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Biodigestão anaeróbia da cama de frangos de corte com ou sem separação das
frações sólida e líquida sobre a produção de biogás e a qualidade do biofertilizante
Airon Magno Aires *1; Jorge de Lucas Junior 2; Ellen Hatsumi Fukayama 3; Camila
Romantine Machado 4; Diego Gomes Freire Guidolin 5
1 Parte da dissertação do Primeiro Autor - Doutorando da Pós graduação em Zootecnia
da Universidade Estadual Paulista (UNESP) Campus de Jaboticabal-SP Brasil
2 Orientador e Professor do Departamento de Engenharia Rural da UNESP Campus de
Jaboticabal. CEP. 14.884-900. [email protected]
3 Doutora em Zootecnia da UNESP Campus de Jaboticabal.
[email protected]
4 Mestranda da Pós-graduação em Energia na Agricultura da UNESP Campus de
Botucatu. [email protected]
5 Doutorando da Pós-graduação em Melhoramento Genético Animal da UNESP
Campus de Jaboticabal. [email protected]
*Autor para correspondência: +55 16 8174-0123. [email protected]
Palavras chave: Potencial bioenergético, biodigestor batelada, tratamento de dejetos,
gestão ambiental, sustentabilidade energética
Título abreviado: Produção de biogás e de biofertilizante
ABSTRACT – The objective was to evaluate the dilution (4:1 water / litter) and total
separation of total solids (in mesh of 5 mm) of substrates of anaerobic digester batch
operated with the liquid fraction of broiler litter for 50 days, analyzing the production of
biogas and consequently the potential polluter of air emission of greenhouse gases. We
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used six digestors filled with broiler litter (peanut hulls) of 2º lot, water and inoculum,
and two treatments: with separation CSFS (mesh of 5 mm) and without separation
SSFS, with three replications. The data cumulative weekly of production of biogas were
analyzed in design of repeated measures in time. The burning of biogas occurred after
16 and 27 days of supply for treatments SSFS and CSFS, respectively. The production
of biogas per kg of subtract Added did not differ between treatments. Although received
a lower total volume of biogas. The separation of solids provides greater reductions in
total solids and higher amounts of nutrients in a single volume.
RESUMO – Avaliou-se a diluição (4:1 água/cama) e separação dos sólidos totais de
substratos de biodigestores batelada operados com a fração líquida da cama de frango
durante 50 dias, analisando a produção de biogás e a qualidade do biofertilizante gerado
no processo. Foram utilizados seis biodigestores abastecidos com cama de frango (casca
de amendoim) de 2º lote de utilização, água e inóculo, sendo dois tratamentos: com
separação (malha de 3 mm) e sem separação da fração sólida, com três repetições. Os
dados de produção de biogás acumulado semanal foram analisados em delineamento de
medidas repetidas no tempo. A queima do biogás ocorreu após 16 e 27 dias do
abastecimento para os tratamentos SSFS e CSFS, respectivamente. A produção de
biogás por kg de substrato adicionado não diferiu entre os tratamentos, porém obteve
um menor volume total de biogás. A separação de sólidos proporciona maiores reduções
de sólidos totais e maiores quantidades de nutrientes em um mesmo volume.
1 – INTRODUÇÃO
O desenvolvimento de tecnologias limpas para o tratamento de dejetos e a sua
utilização, visando à redução de custos de produção e da poluição ambiental é o grande
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desafio dos dias atuais. Por isso muitos estudos estão apontando a biodigestão anaeróbia
como a alternativa mais viável para o desenvolvimento sustentável da cadeia avícola.
No primeiro semestre de 2009, o Brasil produziu 2.65 bilhões de pintos de corte, que
resultaram a produção de 5.16 milhões de toneladas de carne (ABEF, 2009). Tamanha
produção gera em mesma proporção uma grande quantidade de impactos ambientais,
causados pela falta de tratamento adequado. Assim se considerar a produção média de
cama de 2.19 kg por frango de corte (SANTOS & LUCAS JR., 2003), estima-se que até
junho de 2009 foram produzidos aproximadamente 5.80 bilhões de kg de cama de
frango.
A aplicação desses dejetos (cama de frango) no solo, sejam eles na forma sólida ou
líquida sem um adequado tratamento, podem provocar eventos impactantes no ambiente
(no solo e nos corpos d’água), provocando a degradação dos ecossistemas aquáticos e
gerando riscos à saúde humana, sobretudo pela grande carga orgânica e pela enorme
quantidade de nitrogênio e fósforo presente nos dejetos
Segundo a resolução 001 de 23/01/86 do CONAMA, impacto ambiental é "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."
Em 2005 o mesmo órgão (CONAMA), lançou a Resolução nº 357. Em seu artigo 29, a
resolução determina que a disposição de efluentes no solo não poderá causar poluição
ou contaminação das águas. No entanto esta é a única citação em legislações federais
que inferem a aplicação de dejetos e/ou efluentes no solo.
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Por isso os órgãos estaduais de proteção ao meio ambiente carregam o fardo de definir
até onde os produtores avícolas podem chegar, sem degradar o meio em que se inserem.
O fato é que muitos órgãos não possuem a estrutura necessária para o comprometimento
com a saúde ambiental.
Neste sentido muitos estudos surgiram nas últimas décadas para avaliar a biodigestão
anaeróbia de dejetos de aves com a finalidade de otimizar a produção de biogás e a
qualidade do biofertilizante gerado no processo (JONES JR e OGDEN, 1984; LUCAS
JR et al., 1993; STEIL et al., 2002; FUKAYAMA, 2008; AIRES et al., 2009).
A biodigestão anaeróbia da cama de frangos de corte é uma alternativa sustentável para
o tratamento de resíduos avícolas. Através desse processo, o produtor ganha energia
elétrica a baixo custo, recicla o material residual da sua granja e contribui para a
diminuição dos impactos ambientais gerados no processo de produção.
Entre as novas opções de manejo de resíduos encontra-se a separação das frações
sólidas e líquidas com destinos diferenciados dentro da propriedade, aonde a fração
líquida teria o destino da biodigestão anaeróbia e a fração sólida a compostagem. No
entanto, para uma otimização do processo de biodigestão anaeróbia, esse substrato
residual, a fração líquida, pode precisar de ajustes em suas características de sólidos
totais e diluições necessárias visando o melhor desempenho do biodigestor (AIRES,
2009). O princípio da separação das frações sólida e líquida norteia a possibilidade de
percolação dos nutrientes existentes no material total, sendo este lixiviado para a fração
líquida, aumentando o poder de adesão das bactérias, melhorando o desempenho do
biodigestor.
Os ensaios de biodigestão anaeróbia das camas de frangos de corte foram desenvolvidos
com o objetivo de avaliar o potencial para produção de biogás com camas, bem como
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conhecer a distribuição da produção ao longo do tempo, além de dimensionar as
características químicas dos nutrientes do biofertilizante gerado no processo.
2 – METODOLOGIA
Os ensaios de biodigestão anaeróbia foram realizados na Universidade Estadual Paulista
(UNESP), no Departamento de Engenharia Rural da Faculdade de Ciências Agrárias e
Veterinárias – Campus de Jaboticabal, SP Brasil.
Foram utilizados seis biodigestores tipo batelada, com capacidade útil de 60 litros de
substrato em fermentação, que faziam parte de uma bateria de mini-biodigestores,
descrita por Ortolani et al. (1986). E dois tratamentos, sendo um com separação das
frações sólidas (CSFS) e outro sem separação das frações sólidas (SSFS).
Foi utilizado como substrato cama de frangos de corte (segundo lote de utilização) com
material base de casca de amendoim água e inóculo.
No tratamento CSFS, realizou-se a diluição em quatro partes de água para uma parte de
cama (4:1) segundo Aires et al. (2009), em seguida realizou-se o peneiramento (malha
de 3 mm), separando a fração sólida e líquida (46.20 % de fração sólida e 50.60 % de
fração líquida). Já no tratamento SSFS, utilizou-se cama de frango + água + inóculo,
sem nenhum tratamento físico de separação de frações.
O inóculo (efluente previamente obtido da biodigestão anaeróbia de cama de frango
com tempo de retenção hidráulica de 50 dias utilizado para o abastecimento foi
preparado para obtenção do teor de sólidos totais (ST) próximos a 15 % do total da
mistura, como recomendado por Santos (2001). Os substratos dos abastecimentos de
ambos os tratamentos, foram preparados para obtenção de teor de sólidos totais
próximos a 3 %.
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Estão apresentados os períodos de operação dos experimentos e as quantidades médias
dos componentes do substrato colocados nos biodigestores, de acordo com o tratamento
(Tabela 1).
Tratamento
SSFS
CSFS
Período de
TRH
Cama
Água
Solução
Inóculo
Operação
(dias)
(kg)
(kg)
(kg)
(kg)
26/jul a
15/ago
50
2.15
45.76
-
12.08
50
18.86
75.46
47.69
12.31
Tabela 1. Períodos de operação, tempos de retenção hidráulica (TRH) e quantidades
médias dos componentes iniciais do substrato colocado nos biodigestores, de acordo
com o tratamento.
Determinação da produção de biogás
As produções de biogás foram calculadas com base nos deslocamentos dos gasômetros
medidos com régua. O número obtido na leitura foi multiplicado pela área da seção
transversal interna dos gasômetros, igual a 0.2827 m2. Após cada leitura, os gasômetros
foram zerados utilizando-se o registro de descarga do biogás. A correção do volume de
biogás para as condições de 1 atm e 20 °C, foi efetuada com base no trabalho de
Caetano (1985). A temperatura do biogás era verificada por ocasião da leitura da
produção com o uso de um termômetro digital.
Para comparação dos dados de produção acumulada de biogás de sete dias utilizou-se o
delineamento de medidas repetidas no tempo, no qual foram considerados os
tratamentos na parcela principal e as semanas na parcela secundária.
Determinação dos teores de sólidos totais e voláteis
As amostras destinadas às determinações dos teores de sólidos totais e voláteis, dos
substratos e efluentes nos ensaios de biodigestão anaeróbia, foram acondicionadas em
latinhas de alumínio previamente tarados, pesados para se obter o peso úmido (Pu) do
material e em seguida, levadas à estufa com circulação forçada de ar, à temperatura de
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65ºC até atingirem peso constante (em média 72 horas), em seguida foram pesadas
novamente em balança com precisão de 0,01 g, obtendo-se o peso seco (Ps). O teor de
sólidos totais foi determinado segundo metodologia descrita pela APHA (2000).
Em seguida as amostras foram previamente moídas em moinho IKA® A11 basic, para
realização de todas as análises experimentais.
Para determinação do teor de sólidos voláteis, os materiais secos obtidos após a
determinação do teor de sólidos totais, foram pesados em cadinhos de porcelana e
levados à mufla a temperatura de 575ºC durante um período de 2 horas e 30 minutos,
após resfriamento em dessecadores, os materiais foram pesados em balança com
precisão de 0,0001 g, obtendo-se o peso de cinzas. O teor de sólidos voláteis foi
determinado a partir de metodologia descrita pela APHA (2000). Sendo os sólidos
voláteis foram expressos, portanto, em porcentagem da matéria seca.
Digestão e quantificação dos minerais
As amostras coletadas foram digeridas, utilizando-se do método da digestão ácida
Nítrico-Perclórica, que promove a digestão total da matéria orgânica à base de ácido
nítrico (HNO3) e ácido perclórico (HClO4) levados ao bloco digestor, segundo
metodologia descrita pela APHA (2000).
Neste extrato foi possível determinar-se os teores dos macro e micronutrientes fósforo
(P), potássio (K), cálcio (Ca), magnésio (Mg) e sódio (Na) em g/100g, zinco (Zn), cobre
(Cu), manganês (Mn) e Ferro (Fe) em mg/kg, segundo BATAGLIA et al. (1983).
A digestão das amostras para determinação do nitrogênio foi realizada utilizado ácido
sulfúrico (H2SO4) e mistura digestora composta por sulfato de sódio (Na2SO4), sulfato
de cobre (CuSO4.5H2O) e selenito de sódio (Na2SeO3). O nitrogênio foi determinado
por meio da utilização do destilador micro-Kjeldahl, cujo princípio baseia-se na
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transformação do nitrogênio amoniacal (NH4)2SO4 em amônia (NH3), a qual é fixada
pelo ácido bórico e posteriormente titulada com H2SO4 até nova formação de
(NH4)2SO4, na presença do indicador ácido/base, conforme metodologia descrita por
SILVA (1981).
Os teores de fósforo foram determinados pelo método colorimétrico utilizando-se
espectrofotômetro HACH modelo DR-2000. O método baseia-se na formação de um
composto amarelo do sistema vanadomolibdofosfórico em acidez de 0.2 a 1.6N, onde a
cor desenvolvida foi medida em espectrofotômetro, determinando-se assim a
concentração de fósforo das amostras, por meio da utilização de uma reta padrão traçada
previamente a partir de concentrações conhecidas, entre 0 e 32 µg de P/mL. Os padrões
foram preparados conforme metodologia descrita por Malavolta et al. (1991).
Os demais elementos foram quantificados através da leitura em espectrofotômetro de
absorção atômica GBC, modelo 932 AA.
Para comparação de médias, utilizou-se o teste de Tukey (P<0.05). Sendo as análises
estatísticas, analisadas pelo procedimento GLM do SAS 9.1.
3 - RESULTADOS E DISCUSSÃO
Estão apresentados na Tabela 2, os percentuais de sólidos totais (ST) e voláteis (SV),
assim como as suas reduções, nos diferentes tratamentos. Os percentuais de ST para
ambos os tratamentos foram calculados para obter 3 %, no entanto, quando se separa as
frações sólidas de maneira heterogênea e pela diferença na eficiência da operação de
separação pode-se justificar o percentual de 3.33 % obtido no tratamento CSFS e 1.21
% do tratamento SSFS. Por isso o tratamento SSFS obteve valores médios de 0.72 kg de
ST adicionados nos afluentes, menores (P>0.05) que os valores médios do tratamento
CSFS (2.00 kg de ST adicionados).
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Sólidos Totais
Tratamento
A
E
(%)
CSFS
3.33
1.99
Sólidos Voláteis
A
E
A
(kg)
2.00
E
(%)
1.20
2.29
1.06
A
E
(kg)
1.24
0.56
Redução
%
46.31
SSFS
1.21
0.89
0.72
0.53
0.83
0.55
0.44
0.27
65.70
A: Afluente; E: Efluente
Tanto nas comparações médias de afluentes e efluentes como também na de
tratamentos e reduções, diferem pelo Teste de Tukey (P<0.05).
Tabela 2. Concentrações de sólidos totais e voláteis, em porcentagem e em massa e
redução de sólidos voláteis (%), para os tratamentos com separação da fração sólido
(CSFS) e sem separação da fração sólido (SSFS) em biodigestores batelada.
Os tratamentos CSFS e SSFS apresentaram valores de SV reduzidos (46.31 e 65.70 %)
equivalentes aos encontrados por Santos (2001), ao avaliar a biodigestão anaeróbia de
cama de frango (maravalha), obteve 41.27 a 41.95 % de redução nos teores de SV nas
camas de 1º e 2º reutilização, respectivamente.
De acordo com a Tabela 3, foram verificadas diferenças (P<0.05) entre os tratamentos
nas semanas 3, 4, 5, 6 e 7.
Tratamentos/Semanas
CSFS
SSFS
1
0.0367Aa
0.0280Ba
2
0.0406Aa
0.0394Aa
3
0.0285Ab
0.0568Aa
4
0.0060Bb
0.0581Aa
5
0.0050Bb
0.0442Aa
6
0.0073Bb
0.0401Aa
7
0.0106Bb
0.0461Aa
Volume total
0.135b
0.313a
F para tratamentos (T)
114.36**
F para semanas (S)
5.26**
F para T * S
12.42**
CV da parcela (%)
24.02
Médias seguidas de mesma letra minúscula na linha e maiúscula na coluna não
diferem entre si pelo teste de Tukey (P>0,05).
Tabela 3. Produção acumulada de biogás (m3), média semanal, de biodigestores
batelada contendo cama de frango de corte de 2º lote, peneirado ou não e diluído em
água na proporção de 4:1 (água/cama)
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Os tratamentos diferiram (P<0.05) a partir da 3º semana. As maiores produções médias
de biogás foram observadas no tratamento SSFS. Em relação às semanas, observa-se
que no tratamento CSFS, houve queda (P<0.05) na produção média de biogás a partir da
4º semana, ao passo que no tratamento SSFS, a menor produção de biogás (P<0.05)
ocorreu na 1º semana. O volume total de biogás produzido durante os 50 dias de
operação dos biodigestores foi maior (P>0.05) para pelo tratamento SSFS 0.313 m3 de
biogás foi maior (P>0.05) para o tratamento SSFS
Ao analisar a produção de biogás e a sua relação com a quantidade de substrato
adicionado (biodigestor de 60 litros), não houve diferença (P>0.05) entre os tratamentos
CSFS e SSFS, os quais produziram 2-3 e 5-3 m3 de biogás/kg de substrato.
Como podem ser verificados na Figura 1, os 50 dias de tempo de retenção hidráulica
(TRH) não foram suficientes para atingir o potencial total das camas nas condições
desse experimento.
CSFS
SSFS
Inicio da queima
Volume de Biogás (m3)
0,012
0,010
0,008
0,006
0,004
0,002
0,000
1
5
9
13
17
21
25
29
33
37
41
45
49
Dias de Produção
Figura 1 – Volume de biogás dos tratamentos CSFS e SSFS da cama de frangos de
corte de 2º lote de utilização, diluídas na proporção de 4:1 (água/cama).
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O tratamento CSFS teve uma maior produção de CO2 no inicio do ensaio, tendo a sua
queima aos 27 dias em média, já o tratamento SSFS, teve um pico mais baixo de CO2,
iniciando a sua etapa metanogênica com maior antecedência, aos 16 dias em média.
A baixa produção de biogás observada no tratamento CSFS, pode ter o seu fundamento
na hipótese de que a quantidade de dejetos encontrados nessa cama de casca de
amendoim de 1º reutilização é bem pequena, visto que o produtor utiliza uma
quantidade maior que a necessária para a criação dessas aves. Por isso, quando se faz a
separação das frações diluída em água, ocorre apenas uma lavagem da cama, que é
lixiviada em quantidade inadequada para equilíbrio químico da biodigestão anaeróbia.
Os teores de macro, micronutrientes e metais dos afluentes e efluentes dos tratamentos
CSFS e SSFS encontram-se nas Tabelas 4 e 5.
Tratamento
N
P
K
Ca
Mg
Na
(g/100g)
CSFS
Afluente
5.66
1.51
1.33
2.51
0.63
3.43
Efluente
6.58
1.72
1.31
2.67
0.71
4.02
SSFS
Afluente
4.47
1.92
1.55
2.84
0.72
3.07
Efluente
5.15
2.60
1.46
2.87
0.85
3.28
Tanto nas comparações médias de afluentes e efluentes como também na de tratamentos
e reduções, diferem pelo Teste de Tukey (P<0.05).
Tabela 4. Concentrações de nutrientes, em g/100g de matéria seca (MS) nos afluentes e
efluentes de biodigestores batelada abastecidos com cama de frango, em tratamentos
CSFS e SSFS.
As variações de concentrações de minerais dos afluentes, podem ser um
representatividade heterogênea da coleta da cama de frangos, visto que as coletas
manuais das amostras oferecem dificuldades de homogeneização, em detrimento disto
as concentrações de afluentes variaram.
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Tratamento
Zn
Cu
Mn
Fe
663
755
2618
2705
749
868
2809
2834
(mg/kg)
CSFS
Afluente
Efluente
1788
1851
1437
1963
SSFS
Afluente
2023
2059
1591
1984
Efluente
* Tanto nas comparações médias de afluentes e efluentes como também na de
tratamentos e reduções, diferem pelo Teste de Tukey (P<0.05).
Tabela 5. Concentrações de metais, em mg/kg de matéria seca (MS) nos afluentes e
efluentes de biodigestores batelada abastecidos com cama de frango, em tratamentos
CSFS e SSFS.
As médias das concentrações de N no tratamento SSFS do afluente e no efluente foram
4.470 e 5.150 g/100g, respectivamente, porém em ST foram utilizados 0.720 e 0.530 kg
de afluentes e efluentes (Tabela 2), portanto em massa foram encontrados 0.032 e 0.027
g/100g de N no afluente e efluente, respectivamente. Comparando os mesmo dados para
o tratamento CSFS, tem-se em massa 0.087 e 0.058 g/100g de N no afluente e efluente,
respectivamente. Por fim tem-se um percentual de 15 e 30 % de redução de N para o
tratamento SSFS e CSFS, respectivamente.
Em todos os nutrientes e metais dos afluentes e efluentes analisados, verificou-se a
mesma tendência observada na redução de minerais do N. Sendo as maiores reduções
(P>0.05) encontradas no tratamento CSFS. Além disso esse tratamento obteve maiores
concentrações de nutrientes e metais em massa. Esses resultados coadunam com o
trabalho de Fukayama (2008), onde as quantidades (em massa) dos nutrientes e dos
metais no efluente diminuíram com a biodigestão anaeróbia da cama de frangos de
corte.
Portanto, para contribuir com o a diminuição de impactos ambientais causados pela
aplicação constante de biofertilizantes em solos para cultivo de grãos e forrageiras em
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geral, devem utilizar o tratamento CSFS, pois este apresenta maiores reduções de ST, e
maiores quantidades de nutrientes e metais (em massa), proporcionando a otimização da
utilização do biofertilizante.
Já o tratamento SSFS, oferece um biofertilizante com concentrações menores de
nutrientes e metais, necessitando maiores quantidades (litros/ha) de biofertilizantes
aplicados, para obter a mesma produtividade que o tratamento CSFS oferece. Enfim,
maiores quantidades de aplicação, requerem maiores custos econômicos, energéticos e
ambientais.
4 - CONCLUSÕES
A produção de biogás da cama de francos de corte de 2º lote de utilização, separada por
peneira de malha de 3 mm e diluição de 4:1 (água/cama) possui a mesma produção de
biogás por quilo de substrato, porém menor em volume total. No entanto, ela
proporciona maiores reduções de sólidos totais e maiores quantidades de nutrientes em
um mesmo volume.
5 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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