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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA

DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS AGRONÔMICAS E AMBIENTAIS

CURSO DE ENGENHARIA AMBIENTAL

TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUÁRIAS DE

BOVINOCULTURA DE LEITE NO BRASIL

SITUAÇÃO ATUAL E POSSIBILIDADES

TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO

Samara Terezinha Decezaro

Frederico Westphalen, RS, Brasil

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TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUÁRIAS DE

BOVINOCULTURA DE LEITE NO BRASIL

SITUAÇÃO

ATUAL E POSSIBILIDADES

Samara Terezinha Decezaro

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia

Ambiental da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM, RS), como

requisito parcial para obtenção do grau de

Engenheira Ambiental

Orientador: Dr. Raphael Corrêa Medeiros

Co-orientador: Dr. Pablo Heleno Sezerino

Frederico Westphalen, RS, Brasil

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AGRADECIMENTOS

Primeiramente à Deus, por sempre iluminar meus passos.

À minha família e ao meu noivo Giliarde Tavares da Silva, pelo incentivo, motivação e apoio.

Ao professor Dr. Raphael Corrêa Medeiros, pela valiosa orientação no desenvolvimento deste trabalho.

Ao professor Dr. Pablo Heleno Sezerino, pela confiança depositada em mim na iniciação científica, pelos conselhos e pela amizade.

À Catiane Pelissari, pelo companheirismo nos trabalhos a campo e laboratório. Aos acadêmicos do Curso de Engenharia Ambiental da UFSM, em especial ao Igor Bergmann, pela ajuda nos trabalhos a campo.

Aos colegas do NUPEEA pela amizade.

À todos os professores do Curso de Engenharia Ambiental, que de uma ou outra forma contribuíram para o desenvolvimento deste trabalho.

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Suba o primeiro degrau com fé. Não é necessário que você veja toda a escada. Apenas dê o primeiro passo.

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RESUMO

Trabalho de Conclusão de Curso Curso de Engenharia Ambiental Universidade Federal de Santa Maria

TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUÁRIAS DE BOVINOCULTURA DE LEITE NO BRASIL SITUAÇÃO ATUAL E POSSIBILIDADES

AUTORA: SAMARA TEREZINHA DECEZARO ORIENTADOR: RAPHAEL CORRÊA MEDEIROS

Data e Local da Defesa: Frederico Westphalen, 16 de dezembro de 2013.

A bovinocultura de leite é uma atividade de reconhecida importância econômica no Brasil, contudo, responsável pela geração de grande volume de águas residuárias, que necessitam de tratamento adequado. Diante disso, o objetivo deste trabalho é apresentar alternativas para tratamento de efluentes de bovinocultura leiteira no Brasil, a partir de uma revisão de literatura a nível nacional e da avaliação de um sistema experimental composto por wetlands construídos, na região noroeste do Rio Grande do Sul. O levantamento das alternativas de tratamento já estudadas no Brasil consistiu na busca por textos científicos nacionais publicados a partir do ano 2000. Quanto ao sistema experimental, a metodologia consistiu na implantação, operação e monitoramento físico-químico (durante 1 ano) de dois wetlands, sendo um de fluxo horizontal – WCFH (26,5 m2 de área) e outro de fluxo vertical WCFV (14,3 m2 de área), plantados com Typha sp. Os resultados obtidos apontaram: Existem esforços no país para implantação de tecnologias de tratamento que apresentem baixos custos de implantação e operação, simplicidade operacional e que possam viabilizar o reuso do efluente tratado e/ou a produção de energia, sendo, de acordo com a revisão de literatura, os sistemas de lagoas e wetlands construídos os que apresentaram as menores concentrações efluentes de matéria orgânica e de nutrientes. A avaliação das unidades wetlands experimentais também demonstrou que este tipo de sistema, principalmente os WCFH, são uma tecnologia viável para tratamento de efluentes de bovinocultura leiteira, notadamente na Mesorregião Noroeste Rio-Grandense, com grande potencial de aplicação nas propriedades produtoras de leite do Brasil.

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ABSTRACT

The dairy cattle is an important economic activity recognized in Brazil, however, responsible for generating large volumes of wastewater that require proper treatment. Thus, the aim of this paper is to present alternatives for dairy parlors wastewater treatment in Brazil, from a national literature review and evaluation of an experimental system of constructed wetlands in the northwest region of Rio Grande do Sul. The treatment alternatives already studied in Brazil were searched in national scientific texts published since 2000. For the experimental system, the methodology was implementation, operation and physic-chemical monitoring (for 1 year) of two wetlands: horizontal flow - WCFH (26.5 m2 of area ) and vertical flow - WCFV (14.3 m2 of area), both planted with Typha sp. The results showed: There are efforts in the country to implement treatment technologies that have low implementation and operation costs, operational simplicity, and to make possible the reuse of treated effluent and / or energy production. According to the review literature, stabilization ponds and constructed wetlands systems were those who had the lowest effluent concentrations of organic matter and nutrients. The evaluation of experimental wetlands units also showed that this kind of system, especially WCFH are a viable technology for treating dairy parlors wastewater, especially in northwest region of Rio Grande do Sul, with great application potential in the milk producing properties located in Brazil.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1– Estados brasileiros com as maiores produções de leite, em 2011. ... 17

Figura 2 – Configurações de filtros anaeróbios de fluxo ascendente e descendente 25 Figura 3 – Esquema de sistema de tratamento com filtro anaeróbio, seguido de lagoa facultativa. ... 26

Figura 4 – Representação esquemática de um reator UASB. ... 27

Figura 5 – Esquema de sistema de tratamento com reator UASB seguido de lagoa facultativa. ... 28

Figura 6 – Fotografia de um biodigestor do tipo canadense... 29

Figura 7 – Esquema de um filtro biológico percolador. ... 30

Figura 8 – Fluxograma típico de um sistema de lodos ativados convencional. ... 31

Figura 9 – Sistemas de lagoas de estabilização: a) Sistema com lagoa facultativa; b) Sistema com lagoa anaeróbia seguida de lagoa facultativa; c) Sistema com lagoa aerada de mistura completa seguida de unidade de decantação. ... 32

Figura 10 – Esquema de sistema de infiltração-percolação, em canais de infiltração. ... 34

Figura 11 – Esquema de sistema de tratamento por escoamento superficial. ... 34

Figura 12 – Esquema da técnica da fertirrigação de culturas agrícolas (infiltração lenta). ... 35

Figura 13 – Classificação dos wetlands construídos. ... 36

Figura 14 – Esquema representando um WCFH. 1) afluente; 2) macrófitas; 3) impermeabilização; 4) zona de entrada; 5) tubulação de alimentação; 6) material filtrante; 7) sentido do fluxo; 8) zona de saída; 9) tubulação de coleta; 10) controlador de nível. ... 37

Figura 15 - Esquema representando um WCFV. 1) afluente; 2) macrófitas; 3) material filtrante; 4) tubulação de alimentação; 5) sentido do fluxo; 6) tubulação de coleta; 7) impermeabilização; 8) controlador de nível; 9) efluente. ... 38

Figura 16 – Distribuição dos tratamentos ... 42

Figura 17 – Localização do município de Frederico Westphalen, mesorregião noroeste Rio-Grandense. ... 52

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Figura 19 - Estrutura do sistema experimental ... 53

Figura 20 – Escavação em solo e impermeabilização dos wetlands. ... 55

Figura 21 – Preenchimento dos wetlands com areia e brita 1 ... 57

Figura 22 – Curva granulométrica obtida para a areia empregada nos wetlands ... 57

Figura 23 – Tubulações do WCFV. a) tubulação de coleta/drenagem; b) tubulação de alimentação. ... 58

Figura 24 - Tubulações empregadas no WCFH; a) vista da tubulação de alimentação do leito; b) detalhe da perfuração da tubulação de coleta. ... 59

Figura 25 – a) Retirada da macrófita do habitat natural; (b) Plantio nos wetlands. ... 60

Figura 26 – Vista geral do sistema experimental recém implantado. ... 61

Figura 27 – Concentração de DQO afluente e efluente dos wetlands tratando águas residuárias de bovinocultura. ... 65

Figura 28 – Concentração de DBO afluente e efluente dos wetlands tratando águas residuárias de bovinocultura. ... 66

Figura 29 – Concentração de sólidos totais afluente e efluente dos wetlands tratando águas residuárias de bovinocultura. ... 67

Figura 30 – Concentração de sólidos suspensos afluente e efluente dos wetlands tratando águas residuárias de bovinocultura. ... 68

Figura 31 - Proporções médias das diferentes formas nitrogenadas no efluente dos tratamentos utilizados para águas residuárias de bovinocultura. ... 69

Figura 32 – Concentração de NTK afluente e efluente dos wetlands tratando águas residuárias de bovinocultura. ... 70

Figura 33 – Concentração N-NH4+ afluente e efluente dos wetlands tratando águas residuárias de bovinocultura. ... 70

Figura 34 – Concentração de P-PO43- afluente e efluente dos wetlands tratando águas residuárias de bovinocultura. ... 71

Figura 35 - Comportamento evolutivo de P-PO43- do afluente e efluente dos wetlands tratando águas residuárias de bovinocultura. ... 72

Figura 36 – Cargas aplicadas nos wetlands e as respectivas eficiências de remoção. ... 75

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LISTA DE TABELAS

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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas

ANOVA Análise de Variância

APHA American Public Health Association

CAFW Colégio Agrícola de Frederico Westphalen CONSEMA Conselho Estadual do Meio Ambiente

CF Coliformes fecais

CNPq Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico

CTC Capacidade de troca catiônica

D10 Diâmetro Efetivo

D60 Diâmetro a 60 %

DBO5,20 Demanda Bioquímica de Oxigênio, 5 dias de incubação, a 20oC

DN Diâmetro Nominal

DP Desvio Padrão

DQO Demanda Química de Oxigênio

E. coli Escherichia coli

EMBRAPA Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária

ETE Estação de Tratamento de Efluentes

IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística

LD Lagoa de Decantação

LMCC Laboratório de Materiais de Construção Civil

NMP Número Mais Provável

Norg Nitrogênio Orgânico

NRCS Natural Resources Conservation Service

NT Nitrogênio Total

NTK Nitrogênio Total Kjeldhal

N-NH4 Nitrogênio Amoniacal

N-NO2- Nitrogênio Nitrito

N-NO3- Nitrogênio Nitrato

NUPEEA Núcleo de Pesquisa e Extensão em Engenharia Ambiental

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pH Potencial Hidrogeniônico P-PO43- Fósforo Ortofosfato

PVC Polyvinyl chloride

SS Sólidos Suspensos

SSD Sólidos Sedimentáveis

ST Sólidos Totais

STF Sólidos Totais Fixos

STV Sólidos Totais Voláteis

T Temperatura

TDH Tempo de Detenção Hidráulica

U Coeficiente de Uniformidade

UASB Upflow Anaerobic Sludge Blanket

UFSM Universidade Federal de Santa Maria

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SUMÁRIO

1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS ... 13

1.1 Objetivos ... 14

1.1.1 Objetivo geral ... 14

1.1.2 Objetivos específicos ... 14

2 REVISÃO DA LITERATURA ... 15

2.1 Situação da atividade leiteira no Brasil ... 15

2.2 Geração de resíduos pela atividade leiteira ... 18

2.3 Caracterização das águas residuárias de bovinocultura de leite ... 20

2.4 Manejo dos resíduos de bovinocultura de leite ... 21

2.5 Principais métodos de tratamento de efluentes de bovinocultura ... 24

2.5.1 Filtros anaeróbios ... 24

2.5.2 Reatores UASB ... 26

2.5.3 Biodigestores... 28

2.5.4 Filtros biológicos percoladores ... 29

2.5.5 Lodos ativados ... 30

2.5.6 Lagoas de estabilização ... 31

2.5.7 Disposição no solo ... 33

2.5.8 Wetlands construídos ... 35

3 TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUÁRIAS DE BOVINOCULTURA DE LEITE NO BRASIL ESTADO DA ARTE ... 39 BOVINOCULTURA DE LEITE NA MESORREGIÃO NOROESTE DO RIO GRANDE DO SUL ... 50

4.1 Introdução ... 50

4.2 Metodologia ... 51

4.3 Resultados e discussão ... 54

4.3.1 Construção do sistema experimental ... 54

4.3.2 Aspectos operacionais ... 61

4.3.3 Qualidade do efluente tratado ... 62

4.3.4 Desempenho global dos wetlands ... 73

4.4 Conclusão ... 76

5 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES ... 78

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1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS

A bovinocultura de leite é uma atividade de grande importância econômica no Brasil e apresenta-se em crescente expansão. Segundo o Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE), em 2011 foram produzidos no Brasil 32,096 bilhões de litros de leite.

Esta produção acarreta na geração de grande volume de águas residuárias que apresentam potencial para a poluição, de forma que a simples disposição dessas águas residuárias no solo sem tratamento adequado - prática muito utilizada quando se tem disponibilidade de área - pode causar grande impacto por sobrecarga de nutrientes no solo, podendo até mesmo ocasionar a eutrofização dos cursos de água.

Diversas propostas para tratamento de efluentes desse tipo são apresentadas em trabalhos publicados a nível internacional, destacando-se os trabalhos de Luostarinen e Rintala (2005), Dunne, et al. (2005), Gottschall, et al. (2007), Bolan, et

al. (2009), Ruane, et al. (2011), Rico, García e Rico (2011) e Comino, Riggio e Rosso (2012), os quais citam as lagoas de estabilização, os biodigestores, os filtros aeróbios, os reatores UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) e também os

wetlands construídos como opções para tratamento de efluentes de bovinocultura de leite.

(15)

Contudo, pouco conhecimento se tem sobre as tecnologias já implantadas para tratamento de águas residuárias de bovinocultura de leite no Brasil e principalmente sobre as experiências bem sucedidas. Salienta-se que o tratamento dessas águas residuárias deve ser adequado à forma de produção, bem como a legislação ambiental vigente, o que pode variar entre as regiões produtoras de leite do país.

1.1 Objetivos

1.1.1 Objetivo geral

O principal objetivo deste trabalho é apresentar alternativas para tratamento de efluentes de bovinocultura leiteira no Brasil, a partir de uma revisão de literatura a nível nacional e da avaliação de um sistema experimental composto por wetlands construídos, na região noroeste do Rio Grande do Sul.

1.1.2 Objetivos específicos

Como objetivos específicos do trabalho, destacam-se:

(i) Implantar, operar, monitorar e avaliar duas unidades de tratamento de efluentes do tipo wetlands construídos, uma de fluxo horizontal e outra de fluxo vertical, implantadas em clima subtropical, região noroeste do Rio Grande do Sul;

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2 REVISÃO DA LITERATURA

2.1 Situação da atividade leiteira no Brasil

De acordo com a Organização das Nações Unidas para Agricultura e Municipal do IBGE foi de 32,091 bilhões de litros em 2011. Deste total, segundo a Pesquisa Trimestral do Leite, realizada pelo IBGE, 67,9% foram adquiridos pela indústria de laticínios sob inspeção sanitária. O restante desta produção deve-se ao auto-consumo, produção artesanal de queijos e derivados, perdas, etc. (IBGE, 2011).

As condições edafoclimáticas do Brasil possibilitam a adaptação da atividade leiteira às peculiaridades regionais. Por essa razão, atualmente, a pecuária leiteira é praticada em todo território nacional e assim, existem diversos modelos ou formas de produção de leite, com variados graus de especialização, incluindo desde propriedades de subsistência, as quais utilizam técnicas rudimentares, com produção diária inferior a 10 litros de leite até grandes propriedades produtoras que utilizam tecnologias avançadas, com produção diária superior a 50 mil litros de leite (ZOCCAL e GOMES, 2005).

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Tabela 1 - Efetivo de vacas ordenhadas e produção de leite, total e variação percentual, segundo as Unidades da Federação - 2010-2011.

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Figura 1– Estados brasileiros com as maiores produções de leite, em 2011.

Fonte: Elaborado a partir de dados do IBGE, Diretoria de Pesquisas, Coordenação de Agropecuária, Pesquisa da Pecuária Municipal 2010-2011.

Quanto a dados de produtividade, segundo o IBGE (2011), a maior produtividade nacional de leite foi alcançada pelo Estado do Rio Grande do Sul (2.536 litros/vaca/ano), seguido por Santa Catarina (2.478 litros/vaca/ano) e Paraná (2.404 litros/vaca/ano). Minas Gerais, embora seja o maior produtor nacional de leite de vaca, ocupa a quarta posição em termos de produtividade, que, em 2011, ficou em torno de 1.555 litros/vaca/ano. Roraima é o estado com a menor produtividade nacional, cerca de 309 litros/vaca/ano.

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Paraná e do Rio Grande do Sul, os quais apresentam uma pecuária leiteira profissionalizada de alta tecnologia, com rebanho selecionado de aptidão leiteira, aliada a condições climáticas favoráveis (IBGE, 2011).

Conforme já citado, o Brasil apresenta grande variabilidade nos sistemas de produção. Assis, et al. (2005) apresenta uma classificação que define quatro tipos de sistemas de produção: extensivo, semi-extensivo, intensivo a pasto e intensivo em confinamento. Essa classificação foi feita com base no grau de intensificação e nível de produtividade, caracterizados conforme alimentação volumosa adotada. A descrição sobre as diferenças entre esses quatro tipos de sistemas, conforme Assis, et al. (2005) é apresentada a seguir:

Sistema extensivo: Animais com produção de até 1.200 litros de leite por vaca ordenhada/ano, criados exclusivamente a pasto;

Sistema semi-extensivo: Animais com produção entre 1.200 e 2.000 litros de leite por vaca ordenhada/ano, criados a pasto, com suplementação volumosa na época de menor crescimento do pasto;

Sistema intensivo a pasto: Animais com produção entre 2.000 e 4.500 litros de leite por vaca ordenhada/ano, criados a pasto com forrageiras de alta capacidade de suporte, com suplementação volumosa na época de menor crescimento do pasto ou, até mesmo, durante o ano todo;

Sistema intensivo em confinamento: Animais com produção acima de 4.500 litros de leite por vaca ordenhada/ano, mantidos em confinamento e alimentados no cocho com forragens conservadas, como silagens e fenos.

Pohlmann (2000) afirma que no Brasil ainda predomina o manejo extensivo de criação de bovinos, no qual os animais ficam soltos no pasto e os dejetos espalhados pelo campo em grandes áreas. Porém, segundo o mesmo autor, há forte tendência de aumento das criações confinadas para os próximos anos.

2.2 Geração de resíduos pela atividade leiteira

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pelos animais, devem ser considerados aqueles provenientes da retirada ou processamento do leite (POHLMANN, 2000). Segundo Cronk (1996), a quantidade de resíduo líquido produzido em instalações de bovinocultura de leite depende do manejo adotado, de forma que o consumo de água pode variar de 40 a 600 litros por vaca ordenhada.

De acordo com Matos (2005), tanto a quantidade quanto as características das águas residuárias de criatórios de animais variam conforme a diluição proporcionada pela adição de água e também com o período do ano, dia da semana e horário do dia. Mas, de forma geral, o autor afirma que a vazão de águas residuárias geradas é função do número de animais confinados, da quantidade de água desperdiçada nos bebedouros, da quantidade de água utilizada na higienização das instalações e transporte hidráulico dos dejetos e da existência ou não de sistemas de isolamento de águas pluviais.

Segundo Pohlmann (2000), o risco de impacto ambiental oriundo de criações de gado de leite é maior do que o produzido por gado de corte, pois o gado de leite produz quantidade superior de dejetos, sendo que, mesmo em criações não confinadas, ocorre a retenção dos animais em estábulos para ordenha e lavagem dos equipamentos utilizados.

O Plano Nacional de Resíduos Sólidos - versão preliminar (BRASIL, 2011) apresenta um levantamento de dados acerca da situação atual de geração de resíduos agrosilvopastoris no Brasil, incluindo a geração de resíduos da atividade de bovinocultura de leite e o potencial de geração de energia dos mesmos. Os dados do diagnóstico são apresentados na tabela 2.

Tabela 2 – Geração de resíduos por bovinos de leite no Brasil, ano base 2009.

Número de cabeças de bovinos de leite 22.435.289

Total de dejetos (t/ano) 316.909.675

Potencial energético (MW/ano) 1.032

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Ainda segundo a versão preliminar do Plano Nacional de Resíduos Sólidos (BRASIL, 2011), o crescimento do setor agrosilvopastoril nos últimos anos indica que a geração de resíduos continuará aumentando e por isso, o manejo, o tratamento e a disposição desses resíduos deve ser adequado, pois estas atividades são extremamente dependentes do uso de recursos naturais.

2.3 Caracterização das águas residuárias de bovinocultura de leite

Águas residuárias provenientes de instalações de bovinocultura de leite são compostas principalmente por urina e esterco, como também detergentes oriundos da limpeza da sala de ordenha, resíduos de leite e muco (HEALY, RODGERS e MULQUEEN, 2007). Além de sólidos e DBO, nutrientes como nitrogênio e fósforo são os constituintes mais importantes dessas águas residuárias, os quais são responsáveis pela eutrofização de corpos d´água (CRONK, 1996).

Segundo Derisio (1992) apud Campos (1997), a carga orgânica produzida por uma vaca é equivalente à carga orgânica produzida por 16 pessoas, considerando que no Brasil, uma pessoa elimina em média 54 g DBO5/dia (VON SPERLING, 2005). Já para Matos (2005), o equivalente populacional de uma vaca leiteira pode variar de 16 a 38 pessoas, dependendo da carga poluente da água residuária de bovinocultura leiteira.

Segundo Nennich, et al. (2005), o potencial nutricional dos dejetos de vacas em lactação os torna passíveis de tratamento e posterior reutilização, devido aos elevados teores de nutrientes, que são em torno de 0,491 Kg de nitrogênio por dia, 0,074 Kg de fósforo por dia e de 0,223 Kg de potássio por dia.

Quando o manejo dos dejetos é feito na fase líquida, os teores de contaminantes presentes na água residuária são normalmente expressos em mg/L. As águas residuárias provenientes de bovinocultura de leite apresentam concentrações de contaminantes mais elevadas se comparadas com esgoto doméstico, conforme é apresentado na tabela 3.

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utilizados, entre outros componentes empregados. Além disso, de acordo com Matos (2005), as características físico-químicas de águas residuárias de criatórios de animais dependem da digestibilidade, composição da ração e da idade dos animais. Wood, et al. (2007) constataram um elevado desvio padrão na caracterização de efluentes produzidos em sala de ordenha, os autores justificaram essa variabilidade em função das práticas operacionais do local de pesquisa.

Tabela 3 - Comparação físico-química de efluentes produzidos em instalações de bovinocultura de leite e efluente doméstico, apresentados na literatura.

Tipo de efluente Autores DBO5,20

(mg/L) (mg/L) DQO (mg/L) NTK (mg/L) N-NH4 (mg/L) PTotal (mg/L) SST

2.4 Manejo dos resíduos de bovinocultura de leite

O manejo dos resíduos de bovinocultura leiteira varia de acordo com o sistema de produção adotado e com a consistência do resíduo (JOHANN, 2010). Segundo Matos (2005), a fim de facilitar o transporte e a aplicação dos resíduos em áreas de cultivo agrícola, a incorporação de água aos dejetos frescos, tem se tornado prática frequente em vários países, principalmente naqueles que utilizam tecnologias agropecuárias mais avançadas.

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pode ser classificado de acordo com sua consistência, em: (i) Sólido, com 16% ou mais de sólidos totais (ST); (ii) Semi-sólido, com 12% a 16% de ST; (iii) Líquido, com 12% ou menos de ST.

Para a EMBRAPA (2004), existem várias formas para manejo do esterco, de acordo com a conveniência e o tipo de sistema de produção adotado, sendo: (i) Convencional ou manejo de esterco na forma sólida; (ii) Manejo de esterco líquido; (iii) Manejo de esterco semi-sólido ou misto; (iv) Manejo em lagoas de estabilização; (v) Compostagem; (vi) Combinações dos sistemas anteriores. Cada um desses sistemas descritos é composto pelas fases de coleta, armazenamento, tratamento, transporte e utilização. A seguir consta a descrição de como ocorre o manejo do esterco nas consistências sólido, semi-sólido e líquido, conforme a EMBRAPA (2004). Ressalta-se que o manejo de dejetos nos estados sólido e semi-sólido não faz parte do escopo do presente trabalho, por isso, será dado ênfase no manejo do esterco na forma líquida e nas respectivas possibilidades de tratamento.

Manejo do esterco na forma sólida ou convencional

Nessa forma de manejo, o esterco seco é raspado, manual ou mecanicamente, e amontoado para coleta e transporte. O esterco é retirado diariamente e pode ter diferentes destinos, podendo ser: (i) Armazenado em locais cobertos, ou não, para escoamento do excesso de umidade, e distribuído, em seguida, nas áreas de cultura; (ii) Levado para esterqueira ou para compostagem; (iii) Distribuído diretamente nas áreas de cultura.

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Manejo do esterco semi-sólido ou misto

O manejo do esterco na forma semi-sólida ocorre quando a quantidade de água incorporada aos dejetos é apenas suficiente para facilitar a remoção do esterco das instalações de bovinocultura, resultando em uma mistura com 12% a 16% de sólidos totais, considerada muito úmida para o sistema convencional e pouco úmida para o sistema de irrigação. Nesse sistema de manejo, são utilizados tanques ou fossas de armazenamento para posterior fertirrigação dos solos. Normalmente, a distribuição do esterco semi-sólido necessita de um distribuidor de esterco líquido tracionado por trator ou de caminhão-tanque, equipado com sistema vácuo-compressor para as operações de homogeneização, carregamento e distribuição.

Manejo do esterco líquido

Para esse tipo de manejo, faz-se necessária a construção de tanques para coleta, tratamento e homogeneização do material proveniente da limpeza das instalações de bovinocultura. Os dejetos e os resíduos da alimentação são diluídos em água na proporção de 1:1 ou menos, de modo que a concentração de ST seja menor ou igual a 12%, a fim de permitir a utilização de sistemas de irrigação com equipamentos especiais. O volume dos tanques varia de acordo com o sistema de tratamento adotado, com o tamanho do rebanho, o sistema de confinamento, diluição dos dejetos, tempo de detenção hidráulica nos reatores biológicos, tipo de solo e culturas a serem irrigadas, manejo adotado para o sistema de irrigação (fertirrigação) e quantidade de chuva que o sistema pode suportar.

(25)

2.5 Principais métodos de tratamento de efluentes de bovinocultura

Os principais métodos para tratamento de efluentes agroindustriais são os sistemas anaeróbios (como os filtros anaeróbios e os reatores UASB), os sistemas de lagoas de estabilização, os sistemas de lodos ativados e os sistemas wetlands construídos (MATOS, 2005; JOHANN, 2010). Para tratamento de águas residuárias de bovinocultura de leite, existem diversas propostas publicados a nível internacional, destacando-se os trabalhos de Luostarinen e Rintala (2005), Dunne, et al. (2005), Gottschall, et al. (2007), Bolan, et al. (2009), Ruane, et al. (2011), Rico, García e Rico (2011) e Comino, Riggio e Rosso (2012), os quais citam no geral, as lagoas de estabilização, os biodigestores, os filtros aeróbios, os reatores UASB e também os wetlands construídos como opções de tratamento desses efluentes. A seguir são descritos os principais métodos de tratamento apresentados na literatura.

2.5.1 Filtros anaeróbios

Os filtros anaeróbios são caracterizados por terem parte do volume preenchido com material inerte, onde ocorre imobilização da biomassa por aderência em meio suporte fixo, que permanece estacionário (CAMPOS, 1999). Segundo o mesmo autor, nesses reatores, o fluxo hidráulico ocorre nos interstícios do material suporte e o tratamento acontece pelo contato da biomassa com o esgoto, durante sua passagem pelo reator.

Em geral, os filtros anaeróbios são indicados para tratamento de águas residuárias caracterizadas por serem mais solúveis ou quando os sólidos orgânicos de maiores dimensões forem retidos em uma unidade anterior, um decanto-digestor, por exemplo (CAMPOS, 1999).

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excesso que se desprende do meio suporte é retirado do fundo do reator. Campos (1999) afirma que em termos práticos, o filtro de fluxo ascendente tem sido mais utilizado.

Segundo Matos (2005), os filtros anaeróbios quando utilizados para tratamento de efluentes agroindustriais, requerem unidades de decantação primária à montante (como fossas sépticas ou tanques de Imhoff) e lagoa facultativa como pós tratamento (figura 3). O emprego de uma lagoa facultativa objetiva melhor condicionar o efluente para lançamento nos corpos receptores, pois a remoção de DBO nos filtros anaeróbios é baixa, o efluente geralmente apresenta aspecto desagradável, concentração elevada de nutrientes, sólidos em suspensão e maus odores (MATOS, 2005).

Figura 2 – Configurações de filtros anaeróbios de fluxo ascendente e descendente.

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Figura 3– Esquema de sistema de tratamento com filtro anaeróbio, seguido de lagoa facultativa.

Fonte: Matos, 2005.

2.5.2 Reatores UASB

Os reatores UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket), também denominados de RAFA (Reatores Anaeróbios de Fluxo Ascendente e de Manta de Lodo) são vistos por Von Sperling (2005) como a principal tendência atual de tratamento de esgotos no Brasil, tanto como unidades únicas ou seguidas de pós-tratamento. Nos reatores UASB a biomassa cresce dispersa no meio, formando pequenos grânulos, os quais tendem a servir de meio suporte para outras bactérias. Nesses reatores, a

concentração de biomassa é bem elevada, o que justifica a denominação “manta de lodo”, por isso, o volume requerido pelos reatores UASB é bastante reduzido (VON SPERLING, 2005).

Segundo Campos (1999), o reator UASB possibilita o tratamento direto das águas residuárias, sejam elas de origem simples ou complexa, de baixa a alta concentração, solúveis ou com material particulado. O autor supõe que o UASB é ao mesmo tempo um decantador primário, um reator biológico, um decantador secundário e também um digestor de lodo.

(28)

estrutura denominada separador trifásico (separa o líquido, os sólidos e os gases), o qual é responsável por reter a biomassa no sistema, impedindo que ela saia com o efluente. Dessa forma, devido à elevada retenção de sólidos, a idade do lodo é bastante elevada, e assim, o tempo de detenção hidráulica pode ser bastante reduzido. O gás formado é coletado na parte superior do reator, de onde pode ser retirado e utilizado para geração de energia a partir do metano ou queimado (VON SPERLING, 2005). Na figura 4 é apresentado um esquema do funcionamento de um reator UASB.

Figura 4 – Representação esquemática de um reator UASB.

Fonte: Campos, 1999.

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Figura 5 – Esquema de sistema de tratamento com reator UASB seguido de lagoa facultativa.

Fonte: Matos, 2005.

2.5.3 Biodigestores

Um biodigestor pode ser definido como uma câmara fechada, na qual uma biomassa (em geral, resíduos de animais) é fermentada anaerobicamente, produzindo biogás e biofertilizante (GASPAR, 2003). Segundo Neves (2010), existem vários modelos de biodigestores, porém o mais difundido no Brasil é o modelo canadense, feito com manta de PVC (figura 6).

A digestão anaeróbica de esterco de gado leiteiro tem demonstrado ser uma forma atrativa de tratamento, oferecendo diversas vantagens, como controle da poluição, de odores, redução de patógenos, recuperação de nutrientes e produção de energia (AMON, et al., 2007; HARTMANN e AHRING, 2005; KARIM, et al., 2005; UMETSU, et al., 2006 apud RICO, GARCÍA e RICO, 2011).

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Figura 6 – Fotografia de um biodigestor do tipo canadense. Fonte: Neves, 2010.

2.5.4 Filtros biológicos percoladores

Os filtros biológicos percoladores são reatores nos quais a biomassa cresce aderida a um meio suporte (como pedras, brita, escória de alto-forno, ripas ou material plástico), sobre o qual é aplicado o esgoto (frequentemente através de distribuidores rotativos), que percola em direção ao fundo, onde é coletado (figura 7) (VON SPERLING, 2005).

Segundo Von Sperling (2005), os filtros biológicos são sistemas aeróbios, pois o ar circula nos espaços vazios do meio suporte, fornecendo oxigênio para a respiração dos micro-organismos. Existem dois tipos de filtros biológicos percoladores: (i) Filtros biológicos percoladores de baixa carga – recebem menor carga de DBO, resultando numa estabilização parcial do lodo e numa maior eficiência na remoção de DBO; (ii) Filtros biológicos percoladores de alta carga –

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Figura 7 – Esquema de um filtro biológico percolador.

Fonte: Von Sperling, 2005.

2.5.5 Lodos ativados

Os sistemas de Lodos Ativados têm como princípio básico a recirculação dos sólidos (biomassa bacteriana), sedimentados em um decantador secundário, os quais retornam ao reator, aumentando o tempo de contato das bactérias com o líquido o que consequentemente, aumenta a eficiência do sistema (MATOS, 2005).

Existem diversas variantes do sistema de lodos ativados. Von Sperling (2005) destaca que as principais variantes são: (i) Lodos ativados convencional (fluxo contínuo) (figura 8); (ii) Aeração prolongada (fluxo contínuo) – a biomassa permanece maior tempo no reator e em decorrência, o lodo é estabilizado; (iii) Reatores sequenciais por batelada (operação intermitente) – as etapas de reação e sedimentação ocorrem no mesmo tanque, em fases diferentes. Segundo Matos (2005), o lodo produzido em sistemas de Lodos Ativados deve ser periodicamente removido e estabilizado antes de sua disposição final no meio ambiente.

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sensibilidade do sistema a cargas tóxicas, além da possibilidade de ocorrência de ruídos e exalação de aerossóis (MATOS, 2005).

Figura 8 – Fluxograma típico de um sistema de lodos ativados convencional.

Fonte: Adaptado de Von Sperling, 2005.

2.5.6 Lagoas de estabilização

As lagoas de estabilização são unidades projetadas para tratar águas residuárias por mecanismos predominantemente biológicos. De acordo com Von Sperling (2005), as lagoas de estabilização podem ser classificadas em: Lagoas facultativas, sistemas de lagoas anaeróbias seguidas de lagoas facultativas, lagoas aeradas facultativas, sistemas de lagoas aeradas de mistura completa seguidas de lagoas de sedimentação, lagoas de alta taxa, lagoas de maturação e lagoas de polimento. A escolha entre as diversas configurações de tratamento citadas depende da disponibilidade de área junto à fonte geradora da água residuária, da taxa de geração, da velocidade exigida no tratamento e da localização (distância de áreas residenciais) (MATOS, 2005).

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São muitas as vantagens das lagoas de estabilização, entre as principais estão a satisfatória eficiência na remoção de DBO, razoável eficiência na remoção de patógenos, construção, operação e manutenção simples e os reduzidos custos de implantação e operação. Entre as principais desvantagens desse tipo de sistema pode-se citar os elevados requisitos de área, possibilidade de geração de maus odores (no caso de lagoa anaeróbia), necessidade de afastamento de residências e a performance extremamente dependente das condições climáticas.

Na figura 9 são apresentadas as configurações mais frequentes de lagoas de estabilização aplicadas ao tratamento de águas residuárias agroindustriais, as quais são descritas por Matos (2005).

Figura 9 – Sistemas de lagoas de estabilização: a) Sistema com lagoa facultativa; b) Sistema com lagoa anaeróbia seguida de lagoa facultativa; c) Sistema com lagoa aerada de mistura completa seguida de unidade de decantação.

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2.5.7 Disposição no solo

A disposição de águas residuárias agroindustriais no solo é uma técnica atraente para a realidade brasileira, devido às condições de clima tropical e à grande disponibilidade de área. Esta técnica se baseia na capacidade depuradora do sistema solo-planta, que utiliza mecanismos físicos, químicos e biológicos de remoção dos poluentes contidos nas águas residuárias (ERTHAL, 2010a).

De acordo com Matos (2005), a disposição de efluentes no solo é uma técnica de tratamento de grande potencial de aplicação, em vista dos baixos custos de implantação e operação, por contribuir para a preservação do meio ambiente, por possibilitar o aproveitamento dos nutrientes contidos na água residuária para a produção agrícola, e também, devido à possibilidade de transformação dos resíduos gerados em fonte de renda ou benefício social.

Essa técnica tem mostrado grande viabilidade técnica e econômica, podendo ser uma forma de tratamento, tanto a nível primário, quanto a nível secundário ou terciário e/ou de disposição final (MATOS, 2005). Contudo, segundo o mesmo autor, para disposição de águas residuárias agroindustriais no solo, são necessários estudos que visem a definição de taxas de aplicação (considerando as capacidades de suporte de cada solo) e que resguardem a integridade dos recursos naturais, a fim de evitar problemas de qualidade ambiental.

De acordo com Matos (2005), as formas de disposição podem ser infiltração-percolação, escoamento superficial, fertirrigação e lançamento em “áreas alagadas”

(wetlands construídos). No presente trabalho, no entanto, preferiu-se por abordar separadamente os wetlands construídos (ítem 2.5.8), de acordo com os objetivos pré-estabelecidos.

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Figura 10 – Esquema de sistema de infiltração-percolação, em canais de infiltração.

Fonte: Matos, 2005.

O método de escoamento superficial é uma forma de disposição/tratamento que consiste na aplicação controlada e de forma intermitente de águas residuárias no solo, de forma que essas escoem, rampa abaixo, até alcançar canais de coleta (figura 11) (VON SPERLING, 2005). Segundo Von Sperling (2005), os solos indicados para esse tipo de tratamento/disposição final são os de baixa permeabilidade (como os argilosos), contendo uma inclinação moderada (entre 2 e 8%).

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Já a fertirrigação (figura 12), diferentemente dos métodos mencionados anteriormente, é uma técnica de disposição/tratamento onde prioriza-se o aproveitamento dos nutrientes contidos nas águas residuárias. Para isso, as taxas de aplicação de águas residuárias agroindustriais no solo devem ser baseadas na dose de nutrientes recomendadas para as culturas agrícolas (MATOS, 2005).

Figura 12 – Esquema da técnica da fertirrigação de culturas agrícolas (infiltração lenta).

Fonte: Matos, 2005.

2.5.8 Wetlands construídos

Os wetlands construídos são sistemas de tratamento de águas residuárias projetados para “imitar” o papel de depuração que naturalmente ocorre em ambientes alagados naturais (como brejos e pântanos). De forma geral, são lagoas ou canais rasos que abrigam plantas aquáticas e que baseiam-se em mecanismos físicos, químicos e biológicos para tratar águas residuárias.

(37)

Os wetlands construídos de escoamento subsuperficial são módulos normalmente escavados no terreno, que contém um material de recheio (brita, areia ou cascalho) no qual o efluente a ser tratado percola, dependendo do tipo de fluxo empregado, no sentido horizontal (wetlands construídos de fluxo horizontal – WCFH) ou vertical (wetlands construídos de fluxo vertical – WCFV).

Figura 13 – Classificação dos wetlands construídos.

Fonte: Adaptado de Vymazal e Kroepfelová, 2008.

Wetlands construídos de fluxo horizontal (WCFH)

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Figura 14 – Esquema representando um WCFH. 1) afluente; 2) macrófitas; 3) impermeabilização; 4) zona de entrada; 5) tubulação de alimentação; 6) material filtrante; 7) sentido do fluxo; 8) zona de saída; 9) tubulação de coleta; 10) controlador de nível.

Fonte: Pelissari, 2013.

Wetlands construídos de fluxo vertical (WCFV)

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Figura 15 - Esquema representando um WCFV. 1) afluente; 2) macrófitas; 3) material filtrante; 4) tubulação de alimentação; 5) sentido do fluxo; 6) tubulação de coleta; 7) impermeabilização; 8) controlador de nível; 9) efluente.

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3 TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUÁRIAS DE BOVINOCULTURA

produção ocorre em praticamente todo território nacional e apresenta forte tendência de crescimento para os próximos anos.

Contudo, a expansão da bovinocultura de leite no país, exige o desenvolvimento de tecnologias que possibilitem a mitigação do impacto ambiental gerado na atividade, que pode causar poluição do ar, do solo e dos recursos hídricos. As águas residuárias de bovinocultura de leite, segundo Rico, García e Rico (2011), estão entre as águas residuárias agroindustriais mais poluentes, pois fazendas de gado leiteiro produzem efluentes com altas concentrações de matéria orgânica, nitrogênio e fósforo, que quando mal gerenciados podem causar graves problemas ambientais.

Diversas propostas para tratamento de águas residuárias de bovinocultura de leite são apresentadas em trabalhos publicados a nível internacional, destacando-se os trabalhos de Luostarinen e Rintala (2005), Dunne, et al. (2005), Gottschall, et al. (2007), Bolan, et al. (2009), Ruane, et al. (2011), Rico, García e Rico (2011) e Comino, Riggio e Rosso (2012). Contudo, pouco conhecimento se tem sobre as tecnologias já implantadas para tratamento desse tipo de água residuária no Brasil e principalmente, sobre as experiências bem sucedidas. É importante destacar que o tratamento dessas águas residuárias deve ser adequado tanto à forma de produção, quanto à legislação ambiental vigente nos estados produtores de leite do país.

(41)

3.2 Metodologia

A metodologia empregada consistiu na busca de textos científicos nacionais publicados em diversas bases de dados a partir do ano 2000, tomando-se como base de busca por assunto as palavras-chave: bovinocultura de leite, tratamento de efluentes e tratamento de dejetos.

Inicialmente, cada texto foi submetido a uma primeira etapa de consulta com o objetivo de identificar as tecnologias utilizadas para tratamento de águas residuárias de bovinocultura de leite.

Após esta primeira etapa, os textos foram submetidos a uma segunda etapa de avaliação, buscando identificar aspectos gerais de cada trabalho, com ênfase na caracterização qualitativa da água residuária bruta, tratada e as respectivas eficiências obtidas no tratamento. Para tanto, buscou-se identificar parâmetros físico-químicos, e biológicos, tais como: DBO, DQO, pH, nitrogênio, fósforo, Coliformes fecais, E. coli, sólidos, óleos e graxas e turbidez.

3.3 Resultados e discussão

Na tabela 4 constam as bases de dados onde foram encontrados trabalhos relacionados ao tratamento de efluentes de bovinocultura de leite no Brasil, bem como os autores e a quantidade de trabalhos disponível.

Também foi pesquisado em outras fontes, mas sem nenhuma ocorrência, as quais foram: Revista de Engenharia Sanitária e Ambiental, Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental e Revista Ambiente e Água, além de Congressos, Seminários e Simpósios relacionados.

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podem representar significativamente a realidade brasileira quanto às alternativas para tratamento de efluentes de bovinocultura de leite já estudadas.

Tabela 4 – Bases de dados consultadas

Base de dados Autores de trabalhos Quantidade

SciELO

Silva (2010) Erthal (2010a) Erthal (2010b)

Moraes e Paula Júnior (2004)

4

Biblioteca Digital de Teses e Dissertações

Johann (2010) Coldebella (2006) Silva (2007) Erthal (2008) Souza (2005) Mendonça (2009) Pohlmann (2000) Pelissari (2013)

8

Seminário de Gestão Ambiental na Agropecuária Zaro, et al. (2012) Decezaro, et al. (2012) 2

Total 14

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Tabela 5 - Alternativas de tratamento apontadas para tratamento de águas residuárias de bovinocultura de leite no Brasil.

Autor Tratamento adotado

Coldebella (2006) Biodigestor

Decezaro, et al. (2012) Lagoa de decantação → operando em paralelo) wetlands construídos (2 unidades

Erthal (2008) Disposição no solo (fertirrigação) Erthal, et al. (2010a) Disposição no solo (fertirrigação) Erthal, et al. (2010b) Disposição no solo (fertirrigação)

Johann (2010) Decantação → flotação → desinfecção por radiação solar

Mendonça (2009) Reatores anaeróbios tubulares horizontais de fluxo contínuo (biodigestor tubular) Moraes e Paula Júnior (2004) Reatores UASB

Pelissari (2013) Lagoa de decantação → operando em paralelo) wetlands construídos (2 unidades

Silva (2007) Lagoa anaeróbia → lagoa facultativa →wetland construído Silva e Roston (2010) Lagoa anaeróbia → lagoa facultativa → wetland construído Souza (2005) Disposição no solo (fertirrigação)

Zaro, Rodrigues e Giustina (2012) Biodigestor (análise de viabilidade de implantação)

Figura 16 – Distribuição dos tratamentos

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Biodigestores

A utilização de biodigestores para tratamento de efluentes de bovinocultura leiteira foi relatada em 3 trabalhos (Coldebella, 2006; Mendonça, 2009; Zaro, Rodrigues e Giustina, 2012). Um biodigestor pode ser definido como uma câmara fechada, na qual uma biomassa (em geral, resíduos de animais) é fermentada anaerobicamente, produzindo biogás e biofertilizante (GASPAR, 2003). Segundo Neves (2010), existem vários modelos de biodigestores, porém o mais difundido no Brasil é o modelo canadense, feito com manta de PVC.

A digestão anaeróbica de esterco de gado leiteiro tem demonstrado ser uma forma atrativa de tratamento, oferecendo diversas vantagens, como controle da poluição, de odores, redução de patógenos, recuperação de nutrientes e produção de energia (AMON, et al., 2007; HARTMANN e AHRING, 2005; KARIM, et al., 2005; UMETSU, et al., 2006 apud RICO, GARCÍA e RICO, 2011).

Coldebella (2006) avaliou a viabilidade do uso de biogás proveniente de biodigestor para geração de energia elétrica e irrigação em propriedades rurais. O autor concluiu que o uso de biodigestores em propriedades rurais além de uma excelente alternativa para tratamento dos efluentes líquidos de bovinocultura, pode ser economicamente viável quando o biogás e o biofertilizante são utilizados adequadamente.

Mendonça (2009) operando biodigestores com TDH = 20 dias e T = 30º C, obteve remoções médias de 83%, 76% e 86%, respectivamente para DQO, ST e STV e operando com TDH=15 dias e T=35oC alcançou uma produção de 1,32 m3 de biogás / Kg DQO.

(45)

Disposição no solo (fertirrigação) para satisfazer os requisitos de irrigação das culturas agrícolas. A fertirrigação prioriza o aproveitamento dos nutrientes presentes na água residuária, tais como nitrogênio, potássio e, principalmente, fósforo, os quais são fundamentais no cultivo de solos pobres, como os que ocorrem na maior parte do Brasil (MATOS, 2005). Segundo o mesmo autor, a utilização de águas residuárias ricas em nutrientes na fertirrigação de culturas agrícolas aumenta a produtividade e a qualidade dos produtos colhidos, melhora as características químicas, físicas e biológicas do solo e reduz a poluição ambiental.

Na presente revisão foram identificados 4 trabalhos que relatam a fertirrigação para tratamento/disposição final das águas residuárias de bovinocultura de leite (Erthal, 2008; Erthal et al., 2010a; Erthal et al., 2010b e Souza, 2005) , os quais são descritos a seguir.

Erthal (2008) e Erthal, et al. (2010b) avaliaram os efeitos da aplicação de águas residuárias de bovinocultura sobre as propriedades físicas e químicas de um Argissolo Vermelho Eutrófico. Utilizando quatro taxas de aplicação da água residuária (25, 50, 75 e 100 kg ha-1 de K), os autores concluíram que os valores de pH, CTC, saturação por bases e concentrações de P, K, Ca e Mg, aumentaram com acréscimos nas taxas de aplicação, nas camadas superficiais do solo. Não ocorreu salinização do perfil do solo embora a porcentagem de argila dispersa em água tenha aumentado, indicando que a aplicação permanente da água residuária pode propiciar riscos de redução da permeabilidade do solo.

(46)

rendimento forrageiro em níveis próximos aos recomendados, podendo substituir parcialmente a adubação mineral.

Já Souza (2005), avaliou o desempenho de microaspersores e a suscetibilidade dos mesmos ao entupimento quando operados com diferentes concentrações de sólidos totais na água residuária de bovinocultura de leite.

Lagoas seguidas de wetlands construídos

Tanto as lagoas, sejam elas anaeróbias, facultativas ou de decantação, quanto os wetlands construídos são alternativas de tratamento atrativas para a realidade da bovinocultura leiteira brasileira por serem sistemas de baixo custo de implantação, operação e manutenção e de grande simplicidade operacional.

As lagoas de estabilização são unidades projetadas para tratar águas residuárias por mecanismos predominantemente biológicos. As lagoas de estabilização, notadamente as lagoas facultativas, as lagoas aeradas e os sistemas de lagoas anaeróbias seguidas de lagoas facultativas, têm sido muito utilizadas para tratamento de águas residuárias ricas em matéria orgânica, sendo muito adequadas no caso das agroindustriais (MATOS, 2005).

São muitas as vantagens das lagoas de estabilização, entre as principais estão a satisfatória eficiência na remoção de DBO, razoável eficiência na remoção de patógenos, construção, operação e manutenção simples e os reduzidos custos de implantação e operação. Entre as principais desvantagens desse tipo de sistema pode-se citar os elevados requisitos de área, possibilidade de geração de maus odores (no caso de lagoa anaeróbia), necessidade de afastamento de residências e a performance extremamente dependente das condições climáticas.

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sendo que existem diversos arranjos tecnológicos, dependendo do objetivo do tratamento. Contudo, os wetlands construídos necessitam de unidades de tratamento primário à montante. Diante disso, as diversas configurações de lagoas seguidas de wetlands se mostram atrativas.

Os trabalhos de Silva (2007) e de Silva e Roston (2010) apresentam a avaliação de uma ETE piloto composta por três unidades, sendo uma lagoa anaeróbia, uma lagoa facultativa e um pós-tratamento utilizando um wetland construído. Os resultados da pesquisa demonstraram remoções totais de 80% para fósforo, 88% para amônia e nitrato, 89% para DQO, 67% para ST e 60% para turbidez e o pH médio das amostras foi de 6,2. Contudo, foi relatado que a lagoa anaeróbia projetada não suportou ao lançamento do efluente bruto, apresentando grande quantidade de sólidos flotantes, mas isso não resultou em mudanças nas características do wetland, durante 280 dias de operação.

Decezaro, et al. (2012) avaliaram a implantação e o início de operação de duas unidades de wetlands construídos, um de fluxo horizontal (WCFH) e outro de fluxo vertical (WCFV), empregadas em paralelo no pós-tratamento de efluentes de lagoa de decantação, a qual recebia despejos de uma instalação de bovinocultura de leite na região noroeste do Rio Grande do Sul. O trabalho de Pelissari (2013) apresenta os resultados de 12 meses de monitoramento do experimento descrito por Decezaro, et al. (2012), os quais demonstraram eficiências médias de remoção de 62%, 74%, 43%, 81%, 59% e 35% para DBO, DQO, ST, SS, N-NH4+ e P-PO43-, respectivamente no WCFH e de 49%, 68%, 35%, 68%, 80% e 10% para DBO, DQO, ST, SS, N-NH4+ e P-PO43-, respectivamente no WCFV, durante o período de estudo.

Reatores UASB

Os reatores UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) são considerados os reatores anaeróbios de maior sucesso, por serem capazes de formar agregados densos por auto imobilização e consequentemente permitirem a atuação do reator em alta taxa (KALYUZHNYI, FEDOROVICH e LENS, 2006).

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nutrientes (N e P), produção de biogás com valor energético, baixo consumo de energia, partida rápida após longo período de parada, e lodo excedente mais estabilizado, o que facilita a sua disposição final.

Também os reatores UASB foram avaliados para tratamento de águas residuárias de bovinocultura de leite, representados nessa pesquisa pelo trabalho de Moraes e Paula Júnior (2004). Os autores avaliaram a biodegradabilidade de dejetos da bovinocultura e da suinocultura, sendo que nos ensaios, foram utilizados lodos granulados de três origens diferentes (abatedouro de aves, bovinocultura ou suinocultura), adaptados ou não. Foi utilizada uma relação de substrato:biomassa igual a 0,5. Foram testados modelos cinéticos dos tipos Monod, Ordem Zero, Primeira e Segunda Ordem onde verificou-se que o modelo de Primeira Ordem foi o que melhor se ajustou para os ensaios realizados.

Para fins de lançamento do efluente em corpos hídricos, Matos (2005) afirma que o efluente do reator UASB necessita de um pós tratamento, que pode ser obtido em uma lagoa facultativa, por escoamento superficial no solo ou em unidades

wetlands construídos.

Decantação – flotação – desinfecção por radiação solar

O tratamento composto por decantação seguida de flotação e desinfecção por radiação solar foi proposto por Johann (2010), em sua dissertação de mestrado. Os resultados da pesquisa demonstraram reduções satisfatórias nas concentrações afluentes, principalmente para DBO, DQO e N-total. No caso do sistema de desinfecção com radiação solar os melhores resultados foram obtidos após 24 horas de exposição ao sol.

Comparação entre as alternativas apresentadas

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avaliados em cada trabalho, a qualidade da água residuária afluente e efluente aos tratamentos e as respectivas eficiências de remoção de parâmetros físicos, químicos e biológicos. Cabe ressaltar que nessa tabela estão apresentados os resultados mais satisfatórios de cada trabalho.

Tabela 6 - Desempenho de diferentes tratamentos, aplicados a águas residuárias de bovinocultura de leite.

Autor Tratamento adotado Parâmetros Afluente Efluente Eficiência

Johann horizontais de fluxo contínuo (biodigestor tubular) tratamento de efluente de lagoa de decantação)

Unidades: Para CF e E.coli a unidade é NMP/100 mL. Para os demais parâmetros, a unidade é mg/L. Em cada trabalho foram selecionadas as maiores eficiências médias, sendo cada parâmetro trabalhado de forma independente dos demais.

*Resultados obtidos com a adição de floculante.

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Resolução CONAMA 430/2011, entre outras exigências, estabelece que efluentes de qualquer fonte poluidora somente poderão ser lançados diretamente em corpos receptores após remoção mínima de 60% de DBO5,20, devendo conter no máximo 20 mg/L de nitrogênio amoniacal total.

3.4 Conclusões

Identificou-se tendência pela utilização de alternativas de tratamento que visam o reuso do efluente (como a fertirrigação) e a produção de energia (como os biodigestores) e também de alternativas de baixo custo e simplicidade operacional, como as lagoas de estabilização e os wetlands construídos.

Contudo, apesar das diversas tecnologias disponíveis e aplicáveis para tratamento das águas residuárias de bovinocultura de leite no Brasil, atualmente predomina no país a simples disposição dessas águas residuárias no solo sem nenhum tratamento e muitas vezes na ausência de critérios que considerem as características de cada tipo de solo e as necessidades nutricionais das culturas agrícolas.

(51)

4

WETLANDS

CONSTRUÍDOS PARA TRATAMENTO DE

EFLUENTES DE BOVINOCULTURA DE LEITE NA MESORREGIÃO

NOROESTE DO RIO GRANDE DO SUL

4.1 Introdução

A atividade leiteira no estado do Rio Grande do Sul apresenta-se em crescente expansão. O estado está enquadrado em segundo lugar no ranking brasileiro de produção de leite, representando 12% da produção nacional (IBGE, 2011). Na mesorregião noroeste deste estado, a bovinocultura de leite se destaca como uma das principais atividades agropecuárias. Atualmente, esta mesorregião é a maior produtora de leite nacional, com um volume de produção estimada de 2.614.988 mil litros no ano de 2011 (ZOCCAL, 2012).

Contudo, essa produção acarreta na geração de efluentes líquidos que necessitam de gerenciamento adequado para garantir tal desenvolvimento e atender aos padrões estabelecidos pela legislação. Segundo Cronk (1996), além de sólidos e DBO, nutrientes como nitrogênio e fósforo são os constituintes mais importantes em águas residuais de animais, os quais são responsáveis pela eutrofização (CRONK, 1996).

Assim, percebe-se a necessidade de alternativas tecnológicas para tratamento desses efluentes. Nesse sentido, os wetlands construídos são uma alternativa bastante atrativa. Os wetlands construídos vêm sendo cada vez mais utilizados no tratamento de águas residuárias da agricultura por possibilitarem a remoção de nutrientes, particularmente nitrogênio e fósforo (GOTTSCHALL, et al., 2007).

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Os wetlands construídos de fluxo horizontal (WCFH) possuem zonas de entrada e saída (geralmente compostas por brita), e material filtrante (geralmente areia) preenchendo o restante do filtro. A alimentação ocorre por uma tubulação vertical, até atingir o fundo do leito, onde é coletada. Segundo Cooper, et al. (1996), os WCFV têm como característica principal a alimentação intermitente, que promove um grande arraste de oxigênio atmosférico para o material filtrante através da convecção e difusão (COOPER et al. 1996).

Os WCFH apresentam, de forma geral, boa atuação na remoção de matéria orgânica e sólidos em suspensão, mas possuem limitada atuação nas transformações das frações nitrogenadas e fosforadas. Já os WCFV vêm sendo utilizados para remoção de DBO, SS e também para a promoção de nitrificação, em função da aderência de bactérias nitrificantes no material filtrante, e uma entrada de oxigênio superior à demanda de conversão da matéria carbonácea (SEZERINO, 2006).

Diante disso, este capítulo tem como objetivo avaliar a implantação, operação e performance de tratamento de duas unidades de wetlands construídos, uma de fluxo horizontal e outra de fluxo vertical, no tratamento de efluentes de bovinocultura de leite na região noroeste do Rio Grande do Sul, sob clima subtropical.

4.2 Metodologia

A área de estudo compreende as instalações para manejo de bovinocultura de leite do Colégio Agrícola de Frederico Westphalen – CAFW, área anexa à Universidade Federal de Santa Maria – UFSM, campus de Frederico Westphalen, cidade esta, localizada na Mesorregião Noroeste do Rio Grande do Sul (figura 17).

(53)

efluente resultante das águas de lavagens estimada através do consumo de água diário, é em torno de 2.000 L/d.

A partir de um projeto de pesquisa financiado pelo CNPq (edital MCT/CNPq N 014/2010, sob registro junto a UFSM – SIE 028374) foram instalados dois wetlands construídos dos tipos WCFH e WCFV, em paralelo, no tratamento do efluente de lagoa de decantação que recebe despejos da instalação de bovinocultura de leite.

Figura 17 – Localização do município de Frederico Westphalen, mesorregião noroeste Rio-Grandense.

O efluente gerado nas instalações para manejo de bovinocultura de leite do CAFW é captado por canaletas, e segue por gravidade em duas linhas, uma linha que conduz as águas de lavagem da sala de ordenha e outra da área anexa, utilizada para alimentação dos animais, as quais direcionam o efluente para a lagoa de decantação existente (figura 18).

(54)

ser distribuído às duas unidades wetlands, em paralelo, sendo para o WCFH 4.500 L/semana, distribuído apenas por gravidade e para o WCFV 4.500 L/semana, de forma intermitente, através de um sistema de bombeamento controlado por um temporizador. Após passar pelos wetlands o efluente tratado segue para infiltração em solo, sendo que para cada wetland há uma vala de infiltração. Na figura 19 é apresentado um fluxograma da estrutura do sistema experimental.

Figura 18 - Instalações da bovinocultura de leite do CAFW

(55)

O monitoramento do experimento compreendeu ações de controle de vazão, plantio e replantio das macrófitas quando necessário, coleta de amostras e análises laboratoriais. As análises físico-químicas do efluente foram realizadas semanalmente, após coletas pontuais, às 9:00 horas, em 3 pontos, sendo: (i) pós lagoa de decantação (no equalizador); (ii) - pós WCFH e (iii) - pós WCFV. Os parâmetros analisados e a metodologia empregada estão descritos na tabela 7.

Tabela 7 - Parâmetros analisados e metodologia empregada.

4.3 Resultados e discussão

4.3.1 Construção do sistema experimental

A construção do sistema experimental iniciou-se em março de 2011. O dimensionamento foi realizado levando em consideração uma carga de 7,0 g DBO/m2.dia segundo a recomendação da Natural Resources Conservation Service - NRCS (1991) apud Healy, Rodgers e Mulqueen (2007) para o WCFH e de 20,0 g DQO/m2 .dia para o WCFV, estabelecido por Winter e Goetz (2003).

Parâmetros Metodologia empregada Unidade

pH Direto, Potenciométrico, pHmetro T- 1000 - Tekna ---

DQO Refluxo fechado, APHA, 2005 mg/L

DBO5,20 Método Manométrico - APHA, 2005 mg/L

Alcalinidade Método Titulométrico - APHA, 2005 mg/L

SS Método gravimétrico - APHA, 2005 mg/L

ST Método gravimetrico - APHA, 2005 mg/L

NTK Macro-Kjeldahl - APHA, 2005 mg/L

N-NH4 Método Nessler - Vogel, 1981 mg/L

N-NO2- Método Alfanaftilamina - APHA, 1998 mg/L

N-NO3- Método Brucina - APHA, 1998 mg/L

P-PO43- Método Colorimétrico do Acído Vanadomolibdofosfórico -

(56)

4.3.1.1 Escavação e Impermeabilização

Os wetlands foram escavados no solo, em cota inferior à lagoa de decantação, cujas dimensões constam na tabela 8, sendo feita impermeabilização nas laterais e no fundo com duas camadas de lona plástica e manta de poliéster na última camada (figura 20).

Tabela 8 – Características físicas dos wetlands.

Dimensões WCFH WCFV

Área superficial 26,5 m2 14,3 m2

Comprimento 6,7 m 4,4 m

Largura 3,95 3,25 m

Altura do filtro 1,15 m 1,15 m

Altura do substrato 0,80 m 0,80 m

(57)

4.3.1.2 Preenchimento dos wetlands

Utilizou-se brita 1 e areia grossa como substrato. Na figura 21 está apresentado como foi realizado o preenchimento dos wetlands com areia e brita. Esse material foi disposto dentro dos leitos com o auxílio de uma máquina trator, sendo seu espalhamento realizado manualmente, utilizando enxadas e pás, tomando-se cuidado para não adensar a areia. Por isso, a utilização de tábuas, para melhor distribuição do peso dos trabalhadores em cima da areia, conforme figura 21.

No WCFV utilizou-se uma camada de 10 cm de brita no fundo, na qual foi assentada a tubulação de drenagem/coleta. Acima da tubulação de coleta foi depositada mais uma camada de brita de 5 cm para proteger a tubulação, em seguida foi transferido para o filtro uma camada de 60 cm de areia e completado o enchimento do filtro com uma camada de 5 cm de brita para melhor distribuição do efluente.

No WCFH utilizou-se areia como substrato e brita nas zonas de entrada e saída. Cada uma dessas camadas de brita ocupou cerca de 80 cm do comprimento do filtro.

(58)

Figura 21 – Preenchimento dos wetlands com areia e brita 1

(59)

4.3.1.3 Tubulações de distribuição e drenagem

A tubulação de distribuição do efluente no WCFV foi composta por tubos PVC de 25 mm de diâmetro com furos de 0,6 mm espaçados a cada 5 cm. Nessa unidade o esgoto percola verticalmente até atingir a tubulação de coleta, situada no fundo do filtro e composta por tubos PVC de 40 mm de diâmetro, com furos de 0,8 mm de diâmetro, espaçados a cada 10 cm (figura 23).

Já no WCFH, as tubulações de distribuição e coleta foram compostas por tubos PVC de 50 mm de diâmetro, também perfurados com furos de 8 mm de diâmetro, espaçados a cada 10cm (figura 24).

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Figura 24 - Tubulações empregadas no WCFH; a) vista da tubulação de alimentação do leito; b) detalhe da perfuração da tubulação de coleta.

4.3.1.4 Plantio das macrófitas

Referensi

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