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UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARANÁ - UNIOESTE
CAMPUS CASCAVEL
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA AGRÍCOLA
TRATAMENTO DE EFLUENTE DE FECULARIA EM REATOR ANAERÓBIO TUBULAR
HORIZONTAL PILOTO COM MEIO SUPORTE E AGITAÇÃO
OSVALDO KUCZMAN
CASCAVEL - PARANÁ - BRASIL MAIO 2012
OSVALDO KUCZMAN
TRATAMENTO DE EFLUENTE DE FECULARIA EM REATOR ANAERÓBIO TUBULAR
HORIZONTAL PILOTO COM MEIO SUPORTE E AGITAÇÃO
Tese apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Agrícola em cumprimento parcial aos requisitos para obtenção do título de Doutor em Engenharia Agrícola, área de concentração em Engenharia de Recursos Hídricos e Meio Ambiente.
Orientadora: Profa. Dra. Maria Hermínia Ferreira Tavares Co-orientadora: Profa. Dra. Simone Damasceno Gomes
CASCAVEL – PARANÁ - BRASIL MAIO – 2012
Dados Internacionais de Catalogação-na-Publicação (CIP) Biblioteca Central do Campus de Cascavel – Unioeste
Ficha catalográfica elaborada por Jeanine da Silva Barros CRB-9/1362
K97t
Kuczman, Osvaldo
Tratamento de efluente de fecularia em reator anaeróbio tubular horizontal piloto com meio suporte e agitação. / Osvaldo Kuczman — Cascavel, PR: UNIOESTE, 2012.
145 f. ; 30 cm.
Orientadora: Profa. Dra. Maria Hermínia Ferreira Tavares Co-orientadora: Profa. Dra. Simone Damasceno Gomes Tese (Doutorado) – Universidade Estadual do Oeste do Paraná. Programa de Pós-Graduação Stricto Sensu em Engenharia Agrícola,
Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas. Bibliografia.
1. Biodigestor. 2. Biogás. 3. Digestão anaeróbia. 4. Energia
alternativa. 5. Manipueira. I. Universidade Estadual do Oeste do Paraná. II. Título.
CDD 21ed. 628.74
Texto revisado: português, inglês e normas por Dhandara Soares de Lima em 10/08/2012.
OSVALDO KUCZMAN
TRATAMENTO DE EFLUENTE DE FECULARIA EM REATOR ANAERÓBIO TUBULAR
HORIZONTAL PILOTO COM MEIO SUPORTE E AGITAÇÃO
Tese apresentada ao Programa de Pós-Graduação “Stricto Sensu” em Engenharia Agrícola
em cumprimento parcial aos requisitos para obtenção do título de Doutor em Engenharia
Agrícola, área de concentração Engenharia de Recursos Hídricos e Meio Ambiente,
aprovada pela seguinte banca examinadora:
Orientadora: Profa. Dra. Maria Hermínia Ferreira Tavares Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas – UNIOESTE - Campus Cascavel PR Eduardo Eyng (UTFPR) Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR– Campus Medianeira PR Juliana Bortoli Rodrigues Mees (UTFPR) Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR – Campus Medianeira PR Prof. Dr. ArminFeiden Centro de Ciências Agrárias – UNIOESTE - Campus Marechal Cândido Rondon PR
Profa. Dra. Luciana Pagliosa Carvalho Guedes Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas – UNIOESTE - Campus Cascavel PR
Cascavel, 15 de maio de 2012.
ii
BIOGRAFIA
Osvaldo Kuczman, nascido em 20 de junho de 1959 em Apucarana – PR, graduou-se em
Engenharia Agrícola (1987), concluiu o curso de especialização em Desenvolvimento
Agroindustrial (1996) e mestrado em Recursos Hídricos e Meio Ambiente (2007) na
UNIOESTE – campus Cascavel – PR. Atuou como professor de ensino de primeiro e
segundo graus em escolas públicas e privadas. Proferiu palestras sobre biodigestores em
várias universidades paranaenses. Em 2008 concluiu o curso de atualização em Geração
Distribuída com Biogás no Parque Tecnológico de Itaipu PTI/UNIOESTE. Implantou e
operou um reator anaeróbio piloto para o tratamento de manipueira na Fecularia MCR
Alimentos Ltda., em Mercedes – PR (1999). Projetou e executou o primeiro biodigestor para
a empresa Sadia (atual BRF Brasil Foods) em Ouro Verde do Oeste – PR (2002) e o
sistema de tratamento de manipueira com biodigestor para a Fecularia Aztec em Crixás –
GO (2006). Projetou o sistema piloto de captação e aproveitamento de biogás do aterro
sanitário de Cascavel – PR. É sócio e responsável técnico da empresa BioMA – Biogás e
Meio Ambiente, onde atuou em consultoria ambiental agroindustrial de saneamento para a
produção de biogás como fonte alternativa de energia e de licenciamentos. A BioMA integra
o inventário tecnológico da Embrapa – Suínos e Aves para consultoria em sistemas de
tratamento de dejetos suínos.
iii
“Desenvolvimento sustentável é aquele que atende às necessidades do presente sem comprometer a possibilidade das gerações futuras atenderem às suas próprias necessidades.”
Comissão Brundtland. Relatório “Nosso Futuro Comum” (1987)
iv
DEDICATÓRIA
Dedico este estudo:
Aos meus pais, Viroslau (in memorian) e Antonia, que proporcionaram as condições
para esta conquista;
À querida esposa Herta Eloá, que em todos os momentos destes anos incentivou,
compreendeu as ausências e contagiou com o seu otimismo, disposição e amor;
Aos filhos Alícia e Vinícius, que entenderam que um dia se chegaria ao final desta
fase;
À Professora orientadora Dra. Maria Hermínia, que, com a experiência acadêmica,
ensinou correição à ciência e atentamente submeteu o estudo ao CNPq, que subvencionou
os recursos financeiros que o viabilizaram;
À Professora co-orientadora Dra. Simone Damasceno Gomes, que ensinou lições de
otimismo para solucionar os mais diversos problemas e a valorizar as oportunidades;
Ao colega de graduação, Prof. Dr. João Francisco Back (in memorian), que
compartilhou a decisão de assumir esta área e com quem trocava ideias, desde a aula que
inaugurou o curso de Engenharia Agrícola na UNIOESTE em 1979, em prol da valorização
profissional de uma engenharia desconhecida.
v
AGRADECIMENTOS
A Deus, que, concedendo a vida, possibilita realizar sonhos;
Aos Srs. Dali Zadinello, Ivan Carlos Klaus e André Carraro, diretor, gerente e gerente
de produção da Fecularia Zadimel, respectivamente, pela cessão da área para a construção
do reator piloto, infraestrutura, manipueira para diversas pesquisas e indústria para visitação
de estudantes da UNIOESTE;
À professora Dra. Luciana Pagliosa Carvalho Guedes, pela orientação nas análises
estatísticas, e ao Prof. Dr. Márcio Antonio Villas Boas, pela orientação na Estatística de
Controle de Qualidade;
Aos consultores do projeto Profa. Dra. Marney Pascoli Cereda, Prof. Dr. Fernando
Hermes Passig e Prof. Dr. Marcelo Zaiat, que orientaram algumas direções.
Aos acadêmicos Geovane Grisotti e Daiane Laiz Benedet, que contribuíram na
montagem, manutenção e operação do reator e, juntamente com a mestranda Cristiane
Andreani, na execução das análises químicas;
Aos colegas: doutorando Douglas Torres, pelas diversas contribuições, e mestrando
Michael Steinhorst, pela ajuda na instalação elétrica no reator piloto;
Ao Edison, laboratorista de saneamento do campus Cascavel da UNIOESTE, na
assistência das análises e de fornecimento de equipamentos e materiais;
Aos servidores do campus Cascavel, Srs. Estefano Preslak e Antonio Iark
(aposentado), pelo fornecimento de ferramentas, equipamentos e disponibilização da
marcenaria, e aos motoristas, pelas dezenas de viagens à Fecularia Zadimel;
Ao CNPq, pela concessão de recursos financeiros que custearam a efetivação do
estudo, como a construção, montagem e aquisição de equipamentos para o sistema piloto,
de laboratório e bolsa;
À CAPES pela concessão da bolsa de doutorado via Programa de Pós-graduação
em Engenharia Agrícola - PGEAGRI da UNIOESTE;
Ao Vivaldo Schmoeller, técnico da fabricante de equipamentos para fecularias EBS,
pelo diagrama de processamento de fécula;
Ao Sr. José Carlos da Clínica dos Fogões, pela contribuição e fornecimento dos
componentes para a montagem do acendedor de biogás;
Ao Sr. Leonir Petrach e Aldérico Tonello (in memorian), pelo apoio no corte e
fornecimento dos bambus para o meio suporte;
Ao campus Cascavel da UNIOESTE, pelo fornecimento de transporte;
Aos acadêmicos que contribuíram na construção e na manutenção do reator piloto,
sem os quais o objetivo não teria sido atingido.
vi
RESUMO
TRATAMENTO DE EFLUENTE DE FECULARIA EM REATOR ANAERÓBIO TUBULAR HORIZONTAL PILOTO COM MEIO SUPORTE E AGITAÇÃO
As fecularias produzem diariamente um grande volume de manipueira, que, estabilizada em lagoas, desperdiça a energia do biogás e polui a atmosfera. Para contribuir com a reversão dessa realidade, desenvolveu-se esta pesquisa de tratamento de manipueira em reator anaeróbio horizontal piloto com alimentação contínua. O reator foi implantado numa fecularia, em Toledo – PR, que processa 160 t de mandioca dia-1 e gera 800 m3 de manipueira. A agitação da biomassa foi realizada por recirculação de biogás bombeado por compressor radial e o meio suporte foi montado com peças de bambu de 15 x 4 cm. A manipueira, in natura, fluiu por uma caixa separadora de areia e argila e alimentou o reator com volume medido por hidrômetro. O delineamento experimental foi inteiramente casualizado, com respostas submetidas à análise multivariada que permitiram avaliar as correlações entre as variaveis e ao controle estatístico da qualidade através dos programas R 13.0 e Minitab 15.0, respectivamente. As cargas orgânicas médias em demanda química de oxigênio (DQO) aplicadas foram de 0,556; 0,670; 0,678; 0,770 e 0,902 g L-1 e em sólidos voláteis (SV) de 0,659; 0,608; 0,570; 0,761 e 0,816 g L-1 nos tempos de retenção hidráulica (TRH) de 13,0; 11,5; 10,0; 7,0 e 7,0 dias, respectivamente, sendo o último TRH com agitação. As reduções médias de DQO, na ordem de apresentação dos TRHs, foram de 88; 80; 88; 67 e 70% e de SV 76; 77; 65; 61 e 53%. As produções de biogás por DQOc foram de 0,368; 0,795; 0,891; 0,907 e 0,626 Lg-1, por SVc de 0,524; 0,930; 1,757; 0,952 e 0,981 Lg-1 e volumétrica de 0,131; 0,330; 0,430; 0,374 e 0,377 L L-1 d-1, com média de metano em 56%. O TRH de 10,0 dias foi avaliado com temperatura média mais elevada, de 27,7 °C, e os demais com temperatura variando entre 21,2 a 23,5 °C. A eficiência do agitador foi comprovada ao melhorar o desempenho do reator, apesar da redução média de 2,3 °C na temperatura. Os indicadores de estabilidade, pH e relação acidez volátil/alcalinidade total (AV/AT), mantiveram médias entre 6,51 a 7,45 e 0,11 a 0,82, respectivamente. Apesar da relação AV/AT ter apresentado valores de risco, o reator permaneceu estável, o que pode ser devido à presença do meio suporte.
PALAVRAS-CHAVE: biodigestor, biogás, digestão anaeróbia, energia alternativa, manipueira.
vii
ABSTRACT
TREATMENT OF CASSAVA STARCH EXTRACTION EFFLUENT IN A ONE PHASE TUBULAR HORIZONTAL REACTOR WITH SUPPORT MEDIUM AND AGITATION
The cassava starch industries generate daily a large volume of wastewater effluent that, stabilized in ponds, waste its biogas energy and pollute the atmosphere. To contribute with the reversion of this reality, this manipueira treatment research in one phase anaerobic horizontal pilot reactor with continuous feeding was developed. The reactor was implanted at a starch factory, Toledo, PR, which processes 160 ton cassava day-1 and originates 800 m3 of cassava wastewater. The biomass agitation was obtained by biogas recirculation, pumped by radial compressor, being the support medium set up with 15 x 4 cm bamboo pieces. The cassava wastewater, in natura, flowed by a sand and clay separating chamber, feeding the reactor with volume measured by an hydrometer. The experimental design was a completely randomized design, with the responses submitted to multivariate analysis and to statistical quality control through R 13.0 and Minitab 15.1.0.0 softwares, respectively. The average organic loadings in chemical oxygen demand (COD) were 0.556; 0.670; 0.678; 0.770 and 0.902 g L-1; and in volatile solids (VS) 0.659; 0.608; 0.570; 0.761 and 0.816 g L-1 at the hydraulic retention times (HRT) of 13.0; 11.5; 10.0; 7.0 and 7.0 days. The average reductions for COD, at the same order that the HRTs, were 88; 80; 88; 67 and 70% and for VS 76; 77; 65; 61 and 53%. The biogas productions relatively to COD consumed were 0.368; 0.795; 0.891; 0.907 and 0.626 Lg-1, relatively to VS consumed were 0.524; 0.930; 1.757; 0.952 and 0.981 Lg-1 and volumetrically 0.131; 0.330; 0.430; 0.374 and 0.377 L L-1 d-1, with an average methane content of 56%. The 10.0 days HRT was evaluated with an average temperature of 27.7 °C and the others with temperatures ranging from 21.2 to 23.5 °C. The agitation efficiency was proven as it increased the reactor’s performance, in spite of a 2.3 °C average reduction at the temperature. The stability indicators pH and volatile acidity/total alkalinity (VA/TA) relation remained between 6.51 to 7.45 and 0.11 to 0.82, respectively. Although the relation VA/TA has presented risk values, the reactor remained stable, possibly due to the support medium presence.
KEYWORDS: biodigestor, biogas, anaerobic digestion, alternative energy, cassava wastewater.
viii
SUMÁRIO RESUMO....................................................................................................................... ABSTRACT................................................................................................................... LISTA DE TABELAS..................................................................................................... LISTA DE FIGURAS...................................................................................................... LISTA DE ABREVIATURAS..........................................................................................
vi vii x xii xiv
1 INTRODUÇÃO.............................................................................................. 1 2 OBJETIVOS.................................................................................................. 3 2.1 Objetivo geral................................................................................................ 3
2.2 Objetivos específicos.................................................................................... 3 3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA......................................................................... 4 3.1 Mandioca...................................................................................................... 4 3.1.1 Matéria prima agroindustrial......................................................................... 4 3.1.2 Fécula........................................................................................................... 6 3.1.2.2 Cianeto.......................................................................................................... 8 3.1.3 Resíduos e subprodutos da extração de fécula............................................ 9 3.1.3.1 Subprodutos sólidos da extração de fécula.................................................. 10 3.1.3.2 Subprodutos líquidos da extração de fécula................................................. 10 3.2 Tratamento de subprodutos por digestão anaeróbia.................................... 11 3.2.1 Gases produzidos na digestão anaeróbia.................................................... 19 3.3 Agitação da biomassa................................................................................... 21 3.4 Meio suporte em reatores anaeróbios.......................................................... 23 3.5 Tratamento da manipueira............................................................................ 25 3.6 Pesquisas com digestão aneróbia................................................................ 26 3.6.1 Digestão anaeróbia de manipueira com separação das fases acidogênica
e metanogênica............................................................................................ 26
3.6.2 Digestão anaeróbia de manipueira em uma fase......................................... 27 3.7 Energia para o processamento de mandioca............................................... 29 3.8 Modelos Hidráulico em reatores................................................................... 30 4 MATERIAL E MÉTODOS............................................................................. 33 4.1 Local da pesquisa......................................................................................... 33 4.2 Sistema piloto de tratamento de manipueira................................................ 34 4.2.1 Caixa de areia/equalização........................................................................... 34 4.2.2 Reator anaeróbio piloto................................................................................. 35 4.2.3 Sistema de agitação..................................................................................... 37 4.2.4 Meio suporte................................................................................................. 38 4.2.5 Partida do reator........................................................................................... 40 4.2.6 Fluxo da manipueira afluente........................................................................ 40 4.2.7 Medição e correção da produção de biogás ................................................ 42 4.3 Obtenção de dados operacionais................................................................. 42 4.4 Tratamentos e variáveis respostas............................................................... 43 4.5 Metodologia analítica.................................................................................... 44 4.6 Delineamento estatístico............................................................................... 44 4.7 Estatística da qualidade das variáveis respostas......................................... 46 5 RESULTADOS E DISCUSSÃO.................................................................... 47 5.1 Caracterização da manipueira...................................................................... 47 5.2 Conjunto de dados dos quatro TRHs (13,0; 11,5; 10,0 e 7,0 dias)............... 47 5.2.1 Teste de normalidade univariada.................................................................. 50 5.2.2 Boxplot por TRH e variável........................................................................... 50 5.2.3 Teste de normalidade multivariada............................................................... 52 5.2.4 Correlações lineares entre as variáveis........................................................ 53 5.2.5 Qualidade estatística das variáveis respostas.............................................. 54 5.2.6 Gráficos de controle estatístico da qualidade............................................... 56 5.2.6.1 TRH de 13,0 dias.......................................................................................... 56 5.2.6.2 TRH de 11,5 dias.......................................................................................... 56 5.2.6.3 TRH de 10,0 dias.......................................................................................... 58
ix
5.2.6.4 TRH de 7,0 dias............................................................................................ 57 5.2.7 Análise multivariada do conjunto de dados dos quatro TRHs...................... 58 5.2.7.1 Teste de igualdade de matrizes de covariância............................................ 59 5.2.7.2 Comparação de médias entre os TRHs........................................................ 59 5.3 TRH de 7,0 dias – Comparação do efeito da agitação................................. 60 5.3.1 Teste de normalidade univariada.................................................................. 61 5.3.2 Boxplot comparativo do efeito da agitação................................................... 62 5.3.3 Teste de normalidade multivariada............................................................... 63 5.3.4 Correlações lineares entre as variáveis........................................................ 64 5.3.5 Qualidade estatística das variáveis respostas.............................................. 65 5.3.5.1 Gráficos de controle estatístico da qualidade............................................... 66 5.3.6 Análise multivariada do TRH de 7,0 dias...................................................... 68 5.3.7 Teste de igualdade de matrizes de covariância ........................................... 69 5.3.8 Comparação de médias do TRH de 7,0 dias................................................ 69 5.4 Análise geral e comparações dos resultados com outros autores............... 70 5.5 Meio suporte................................................................................................. 75 5.6 Efeito da agitação......................................................................................... 77 5.7 Perfís nos tratamentos.................................................................................. 78 6 CONCLUSÕES............................................................................................. 82 7 CONSIDERAÇÕES FINAIS.......................................................................... 83 8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.............................................................
ANEXOS....................................................................................................... 84 92
ANEXO 1 Histogramas e Boxplots dos quatro TRHs................................................... ANEXO 2 QQ-plot dos quatro TRHs............................................................................. ANEXO 3 Matriz de gráficos de dispersão dos quatro TRHs....................................... ANEXO 4 Conjunto de dados dos quatro TRHs........................................................... ANEXO 5 Gráficos estatísticos da qualidade dos quatro TRHs................................... ANEXO 6 Histogramas e Boxplots do TRH de 7,0 dias .............................................. ANEXO 7 QQ-plot e controle de qualidade do TRH de 7,0 dias .................................. ANEXO 8 Matriz de dispersão do TRH de 7,0 dias ..................................................... ANEXO 9 Conjunto de dados do TRH de 7,0 dias ......................................................
93 101 104 105 107 115 123 129 130
x
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Fecularias e capacidade média instalada por estado e brasileira em 2007.........................................................................................................
5
Tabela 2 Resumo dos resultados de pesquisas sobre o tratamento de subprodutos líquidos da industrialização da mandioca em duas das fases.........................................................................................................
27
Tabela 3 Resumo dos resultados de pesquisas sobre o tratamento de subprodutos líquidos da industrialização da mandioca em reatores de uma fase...................................................................................................
29
Tabela 4 Quantidades mensal e diária de mandioca processada na Fecularia em 2011...................................................................................................
34
Tabela 5 Tratamentos adotados em função dos tempos de retenção hidráulico e fator agitação............................................................................................
43
Tabela 6 Metodologia de análises das variáveis pH, DQO, SV, AV, AT e composição do biogás..............................................................................
44
Tabela 7 Caracterizações da manipueira e inóculo utilizados neste e em outros estudos.....................................................................................................
47
Tabela 8 Estatísticas das variáveis respostas temperatura, redução de DQO e SV, carga orgânica em DQO e SV, produção de biogás por DQOc, SVc e volumétrica, pH e relação AV/AT do conjunto de dados dos quatro TRHs.......................................................................................................
48
Tabela 9 Média, desvio padrão e coeficiente de variação por variáveis respostas nos tempos de retenção hidráulica de 13,0; 11,5; 10,0 e 7,0 dias...........
49
Tabela 10 Distribuição de normalidade univariada do conjunto das variáveis respostas do TRH de 13,0; 11,5; 10,0 e 7,0 dias pelo método de Shapiro-Wilk com o nível de 5% de probabilidade...................................
50
Tabela 11 P-valores dos testes de normalidade multivariada e de homogeneidade da matriz de covariância do conjunto das variáveis respostas nos TRHs de 13,0 11,5; 10,0 e 7,0 dias........................................................
52
Tabela 12 Correlações lineares do conjunto de variáveis dos quatro TRHs........... 53
Tabela 13 Observações fora dos limites de controle estatístico da qualidade do conjunto de variáveis do TRH de 13,0; 11,5; 10,0 e 7,0 dias...................
55
Tabela 14 Análise de variância multivariada do conjunto das variáveis respostas T, RDQO, RSV, CDQO, CSV, BDQOc, BSVc, BLLd, pH e AV/AT nos quatro TRHs pelos critérios de Wilks e Pillai..........................................
59
Tabela 15 Comparação das matrizes de covariância das variáveis respostas dos quatro TRHs pelo método de Bartlett......................................................
59
Tabela 16 Comparação de médias entre os TRHs de 13,0; 11,5; 10,0 e 7,0 dias pelo método de Hotteling.........................................................................
59
Tabela 17 Estatísticas das variáveis respostas temperatura, redução de DQO e SV, carga orgânica em DQO e SV, produção de biogás por DQOc, SVc e volumétrica, pH e relação AV/AT do conjunto de dados do TRH de 7,0 dias ....................................................................................................
60
Tabela 18 Média, desvio padrão e coeficiente de variação por nível de fator do conjunto das variáveis respostas do TRH de 7,0 dias.............................
61
xi
Tabela 19 Distribuição de normalidade univariada do conjunto de variáveis respostas do TRH de 7,0 dias com fator agitação pelo método de Shapiro-Wilk com o nível de 5% de probabilidade...................................
62
Tabela 20 P-valores dos testes de normalidade multivariada e de homogeneidade da matriz de covariância do conjunto das variáveis respostas do TRH de 7,0 dias................................................................................................
63
Tabela 21 Correlações lineares das variáveis respostas do TRH de 7,0 dias.......... 64
Tabela 22 Observações fora do limite de controle estatístico da qualidade univariado do conjunto de variáveis do TRH de 7,0 dias.........................
66
Tabela 23 Análise de variância multivariada do conjunto das variáveis resposta do TRH de 7,0 dias pelos critérios de Wilks e Pillai.................................
69
Tabela 24 Comparação das matrizes de covariância das variáveis respostas do TRH de 7,0 dias através do método de Bartlett.......................................
69
Tabela 25 Teste de comparação de médias entre os níveis sem agitação e com agitação no TRH de 7,0 dias pelo método de Hotteling...........................
69
Tabela 26 Médias, desvio padrão e coeficiente de variação das variáveis respostas dos quatro TRHs e do TRH de 7,0 dias.................................
83
Tabela 27 Biogás por volume de manipueira afluente ao reator por TRH e respectivas temperaturas.........................................................................
86
Tabela 28 Tempo médio de execução dos TRHs após a instalação do meio suporte e inoculação do reator.................................................................
86
xii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Principais estados brasileiros produtores de fécula................................. 5
Figura 2 Esquema das quatro fases e dois estágios da digestão anaeróbia......... 13
Figura 3 Local da instalação do reator piloto na Fecularia Zadimel, Município de Toledo (PR), em 07/12/2010....................................................................
33
Figura 4 Caixa de areia e reator piloto na Fecularia Zadimel (julho/2011-Toledo PR)...........................................................................................................
35
Figura 5 Implantação do Sistema piloto de tratamento de manipueira ................. 36
Figura 6 Corte do sistema piloto de tratamento de manipueira.............................. 36
Figura 7 Reator piloto na Fecularia Zadimel (julho/2011 – Toledo PR)................. 37
Figura 8 Reator aberto: tubo de insuflação de biogás............................................ 38
Figura 9 Peças de bambu e bambus ensacados................................................... 39
Figura 10 QQ-plot da distância de Mahalanobis para distribuição multivariada do conjunto das variáveis dos TRHs de 13,0; 11,5 10,0 e 7,0 dias...........................................................................................................
52
Figura 11 Entradas e saídas do processo de tratamento de manipueira no reator anaeróbio.................................................................................................
57
Figura 12 QQ-plot da distância de Mahalanobis para distribuição de normalidade multivariada do TRH de 7,0 dias..............................................................
64
Figura 13 DQO e vazão nos tratamentos................................................................. 71
Figura 14 Carga orgânica em DQO e SV nos tratamentos...................................... 72
Figura 15 Temperatura e biogás por litro de manipueira nos tratamentos............... 74
Figura 16 Peças de bambu após 60 dias e após 470 dias da inoculação do reator........................................................................................................
76
Figura 17 Superfície da manipueira no reator aberto durante a agitação................ 77
Figura 18 Carga orgânica e sua redução nos tratamentos...................................... 78
Figura 19 Temperatura e redução de DQO nos tratamentos................................... 79
Figura 20 Temperatura e biogás por SVc nos tratamentos...................................... 80
Figura 21 Temperatura e biogás volumétrico nos tratamentos................................ 80
Figura 22 Temperatura e relação AV/AT nos tratamentos....................................... 81
xiii
LISTA DE ABREVIATURAS
€ Euro
µm micra
ABAM Associação Brasileira dos Produtores de Amido de Mandioca
AT Alcalinidade total
AV Ácidos voláteis ou acidez volátil
AV/AT Relação ácidos voláteis / alcalinidade total
BDQOc Produção de biogás por demanda química de oxigênio consumida
Bé Baumé
BLLd Produção volumétrica de biogás ou litro por litro por dia
BSVc Produção de biogás por sólidos voláteis consumidos
C O Carga orgânica
CaCO3 Carbonato de cálcio
CDQO Carga orgânica em demanda química de oxigênio
CEPEA Centro de Estudos de Pesquisas e Economia Aplicada
CERAT Centro de Estudos de Raízes Tropicais
CETESB Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental
CH3COOH Ácido acético
CH4 Gás metano
CNTP Condições normais de temperatura e pressão
CO2 Gás carbônico
CSV Carga orgânica em sólidos voláteis
CV Coeficiente de variação
DBO Demanda Bioquímica de Oxigênio
DP Desvio padrão
DQO Demanda Química de Oxigênio total
DQOc Demanda Química de Oxigênio total consumido
EMBRAPA Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária
FAO Organizações das Nações Unidas para a Agricultura e Alimentação
xiv
g DQO L-1d-1 Grama de demanda química de oxigênio por litro e por dia
g SV L-1d-1 Grama de sólidos voláteis por litro e por dia
H2O Molécula de água
H2S Gás sulfídrico
HCN Acido cianídrico
IAPAR Instituto Agronômico do Paraná
IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística
kcal Quilocaloria
L g-1DQOc Litro por grama de demanda química de oxigênio consumida
L g-1SVc Litro por grama de sólidos voláteis consumidos
LL-1 d-1 Litro por litro por dia ou produção volumétrica de biogás
m3d-1 Metro cúbico por dia
MAPA Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento
mmHg Milímetro de mercúrio
MS Matéria seca
NH3 Gás amônia
PEAD
PET
Polietileno de alta densidade
Polietileno Tereftalato
pH Potencial hidrogeniônico
PVC Policloreto de vinila
RDQO Redução de demanda química de oxigênio
RSV Redução de sólidos voláteis
SEAB Secretaria de Agricultura e Abastecimento do Paraná
SF Sólidos Fixos
SSD Sólidos suspensos dissolvidos
ST Sólidos totais
SV Sólidos voláteis
SVc Sólidos voláteis consumidos
xv
TRH Tempo de retenção hidráulica
TRHs Tempos de retenção hidráulica
U$ Dólar
UASB UpflowAnaerobicSludgeBlanket
Var. Variância
1
1 INTRODUÇÃO
A região constituída pelo sul do estado de Mato Grosso do Sul, sul de São Paulo e
noroeste e oeste do Paraná concentra 61 fecularias de um total de 74 existentes no Brasil,
cuja capacidade de processamento de mandioca para a produção de fécula em 2009 era de
19670 t d-1. Ainda existem dezenas de indústrias processadoras de mandioca para a
obtenção de farinha. A atividade gera resíduos que devem ser destinados e/ou tratados
adequadamente sob o risco de comprometer a estabilidade do meio ambiente e os
mananciais que recebem seus efluentes. O efluente líquido contém a manipueira, que é a
água contida nas raízes de mandioca, de elevada carga orgânica e volume diário, e resulta
em cargas orgânicas poluentes que é uma preocupação ambiental unânime de vários
autores.
Uma das soluções ao problema ambiental que a manipueira traz é o seu tratamento
em reatores anaeróbios. O processo proporciona a redução da carga orgânica e sólidos
suspensos, higienização do ambiente, produção de biofertilizante e energia na forma de gás.
A capacidade produtora de biogás na manipueira é proporcional à quantidade de carga
orgânica presente, o que a torna uma fonte interessante de produção de energia.
As despesas com energia dessas agroindústrias poderiam ser reduzidas
consideravelmente se as mesmas aproveitassem esse potencial. As fecularias, para
operarem seus processos, utilizam motores elétricos de grande potência que funcionam,
diariamente, 21 ou 24 horas, incluindo caldeiras a lenha, que produzem vapor para a
secagem da fécula. As perdas inerentes à caldeira, aliadas às perdas em tubulações
condutoras de vapor e no trocador de calor, resultam em um sistema de baixa eficiência de
conversão de energia. Os custos com eletricidade e lenha em uma fecularia representam
8,1% do custo operacional total. A indústria compra energia elétrica e biomassa vegetal e
desperdiça no efluente parte de seu produto que contém energia. Ainda deve-se considerar
o custo para o tratamento do efluente antes de ser destinado no ambiente.
O metano, principal componente do biogás produzido nas lagoas, ao invés de ser
liberado para a atmosfera, pode ser captado e queimado em motogeradores elétricos ou
secador, diminuindo-se a emissão de gases de efeito estufa. O aproveitamento desta
energia desperdiçada reduziria os custos de produção e parte do ganho poderia ser
reinvestido na melhoria do sistema de tratamento de subprodutos da atividade.
Nesta pesquisa é apresentado um diferencial em comparação a três outros reatores
pilotos implantados com o mesmo efluente e conduzidos por Anrain (1983), Feiden e Cereda
(2003) e Karamaj (2006), que é o volume do reator, cinco, oito e cinco vezes superior aos
volumes adotados pelos autores, respectivamente. Outros diferenciais desta pesquisa são o
modelo de reator adotado e o dispositivo de agitação da biomassa em fermentação, sendo
que apenas Karamaj (2006) utilizou meio suporte microbiano de base sintética. O modelo de
2
reator fluxo tubular horizontal em escala piloto para fecularias ainda não consta na literatura
científica e nenhum dos reatores, independente do modelo, utilizou sistema de agitação da
manipueira em fermentação.
A pesquisa piloto é uma necessidade para que ocorra a visualização dos resultados
que a solução do tratamento anaeróbio de efluente de fecularia proporciona. Operar um
reator piloto é uma experiência em escala reduzida em que se avalia, além dos dados
obtidos, as peculiaridades operacionais reais do processo. O sistema proporciona
tratamento de efluentes, produção de energia, higienização do ambiente, melhoria do visual
do sistema de tratamento e do conceito da empresa diante das agências fiscalizadoras do
meio ambiente e da sociedade. Os consumidores, inseridos na sociedade, são
constantemente esclarecidos sobre a necessidade de adoção de ações minimizadoras dos
efeitos negativos que muitos processos de transformação industrial provocam no meio
ambiente. Com isso, surgem barreiras para a comercialização de produtos que não foram
obtidos de forma sustentável.
Nessa perspectiva, a pesquisa pretende obter dados para reatores anaeróbios em
fecularias e testar tecnologias que aumentem a eficiência do tratamento de seus
subprodutos.
3
2 OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GERAL
Implantar e operar um sistema piloto no tratamento de efluente líquido em fecularia
com a utilização de reator anaeróbio tubular horizontal com alimentação contínua e meio
suporte nos tempos de retenção hidráulica de 13,0; 11,5; 10,0 e 7,0 dias e agitação no
tempo de retenção hidráulica de 7,0 dias em temperatura ambiente.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
a) Quantificar a remoção de carga orgânica em função da carga volumétrica de
DQO e de SV aplicados;
b) Determinar a produção de biogás por carga orgânica estabilizada, expressa em
DQO e SV consumidos e por volume de reator ou produção volumétrica;
c) Comparar o efeito da agitação da biomassa no reator no tempo de retenção
hidráulica de 7,0 dias e;
d) Avaliar o desempenho do reator ante às variações da temperatura e a
estabilidade, através do pH, relação ácidos voláteis e alcalinidade total, e produção de
biogás.
4
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 MANDIOCA
A produção mundial de mandioca (Manihot esculenta Crantz) em 2009 foi de 233,8
milhões de toneladas, sendo que o Brasil é o maior produtor da América Latina, com 26,7
milhões (FAO, 2011).
A produção brasileira prevista para 2011 é de 26,1 milhões de toneladas, 7,3%
maior que a safra de 2010 (IBGE, 2011).
A maior parte da produção brasileira está concentrada em três estados: Pará,
Paraná e Bahia com 4,5; 4,0 e 3,2 milhões de toneladas anuais, com participações na
produção nacional de 18,5; 16,5 e 13,2%, respectivamente (IBGE, 2011). As Regiões Norte
e Nordeste destacam-se como principais consumidoras sob a forma de farinha, onde
existem milhares de farinheiras e, no Sul e Sudeste, a maior parte da produção é para a
indústria de fécula. Segundo o IAPAR (2011), a área plantada no Paraná em 2010 foi de 190
mil ha, com produtividade de cerca de 22 t ha-1, contra 12 da média nacional, sendo,
conforme a SEAB (2011), a produtividade paranaense em 2009/2010, a segunda maior do
país, atrás da de São Paulo, com 22,5 t ha-1.
3.1.1 MATÉRIA PRIMA AGROINDUSTRIAL
A Tailândia, com 85% do total da fécula exportável e a segunda produtora mundial
de mandioca, é líder na produção de fécula e mandioca para ração, com exportações de 2
e 10 milhões de toneladas, respectivamente. A mandioca para ração é obtida da
fragmentação da raiz que, secada ao sol, é adicionada à ração animal. O Brasil exporta
apenas 5% do mercado mundial de fécula e a desvantagem com a Tailândia deve-se aos
custos de produção, menores naquele país (SEAB, 2011).
Em 2009 a capacidade brasileira de processamento de mandioca para a extração
de fécula foi de 19.673 t por dia, verificando-se um aumento de 46,8% a partir de 2004. No
Brasil, o maior produtor de fécula é o estado do Paraná, com 404,3 mil t ano-1, mais de 71%
da produção nacional, onde se encontra instalada 55% das fecularias brasileiras, conforme
é mostrado na Figura 1.
5
Figura 1 - Principais estados brasileiros produtores de fécula. Fonte: CEPEA (2011).
Segundo o CEPEA (2010), no Brasil, em 2009, existiam 74 fecularias, sendo 41 no
Paraná, 13 em Mato Grosso do Sul, 9 em Santa Catarina, 8 em São Paulo e 3 em Goiás. Na
Tabela 1 é apresentado o número de fecularias instaladas.
Tabela 1 - Fecularias e capacidade média instalada por estado e brasileira em 2009
Estado Nº. de
Fecularias
Empresas por intervalo da capacidade instalada (t dia-1)
Até 100 100 a 200 201 a 250 251 a 350 351 a 500 501 a 1000
PR
MS
SP
GO
SC
41
13
8
3
9
1
1
1
0
5
9
7
5
1
3
6
2
1
0
1
1
1
0
1
0
12
2
0
0
0
2
0
1
1
0
Total 74 8 25 10 13 14 4
Fonte: ABAM (2011).
Em 2009, no Paraná, ainda haviam 90 farinheiras, com aumento da demanda pela
raiz da mandioca nos últimos anos. O noroeste paranaense concentra a maior capacidade
de processamento de mandioca, com 6.365 t dia-1 em 21 fecularias, seguida do extremo
oeste paranaense, cuja referência é Marechal Cândido Rondon, com 3800 t dia-1 em 12
fecularias e o centro-oeste paranaense, ou região de Araruna, com 3225 t dia-1 em 8
fecularias. Estas três regiões, juntas, mantêm 68% da capacidade nacional de
processamento (SEAB, 2011).
PR MS SP SC GO 0
50
100
150
200
250
300
350
400
(Nºs. entre parênteses:
% da produção brasileira)
(0,1%)
(1,1%)
(9,4%)
(14,9%)
(71,6%)
0,6 5,9
50,7 80,8
404,3
Pro
duçã
o b
rasile
ira d
e f
écu
la (
10
00 t)
Estados
6
3.1.2 FÉCULA
A mandioca é uma raiz eminentemente calórica, com 30 a 45% de matéria seca,
cujo teor está altamente correlacionado com a presença de fécula, com várias aplicações na
indústria química, alimentícia, metalúrgica, papeleira, têxtil, farmacêutica, plástica, em lamas
para perfuração de poços de petróleo, lavanderias, etc. Pó fino, branco, sem cheiro e sem
sabor, a fécula de mandioca, também conhecida como polvilho doce, é um carboidrato
obtido das raízes da mandioca devidamente limpas, descascadas, trituradas, desintegradas,
purificadas, peneiradas, centrifugadas, concentradas, desidratadas e secadas. É
extremamente versátil e alcança eficiência incomparável em todas as suas aplicações,
sendo, habitualmente, utilizada como componente nos mais variados segmentos domésticos
e industriais (ABAM, 2011).
3.1.2.1 PROCESSO PARA OBTENÇÃO DE FÉCULA
A extração de fécula tem início com a recepção das raízes de mandioca, que são
descarregadas dos caminhões, através da rampa de descarga, movida por motores
elétricos, com sistema de redutores. Após descarregadas, são “puxadas” por roscas
helicoidais até os pré-lavadores e lavadores, onde são lavadas e retiradas as películas
externas da raiz. Em seguida, são selecionadas nas correias de inspeção, de onde seguem
até o picador, dosador e cevadeira, onde se transformam em uma “massa úmida”, que é
encaminhada até as peneiras extratoras de alta rotação (GLs) para a separação do “leite”
(amido com água) da massa, que é descartada. Após os GLs, o leite é encaminhado para as
centrífugas, para a purificação do amido, que em seguida é enviado ao filtro a vácuo, para a
cristalização e o início do processo de secagem até os secadores, onde são depositados em
silos para a embalagem.
Conforme a ABAM (2011), a extração da fécula ocorre nas seguintes fases:
(1) Colheita - A mandioca pode ser colhida com 1 ou 2 ciclos. O pedúnculo, ou
pequenos caules remanescentes, devem ser eliminados, pois sua presença dificulta o
descascamento e aumenta o teor de fibra na matéria prima.
(2) Transporte - O transporte deve ser feito, no período máximo de 24 horas após a
colheita, pois a partir daí já começam os ataques de microrganismos, principalmente dos
fungos.
(3) Recepção e pesagem - O processamento se inicia com a recepção e pesagem
das cargas de raízes. Após a identificação dos caminhões, os mesmos seguem para as
rampas de descarga, que possuem caixas armazenadoras onde as raízes ficam aguardando
o início do processo de produção.
7
(4) Lavagem e descascamento - Das caixas armazenadoras, as raízes de
mandioca são conduzidas aos lavadores através de roscas sem fim ou correias
transportadoras. Equipamentos especialmente projetados possibilitam a lavagem e o
descascamento das raízes, simultaneamente. Sob fluxos de água, as pás raspadoras
arrastam as raízes pela extensão do lavador, efetuando o descascamento através da
raspagem sobre grade. No processo é retirado somente o tênue, que constitui a pele,
evitando perdas de teor de amido. Compreende também o catador de pedras e, através de
esteiras, a etapa de classificação e inspeção manual que alimenta os trituradores.
(5) Trituração - Os trituradores, além de fracionar, têm a função de padronizar o
tamanho das raízes em 2 a 3 cm.
(6) Desintegração - É feita através do contato entre as raízes trituradas e um
cilindro rotativo, com lâminas dentadas na superfície que ralam a mandioca, causando
rompimento celular e consequente liberação da fécula. O material ralado é bombeado para
as peneiras cônicas rotativas, constituindo-se numa mistura mandioca-água.
(7) Extração - Tem como finalidade separar a fécula das fibras da mandioca. A
extração é feita em peneiras cônicas rotativas onde a água entra em contracorrente para
melhor separar a fécula. Este líquido que vem da extração segue para a purificação. A polpa
resultante, com 85% de umidade, é canalizada para um silo armazenador e vendida para
alimentação de bovinos.
(8) Purificação - O "leite" de fécula obtido após a extração é purificado com a
adição de água e centrifugado para a retirada das féculas solúveis e partículas estranhas.
(9) Peneiração - Processo usado para eliminar a polpa fina, servindo como
melhorador na qualidade do produto. São usadas peneiras vibratórias com tela de nylon,
malha 220 Mesh.
(10) Concentração - Tem como finalidade concentrar a fécula até 20 - 22 graus Bé.
(11) Desidratação - A fécula concentrada é bombeada do tanque especial para um
desidratador a vácuo, o qual leva a fécula a uma umidade de 45%, para que seja
posteriormente secada.
(12) Secagem - A fécula desidratada a vácuo segue para uma válvula rotativa que a
dosa para um secador pneumático. O produto é conduzido e seco por uma corrente de ar
quente. A separação do ar e da fécula é feita em ciclones. O ar quente atinge 150 °C e
apresenta, na saída da tubulação, um produto final com umidade entre 12 a 13%, em forma
de pó e com temperatura média de 58 °C, seguindo para um silo que irá resfriá-lo, estocá-lo
temporariamente e conduzi-lo, posteriormente, para o ensacamento.
(13) Ensacamento - A fécula finalmente é transportada por alimentadores helicoidais
a uma ensacadeira automática.
8
3.1.2.2 CIANETO
Todas as espécies de mandioca são conhecidas por conter cianeto, cuja toxicidade
causada por cianeto livre tem sido relatada. Porém, a toxicidade causada pelo glicosídeo
nem sempre é mencionada. Conforme Cereda (2001) a característica que diferencia a
planta da mandioca de outras tuberosas amiláceas é a presença de glicosídeos,
potencialmente hidrolisáveis a cianeto. O glicosídeo mais representativo é a linamarina e o
menos frequente, a lotaustralina, ambos capazes de gerar ácido cianídrico. O teor de
cianeto total começa alto e no momento em que se inicia o rompimento das paredes
celulares, as enzimas reagem com os glicosídeos, liberando o ácido cianídrico. Parte do
cianeto livre fica na solução líquida, parte se desprende para a atmosfera. Com adição da
água para a separação da fécula, os valores de cianeto diminuem bruscamente e grande
parte deste cianeto passa para a forma livre.
Na manipueira, o cianeto está disperso como ácido cianídrico, sendo muito tóxico,
instável e altamente volátil, contendo cerca de 44 ppm de íon cianeto (CN¯) em forma
potencialmente livre, totalizando 445 ppm em cianeto total. Nos animais superiores, essa
toxicidade explica-se pela afinidade com o ferro, combinando-se com a hemoglobina. Nas
plantas superiores e nos microrganismos, o cianeto interfere na fosforilação oxidativa,
combinando-se com o citocromo oxidase e inibindo o transporte eletrônico e,
consequentemente, a formação de ATP. Embora as pesquisas concentrem-se em redução
de carga orgânica da manipueira, a preocupação com o HCN presente não é menos
significativa, já que a produção de farinha de mandioca gera entre 270 e 450 litros desse
resíduo para cada tonelada de raiz processada. Uma indústria farinheira de médio porte
chega a processar cerca de 260 t de raiz por mês, o que pode gerar em torno de 104 mil
litros de manipueira. Se despejada em cursos d’água, causa problemas ambientais, como
mau cheiro, mortandade de peixes e de gado e perda da qualidade das águas dos corpos
receptores (CEREDA; MATTOS, 1996).
Segundo Rajbhandari e Annachhatre (2004), o efluente líquido das fecularias é
tratado em lagoas anaeróbias, onde ocorre a sedimentação de matéria particulada, a
conversão anaeróbia de orgânicos e a destoxificação do cianeto.
Com relação à destoxificação do cianeto, a microbiológica é uma solução preferível
à oxidação química. Em reatores de estágio simples a degradação do cianeto pode ser
problemática, aconselhando-se a adoção de pré-fermentador (SILLER; WINTER, 1998).
Para Ebbs (2004), compostos de cianeto são produzidos como resíduos de
produtos de uma série de processos industriais e várias rotas para a sua remoção do meio
ambiente estão em investigação, incluindo a utilização de biodegradação. Os mais recentes
desenvolvimentos nesta área têm vindo a partir de estudos das vias hidrolítica e oxidativa de
biodegradação e as condições que afetam sua atividade. Segundo o autor, a concentração
9
considerada problema para a degradação biológica é 100 mg L-1. A biodegradação de
cianeto em condições anaeróbias demonstrou também a viabilidade de geração de biogás,
concomitante a uma possível vantagem econômica do processo.
Cuzin et al. (1992) e Colin et al. (2007) avaliaram a digestão anaeróbia de cascas
de mandioca e efluente da produção de polvilho azedo contendo cianeto com teor de 5-6 mg
L-1 e 3-5 mg L-1, respectivamente, sem inibição do processo.
Segundo Gijzen, Bernal e Ferrer (2000), o reator UASB mostrou eficiência de
remoção de 91 a 93% na carga de cianeto volumétrico de 250 mg L−1 d−1. Os resultados
mostram que os sistemas UASB podem ser aplicados com êxito para a remoção de DQO
das águas residuais que contêm cianeto.
3.1.3 RESÍDUOS E SUBPRODUTOS DA EXTRAÇÃO DE FÉCULA
Em qualquer sistema produtivo deve-se escolher processos “limpos” para evitar o
esforço complementar posterior para soluções de problemas recém-implantados. Por isso os
processos devem ser pensados de forma que o subproduto sirva de matéria-prima para
outro processo, constituindo numa segunda matéria-prima, a exemplo da cana-de-açúcar,
em que o bagaço transforma-se em eletricidade e o milho, de cujo germe extrai-se o óleo.
A viabilidade econômica do aproveitamento de subprodutos passa pelo conhecimento das
quantidades produzidas, sua sazonalidade e a mais completa caracterização possível,
informações mais facilmente obtidas quanto mais conhecidos são a cultura e o processo
(CEREDA, 2001).
A autora argumenta que o termo resíduo leva a uma imagem depreciativa, em que
o produto, analisado no contexto global do processamento, não tem utilidade e deve ser
descartado. Esse conceito tem sido gradualmente abandonado, substituído por outros como
subprodutos e mesmo co-produto. O conceito altera o contexto do processo e coloca em
foco a possibilidade de melhor utilização da matéria-prima. Muitas mudanças no conceito de
agroindústria ajudaram a acelerar essa nova imagem. A consciência de proteção do meio
ambiente, com a exigência de que o processamento seja feito sem prejuízo da natureza,
sem dúvida foi um desses fatores. Um dos sérios problemas ambientais da Terra é a
poluição dos recursos de água doce, principalmente se considerado os pequenos cursos
d’água, onde também ocorrem os despejos dos subprodutos líquidos das agroindústrias que
utilizam raízes de mandioca como matéria-prima. A concentração de unidades fabris em
determinada região, devido à maior disponibilidade de matéria prima vinculada às condições
edafoclimáticas, agravam os problemas ambientais na bacia hidrográfica de disposição dos
subprodutos gerados pela atividade de mandiocultura (CEREDA, 2001).
O processamento de mandioca é geralmente entendido como poluidor do meio
ambiente. Poucas pesquisas têm sido realizadas para desenvolver formas eficientes e de
10
baixo custo para reduzir a poluição, principalmente por processadores de pequeno e médio
porte. Dado que as tecnologias adequadas estão disponíveis ou podem ser desenvolvidas,
os problemas de poluiçãodo processamento de mandioca são mais de natureza social e
econômica do que tecnológica. A maioria dos governos reconhece a necessidade de
controlar os resíduos produzidos pelas processadoras de mandioca, mas são igualmente
cientes do risco econômico de tal estratégia (SAVITHA et al., 2009).
3.1.3.1 SUBPRODUTOS SÓLIDOSDA EXTRAÇÃO DE FÉCULA
Os subprodutos sólidos gerados na cultura e processamento da mandioca são: (1)
caule, rama ou maniva, que corresponde à haste da planta de mandioca; (2) Cepa, que
corresponde à parte do caule que resta entre as raízes colhidas acrescentada de outro
denominado descarte ou calcanhar. O descarte em geral é lenhoso, de composição
semelhante à raiz e acompanha esta até a indústria, onde em geral é retirado antes da
moagem, durante a operação de seleção, para não forçar o ralador (CEREDA, 2001).
Conforme já mencionado, outros subprodutos sólidos gerados no processo de
extração de fécula de mandioca são: a) a casca, que se separa da polpa antes do
processamento; b) a fibra, farelo, massa ou bagaço, que é o material fibroso que sobra após
a extração da fécula. A fibra é resultante da lavagem da mandioca ralada para a extração
do “leite de fécula”, que é concentrado e secado, originando a fécula em pó. A fibra, com
85% de umidade, é o subproduto mais importante no processo e representa 10% do peso
das raízes inteiras, que, lançada no ambiente, causa depleção de recursos naturais
(RODRIGUES; CAMPOS, 2001).
Conforme Leonel (2001), um dos usos mais difundidos para o farelo é a venda ou
doação para alimentação de bovinos. Outros usos estudados e alguns já testados em escala
piloto são: componente de ração para bovinos, matéria prima para a produção de etanol,
produção de carvão, enchimento para comprimidos, embalagens biodegradáveis e base
para produtos dietéticos ricos em fibras. As cascas são amontoadas e transformadas em
adubo e, em algumas fecularias, são adicionadas ao farelo que segue para alimentação
animal.
3.1.3.2 SUBPRODUTOS LÍQUIDOSDA EXTRAÇÃO DE FÉCULA
Conforme Cereda (2001), os subprodutos líquidos do processamento da mandioca
são: (1) água de lavagem das raízes, originária dos lavadores/descascadores; (2)
manipueira ou água vegetal, que corresponde à água de constituição da raiz, extraída
durante a prensagem da massa ralada, na fabricação da farinha, e (3) água de extração de
fécula, que corresponde à água de constituição da raiz, diluída com a água de extração.
11
Uma tonelada de mandioca pode conter, em média, 600 kg de água como constituinte do
suco celular, sendo que de 20 a 30% dessa água é eliminada na prensagem da massa
ralada para obtenção de farinha. A manipueira difere em volume e composição conforme
originária de farinheiras ou fecularias.
A manipueira contém minerais tais que nitrogênio, carbono, fósforo, potássio,
cálcio, magnésio, enxofre, zinco, manganês, cobre, ferro e sódio. Após a biodigestão
anaeróbia, pode ser utilizada para a fertirrigação, desde que o processo não diminua
substancialmente o conteúdo dos minerais (BARANA, 2000).
A natureza ácida das águas residuais do processamento da mandioca pode
prejudicar os organismos aquáticos e reduzir a capacidade de autodepuração dos corpos
receptores. Sólidos em suspensão presentes no efluente podem se depositar nos locais
onde ocorre a criação de peixes. Pela sua natureza orgânica, estes sólidos podem se
decompor facilmente e assim desoxigenar a água. A essa depleção de oxigênio dos corpos
receptores pode advir o crescimento de organismos indesejáveis (RAJBHANDARI;
ANNACHHATRE, 2004).
Pela sua natureza, o processamento de mandioca para a extração de fécula gera
elevados volumes de efluente líquido com alta carga orgânica, devido à dissolução de
compostos orgânicos durante a trituração. A alta carga carbonácea ameaça o ambiente e a
qualidade da vida (MANILAL, NARAYNAN; BALAGOPALAN, 1990; BOONAPATCHAROEN
et al., 2006; CHAVALPARIT; ONGWANDEE, 2009).
Conforme Mai (2006), uma fecularia de grande porte no Vietnam gera entre 3 a 5
m3 e, segundo Da et al. (2008), fecularias de pequeno porte geram 5,25 m3 de água
residuária por tonelada de mandioca processada. Fecularias que processam acima de 300 t
dia-1 de mandioca são consideradas de grande porte.
O volume de água necessário à lavagem das raízes e à separação das fibras é
superior a 70% do total de água consumida. O volume de água consumida para a extração
de uma tonelada de fécula é de 18 m3, gerando 19 m3 de efluente, com 135 kg de demanda
bioquímica de oxigênio (CHAVALPARIT; ONGWANDEE, 2009).
3.2 TRATAMENTO DE SUBPRODUTOS POR DIGESTÃO ANAERÓBIA
O tratamento de águas residuárias pode ser feito pela combinação de método
físico, químico ou biológico, sendo que este último pode ser dividido por processo aeróbio e
anaeróbio, que constituem a maioria dos sistemas de tratamento (LEITÃO et al., 2006). A
digestão anaeróbia é um dos mais antigos processos de estabilização de lodos. Envolve a
decomposição de materiais orgânicos e inorgânicos e sua maior aplicação tem sido a
estabilização de lodos concentrados produzidos em águas residuárias domésticas e no
tratamento de alguns subprodutos industriais. Mais recentemente demonstrou-se que
12
subprodutos orgânicos diluídos também podem ser submetidos ao tratamento anaeróbio
(METCALF; EDDY, 1991).
A digestão anaeróbia é um processo biológico natural no qual uma comunidade de
microrganismos coopera para formar uma estabilidade fermentativa auto-reguladora e
converter matéria orgânica em uma mistura contendo os gases metano e carbônico.
Geralmente, a comunidade digestora de dejetos opera com três grupos interdependentes:
microrganismos hidrolíticos, formadores de ácidos e metanogênicos. Os microrganismos
hidrolíticos quebram polímeros de carboidratos e proteínas em monômeros simples como
açúcar e aminoácidos. Os microrganismos formadores de ácidos são os acidogênicos, que
produzem ácidos graxos voláteis diretamente, microrganismos homoacetogênicas, que
produzem acetato do gás carbônico e hidrogênio, e microrganismos hidrogeniônicas, que
convertem, em larga escala, ácidos graxos voláteis em acetato e hidrogênio. O grupo das
archeas metanogênicas é composto por metanogênicas acetoclásticas, que convertem
acetato em metano e CO2 e hidrogeniônicas, que convertem H2 e CO2 em metano
(STERLING JR et al., 2001). Segundo Araki et al. (2009), em um processo anaeróbio, a
dinâmica das culturas acetoclásticas e hidrogenotróficas, em diferentes níveis taxonômicos,
está intimamente ligada à temperatura da fermentação e ao substrato.
A fermentação metanogênica pode ser dividida em quatro fases de degradação:
hidrólise, acidogênese, acetogênese e metanogênese, de acordo com a predominância da
fase, estando as quatro estreitamente relacionadas. Individualmente, cada fase é conduzida
por diferentes grupos de microrganismos e, em alguns casos, há uma inter-relação
sintrófica, ou seja, mutualismo benéfico em que alguns compostos somente são digeridos
com a atuação de duas espécies diferentes (DEUBLEIN; STEINHAUSER, 2008).
As quatro fases podem ser reunidas em dois estágios, sendo que as taxas de
degradação devem ser iguais em ambos. Se, no primeiro estágio, o processo é rápido
demais, a concentração de ácidos e de gás carbônico no biogás eleva-se, o pH cai abaixo
de 7,0 e a fermentação ácida ocorre também no segundo estágio. Se o segundo estágio
ocorrer demasiadamente rápido, a produção de metano diminui. Se muitos microrganismos
do primeiro estágio estiverem presentes no segundo estágio, há a necessidade de introduzir
novos microrganismos do segundo estágio para restabelecer o equilíbrio. Substratos com
degradação biológica difícil encontram na hidrólise a taxa limitante e é possível que a
limitação, no segundo estágio, ocorra na acetogênese (DEUBLEIN; STEINHAUSER, 2008).
Na Figura 2 é apresentado o esquema das quatro fases e os dois estágios da
digestão anaeróbia.
13
Figura 2 - Esquema das quatro fases e dois estágios da digestão. Fonte: DEUBLEIN; STEINHAUSER (2008).
Em um reator anaeróbio, os dois principais processos são os que convertem
hidrogênio e dióxido de carbono em metano e água (Equação 3.1) e os que convertem
acetato em metano e dióxido de carbono (Equação 3.3). Em relação sintrófica, as
metanogênicas na metanogênese e acidogênese convertem produtos como o hidrogênio,
formiato e acetato em metano e dióxido de carbono.As metanogênicas são capazes de
utilizar o hidrogênio produzido pela acidogênicas por causa de sua eficiente hidrogenase.
Isto é possível porque as metanogênicas são capazes de manter uma pressão parcial de
hidrogênio extremamente baixa, permitindo que o equilíbrio da reação de fermentação seja
deslocado para a formação de produtos finais mais oxidados (ex. formiato e acetato). A
utilização, pelas metanogênicas, do hidrogênio produzido pelas acidogênicas e outros
anaeróbios é denominada de transferência de hidrogênio interespécies, e isso garante que
as bactérias acidogênicas cresçam livres de compostos que as ameacem. A estabilização
realiza-se quando o metano e o gás carbônico são produzidos. O gás metano é altamente
insolúvel e a sua saída da solução representa a real estabilização da matéria orgânica. As
archeas metanogênicas utilizam um limitado grupo de substrato para a produção de metano.
O grupo conhecido é composto por: CO2 + H2, formiato, acetato, metanol, metilaminas e
monóxido de carbono. As conversões destes compostos estão representadas nas equações
seguintes:
4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O Eq. (3.1)
4HCOOH → CH4 + 3CO2 + 2H2O Eq. (3.2)
Hidrólise com enzimas extracelulares
Carboidratos Proteínas Gorduras
Em solução: Açúcar de cadeia curta Aminoácidos Ácidos graxos Glicerina
Acidogênese Acetogênese Metanogênese
CO2 + H2
Ac. Carbônico, álcoois, acetato
Ácidos de cadeia curta, Álcoois, CO2, H2
CH4 CO2
H2O
Homo-aceto- gênese
Redução sulfato
Redução nitrato
H2S sulfat
NH3NH4
1º. ESTÁGIO 2º. ESTÁGIO
14
CH3COOH → CH4 + CO2 Eq. (3.3)
4CH3OH → 3CH4 + CO2 + 2H2O Eq. (3.4)
4(CH3)3N + H2O → 9CH4 + 3CO2 + 6H2O + 4NH3 Eq. (3.5)
Fonte: METCALF; DDY (1991).
Segundo Van Haandel e Lettinga (1994), a estequiometria de reações biológicas é
vantajosa no tratamento anaeróbio sobre o tratamento aeróbio. No tratamento anaeróbio
dispensa-se a necessidade de introdução de um oxidante. O processo leva à produção de
menos lodo e produz metano, que pode ser utilizado como combustível.
Entretanto, a estequiometria intrinsecamente favorável da digestão anaeróbia por si
só não a torna uma alternativa adequada para a remoção de material orgânico.
Basicamente, há dois outros fatores importantes: (1) a eficiência de remoção de material
orgânico deve ser alta, de modo que haja uma concentração baixa de material orgânico
residual no efluente do sistema de tratamento, e (2) a taxa de remoção deve ser alta, de
maneira que possa ser efetivada num reator com um curto tempo de permanência, isto é,
um reator com o volume pequeno. Ambos os fatores estão ligados à cinética da remoção de
material orgânico e às condições operacionais e ambientais no sistema de tratamento de
esgotos (VAN HAANDEL; LETTINGA, 1994).
Sistemas anaeróbios de tratamento, quando bem sucedidos, oferecem vantagens
significativas sobre os sistemas aeróbios, como baixo consumo de energia, reduzida
formação de lodo e potencial recuperação de metano (STEWART et al., 1995; LEITÃO et
al., 2006).
Com relação às condições ambientais, a temperatura é o fator de maior importância
da digestão anaeróbia, sendo que entre 30 e 37 °C ocorre a taxa máxima. Para reatores
operados abaixo de 30 °C, cada grau centígrado a menos implica numa redução de 11% na
taxa máxima do metabolismo anaeróbio, afetando ainda a fração dos sólidos orgânicos que
pode ser metabolizada, a taxa de transferência de gás e as características de sedimentação
do lodo biológico (MET CALF; EDDY, 1991; VAN HAANDEL; LETTINGA, 1994).
A digestão anaeróbia pode ocorrer em três faixas de temperatura: < 25 °C (fase
psicrófila), de 25 a 40 (fase mesófila) e > 45 (fase termófila) (EL-MASHAD et al., 2004). Três
são os intervalos de temperatura em que os processos anaeróbios demonstram maior
atividade: de 15 a 25 °C, de 35 a 37 °C e de 50 a 60°C (BOUALLAGUI et al., 2004). O
processo anaeróbio ocorre em uma ampla faixa de temperatura; porém, mudanças
repentinas de alguns graus na temperatura resultam em choques térmicos, que interferem
negativamente (GAO et al., 2011).
De acordo com Mandal e Mandal (1987), estudos experimentais têm sido realizados
para encontrar a capacidade de geração de biogás de cada mistura e de seus componentes
individuais de várias categorias de resíduos, como dejetos de animais, resíduos de cozinha,
15
resíduos de flores, etc. A temperatura média de 37 °C foi a que mais correspondeu em
produção de biogás.
A redução na DQO caiu de 88,5 a 68,1% quando a temperatura foi reduzida de 24 a
16 °C em um reator com leito granular estático na estabilização de dejetos suínos (LIM e
FOX, 2011).
Bohn, Björnsson e Mattiasson (2007) investigaram a redução da temperatura de 33
a 12 °C na digestão anaeróbia. Para isso, um reator de laboratório em batelada foi inoculado
com lodo na temperatura mesofílica e funcionou continuamente agitado em temperaturas de
12, 18 e 33 °C. As mudanças na população microbiana do lodo foram seguidas por meio de
análise de fluorescência em hibridização in loco e metano foi produzido em todas as
temperaturas. Numa fase do experimento foram avaliadas as taxas de produção de metano
para as temperaturas de 37 e 25 °C, resultando em 0,37 e 0,31 Lmetano L-1 d-1,
respectivamente, que foram superiores a 0,22 L CH4 L-1 d-1 obtidos na temperatura de 33
graus °C. A hidrólise foi acompanhada especialmente quando se diminuiu a temperatura
abaixo de 25 °C. Em temperaturas abaixo de 16 °C, a acidogênese e a metanogênese
apresentaram taxas de crescimento limitantes. A adaptação do lodo de microrganismos
mesófilos a 18 °C foi constatada por um aumento na proporção dos microrganismos em
relação ao total de procariontes (soma de Archaea e Bactéria). Isso pode ter sido causado
pelo enriquecimento de microrganismos no lodo, o que parece ser um importante
mecanismo de adaptação. As mudanças na população refletiram o desempenho do reator.
A acidez volátil e a alcalinidade são importantes variáveis indicadoras de
estabilidade em reatores anaeróbios. A acidez volátil, quantificada em mg de ácido acético
por L, indica a concentração de ácidos e mede a capacidade do processo fermentativo
anaeróbio em resistir à elevação do pH quando uma base é adicionada. A alcalinidade total,
quantificada em mg de carbonato de cálcio por L, indica a concentração de álcalis
participantes na fermentação e mede a capacidade do sistema em resistir ao abaixamento
do pH quando da adição de ácidos. Os dois indicadores são os mais importantes para o
monitoramento de processos digestores estáveis. Os ácidos, se aumentados além da
capacidade digestora da população microbiana específica para a sua degradação, colocam
em risco a estabilidade da fermentação. É necessário dosar a quantidade de substrato a ser
adicionada ao reator, cuja referência estimativa é a relação de ácidos voláteis x versus
alcalinidade (AV/AT) existente na fermentação, cujo valor, conforme Sánchez et al. (2005),
deve ficar entre 0,1 a 0,5 para que o sistema mantenha o equilíbrio nas reações de
produção e de consumo dos compostos. Segundo Van Haandel e Lettinga (1994), o sistema
carbônico é o mais importante sistema de tamponamento ácido e base é a capacidade do
reator em resistir ao abaixamento do pH quando da adição de ácidos. O sistema carbônico
influi não apenas na estabilidade do pH, mas, também na composição do biogás e sobre o
equilíbrio sólido-liquido relacionado à precipitação ou dissolução de carbonato de cálcio e
16
aos fenômenos associados à formação de incrustações e agressividade. Estabilidade pode
ser definida como a existência de equilíbrio nas reações de produção e consumo das
substâncias participantes do processo fermentativo.
Às condições necessárias ao bom funcionamento de um processo de digestão
anaeróbia acrescentam-se os seguintes:
Ausência de variações bruscas na temperatura;
Manutenção do pH entre 6,5 a 7,5;
Submissão do processo a cargas orgânicas e tempos de retenção hidráulica e
celulares compatíveis com o resíduo a digerir e com o tipo de digestor;
Não-ocorrência de sobrecargas orgânicas ou tóxicas além do limite suportável
pelo processo;
Adequada proporção, no resíduo, de quantidades de N e P com a quantidade de
carbono;
Teor adequado de gás carbônico no biogás;
Relação adequada de ácidos voláteis e alcalinidade. Fonte: Oliveira (1993) e Jordão e Pessoa (1995).
Outros parâmetros da digestão anaeróbia em reatores que merecem atenção:
pressão parcial de hidrogênio;
concentração de microrganismos;
tipo de substrato;
superfície específica do substrato;
desintegração celular do substrato;
inoculação e agitação do reator;
potencial redox;
traços de nutrientes;
elementos precipitantes;
produção de biogás.
Fonte: Deublein e Steinhauser (2008).
A literatura da digestão anaeróbia relata níveis de variações de inibição e toxicidade
para muitas substâncias. A maior razão para essas variações é a complexidade do processo
17
de digestão anaeróbia, em que mecanismos como antagonismos, sinergismos, aclimatação
e complexantes podem afetar significativamente o fenômeno da inibição (CHEN, CHENG;
CREAMER, 2007).
Portanto, ao se planejar e operar biodigestores deve-se considerar que alguns
compostos relacionados a seguir são formados ou podem introduzir-se na digestão
anaeróbia e que, dependendo da quantidade, serão Inibidores:
Oxigênio;
Compostos sulfurosos;
Ácidos graxos e aminoácidos;
Nitrato;
Amônia e amônio;
Metais pesados;
Taninos;
Desinfetantes, herbicidas, inseticidas, surfactantes, antibióticos clorofórmio e
compostos fluorcarbonados.
Fonte: Deublein e Steinhauser (2008).
A luz não é letal às metanogênicas, porém, as inibe severamente e, portanto, a
formação de metano deve ocorrer em escuridão absoluta. Outra característica da digestão
anaeróbia é o gasto de energia e a geração de lodo. Ela é cerca de vinte vezes menos
dispendiosa em energia que a digestão aeróbia, na qual, de 100% do carbono introduzido
em um reator aeróbio, 48% permanece no lodo, 42% é convertido em gás carbônico e 5%
sai com o efluente. Em relação ao processo anaeróbio, 76% do carbono transforma-se em
gás carbônico e metano, 4% permanecem no lodo e 20% sai com o efluente. Além da
pequena quantidade produzida, o lodo excedente apresenta-se, geralmente, mais
concentrado e com melhores características de desidratação (DEUBLEIN; STEINHAUSER,
2008).
Pode-se utilizar o sistema combinado anaeróbio seguido do aeróbio, que tem
recebido atenção na ultimas décadas devido à inúmeras vantagens, como baixo consumo
de energia, baixo consumo de produtos químicos, baixa produção de lodo, elevada
recuperação de recursos, menor requerimento de equipamentos e simplicidade operacional.
Entretanto, o sistema convencional anaeróbio-aeróbio encontra limitações operacionais,
como longo TRH, espaço físico para implantação e equipamentos para a captação de
biogás. Porém, o desenvolvimento de biorreatores de alto rendimento trouxe soluções, como
aumento da taxa de redução de carga orgânica e de produção de metano e redução do TRH
18
(CHAN et al., 2009). Além de tratar altas cargas orgânicas, o sistema anaeróbio gera
menos lodo comparado ao aeróbio, o que faz reduzir os custos associados à sua remoção e
a desnecessária aeração do sistema, gargalo do processo aeróbio. Essas características
fazem o tratamento anaeróbio vantajoso economicamente (DELÉE et al., 1998; LIU, 2007;
LEITÃO et al., 2006).
Não obstante as vantagens, a digestão anaeróbia apresenta alguns inconvenientes
listados a seguir:
É requerida maior energia térmica para melhor atividade microbiana;
Maior TRH para o completamento do processo;
Normalmente inevitável mau odor de gás sulfídrico e mercaptanas: alguns
efluentes alimentícios ricos em S e N agravam o problema;
Dificuldade operacional e sujeita a “carga de choque”. Fonte: Liu (2007).
Leitão et al. (2006) avaliam que os reatores anaeróbios são afetados por mudanças
nos fatores externos, mas a severidade do efeito depende do tipo, magnitude, duração e
frequência das mudanças. As respostas típicas incluem uma diminuição no desempenho, o
acúmulo de ácidos graxos voláteis, queda do pH e alcalinidade, alteração na produção e
composição do biogás e lavagem de biomassa. Segundos os autores, três dos principais
fatores que impões restrições ao uso da digestão anaeróbia são: (1) exalação de mau odor,
(2) reações instáveis e (3) reatores UASB têm dificuldade de absorverem variações na taxa
de carregamento.
Outras características da tecnologia anaeróbia estão relacionadas à remoção de
nutrientes (N e P) e patógenos, sendo necessário que se coloquem etapas subsequentes de
tratamento, como lagoas facultativas e de maturação com boa manutenção; ao fato da DQO
residual ser, na maioria dos casos, elevada para atender os limites de emissão
estabelecidos na legislação ambiental e à maior instabilidade dos reatores anaeróbios. A
estabilidade de reatores anaeróbios durante distúrbios, sejam eles devido a choques de
carga orgânica e hidráulica, à presença de compostos tóxicos ou à ausência de nutrientes é
um dos aspectos mais importantes para o sucesso operacional dos sistemas de tratamento
de esgoto. A instabilidade contribui para a generalização e a difusão de preconceitos em
relação ao processo e prejudica o uso disseminado de uma tecnologia viável que se adapte
ao sistema sustentável e economicamente adequado. O sucesso para lidar com distúrbios e
desequilíbrios em reatores anaeróbios passa pelo entendimento das causas do problema e
dos fatores que limitam os processos metabólicos envolvidos. Somente a compreensão
detalhada dos fundamentos do processo anaeróbio permitirá a identificação das causas de
19
eventuais distúrbios, suas consequências a médio e longo prazo, bem como a adoção das
corretas medidas do controle e prevenção (AQUINO; CHERNICHARO, 2005).
A eficiência da digestão anaeróbia é estreitamente ligada à estrutura da
comunidade microbiana. Variações na composição de um nível trófico devido a mudanças
em uma ou mais condições operacionais como composição e concentração do substrato,
temperatura, tempo de retenção hidráulica, etc., e outros parâmetros operacionais influencia
toda a estrutura da comunidade microbiana, afetando, assim, a performance do reator. O
entendimento da ecologia microbiana da digestão anaeróbia tornaria eficaz e confiável a
operação de reatores (BOONAPATCHAROEN et al., 2006).
Além dos conhecimentos relacionados ao acompanhamento dos processos
anaeróbios, é fundamental o desenvolvimento de engenharia de reatores. Por isso, Lansing
(2008) ratifica como necessários estudos em digestor de configuração de baixo custo, maior
prazo para a retirada de sólidos do sistema e codigestão de produtos para aumentar a
eficiência. O autor considera que sistemas de baixo custo podem operar em níveis
superiores ou comparáveis aos sistemas de alto custo. Pesquisas devem ser desenvolvidas
para diminuir custos de sistemas e fazer com que parte da solução para os problemas de
odor, poluição da água e das alterações climáticas globais, que enfrentam desafios, tanto
nos países desenvolvidos quanto em desenvolvimento, sejam efetivados ou conduzidos à
solução.
Schievano, D'Imporzano e Adani (2009) avaliaram o custo do biogás produzido com
resíduos e subprodutos agroindustriais em substituição ao uso de plantas energéticas na
Itália. Os autores concluíram que a alternativa pode reduzir o custo do metro cúbico de
biogás de € 0,28 para € 0,09, potencializando o desenvolvimento da economia agrária.
Conforme Demirel e Scherer (2009), a partir de 2003, o número de biodigestores na
Alemanha aumentou, e a tendência é de se usar apenas substratos agrícolas como milho e
beterraba quando não se tem subprodutos disponíveis, sendo que o milho e a beterraba já
alimentam 15% dos reatores anaeróbios.
3.2.1 GASES GERADOS PELA DIGESTÃO ANAERÓBIA
O biogás é produzido em ambientes naturais que contenham material orgânico e
em reatores anaeróbios. Normalmente sua composição é de 55 a 65% de metano, 35 a 45%
de dióxido de carbono, 0 a 3% de nitrogênio e 0 a 3% de gás sulfídrico (BALAT; BALAT,
2009). Segundo Sánchez et al. (2005) e Bouallagui et al. (2009), altas concentração de
ácidos na fermentação anaeróbia, que se relacionam à redução do TRH ou ao aumento de
carga orgânica, diminuem a concentração de metano. O biogás poderia muito bem ser
substituto, especialmente no setor rural, de fontes convencionais de energia que causam
problemas ecológicos e ambientais. Apesar de suas inúmeras vantagens, o potencial da
20
tecnologia de biogás não pode ser plenamente aproveitado. As dificuldades são os elevados
TRHs de 30-50 dias e a baixa produção de gás no inverno. Portanto, são necessários
esforços para contornar as suas várias limitações, a fim de popularizar esta tecnologia nas
áreas rurais (YADVIKA et al., 2004).
Power e Murphy (2009) compararam, na Irlanda, a contribuição para o efeito estufa
resultante da queima do biometano e etanol no transporte e concluíram que o biometano
emite 2,4 vezes menos gases de efeito estufa que o etanol, a partir da mesma matéria
prima.
Para Börjesson e Berglund (2006), o ciclo das emissões dos gases dióxido de
carbono (CO2), óxido de carbono (CO), óxidos de nitrogênio (NOx), dióxido de enxofre (SO2),
hidrocarbonetos (HC) e metano (CH4) na queima do biogás é influenciado pelas
propriedades da biomassa, eficiência energética da produção do biogás e estado final da
tecnologia de uso. As emissões podem variar em 3 a 4 para certos gases em até 11 vezes
entre dois sistemas de produção de biogás para a mesma quantidade de energia.
Börjesson e Berglund (2007) avaliaram o impacto ambiental total, quando sistemas
de biogás são introduzidos para substituir fontes convencionais de energia, manejo de
resíduos e produção agrícola. O sistema combinou materiais in natura e o uso final do
biogás na produção de calor, potência e transporte de combustível. A conclusão geral é que,
normalmente, sistemas de biogás conduzem a ganhos ambientais devido ao benefício
indireto do manejo do solo e à manipulação de produtos dos resíduos orgânicos, como
redução da lixiviação de nitrogênio, amônia e metano. Esses ganhos ambientais são mais
relevantes do que os benefícios ambientais diretos, como substituição de combustíveis
fósseis pelo biogás, que gera redução de dióxido de carbono e de poluentes no ar. Segundo
os autores, esses benefícios indiretos raramente são considerados, quando se avalia o
biogás do ponto de vista ambiental. Para Ciotola, Lansing e Martina (2011), é necessário
entender melhor, além da vantagem econômica, os benefícios ambientais que os reatores
trazem.
Segundo Elliot e Mahmood (2007), com o aumento dos custos de energia e o
advento do protocolo de Kyoto, a digestão anaeróbia tornou-se mais atrativa para a
recuperação do investimento resultante de sua implantação através da receita dos créditos
de carbono que a queima do metano contido no biogás pode gerar.
Conforme Mai (2006), a poluição do ar origina-se principalmente da queima de
combustíveis. Para fecularias no Vietnam, que processam 400 t de mandioca por dia,
estima-se o consumo de 3500 L d-1 de combustível fóssil, liberando cerca de 71 kg de SOx,
35 kg NOx e 9,9 kg de poeira por dia.
Em termos de poluição ambiental por gases, Pertl, Mostbauer e Obersteiner (2010)
concluíram que a utilização da energia proveniente do biogás provoca menores emissões de
gases de efeito estufa que a queima do gás natural. Esta constatação deve levar os
21
políticos, com poder decisório, a reconsiderar a estratégia de subsídio implementado em
países como a Áustria e Alemanha.
Insam e Wett (2008) afirmaram que microrganismos e os substratos disponíveis
regulam vários processos relacionados com a emissão de gases de efeito estufa ou de
remoção. Em certos pontos críticos dos ciclos de C e N, uma alteração das condições do
processo pode mudar o balanço de GEE. Muitas opções que atendam tanto as
necessidades ecológicas e economicamente viáveis para mitigar os problemas relacionados
ao aquecimento global estão disponíveis. Estas abrangem, entre outras, a gestão dos
pântanos e solos de várzea, a reutilização de resíduos no manejo sustentável de florestas e
manejo do solo agrícola, as estratégias de gestão na pecuária leiteira e em várias
modalidades de resíduos e tratamento de águas residuais. Nenhuma medida, no entanto,
permitir-nos resolver o problema das emissões de GEE inteiramente.
3.3 AGITAÇÃO DA BIOMASSA
A agitação em um biodigestor tem um essencial efeito na digestão e apenas
reatores com volume menor que 50 m3 podem operar sem agitadores. Para os de maior
porte, a agitação natural que ocorre com o entrar e sair do efluente, por diferença de
temperatura, por compensação na diferença de densidade ou por ascensão de bolhas de
gás é, na maioria das vezes, insuficiente. A operação de agitação pode ser mecânica,
através de diversos dispositivos que movimentem a biomassa no interior do reator, bomba
hidráulica instalada externamente ou por bombeamento pneumático do biogás. Por outro
lado, excessiva agitação aumenta o consumo de energia, compromete o balanço de energia
e, causa distúrbios aos microrganismos, resultando em queda na produção de gás. No
bombeamento pneumático, parte do biogás é limpa e circula através de compressor no
interior do reator, promovendo a agitação pela ascensão de bolhas de gás pelo substrato. O
efeito está relacionado à duração da agitação, recomendável entre 5 a 60 min e com
frequência diária entre uma a dez vezes. Em processos anaeróbios de uma fase, pode se
utilizar de reatores tubulares de fluxo horizontal e seção transversal retangular com teor de
sólidos entre 15 a 45% de massa seca desde que dotados de agitador (DEUBLEIN;
STEINHAUSER, 2008).
Uma das razões importantes para o fracasso de reatores tubulares nos Estados
Unidos é a inadequada agitação. A adequada mistura é necessária para um ótimo
desempenho operacional ao homogeneizar o conteúdo dos digestores, distribuir
uniformemente o substrato e a cultura microbiana, evitar a sedimentação de sólidos
pesados, evitar a flutuação de biomassa e para manter o pH e a temperatura desejáveis aos
microrganismos bacterianos. O padrão de fluxo no interior do reator determina a intensidade
22
da mistura em qualquer ponto, que influenciará por um longo tempo na operação do reator
(AL-DAHHAN; VESVIKAR, 2005; WU, 2011).
O desempenho de digestores anaeróbios é afetado primariamente pelo tempo de
retenção do substrato no reator e o grau de contato entre o substrato afluente e a população
de microrganismos viáveis. Esses parâmetros são função da agitação dos reatores. O
padrão ótimo de agitação é assunto de muita discussão. A agitação pode ser por dispositivo
mecânico, recirculação do conteúdo do digestor ou recirculação do próprio biogás gerado.
Os dois aspectos importantes da agitação de reatores são a intensidade e a duração do
procedimento. Entretanto, as informações sobre a intensidade e a duração da agitação no
desempenho de digestores anaeróbios na literatura são contraditórias, trazendo a
necessidade de extensiva pesquisa nesta área (KARIM et al., 2005)
Suvajittanont e Chaiprasert (2003) operaram reatores de bancada alimentados com
efluente de fecularia com meio suporte de fibra de nylon e sistema de recirculação de
biogás. Em dois reatores comparou-se o efeito da recirculação de biogás por 30 dias para
determinar a diferença na fixação de biomassa no meio suporte. A eficiência de remoção de
DQO diminuiu de 99 para 82% ao se reduzir o TRH de 35 para cerca de 4 dias, com a carga
variando entre 0,3 a 5,5 g DQO L-1 d-1. Para o TRH acima de 10 dias a recirculação não
influenciou na remoção, mas, ao diminuir de 10 dias e com cargas acima de 2,0 g DQO L-1
d-1, o reator com recirculação apresentou tendência favorável à remoção de DQO. As
diferenças de performances são creditadas, pelo menos em parte, não só à melhor
distribuição de nutrientes, mas à transferência de substrato para a biomassa, e, desta, para
a parte superior do reator. O biogás do reator com recirculação possuía 59% de metano,
contra 56% no reator sem recirculação. O sucesso do tratamento anaeróbio de águas de
alta resistência é reter a maior quantidade de biomassa no interior dos reatores. Os autores
concluem que a recirculação do biogás tem um potencial para acelerar e promover a
biomassa no meio suporte, permitindo-a ficar por mais tempo no reator.
Feiden et al. (2004) avaliaram o efeito da agitação de um biodigestor modelo
tubular horizontal em escala real alimentado com dejetos suínos. O biodigestor, com volume
de 800 m3, possuía um sistema que pressurizava o biogás e o injetava no fundo, com o
objetivo de agitação. No período avaliado, o biodigestor recebeu cargas orgânicas diárias de
sólidos totais e sólidos voláteis de 0,931 e 0,634 kg m3, respectivamente. Com agitação dos
dejetos em fermentação obteve-se uma produção média diária de biogás de 289,50 m3,
equivalente a 0,362 m3 de biogás por m3 por dia. Sem agitação, a produção caiu 17,69%,
atingindo média diária de 238,30 m3, equivalente a 0,298 m3 por m3 por dia.
Karim et al. (2005) fizeram uma pesquisa comparativa com reatores anaeróbios
alimentados com dejetos bovinos com três sistemas diferentes de agitação: por recirculação
do substrato em fermentação, pás mecânicas, recirculação de biogás e sem agitação.
Obtiveram ganhos de 29, 22 e 15% em produção de biogás nos reatores por recirculação do
23
substrato, pás mecânicas e recirculação de biogás, respectivamente, comparados ao reator
com ausência de agitação. Mesmo tendo obtido o menor percentual comparativo na
produção de biogás, o sistema de recirculação de biogás parece promissor quando
comparado ao sistema de recirculação de substrato, que apresenta dificuldades de
bombeamento do lodo presente e ao sistema de pás mecânicas, devido à energia
consumida na agitação.
Souza et al. (2008) operaram diversos reatores com dejetos suínos e
correlacionaram tempo de retenção hidráulica, temperatura e agitação, concluindo que a
agitação da biomassa em fermentação aumentou a produção de metano, sobretudo em
tempos de retenções hidráulica menores. Rojas et al. (2010) estudaram o efeito da agitação
mecânica em reatores anaeróbios, concluindo que seus benefícios também dependem de
fatores como diluição e quantidade de microrganismos presentes no reator. O principal fator
para uma boa fermentação é o contato entre a biomassa e o substrato e, se a diluição é
favorável, a agitação torna-se menos necessária.
Segundo Pinho (2005), o efeito da agitação foi determinante para obter 70% de
remoção de material orgânico suspenso num reator em batelada sequencial (ASBR) em
escala de laboratório.
3.4 MEIO SUPORTE EM REATORES ANAERÓBIOS
Devido à baixa taxa de crescimento dos microrganismos anaeróbios, várias
técnicas têm sido desenvolvidas para imobilizá-los no interior de reatores e evitar que sejam
arrastados com o efluente, que pode reduzir as taxas do processo (ARAUJO et al., 2008).
O material suporte tem a finalidade de reter os microrganismos no interior do reator,
seja através do biofilme aderido na superfície do suporte ou através dos interstícios do meio.
Os principais benefícios de uma camada suporte destinada ao crescimento microbiano está
o fato de atuar como dispositivo para a separação dos gases, além de ajudar a promover a
uniformização do escoamento no reator, melhorando o contato entre o substrato e o
consórcio microbiano. O crescimento microbiano aderido ao suporte permite o acúmulo de
grande quantidade de biomassa, resultando no aumento do tempo de retenção celular no
reator (DEZOTTI, 2008).
Silva et al. (2006) relatam a importância do meio suporte em reatores anaeróbios,
que, dependendo dos materiais utilizados, pode levar a diferentes equilíbrios microbianos
que afetam o desempenho e a estabilidade do reator.
Vários materiais têm sido utilizados como meio suporte em reatores: pedras,
cerâmicas, os mais variados materiais sintéticos e anéis especialmente projetados, bambu e
outros.
Por ser constituído de material orgânico, o bambu tem na durabilidade o principal
24
desafio para competir com materiais sintéticos especialmente desenvolvidos para meio
suporte. Com relação à massa do bambu utilizado para meio suporte em reatores
anaeróbios no tratamento de efluentes de abatedouro, a pesquisa encontrou perda de 11%
para os primeiros seis meses de operação e 15% após dois anos. Os autores recomendam
o uso deste material para meio suporte por longos anos de operação (TRITT et al., 1993).
O baixo custo do bambu, que apresenta rápido crescimento em regiões tropicais e
subtropicais, é o maior atrativo para substituir o meio suporte constituído de material
sintético, que pode custar até 94% a mais (TRITT et al., 1993).
Colin et al. (2007) avaliaram o efeito do bambu como suporte de microrganismos
em reator filtro de fluxo horizontal na fermentação de manipueira de indústria de polvilho
azedo. Na máxima carga orgânica em DQO introduzida, 11,8 g L-1 d-1, a redução foi de 87%,
com produção de 3,7 Lbiogás L-1 d-1. A produção média de biogás foi de 0,36 L g-1 DQOc, com
teor de metano entre 69 a 81% e redução de sólidos suspensos totais e voláteis de 67 e
68%, respectivamente. Em 180 dias de operação não se observou degradação do bambu.
Segundo Camargo e Nour (2001), a degradação do bambu utilizado como suporte
estabiliza-se após os primeiros meses de operação, quando apenas os compostos
orgânicos de mais fácil decomposição são metabolizados. A lignina e a celulose não devem
ser sujeitos de maior degradação.
Referindo-se à seletividade por espécie microbiana no meio suporte,
Boonapatcharoen et al. (2006), através de análise molecular, observaram a estrutura, a
dinâmica e a distribuição da comunidade microbiana no tratamento de manipueira de
fecularia em laboratório, utilizando reatores híbridos de fluxo ascendente e meio suporte
com fibras de nylon. Um acentuado aumento da carga e redução do TRH resultou na
redução de DQO e de metano no biogás e no acúmulo de ácidos voláteis, principalmente o
ácido acético. O aumento na concentração deste ácido ocasionou o predomínio das
methanosaeta sobre as methanosarcina. Os autores concluíram que durante a operação do
reator, os microrganismos não -metanogênicos formaram a maior comunidade, tanto no lodo
quanto nas fibras de nylon. Já os metanogênicos foram encontrados em maior número nas
fibras de nylon comparado ao lodo.
Com relação à densidade de meio suporte, Chaiprasert et al. (2003) estudaram a
remoção de carga orgânica de manipueira de fecularia e a distribuição de microrganismos
em reatores híbridos de fluxo ascendente de laboratório, R1, R2 e R3, dotados de meio
suporte com fibras de nylon nas densidades 33; 22 e 11 kg m3, respectivamente. Após seis
meses de operação, reduzindo-se o TRH para 5,4 dias e aumentando-se a carga de 0,5 a
4,0 kgDQOm-3d-1, as eficiências de remoção de carga nos reatores R1, R2 e R3 foram de 87,
84 e 70%, respectivamente, constatando-se aumento da quantidade de biomassa de 20,4
para 67,3 g SSV em R1 e para 57,5 g SSV em R2. Portanto, maiores densidades de meio
suporte resultaram em aumento na redução de carga orgânica e retenção de biomassa. Na
25
distribuição das populações, através da técnica do número mais provável, no R3 houve
correlação positiva entre a baixa quantidade de microrganismos metanogênicos e a baixa
remoção de carga. A quantidade de não-metanogênicos apresentou-se semelhante nos três
reatores. Ao se reduzir o TRH a três dias, houve uma redução de metanogênicos, tanto na
biomassa suspensa quanto na fixa, em R2, e uma pequena redução na biomassa fixa em R1.
Mishra e Kumar (1997), utilizando um biorreator anaeróbio com espuma sintética
como meio suporte, estudaram a fermentação de efluente de processamento de fécula de
batata. Após a partida, a carga orgânica foi aumentada regularmente, atingindo um máximo
de 3,85 kg DQO m-3 d-1 em um TRH de cerca de oito dias. O experimento foi avaliado por
150 dias e no estado estacionário atingiu 71% remoção de DQO e produção de biogás de
11,6 L d-1, com um teor de metano acima de 85%.
Mai (2006) tratou manipueira de fecularia em reator UASB dotado de meio suporte
com carga orgânica de até 80 kg de DQO m-3 d-1, obtendo redução entre 82 e 93% e afirma
que a tecnologia é altamente recomendável para este efluente.
3.5 TRATAMENTO DA MANIPUEIRA
Várias são as características que facilitam a escolha do tratamento de águas
residuárias. Uma delas é a demanda química de oxigênio, a mais relevante medida de
poluição orgânica, embora não seja indicativa de biodegradabilidade de poluentes
orgânicos. Dessa forma, para o tratamento biológico, aeróbio ou anaeróbio, a
biodegradabilidade de poluentes orgânicos é muito importante para caracterizar o efluente.
Mesmo processo de tratamento biológico de alto rendimento não é suficiente para lançar o
efluente em mananciais e a DQO é frequentemente usada para avaliar a poluição
remanescente e determinar o processo de pós-tratamento para assegurar que o efluente
não trará prejuízo ao meio ambiente. Além disso, a mudança de pH no reator é sempre
muito rápida devido à conversão de matéria orgânica em ácidos graxos voláteis. Essa é uma
propriedade particular da água residuária do processamento de mandioca (MAI, 2006).
Pesquisas mostraram que 60% da carga orgânica de manipueira de farinheira é
composta de partículas de material oxidável, capazes de ultrapassarem poros de 0,05 a
0,005 mm, o que dificulta seu tratamento por processos físicos. A ultrafiltração de
manipueira de farinheira em filtro de cerâmica removeu apenas 57% da DQO e, por
microfiltração, 62%. Ambas as filtrações reduziram muito pouco os teores de sólidos
suspensos, mostrando que 42,7% desses sólidos eram inferiores a 0,2 µm e que 38,3%
eram menores que 0,005 µm. A presença dos carboidratos solúveis glicose e maltose, e
muitas vezes apenas glicose, entre 40 e 45%, explica a dificuldade em reter a carga
biodegradável por processo físico (CEREDA, 2001). Para Boonapatcharoen et al. (2006) e
26
Chen, Cheng e Creamer (2007), essa constatação e a elevada carga orgânica contida na
manipueira de fecularia fazem dos processos anaeróbios boa alternativa de seu tratamento.
Godoy e Santos (2004) realizaram estudos para verificar como as agroindústrias de
mandioca se ajustam à legislação ambiental ao lançarem os efluentes em corpos
receptores. A conclusão é de que as pequenas agroindústrias têm dificuldades e custos
maiores para atender à legislação, o que constitui mais uma desvantagem para as micro e
pequenas empresas. Nas farinheiras, a manipueira é pura e as águas de lavagem das
raízes são tratadas separadamente. A manipueira de fecularia, que é diluída com água de
extração de fécula, é utilizada, no início do processamento, para a lavagem das raízes,
sendo gerada uma solução com todos os constituintes da manipueira, adicionada de areia,
argila e silte, impregnados na matéria prima.
Ubalua (2007) avalia as oportunidades de se tratar os efluentes líquidos de
fecularias em países como a Tailândia, Brasil, Vietnam e Índia, onde são utilizados
processos biológicos em lagoas aeróbias e anaeróbias, porém, com eficiência variável,
extensivas áreas de terra e capital intensivo.
3.6 PESQUISAS COM DIGESTÃO ANAERÓBIA DE MANIPUEIRA
3.6.1 DIGESTÃO ANAERÓBIA DE MANIPUEIRA COM SEPARAÇÃO DAS FASES
ACIDOGÊNICA E METANOGÊNICA
Outros dados dos trabalhos citados neste e no próximo item encontram-se nas
Tabelas 2 e 3, respectivamente.
Cuzin et al. (1992) utilizaram um reator tipo fluxo pistão com separação de fases
para digerir cascas de mandioca. Esse estudo é um dos poucos que utilizou um reator fluxo
pistão horizontal. Segundo os autores da pesquisa, neste tipo de reator, a fase acidogênica
no resíduo ocorre no primeiro tanque, o de alimentação, previamente à entrada na parte
principal do reator. Esse fato foi verificado através da quantificação dos produtos, bem
como na contagem de microrganismos responsáveis pelo processo de acidogênese em
vários pontos do reator.
Barana e Cereda (2000) utilizaram um reator anaeróbio de duas fases na digestão
de manipueira para produção de metano. A fase acidogênica foi desenvolvida em batelada,
com TRH de 14 dias, correção de pH, volume de 50 L e temperatura de 25 °C e
armazenada para alimentação da fase metanogênica.
Feiden e Cereda (2003) avaliaram um sistema de tratamento de manipueira de
fecularia em escala piloto. A captação da manipueira utilizada no experimento foi sem
27
correção de pH ou nutrientes e em temperatura ambiente. O reator acidogênico possuía
volume útil de 1 m3 e, o metanogênico, de 3 m3.
Na Tabela 2 apresentam-se os resultados dos estudos com reatores anaeróbios de
duas fases.
Tabela 2 - Resumo dos resultados de pesquisas sobre o tratamento de subprodutos da industrialização da mandioca em duas das fases
Caracterís-ticas
Substrato Carga orgânica
Red. DQO (%)
TRH (d)
T (°C)
Biogás Correção Substrato
Autores
Produções CH4 Específicas (%)
Fluxo horizontal V = 378 L
Casca de mandioca
3,6 gSV L
-1d
-1
90
- 35 39
0,66 L g
-1SVc
- - nenhuma Cuzin et al.
(1992)
Fluxo ascendente Filme fixo, Bancada
Manipueira farinheira
8,5 gDQO L
-1d
-1
55
3 (no meta- nogê- nico)
32 1,83 Lg
-1
DQOc - 57
pH
Barana e Cereda (2000)
UASB Piloto
4000 L
Manipueira fecularia
2,49 gDQO L
-1d
-1
77 4,4 24 28
1,72 Lg
-1
DQOc
0,90 LL
1
d-1
71 nenhuma Feiden e Cereda (2003)
(-) Dados não disponíveis.
3.6.2 DIGESTÃO ANAERÓBIA DE MANIPUEIRA EM UMA FASE
Anrain (1983) fermentou efluente de fecularia em um reator instalado junto a uma
indústria de fécula em Santa Catarina, obtendo-se remoção de carga orgânica superior a
90%, produção de 0,41 L gás DQOc e 5,24 L gás L d-1.
Manilal, Narayanan e Balagopalan (1990) trataram efluente de fecularia com
pequenas frações de dejetos bovinos em dois reatores: um alimentado em batelada e outro
com alimentação semicontínua. A boa produção de metanos dos reatores foi devido à
quantidade de inóculo adicionado.
Annachhatre e Amatya (2000) alimentaram um reator UASB com sobrenadante de
manipueira de fecularia, concluindo que a decantação gravitacional simples foi suficiente
para o desempenho satisfatório do reator UASB.
Chaiprasert et al. (2003) trataram manipueira de fecularia utilizando-se de reatores
híbridos de fluxo ascendente dotados de meio suporte com fibras de nylon com diferentes
densidades. Os meios com maior densidade resultaram em melhor tratamento da
manipueira.
Ribas e Barana (2003) estudaram o processo de partida de um reator plug flow ou
fluxo pistão vertical de uma fase de duas maneiras: diminuindo-se gradativamente o TRH
até se chegar ao tempo pré-estabelecido, quatro dias; ou mantendo-se o TRH fixo em
quatro dias e aumentando-se gradativamente a concentração do afluente. As autoras
concluíram que a partida do biodigestor plug flow tratando manipueira pode ser realizada
tanto se diminuindo o TRH, quanto o mantendo fixo e se aumentando a concentração do
afluente.
28
Rajbhandari e Annachhatre (2004) avaliaram as eficiências de remoção de DQO,
sólidos solúveis totais e cianeto em um sistema de lagoas anaeróbias de fecularia na
Tailândia. As lagoas reduziram carga orgânica e sólidos suspensos, porém, o efluente ainda
não atendia a condição padrão de tratamento para ser lançado no manancial
Karamaj et al. (2006) pesquisaram o desempenho de um reator anaeróbio piloto
tipo UASB com filme fixo sintético, alimentado com efluente da industrialização da mandioca
e temperatura de 37 °C, variando a carga orgânica em DQO de 0,98 a 9,71 g L-1 d-1 e
respectiva redução do TRH de 10 para 1 dia, obtendo-se uma redução de DQO de 77 a 67%
e produção de biogás de 0,49 para 1,48 L L-1 d-1, respectivamente. O reator híbrido foi
eficiente para a recuperação de energia dos resíduos líquidos do processamento de
mandioca para fabricação de sagu.
Boonapatcharoen et al. (2006) avaliaram um reator anaeróbio de leito fixo com
volume de 6,4 L e temperatura de 37 °C para o tratamento de efluente de fecularia nas
cargas de 1, 2, 3, 4, 5 e 6 g DQO L-1 d-1 e TRH de 8, 5, 5, 4, 4 e 4. As remoções de DQO
foram de 90, 84, 90, 86, 93 e 94% e produções de 0,25; 0,22; 0,31; 0,23; 0,38 e 0,32 Lbiogás
por grama de DQO consumida, respectivamente.
Colin et al. (2007) submeteram o sobrenadante de tanques fermentadores de
polvilho azedo de mandioca à digestão anaeróbia em reator horizontal de bancada contendo
bambu para meio suporte. O alto conteúdo de ácido lático e teores de cianeto no reator,
entre 3 a 5 mg L-1, não influenciaram negativamente a digestão anaeróbia. Segundo os
autores, os resultados obtidos indicam o filtro de fluxo horizontal como um meio eficiente de
tratamento anaeróbio de efluentes em pequenas indústrias processadoras de mandioca.
Kuczman (2007) e Kuczman et al. (2011) estabilizaram manipueira de fecularia em
reator anaeróbio tubular de uma fase, em laboratório, à temperatura de 33±1°C,com carga
orgânica de 1,18; 1,28; 1,57 e 2,68 g DQO L-1 d-1 nos TRHs de 15,0; 13,0; 8,3 e 6,6 dias,
respectivamente. Mantendo-se ordem de apresentação dos TRHs, obtiveram-se 97,0; 99,2;
95,7 e 95,3% para remoções de DQO, 0,49; 0,49; 0,82 e 0,61L de biogás por DQOc e
produção volumétrica de 0,52; 0,41; 0,65 e 0,63 LL-1 d-1, respectivamente.
Na Tabela 3 são apresentados os dados dos estudos com os reatores anaeróbios
de uma fase descritos.
29
Tabela 3 - Resumo dos resultados de pesquisas sobre o tratamento de subprodutos líquidos da industrialização da mandioca em reatores de uma fase
Caracterís-ticas
Substrato
Carga orgânica (g DQO L
-1d
-1)
Red. DQO (%)
TRH (d)
T (°C)
Biogás
Correção substrato
Autor(es) (Lg-1
DQOc)
(L L
-1
d-1)
CH4 (%)
UASB, Piloto, 6500L
Manipueira fecularia
8,18 90 0,75 Pré-
aque- cida
0,41 5,24 pH
nutrientes Anrain (1983)
Bancada, Em batelada,
7 L
Manipueira fecularia +
15% dejetos bovinos
- 63 60 30 0,13 Lg
-1
MS - 59
pH nutrientes
Manilal, Narayanan e Balagopalan
(1990)
Bancada, Semicontínuo,
7 L
Manipueira fecularia +
15% dejetos bovinos
- 50 33 30 0,33 L g
-1 MS
- - pH
nutrientes
Manilal, Narayanan e
Balagopalan
(1990)
UASB, Bancada,
21,5 L, Recircul. 4:1
Sobrenadante manipueira
fecularia
10 - 16 95 - 30-35 - 8,00 - pH
nutrientes
Annachhatre e Amatya
(2000)
Tubular Vertical
Bancada
Manipueira (na partida)
2,9 60 9,6 32 - - - pH Ribas e
Barana (2003)
Híbrido ascendente
Bancada Meio sup.
Manipueira fecularia
4,0 87 5,4 - 0,29 3,77 68 nutrientes Chaiprasert et al. (2003)
Lagoas Manipueira
fecularia - 90 - - - - - nenhuma
Rajbhandari e annachha-
tre (2004)
Leito fixo Bancada
Meio suporte
Proces- samento mandioca
6
94 4 37 0,32 - 69 nenhuma Boonapa-
Tcharoen et al. (2006)
UASB+AFF Piloto 6725 L
Manipueira fecularia
9,71 67 1 37 0,23
1,48
- nenhuma Karamaj et al. (2006)
Tubular horizontal Bancada Meio sup.
Sobrenadante de tanques
fermentadores polv. azedo
11,8 87 9,5
horas 24,5 0,36 3,7 75 nenhuma
Colin et al. (2007)
Tubular horizontal Bancada
16,1 L
Manipueira fecularia
2,7 95 6,6 33 0,61 0,63 59 nenhuma
Kuczman (2007) e
Kuczman et al. (2011)
(-) Dados não disponíveis.
3.7 ENERGIA PARA O PROCESSAMENTO DE MANDIOCA
Devido à elevada tarifa de energia elétrica no horário de pico, as fecularias que
operam 24 h d-1 tem um custo adicional de 23% em eletricidade, consumindo a lucratividade
relativa às três horas de operação adicional.
As fecularias de mandioca caracterizam-se por um balanço energético deficitário,
sendo necessário o uso de lenha para a geração de vapor para a secagem de fécula. Para a
secagem da fécula resultante de uma tonelada de mandioca são necessárias 353.360 kcal
na forma de vapor. O biogás produzido do efluente dessa quantidade de mandioca gera um
potencial calorífico de 104.357 kcal. Dessa forma, a economia com lenha seria de 30%
(ANRAIN, 1983).
O potencial diário de obtenção de energia do efluente de fecularia é elevado e,
pelas suas características, pode ser empregado de várias formas, sendo a mais simples a
30
geração de calor seguido pela geração de eletricidade. O potencial de produção de biogás
por tonelada de mandioca processada é de 16,10 m3, que, através de grupos geradores
elétricos, tem-se a estimativa de produzir entre 50 a 80% da eletricidade consumida, que
geraria equivalente economia com os gastos com energia elétrica (FEIDEN; CEREDA,
2003).
3.8 MODELO HIDRÁULICO EM REATORES
As modificações na composição e concentração dos compostos durante a
permanência da água residuária no reator são essenciais no seu tratamento. As causas
dessas mudanças são:
Transporte hidráulico dos materiais no reator (entrada e saída);
Reações que ocorrem no reator (produção e consumo).
A maneira e a eficiência com que essas mudanças ocorrem dependem do tipo e da
configuração do reator, objeto de estudo da hidráulica de reatores.
O modelo hidráulico do reator é função do tipo de fluxo e do padrão de mistura na
unidade. O padrão de mistura, por sua vez, depende da forma geométrica do reator e da
quantidade de energia, do tamanho ou da escala da unidade e outros fatores.
O fluxo no reator pode ser de dois tipos:
Fluxo intermitente em que o reator apresenta uma operação de carregamento e
outra de descarregamento (em batelada): entrada e/ou saída interrompidas;
Fluxo contínuo: entrada e saída sem interrupção.
Em dois modelos hidráulicos básicos, fluxo em pistão e de mistura completa,
definem-se os padrões de mistura. Entre estes dois modelos situam-se todas as
alternativas, que podem ser:
Fluxo em pistão;
Mistura completa;
Fluxo disperso;
Arranjos de células em série e/ou paralelo.
Fonte: Von Sperling (1996).
31
Os tipos de reatores utilizados na digestão anaeróbia podem apresentar
características diferentes. No modelo em batelada não há efluente entrando e saindo no
decorrer do tempo. Nele, a carga é completada em operação única, na qual a mistura é feita
de forma completa. Todos os elementos participam do tratamento por um período igual à
permanência do substrato no reator.
No Fluxo tubular, em pistão ou plug flow, a entrada ocorre continuamente em uma
extremidade do tanque, percorre seu comprimento e sai pela outra extremidade. O fluxo
comporta-se como um êmbolo onde não há misturas longitudinais. As partículas
permanecem no interior do reator por um período igual ao tempo de retenção hidráulica.
Esse fluxo é reproduzido em um tanque de comprimento longo e de largura estreita, onde a
dispersão longitudinal é mínima.
O modelo de mistura completa apresenta a característica de dispersar pelo reator
todas as partículas afluentes. A distribuição estatística define a saída das partículas do
reator. Para garantir a mistura completa exige-se mecanismos que distribuam o conteúdo
contínua e uniformemente.
No fluxo disperso ocorre a situação intermediária entre o fluxo em pistão e o de
mistura completa, identificando-se neste sistema a realidade com que operam a maioria dos
reatores. A sua difícil modelagem resulta em aproximações na direção dos modelos
hidráulicos ideais.
Os reatores de mistura completa em série servem para modelar o regime hidráulico
que existe entre os regimes ideais de fluxo pistão e o de mistura completa. Se contiver uma
unidade apenas, o regime hidráulico se aproxima do fluxo de mistura completa e, se conter
infinitas unidades ligadas em série, o sistema se aproxima do fluxo em pistão. Lagoas de
estabilização e de maturação ligadas em série comportam-se como reatores de mistura
completa em série. O fluxo de entrada e saída é continuo.
Há ainda os reatores com meio suporte ou enchimento nos quais se introduz
pedras, plástico, cerâmica, madeira e outros materiais. Os materiais podem ficar submersos,
com o volume de poros saturados, como o filtro anaeróbio e o biofiltro aerado ou com
dosagem intermitente, com poros não-saturados, a exemplo do filtro biológico. O fluxo pode
ser descendente ou ascendente (VON SPERLING, 1996).
Os fatores de maior importância e que devem ser considerados na escolha do
modelo do reator são: (1) natureza da água residuária; (2) as cinéticas de reações
envolvidas; (3) processos requeridos; (4) condições ambientais locais. Na prática, os custos
construtivos, operacionais e de manutenção também afetam a escolha do modelo de reator.
O regime hidráulico de fluxo tubular ou em pistão é o mais eficiente para reações de
primeira ordem ou superiores em termos de cinética de remoção da matéria orgânica. No
entanto, o regime de mistura completa é mais indicado quando se têm despejos sujeitos a
uma grande variabilidade de cargas e à presença de compostos tóxicos, pelo fato do reator
32
de mistura completa prover uma imediata diluição do afluente na biomassa. A geometria do
reator fornece indícios do modelo: quando a relação comprimento/largura do reator for
elevada, o regime hidráulico tende a fluxo tubular. Se esta relação for próxima de um, o
regime hidráulico tende à mistura completa (MET CALF; EDDY, 1991; VON SPERLING,
1996).
Com relação à separação das fases de hidrólise – acidogênese e metanogênese
em reator plug flow, Roy et al. (2009) estudaram um sistema composto por oito reatores
ligados em série, alimentados com dejetos suínos, para distinguir os consórcios de
microrganismos associados às fases. Para a distinção, avaliou-se a concentração de ácidos
voláteis e produção de metano ao longo do sistema, correlacionado às mudanças na
estrutura e no metabolismo da comunidade bacteriana. Os autores identificaram a filogenia
específica dos microrganismos associados às fases de hidrólise – acidogênese e
metanogênese, concluindo pela possiblidade de separação das duas principais fases da
digestão anaeróbia através do reator plug flow ou tubular.
33
4 MATERIAL E MÉTODOS
4.1 LOCAL DA PESQUISA
O reator anaeróbio piloto para o tratamento de manipueira foi construído e operado
em uma fecularia localizada na Estrada municipal, s/n, Distrito de Concórdia do Oeste,
município de Toledo, estado do Paraná, Brasil, com as coordenadas geográficas: latitude
24°41'15,64"S e longitude 53°49'55,64”O, conforme mostrado na Figura 3.
Figura 3 - Localização do reator piloto, Município de Toledo, Paraná, Brasil.
34
O reator piloto está localizado a uma distância de 100 m do setor de geração de
manipueira.
De 15 de janeiro a 20 de dezembro de 2011, a fecularia processou, em média, 134 t
de mandioca por dia, estimando-se a geração diária de manipueira em 800 m3, com a maior
oferta de mandioca entre abril e agosto. A fecularia possui capacidade de processar até 170
t de mandioca por dia. A manipueira da extração de fécula é recirculada para a lavagem das
raízes na entrada do processo e é tratada em um sistema que possui lagoas de decantação
de areia e argila, lagoas anaeróbias, facultativas e de maturação. Para melhorar a eficiência
do sistema, atualmente são adicionados microrganismos nas lagoas anaeróbias.
Na fecularia onde foi instalado o reator piloto apresentado neste estudo, o consumo
mensal de lenha na caldeira para produzir vapor é de 620 m3, que, adicionado ao custo da
eletricidade, chega à despesa mensal total de U$ 70.000,00.
A fecularia ainda consome 42 m3 de lenha para a secagem direta de parte da fibra
gerada no processo de extração de fécula, que é vendida como insumo para o tratamento
de efluentes em siderurgias.
Na Tabela 4 é apresentada a quantidade de mandioca processada na fecularia em
2011.
Tabela 4 - Quantidades mensal e diária de mandioca processada na Fecularia em 2011
Mês Mensal (t) Média (tdia-1) Mês Mensal (t) Média (tdia
-1)
Janeiro * 2594 148 Julho 3651 118
Fevereiro 3943 141 Agosto 4178 135
Março 4362 141 Setembro 4009 134
Abril 3458 115 Outubro 2583 83
Maio 4770 154 Novembro
3271 109
Junho 4773 159 Dezembro ** 2500 125
Média diária 135
* Processamento de 17 dias,**Processamento estimado para 20 dias.
4.2 SISTEMA PILOTO DE TRATAMENTO DE MANIPUEIRA
4.2.1 CAIXA DE AREIA/EQUALIZAÇÃO
Para a retirada de sólidos inertes presentes na manipueira e equalizar a vazão de
entrada no reator, foi construída uma caixa de areia. A caixa com formato cilíndrico foi
dividida em duas seções: seção 1 - Anel superior com diâmetro de 2,80 m e altura de 0,28
m; seção 2 - Fundo em forma de cone com diâmetro superior de 2,40 m e profundidade de
1,12 m com um volume total de 3200 L.
Para a retirada dos sólidos indesejáveis, como areia e argila, abria-se o tubo de saída
instalado no fundo e se fazia a drenagem impulsionada pela pressão hidráulica exercida
pelo sobrenadante. As operações de limpeza foram feitas a cada dois dias. A
35
implementação da caixa foi necessária em função da elevada variabilidade da vazão da
manipueira gerada pela indústria. O tempo médio de retenção hidráulica da caixa foi de 2 h.
Além de reter sólidos indesejáveis, a caixa de areia, mostrada na Figura 4, funcionou como
um equalizador de vazão da manipueira afluente ao reator.
Figura 4 - Caixa de areia e reator piloto na Fecularia (Julho/2011 - Toledo PR).
4.2.2 REATOR ANAERÓBIO PILOTO
O reator piloto construído para ser avaliado neste estudo é do modelo tubular com
fluxo horizontal e alimentação contínua. O modelo foi escolhido por ter sido avaliado em
laboratório por Kuczman (2007) e devido a sua facilidade de construção, operação e
manutenção, sendo o que mais se aproxima de lagoas de estabilização. A câmara de
fermentação foi escavada no solo, com formato retangular e seções trapezoidais, com as
seguintes dimensões: comprimento superior 10,80 m; largura superior 2,80 m; comprimento
inferior 9,80m, largura inferior 1,40 m e profundidade de 2,1 m, resultando em volume útil de
33600 L e uma relação média do comprimento versus largura de 5,8. A impermeabilização
da câmara de fermentação e do gasômetro de retenção de biogás foi feita com
geomembrana de PEAD com espessura de 1,25 mm. As duas geomembranas foram fixadas
no fundo de um canal de água em concreto armado construído no entorno da câmara, cuja
Caixa de areia/argila
equalizador
Queimador
biogás
Entrada
manipueira
Tampão drenagem
Reator
36
função era impedir a fuga de biogás. As geomembranas sem transparência impediram a
entrada de luz na manipueira em fermentação.
Nas Figuras 5 e 6 são apresentados os esquemas da implantação e corte
longitudinal do reator em escala piloto na Fecularia.
1080
980
220
120
PENEIRA
SEPARADORA
DE CASCAS
MANIPUEIRA DA INDÚSTRIA
MANIPUEIRA
MAN
IPU
EIR
A
CAIXA DEAREIA
CAIXA DE
ENTRADA
DRENAGEM
AREIA/ARGILA
CAIXA DE PASSAGEM
SALA DE MÁQUINAS
COMPRESSOR
TUBO DE SUCÇÃO
DE BIOGÁS
TUBO DE INSUFLAÇÃO
DE BIOGÁSCAIXA DE
SAÍDA
SAÍDA DE
EFLUENTE
QUEIMADOR
BIOGÁS
HIDRÔMETRO
MEIO SUPORTE
(BAMBU)
170
REATOR
AGITADOR
PARA AS LAGOAS
MEDIDAS EM
CENTÍMETROS
Figura 5 - Implantação do sistema piloto de tratamento de manipueira.
25
210
MANTA PEAD
HIDRÔMETROCAIXA DE
ENTRADACAIXA DE
SAÍDA
TUBO 25 mmDRENAGEM
AREIA/ARGILA
CAIXA DE
AREIA
MEIO SUPORTE
(BAMBU)
MANTA DE
IMPERMEABILIZAÇÃOBIOGÁS INSUFLADO
ENTRADA
MANIPUEIRA170
INSUFLAÇÃO DE BIOGÁS POR
COMPRESSOR RADIAL
GASÔMETRO
Figura 6 - Corte do sistema piloto de tratamento de manipueira.
Na Figura 7 é apresentada a imagem do sistema piloto de tratamento.
37
Figura 7 - Reator piloto na fecularia (Julho/2011 – Toledo – PR).
4.2.3 SISTEMA DE AGITAÇÃO
No reator foi instalado um sistema de agitação, através da recirculação do biogás
bombeado por um compressor radial que o succionou do gasômetro e o insuflou no fundo.
Para a saída do biogás no fundo do reator, foi instalado um tubo de PVC de diâmetro de 25
mm, disposto longitudinalmente, com perfurações de diâmetro de 1,25 mm, espaçadas a
cada 25 cm. Na Figura 8 pode-se visualizar o tubo descendente de insuflação de biogás e o
tubo de saída, no fundo do reator.
Saída
manipueira
Reator
Sucção biogás
Captação manipueira Caixa de areia
equalizador
Agitação
Insuflação biogás
38
Figura 8 - Reator aberto: tubo de insuflação de biogás.
O compressor radial trifásico tipo turbina possuía os seguintes dados nominais:
potência de 4 CV, rotação de 2450 rpm, pressão de 2300 mm.c.a., vazão de 3,2 m3 min-1 e
prolongador para aumentar a distância entre o motor e a turbina. A agitação foi acionada
manualmente por um tempo de dois minutos, quatro vezes ao dia, nos horários de 12, 13,
14 e 15 horas. Os horários escolhidos foram os de temperatura mais elevadas no dia para
que o calor absorvido pela geomembrana negra do gasômetro e transferido ao biogás fosse
introduzido no meio líquido. Dessa forma, proporcionou-se teoricamente um pequeno ganho
de temperatura, não mensurado, ao sistema. O fator que determinou o intervalo de 1 h entre
as agitações foi a necessidade de resfriamento do compressor. O aumento da temperatura
tinha duas origens: o calor contido no biogás e o gerado pela compressão. A temperatura do
biogás introduzido no fundo do reator atingiu até 70 °C.
4.2.4 MEIO SUPORTE
Para meio suporte de microrganismos, em parte do volume do reator, foram
colocados 45 sacos de polipropileno contendo, em média, 200 peças de bambu cada um,
totalizando aproximadamente 9000 peças, conforme pode ser visto na Figura 9. O
comprimento das peças de bambu foi de 15,0 cm e o diâmetro médio de 4,0 cm.
Tubo de saída
de biogás
Insuflação
39
Figura 9 - Peças de bambu e bambus ensacados
Para a estimativa da área superficial total de bambu colocado no reator, mediu-se o
comprimento, diâmetro interno e externo de cada uma das 200 peças de bambu que cabiam
em um saco. Dessa forma, foi possível estimar a área de meio suporte para os 45 sacos de
bambu. Os cálculos foram conforme as Equações 4.6, 4.7 e 4.8:
(
) Eq. (4.6)
∑ Eq. (4.7)
∑ Eq. (4.8)
em que:
Ap - Área de cada peça de bambu em m2;
Re - Raio externo da peça de bambu em m;
Ri - Raio interno da peça de bambu em m;
C - Comprimento da peça de bambu em m;
Sbsaco - Superfície de contato do bambu por saco em m2;
Sbreator - Superfície de contato do bambu no reator em m2.
A superfície específica de bambu por volume de reator foi calculada pela Equação
4.9:
Eq. (4.9)
onde:
Seb - Superfície específica do bambu por volume de reator (m2bambu m
-3reator);
Vr - Volume útil do reator em m3.
40
Os sacos foram empilhados num espaço com extensão de 1,7 m localizado a 2 m
da saída do reator, ocupando toda a seção transversal, conforme mostrado ao fundo da
Figura 8.
O bambu foi escolhido para ser utilizado como meio suporte devido ao baixo custo,
facilidade de obtenção, boa durabilidade e por apresentar-se inerte em relação à
fermentação anaeróbia (TRITT et al., 1993). No interior do reator, além das peças de
bambu, haviam cordas, sacos, tubos do sistema de agitação e contrapeso para mantê-los
no fundo. Devido ao encharcamento dos bambus no meio líquido, os aumentos da superfície
e do volume do meio suporte foram estimados em 8,5 e 17%, respectivamente. A superfície
específica de meio suporte foi de 11,42 m2 m-3 de reator, resultando numa superfície total
disponibilizada de 384 m2 e volume total ocupado pelos materiais no reator de 1,061 m3.
4.2.5 PARTIDA DO REATOR
Para o início da fermentação da manipueira no reator foram adicionados 22,6 m3 de
água e 10 m3 de lodo ativo succionado de uma das lagoas anaeróbias da fecularia. Em
seguida adicionou-se à mistura 1 m3 de manipueira como gerada na agroindústria, sem
adição de neutralizantes, nutrientes ou aquecimento. Portanto, o percentual de inóculo na
mistura foi de 30%, conforme metodologia utilizada por Forster-Carneiro, Perez e Romero
(2008). A sequência da alimentação foi realizada com aumentos gradativos até atingir a
vazão diária correspondente ao TRH previsto, com o acompanhamento dos seguintes
indicadores de estabilidade: pH, relação ácidos voláteis versus alcalinidade total e produção
de biogás. Esses indicadores foram orientadores para a condução de toda a pesquisa e
serviram de referência para os comentários sobre estabilidade do reator. Atingida a vazão
diária correspondente ao TRH a ser avaliado, manteve-se a mesma por um período de
tempo igual ao TRH estabelecido para sair do efeito do aumento da carga orgânica. Após
este período iniciou-se a coleta de amostras para a obtenção de dados. Após a partida do
reator a ordem de realização dos tratamentos foi a seguinte: TRH de 13,0; 11,5; 10,0 e 7,0
dias sem agitação e 7,0 dias com agitação.
4.2.6 FLUXO DA MANIPUEIRA AFLUENTE
A manipueira utilizada para alimentar o reator foi captada na caixa separadora de
cascas, localizada no emissário que liga o setor de extração de fécula ao sistema de lagoas
de tratamento.
Da peneira, por um tubo de diâmetro de 75 mm, a manipueira escoou por gravidade
e em fluxo contínuo pelos seguintes dispositivos: (1) caixa de areia, (2) filtro de tela, (3)
registro de controle de vazão, (4) hidrômetro, (5) tubo de entrada, (6) reator – meio suporte
41
(7) tubo de saída e voltou ao emissário que segue para as lagoas. A caixa de areia recebia a
manipueira continuamente, de onde uma parte do sobrenadante, que alimentava o reator,
passava por um filtro de tela plástica com malha medindo 1 x 1 mm e por um registro de
esfera com diâmetro de 25 mm para a regulagem do fluxo de alimentação. Para medir o
volume afluente de manipueira foi instalado um hidrômetro com diâmetro de 3/4" e vazão
mínima e máxima de 30 e 1500 L h-1. A parte da manipueira que não afluía ao reator
descartava-se por um tubo extravasor até as lagoas de tratamento.
A entrada da manipueira no reator ocorreu por tubo de PVC com diâmetro de 75
mm instalado numa extremidade, o que proporcionou um fluxo longitudinal. A 3,7 metros da
saída, a manipueira fluiu através da pilha de sacos de bambu numa extensão de 1,70 m.
4.2.7 MEDIÇÃO E CORREÇÃO DA PRODUÇÃO DE BIOGÁS
O biogás produzido no reator e retido no gasômetro foi conduzido por mangueira de
PVC de diâmetro de ½” para um medidor de gás com vazão mínima de 0,016 e máxima de
1,0 m3 h-1. O sistema de saída do biogás tinha purgadores que drenavam a água
condensada na mangueira e um manômetro em forma de tubo em U para a obtenção da
pressão de medição do biogás. Do medidor o biogás seguia para o queimador com
faiscador elétrico de acionamento temporizado para a manutenção da chama.
A produção de biogás totalizada pelo medidor foi corrigida para as CNTP pela
Equação 4.10:
Eq. (4.10)
onde:
Po - Pressão atmosférica (760 mmHg);
Vo - Volume de Biogás corrigido (L);
To - Temperatura absoluta padrão (293,15 K);
P1 - Pressão absoluta do biogás;
V1 - Volume totalizado pelo medidor (L);
T1 - Temperatura do biogás (K).
42
4.3 OBTENÇÃO DE DADOS OPERACIONAIS
As amostras analisadas foram compostas pela mistura de duas ou três sub-
amostras coletadas em horários diferentes durante o dia, conforme descrito a seguir:
Para as determinações de redução de DQO, SV e medição do pH, as amostras
foram coletadas no tubo de entrada e de saída no reator com frequência diária;
Para a avaliação dos ácidos voláteis e alcalinidade total, as amostras foram
coletadas diariamente no tubo de saída do reator;
Os volumes de alimentação e de produção de biogás foram obtidos diariamente
através da leitura do hidrômetro e do medidor de gás, respectivamente;
As temperaturas do ambiente, do afluente e efluente do reator foram obtidas
diariamente por termômetro de filamento no exterior da sala de máquinas e no
tubo de entrada e saída do reator, respectivamente. A temperatura citada no
estudo será sempre a do efluente, igual à temperatura interna do reator;
As amostras de biogás para a determinação do teor de metano e gás carbônico
foram coletadas, com frequência aleatória, na mangueira após o medidor.
A DQO e SV obtidos são referentes à DQO total e aos sólidos totais voláteis,
respectivamente, e os valores da temperatura apresentados referem-se à temperatura de
saída do reator, equivalente à temperatura interna. As leituras dos dados foram anotadas,
normalmente, às 13 h e 30 min e, no último tratamento (TRH de 7,0 dias), também às 7 h e
30 min e às 19 h e 30 minutos.
As amostras de manipueira foram coletadas em frascos plásticos e armazenadas
em congelador e transportadas, em caixas térmicas contendo gelo, até o Laboratório de
Saneamento da UNIOESTE – campus Cascavel. A coleta do biogás em garrafas “PET” de
500 mL deu-se após o medidor. As garrafas foram armazenadas em geladeira e conduzidas
até o laboratório da UNIOESTE – campus Cascavel para análise em até dois dias.
O número de amostras utilizadas para a obtenção das variáveis respostas
apresentadas nesta pesquisa foi de: 20 no TRH de 13,0 dias; 32 no TRH de 11,5 e 10,0
dias; 27 no nível sem agitação e 28 no nível com agitação do TRH de 7,0 dias, totalizando
139 amostras. O planejamento foi realizado de forma a atender a necessidade estatística de
se ter um valor de observações próximo a 30 por tratamento (3 vezes o número de variáveis
respostas).
43
4.4 TRATAMENTOS E VARIÁVEIS RESPOSTAS
Os tratamentos adotados na pesquisa foram escolhidos em função do tempo de
retenção hidráulica (TRH), fundamentados no trabalho de Kuczman et al. (2011), que
avaliaram o tratamento de manipueira da mesma fecularia em um reator de modelo tubular
horizontal de uma fase, em escala de laboratório, sem meio suporte e sem agitação, à
temperatura de 33±1°C nos TRHs de 15, 13, 8, e 7 dias.
O objeto de análise desta pesquisa está dividido em dois conjuntos de dados:
(1) Conjunto de dados dos quatro TRHs: 13,0; 11,5; 10,0 e 7,0 dias.
Neste conjunto, procedeu-se a avaliação e comparação de quatro tratamentos
identificados pelo tempo de retenção hidráulica (TRH) de 13,0; 11,5; 10,0 e 7,0
dias, todos sem agitação;
(2) Conjunto de dados do TRH de 7,0 dias.
Neste conjunto, compararam-se os dois níveis operacionais do fator agitação:
sem agitação e com agitação da manipueira em fermentação no TRH de 7,0
dias. Para a obtenção deste conjunto repetiu-se o TRH de 7,0 dias, submetendo
o reator a agitação.
Devido às dificuldades de estabilização do reator na alternância dos fatores sem e
com agitação, os TRHs de 13,0; 11,5 e 10 dias não foram submetidos à agitação.
Na Tabela 5 é apresentada a nomenclatura utilizada para os tratamentos.
Tabela 5 - Tratamentos adotados em função dos tempos de retenção hidráulica e fator agitação
Tratamentos (dias) Tempo de retenção hidráulica (TRH)
TRH de 13,0 13,0 dias sem agitação
TRH de 11,5 11,5 dias sem agitação
TRH de 10,0
TRH de 7,0
TRH de 7,0
10,0 dias sem agitação
7,0 dias sem agitação
7,0 dias com agitação
O TRH de 7,0 dias sem agitação é comum aos dois conjuntos de dados.
As variáveis respostas foram mensuradas conforme descrito a seguir:
Conjunto de dados dos quatro TRHs
Conjunto de dados do TRH de 7,0dias c/fator agitação
44
Carga orgânica em demanda química total de oxigênio (CDQO) e sólidos
voláteis (CSV), ambas em g L-1;
Reduções de demanda química de oxigênio (RDQO) e sólidos voláteis (RSV) em
%, calculadas pela diferença dos valores de entrada e saída;
Produção de biogás por demanda química de oxigênio consumida (BDQOc) e
por sólidos voláteis consumidos (BSVc) em Lg-1;
Produção volumétrica de biogás (BLLd) em LL-1d-1;
Relação AV/AT.
4.5 METODOLOGIA ANALÍTICA
Para a avaliação operacional do sistema piloto, as amostras foram analisadas
quanto ao potencial hidrogeniônico (pH), demanda química de oxigênio (DQO), sólidos
voláteis (SV), ácidos voláteis (AV) e, alcalinidade total (AT), pelos métodos apresentados na
Tabela 6.
Tabela 6 - Metodologia de análises das variáveis pH, DQO, SV, AV, AT e composição do biogás
Variável Método
pH Potenciométrico (1)
DQOtotal (mg O2 L-1) Colorimétrico Fluxo fechado
(1)
SV (mg L-1) Gravimétrico
(1)
AV (mg CH3COOHL-1) Titulométrico
(1)
AT (mg CaCO3 L-1) Titulométrico
(1)
Composição do biogás - CH4 e CO2 (%) Cromatografia a gás (2)
Fonte: (1)
APHA (1998). (2)
Vaz et al. (2003).
4.6 DELINEAMENTO ESTATÍSTICO
O delineamento estatístico do experimento foi inteiramente ao acaso e as análises
estatísticas foram realizadas considerando todas as variáveis respostas nos TRHs de 13,0;
11,5; 10,0 e 7,0 dias e da avaliação do efeito da agitação no TRH de 7,0 dias:
1) Estatística univariada
Estatística descritiva;
Teste de normalidade pelo método de Shapiro-Wilk com nível de
significância de 5%;
Gráficos QQ-plot;
45
Coeficiente de correlação linear de Pearson.
2) Estatística multivariada
Testes de normalidade pelo método de Shapiro Wilk e Shapiro Francia com
nível de significância de 5%;
Teste de homogeneidade da matriz de covariância pelo método M Box com
nível de significância de 5%;
Análise de variância multivariada (MANOVA) pelos métodos de Wilks e traço
de Pillai com nível de significância de 1%;
Teste de Bartlett da igualdade da matriz de variância e covariância entre os
tratamentos com nível de significância de 1%;
Comparação dos vetores de médias entre os tratamentos pelo teste de
Hotteling com nível de significância de 1%.
A estatística descritiva foi feita por meio de análise exploratória dos dados, sendo
calculados os valores de máximo e mínimo, média, mediana, 1º. e 3º. quartil, desvio padrão,
variância e coeficiente de variação de cada variável resposta. O teste de normalidade
univariada pelo método de Shapiro Wilk a 5% de significância foi feito para avaliar a
normalidade da distribuição dos dados. Os gráficos qq-plot foram elaborados e
disponibilizados em anexo para a verificação da distribuição de normalidade dos dados. Os
coeficientes de correlação linear de Pearson foram apresentados para a verificação do grau
de dependência linear existente entre as variáveis. Na estatística multivariada foi executado
o teste de Shapiro Wilk e Shapiro Francia em nível de 5% de significância para a verificação
da distribuição dos dados considerando-se todas as variáveis. O teste de homogeneidade
da matriz de variância e covariância foi executado pelo método M Box com nível de
significância de 5%. A análise de variância multivariada (MANOVA) foi feita pelos métodos
de Wilks e traço de Pillai a 1% de significância para analisar simultaneamente múltiplas
medidas obtidas com o experimento. O teste de Bartlett avaliou a igualdade das matrizes de
variância e covariância entre os tratamentos com nível de significância de 1% e a
comparação dos vetores de médias das variáveis respostas foi feita pelo método de
Hotteling a 1% de significância.
A análise estatística foi desenvolvida por meio do software R versão 2.13.0 (2011),
no qual houve a adaptação de rotinas computacionais.
46
4.7 ESTATÍSTICA DA QUALIDADE DAS VARIÁVEIS RESPOSTAS
A estatística da qualidade das variáveis respostas foi avaliada pelo gráfico de
Shewhart com medidas individuais para as variáveis temperatura; carga orgânica em DQO e
SV; redução de DQO e SV; produção de biogás por DQO consumida, SV consumidos e
volumétrica; pH e relação AV/AT. A seguir apresentam-se as equações 4.11 e 4.12
utilizadas para o cálculo do limite superior de controle (LSC) e do limite inferior de controle
(LIC), respectivamente.
Eq. (4.11)
Eq. (4.12)
em que:
– Média amostral
MR – Estimador do desvio padrão amostral;
d2 – Fator de correção do estimador;
Fonte: Montgomery (2009).
Para a elaboração dos gráficos de controle, utilizou-se o programa MINITAB versão
15.0 (2009).
47
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO
A estimativa de geração de manipueira na fecularia é de 800 m3 por dia, que é
estabilizada em lagoas e lançada em manancial, sendo que aproximadamente 0,7% deste
volume foi tratado no reator piloto.
A vazão da manipueira gerada na fecularia variava desde zero litros por minuto até
vazões extremamente altas, alterando a taxa de remoção de sólidos fixos na caixa de areia.
O aumento do tempo de retenção hidráulica na caixa pode ter resultado em menores cargas
orgânicas afluentes ao reator devido à perda por decantação, como observaram
Suvajittanont e Chaiprasert (2003), que reduziram a DQO de manipueira de 19-21 para 12-
15 gL-1 ao deixá-la decantar por três horas. Além disso, por sete dias durante o experimento
a regularidade da alimentação do reator foi alterada por paralisações na fecularia,
ocasionadas por chuvas no campo ou devido à necessidade de manutenção.
5.1 CARACTERIZAÇÃO DA MANIPUEIRA
As caracterizações da manipueira e inóculo são apresentadas na Tabela 7,
juntamente com algumas utilizadas por outros pesquisadores.
Tabela 7 - Caracterização da manipueira e inóculo utilizados neste e em outros estudos
pH DQO
(mg L-1)
SV (mg L
-1)
N (mg L
-1)
P (mg L
-1)
K (mg L
-1)
Ca (mg L
-1)
Mg (mg L
-1)
Presente estudo Inóculo Manipueira
- 4,25
1272 6719
1028 6306
-
231,14
-
22,52
-
365,40
-
6,93
-
147,00 Kuczman et al. (2011) * Kunzler (2010) * Torres (2009) * Feiden e Cereda (2003) Anrain (1983)
4,37 3,99 5,09 6,18
4,90
15720 11122 9860 11484 6153
7510 7367
7950 6400
4404
- - - - -
- - - - -
- - - - -
- - - - -
- - - - -
-Dados não disponíveis *Manipueira da fecularia deste estudo
A DQO da manipueira resultou, conforme a média obtida por outros autores e as
relações C:N e C:P, em 10,9 e 112,2, respectivamente.
Na Tabela 7 consta que a DQO e os SV da manipueira utilizada nesta pesquisa
foram maiores apenas que a utilizada por Anrain (1983).
5.2 CONJUNTO DE DADOS DOS QUATRO TRHs (13,0; 11,5; 10,0 e 7,0 DIAS)
Na Tabela 8 são apresentadas as estatísticas descritivas das variáveis respostas
do conjunto de dados do TRH de 13,0; 11,5; 10,0 e 7,0 dias.
48
Tabela 8 - Estatísticas das variáveis respostas temperatura, redução de DQO e SV, carga orgânica em DQO e SV, produção de biogás por DQOc, SVc e volumétrica, pH e relação AV/AT do conjunto de dados dos quatro TRHs
Variável Mín. 1º Q Mediana Média 3º Q Máx. DP Var. CV (%)
Temperatura (°C) 20,30 21,90 23,50 24,21 26,90 29,30 2,61 6,83 10,80 Redução DQO (%) 48,94 72,00 82,93 80,47 89,68 97,21 11,50 132,16 14,27 Redução SV (%) 27,00 60,42 71,10 69,17 79,19 94,39 14,25 202,95 20,60 C O (g DQOL
-1 d
-1) 0,126 0,454 0,651 0,676 0,885 1,932 0,30 0,09 44,25
C O (g SVL-1
d-1) 0,092 0,419 0,629 0,643 0,816 1,961 0,31 0,10 48,91
Biogás (Lg-1DQOc) 0,108 0,400 0,679 0,773 0,953 3,300 0,54 0,29 69,55
Biogás (Lg-1SVc) 0,081 0,535 0,813 1,101 1,424 6,119 1,03 1,06 93,40
Biogás (LL-1 d
-1) 0,047 0,254 0,344 0,333 0,423 0,631 0,14 0,02 41,25
pH 5,71 6,82 7,06 7,10 7,34 8,61 0,48 0,23 6,77 AV/AT 0,03 0,17 0,42 0,47 0,70 1,56 0,34 0,12 71,55
As variáveis carga orgânica em DQO e SV apresentaram coeficientes de variação
elevados (GOMES, 2000), conforme mostrado na Tabela 8. No cálculo dessas variáveis
considera-se as respectivas concentrações de DQO e SV e o volume de manipueira
afluente ao reator, parâmetros sujeitos a variações em fecularias. Tais variações podem
ocorrer em função da variedade da mandioca processada e quantidade de água consumida
na lavagem de peneiras e equipamentos.
A eficiência de remoção de sólidos inertes na caixa de areia era regulada pela
vazão de manipueira gerada. Se a vazão de manipueira que entrava na caixa era reduzida,
ocorria a decantação de matéria orgânica, diminuindo a carga orgânica afluente ao reator.
Essa constatação pode justificar a elevada dispersão verificada nas cargas orgânicas
expressas em DQO e sólidos voláteis em algumas amostras. Essas variações afetam outras
variáveis que se utilizam daquelas para sua obtenção.
As produções de biogás por grama de DQO consumida, SV consumidos e
volumétrica apresentaram coeficientes de variação elevados. Pela característica do reator, a
DQO e SV de saída foram menos susceptíveis às variações, embora nas suas
determinações possam estar presentes causas como erros em determinações de laboratório
e variações na produção de biogás. A redução na alimentação diária em algumas amostras
justificativa-se pela falta de manipueira devido às paralisações da agroindústria.
O elevado coeficiente de variação da relação AV/AT foi decorrente de variações
não explicadas durante o experimento.
Na Tabela 9 são apresentadas as médias obtidas para cada variável e por TRH
avaliado do conjunto de dados dos quatro TRHs, os desvios padrão e os coeficientes de
variação.
49
Tabela 9 - Média, desvio padrão e coeficiente de variação por variáveis respostas nos tempos de retenção hidráulica de 13,0; 11,5; 10,0 e 7,0 dias
Variável TRH (d) Média DP CV (%) Variável TRH(d) Média DP CV (%)
T (°C)
13,0 21,5 0,46 2,16 13,0 0,368 0,38 103,85 11,5 23,0 1,83 7,92 Biogás 11,5 0,795 0,61 76,24 10,0 27,7 0,76 2,74 (Lg
-1DQOc) 10,0 0,891 0,52 57,85
7,0 23,5 1,08 4,60 7,0 0,907 0,45 49,14
Redução DQO (%)
13,0 88,30 7,60 8,60 13,0 0,524 0,79 151,12 11,5 79,27 8,76 11,05 Biogás 11,5 0,930 0,55 58,66 10,0 87,76 6,18 7,05 (Lg
-1SVc) 10,0 1,757 1,49 84,55
7,0 67,46 9,47 14,04 7,0 0,952 0,43 44,67
Redução SV (%)
13,0 75,56 13,37 17,71 13,0 0,131 0,06 45,59 11,5 76,51 10,35 13,53 Biogás 11,5 0,330 0,12 36,96 10,0 64,79 15,42 23,80 (LL
-1d
-1) 10,0 0,430 0,08 19,41
7,0 60,95 11,19 18,37 7,0 0,374 0,08 22,30
Carga orgânica (gDQOL
-1 d
-1)
13,0 0,556 0,14 24,59 13,0 6,97 0,24 3,38 11,5 0,670 0,28 42,48 pH 11,5 7,07 0,38 5,31 10,0 0,678 0,29 42,30 10,0 7,45 0,47 6,33 7,0 0,770 0,39 50,06 7,0 6,85 0,53 7,69
Carga orgânica (gSVL
-1 d
-1)
13,0 0,659 0,30 46,10 13,0 0,11 0,05 45,23 11,5 0,608 0,36 58,94 AV/AT 11,5 0,63 0,24 38,70 10,0 0,570 0,25 46,26 10,0 0,26 0,14 52,36 7,0 0,761 0,31 41,27 7,0 0,82 0,28 33,93
As cargas orgânicas, expressas em DQO e sólidos voláteis, apresentaram elevados
coeficientes de variação, à exceção da carga em DQO no TRH de 13,0 dias.
Observa-se que dentre os coeficientes de variação para as variáveis produção de
biogás por DQOc e por SVc, os verificados no TRH de 13,0 dias extrapolaram os demais. A
baixa redução de sólidos voláteis e de alimentação em duas amostras são as responsáveis
pela variação. As variações nas produções de biogás podem ser atribuídas à redução no
volume diário de alimentação e/ou baixa concentração de sólidos voláteis e DQO afluente.
Já a produção de biogás por volume de reator apresentou coeficientes de variação
menores que os das produções específicas por DQO e por sólidos voláteis consumidos. A
explicação para a menor variação está nos parâmetros para a sua obtenção, sendo um
deles variável, que é a produção diária de biogás, cuja dispersão é, por natureza, menor, e o
outro constante, o volume do reator.
A relação AV/AT apresentou coeficiente de variação elevado no TRH de 10,0 dias
devido à ocorrência de um valor discrepante.
Como regra geral, as variáveis carga orgânica em DQO, biogás por DQOc, por SVc
e volumétrico e relação AV/AT apresentaram coeficientes de variação decrescentes com a
redução do TRH, contrariamente ao pH que se apresentou crescente.
A variável redução de SV apresentou um decréscimo nos valores das médias com
a redução do TRH. Já, com pequenas variações, as variáveis carga orgânica em DQO e SV,
como eram previstas, biogás por DQOc e volumétrico, apresentaram acréscimos com a
redução dos TRHs.
Os histogramas e Boxplots do conjunto das variáveis respostas dos quatro tempos
de retenção hidráulica encontram-se no Anexo 1 e foram agrupados em figuras,
considerando-se a natureza e a relação entre as variáveis.
50
5.2.1 TESTE DE NORMALIDADE UNIVARIADA
Na Tabela 10 são mostrados os p-valores do teste de distribuição de normalidade
univariada por Shapiro Wilk para cada variável.
Tabela 10 - Distribuição de normalidade univariada do conjunto das variáveis respostas do TRH de 13,0; 11,5; 10,0 e 7,0 dias pelo método de Shapiro-Wilk com o nível de 5% de probabilidade
Variável p-valor Distribuição Variável p-valor Distribuição
Temperatura (°C) < 0,01 Não normal Biogás (Lg-1DQOc) < 0,01 Não normal
Redução DQO (%) < 0,01 Não normal Biogás (Lg-1SVc) < 0,01 Não normal
Redução SV (%) 0,02 Não normal Biogás (LL-1d
-1) 0,01 Não normal
C O (g DQOL-1
d-1) < 0,01 Não normal pH 0,12 Normal
C O (g SVL-1
d-1) < 0,01 Não normal AV/AT < 0,01 Não normal
Observando-se o p-valor das variáveis na Tabela 10, nota-se que o pH foi a única
variável com normalidade univariada pelo teste de Shapiro-Wilk com o nível de 5% de
probabilidade, conforme pode ser visualizado no gráfico QQ-plot da Figura 3A do Anexo 2,
em que os pontos se aproximam da reta. Se fosse considerado o nível de 1% de
probabilidade, as variáveis redução de sólidos voláteis e produção de litros de biogás por dia
apresentariam normalidade, pois seus p-valores foram iguais ou maiores que 0,01.
5.2.2 BOXPLOT POR TRH E VARIÁVEL
A ordem de execução dos tratamentos da pesquisa apresentada neste estudo foi
decrescente, conforme a duração do TRH: 13,0; 11,5; 10,0 e 7,0 dias, que contraria a ordem
crescente do eixo x dos gráficos Boxplot mostrados no anexo 1.
A elevada dispersão verificada no terceiro quartil do TRH de 11,5 dias, confirmada
pelo maior CV dentre os tratamentos verificado na Tabela 9, explica-se pela época do ano
em que este tratamento foi conduzido, de 31/07 a 04/09/2010, transição do inverno para a
primavera, em que a temperatura apresenta tendência de elevação. O TRH de 13,0 dias foi
desenvolvido entre 17/06 a 13/07/2010, período do ano em que se registram as menores
temperaturas médias na região e o TRH de 10,0 dias, testado sob temperaturas mais
elevadas, no período entre 04/11 a 15/12/2010. A amplitude térmica a que o reator foi
submetido, de acordo com o objetivo do estudo em operá-lo a temperatura ambiente,
valorizou a pesquisa, para que dele fossem obtidos resultados reais. Segundo Van Haandel
e Lettinga (1994), a temperatura influencia tanto a cinética como a estequiometria da
digestão anaeróbia. Não obstante variações de temperaturas e semelhanças de cargas
orgânicas, uma diferença que a mudança de TRH promove, devido à característica tubular
do reator, é a velocidade com que a manipueira desloca-se pelo seu interior, que variou,
entre o TRH de 13,0 para 7,0 dias, de 0,78 para 1,39 metro por dia, um aumento de 78%.
51
A produção volumétrica de biogás mostrada em gráfico Boxplot na Figura 3B do
anexo 1 acompanhou o comportamento da variável temperatura, reafirmando a forte relação
positiva da produção de biogás com a temperatura, em que as médias de ambas as
variáveis, conforme constante na Tabela 9, apresentaram aumentos (MATA-ALVAREZ,
MACÉ; LLABRÉS, 2000; BOUALLAGUI et al., 2004).
A dependência também pode ser constatada na Tabela 12, em que são
apresentados os dados de correlação entre as variáveis avaliadas neste estudo. Verifica-se
que, dentre todas as variáveis comparadas, a correlação entre as variáveis temperatura e
produção volumétrica de biogás foi a mais forte, com 0,67.
Na Figura 5B é mostrada a variável resposta relação AV/AT, cuja magnitude é
inversa à capacidade do reator em digerir cargas orgânicas, sendo, conforme Silva (1977),
estável a relação entre 0,1 a 0,5. Portanto, conforme este indicador, os TRH de 7,0 e 11,5
dias seriam considerados como reações instáveis; no entanto, o reator manteve a
estabilidade até o final da coleta de dados. A indicação de estabilidade pode ser constatada
em outras variáveis como produções de biogás visíveis nas Figuras 3B, 4A, 4B e pH
mostrada na Figura 5A, e suas médias, na Tabela 9. A robustez pode ser atribuída ao meio
suporte disponibilizado no reator, cuja biomassa bacteriana aderida foi capaz de digerir os
orgânicos da manipueira a ele submetido. O aumento dos ácidos voláteis (AV) em relação à
alcalinidade total (AT), no reator, acompanhou as reduções dos TRHs, à exceção do TRH
de 10 dias que operou com a AV/AT dentro da normalidade, possivelmente beneficiado pela
maior temperatura deste tratamento, conforme se constata na média apresentada na Tabela
9. Entre os TRHs de 10,0 e 7,0 dias, registrou-se o aumento na média da relação AV/AT de
0,26 para 0,82, conforme se observa na Tabela 9. Essa variação coincidiu com a redução
havida no TRH, a maior dentre todos os tratamentos, cuja vazão diária média aumentou de
3387 para 4561 L, acréscimo de 35% contra 16% do TRH de 11,5 para 10,0 dias e 15% do
TRH de 13,2 para 11,5 dias. Tais percentuais indicam equivalentes acréscimos nas
velocidades de passagens da manipueira pelo reator e decréscimos nos TRHs. Sánchez et
al. (2005) e Zinatizadeh et al. (2010) afirmam que os ácidos em um reator anaeróbio
aumentam junto com a elevação da carga orgânica por volume de reator. Porém, conforme
mostrado nas Figuras 1A e 1B do anexo 1 e Tabela 9, as cargas cresceram
moderadamente, e uma justificativa para a variação da relação AV/AT deve-se ao aumento
do fluxo da manipueira pelo reator. O TRH com pior simetria na distribuição dos dados foi o
de 7,0 dias, sendo constatados cinco pontos discrepantes. Conforme Sánchez et al. (2005),
o aumento dos ácidos voláteis na fermentação provoca desequilíbrio na composição do
biogás ao elevar o teor de gás carbônico.
52
5.2.3 TESTE DE NORMALIDADE MULTIVARIADA
Na Tabela 11 são apresentados os testes de normalidade multivariada e de
homogeneidade da matriz de covariância do conjunto de dados dos quatro TRHs.
Tabela 11 - P-valores dos testes de normalidade multivariada e de homogeneidade da matriz de covariância do conjunto das variáveis respostas nos TRHs de 13,0; 11,5; 10,0 e 7,0 dias
Teste Método p-valor
Normalidade multivariada Shapiro-Wilk < 0,01 Shapiro-Francia < 0,01
Homogeneidade da matriz de covariância M Box < 0,01
Os testes de normalidade multivariada pelo método de Shapiro-Wilk e Shapiro
Francia resultaram em p-valor < 0,01 e, portanto, rejeita-se a hipótese nula de distribuição
normal multivariada para as variáveis respostas obtidas em todos os TRHs. Esse resultado
também é evidenciado no gráfico QQ-plot para distribuição multivariada, mostrado na Figura
10, na qual os pontos aparecem distanciados em relação à reta. Portanto, as variáveis
respostas do conjunto de dados dos TRHs de 13,0; 11,5; 10,0 e 7,0 dias não apresentaram
distribuição normal, sendo esta uma suposição feita para as análises de inferência
(MANOVA, teste de comparação de médias). Dessa forma, a análise de variância
multivariada será feita segundo o método chamado de traço de Pillai, que, devido à sua
robustez, é adequado para dados com ausência de normalidade (MUIRHEAD, 2005).
Figura 10 - QQ-plot da distância de Mahalanobis para distribuição multivariada do conjunto das variáveis dos TRHs de 13,0; 11,5; 10,0 e 7,0 dias.
5 10 15 20 25
01
02
03
04
0
Percentil da distribuição Qui-Quadrado
Dis
tân
cia
de
Ma
ha
lan
ob
is
53
Da mesma forma, o teste M Box para a identificação de homogeneidade da matriz
de covariância apresentou p-valor < 0,05, rejeitando-se a igualdade da matriz de covariância
entre todos os TRHs, que é decorrente da variabilidade das observações.
5.2.4 CORRELAÇÕES LINEARES ENTRE AS VARIÁVEIS
Na Tabela 12 são mostrados os coeficientes de correlação linear do conjunto das
variáveis dos TRHs de 13,0; 11,5; 10,0 e 7,0 dias.
Tabela 12 - Correlações lineares do conjunto de variáveis dos quatro TRHs
TRH T RDQO RSV CDQO CSV BDQOc BSVc BLLd pH AV/AT
TRH 1,00
T -0,33 1,00
RDQO 0,52 0,23 1,00
RSV 0,43 -0,23 0,31 1,00
CDQO -0,21 0,09 0,01 -0,10 1,00
CSV -0,12 -0,15 -0,10 0,30 0,58 1,00
BDQOc -0,29 0,22 -0,41 -0,21 -0,56 -0,45 1,00
BSVc -0,16 0,41 0,08 -0,57 -0,27 -0,58 0,54 1,00
BLLd -0,53 0,67 -0,18 -0,30 0,32 0,04 0,32 0,36 1,00
pH 0,06 0,27 0,35 0,05 -0,14 -0,08 0,08 0,19 0,04 1,00
AV/AT -0,54 -0,13 -0,64 -0,22 0,17 0,13 0,17 -0,06 0,26 -0,27 1,00
O conjunto de dados mostrado na Tabela 12 apresentou correlação moderada
positiva entre a variável independente TRH e a variável dependente e redução de carga
orgânica em DQO, demostrando que a redução do TRH diminui a eficiência do tratamento
anaeróbio. Outras duas correlações moderadas do TRH, porém negativas, ocorreram com a
produção de biogás por volume de reator e relação AV/AT, que aumentaram com a redução
do TRH. As pesquisas confirmam que a redução do TRH faz aumentar a produção de
biogás por volume de reator, que pode ser explicado pelo aumento do metabolismo
microbiano promotor da digestão anaeróbia diante da maior oferta de substrato (KUCZMAN
et al., 2011). O teor de ácidos voláteis no reator piloto foi outra variável que aumentou com
a redução do TRH, possivelmente devido ao aumento do fluxo de manipueira no reator,
diminuindo a atividade metanogênica (SÁNCHEZ et al., 2005; ZINATIZADEH et al., 2010).
A variável temperatura correlacionou-se positivamente com a produção de biogás
por volume de reator, demonstrando que a produção especifica de biogás por volume de
reator é diretamente proporcional à temperatura (MANDAL; MANDAL, 1987; BOUALLAGUI
et al., 2004).
Já a redução de DQO apresentou correlação negativa com a relação AV/AT, isto é,
altas reduções de DQO ocorreram em condições de baixa acidez, associando-se redução
de carga orgânica em DQO com aumento de alcalinidade no reator (ZINATIZADEH et al.,
2010).
54
A redução de SV e a produção de biogás por sólidos voláteis consumidos (BSVc)
apresentaram correlação negativa, ou seja, a relação de dependência foi inversa devido à
natureza do cálculo da produção de biogás, que diminuiu com o aumento da redução.
A variável carga orgânica em DQO resultou em correlação positiva com a carga
orgânica em SV, indicando a natureza semelhante das duas cargas.
As cargas orgânicas em DQO e SV apresentaram correlação negativa em relação
às produções de biogás por carga consumida, principalmente quando referidas às
respectivas cargas. Conclui-se que o aumento de carga fez diminuir a produção de biogás
pelas respectivas cargas orgânicas consumidas. No entanto, a mesma correlação não
ocorreu com a produção volumétrica de biogás (BLLd) que resultou em fraca correlação
positiva. Podemos concluir que para se aumentar a produção de biogás por volume de
reator deve-se operá-lo com cargas maiores (KUCZMAN et al., 2011)
Finalmente, a variável produção de biogás por DQO consumida obteve correlação
positiva com a produção de biogás por SV consumidos, confirmando a natureza semelhante
das variáveis.
As variáveis carga orgânica e redução de carga orgânica, tanto em DQO quanto em
SV, não apresentaram significativa correlação e, portanto, as reduções independeram das
cargas aplicadas.
Considerando-se que as correlações das variáveis do conjunto de dados dos quatro
TRHs, mostradas na Tabela 12, apresentaram intensidade moderada para alguns pares de
variáveis, cujas dispersões podem ser visualizadas nos gráficos da matriz de dispersão
constante do Anexo 3, foi possível realizar a análise de variância multivariada (MANOVA) no
conjunto de dados.
5.2.5 QUALIDADE ESTATÍSTICA DAS VARIÁVEIS RESPOSTAS
Um processo de produção planejado é extremamente útil na descoberta das
variáveis-chave que influenciam as características da qualidade de interesse. O
planejamento é uma abordagem de variação sistemática de fatores de entrada controláveis
no processo e de determinação do efeito que esses fatores têm nos parâmetros do produto
de saída (MONTGOMERY, 2009). Na Figura 11 é mostrado o processo de produção como
um sistema dotado de um conjunto de entradas e uma saída, com as entradas controláveis
e não-controláveis.
55
Figura 11 - Entradas e saídas do processo de tratamento de manipueira no reator anaeróbio.
Fonte: adaptado de Montgomery (2009).
Na Figura 1 do Anexo 5 são apresentados os gráficos de controle univariado da
qualidade das variáveis respostas nos TRHs de 13,0; 11,5; 10,0 e 7,0 dias, cujo número de
observações situadas fora dos limites de controle são mostrados na Tabela 13.
Tabela 13 - Observações fora dos limites de controle estatístico da qualidade do conjunto de variáveis do TRH de 13,0; 11,5; 10,0 e 7,0 dias Variável Limites Observações fora dos limites de controle
TRH (dias)
13,0 11,5 10,0 7,0
Carga orgânica (gDQOL-1
d-1)
LSC
LIC
Carga Orgânica (gSVL-1
d-1)
LSC
LIC
Redução DQO (%)
LSC
LIC
Redução SV (%)
LSC
LIC
Biogás (LL-1d
-1)
LSC
LIC
Biogás (Lg-1DQOc)
LSC
LIC
Biogás (Lg-1SVc)
LSC
LIC
pH LSC
LIC
AV/AT LSC
LIC
1) LSC – Limite superior de controle 2) LIC – Limite inferior de controle 3) Cada seta representa uma observação fora do limite superior () e inferior ().
Na Tabela 13 é mostrada a variável pH que apresentou a maior quantidade de
observações fora dos limites de controle, seguida da produção de biogás por litro de reator.
A variável redução de sólidos voláteis manteve-se nos limite de controle em todos os
Reator Manipueira
Medida, avaliação,
monitoramento
e controle
Qualidade das
variáveis:
Redução de carga
Produção biogás
pH
Relação AV/AT
Entradas controláveis:
Vazão afluente, agitação,
meio suporte
Entradas não controláveis:
Carga orgânica, temperatura
Produtos de saída:
Biogás, despoluição
56
tratamentos. Das 30 observações fora do limite de controle, mais de 22 foram além do limite
superior de controle. Como a pesquisa foi desenvolvida em condições de temperatura
ambiente, esta variável não foi mostrada na Tabela 13.
5.2.6 GRÁFICOS DE CONTROLE DE QUALIDADE
5.2.6.1 TRH DE 13,0 DIAS
Na Figura 1B é apresentado o gráfico de controle de qualidade estatística da
variável carga orgânica em sólidos voláteis, cujas observações ficaram dentro do limite de
controle. Porém, com o passar do tempo houve um deslocamento para baixo do nível de
concentração de SV na matéria prima. A influência direta da variável temperatura, mostrada
no gráfico da Figura 1E, pode ser avaliada nas variáveis produção volumétrica de biogás,
produção de biogás por DQO e SV consumidos, apresentadas nos gráficos das Figuras 1F,
2A e 2B do anexo 5, respectivamente. Após um período estabilizada, a temperatura no 14°
dia elevou-se em quase 1°C, cuja consequência foi observada dois ou no máximo três dias
depois, com picos na produções de biogás que ultrapassaram o limite superior de controle.
Esse comportamento não indica um processo fora de controle, mas consequência da
variação do fator temperatura que, dada a localização do piloto em ambiente aberto, não
podia ser estabilizado.
Na Figura 2C é mostrada a variável pH, na qual aparecem duas linhas que
delimitam o intervalo de 6,8 e 7,2, que, segundo Ward (2008) é ideal para a digestão
anaeróbia. Portanto, a faixa adequada de pH ficou bem localizada ao centro dos limites de
controle estatístico de qualidade. Já as observações da relação AV/AT, mostradas na Figura
2D, cujos valores recomendáveis, conforme Silva (1977), são entre 0,1 e 0,5, apresentaram
metade das observações abaixo do limite mínimo. Essa situação demonstra que a
quantidade de ácidos voláteis no reator esteve aquém do limite esperado para uma
fermentação adequada.
5.2.6.2 TRH DE 11,5 DIAS
A variável carga orgânica em sólidos voláteis, mostrada no gráfico da Figura 3B,
resultou em um ponto acima do limite superior de controle de qualidade. Essa variável
depende da qualidade da matéria-prima gerada pela fecularia, cuja variabilidade é
significativa.
Já neste TRH, os efeitos do aumento da variável temperatura, mostrada na Figura
3E, não foram tão evidentes nas produções de biogás quanto os constatados no TRH de
13,0 dias, apresentadas nas Figuras 3F 4A e 4B do Anexo 5. Houve leve proporção na
57
produção volumétrica e por SV consumidos e insignificante na produção de biogás por DQO
consumida, variáveis mostradas nas Figuras 3F, 4B e 4A, respectivamente.
Na Figura 4 é mostrado o gráfico de controle da variável pH, que apresentou
queda ao longo do tempo, iniciada com pontos além do limite superior até pontos abaixo do
limite inferior de controle, indicando que o processo não foi estacionário e transcorreu fora
de controle. Apesar da tendência de queda no valor do pH, a relação acidez volátil versus
alcalinidade total, mostrada na Figura 4D, indica estabilidade no processo. Assim, a
capacidade tampão manteve o reator estável durante o período, o que pode ser creditado à
presença do meio suporte, o qual disponibilizava a biomassa necessária à degradação do
substrato. A trajetória de queda do pH, de uma extremidade a outra, cruzou a faixa ideal de
6,8 a 7,2, enquanto que a relação AV/AT apresentou a maioria dos pontos situados acima
do limite de 0,5.
5.2.6.3 TRH DE 10,0 DIAS
Na Figura 5C do Anexo 5, a variável redução de DQO manteve-se na região de
controle, mas observa-se que a redução foi moderadamente não-estacionária, com
tendência de crescimento no decorrer do tempo, supostamente beneficiada pelo
proporcional aumento verificado na temperatura deste TRH, conforme se verifica no gráfico
da Figura 5E.
Já a redução de SV, apresentada da Figura 5D, resultou em distribuição
estacionária ao longo do tempo, porém, com maior variabilidade nos pontos situados abaixo
da linha da média.
Este TRH ocorreu com a temperatura média mais elevada e sem tendências no
período amostrado, embora tenha ocorrido variabilidade significativa, conforme pode ser
verificado na Figura 5C do anexo 5. A ausência de tendência na temperatura refletiu
comportamentos estacionários em todas as medidas de produção de biogás, conforme é
mostrado nas Figuras 5F, 6A e 6B. As variável pH e relação AV/AT mostradas na Figura 6C
e 6D do Anexo 5, respectivamente, comportaram-se inversamente, com um ponto cada
além do limite superior de controle.
O pH apresentou a maioria das observações acima do limite considerado ideal para
esta variável na digestão anaeróbia, 7,2, enquanto que para a relação AV/AT a maioria das
observações situaram-se no intervalo adequado.
5.2.6.4 TRH DE 7,0 DIAS
A variável temperatura do TRH de 7,0 dias, mostrada no gráfico de controle da
Figura 7E, sendo variável não-controlável, variou conforme as condições ambientais
58
naturais e apresentou-se moderadamente correlacionada à variável produção volumétrica
de biogás mostrada na Figura 7F, em que alguns pontos fora de controle em uma variável
refletiu na outra. A variável pH mostrada na Figuras 8C, com dois pontos fora de controle,
apresentou tendência de manutenção do valor ótimo de pH, incluindo-se a média que se
situou entre o intervalo de 6,8 e 7,2. Já os valores da relação AV/AT, apresentados na
Figura 8D, mostraram tendência de queda, porém com a maioria dos pontos situados acima
de 0,5,limite considerado seguro para a estabilidade do reator, conforme Silva (1977) e
Sánchez et al. (2005). As duas tendências se completaram demonstrando que o reator
podia suportar aumentos de carga orgânica.
Segundo Montgomery (2009), em um processo, independente de quão bem
planejado ou cuidadosamente mantido ele seja, certa quantidade de variabilidade inerente
ou natural sempre existirá. No sistema de controle estatístico da qualidade essa
variabilidade é, em geral, chamada de “sistema estável de causas aleatórias”.
As variáveis dos conjuntos de dados dos TRHs de 13,0; 11,5; 10,0 e 7,0 dias
apresentaram comportamentos coerentes com uma pesquisa desenvolvida sem controle de
temperatura e qualidade da matéria prima, cujas variações trazem consequências a outras
variáveis que delas dependem. Se havia variabilidade na qualidade da matéria prima, não
menos importantes foram as variações na vazão da manipueira gerada na fecularia, que de
forma contínua e por gravidade alimentava o reator, com as interferentes caixa de areia,
filtro, registro e hidrômetro que influíram na estabilidade diária de alimentação. Outras
causas atribuíveis são erros de amostragem e de análises químicas
5.2.7 ANÁLISE MULTIVARIADA DO CONJUNTO DE DADOS DOS QUATRO TRHs
Considerando-se que as variáveis respostas dos tratamentos desta pesquisa
resultaram em correlação moderada, elas foram submetidas à análise multivariada
(MANOVA). Segundo Rencher (2002), a MANOVA avalia o efeito do tratamento nas
variáveis respostas, considerando-as em conjunto, levando em conta suas respectivas
correlações.
Conforme apresentado na Tabela 13, as variáveis respostas do conjunto de dados
dos quatro TRHs não apresentaram distribuição normal para a realização da MANOVA e
nem homogeneidade das matrizes de variâncias e covariâncias entre os tratamentos.
Porém, Muirhead (2005) considera que a análise pelo critério de Pillai ainda é confiável e
que, portanto, o método multivariado de análise de variância pode ser utilizado.
Na Tabela 14 é apresentado o p-valor de análise de variância multivariada
(MANOVA) do conjunto das variáveis respostas nos TRHs avaliados neste estudo,
considerando-se os critérios de Wilks e Pillai.
59
Tabela 14 - Análise de variância multivariada do conjunto das variáveis respostas T, RDQO, RSV, CDQO, CSV, BDQOc, BSVc, BLLd, pH e AV/AT nos quatro TRHs pelos critérios de Wilks e Pillai
Critério p-valor
Wilks < 0,01 Pillai < 0,01
Em ambos os critérios, os p-valores foram < 0,01 e, portanto, tem-se que com 1%
de significância pelo menos um TRH está influenciando em todas as variáveis respostas.
5.2.7.1 TESTE DE IGUALDADE DE MATRIZES DE COVARIÂNCIA
Na Tabela 15 são apresentados os valores de qui-quadrado do teste de
comparação das matrizes de covariância, duas a duas, do conjunto das variáveis respostas
dos quatro TRHs pelo do teste de Bartlett.
Tabela 15 - Comparação das matrizes de covariância das variáveis respostas dos quatro TRHs pelo método de Bartlett
TRHs comparados (dias) χ2 p-valor TRHs comparados (dias) χ2 p-valor
13,0 – 11,5 614,93 <0,01 11,5 – 10,0 695,65 <0,01
13,0 – 10,0 515,45 <0,01 11,5 – 7,0 402,85 <0,01
13,0 – 7,0 598,69 <0,01 10,0 – 7,0 621,51 <0,01
Os valores de p-valor calculados em todas as comparações foram menores que
0,01 e, portanto, com o nível de 1% de probabilidade rejeita-se a hipótese nula de igualdade
das matrizes de covariância entre os tratamentos, evidenciando que as covariâncias,
comparadas duas a duas, não são iguais.
5.2.7.2 COMPARAÇÃO DE MÉDIAS ENTRE OS TRHs
Considerando-se que as covariâncias entre os TRHs foram diferentes, na Tabela 16
é apresentada a comparação de médias do conjunto de dados dos TRHs de 13,0; 11,5; 10,0
e 7,0 dias, dois a dois, pelo teste de Hotteling.
Tabela 16 - Comparação de médias entre os TRHs de 13,0; 11,5; 10,0 e 7,0 dias pelo método de Hotteling
Comparação de médias entre os TRHs (dias)
T2 p-valor Comparação de médias
entre os TRHs (dias) T
2 p-valor
13,0 – 11,5 290,12 <0,01 11,5 – 10,0 429,18 <0,01
13,0 – 10,0 2017,00 <0,01 11,5 – 7,0 69,23 <0,01
13,0 – 7,0 328,44 <0,01 10,0 – 7,0 61,75 <0,01
Os p-valores para a comparação conjunta de médias de todas as variáveis
respostas sob estudo entre os TRHs de 13,0; 11,5; 10,0 e 7,0 dias foram inferiores a 0,01 e,
60
portanto, rejeita-se a hipótese nula de igualdade dos vetores de médias entre os tratamentos
com o nível de 1% de probabilidade.
Dessa forma, considerando-se que todas as variáveis foram analisadas em
conjunto, os vetores de médias das variáveis respostas dos TRHs ou tratamentos foram
significativamente diferentes.
5.3 TRH DE 7,0 DIAS – COMPARAÇÃO DO EFEITO DA AGITAÇÃO
Nesta parte do estudo serão mostrados os resultados do efeito da agitação a que
foi submetido o TRH de 7,0 dias, em que, apesar da verificação ficar restrita a apenas um
tratamento (fator) em dois níveis: sem agitação, em 27 observações, e com agitação, em 28
observações, foi possível constatar algumas diferenças nas variáveis respostas obtidas. Na
Tabela 17 são apresentadas as estatísticas descritivas do conjunto de variáveis respostas
obtidas no TRH de 7,0 dias submetido a duas condições experimentais: sem agitação e com
agitação da manipueira em fermentação. O objetivo deste delineamento foi avaliar e
comparar o efeito da agitação sobre as variáveis respostas apresentadas no Anexo 9.
Tabela 17 - Estatísticas das variáveis respostas temperatura, redução de DQO e SV, carga
orgânica em DQO e SV, produção de biogás por DQOc, SVc e volumétrica, pH e relação AV/AT do conjunto de dados do TRH de 7,0 dias
Variável Mín. 1º Q Mediana Média 3º Q Máx. DP Var. CV (%)
Temperatura (°C) 18,30 21,45 22,40 22,31 23,55 25,30 1,84 3,38 7,59 Redução DQO (%) 48,94 65,18 68,80 68,85 74,52 83,65 7,89 62,19 9,80 Redução SV (%) 30,04 48,68 56,98 57,50 67,66 85,17 11,78 138,84 17,03 C O (g DQOL
-1 d
-1) 0,157 0,598 0,888 0,837 1,031 1,932 0,33 0,11 48,56
C O (g SVL-1 d
-1) 0,148 0,629 0,752 0,789 0,949 1,762 0,30 0,09 46,12
Biogás (Lg-1DQOc) 0,258 0,501 0,680 0,758 0,930 2,124 0,36 0,13 46,38
Biogás (Lg-1SVc) 0,265 0,659 0,946 0,960 1,164 1,909 0,38 0,15 34,77
Biogás (LL-1 d
-1) 0,124 0,323 0,391 0,373 0,440 0,525 0,09 0,01 26,33
pH 5,54 6,26 6,67 6,67 7,04 8,15 0,54 0,29 7,63 AV/AT 0,24 0,53 0,66 0,70 0,79 1,56 0,25 0,06 53,51
Os elevados coeficientes de variação das cargas orgânicas em DQO e sólidos
voláteis mostradas na Tabela 17 refletem a alta dispersão nas medidas de DQO, SV e de
volume de manipueira afluente ao reator. As consequências dessas variações, acrescidas
ou não de variações na produção diária de biogás e valores de DQOs e SV de saída, são
causadoras de variações nas medidas de produção de biogás por DQOc, SVc e produção
volumétrica de biogás (LL-1d-1). Já a variação da relação AV/AT indica a susceptibilidade do
equilíbrio da fermentação em um reator anaeróbio, que é a quantificação dos ácidos voláteis
em relação às bases presentes na reação. A relação determina a capacidade do reator em
suportar aumentos de carga orgânica, pois o aumento da acidez é consequência da
multiplicação de microrganismos acidificantes diante da maior oferta de substrato
(KUCZMAN et al., 2011). Portanto, o coeficiente de variação da relação AV/AT foi elevado
em razão de variação de carga orgânica obtida pela vazão diária e concentração de carga
61
orgânica em DQO e SV na manipueira afluente. Chaiprasert et al. (2003) avaliaram a
utilização de meio suporte de náilon em reator anaeróbio no tratamento de efluente do
processamento de mandioca, obtendo valores mínimos e máximos de 0,39 a 1,74 para a
relação AV/AT, valores um pouco superiores aos obtidos neste estudo.
Na Tabela 18 apresentam-se as variáveis respostas individuais do tempo de
retenção hidráulica de 7,0 dias operado sem agitação e com agitação.
Tabela 18 - Média, desvio padrão e coeficiente de variação do conjunto das variáveis
respostas do TRH de 7,0 dias
Variável TRH 7,0 (dias)
Variável
TRH 7,0 (dias)
s/ag c/ag s/ag c/ag
Temperatura (°C) Média 23,50 21,20 Biogás (Lg-1DQOc) Média 0,907 0,626
DP 1,08 1,71 DP 0,45 0,18 CV 4,60 8,08 CV 49.14 29.39
Redução DQO (%) Média 67,46 70,19 Biogás (Lg
-1SVc) Média 0,952 0,981
DP 9,47 5,84 DP 0,43 0,35 CV 14.04 8.33 CV 44.67 35.69
Redução SV (%) Média 60,95 52,80 Biogás (LL
-1 d
-1) Média 0,374 0,377
DP 11,19 11,05 DP 0,08 0,09 CV 18,37 20.92 CV 22.30 24.97
C O (g DQOL
-1 d
-1) Média 0,770 0,902 pH Média 6,85 6,51
DP 0,39 0,25 DP 0,53 0,51 CV 50.06 27.95 CV 7.69 7.88
C O (g SVL
-1 d
-1) Média 0,761 0,816 AV/AT Média 0,82 0,59
DP 0,31 0,28 DP 0,28 0,16 CV 41.27 34.61 CV 33.93 26.92
s/ag – sem agitação, c/ag – com agitação, C O – carga orgânica
Conforme a Tabela 18, as variáveis carga orgânica em DQO e SV apresentaram
elevados coeficientes de variação resultantes de amostras com elevadas concentrações de
DQO e SV associadas a aumentos nos volumes de alimentação. A produção de biogás por
DQO e por sólidos voláteis consumidos e relação AV/AT também apresentaram coeficientes
de variação elevados.
5.3.1 TESTE DE NORMALIDADE UNIVARIADA
Na Tabela 19 são apresentados os p-valores do teste de distribuição de
normalidade univariada para cada variável do conjunto das variáveis respostas do TRH de
7,0 dias pelo método de Shapiro-Wilk.
62
Tabela 19 - Distribuição de normalidade univariada do conjunto de variáveis respostas do TRH de 7,0 dias pelo método de Shapiro-Wilk com o nível de 5% de probabilidade
Variável p-valor Distribuição Variável p-valor Distribuição
Temperatura (°C) 0,01 Não normal Biogás (Lg-1DQOc) < 0,01 Não normal
Redução DQO (%) 0,56 Normal Biogás (Lg-1SVc) 0,17 Normal
Redução SV (%) 0,92 Normal Biogás (LL-1 d
-1) 0.18 Normal
C O (g DQOL-1
d-1) 0.20 Normal pH 0,80 Normal
C O (g SVL-1
d-1) 0,15 Normal AV/AT < 0,01 Não normal
Na Tabela 19 observa-se que as variáveis redução de DQO e de sólidos voláteis,
carga orgânica em DQO e sólidos voláteis, produção de biogás por sólidos voláteis
consumidos, volumétrica e pH apresentaram p-valor maior que 0,05 e, portanto, os dados
possuem normalidade univariada pelo teste de Shapiro-Wilk com o nível de 5% de
probabilidade. A normalidade na distribuição dos dados para estas variáveis pode ser
verificada na aproximação dos pontos às retas dos respectivos gráficos QQ-plot mostrados
nas Figuras 1C, 1D, 1A, 1B, 2C, 2D e 3A do Anexo 7.
5.3.2 BOXPLOT COMPARATIVO DO EFEITO DA AGITAÇÃO
Os gráficos Boxplot comparativos do efeito da agitação são apresentados no Anexo
6. A variável temperatura mostrada no gráfico Boxplot da Figura 8A, que representa a
temperatura interna do reator, dependeu da temperatura do ambiente. No período em que
os dados foram coletados no nível sem agitação, entre 09/05 a 07/06/2011, a temperatura
foi mais elevada, com maior concentração na distribuição dos dados e melhor simetria
comparada ao período com agitação, cujos valores foram coletados entre 17/06 a
20/07/2011. Observando-se a Tabela 18, a média da temperatura no período sem agitação
foi 23,50 contra 21,20 °C no nível com agitação, uma diferença a menor de 2,3 °C no
período com agitação. Segundo Metcalf e Eddy (1991) e Van Haanndel e Lettinga (1994),
essa diferença resulta em aproximadamente 23,4% de queda na taxa de digestão
anaeróbia.
Não obstante a redução da temperatura verificada, no gráfico da Figura 8B,
observamos que a produção específica de biogás apresentou leve crescimento do nível sem
agitação para o nível com agitação, comprovada pelas médias constantes na Tabela 18. A
dispersão e assimetria observada no nível operacional com agitação da produção
volumétrica de biogás foram semelhantes com o nível da variável temperatura. Segundo
Bouallagui et al. (2004), em sistemas anaeróbios de degradação de materiais orgânicos, a
variável temperatura é diretamente proporcional à produção de biogás (BOHN,
BJÖRNSSON; MATTIASSON, 2007; WARD et al., 2008 e KHALID et al., 2011). Portanto, o
efeito da agitação compensou a queda na temperatura, mantendo-se a produção de biogás
63
(SUVAJITTANONT; CHAIPRASERT, 2003; FEIDEN et al., 2004; PINHO, 2005; DEUBLEIN;
STEINHAUSER, 2008; SOUZA et al., 2008; ROJAS et al., 2010).
A variável pH mostrada na Figura 10A apresentou três pontos discrepantes nos
dois níveis operacionais e pequena redução dos valores no período com agitação,
comparado ao período sem agitação e melhor simetria na distribuição dos dados. Mesmo
com a queda do pH verificada no período com agitação, o reator melhorou a estabilidade ao
reduzir a relação ácidos versus alcalinidade, conforme pode se confirmar na Figura 10B.
Nela, verifica-se que os valores da relação diminuíram ficando mais próximos do intervalo de
0,1 a 0,5 recomendado por Silva (1977). Assim, além de aumentar a capacidade tampão do
sistema, a agitação do reator melhorou a simetria na distribuição dos dados, sendo
registrado um ponto discrepante para cada nível operacional na variável relação AV/AT.
5.3.3 TESTE DE NORMALIDADE MULTIVARIADA
Na Tabela 20 são apresentados os testes de normalidade multivariada e de
homogeneidade da matriz de covariância do conjunto das variáveis respostas do TRH de
7,0 dias.
Tabela 20 - P-valores dos testes de normalidade multivariada e de homogeneidade da matriz de covariância do conjunto das variáveis respostas do TRH de 7,0 dias
Teste Método p-valor
Normalidade multivariada Shapiro-Wilk < 0,01 Shapiro-Francia < 0,01
Homogeneidade da matriz de covariância M Box < 0,01
Os testes de normalidade multivariada pelo método de Shapiro-Wilk e Shapiro
Francia resultaram em p-valor < 0,01 e, portanto, rejeita-se a hipótese nula de distribuição
normal multivariada das variáveis respostas obtidas nos níveis de operação sem agitação e
com agitação do TRH de 7,0 dias. Esse resultado também é evidenciado no gráfico QQ-plot
para distribuição multivariada, apresentado na Figura 12, onde se visualiza um
distanciamento dos pontos em relação à reta. Portanto, não houve distribuição normal das
variáveis respostas do conjunto de dados do TRH de 7,0 dias, que é uma suposição feita
para a realização das análises de inferências através da MANOVA e teste de comparação
de médias. Da mesma forma o teste M Box, para a identificação da homogeneidade da
matriz de covariância, apresentou p-valor < 0,05, rejeitando-se a igualdade da matriz de
covariância das variáveis respostas entre os dois níveis operacionais do TRH de 7,0 dias.
Este resultado significa que as observações entre os dois níveis operacionais não foram
homogêneas.
64
Figura 12 - QQ-plot da distância de Mahalanobis para distribuição de normalidade multivariada do TRH de 7,0 dias.
Assim sendo, na análise de variância multivariada, será utilizado o método do traço
de Pillai, que por ser robusto é mais eficiente para casos de distribuição de dados com falta
de normalidade (MUIRHEAD, 2005).
5.3.4 CORRELAÇÕES LINEARES ENTRE AS VARIÁVEIS
Na Tabela 21 são apresentados os coeficientes de correlação linear das variáveis
respostas do TRH de 7,0 dias.
Tabela 21 - Correlações lineares das variáveis respostas do TRH de 7,0 dias
Fator Agitação
Variável
T RDQO RSV CDQO CSV BDQOc BSVc BLLd pH AV/AT
Agitação 1,00
Variável
T -0,63 1,00
RDQO 0,18 -0,08 1,00
RSV -0,41 0,22 0,11 1,00
CDQO 0,20 0,02 0,19 -0,24 1,00
CSV 0,09 0,03 0,06 0,11 0,63 1,00
BDQOc -0,38 0,36 -0,53 0,10 -0,72 -0,49 1,00
BSVc 0,05 0,20 -0,11 -0,51 -0,31 -0,67 0,49 1,00
BLLd 0,04 0,57 -0,15 -0,12 0,42 0,38 0,06 0,16 1,00
pH -0,31 0,17 0,05 0,12 -0,10 -0,00 0,03 -0,07 -0,22 1,00
AV/AT -0,47 0,40 -0,18 0,30 -0,04 0,10 0,21 -0,22 0,13 0,01 1,00
5 10 15 20
51
01
52
02
53
03
5
Percentil da distribuição Qui-Quadrado
Dis
tân
cia
de
Ma
ha
lan
ob
is
65
Considerando-se que a variável temperatura da manipueira em fermentação variou
com a temperatura ambiente, verificou-se uma correlação linear negativa moderada com o
fator agitação.
O fator agitação correlacionou-se negativamente com a relação AV/AT, mostrando
que no período da agitação a capacidade tampão do reator foi aumentada, fato que,
segundo Von Sperling (1996), é condição desejável à estabilidade anaeróbia.
Com relação às variáveis, a temperatura correlacionou-se positivamente com a
produção volumétrica de biogás (BLLd), reafirmando a ligação desta variável como aumento
da temperatura (BOUALLAGUI et al., 2004).
Independente da forma de medida, DQO ou SV, houve fraca correlação entre carga
e sua respectiva redução. Porém, as duas apresentaram significativa correlação negativa
com as produções de biogás por cargas consumidas, mostrando que o aumento na carga
aplicada resultou em redução da produção de biogás por consumo específico. As
correlações ocorreram devido à natureza semelhante das duas formas de carga orgânica,
assim como as suas respectivas produções específicas de biogás.
Considerando-se que as correlações das variáveis entre os dois níveis do fator
agitação do TRH de 7,0 dias apresentaram intensidades moderadas (entre 0,5 e 0,7 para
alguns pares de variáveis, pode-se realizar a análise de variância multivariada (MANOVA).
5.3.5 QUALIDADE ESTATÍSTICA DAS VARIÁVEIS RESPOSTAS
Os gráficos de controle univariado da qualidade estatística das variáveis respostas
do TRH de 7,0 dias também foram úteis para avaliar o perfil comportamental de cada nível
operacional, complementando as explicações das variabilidades apresentadas com os
recursos da estatística descritiva. As observações dos níveis operacionais situadas fora do
limite superior e inferior de controle são apresentadas na Tabela 22.
66
Tabela 22 - Observações fora do limite de controle estatístico univariado da qualidade do conjunto de variáveis do TRH de 7,0 dias
Variável Limites Observações fora dos limites de controle
Níveis operacionais no TRH de 7,0 dias
Sem agitação Com agitação
Carga orgânica (gDQOL-1
d-1)
LSC
LIC
Carga Orgânica (gSVL-1
d-1)
LSC
LIC
Redução DQO (%)
LSC
LIC
Redução SV (%)
LSC
LIC
Biogás (LL-1d
-1)
LSC
LIC
Biogás (Lg-1DQOc)
LSC
LIC
Biogás (Lg-1SVc)
LSC
LIC
pH LSC
LIC
AV/AT LSC
LIC
1) LSC – Limite superior de controle; 2) LIC – Limite inferior de controle; 3) Cada seta representa uma observação fora do limite superior ()e inferior ().
Para o nível sem agitação, as variáveis com uma observação acima do LSC foram
carga orgânica em DQO, pH e Relação AV/AT e com três observações, a variável produção
volumétrica de biogás (LL-1d-1); abaixo do LIC, duas variáveis com uma observação cada:
produção volumétrica de biogás e pH. Para o nível do fator com agitação, três variáveis
resultaram em uma observação acima do LSC: carga orgânica em SV, produção volumétrica
de biogás e relação AV/AT e abaixo do LIC, a variável produção volumétrica de biogás, com
duas observações.
5.3.5.1 GRÁFICOS DE CONTROLE DE QUALIDADE
O perfil das observações do TRH de 7,0 dias é apresentado através dos gráficos de
Shewhart para o controle de qualidade estatística e encontram-se no anexo 7, dispostos
lado a lado para facilitar a identificação do efeito da agitação em cada variável. Neste
conjunto de dados, os gráficos foram construídos para evidenciar o efeito, o quanto e em
quais variáveis a agitação interfere na fermentação anaeróbia, confirmando estudos de
Feiden et al. (2004), Pinho (2005), Al-Dahhan e Vesvikar (2005), Souza et al. (2008),
Deublein e Steinhauser (2008) e Rojas et al. (2010).
A primeira observação da variável carga orgânica em DQO, mostrada na Figura 6A,
ficou fora do limite superior de controle, seguido de um comportamento não-estacionário,
com tendência de aumento da carga. O nível com agitação, mostrado na Figura 6B, operou
dentro dos limites de controle.
A variável reduçao de DQO compartilhou operações dentro do limite de controle
estatístico da qualidade nos dois níveis operacionais; porém, o nível sem agitação,
67
apresentado na Figura 7A, mostrou um comportamento não-aleatório e de forma cíclica. A
agitação resultou em pequena diminuição da variabilidade na redução de DQO, conforme
mostrado na Figura 7B.
No nível operacional com agitação, apresentado na Figura 8B, a variável carga
orgânica em SV apresentou aumento da variabilidade após o 14° dia e a penúltima
observação fora do limite de controle. A carga orgânica, em ambos os níveis, mostrou leve
tendência de crescimento ao longo dos tratamentos e, tanto em DQO quanto em SV, ela
não é influenciada pelo fator agitação.
A redução de SV alternou períodos de maior variabilidade nos dois níveis
operacionais, até a metade das observações em nível sem agitação, conforme apresentado
na Figura 9A e após a metade em nível com agitação, conforme é mostrado na Figura 9B.
Entre a execução do tratamento sem agitação e com agitação decorreram 10 dias de
intervalo.
A variável temperatura, conforme mostrada na Figura 10, apresentou oscilação
acentuada durante a realização do TRH de 7,0 dias, pois foi desenvolvido nos meses de
transição do outono para o inverno. A essa variação, Montgomery (2009) classifica como
não-estacionária e frequentemente decorre de fatores que afetam o processo e não podem
ser controlados, como variáveis ambientais e propriedades da matéria prima.
A variável produção volumétrica de biogás, nos níveis sem agitação na Figura 11A
e com agitação na Figura 11B, apresentou vários pontos fora do limite de controle estatístico
da qualidade devido às variações ocorridas nos respectivos níveis operacionais da variável
temperatura, mostrada na Figura 10. A forte correlação positiva da temperatura na produção
de biogás pode também ser observada na Figura 7E e 7F do Anexo 5 .
As observações ocorreram dentro do limite de controle para ambos os níveis
operacionais da variável produção de biogás medida em DQO consumida, conforme as
Figuras12A e 12B.
As observações para a produção de biogás por SV consumidos ficaram dentro do
limite de controle. Porém, no nível com agitação, mostrado na Figura 13B, surgiu uma
tendência de queda na produção a partir do 7° dia, como resposta davariação da
temperatura visualizada na Figura 10B. De duas medidas referenciais de produção de
biogás, por DQO e SV consumidos, esta última foi a única que evidenciou tal influência.
Linke (2006) observa que o aumento de carga orgânica reduz a produção de biogás, porém,
mesmo com a redução da temperatura no período com agitação houve um pequeno
aumento na carga orgânica e produção de biogás por SVc, que pode ser constatado nas
médias de carga orgânica e produção de biogás por SVc das Figuras 6A e B e 13 A e B,
respectivamente.
O nível sem agitação da variável pH mostrou duas observações fora do limite de
controle na Figura 14A, tendo essa variabilidade diminuida com o efeito da agitação no
68
reator, mostrado na Figura 14B. As duas linhas, cujos valores são de 6,8 e 7,2, delimitam o
intervalo ideal do pH para a digestão anaeróbia (WARD et al. 2008). Verifica-se que, em
nível com agitação, o reator apresentou mais observações abaixo do intervalo ideal de pH
que o nível operacional sem agitação, indicando que o reator operou com o pH abaixo de
6,5 por vários dias.
Com uma observação acima do limite superior de controle para cada nível
operacional, a variável relação AV/AT apresentou tendência de queda quando o reator não
foi agitado, conforme mostrado na Figura 15A, e tendência de aumento da relação ao ser
agitado, conforme a Figura 15B. A relação AV/AT é um dos mais importantes indicadores de
estabilidade num reator anaeróbio, sendo que o seu valor acima de 0,5 torna-se
proporcional ao risco de colapso do sistema.
A tendência de aumento do risco apresentado no período com agitação pode ser
justificado pela carga orgânica média maior, tanto em DQO quanto em SV, a que se
submeteu o período com agitação, conforme pode ser verificado nas Figuras 6 e 8. Uma
variável com forte interferência ao processo anaeróbio é a temperatura, que diminui o
desempenho com sua redução e em nível de operação com agitação e foi, em média, 2,3 °C
menor. Não obstante os benefícios da agitação, observou-se uma tendência de elevação da
concentração de ácidos no reator, visualizada na Figura 15B, cuja redução iniciada após o
23º dia foi, possivelmente, resultante da elevação da temperatura ocorrida 6 dias antes,
como pode ser observado na Figura 10B.
As linhas de valores 0,1 a 0,5 indicam o intervalo recomendado para a segurança
operacional de reatores anaeróbios. Em nível operacional sem agitação, quase todas as
observações estiveram acima de 0,5, sendo que o fator agitação enquadrou melhor o reator
em valores indicados da relação AV/AT, conforme Silva (1977) e Sánchez et al. (2005),
mesmo que ao final apresentasse tendência de elevação.
5.3.6 ANÁLISE MULTIVARIADA DO TRH DE 7,0 DIAS
Considerando-se que as variáveis respostas dos níveis do fator agitação desta
pesquisa resultaram em correlação moderada, as mesmas foram submetidas à análise de
variância multivariada (MANOVA). Como visto na Tabela 20, os dados não apresentaram
distribuição normal para a realização da MANOVA e nem homogeneidade das matrizes de
variâncias e covariâncias entre os níveis do fator. Porém, Muirhead (2005) considera que o
critério de Pillai é robusto o suficiente para conferir confiabilidade ao método multivariado de
análise das variáveis, possibilitando a sua aplicação .
Na Tabela 23são apresentados os resultados da análise de variância multivariada
do conjunto das variáveis respostas nos dois níveis operacionais do TRH de 7,0 dias.
69
Tabela 23 - Análise de variância multivariada do conjunto das variáveis respostas nos níveis sem agitação e com agitação do TRH de 7,0 dias pelos critérios de Wilks e Pillai
Critério p-valor
Wilks < 0,01
Pillai < 0,01
Os p-valores foram menores que 0,01 em ambos os critérios e, portanto, rejeita-se
com o nível de 1% de significância a igualdade das variáveis respostas do reator submetido
aos níveis sem agitação e com agitação no TRH de 7,0 dias.
5.3.7 TESTE DE IGUALDADE DE MATRIZES DE COVARIÂNCIA
Na Tabela 24 são mostrados os valores do teste quiquadrado de comparação das
matrizes de covariância do conjunto das variáveis respostas do TRH de 7,0 dias através do
método de Bartlett.
Tabela 24 - Comparação das matrizes de covariância das variáveis respostas do TRH de 7,0 dias em dois níveis através do método de Bartlett
Comparação dos níveis do fator no TRH 7,0 dias χ2 p-valor
s/agitação – c/agitação 530,84 <0,01
O p-valor calculado, comparando-se o nível sem agitação e com agitação do reator
no TRH de 7,0 dias foi inferior a 0,01; portanto, com o nível de 1% de probabilidade rejeita-
se a hipótese nula de igualdade das matrizes de covariância das variáveis respostas entre
os dois níveis operacionais, evidenciando diferença nas covariâncias entre os dois níveis
operacionais, o que é decorrente da variabilidade das observações do conjunto de dados.
5.3.8 COMPARAÇÃO DE MÉDIAS DO TRH DE 7,0 DIAS
Considerando-se que os dois níveis operacionais resultaram em matriz de
covariâncias diferentes, fez-se a comparação conjunta de todas as médias das variáveis
respostas entre os dois níveis operacionais pelo teste de Hotteling, apresentada na Tabela
25.
Tabela 25 - Teste de comparação de médias entre os níveis sem agitação e com agitação no TRH de 7,0 dias pelo método de Hotteling
Comparação dos níveis do fator no TRH 7,0 dias T2 p-valor
s/agitação – c/agitação 144,23 <0,01
O p-valor na comparação de médias entre os níveis do fator agitação no TRH de
7,0 dias foi inferior a 0,01 e, portanto, rejeita-se a hipótese nula de igualdade dos vetores de
70
médias entre os níveis operacionais sem agitação e com agitação com o nível de 5% de
probabilidade para todas as variáveis respostas. A comparação das médias em conjunto do
nível operacional do reator sem agitação com as médias do nível com agitação no TRH de
7,0 dias mostrou diferenças, o que permite concluir que o efeito do fator agitação no TRH de
7,0 dias promoveu diferença significativa nos valores médios de todas as variáveis.
5.4 ANÁLISE GERAL E COMPARAÇÕES DOS RESULTADOS COM OUTROS AUTORES
A comparação dos TRHs de 13,0; 11,5; 10,0 e 7,0 dias, considerando as médias de
todas as variáveis, mostrou diferenças, assim como a comparação dos níveis do fator sem e
com agitação no TRH de 7,0 dias, conforme apresentado nas Tabelas 16 e 25,
respectivamente.
Na Tabela 26 são apresentadas as médias, desvio padrão e coeficiente de variação
das variáveis respostas dos dois conjuntos de dados avaliados nesta pesquisa.
Tabela 26 - Médias, desvio padrão e coeficiente de variação das variáveis respostas nos quatro TRHs e no TRH de 7,0 dias com agitação
Variável TRH (d) Média DP CV (%) Variável TRH(d) Média DP CV (%)
T (°C)
13,0 s/ag 21,5 0,46 2,16 13,0 s/ag 0,368 0,38 103,85 11,5 s/ag 23,0 1,83 7,92 Biogás 11,5 s/ag 0,795 0,61 76,24 10,0 s/ag 27,7 0,76 2,74 (Lg
-1DQOc) 10,0 s/ag 0,891 0,52 57,85
7,0 s/ag 7,0 c/ag
23,5 21,2
1,08 1,71
4,60 8,08
7,0 s/ag 7,0 c/ag
0,907 0,626
0,45 0,18
49,14 29,39
Redução DQO (%)
13,0 s/ag 88,30 7,60 8,60 13,0 s/ag 0,524 0,79 151,12 11,5 s/ag 79,27 8,76 11,05 Biogás 11,5 s/ag 0,930 0,55 58,66 10,0 s/ag 87,76 6,18 7,05 (Lg
-1SVc) 10,0 s/ag 1,757 1,49 84,55
7,0 s/ag 7,0 c/ag
67,46 70,19
9,47 5,84
14,04 8,33
7,0 s/ag 7,0 c/ag
0,952 0,981
0,43 0,35
44,67 35,69
Redução SV (%)
13,0 s/ag 75,56 13,37 17,71 13,0 s/ag 0,131 0,06 45,59 11,5 s/ag 76,51 10,35 13,53 Biogás 11,5 s/ag 0,330 0,12 36,96 10,0 s/ag 64,79 15,42 23,80 (LL
-1d
-1) 10,0 s/ag 0,430 0,08 19,41
7,0 s/ag 60,95 52,80
11,19 11,05
18,37 20,92
7,0 s/ag 7,0 c/ag
0,374 0,377
0,08 0,09
22,30 24,97 7,0 c/ag
Carga orgânica (gDQOL
-1 d
-1)
13,0 s/ag 0,556 0,14 24,59 13,0 s/ag 6,97 0,24 3,38 11,5 s/ag 0,670 0,28 42,48 11,5 s/ag 7,07 0,38 5,31 10,0 s/ag 0,678 0,29 42,30 pH 10,0 s/ag 7,45 0,47 6,33
7,0 s/ag 7,0 c/ag
0,770 0,902
0,39 0,25
50,06 27,95
7,0 s/ag 7,0 c/ag
6,85 6,51
0,53 0,51
7,69 7,88
Carga orgânica (gSVL
-1 d
-1)
13,0 s/ag 0,659 0,30 46,10 13,0 s/ag 0,11 0,05 45,23 11,5 s/ag 0,608 0,36 58,94 11,5 s/ag 0,63 0,24 38,70 10,0 s/ag 0,570 0,25 46,26 AV/AT 10,0 s/ag 0,26 0,14 52,36 7,0 s/ag 0,761 0,31 41,27 7,0 s/ag 0,82 0,28 33,93
7,0 c/ag 0,816 0,28 34,61 7,0 c/ag 0,59 0,16 26,92
Observando-se a variável temperatura, a maior amplitude entre os tratamentos foi
de 6,5 °C, verificada entre os TRHs de 10,0 e 7,0 dias com agitação. Segundo Van Haandel
e Lettinga (1994), a variação de 1 °C na temperatura da digestão anaeróbia conduzida
abaixo de 30 °C resulta em variação de 11% na atividade microbiana. Portanto, essa
diferença na temperatura, conforme os autores, representa uma vantagem de 54% a favor
da atividade microbiana do TRH de 10,0 em comparação ao TRH de 7,0 dias com agitação.
As maiores reduções de carga orgânica em DQO e SV ocorreram nos TRHs de 13,0 e 11,5
71
dias, respectivamente, demonstrando que as remoções acompanham os aumentos nos
TRHs. As maiores cargas orgânicas, tanto em DQO quanto em SV, aplicadas ao reator,
foram no TRH de 7,0 dias com agitação. Já as maiores produções de biogás ocorreram, por
DQOc, no TRH de 7,0 dias sem agitação e por SV consumidos e volumétrico no TRH de 10
dias. Os TRHs que mantiveram o pH no intervalo ideal, entre 6,8 a 7,2, foram os de 13,0,
11,5 e 7,0 dias sem agitação, enquanto que a relação AV/AT entre 0,1 e 0,5 foi mantida nos
TRHs de 13,0 e 10,0 dias.
As diferenças entre todos os tratamentos (TRHs e fator agitação) identificadas na
análise estatística consideraram as influências de todas as variáveis avaliadas através da
análise multivariada (MANOVA). Entretanto, os estudos das Tabelas 2 e 3 não identificam o
método estatístico utilizado pelos autores. Essa constatação pode interferir na qualidade das
comparações; porém, não impede que se faça a comparação das médias univariadas
obtidas neste estudo com as apresentadas pelos autores.
A Figura 13 mostra o comportamento da vazão e carga orgânica entre os
tratamentos, onde se observa o crescimento da vazão e as oscilações na carga orgânica da
manipueira.
Figura 13 - DQO e vazão nos tratamentos
Aumento da vazão durante os tratamentos para se elevar a carga orgânica no
reator, com as oscilações na DQO da manipueira que refletem a variabilidade na qualidade
da matéria prima em um reator piloto.
TRH (dias) c/a = com agitação
DQ
Om
gL
1
13.0 11.5 10.0 7.0 7.0c/a
60
00
65
00
70
00
75
00
30
00
35
00
40
00
45
00
Va
zão
Ld
1
DQO
Vazão
72
A Figura 14 apresenta a evolução da carga orgânica em DQO e sólidos voláteis
durante os tratamentos.
Figura 14 - Carga orgânica em DQO e SV nos tratamentos
A carga orgânica em DQO apresentou-se sempre crescente e a carga em SV
decrescente entre o TRH de 13,0 e 10,0 dias.
A comparação dos resultados obtidos nesta pesquisa com os estudos de digestão
de manipueira em reatores de duas e uma fase, mostrados na Tabela 2 e 3,
respectivamente, apresenta severas limitações devido às diferenças de modelos de
reatores, concentrações e misturas da manipueira, cargas aplicadas, TRHs, temperaturas e
correções de pH e nutrientes.
Kuczman et al. (2011) operaram um reator de bancada com modelo semelhante,
sem meio suporte e sem agitação, na temperatura de 33 °C e carga 3 vezes superior à do
presente estudo, que foi de 0,902 g DQOL-1 d-1 no TRH de 7,0 dias com agitação. A redução
de DQO obtida pelos autores foi de 95% contra 70% no mesmo TRH deste estudo,
produção de biogás por DQOc de 0,61 contra 0,63 e produção volumétrica de biogás de 0,63
contra 0,38 LL-1 d-1. As duas vantagens obtidas por Kuczman et al. (2011) podem ser
explicadas pela temperatura de operação, maior em 11,8 °C, embora não tenham utilizado
meio suporte e agitação.
As reduções de carga orgânica em DQO variaram de 70 a 88%, compatíveis com
as reduções obtidas nos estudos apresentados nas Tabelas 2 e 3, não obstante as
TRH (dias) c/a = com agitação
Ca
rga
org
ânic
ag
DQ
OL
1d
1
13.0 11.5 10.0 7.0 7.0c/a
0.5
50
.60
0.6
50
.70
0.7
50
.80
0.8
50
.90
0.6
00
.65
0.7
00
.75
0.8
0
Ca
rga
org
ânic
ag
SV
L1
d1
Carga DQO
Carga SV
73
diferenças de cargas orgânicas. Os TRHs explorados neste estudo foram intermediários aos
das Tabelas 2 e 3, que variaram desde 9,5 horas até 60 dias.
À exceção das pesquisas de Feiden e Cereda (2003) e de Colin et al. (2007), que
informaram temperaturas entre 24-28 e 19-30 °C, respectivamente, conforme as Tabelas 2 e
3, as demais foram acima das médias de 24,2 °C e de 22,3 °C para os conjuntos de dados
dos quatro TRHs e de 7,0 dias, respectivamente, conforme pode ser observado na Tabela
26. As médias das temperaturas situam-se abaixo do intervalo ótimo de 35-37 C° para a
digestão mesofílica, citado por Bouallagui et al. (2004), e de 30-35 °C, por Van Haandel e
Lettinga (1994). Portanto, essa condição pode explicar a enorme diferença de carga
orgânica aplicada nos estudos que estão sendo comparados, que se valeram de
temperaturas na faixa ótima, além de alguns corrigirem pH e nutrientes do substrato.
Mesmo nestas condições, a melhor produção de biogás por DQOc obtida neste
estudo, de 0,91 L g-1 no TRH de 7,0 dias sem agitação, foi superior a todas as obtidas pelos
autores que operaram reatores de uma fase mostrados na Tabela 3. A explicação para a
vantagem da produção de biogás por DQOc neste estudo é a sua baixa carga orgânica
aplicada, que se correlacionou inversamente com a produção específica de biogás,
conforme pode ser constatado nas Tabelas 12 e 21.
Considerando-se as influências das condições ambientais na digestão anaeróbia, a
produção de biogás por litro de manipueira introduzida no reator e temperaturas médias em
cada TRH são mostradas na Tabela 27 e respectivo gráfico na Figura 15.
Tabela 27 - Biogás por volume de manipueira afluente ao reator e temperaturas por TRH TRH (dias)
Biogás por volume de manipueira adicionada (L L
-1)
Temperatura (°C)
13,0 2,028 21,5 11,5 4,037 23,0 10,0 5,196 27,7 7,0 3,156 23,5
7,0 (c/ag) 3,004 21,2
74
Figura 15 - Temperatura e biogás por litro de manipueira nos tratamentos
Na Figura 15 observa-se que a produção de biogás acompanhou as oscilações na
temperatura. No TRH de 10,0 dias verificou-se a melhor produção de biogás, 5,2 L por litro
de manipueira adicionada, cuja temperatura média foi de 27 °C. Considerando-se um melhor
desenvolvimento do biofilme no meio suporte no TRH de 7,0 dias, ainda assim houve
significativa redução na produção de biogás devida à queda na temperatura. No entanto, o
gráfico mostrado na Figura 15 indica que houve queda na produção de biogás por
manipueira adicionada no reator comparada à redução da temperatura ocorrida entre os
níveis sem agitação e com agitação do TRH de 7,0 dias. A constatação é uma evidência que
o efeito da agitação compensou a queda na temperatura.
Feiden e Cereda (2003) obtiveram uma produção de 3,975 L de biogás por litro de
manipueira afluente ao reator, equivalente à média do presente estudo. Admitindo-se uma
produção média de biogás em 3,5 L por litro de manipueira, o volume de 800 m3 de
manipueira gerado ao dia, resultaria em 2800 m3 de biogás por dia, que transformados por
motogeradores geraria 4480 kWh dia-1de energia elétrica. Considerando-se o
processamento de 160 t dia-1 de mandioca, a produção de biogás por tonelada de mandioca
processada resultaria em 17,5 m3, semelhantes às obtidas por Anrain (1983) e Feiden e
Cereda (2003), próximas a 16,10 m3.
A concentração de metano em uma amostra em duplicata do TRH de 7,0 dias com
agitação foi de 53,7%, abaixo da média esperada de 60%. Devido ao baixo teor de metano,
a chama da queima do biogás neste dia apresentava-se levemente amarela e a relação
TRH (dias) c/a = com agitação
Te
mp
era
tura
C
13.0 11.5 10.0 7.0 7.0c/a
20
22
24
26
28
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
Bio
gá
sL
Lm
anip
ueira
1
Temperatura
Biogás
75
AV/AT era de 0,66, cujo limite recomendado por Sánchez et al. (2005) deveria ser, para uma
fermentação equilibrada, de 0,5.Sánchez et al. (2005) e Bouallagui et al. (2009) relatam que
o aumento da acidez na fermentação diminui o teor de metano no biogás.
5.5 MEIO SUPORTE
O intervalo de tempo decorrido para as coletas das amostras dos tratamentos após
a disponibilização do meio suporte e inoculação do reator está apresentado na Tabela 28.
Tabela 28 - Tempo médio de execução dos TRHs após a instalação do meio suporte e inoculação do reator
Coleta de dados no TRH (dias) Tempo médio decorrido desde a instalação do meio suporte e inoculação do reator (dias)
13,0 100 11,5 150 10,0 240 7,0 370 7,0 (com agitação) 470
A partir da inoculação, o reator foi alimentado até o final do TRH de 10,0 dias, o
terceiro na ordem de execução dos tratamentos, quando a alimentação foi interrompida
devido ao recesso de final de ano na fecularia. Na sequência e durante um período de 80
dias, o reator foi alimentado por apenas dois dias para a manutenção da atividade
microbiana. Após esse período retomou-se a alimentação diária, com incrementos
gradativos, até atingir a vazão diária que correspondesse ao TRH de 7,0 dias sem agitação.
A caixa de areia foi importante para reter a elevada concentração de areia e argila
contida na manipueira, sem a qual o reator teria comprometido, até o final da pesquisa,
parte de seu volume útil para a digestão anaeróbia, devido ao tempo de operação e volume
de sólidos drenados. As imagens da Figura 16 foram obtidas após 60 e 470 dias de
operação do reator, sendo com agitação, os últimos 43, o que representa 9% do período
operacional. Segundo Al-Dahhan e Vesvikar (2005), um dos efeitos da agitação é a remoção
de sólidos acumulados no fundo do reator. No entanto, devido ao curto tempo em que o
sistema foi acionado nesta pesquisa, a agitação pode ter influenciado pouco para que o
reator apresentasse baixo teor de sólidos sedimentados, não obstante, após a agitação, ter-
se observado elevada turbidez na manipueira que deixava o reator.
Na Figura 16 é mostrada a característica visual das peças de bambu retiradas do
reator, em duas épocas diferentes de execução da pesquisa, antes do início do primeiro
tratamento e após o último.
76
(A) (B)
Figura 16 - Peças de bambu: (A) após 60 dias e (B) após 470 dias da inoculação do reator.
Na Figura 16A, com a indicação do comprimento das peças de bambu, já é
possível, decorridos 60 dias da inoculação, visualizar o início da formação do biofilme
bacteriano e, na Figura 16B, duas peças mostrando a camada de biofilme acumulada no
período de 410 dias após. Dessa forma os primeiros tratamentos ainda não possuíam um
biofilme desenvolvido. Na figura 16 observa-se a diferença entre o biofilme acumulado
durante 410 dias de operação do reator.
O bambu confirmou-se adequado para meio suporte na fermentação da manipueira
em reator piloto com a formação de biofilme, conforme pesquisas de Dezotti (2008), Torres
(2009) e Kunzler (2010).
O meio suporte pode ter sido o responsável pela manutenção da estabilidade da
fermentação, principalmente em TRHs menores, nos quais se constataram várias
observações da relação AV/AT acima de 0,8, limite que, de acordo com Silva (1977) e
Sánchez et al. (2005), pode causar colapso ao sistema com queda do pH e inibição da fase
metanogênica. No entanto, apesar do processo fermentativo no TRH de 7,0 dias sem
agitação ter registrado 1/3 das observações acima do limite, o sistema não evidenciou sinais
de instabilidade em outros indicadores como o pH e produção de biogás.
Quanto ao bambu para meio suporte, verificou-se que ao final dos 470 dias
submersos na manipueira em fermentação, as peças visualmente apresentavam-se
íntegras. Tritt et al. (1993) encontraram perda de 11% na massa seca dos bambus para os
primeiros seis meses de operação e 15% após dois anos. Colin et al. (2007), em 180 dias de
operação, não observaram degradação do bambu. Segundo Camargo e Nour (2001), há
uma estabilização na degradação do bambu após os primeiros meses de operação, em que
apenas os compostos orgânicos de mais fácil decomposição são metabolizados,
permanecendo a lignina e a celulose por mais tempo.
15 cm
77
5.6 EFEITO DA AGITAÇÃO
Apesar da bibliografia relatar as vantagens, não são comuns estudos mostrando o
efeito da agitação em reatores anaeróbios, como pode ser observado nas Tabelas 2 e 3, em
que nenhum dos trabalhos citados mencionou o uso deste recurso.
Na recirculação do biogás havia uma compressão que provocava um aumento em
sua temperatura que era transferida à manipueira em fermentação. O efeito da agitação na
manipueira em fermentação pode ser observado na Figura 17.
Figura 17 - Superfície da manipueira no reator aberto durante a agitação.
O desempenho do reator associou o uso de meio suporte à agitação da manipueira
em fermentação. Os dois recursos, atuando em conjunto, podem ser os responsáveis pela
estabilidade na condução do experimento. Dezotti (2008) refere-se ao meio suporte como
promotor do contato entre substrato e consórcio microbiano; já para Rojas et al. (2010) esta
vantagem é promovida pela agitação. A melhoria do contato substrato-biomassa através da
agitação é compartilhada por Suvajittanont e Chaiprasert (2003), Al-dahhan e Vesvikar
(2005), Souza et al. (2008) e Deublein e Steinhauser (2008).
Karim et al. (2005) compararam quatro reatores anaeróbios alimentados com
dejetos bovinos dotados de diferentes sistemas de agitação: por recirculação do substrato
em fermentação, pás mecânicas, recirculação de biogás e sem agitação. Comparados com
o reator sem agitação, obtiveram ganhos de 29, 22 e 15% em produção de biogás nos
reatores por recirculação do substrato, pás mecânicas e recirculação de biogás,
respectivamente. No entanto, os autores observaram que o sistema de recirculação de
biogás parece promissor quando comparado ao sistema de recirculação de substrato, que
apresenta dificuldades de bombeamento do lodo presente e o sistema de pás mecânicas,
devido à energia consumida na agitação.
78
5.7 – PERFÍS NOS TRATAMENTOS
A Figura 18 mostra a DQO e sua redução em função do decréscimo do TRH
Figura 18 - Carga orgânica e sua redução nos tratamentos
O aumento da redução no TRH de 10,0 dias é decorrente do aumento da
temperatura ocorrida neste tratamento, e o pequeno aumento observado nos dois últimos
tratamentos deve-se ao efeito da agitação.
A Figura 19 apresenta o comportamento da temperatura interna do reator e a
redução da DQO em relação aos tratamentos.
TRH (dias) c/a = com agitação
Ca
rga
org
ânic
ag
DQ
OL
1d
1
13.0 11.5 10.0 7.0 7.0c/a
0.5
50
.60
0.6
50
.70
0.7
50
.80
0.8
50
.90
70
75
80
85
Re
duçã
oD
QO
%
Carga DQO
Redução DQO
79
Figura 19 - Temperatura e redução de DQO nos tratamentos
Na Figura 19 observa-se que, embora a temperatura tenha aumentado do TRH de
13,0 para 11,5 dias, houve queda na redução de DQO entre estes dois tratamentos,
contrariando Bouallagui et al. (2004,) que relata que a atividade microbiana é proporcional à
temperatura. O comportamento pode ser justificado por ser inicio do processo, quando o
tempo decorrido não foi suficiente à formação de biofilme capaz de responder positivamente
à redução da DQO. No TRH de 10,0 dias, devido à temperatura média de 27,7 °C, verificou-
se um acentuado aumento na redução de DQO, próxima a 88%. No TRH de 7,0 dias sem
agitação a queda na temperatura diminuiu a redução de DQO (BOUALLAGUI et al., 2004).
A redução da DQO aumentou com a redução da temperatura havida entre o TRH
de 7,0 dias sem agitação e 7,0 dias com agitação, apresentando indícios do efeito da
agitação entre os tratamentos.
As Figuras 20 e 21 mostram as produções de biogás e a temperatura durante os
tratamentos.
TRH (dias) c/a = com agitação
Te
mp
era
tura
C
13.0 11.5 10.0 7.0 7.0c/a
21
22
23
24
25
26
27
28
70
75
80
85
Re
duçã
oD
QO
%
Temperatura
Redução DQO
80
Figura 20 - Temperatura e biogás por SVc nos tratamentos
Figura 21 - Temperatura e biogás volumétrico nos tratamentos
A produção de biogás por SV consumidos e por litro de reator por dia acompanhou
o comportamento da temperatura, à exceção do TRH de 7,0 dias em que o reator foi
TRH (dias) c/a = com agitação
Te
mp
era
tura
C
13.0 11.5 10.0 7.0 7.0c/a
21
22
23
24
25
26
27
28
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
Bio
gá
sL
g1
SV
c
Temperatura
Biogás
TRH (dias) c/a = com agitação
Te
mp
era
tura
C
13.0 11.5 10.0 7.0 7.0c/a
20
22
24
26
28
0.1
50
.20
0.2
50
.30
0.3
50
.40
Bio
gá
svo
lum
étr
ico
LL
reato
r
1d
1
Temperatura
Biogás
81
agitado, quando as produções de biogás mantiveram-se mesmo com a queda na
temperatura interna do reator. Entre outros fatores, a temperatura geralmente interfere no
desempenho do tratamento biológico de águas residuárias e na estabilidade (GAO et al.,
2011). A temperatura é uma variável que apresentou forte correlação positiva com a
produção de biogás, conforme pode ser observado nas Tabelas12 e 21 (BOUALLAGUI et
al., 2004). Temperaturas abaixo de 24 °C dos TRHs de 13,0; 11,5 e 7,0 dias são
consideradas psicrófilas (<25 °C), a fase de menor atividade microbiana (EL-MASHAD et al.,
2004).
A Figura 22 apresenta o comportamento da temperatura e relação AV/AT.
Figura 22 - Temperatura e relação AV/AT nos tratamentos
A agitação também foi benéfica para a relação AV/AT, que diminuiu quando o
sistema de agitação do reator foi acionado no TRH de 7,0 dias, mesmo com a queda
verificada na temperatura.
TRH (dias) c/a = com agitação
Te
mp
era
tura
C
13.0 11.5 10.0 7.0 7.0c/a
21
22
23
24
25
26
27
28
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
AV
AT
Temperatura
AV/AT
82
6 CONCLUSÕES
O estudo mostrou que a redução da carga orgânica do efluente de fecularia com
produção de biogás, em reator anaeróbio tubular piloto com meio suporte e agitação, é
tecnicamente viável.
Em todas as variáveis houve influência do TRH e do fator agitação no TRH de 7,0
dias identificada pela MANOVA e pelos testes de comparação entre os vetores de médias.
O melhor desempenho do reator no TRH de 10,0 dias foi beneficiado pela
temperatura média favorável de 27,7 °C. Dos 139 dias de operação nos cinco tratamentos,
107 (77%) ocorreram em temperaturas médias entre 21,2 e 23,5 °C, bem abaixo da ótima,
o que interferiu negativamente na redução de carga orgânica e produção de biogás.
Os indicadores de estabilidade pH e acidez, principalmente no TRH de 7,0 dias,
embora fora dos limites de segurança operacional, não trouxeram instabilidade ao reator, o
que pode ser creditado à existência do meio suporte com bambu, ao permitir a fixação de
biofilme.
Os benefícios da agitação do reator ficaram comprovados ao ocorrer o aumento na
redução de DQO, na produção específica de biogás por sólidos voláteis consumidos e
produção volumétrica, apesar da queda média de 2,3 °C na temperatura, quando o nível
com agitação foi testado.
A variabilidade dos dados obtidos foi decorrente das condições ambientais e
oscilações na carga orgânica afluente, dada à natureza operacional da fecularia e do
sistema de alimentação do reator.
83
7 CONSIDERAÇÕES FINAIS
A operação do reator piloto de grande porte apresentou as seguintes vantagens:
Maior estabilidade operacional e confiabilidade nos resultados obtidos;
A tecnologia torna-se visível à indústria geradora de subprodutos com valor
agregado, aumentando-se a possibilidade de torná-la realidade;
Permitiu observar as diversas variáveis avaliadas e compreender as suas
relações;
Capacitou a operação da digestão anaeróbia em condições reais.
A necessidade de mão-de-obra à sua construção e manutenção e a localização de
60 km, distante para a operação, foram os pontos considerados de maior dificuldade.
Sugere-se a continuidade da pesquisa com o aumento de carga orgânica de
alimentação para verificar os limites de capacidade digestora com a definição do TRH
mínimo e a durabilidade do bambu.
Nesta pesquisa, o sistema de agitação foi acionado por um período muito curto,
sendo necessários novos testes, alternando-se os períodos de ativação e desativação, para
conclusões mais consistentes do seu efeito.
84
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92
ANEXOS
93
ANEXO 1
A
B
Figura 1 - Boxplot dos 4 TRHs para as variáveis: A) Carga orgânica em DQO e B) Carga orgânica em SV.
A
B
Figura 2 - Boxplot dos 4 TRHs para as variáveis: A) Redução de carga orgânica em DQO e B) Redução de carga orgânica em SV.
7.0 10,0 11.5 13.0
0.5
1.0
1.5
2.0
TRH (dias)
Carg
a o
rgânic
a (
gD
QO
L -1
d-1)
7.0 10,0 11.5 13.0
0.5
1.0
1.5
2.0
TRH (dias)
Carg
a o
rgânic
a (
gS
VL
-1d
-1)
7.0 10.0 11.5 13.0
50
60
70
80
90
TRH (dias)
Redução D
QO
(%
)
7.0 10.0 11.5 13.0
30
40
50
60
70
80
90
TRH (dias)
Redução S
V (
%)
94
A
B
Figura 3 - Boxplot dos 4 TRHs nas variáveis: A) Temperatura e B) Produção volumétrica de biogás.
A
B
Figura 4 - Boxplot dos 4 TRHs nas variáveis: A) Biogás por DQOc e B) Biogás por SVc.
7.0 10,0 11.5 13.0
20
22
24
26
28
TRH (dias)
Tem
pera
tura
(ºC
)
7.0 10.0 11.5 13.
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
TRH (dias)
Bio
gás (
LL
-1d
-1)
7.0 10.0 11.5 13.0
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
TRH (dias)
Bio
gás (
Lg
-1D
QO
c)
7.0 10.0 11.5 13.0
0
1
2
3
4
5
6
TRH (dias)
Bio
gás (
Lg
-1S
Vc)
95
A
B
Figura 5 - Boxplot dos 4 TRHs nas variáveis: A) pH e B) Relação AV/AT.
7.0 10.0 11.5 13.0
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0
8.5
TRH (dias)
pH
7.0 10.0 11.5 13.0
0.0
0.5
1.0
1.5
TRH (dias) A
V/A
T
96
Figura 6 – Histograma dos 4 TRHs: A) Carga orgânica em DQO e C) Carga orgânica em SV; Box plot dos 4 TRHs: B) Carga orgânica em DQO e D) Carga orgânica em SV.
A
B
C
D
Carga orgânica (gDQOL-1d
-1)
Fre
quência
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
0
5
10
15
20
25
30
0
1
2
3
4
5
6
4 TRHs B
iogás (
Lg
-1S
Vc)
Carga orgânica (gSVL-1d
-1)
Fre
quência
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
0
5
10
15
20
25
30
0.5
1.0
1.5
2.0
4 TRHs
Carg
a o
rgânic
a (
gS
VL
-1d
-1)
97
Figura 7 – Histograma dos 4 TRHs: A) Redução de carga orgânica em DQO e C) Redução de carga orgânica em SV; Box plot dos 4 TRHs: B) Redução de carga orgânica em DQO e D) Redução de carga orgânica em SV.
A
B
C
D
Redução DQO (%)
Fre
quência
50 60 70 80 90 100
0
5
10
15
20
50
60
70
80
90
4 TRHs R
edução D
QO
(%
)
Redução SV (%)
Fre
quência
20 40 60 80 100
0
5
10
15
20
25
30
30
40
50
60
70
80
90
4 TRHs
Redução S
V (
%)
98
Figura 8 – Histograma dos 4 TRHs: A) Temperatura e C) Produção volumétrica de biogás Boxplot dos 4 TRHs: B) Temperatura e D) Produção volumétrica de biogás.
A
B
C
D
Temperatura (°C)
Fre
quência
20 22 24 26 28 30
0
5
10
15
20
25
30
20
22
24
26
28
4 TRHs
T (
°C)
Biogás (LL-1d
-1)
Fre
quência
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
0
10
20
30
40
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
4 TRHs
Bio
gás (
LL
-1d
-1)
99
A
B
C
D
Figura 9 – Histograma dos 4 TRHs: A) Biogás por DQOc e C) Biogás por SVc; Boxplot dos 4 TRHs: B) Biogás por DQOc e D) Biogás por SVc.
Biogás (Lg-1DQOc)
Fre
quência
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3. 3.5
0
10
20
30
40
50
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
4 TRHs
Bio
gás (
Lg
-1D
QO
c)
Biogás (Lg-1SVc)
Fre
quência
0 1 2 3 4 5 6 7
0
10
20
30
40
50
60
0
1
2
3
4
5
6
4 TRHs
Bio
gás
(Lg
-1S
Vc)
100
A
B
C
D
Figura 10 – Histograma dos 4 TRHs: A) pH e C) Relação AV/AT; Boxplot dos 4 TRHs: B) pH e D) Relação AV/AT.
pH
Fre
quência
5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0
0
10
20
30
40
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0
8.5
4 TRHs
pH
AV/AT
Fre
quência
0.0 0.5 1.0 1.5
0
5
10
15
20
25
30
0.0
0.5
1.0
1.5
4 TRHs
AV
/AT
101
ANEXO 2
A
B
C
D
Figura 1 – QQ-plot do conjunto de dados dos quatro TRHs: A) Carga orgânica em DQO B) Carga orgânica em SV, C) Redução de carga orgânica em DQO e D) Redução
de carga orgânica em SV.
-2 -1 0 1 2
0.5
1.0
1.5
2.0
Quantís teóricos
Carg
a o
rgânic
a
(gD
QO
L-1d
-1)
-2 -1 0 1 2
0.5
1.0
1.5
2.0
Quantís teóricos
Carg
a o
rgânic
a (
gS
VL
-1d
-1)
-2 -1 0 1 2
50
60
70
80
90
Quantís teóricos
Redução D
QO
(%
)
-2 -1 0 1 2
30
40
50
60
70
80
90
Quantís teóricos
Redução S
V (
%)
102
A
B
C
D
Figura 2 – QQ-plot do conjunto de dados dos quatro TRHs: A) Temperatura, B) Produção volumétrica de biogás, C) Biogás por DQOc e D) Biogás por SVc.
-2 -1 0 1 2
20
22
24
26
28
Quantís teóricos
Tem
pera
tura
(°C
)
-2 -1 0 1 2
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Quantís teóricos
Bio
gás (
LL
-1d
-1)
-2 -1 0 1 2
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
Quantís teóricos
Bio
gás (
Lg
-1D
QO
c)
-2 -1 0 1 2
0
1
2
3
4
5
6
Quantís teóricos
Bio
gás (
Lg
-1S
Vc)
103
A
B
Figura 3 – QQ-plot do conjunto de dados dos quatro TRHs: A) pH e B) Relação AV/AT.
-2 -1 0 1 2
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0
8.5
Quantís teóricos
pH
-2 -1 0 1 2 0.0
0.5
1.0
1.5
Quantís teóricos
AV
/AT
104
ANEXO 3
Matriz de gráficos de dispersão dos quatro TRHs.
TRH
20 28 30 90 0.5 0 4 6.0
812
20
28
T
RDQO
50
90
30
90
RSV
CDQO
0.5
0.5 CSV
BDQOc
0.0
3.0
04
BSVc
BLrd
0.1
6.0
pH
8 12 50 90 0.5 0.0 3.0 0.1 0.0 1.5
0.0
1.5
AVAT
105
ANEXO 4
Conjunto de dados dos quatro TRHs (13,0; 11,5; 10,0 e 7,0 dias)
Observações TRH (d)
T (°C)
RDQO (%)
RSV (%)
CDQO (gDQO L
-1 d
-1)
CSV (gSV L
-1 d
-1)
BDQOc (Lg
-1
DQOc)
BSVc (Lg
-1
SVc)
BLLd (LL
-1
d-1)
pH AVAT
Total P/TRH
1 1 13,0 20,3 96,94 72,64 0,578 0,832 0,216 0,200 0,121 7,13 0,03 2 2 13,0 20,8 73,17 82,37 0,267 0,895 0,619 0,164 0,121 6,80 0,08 3 3 13,0 21,3 90,10 73,38 0,647 0,667 0,203 0,241 0,118 6,77 0,08 4 4 13,0 21,3 87,10 82,89 0,668 0,680 0,200 0,206 0,116 7,11 0,12 5 5 13,0 21,3 88,75 85,46 0,562 0,958 0,298 0,181 0,149 7,00 0,08 6 6 13,0 21,3 66,74 61,90 0,551 0,641 0,429 0,397 0,158 6,63 0,14 7 7 13,0 21,3 90,87 62,84 0,829 0,745 0,149 0,240 0,113 7,10 0,19 8 8 13,0 21,4 94,24 84,34 0,514 0,681 0,156 0,132 0,076 7,52 0,06 9 9 13,0 21,4 92,73 81,07 0,378 0,390 0,163 0,180 0,057 7,30 0,10
10 10 13,0 21,4 94,48 85,66 0,601 0,795 0,189 0,157 0,107 7,00 0,10 11 11 13,0 21,3 95,96 93,22 0,729 1,623 0,175 0,081 0,122 7,10 0,13 12 12 13,0 21,3 93,18 76,25 0,468 0,487 0,252 0,296 0,110 6,75 0,07 13 13 13,0 22,0 82,73 91,40 0,420 0,422 0,338 0,304 0,117 7,02 0,12 14 14 13,0 22,3 83,12 60,42 0,527 0,299 0,108 0,262 0,047 7,14 0,12 15 15 13,0 21,8 86,16 90,08 0,651 0,518 0,148 0,178 0,083 6,86 0,05 16 16 13,0 22,3 89,29 39,17 0,323 0,228 0,929 2,997 0,268 6,92 0,16 17 17 13,0 21,8 93,64 74,48 0,091 0,086 1,731 2,292 0,147 6,97 0,09 18 18 13,0 21,3 89,30 79,26 1,123 1,254 0,116 0,117 0,116 6,63 0,22 19 19 13,0 21,3 93,59 58,65 0,521 0,324 0,583 1,496 0,284 6,56 0,13 20 20 13,0 21,8 83,85 75,68 0,673 0,735 0,348 0,354 0,197 7,00 0,05 21 1 11,5 21,9 82,93 85,83 0,497 0,475 0,604 0,610 0,249 7,39 0,41 22 2 11,5 22,0 83,08 91,03 0,560 1,311 0,653 0,255 0,304 7,54 0,60 23 3 11,5 21,3 83,58 82,43 0,896 0,796 0,485 0,553 0,363 7,54 0,56 24 4 11,5 22,8 85,58 74,54 0,882 0,547 0,452 0,837 0,341 7,96 0,76 25 5 11,5 22,1 64,69 86,75 0,317 0,416 1,857 1,055 0,381 7,35 0,66 26 6 11,5 21,5 84,47 69,26 0,691 0,391 0,541 1,167 0,316 7,06 0,59 27 7 11,5 20,5 77,99 68,55 0,168 0,130 1,069 1,567 0,140 7,20 0,45 28 8 11,5 20,9 82,70 63,73 0,790 0,452 0,182 0,412 0,119 6,95 0,64 29 9 11,5 21,3 80,19 87,94 0,703 0,963 0,389 0,259 0,219 7,14 0,44 30 10 11,5 21,4 78,13 94,39 0,372 0,456 0,851 0,574 0,247 7,79 0,42 31 11 11,5 21,3 49,42 71,70 0,182 0,239 3,300 1,726 0,296 7,34 0,42 32 12 11,5 22,0 85,98 90,61 1,040 1,961 0,351 0,176 0,313 7,24 0,40 33 13 11,5 21,9 71,99 79,13 0,677 0,606 0,800 0,813 0,390 7,14 0,49 34 14 11,5 21,9 82,69 72,77 0,888 0,554 0,335 0,610 0,246 7,32 0,59 35 15 11,5 21,9 80,92 74,84 1,106 0,768 0,633 0,985 0,567 7,29 0,53 36 16 11,5 22,0 71,96 79,35 0,872 1,109 0,415 0,296 0,261 7,04 0,69 37 17 11,5 21,6 70,61 77,49 0,600 0,581 0,756 0,711 0,320 6,93 0,71 38 18 11,5 22,2 84,24 65,54 0,894 0,524 0,514 1,125 0,387 6,79 0,63 39 19 11,5 22,3 72,14 69,57 0,702 0,893 0,401 0,327 0,203 7,21 1,33 40 20 11,5 22,6 71,20 69,06 0,212 0,254 1,795 1,541 0,271 7,14 1,06 41 21 11,5 22,9 88,73 84,18 0,260 0,245 0,696 0,780 0,161 7,06 0,83 42 22 11,5 23,2 89,53 87,30 0,668 0,686 0,433 0,433 0,259 6,84 0,45 43 23 11,5 24,5 66,59 62,89 0,374 0,389 1,511 1,539 0,377 6,73 0,67 44 24 11,5 25,5 79,12 86,12 0,315 0,454 0,978 0,623 0,244 6,82 0,34 45 25 11,5 25,5 80,74 51,62 0,795 0,359 0,593 2,053 0,381 6,79 1,15 46 26 11,5 25,5 85,76 75,77 0,408 0,267 0,971 1,680 0,340 6,88 0,30 47 27 11,5 26,0 72,00 57,36 0,902 0,629 0,920 1,655 0,597 6,25 0,87 48 28 11,5 25,9 79,73 70,41 0,896 0,782 0,748 0,970 0,534 6,84 0,97 49 29 11,5 25,6 82,87 71,29 0,727 0,376 0,941 2,116 0,567 6,96 0,57 50 30 11,5 25,5 89,93 83,37 1,128 0,647 0,520 0,978 0,527 6,63 0,64 51 31 11,5 25,6 85,71 75,87 1,059 0,534 0,345 0,774 0,314 6,36 0,44 52 32 11,5 26,0 91,33 87,52 0,866 0,659 0,410 0,562 0,325 6,55 0,38 53 1 10,0 27,0 82,16 66,61 1,176 0,961 0,378 0,571 0,365 7,26 0,31 54 2 10,0 27,1 87,50 60,55 0,657 0,528 1,097 1,973 0,630 7,45 0,36 55 3 10,0 27,2 78,69 68,73 0,657 0,795 0,808 0,764 0,417 7,04 0,48 56 4 10,0 27,5 83,98 46,92 0,328 0,170 1,200 4,134 0,330 7,44 0,12 57 5 10,0 28,2 89,07 58,81 0,825 0,646 0,516 0,998 0,379 7,26 0,25 58 6 10,0 28,0 75,13 58,43 0,392 0,470 1,517 1,626 0,446 6,81 0,35 59 7 10,0 27,0 79,92 30,57 0,928 0,442 0,372 2,041 0,276 6,49 0,72 60 8 10,0 27,2 78,08 78,05 0,755 0,933 0,737 0,597 0,435 7,30 0,44 61 9 10,0 27,3 94,73 27,00 0,828 0,264 0,556 6,119 0,436 7,14 0,30 62 10 10,0 27,8 91,27 74,75 0,760 0,768 0,629 0,760 0,436 7,01 0,17 63 11 10,0 28,0 85,44 82,55 0,579 0,604 0,836 0,828 0,413 7,06 0,25 64 12 10,0 28,1 81,36 66,07 0,501 0,652 1,446 1,369 0,590 6,97 0,38 65 13 10,0 28,0 89,84 90,48 0,608 0,815 0,761 0,564 0,416 7,07 0,24 66 14 10,0 27,2 91,19 80,09 0,779 0,868 0,525 0,536 0,373 7,85 0,41 67 15 10,0 27,9 85,78 46,80 0,809 0,472 0,629 1,973 0,436 8,61 0,28 68 16 10,0 28,4 92,77 77,44 0,580 0,401 0,848 1,471 0,456 7,90 0,13
106
Continuação Observações TRH
(d) T
(°C) RDQO
(%) RSV (%)
CDQO (gDQO L
-1 d
-1)
CSV (gSV L
-1 d
-1)
BDQOc (Lg
-1
DQOc)
BSVc (Lg
-1
SVc)
BLLd (LL
-1
d-1)
pH AVAT
Total P/TRH
69 17 10,0 28,1 73,13 71,83 0,571 0,608 0,951 0,909 0,397 7,85 0,21 70 18 10,0 29,3 92,29 75,43 0,812 0,633 0,741 1,165 0,556 7,01 0,18 71 19 10,0 28,5 92,53 81,32 1,035 0,800 0,520 0,765 0,498 6,80 0,07 72 20 10,0 28,2 92,03 78,37 0,443 0,378 0,927 1,278 0,378 7,58 0,11 73 21 10,0 28,0 92,44 77,68 0,945 1,047 0,496 0,533 0,433 7,40 0,21 74 22 10,0 27,8 86,07 78,08 0,991 0,859 0,557 0,709 0,475 7,60 0,30 75 23 10,0 26,8 86,80 44,97 0,719 0,380 0,847 3,092 0,529 7,65 0,35 76 24 10,0 27,0 89,88 68,52 0,476 0,543 1,177 1,355 0,504 7,06 0,29 77 25 10,0 27,2 92,71 54,35 1,480 0,816 0,399 1,236 0,548 7,25 0,27 78 26 10,0 26,6 87,97 49,28 0,432 0,186 1,265 5,246 0,481 7,83 0,26 79 27 10,0 28,4 90,62 71,10 0,126 0,092 3,024 5,291 0,345 7,92 0,25 80 28 10,0 28,5 83,61 40,77 0,451 0,449 0,877 1,808 0,331 8,18 0,16 81 29 10,0 29,0 97,21 66,70 0,335 0,279 1,091 1,907 0,355 8,10 0,11 82 30 10,0 28,1 94,09 68,90 0,406 0,393 0,865 1,221 0,330 7,65 0,13 83 31 10,0 26,0 94,63 64,23 0,291 0,248 1,585 2,735 0,436 7,72 0,13 84 32 10,0 26,3 95,26 67,82 1,004 0,711 0,328 0,651 0,314 7,98 0,09 85 1 7.0 24,7 78,38 54,92 1,932 0,752 0,261 0,958 0,396 7,20 0,77 86 2 7.0 25,3 82,82 79,00 0,425 0,421 0,967 1,024 0,340 6,80 0,80 87 3 7.0 25,3 67,88 54,92 0,390 0,444 1,300 1,378 0,344 6,58 1,33 88 4 7.0 24,3 70,53 67,82 0,598 0,725 0,889 0,761 0,375 6,60 1,31 89 5 7.0 24,3 48,94 41,84 0,451 0,566 1,838 1,259 0,406 6,96 0,79 90 6 7.0 24,3 62,70 54,92 0,548 0,394 1,160 1,485 0,398 6,94 0,72 91 7 7.0 24,2 53,73 42,31 0,489 0,938 1,530 1,014 0,402 7,09 0,71 92 8 7.0 24,0 67,60 61,37 0,768 0,877 0,690 0,579 0,358 7,00 0,74 93 9 7.0 23,5 69,72 67,49 0,457 0,874 1,016 0,548 0,323 7,60 1,56 94 10 7.0 23,3 75,85 78,17 0,635 0,724 0,721 0,613 0,347 7,06 0,48 95 11 7.0 23,3 66,11 71,20 0,546 0,960 0,959 0,507 0,346 7,13 0,51 96 12 7.0 23,3 70,68 57,04 0,523 0,546 1,118 1,328 0,413 6,96 0,63 97 13 7.0 23,5 79,70 85,17 1,008 1,506 0,429 0,269 0,345 6,97 0,60 98 14 7.0 24,1 67,43 72,64 0,978 1,248 0,805 0,585 0,530 6,62 1,13 99 15 7.0 24,3 66,16 56,89 1,179 0,865 0,667 1,058 0,520 5,71 0,48
100 16 7.0 24,3 56,11 60,56 0,888 0,888 0,930 0,861 0,463 6,27 1,08 101 17 7.0 24,3 57,75 61,96 0,948 0,824 0,859 0,922 0,471 7,07 1,08 102 18 7.0 23,8 59,72 68,33 1,021 1,009 0,836 0,740 0,510 7,01 1,13 103 19 7.0 23,3 63,38 59,18 0,997 0,704 0,679 1,028 0,429 6,20 0,67 104 20 7.0 22,3 51,96 58,72 0,305 0,327 2,152 1,775 0,341 6,12 0,81 105 21 7.0 22,3 71,53 60,90 1,042 0,765 0,448 0,717 0,334 6,20 0,74 106 22 7.0 22,4 54,88 40,00 0,721 0,568 0,903 1,573 0,357 6,15 0,66 107 23 7.0 22,3 68,80 60,41 1,268 1,251 0,365 0,421 0,318 7,10 0,72 108 24 7.0 22,2 74,48 52,93 1,115 1,011 0,398 0,618 0,331 8,15 0,74 109 25 7.0 22,0 78,60 55,13 0,317 0,298 1,276 1,935 0,318 7,49 0,45 110 26 7.0 21,8 83,65 72,31 0,157 0,148 0,955 1,177 0,126 6,63 0,87 111 27 7.0 21,3 72,23 49,41 1,070 0,922 0,340 0,576 0,263 6,80 0,75
107
ANEXO 5
A
191715131197531
1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
Observações
Carg
a o
rgân
ica
(g
DQ
O/L
/d)
_X=0,556
LCS=1,227
LCI=-0,115
B
191715131197531
1,5
1,0
0,5
0,0
-0,5
Observações
Ca
rga o
rgâ
nic
a (
gS
V/L
/d)
_X=0,663
LCS=1,653
LCI=-0,327
C
191715131197531
110
100
90
80
70
Observações
Re
du
çã
o d
e D
QO
(%
)
_X=88,30
LCS=108,19
LCI=68,401
D
191715131197531
120
100
80
60
40
20
Observações
Re
du
ção
de
SV
(%
)
_X=75,6
LCS=119,5
LCI=31,7
E
191715131197531
22,5
22,0
21,5
21,0
20,5
20,0
Observações
Te
mp
era
tura
(°C
)
_X=21,407
LCS=22,065
LCI=20,749
11
1
F
191715131197531
0,30
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
Observações
Bio
gá
s v
olu
métr
ico
(L
/L/d
)
_X=0,1314
LCS=0,2616
LCI=0,0011
1
1
Figura 1 – Gráficos estatísticos de qualidade do TRH de 13,0 dias: A) Carga orgânica em DQO; B) Carga orgânica em SV; C) Redução de DQO; D) Redução de SV E) Temperatura e F) Produção volumétrica de biogás.
108
A
191715131197531
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
-0,5
Observações
Bio
gá
s (
L/g
DQ
Oc
)
_X=0,367
LCS=1,167
LCI=-0,432
1
B
191715131197531
3
2
1
0
-1
Observações
Bio
gá
s (
L/g
SV
c)
_X=0,524
LCS=1,836
LCI=-0,788
1
1
C
191715131197531
7,6
7,4
7,2
7,0
6,8
6,6
6,4
6,2
Observações
pH
_X=6,965
LCS=7,619
LCI=6,312
7,2
6,8
D
191715131197531
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
Observações
Re
laçã
o A
V/A
T
_X=0,1057
LCS=0,2551
LCI=-0,0437
0,5
0,1
Figura 2 – Gráficos estatísticos de qualidade do TRH de 13,0 dias: A) Biogás por DQOc B) Biogás por SVc; C) pH e D) Relação AV/AT.
109
A
3128252219161310741
1,50
1,25
1,00
0,75
0,50
0,25
0,00
Observações
Ca
rga
org
ân
ica e
m D
QO
(g
DQ
O/L
/d)
_X=0,670
LCS=1,463
LCI=-0,123
B
3128252219161310741
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
-0,5
Observações
Carg
a o
rgan
ica
em
SV
(g
SV
/L/d
)
_X=0,608
LCS=1,575
LCI=-0,360
1
C
3128252219161310741
110
100
90
80
70
60
50
Observações
Re
du
çã
o D
QO
(%
)
_X=79,27
LCS=104,12
LCI=54,41
1
D
3128252219161310741
110
100
90
80
70
60
50
40
Observações
Re
du
çã
o d
e S
V (
%)
_X=76,51
LCS=107,39
LCI=45,62
E
3128252219161310741
26
25
24
23
22
21
20
Observações
Te
mp
era
tura
(°C
)
_X=23,029
LCS=24,100
LCI=21,958
1
11
1
11
111
1
1
111
11
1
1
1
11
1
F
3128252219161310741
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
Observações
Bio
gás
vo
lum
étr
ico
(L
/L/d
)
_X=0,3299
LCS=0,5968
LCI=0,0630
1
Figura 3 – Gráficos estatísticos de qualidade do TRH de 11,5 dias: A) Carga orgânica em DQO; B) Carga orgânica em SV; C) Redução de DQO; D) Redução de SV E) Temperatura e F) Produção volumétrica de biogás.
110
A
3128252219161310741
3
2
1
0
-1
Observações
Bio
gá
s (
L/g
DQ
Oc
)
_X=0,795
LCS=2,407
LCI=-0,816
1
B
3128252219161310741
3
2
1
0
-1
Observações
Bio
gá
s (
L/g
SV
c)
_X=0,930
LCS=2,567
LCI=-0,707
C
3128252219161310741
8,0
7,5
7,0
6,5
6,0
Observações
pH
_X=7,065
LCS=7,691
LCI=6,438
7,2
6,8
1
1
1
1
D
3128252219161310741
1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
Observações
Re
laçã
o A
V/A
T
_X=0,624
LCS=1,212
LCI=0,037
0,5
0,1
1
Figura 4 – Gráficos estatísticos de qualidade do TRH de 11,5 dias: A) Biogás por DQOc B) Biogás por SVc; C) pH e D) Relação AV/AT.
111
A
3128252219161310741
1,50
1,25
1,00
0,75
0,50
0,25
0,00
Observações
Ca
rga o
rgâ
nic
a (
gD
QO
/L/d
)
_X=0,678
LCS=1,471
LCI=-0,116
1
B
3128252219161310741
1,5
1,0
0,5
0,0
Observações
Ca
rga
org
ân
ica (
gS
V/L
/d)
_X=0,569
LCS=1,352
LCI=-0,214
C
3128252219161310741
105
100
95
90
85
80
75
70
Observações
Re
du
ça
o D
QO
(%
)
_X=87,76
LCS=103,42
LCI=72,09
D
3128252219161310741
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
Observações
Re
du
ção
SV
(%
)
_X=64,8
LCS=110,2
LCI=19,4
E
3128252219161310741
29,5
29,0
28,5
28,0
27,5
27,0
26,5
26,0
Observações
Te
mp
era
tura
(°C
)
_X=27,678
LCS=29,077
LCI=26,280
1
1
F
3128252219161310741
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
Observações
Bio
gá
s v
olu
métr
ico
(L
/L/d
)
_X=0,4296
LCS=0,6545
LCI=0,2047
Figura 5 – Gráficos estatísticos de qualidade do TRH de 10,0 dias: A) Carga orgânica em DQO; B) Carga orgânica em SV; C) Redução de DQO; D) Redução de SV E) Temperatura e F) Produção volumétrica de biogás.
112
A
3128252219161310741
3
2
1
0
-1
Observações
Bio
gá
s (
L/g
DQ
Oc
)
_X=0,891
LCS=2,343
LCI=-0,562
1
B
3128252219161310741
7
6
5
4
3
2
1
0
-1
-2
Observações
Bio
gá
s (
L/g
SV
c)
_X=1,757
LCS=5,589
LCI=-2,075
1
C
3128252219161310741
8,5
8,0
7,5
7,0
6,5
Observações
pH _
X=7,445
LCS=8,339
LCI=6,551
7,2
6,8
1
1
D
3128252219161310741
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
Observações
Re
laçã
o A
V/A
T
_X=0,2597
LCS=0,5414
LCI=-0,0220
0,5
0,1
1
Figura 6 – Gráficos estatísticos de qualidade do TRH de 10,0 dias: A) Biogás por DQOc B) Biogás por SVc; C) pH e D) Relação AV/AT.
113
A
252219161310741
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
Observações
Ca
rga
org
ân
ica (
gD
QO
/L/d
)
_X=0,769
LCS=1,631
LCI=-0,092
1
B
252219161310741
1,8
1,6
1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
Observações
Ca
rga o
rgâ
nic
a (
gS
V/d
)
LCS=1,593
LCI=-0,070
_X=0,761
C
252219161310741
90
80
70
60
50
40
Observações
Re
du
çã
o D
QO
(%
)
_X=67,46
LCS=91,03
LCI=43,88
D
252219161310741
100
90
80
70
60
50
40
30
20
Observações
Re
du
ça
o S
V (
%)
_X=60,95
LCS=95,77
LCI=26,12
E
252219161310741
25
24
23
22
21
Observações
Te
mp
era
tura
(°C
)
_X=23,444
LCS=24,130
LCI=22,757
1
1
111
111
1111
111
11
1
F
252219161310741
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
Observações
Bio
gás
vo
lum
étr
ico
(L
/L/d
) LCS=0,5035
LCI=0,2450
_X=0,3743
1
11
1
Figura 7 – Gráficos estatísticos de qualidade do TRH de 7,0 dias sem agitação: A) Carga orgânica em DQO; B) Carga orgânica em SV; C) Redução de DQO D) Redução de SV; E) Temperatura e F) Produção volumétrica de biogás.
114
A
252219161310741
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
-0,5
Observações
Bio
gá
s (
L/g
DQ
Oc
)
_X=0,907
LCI=-0,427
LCS=2,241
B
252219161310741
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
-0,5
Observações
Bio
gá
s (
L/g
SV
c)
_X=0,952
LCS=2,277
LCI=-0,372
C
252219161310741
8,5
8,0
7,5
7,0
6,5
6,0
Observações
pH _
X=6,845
LCS=7,853
LCI=5,836
6,8
7,2
1
1
D
252219161310741
1,6
1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
Observações
Re
laçã
o A
V/A
T
_X=0,824
LCS=1,519
LCI=0,130
0,5
0,1
1
Figura 8 – Gráficos estatísticos de qualidade do TRH de 7,0 dias sem agitação: A) Biogás por DQOc; B) Biogás por SVc; C) pH e D) Relação AV/AT.
115
ANEXO 6
Figura 1 – Histogramas do TRH de 7,0 dias: A) carga orgânica em DQO e C) carga orgânica em SV; Boxplot do TRH de 7,0 dias: B) carga orgânica em DQO e D) carga orgânica em SV.
A
B
C
D
Carga orgânica (gDQOL-1d
-1)
Fre
quência
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
0
2
4
6
8
10
12
0.5
1.0
1.5
2.0
TRH 7,0 (dias) C
arg
a o
rgânic
a (
gD
QO
L-1d
-1)
Carga orgânica (gSVL-1d
-1)
Fre
quência
0.0 0.5 1.0 1.5
0
5
10
15
0.5
1.0
1.5
TRH 7,0 (dias)
Carg
a o
rgânic
a
(gS
VL
-1d
-1)
116
Figura 2 – Histograma do TRH de 7,0 dias: A) Redução de carga orgânica em DQO e C) Redução de carga orgânica em SV; Boxplot do TRH de 7,0 dias: B) Redução de carga orgânica em DQO e D) Redução de carga orgânica em SV.
A
B
C
D
Redução DQO (%)
Fre
quência
50 60 70 80
0
5
10
15
50
55
60
65
70
75
80
85
TRH 7,0 (dias)
Redução D
QO
(%
)
Redução SV (%)
Fre
quência
30 40 50 60 70 80 90
0
5
10
15
30
40
50
60
70
80
TRH 7,0 (dias)
Redução S
V (
%)
117
Figura 3 - Histograma do TRH de 7,0 dias: A) Temperatura e C) Produção volumétrica de biogás; Boxplot do TRH de 7,0 dias: B) Temperatura e D) Produção volumétrica de biogás.
A
B
C
D
T (Cº)
Fre
quência
18 20 22 24 26
0
2
4
6
8
10
12
19
20
21
22
23
24
25
TRH 7,0 (dias) T
em
pera
tura
(ºC
)
Biogás (LL-1d
-1)
Fre
quência
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
0
2
4
6
8
10
12
14
0.2
0.3
0.4
0.5
TRH 7,0 (dias)
Bio
gás (
LL
-1d
-1)
118
A
B
C
D
Figura 4 – Histograma do TRH de 7,0 dias: A) Biogás por DQOc e C) Biogás por SVc Boxplot do TRH de 7,0 dias: B) Biogás por DQOc e D) Biogás por SVc.
Biogás (Lg-1DQOc)
Fre
quência
0.5 1.0 1.5 2.0
0
2
4
6
8
10
12
14
0.5
1.0
1.5
2.0
TRH 7,0 (dias)
Bio
gás(L
g-1D
QO
c)
Biogás (Lg-1SVc)
Fre
quência
0.5 1.0 1.5 2.0
0
2
4
6
8
10
0.5
1.0
1.5
TRH 7,0 (dias)
Bio
gás (
Lg
-1S
Vc)
119
A
B
C
D
Figura 5 – Histograma do TRH de 7,0 dias: A) pH e C) Relação AV/AT; Boxplot do TRH de 7,0 dias: B) pH e D) Relação AV/AT.
pH
Fre
quência
5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5
0
5
10
15
20
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0
TRH 7,0 (dias)
pH
AV/AT
Fre
quência
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
0
5
10
15
20
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
TRH 7,0 (dias)
AV
/AT
120
A
B
Figura 6 - Boxplot do TRH de 7,0 dias: A) Carga orgânica em DQO e B) Carga orgânica em SV.
A
B
Figura 7 - Boxplot no TRH de 7,0 dias: A) Redução de DQO e B) Redução de sólidos voláteis.
s/ag c/ag
0.5
1.0
1.5
2.0
TRH 7,0 (dias)
Carg
a o
rgânic
a (
gD
QO
L-1d
-1)
s/ag c/ag
0.5
1.0
1.5
TRH 7,0 (dias) C
arg
a o
rgânic
a (
gS
VL
-1d
-1)
s/ag c/ag
50
55
60
65
70
75
80
85
TRH 7,0 (dias)
Redução D
QO
(%
)
s/ag c/ag
30
40
50
60
70
80
TRH 7,0 (dias)
Redução S
V (
%)
121
A
B
Figura 8 - Boxplot do TRH de 7,0 dias: A) Temperatura e B) Produção volumétrica de biogás.
A
B
Figura 9 - Boxplot doTRH de 7,0 dias: A) Biogás por DQOc e B) Biogás por SVc.
s/ag c/ag
19
20
21
22
23
24
25
TRH 7,0 (dias)
Tem
pera
tura
(ºC
)
s/ag c/ag
0.2
0.3
0.4
0.5
TRH 7,0 (dias) B
iogás (
LL
-1d
-1)
s/ag c/ag
0.5
1.0
1.5
2.0
TRH 7,0 (dias)
Bio
gás
(Lg
-1D
QO
c)
s/ag c/ag
0.5
1.0
1.5
TRH 7,0 (dias)
Bio
gás
(Lg
-1S
Vc)
122
A
B
Figura 10 - Boxplot do TRH de 7,0 dias: A) pH e B) Relação AV/AT.
s/ag c/ag
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0
TRH 7,0 (dias)
pH
s/ag c/ag
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
TRH 7,0 (dias) A
V/A
T
123
ANEXO 7
A
B
C
D
Figura 1 – QQ-plot do conjunto de dados do TRH de 7,0 dias: A) Carga orgânica em DQO B) Carga orgânica em SV; C) Redução de carga orgânica em DQO e D) Redução de carga orgânica em SV.
-2 -1 0 1 2
0.5
1.0
1.5
2.0
Quantís teóricos
Carg
a o
rgânic
a (
gD
QO
L-1d
-1)
-2 - 0 1 2
0.5
1.0
1.5
Quantís teóricos
Carg
a o
rgânic
a (
gS
VL
-1d
-1)
-2 -1 0 1 2
50
55
60
65
70
75
80
85
Quantís teóricos
Redução D
QO
(%
)
-2 -1 0 1 2
30
40
50
60
70
80
Quantís teóricos
Redução S
V (%
)
124
A
B
C
D
Figura 2 – QQ-plot do conjunto de dados do TRH de 7,0 dias: A) Temperatura; B) Produção volumétrica de biogás; C) Biogás por DQOc e D) Biogás por SVc.
-2 -1 0 1 2
19
20
21
22
23
24
25
Quantís teóricos
Tem
pera
tura
(ºC
)
-2 -1 0 1 2
0.2
0.3
0.4
0.5
Quantís teóricos
Bio
gás (
LL
-1d
-1)
-2 -1 0 1 2
0.5
1.0
1.5
2.0
Quantís teóricos
Bio
gás (
Lg
-1D
QO
c)
-2 -1 0 1 2
0.5
1.0
1.5
Quantís teóricos
Bio
gás (
Lg
-1S
Vc)
125
A
B
Figura 5 – QQ-plot do conjunto de dados do TRH de 7,0 dias: A) pH e B) Relação AV/AT.
A
252219161310741
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
Observações
Ca
rga
org
ân
ica (
gD
QO
/L/d
)
LSC=1,631
LIC=-0,092
_X=0,769
1
B
28252219161310741
1,8
1,6
1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
Observações
Carg
a o
rgân
ica
(g
DQ
O/L
/d)
_X=0,902
LSC=1,635
LIC=0,169
Figura 6 – Estatística da qualidade do TRH de 7,0 dias da carga orgânica em DQO: A) Sem agitação e B) Com agitação.
-2 -1 0 1 2
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0
Quantís teóricos
pH
-2 -1 0 1 2
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
Quantís teóricos
AV
/AT
126
A
252219161310741
90
80
70
60
50
40
Observações
Re
du
çã
o D
QO
(%
)
_X=67,46
LSC=91,03
LIC=43,88
B
28252219161310741
90
80
70
60
50
Observações
Re
du
çã
o D
QO
(%
)
_X=70,19
LSC=89,73
LIC=50,66
Figura 7 – Estatística da qualidade do TRH de 7,0 dias da redução de DQO: A) Sem agitação e B) Com agitação.
A
252219161310741
1,8
1,6
1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
Observações
Ca
rga o
rgâ
nic
a (
gS
V/d
)
_X=0,761
LSC=1,593
LIC=-0,070
B
28252219161310741
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
Observações
Ca
rga
org
ân
ica (
gS
V/L
/d)
_X=0,816
LSC=1,594
LIC=0,038
1
Figura 8 – Estatística da qualidade do TRH de 7,0 dias da carga orgânica em SV: A) Sem agitação e B) Com agitação.
A
252219161310741
100
90
80
70
60
50
40
30
20
Observações
Re
du
ça
o S
V (
%)
_X=60,95
LSC=95,77
LIC=26,12
B
28252219161310741
90
80
70
60
50
40
30
20
Observações
Re
du
çã
o S
V (
%)
_X=52,80
LSC=86,29
LIC=19,31
Figura 9 - Estatística da qualidade do TRH de 7,0 dias da redução de SV: A) Sem agitação e B) Com agitação.
127
A
252219161310741
25
24
23
22
21
Observações
Te
mpe
ratu
ra (
°C)
_X=23,444
LSC=24,130
LIC=22,757
1
1
111
111
1111
111
11
1
B
28252219161310741
24
23
22
21
20
19
18
Observações
Te
mp
era
tura
(°C
)
_X=21,135
LSC=22,337
LIC=19,932
111
1
111
1
1
11
1
1
1
11
Figura 10 - Estatística da qualidade do TRH de 7,0 dias da temperatura: A) Sem agitação e B) Com agitação.
252219161310741
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
Observações
Bio
gás
vo
lum
étr
ico
(L
/L/d
)
_X=0,3743
LSC=0,5035
LIC=0,2450
1
11
1
28252219161310741
0,55
0,50
0,45
0,40
0,35
0,30
0,25
0,20
0,15
Observações
Bio
gá
s v
olu
métr
ico
(L
/L/d
)
_X=0,3768
LCS=0,5232
LIC=0,2305
1
1
1
Figura 11 - Estatística da qualidade do TRH de 7,0 dias da produção volumétrica de Biogás: A) Sem agitação e B) Com agitação.
A
252219161310741
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
-0,5
Observações
Bio
gá
s (
L/g
DQ
Oc)
_X=0,907
LSC=2,241
LIC=-0,427
B
28252219161310741
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
Observações
Bio
gá
s (
L/g
DQ
Oc
)
_X=0,626
LSC=1,191
LIC=0,062
Figura 12 - Estatística da qualidade do TRH de 7,0 dias da produção de biogás por DQOc: A) Sem agitação e B) Com agitação.
128
A
252219161310741
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
-0,5
Observações
Bio
gá
s (
L/g
SV
c)
_X=0,952
LSC=2,277
LIC=-0,372
B
28252219161310741
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
Observações
Bio
gá
s (
L/g
SV
c)
_X=0,981
LSC=1,915
LIC=0,046
Figura 13 - Estatística da qualidade do TRH de 7,0 dias da produção de biogás por SVc: A) Sem agitação e B) Com agitação.
A
252219161310741
8,5
8,0
7,5
7,0
6,5
6,0
Observações
pH _
X=6,845
LCS=7,853
LCI=5,836
7,2
6,8
1
1
B
28252219161310741
8,0
7,5
7,0
6,5
6,0
5,5
5,0
Observações
pH
_X=6,506
LCS=8,017
LCI=4,995
7,2
6,8
Figura 14 - Estatística da qualidade do TRH de 7,0 dias da variável pH: A) Sem agitação e B) Com agitação.
A
252219161310741
1,6
1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
Observações
Re
laçã
o A
V/A
T
_X=0,824
LCS=1,519
0,5
0,1LCI=0,130
1
B
28252219161310741
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
Observações
Re
laçã
o A
V/A
T
_X=0,587
LCS=0,957
0,5
0,1
LCI=0,216
1
Figura 15 - Estatística da qualidade do TRH de 7,0 dias da variável relaçao AV/AT: A) Sem agitação e B) Com agitação.
129
ANEXO 8
Matriz de dispersão das variáveis respostas do TRH de 7,0 dias
TRH
19 25 30 80 0.5 0.5 5.5 8.0
0.0
1.0
19
25
T
RDQO
50
80
30
80
RSV
CDQO
0.5
0.5 CSV
BDQOc
0.5
0.5 BSVc
BLrd
0.2
5.5
8.0
pH
0.0 1.0 50 80 0.5 0.5 0.2 0.2 1.40.2
1.4
AVAT
130
ANEXO 9
Conjunto de dados do TRH de 7,0 dias – sem agitação e com agitação Observações Fator T
(°C)
RDQO
(%)
RSV
(%)
CDQO
(gDQO
L-1
d-1)
CSV
(gSV
L-1
d-1)
BDQOc
(Lg-1
DQOc)
BSVc
(Lg-1
SVc)
BLLd
(LL-1
d-1)
pH AVAT
Total P/nível
1 1 s/ag 24,7 78,38 54,92 1,932 0,752 0,258 0,946 0,391 7,20 0,77 2 2 s/ag 25,3 82,82 79,00 0,425 0,421 0,954 1,010 0,336 6,80 0,80 3 3 s/ag 25,3 67,88 56,34 0,390 0,444 1,283 1,359 0,340 6,58 1,33 4 4 s/ag 24,3 70,53 67,82 0,598 0,725 0,877 0,751 0,370 6,60 1,31 5 5 s/ag 24,3 48,94 56,98 0,451 0,566 1,814 1,242 0,401 6,96 0,79 6 6 s/ag 24,3 62,70 67,97 0,548 0,394 1,144 1,465 0,393 6,94 0,72 7 7 s/ag 24,2 53,73 42,31 0,489 0,938 1,510 1,000 0,397 7,09 0,71 8 8 s/ag 24,0 67,60 70,53 0,768 0,877 0,680 0,572 0,353 7,40 0,74 9 9 s/ag 23,5 69,72 67,49 0,457 0,874 1,002 0,541 0,319 7,60 1,56 10 10 s/ag 23,3 75,85 78,17 0,635 0,724 0,712 0,605 0,343 7,06 0,48 11 11 s/ag 23,3 66,11 71,20 0,546 0,960 0,946 0,500 0,342 7,13 0,51 12 12 s/ag 23,3 70,68 57,04 0,523 0,546 1,103 1,310 0,408 6,96 0,63 13 13 s/ag 23,5 79,70 85,17 1,008 1,506 0,423 0,265 0,340 6,97 0,60 14 14 s/ag 24,1 67,43 72,64 0,978 1,248 0,794 0,577 0,523 6,62 1,13 15 15 s/ag 24,3 66,16 56,89 1,179 0,865 0,658 1,044 0,514 5,71 0,48 16 16 s/ag 24,3 56,11 60,56 0,888 0,888 0,918 0,850 0,457 6,27 1,08 17 17 s/ag 24,3 57,75 61,96 0,948 0,824 0,848 0,910 0,465 7,07 1,08 18 18 s/ag 23,8 59,72 68,33 1,021 1,009 0,825 0,730 0,503 7,01 1,13 19 19 s/ag 23,3 63,38 59,18 0,997 0,704 0,670 1,015 0,423 6,20 0,67 20 20 s/ag 22,3 51,96 58,70 0,305 0,327 2,124 1,751 0,336 6,12 0,81 21 21 s/ag 22,3 71,53 60,90 1,042 0,765 0,442 0,708 0,330 6,20 0,74 22 22 s/ag 22,4 54,88 40,00 0,721 0,568 0,891 1,552 0,353 6,15 0,66 23 23 s/ag 22,3 68,80 60,41 1,268 1,251 0,360 0,415 0,314 7,10 0,72 24 24 s/ag 22,2 74,48 52,93 1,115 1,011 0,393 0,610 0,326 8,15 0,74 25 25 s/ag 22,0 78,60 55,13 0,317 0,298 1,259 1,909 0,313 7,49 0,45 26 26 s/ag 21,8 83,65 72,31 0,157 0,148 0,942 1,161 0,124 6,63 0,87 27 27 s/ag 21,3 72,23 49,41 1,070 0,922 0,335 0,569 0,259 6,80 0,75 28 1 c/ag 21,6 65,67 47,66 0,900 0,856 0,681 0,987 0,403 6,26 0,73 29 2 c/ag 22,4 75,79 51,30 0,976 0,726 0,610 1,212 0,451 6,79 0,60 30 3 c/ag 22,4 65,93 62,49 0,753 0,720 0,827 0,913 0,411 6,64 0,53 31 4 c/ag 22,9 66,58 41,55 0,757 0,661 0,898 1,648 0,453 7,73 0,24 32 5 c/ag 23,3 74,50 43,69 1,330 1,018 0,470 1,047 0,466 6,81 0,58 33 6 c/ag 23,6 79,00 42,86 1,151 0,972 0,574 1,253 0,522 5,54 0,46 34 7 c/ag 23,4 66,35 38,86 0,952 0,707 0,716 1,644 0,452 6,30 0,63 35 8 c/ag 23,3 75,96 58,96 0,767 0,653 0,751 1,137 0,438 6,56 0,46 36 9 c/ag 23,0 60,48 47,96 0,702 0,742 0,978 1,167 0,415 6,96 0,47 37 10 c/ag 21,4 72,38 51,98 0,881 0,726 0,680 1,149 0,434 6,37 0,56 38 11 c/ag 21,1 71,39 51,28 0,894 0,768 0,614 0,993 0,391 5,65 0,61 39 12 c/ag 20,3 72,01 47,72 1,078 0,745 0,505 1,103 0,392 6,74 0,66 40 13 c/ag 20,1 65,99 47,91 0,937 0,877 0,510 0,750 0,315 7,11 0,57 41 14 c/ag 19,9 64,70 50,20 1,278 1,080 0,398 0,608 0,329 6,60 0,69 42 15 c/ag 18,5 63,82 70,98 0,269 0,323 0,805 0,714 0,163 6,21 0,38 43 16 c/ag 18,5 70,03 58,13 0,776 0,604 0,352 0,545 0,191 6,70 0,51 44 17 c/ag 18,3 66,43 52,44 0,900 0,699 0,451 0,735 0,269 7,10 0,49 45 18 c/ag 18,7 67,64 54,81 0,422 0,440 0,979 1,158 0,279 6,18 0,52 46 19 c/ag 19,1 81,56 30,04 1,019 1,187 0,339 0,791 0,282 6,25 0,56 47 20 c/ag 19,2 59,58 74,50 0,789 1,047 0,656 0,488 0,308 6,66 0,67 48 21 c/ag 19,3 74,55 61,65 0,617 0,545 0,552 0,756 0,254 6,43 0,64 49 22 c/ag 20,4 61,30 44,67 0,930 0,974 0,632 0,828 0,360 6,09 0,81 50 23 c/ag 21,5 72,22 68,75 1,242 1,140 0,496 0,568 0,445 6,03 0,96 51 24 c/ag 22,3 77,64 64,36 1,078 0,920 0,627 0,887 0,525 5,99 0,90 52 25 c/ag 22,3 74,53 55,01 0,598 0,808 0,961 0,963 0,428 6,36 0,50 53 26 c/ag 21,8 77,11 40,74 0,843 0,409 0,444 1,733 0,288 7,59 0,35 54 27 c/ag 22,1 73,82 73,75 1,235 1,762 0,485 0,340 0,442 6,67 0,57 55 28 c/ag 22,3 68,48 44,19 1,182 0,746 0,546 1,341 0,442 5,86 0,79
