Estudo do tratamento de manipueira em - simaga

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Anais... 1º SIMAGA - Simpósio Alagoano de Gestão Ambiental, Arapiraca-AL, Brasil, 31 maio a 04 de
junho de 2010, UNEAL/CAMPUS I, p. 91-100. CD ROM ISSN 2177-7268.
Estudo do tratamento de manipueira em biodigestores anaeróbios de
fases separadas.
Millane Barbosa dos SANTOS1, Renato Menezes Barbosa de MIRANDA2,
Arestides Roberto Cavalcante TOLEDO3, Vicente Rodolfo Santos CEZAR4
1. Graduando no Curso Superior Tecnológico de Gestão ambiental pelo Instituto Federal de
Educação, Ciência e Tecnologia de Alagoas. No Campus de Marechal Deodoro – AL.
[email protected]
[email protected]
[email protected]
4. Professor no Curso Superior Tecnológico em Gestão Ambiental do Instituto Federal de Ciência,
Educação e Tecnologia de Alagoas. Tem experiência na área de Agronomia, com ênfase em
saneamento e os processos de tratamento de resíduos orgânicos. [email protected]
Resumo
Durante o processamento das raízes de mandioca, Manihot esculenta Crantz, para a
produção de farinha e fécula, são geradas grandes quantidades de manipueira. O que
promove uma preocupação já que a manipueira é lançada de maneira irregular em
lagoas de estabilização, localizadas nas proximidades das casas de farinha, além de ser
um resíduo altamente poluidor e conter em sua composição uma elevada DQO, que no
caso estudado foi de 57000mg/L e acidez volátil de 3018 mg/L. Segundo Santiago
(2005), através do acompanhamento das unidades produtoras de farinha do agreste
alagoano, verificaram-se que foram produzidas 297,7 kg de manipueira para uma
tonelada de mandioca processada, sendo inclusive superior à produção final de farinha,
que foi de 283,3 kg. De acordo com PEREIRA et al (2008), em um país de clima
tropical como o Brasil, processos anaeróbios são considerados uma alternativa segura e
econômica para o tratamento de efluentes, isso ocorre devido a pouca variação climática
que mantém a temperatura sempre adequada para as bactérias. Nesse contexto, com
intuito de sanar os problemas ambientais ocasionados pela manipueira, esse trabalho
tem como objetivos principais estudar o uso de biodigestores de fases separadas no
tratamento da manipueira, além de avaliar a produção de biogás proveniente do
tratamento e a eficiência do biodigestor com o aumento da concentração do resíduo.
Para alcançar os resultados esperados foi construído no Instituto Federal de Educação,
Ciência e Tecnologia de Alagoas um reator anaeróbio de fluxo ascendente com fases
separadas, com tubos de PVC. Sendo o volume do reator acidogênico de 20L e do
metanogênico de 60L com o Tempo de Retenção Hidráulica (TRH) de 1 e 3 dias
respectivamente. O Reator metanogênico foi inoculado em abril de 2009 utilizando-se
4Kg de esterco bovino fresco e 20L de água e, após a adaptação da fauna microbiana,
foi dado início ao abastecimento do sistema assim como o estudo do tratamento de
manipueira e a quantificação do biogás produzido, onde verificou-se que o efluente
apresenta uma rápida fermentação, elevando as concentrações de ácidos orgânicos no
meio, ocasionando a queda no pH. Esse fato é devido à presença de amido na
manipueira, o qual é de fácil fermentação em função da sua simples estrutura molecular.
Para contornar o problema da acidificação foi necessário a correção do efluente com
uma solução a 30% de NaOH. O abastecimento dos reatores foi realizado, inicialmente,
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com a carga de 3% de manipueira, a qual foi gradativamente aumentada para 4,5% e
25%, observando o pH do interior do reator como critério básico para o aumento de
carga, uma vez que esse parâmetro, junto com a produção de biogás, indica a adaptação
das bactérias metanogênicas. No término do experimento, concluiu-se que, com o
aumento da concentração de manipueira, há necessidade de correção do pH do efluente
e que a produção de biogás obteve crescimento em razão da concentração de
manipueira. Além disso, foi evidenciado que a utilização de NaOH aumenta a
quantidade de sólidos totais na saída do sistema.
Palavras-chave: Manipueira, mandioca, biodigestor.
Introdução
Segundo Cezar et al. (2005) a mandioca é importante na alimentação humana e
animal, sendo utilizada como matéria prima em mais de uma centena de produtos
industriais. Em 2002, a Companhia Nacional de Abastecimento (CONAB), constatou
que a produção da cultura no Brasil ultrapassou a 22 milhões de toneladas, sendo os
estados do Pará, Bahia e Paraná os maiores produtores, responsáveis por mais de
metade da produção nacional. A Região Nordeste se sobressai com uma participação de
34,76% na produção nacional de mandioca. As demais regiões participam com 25,71%
(Norte), 25,03% (Sul), 9,22% (Sudeste) e 5,28% (Centro-Oeste). A produtividade, na
região Nordeste, com valores médios de 10,8 t/ha, fica muito aquém das obtidas nas
regiões Sul e Sudeste. Tal fato está associado, entre outros fatores, ao uso de pouca
tecnologia.
O Estado de Alagoas é um grande produtor de farinha de mandioca e no seu
processo de fabricação, considerado artesanal, o qual lança ao solo sem nenhuma
preocupação ambiental a manipueira, resíduo líquido altamente tóxico, que surge do
processo de prensagem da mandioca descascada e ralada. Na tentativa de diminuir os
custos da sua produção e com o intuito de solucionar os problemas do tratamento da
manipueira e a demanda energética, o CERAT/UNESP (Centro de Raízes e Amidos
Tropicais da Universidade Estadual Paulista-Botucatu, SP) indica o uso de biodigestores
anaeróbios, em função da produção de metano a partir do tratamento desse resíduo.
Segundo WEBER, et al., apud,CABELLO (2009), o emprego do processo
biológico anaeróbico oferece varias vantagens em comparação com o aeróbio, podendo
ser salientado o menor consumo de energia, a necessidade de menor área para
implantação do sistema e a potencialidade de uso do biogás como combustível.
Com base nessas informações, foi construído no Instituto Federal de Educação,
Ciência e Tecnologia de Alagoas um reator anaeróbio de fluxo ascendente de fases
separadas (acidogênica e metanogênica), como intuito de gerar conhecimento científico,
qualificar profissional e desenvolver tecnologia ecologicamente responsável para o
desenvolvimento sustentado do Estado de Alagoas. Sendo a base tecnológica, o uso de
biodigestores anaeróbios e a geração de biogás “Energias Renováveis”, o qual promove
a valorização do resíduo orgânico, que atualmente é descartado de forma irracional.
Revisão de literatura
Industrialização da mandioca no Estado de Alagoas
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Em Alagoas durante a década de 1990, pela primeira vez o setor industrial de
casa de farinhas obteve apoio governamental para o fortalecimento da atividade no
Estado. Foram reformadas ou construídas aproximadamente 450 casas de farinha em 14
municípios do entorno de Arapiraca. A idéia era de que haveria o aquecimento dos
negócios na região a partir dessa iniciativa (SEBRAE, 2006). Mas essa idealização logo
se deparou com as necessidades de insumos para essa produção, uso da lenha e com os
problemas ambientais causados pelo descarte de manipueira.
Os maiores problemas de adequação a regulamentação, nos órgãos ambientais,
para casa de farinha, no seu processo produtivo, é a grande quantidade de resíduo que
são descartados de forma irregular, entre eles está a manipueira, que é um efluente
orgânico problemático por possuir elevada carga poluente e efeito tóxico. Segundo
SILVA, et al (2003), o lançamento desse resíduo líquido em mananciais está
expressamente em desacordo com as normas legais e isso é o que acontece com
frequência em quase todo o Nordeste.
Ainda aos problemas ambientais na região nordeste, segundo GOMES, et. al
(2006), pode ser agravado devido a elevada dependência da população rural pela lenha,
empregada como combustível para atender as demandas domiciliares e agro-industriais,
além de ser produto de comercialização para alguns estabelecimentos comerciais
situados nas zonas urbanas.
Segundo CARDOSO et. al (2006) no processo de fabricação da farinha de
mandioca de Alagoas estão envolvidos aspectos que não podem ser avaliados de forma
eficiente para todos os produtores (empresários). Mas, também em 2006 o SEBRAE
comenta do beneficiamento dessa produção, sendo ilustrado pelo fluxograma descrito a
seguir:
Figura 1: Fluxograma do processo de beneficiamento de raízes de mandioca Fonte: SEBRAE, 2006.
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Manipueira
Segundo CORDEIRO (2007) a manipueira é o efluente resultante da
industrialização da mandioca, decorrente da prensagem da mandioca ralada e lavada,
possuindo um alto teor de matéria orgânica e um b-glicosídeo chamado linamarina
(Figura 2) que é facilmente hidrolisado a cianeto, composto altamente tóxico ao
metabolismo de seres vivos, sendo na maioria das vezes descartada in natura nos cursos
d’água acarretando em problema ambiental. De acordo com CEREDA (2003) a ação
tóxica nos animais é letal, isso ocorre devido a afinidade que o ferro tem com a
hemoglobina para formar a cianohemoglobina. Além disso, nas plantas superiores e nos
microorganismos o cianeto interfere na fosforilação oxidativa combinando-se como
citocromo oxidase e inibindo o transporte eletrônico, e conseqüentemente, a formação
de ATP.
Figura 2: Cianogênese da Linamarina
Fonte: CEREDA, 2003
Biodigestão anaeróbia
Segundo PEREIRA et al (2008), em um país de clima tropical como o Brasil,
processos anaeróbios são considerados uma alternativa segura e econômica para o
tratamento de efluentes, isso ocorre devido a pouca variação climática que mantém a
temperatura sempre adequada para as bactérias. Como os microorganismos anaeróbios
são responsáveis pelo gás metano, necessitam preferencialmente de locais onde o
nitrato, o oxigênio e o sulfato não estejam disponíveis como recebedores de elétrons. Na
literatura é ilustrado por três estágios o processo de digestão anaeróbia, sendo a
hidrólise, acidogênese e metanogênese (CEZAR 2008).
Materiais e métodos
O experimento foi conduzido no Instituto Federal de Educação, Ciência e
Tecnologia de Alagoas - Campus Marechal Deodoro (IF/AL). Localizado no município
de Marechal Deodoro, nas coordenadas 09°42’36,0” de latitude sul e 35°53’42,0” de
longitude oeste (MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA, 2005).
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Os reatores anaeróbios modelo UASB (Figura 3), foram montados a partir de
tubos de PVC, tendo o biodigestor acidogênico um volume útil de 20L, o metanogênico
60L e o gasômetro com capacidade de armazenar 21 litros de biogás.
Figura 3: Esquema geral do experimento.
Fonte: Luiz Guilherme.
A manipueira utilizada no experimento foi proveniente de uma casa de farinha
localizada no município de Junqueiro - Alagoas. Esse resíduo foi coletado na saída do
processo de prensagem antes de ser descartada na lagoa de estabilização e sua
composição química está descrita na Tabela 1.
Tabela 1 - Composição química da manipueira empregada no abastecimento dos biodigestores.
Parâmetros
Umidade (%)
Sólidos Totais (%)
Sólidos Voláteis (%)
Cinzas
Alcalinidade (mg/l)
Acidez Volátil (mg/l)
DQO (mg/l)
Carbono (%)
Nitrogênio (%)
Fósforo (%)
Ph
93,22
6,78
5,78
1,00
1890
3018
57000
2,65
0,35
0,47
4,30
A inoculação e a partida do reator metanogênico ocorreu em meados de abril,
sendo que a inoculação foi feita com 4 kg de esterco bovino fresco e em 20L de água. O
abastecimento dos reatores foi realizado, inicialmente, com a carga de 3% de
manipueira, a qual foi gradativamente aumentada para 4,5%, 5% e 25%, observando o
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pH do interior do reator como critério básico para o aumento de carga, uma vez que esse
parâmetro indica a adaptação das bactérias metanogênicas. No decorrer do estudo, que
ainda se encontra em atividade, será aumentada gradativamente a dose de manipueira
até a carga máxima de operação, ou seja, quando o processo de digestão sofrer
instabilidade.
O sistema foi operado com tempo de retenção hidráulica (TRH) de 1 dia no
reator acidogênico e de 3 dias no reator metanogênico. Após a partida dos biodigestores,
o monitoramento foi feito através de análises de pH das amostras coletadas nos
seguintes pontos: entrada do reator acidogênico (E.A), saída do reator acidogênico
(S.A.), saída do reator metanogênico (S.M.), além de análises de sólidos totais de
entrada e saída, alcalinidade e acidez volátil. A freqüência das análises está descrita na
Tabela 2.
Tabela 2: Monitoramento das analises laboratoriais
PARAMETROS
FREQUÊNCIA DE
MONITORAMENTO
UNIDADES
Eficiência de tratamento
Produção de Biogás
L de Biogás/L de
Efluente
Diária
Estabilidade operacional
Temperatura
C°
Diária
-
Diária
Ph
Alcalinidade
mg/L
2x na semana
Ácidos orgânicos voláteis
mg/L
Quantidade e qualidade do Lodo
2 x na semana
Sólidos totais
2 x na semanal
mg/L
Sólidos totais voláteis
mg/L
Fonte: CHERNICHARO (2007)
2 x na semanal
Adaptação: MILLANE BARBOSA.
A determinação das concentrações de sólidos totais e leitura do pH, segundo
metodologia citada no LANARV (1988) e APHA (1992).
A determinação da alcalinidade e acidez volátil esta de acordo com a
metodologia de SILVA (1977) citado por FERNADES (1995). Onde era adicionado
acido sulfúrico 0,2N até pH 4,0 para determinar a Alcalinidade, adicionando o volume
gasto na amostra na seguinte formula:
Vol. H2 SO4 X N Ácido X 50.000
Volume de amostra
E para determinar a acidez volátil foi utilizada a formula seguinte:
Vol. NaOH X N NaOH X 60.000
Volume de amostra
O volume de biogás produzido diariamente foi determinado em gasômetro de
PVC com selo d água, instalado próximo aos reatores, sendo este obtido através da
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medida de deslocamento vertical do gasômetro, multiplicando-se pela área de seção
transversal interna do gasômetro (0,0176 m²).
Para verificação do deslocamento vertical do gasômetro foi utilizada uma régua
milimetrada. Após cada, leitura, o gasômetro era zerado, utilizando-se o registro de
descarga do biogás.
A produção do biogás foi quantificada segundo Barana (2000), utilizando-se à
expressão que resulta da combinação das leis de Boyle e Gay-Lussac para a correção do
volume do biogás:
Vo x Po = V1 x P1xF
To
T1
Onde,
Vo= volume na CNTP
Po= pressão na CNTP (760 mmHg)
To= temperatura na CNTP (293K)
V1= volume de biogás medido (L)
P1= pressão local de Marechal Deodoro – AL ( mmHg)
T1= temperatura do biogás no instante da leitura, K
Resultados
Após o tempo necessário para a inoculação foi dada a partida no sistema, onde
verificou-se que o efluente apresenta uma rápida fermentação, elevando as
concentrações de ácidos orgânicos no meio. A produção desses ácidos orgânicos fez
com que diminuísse o pH do efluente, deixando-o abaixo da faixa ideal para o
desenvolvimento das bactérias metanogênicas. Isso é devido à presença de amido na
manipueira, o qual é de fácil fermentação em função da sua simples estrutura molecular.
Para contornar o problema da acidificação foi necessário a correção do efluente com
uma solução a 30% de NaOH, que em cada uma das etapas de acréscimo de carga do
resíduo era aumentado gradativamente o seu uso.
Na Tabela 3 está descrito os períodos de permanência do reator em suas
determinadas cargas, bem como, o acompanhamento do pH, deslocamento e
temperatura.
Tabela 3: Concentração, período de abastecimento, pH, temperatura e deslocamento.
Concentrações e
Biogás (ml/L de
manipueira
Período
pH
Temperatura
efluente)
3%
23/04 a 15/05
6,26
27 0C
0,39
0
4,5%
20/05 a 25/05
6,6
27 C
0,44
25%
03/07 a 30/12
7,04
28 0C
0,85
No decorrer das análises foi observado que o efluente, que era hidrolisado ao
entrar no reator acidogênico, sofria a acidificação, levando a queda do pH do sistema,
afetando assim a segunda fase do processo, determinada como metanogênica,
promovendo a redução da produção de metano.
O efeito dado sobre a queda do pH é ocasionado pelo o aumento da
concentração dos ácidos orgânicos voláteis, que segundo RIBAS (2003) as bactérias
hidrogenotróficas, as quais são responsáveis pela eliminação de hidrogênio, têm um
tempo de duplicação de 8 a 10 horas, enquanto que as bactérias hidrolíticas formadoras
de ácidos têm um tempo de duplicação de 30 minutos, situação essa, que quando não
controlada conduz ao declínio da atividade metanogênica e o acúmulo de hidrogênio.
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Os parâmetros de eficiência dos reatores são observados através de analises de
alcalinidade e acidez volátil que estão expostas na Tabela 4, além disso, foi verificado
também os sólidos totais do sistema e relação AV/AT.
Tabela 4: Resultados médios das análises feitas cm a concentração de 25% de manipueira.
Parâmetros
Saída do
Entrada do Efluente Entrada do Metanogênico Metanogênico
Sólidos Totais (mg/L)
1,38
1,7
1,49
Alcalinidade Total (mg/L)
390,6
1558,5
2055,3
2708
4870,5
3434,6
2,49
3,26
1,69
Acidez Volátil (mg/L)
AV/AT
Pode ser verificado na Tabela 4 que ocorreu aumento dos valores médios de
sólidos totais na saída do reator metanogênico, que de acordo com o estudo de
SILVEIRA (2009), a adição de hidróxido de sódio ao excesso de lodo causa um
aumento na concentração de sólidos totais e redução na concentração de sólidos voláteis
totais, entretanto, está não varia com a quantidade de NaOH utilizada. Isso justifica o
fato do efluente ter sólidos de 1,38 e sair do reator com 1,49, não obtendo redução.
Neste experimento, os resultados obtidos para alcalinidade total e acidez volátil,
no reator metanogênico, foi de 2.055,3mg/L e de 3.434,6 mg/L respectivamente,
enquanto no estudo de BARANA(2000), no tratamento de efluentes com estabilização
de NaOH 50%, seus resultados foram aproximados dos obtidos neste trabalho, os quais
foram 7.440 mg/L alcalinidade total e 11.230 mg/L de acidez volátil. Nota-se que
alcalinidade do efluente é maior no da autora supracitada devido à carga orgânica
utilizada no abastecimento diário dos reatores ser superior ao empregado neste estudo.
A relação Acidez Volatil/Alcalinidade Total é utilizada como uma estimativa do
estado do processo de digestão. Sendo assim SAMPAIO(1996) citado por
FIEDEN(2001), afirma que esta relação no processo anaerobio em sistema de duas fases
pode ser maior que 1,0, com a correção do pH do efluente.Nessa relação o autor fala do
que ocorreu no sistema, por que sua relação esta em 1,6, sendo assim um exemplo do
que foi observado neste trabalho.
Considerações finais
Em Alagoas o processo de produção de farinha de mandioca deve passar por um
procedimento educativo e de adaptação de novas tecnologias, como a digestão
anaeróbia, tratando assim seu efluente mais poluente (manipueira). Dessa forma, a
poluição ambiental da região do agreste alagoano sofreria uma queda considerável.
Além disso, a utilização do gás metano, produzido através do tratamento anaeróbio,
diminui o consumo de lenha e preserva o Bioma da Caatinga.
O aumento da concentração de manipueira no sistema de tratamento promove
queda no pH, comprometendo a digestão anaeróbia, portanto há necessidade de
correção do efluente com solução de NaOH.
Houve acréscimo da produção de biogás de forma gradativa ao aumento da
manipueira.
Houve a perda de lodo do sistema devido a utilização de NaOH, promovendo
aumento no percentual de sólidos totais na saída do sistema de tratamento quando
comparado com o percentual de entrada.
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