Uso de Caldo de Cana-de-Açúcar na Biodigestão Anaeróbia de Dejetos de Vacas em Lactação para Aumento da Produção de Biogás – E



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Caldo de cana-de-açúcar na biodigestão anaeróbia de dejetos de vacas em lactação: biodigestores contínuos
Cristiane de Almeida Neves Xavier a*, Jorge de Lucas Júnior b

a Doutora em Zootecnia pela Faculdade de Ciências Agrárias e Veterinárias da UNESP. crisanx@yahoo.com.br

bDocente da Faculdade de Ciências Agrárias e Veterinárias da UNESP. Via de Acesso Prof. Paulo Donato Castelanne, s/n. Jaboticabal-SP, Cep 14884-900. jlucas@fcav.unesp.br

* Autor para correspondência: +55 19 3562 3220. crisanx@yahoo.com.br



Palavras-chave: alcalinidade, biogás, metano

Título abreviado: biodigestão anaeróbia de dejetos
Sugarcane juice in anaerobic digestion of lactating cow manure: continuous digesters
ABSTRACT: Anaerobic digestion is a process by which is possible to obtain energy from organic matter, for example, animal manure. Use of additives in anaerobic digestion can increase the biogas production. The aim was to evaluate the inclusion of sugarcane juice in substrates containing dairy cow manure into continuous digesters through pH, alkalinity, volatile solids (VS) reductions, biogas production and potentials. The trial was conducted in six continuous digesters of 60 L in stages with different inclusions of the sugarcane juice (1 at 20%) and different hydraulic retention times (HRT). The use of 6% sugarcane juice and HRT of 30 days increased the biogas production without pH and alkalinity damage. There was VS reduction 48.24% and biogas producing capacity of 0.394 m3.kg-1 VS added from digesters containing 6% sugarcane juice, higher than control treatment.
RESUMO: A biodigestão anaeróbia é um processo pelo qual é possível obter energia a partir de matéria orgânica, por exemplo, dejetos de animais. O uso de aditivos na biodigestão anaeróbia pode aumentar a produção de biogás. Objetivou-se avaliar a inclusão de caldo de cana-de-açúcar em substratos contendo dejetos de vacas leiteiras em biodigestores contínuos, por meio do pH, alcalinidade, redução de sólidos voláteis (SV), produção e potenciais de produção de biogás. O experimento foi realizado em seis biodigestores contínuos de 60 L, três biodigestores testemunha e três biodigestores nos quais foram aplicadas diferentes inclusões de caldo de cana (de 1 a 20%) e diferentes tempos de retenção. O uso de 6% de caldo de cana-de-açúcar e TRH de 30 dias aumentou a produção de biogás sem quedas de pH e alcalinidade. Houve redução de SV de 48.24% e potenciais de produção de biogás de 0.394 m3.kg-1 de SV adicionados para os biodigestores contendo 6% de caldo de cana, superiores àqueles dos substratos que não receberam caldo de cana.

INTRODUÇÃO

As vacas leiteiras produzem elevadas quantidades de dejetos que podem ser uma das causas de impacto ambiental nos sistemas de produção de leite por contribuir para a contaminação do solo, da água e do ar. Uma opção ambientalmente correta é o aproveitamento desses dejetos para a geração de energia, por meio da biodigestão anaeróbia, na qual vários microrganismos interagem para a degradação da matéria orgânica. Dessa forma, recupera-se a energia contida nos dejetos na forma de biogás, que é rico em metano (CH4) e dióxido de carbono.

Porém os custos de implantação de sistemas de biodigestão anaeróbia ainda são altos e a recuperação do investimento depende, dentre outros fatores, da quantidade e qualidade do biogás produzido, havendo necessidade de estudos que visem aumentar a eficiência total do processo para que se dê a aplicação prática dessa tecnologia (Kashyap et al., 2003).

O caldo de cana-de-açúcar talvez possa ser utilizado como um aditivo para incremento da produção de biogás por conter carboidratos prontamente solúveis, que podem proporcionar maior crescimento microbiano inicial, maior degradação da matéria orgânica do substrato e, consequentemente, maior produção de biogás.

A cana-de-açúcar é um produto com grande disponibilidade na região sudeste do Brasil, e é um alimento alternativo para os animais (Azevêdo et al., 2003). Comumente, os produtores que costumam fornecê-la para os animais a têm na propriedade, podendo incluir o caldo de cana na biodigestão anaeróbia. Porém, devido à alta concentração de açúcares, suas taxas de inclusão nos substratos de biodigestores devem ser controladas, para que não formem compostos inibidores da biodigestão anaeróbia (Umetsu et al., 2006).

Objetivou-se avaliar a biodigestão anaeróbia de dejetos de vacas em lactação com a inclusão de níveis crescentes de caldo de cana-de-açúcar para aumento da produção de biogás em biodigestores contínuos.



MATERIAL E MÉTODOS

O experimento foi conduzido na Faculdade de Ciências Agrárias e Veterinárias da Universidade Estadual Paulista, Jaboticabal-SP, Brasil. O clima da região é subtropical úmido, seco no inverno e com chuvas no verão, temperatura média anual de 22.2 oC, umidade relativa média anual de 70.8%.

Foi realizada a biodigestão anaeróbia de dejetos de vacas em lactação, em condições de temperatura ambiente, em seis biodigestores contínuos, com volume útil de 58 L cada, os quais foram descritos por Ortolani et al. (1986).

Os dejetos utilizados, obtidos por meio de raspagem do piso das instalações, foram provenientes de vacas em lactação mantidas em sistema de produção semi-intensivo e ordenhadas duas vezes por dia. Diariamente os animais foram alimentados com concentrado e silagem de milho, sendo liberados para piquetes às 17 horas.

O caldo de cana de cana-de-açúcar utilizado foi da variedade RB855536, classificada por Azevêdo et al. (2003) como não-precoce, mas intermediária no ciclo de produção.

Os biodigestores foram inicialmente abastecidos com dejetos e água. A fase de partida teve duração de 58 dias e então iniciaram-se os abastecimentos diários. Três biodigestores receberam dejetos e água como substrato e os outros três, dejetos, água e caldo de cana como substrato. Ao longo do ensaio foram avaliados de 1 a 20% de caldo de cana-de-açúcar (volume/volume de carga diária).

Para a realização das cargas diárias os dejetos foram colhidos duas vezes por semana e armazenados em temperatura ambiente. Diferentes tempos de retenção hidráulica (TRH) foram testados, conforme descritos na Tabela 1.

Tabela 1. Tratamentos, tempos de retenção hidráulica (TRH) e as quantidades dos totais de componentes dos substratos dos abastecimentos diários, dos sólidos totais (ST) e dos sólidos voláteis (SV) de biodigestores contínuos operados com dejetos de vacas em lactação. Valores entre parênteses representam o tratamento com caldo de cana-de-açúcar


Caldo (%)

TRH (dias)

Dejeto

(kg)


Água

(kg)


Caldo*

(kg)


ST

(kg)


SV

(kg)


1

40

17.48

27.47

0.45

2.62 (2.59)

2.35 (2.32)

2

40

19.00

27.40

0.93

3.13 (3.16)

2.77 (2.83)

2

30

21.87

30.33

1.04

3.33 (3.45)

2.97 (3.10)

3

30

25.40

30.66

1.68

3.53 (3.62)

3.08 (3.20)

4

30

27.81

37.92

2.63

4.18 (4.54)

3.65 (4.02)

6

30

26.49

33.45

3.60

4.03 (4.68)

3.43 (4.06)

8

30

24.80

39.00

5.10

4.12 (4.83)

3.50 (4.20)

10

30

38.70

57.96

9.67

6.25 (7.86)

5.54 (7.12)

10

40

15.50

25.10

4.06

2.69 (3.51)

2.41 (3.23)

Batelada

68
















5

20

39.68

64.72

5.22

6.70 (7.49)

5.98 (6.79)

7

30

18.73

23.80

2.98

2.74 (3.31)

2.40 (2.99)

8 a 20

30

20.95

29.31

7.04

3.23 (3.82)

2.88 (3.44)

Batelada

186
















*Caldo de cana-de-açúcar nos biodigestores que o receberam. Fase batelada, sem abastecimentos diários.
Após a operação com 10% de caldo de cana e TRH de 40 dias, os biodigestores foram mantidos sem carga, para recuperação. Após a retomada da produção de biogás, as cargas foram reiniciadas. Na fase final dos abastecimentos diários, elevou-se a quantidade de caldo de cana no substrato em 2% a cada dois dias até atingir 20%, após o que, os abastecimentos diários foram suspensos.

Foram realizadas análises para caracterização dos dejetos, dos substratos e dos efluentes dos biodigestores. Os teores de sólidos totais (ST) e de sólidos voláteis (SV) foram determinados segundo metodologia descrita pela APHA (1995). O pH foi verificado nos substratos e nos efluentes em aparelho digital.

As produções de biogás foram calculadas com base no deslocamento do gasômetro, medido 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 esvaziados 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). Para a correção do volume de biogás, considerou-se a pressão atmosférica média do local igual a 9641.77 mm de água e pressão conferida pelos gasômetros de 10.33 mm de água. A temperatura do biogás era verificada por ocasião da leitura da produção com o uso de um termômetro digital. Após cada leitura o termômetro era colocado no local de liberação de gás, até que ocorresse a estabilização e esta então era registrada.

Os potenciais de produção de biogás foram calculados utilizando-se os dados de produção total de biogás e as quantidades de dejetos, de substrato, de ST e SV que entraram no biodigestor e dos SV reduzidos durante o processo. Os valores foram expressos em m3 de biogás por kg dejeto, de substrato, de ST e SV adicionados e de SV reduzidos.

As análises do biogás, quanto aos teores de CH4 e de dióxido de carbono, foram realizados por meio de cromatógrafo de fase gasosa equipado com as colunas Porapack Q, peneira molecular e detector de condutividade térmica.


RESULTADOS E DISCUSSÃO
Durante os abastecimentos diários, os teores médios de ST e de SV dos dejetos foram de 16.92 e 14.98% no período chuvoso do ano e de 17.89 e 15.65% no período seco do ano, respectivamente. Para as médias de ST, os coeficientes de variação foram de 9.14 e 8.49% nos períodos chuvoso e seco do ano.

A Figura 1 representa as médias das produções diárias de biogás.





Figura 1. Produção de biogás de biodigestores contínuos operados com dejetos de vacas leiteiras, água, com e sem inclusão de caldo de cana-de-açúcar
Maiores diferenças entre os tratamentos começaram a ser observadas à partir dos 148 dias, em que a inclusão de caldo de cana foi de 3%. Dos 177 aos 210 dias, a inclusão foi de 4%. Dos 211 aos 241 dias, 6%. Dos 242 aos 274 dias, 8% e de 275 a 324 dias, 10%; ao que se seguiu declínio da produção de biogás, mesmo depois da operação com 10% de caldo de cana e TRH de 40 dias. No 356o dia os abastecimentos foram suspensos e reiniciados no 421o dia. Após o 505o dia os mesmos foram novamente suspensos.

Um maior distanciamento entre as curvas de produção de biogás dos tratamentos ocorreu dos 211 aos 274 dias em que os biodigestores foram operados com 6 e 8% de caldo de cana. Nesse período, menores distúrbios ocorreram nos biodigestores contendo 6% de caldo de cana, como pode ser observado na Tabela 2.


Tabela 2. Valores médios de pH, alcalinidade total (AT), parcial (AP), intermediária (AI), em mg de CaCO3 L-1 dos efluentes, e metano (CH4), em porcentagem, obtidos em biodigestores contínuos operados com dejetos de vacas em lactação. Valores entre parênteses representam as médias do tratamento com caldo de cana-de-açúcar

Caldo (%)

TRH

pH inicial

pH final

AT

AP

AI

CH4

1

40

5.32

(5.23)


7.04

(7.00)


5288

(5033)


3043

(2487)


2057

(2547)


67.78

(64.11)


2

40

5.03

(4.97)


6.80

(6.72)


5003

(5035)


3560

(3302)


1443

(1733)


66.60

(67.37)


2

30

5.72

(5.64)


7.24

(7.21)


5240

(5240)


3840

(3854)


1400

(1420)


66.51

(64.89)


3

30

5.70

(5.54)


7.12

(7.11)


4027

(3987)


2987

(2857)


1040

(1130)


67.20

(65.40)


4

30

5.99

(5.85)


7.40

(7.38)


3880

(3617)


2950

(2793)


930

(823)


67.67

(65.59)


6

30

5.85

(5.70)


7.21

(7.15)


3520

(3480)


2807

(2580)


713

(900)


65.32

(63.39)


8

30

5.90

(5.75)


7.26

(7.21)


3140

(2640)


1700

(540)


1440

(2100)


67.44

(64.80)


10

30

6.00

(5.86)


7.36

(7.28)


3800

(3140)


2040

(760)


1760

(2380)


65.85

(61.45)


10

40

5.22

(5.16)


6.83

(6.47)


4640

(3120)


2700

(840)


1940

(2280)


63.63

(58.89)


5

20

5.48

(5.31)


7.10

(6.94)


3153

(2427)


1667

(550)


1487

(2060)


65.67

(62.67)


7

30

5.41

(5.27)


7.11

(6.56)


4040

(3300)


3300

(780)


1900

(2200)


70.74

(66.06)


8 a 20

30

5.25

(5.17)


6.86

(6.29)


4020

(3133)


2573

(907)


1447

(2227)


66.01

(56.58)

Os substratos dos biodigestores testemunhas apresentaram pH de 5.03 a 6.00 e dos biodigestores com caldo de cana, de 4.97 a 5.86. Verificou-se pH ligeiramente menor para esses substratos tão logo foram preparados. O valores médios de pH dos efluentes oriundos dos biodigestores que receberam caldo de cana até 8% variaram de 6.72 à 7.38 e dos biodigestores testemunhas variaram de 6.80 à 7.40 durante todo o ensaio. Esses valores estão de acordo com Anderson & Yang (1992) que recomendaram pH entre 6.40 a 7.60. Esses autores citaram que o sistema funciona com equilíbrio de bicarbonatos e ácidos voláteis.

De acordo com Ripley et al. (1986) a alcalinidade parcial (AP) é associada a bicarbonatos, enquanto a intermediária (AI), a ácidos voláteis; a relação AI:AP é análoga a ácidos voláteis:alcalinidade. De acordo com trabalho citado por esses autores, para biodigestores operados com esgoto doméstico, a relação AI:AP ótima deve ser entre 0.10 a 0.35.

No presente trabalho, a relação AI:AP variou de 0.25 a 0.89 para os efluentes testemunhas e de 0.29 a 0.39 para os tratamentos com 2 a 6% de caldo de cana. Quando operados com 6% de caldo de cana, a relação AI:AP foi de 0.35. Para 8% de caldo de cana, a relação AI:AP foi de 3.8 e daí em diante não ficou abaixo de 2.45.

Estudos são necessários para definir a melhor relação AI:AP para os dejetos de vacas leiteiras com diferentes concentrações de SV e diferentes TRH. A variação dos dados dos tratamentos que receberam mais de 6% de caldo de cana demonstra a instabilidade no sistema, pois quanto mais alta a relação AI:AP mais altos os valores de AI e então, grandes quantidades de ácidos voláteis estão presentes no sistema e não são consumidos na mesma velocidade em que são produzidos.

Para Jenkins et al. (1991) a AP inferior a 1200 mg CaCO3.L-1 indica estresse no biodigestor, podendo ser um limite mínimo operacional para um bom funcionamento do processo. Os valores de AP encontrados a partir da operação com 8% de caldo de cana foram inferiores a 1200 mg de CaCO3.L-1, enquanto o tratamento testemunha não apresentou valores inferiores durante todo o ensaio.

Sundh et al. (2003) trabalharam com biodigestores operados em condições estáveis, recebendo o mesmo tipo de substrato por três anos e verificaram queda da alcalinidade após sobrecarga única de 15 e 25 vezes a mais de glicose em relação à carga diária. As quedas foram de 7000 mg de CaCO3.L-1 para 5000 e 4000 mg de CaCO3.L-1, respectivamente.

Comparando-se os teores de CH4 no biogás, o tratamento com caldo de cana apresentou, na maioria das vezes e principalmente após a operação com 8% de caldo de cana, 2.5% menos CH4 no biogás que o tratamento testemunha. Segundo Ripley et al. (1986) sintomas comuns de sobrecarga de matéria orgânica no sistema são a redução do CH4 no biogás e a queda do pH do efluente.

A adição de 10% de caldo de cana nos biodigestores causou instabilidade no sistema, com queda na produção de biogás, no pH, na alcalinidade devida a bicarbonatos e percentual de CH4 no biogás e então foi realizada uma tentativa de retomada da produção, deixando de efetuar os abastecimentos diários por algum tempo (a partir dos 353 dias).

A partir dos 374 dias seguiu-se um período de altas produções de biogás por aqueles biodigestores operados com caldo de cana, sugerindo que os mesmos possuíam quantidade residual de nutrientes que estiveram presentes no substrato por vários dias.

A inclusão de mais de 8% de caldo de cana nos substratos promoveu a formação excessiva de ácidos voláteis (Tabela 2) que são inibidores de microrganismos metanogênicos (Vedrenne et al., 2008), mas à medida que foram utilizados, melhorando as condições de pH do meio, a produção de biogás aumentou.



Alguns parâmetros obtidos durante os últimos 15 dias dos períodos em que os tratamentos com caldo de cana receberam inclusões de 6 e 8% constam na Tabela 3.

Tabela 3. Valores médios e desvios padrões da produção diária de biogás, da redução de sólidos totais (ST) e de sólidos voláteis (SV) e os potenciais dos ST adicionados, dos SV adicionados e dos SV reduzidos de biodigestores contínuos operados com dejetos de vacas quando 6 ou 8% de caldo de cana-de-açúcar foram inclusos nos substratos dos abastecimentos diários

Tratamento




Testemunha

6% de caldo

Testemunha

8% caldo

Produção total (m3)




0.565±0.017

0.767±0.038

0.578±0.017

0.757±0.050

Produção diária (m3)




0.038±0.004

0.051±0.004

0.039±0.010

0.050±0.012

Redução de ST (%)




36.24±2.32

45.25±1.66

38.59±3.70

47.51±3.50

Redução de SV (%)




38.48±2.13

48.24±1.58

41.36±3.32

50.63±2.86

Potenciais
















ST adicionados (m3.kg-1)




0.291±0.035

0.341±0.027

0.289±0.073

0.322±0.075

SV adicionados (m3.kg-1)




0.343±0.040

0.394±0.031

0.343±0.087

0.375±0.089

SV reduzidos (m3.kg-1)




0.897±0.134

0.817±0.067

0.836±0.233

0.742±0.182

A adição de 6 e 8% de caldo de cana no substrato promoveu um incremento na produção de biogás de 26.34 e 23.65%, respectivamente, em relação aos substratos sem caldo de cana.

As reduções de SV encontradas no presente trabalho (38.48 a 50.63%) foram próximas àquelas citadas por Demirer & Chen (2004) para diferentes tipos de biodigestores operados com dejetos de bovinos, com diferentes TRH e diferentes cargas orgânicas.

Admitindo-se que o biogás continha cerca de 60% de CH4, as médias dos potenciais dos SV adicionados foram próximas àquelas obtidas por Vedrenne et al. (2008).

Embora os potenciais de produção de biogás tenham sido próximos com a inclusão de 6 ou 8% de caldo de cana nos substratos, a capacidade tampão foi melhor mantida com 6% de caldo de cana (Tabela 2). Adicionalmente, esse nível de inclusão é mais econômico em relação ao de 8% de caldo de cana.


CONCLUSÕES

Para que não haja comprometimento do processo de biodigestão anaeróbia em biodigestores contínuos por redução de pH e de alcalinidade, com consequente redução na produção de biogás, recomenda-se a inclusão de até 6% de caldo de cana-de-açúcar em substituição de parte da água de diluição, podendo elevar a produção de biogás em até 26,34%.


AGRADECIMENTOS
O presente trabalho foi realizado com o apoio do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico – CNPq – Brasil.

REFERÊNCIAS



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