podem ser prejudiciais ao processo de fermentação na
produção do álcool;
•
A disposição de vinhaça não alterou a flora microbiana do solo.
•
Na análise microbiológica da vinhaça, antes de ser adicionada ao solo,
foi observado o desenvolvimento de um pequeno número de colônias de
cocus Gram positivos. Normalmente, não há este tipo de bactéria na
vinhaça, devido sua alta acidez. Assim, não se pode afirmar que há
ocorrência deste tipo de bactéria em vinhaça, porém, pode ocorrer em
algumas usinas, a permanência da vinhaça por um longo período em
reservatórios abertos, antes de sua disposição no solo, ficando
susceptível a ação deste tipo de bactéria.
B
Figura 5 A. Colônias de Bastonetes Gram + em
solo irrigado com vinhaça a 1 ano. Magnitude de
40X.
C
Figura 5 B. Colônias de Bastonetes Gram + em
solo nunca irrigado com vinhaça. Magnitude de
40X.
D
Figura 5 C. Colônias de Bastonetes Gram + em
solo irrigado com vinhaça a 1 ano. Magnitude de
100X, utilizando óleo de imersão.
E
Figura 5 D. Colônias de Bastonetes Gram + em
solo nunca irrigado com vinhaça. Magnitude de
100X, utilizando óleo de imersão.
F
Figura 5 E – Coccus Gram + na vinhaça
Magnitude de 40X.
Figura 5 F – Coccus Gram + na vinhaça.
Magnitude de 100X, utilizando óleo de imersão.
5.4 Digestão da vinhaça em diferentes condições por um consórcio
microbiano
5.4.1 Escolha do meio de cultura ideal para crescimento do consorcio
microbiano
Foram analisados 03 meios de cultura (meio BDA; meio MA; meio Pcye)
descritos na metodologia, pois a literatura não apresentava um meio de cultura
específico para este tipo de consórcio microbiano. O que apresentou um
crescimento satisfatório foi o meio Pcye, conforme pode ser observado na
Figura 6. É importante mencionar que este meio de cultura foi desenvolvido
para bactéria Xilella (Xylella fastidosa), e é considerado um meio rico em
nutrientes.
A
BB
C
C
D D
Figura 6 Placas inoculadas com amostra do consórcio microbiano (lodo). A: meio BDA, B: meio MA, C e D: meio
Pcye
5.4. 2 Variação da temperatura
A influência da temperatura para degradar a vinhaça pelo consórcio
microbiano foi avaliada através da observação do comportamento dos
microrganismos utilizando-se a medida da absorbância para acompanhar a
quantidade de microrganismos, conforme mostra a Figura 7A. De acordo com
esta figura, a temperatura de 55ºC o consórcio microbiano apresentou uma
proliferação celular nas primeiras 24 horas e começou a decair após 48 horas
de biodigestão. Na temperatura de 37ºC apresentou uma baixa proliferação
celular no período de 72 h, como mostrado na Figura 7 B. Isto demonstra que,
o consórcio microbiano do lodo é mais eficiente na temperatura de 55º C e que
as bactérias predominantes do consórcio microbiano do lodo são as termófilas,
apresentando um crescimento mais rápido nas primeiras horas.
0,1
0,08
Abs 550nm
Abs 550n
0,2
0,18
0,16
0,14
0,12
0,1
0,08
0,06
0,04
0,06
0,04
0,02
0,02
0
0
Zero
24horas
48horas
Tempo (dias)
72horas
Zero
24horas
48horas
72horas
Tempo (dias)
Figura 7 A Comportamento do consorcio microbiano Figura 7 B Comportamento do consorcio microbiano
inoculado em volume de 150mL de vinhaça, temperatura inoculado em volume de 150mL de vinhaça, temperatura de
de 55°C
37°C
Conforme mostra a Figura 8A ficou demonstrado que, nas primeiras
horas, houve uma melhor biodigestão da vinhaça, devido a redução da DQO.
Observou-se que na temperatura de 55ºC houve uma eficiência de degradação
da vinhaça de 24,6 % em 72 h, e uma degradação de 8,3 % a 37ºC, como
mostra a Figura 8 B.
30000
30000
28000
DQO
DQO
28000
26000
26000
24000
24000
22000
22000
20000
Zero
20000
Zero
24horas
48horas
72horas
24horas
48horas
72horas
Tempo (dias)
Tempo (dias)
Figura 8 A Degradação da vinhaça pelo consorcio Figura 8 B Degradação da vinhaça pelo consorcio
microbiano inoculado em volume de 150mL de vinhaça, microbiano inoculado em volume de 150mL de vinhaça,
temperatura de 55°C
temperatura de 37°C
5.4. 3 Variação do pH
Foi avaliado o comportamento do consorcio microbiano nos pH 4, 7 e 8.
Nas Figuras 9 A e 9 B, observa-se que em pH 4 não houve proliferação celular
30000
0,05
25000
0,04
Abs 550n
DQO
dos microrganismos e também não houve degradação da vinhaça.
20000
15000
10000
0,03
0,02
0,01
5000
0
0
Zero
24horas
48horas
72horas
Tempo (dias)
Figura 9 A Comportamento do consorcio microbiano
inoculado em volume de 150 mL de vinhaça pH 4
Zero
24horas
48horas
72horas
Tempo (dias)
Figura 9 B Comportamento do consorcio microbiano
inoculado em volume de 150 mL de vinhaça pH 4
A Figura 10A mostra que em pH 7, nas primeiras 24 horas a uma
temperatura de 37ºC, houve desenvolvimento do consórcio microbiano e após
este período uma redução do número de microrganismos. O estudo mostrado
na Figura 10 B, com temperatura de 37ºC e pH 8, observa-se que nas
primeiras 24 horas não houve desenvolvimento do consórcio microbiano como
na figura anterior. Este desenvolvimento tornou-se mais acentuado após as 48
horas.
0,12
0,05
0,1
Abs 550nm
0,06
Abs
0,04
0,03
0,02
0,01
0,08
0,06
0,04
0,02
0
0
Zero
24horas
48horas
72horas
Tempo (dias)
Zero
24horas
48horas
72horas
Tempo (dias)
Figura 10 A Comportamento do consorcio microbiano Figura 10 B Comportamento do consorcio microbiano
inoculado em volume de 150mL de vinhaça pH 7, inoculado em volume de 150mL de vinhaça pH 8,
temperatura de 37°C
temperatura de 37°C
A Figura 11A apresenta uma redução da DQO menos acentuada nas
primeiras 48 horas em pH 7 e uma maior eficiência a partir das 48 horas. Em
pH 8 a eficiência de redução não foi acentuada, conforme mostra a Figura 11
B, obteve-se uma redução da DQO lenta no período de 72 h.
Pode-se
observar que a biodegradação da vinhaça foi mais eficiente em pH 7, com 16,5
% de degradação da DQO e em pH 8 foi de 3,5 %.
35000
34000
34500
32000
DQO
DQO
36000
30000
28000
34000
33500
33000
26000
24000
32500
Zero
24horas
48horas
72horas
Tempo (dias)
Zero
24horas
48horas
72horas
Tempo (dias)
Figura 11 A Degradação da vinhaça pelo consorcio Figura 11 B Degradação da vinhaça pelo consorcio
microbiano inoculado em volume de 150mL de vinhaça pH microbiano inoculado em volume de 150mL de vinhaça pH
7,0, temperatura de 37°C
8, temperatura de 37°C
5.4.4. Avaliação das condições de temperatura e pH na biodigestão da
vinhaça
As figuras 12 A e 12 B, demonstram que, obteve-se uma eficiência de
degradação da DQO e um crescimento do consórcio microbiano nas primeiras
24 h em pH 7 e temperatura de 55º C, indicando que nestas condições obtémse uma maior eficiência de biodegradação da vinhaça.
25000
0,07
0,05
DQO
Abs 550nm
0,06
0,04
0,03
23000
21000
0,02
0,01
19000
0
Zero
24horas
48horas
72horas
Tempo (dias)
Figura 12 A Comportamento do consorcio microbiano
inoculado em volume de 150mL de vinhaça pH 7,
temperatura de 55°C
Zero
24horas
48horas
72horas
Tempo (dias)
Figura 12 B Degradação da vinhaça pelo consorcio
microbiano inoculado em volume de 150mL de vinhaça pH
7, temperatura de 55°C
6. CONCLUSÕES
Em relação à eficácia de biodegradação da vinhaça, os valores
encontrados foram de 20,1 % de redução da DQO em pH 7 e 24,6% em pH 4 a
uma temperatura de 55º C. Isto demonstra que a temperatura é o fator mais
significativo no processo. Este estudo mostrou que em pH 4, que é o pH da
vinhaça, e temperatura de 55º C, houve eficiência de degradação de vinhaça,
portanto, abre-se a possibilidade de não ter que corrigir o pH da vinhaça
quando utilizada em biodigestor.
Em todos os estudos realizados, referente ao lançamento da vinhaça no
solo, houve produção de metano. Este gás é 19 vezes mais poluente que o gás
carbônico. Assim, as pequenas concentrações encontradas neste estudo, são
relevantes, uma vez que, ele é um dos grandes responsáveis pelas alterações
climáticas no planeta.
Desta forma, esta pesquisa apresenta uma alternativa para diminuição
do teor de matéria orgânica da vinhaça antes de lançá-la ao solo. Os
resultados obtidos nos experimentos utilizando bactérias termófilas em
condições aeróbias para redução da DQO foram promissores.
Outro ponto relevante dentro da aplicação de tal tecnologia é que ela
pode ser aplicada para tratamento de grandes quantidades de vinhaça, sem
precisar de grandes áreas, e sem a produção de metano.
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