Biodigestão anaeróbia de dejetos de bovinos leiteiros submetidos a diferentes tempos de retenção hidráulica

Anaerobic biodigestion of the dairy catle manure with several hydraulic retention time

Resumos

Utilizando-se biodigestores contínuos, abastecidos com dejetos de bovinos leiteiros e operados sob três tempos de retenção hidráulica, avaliou-se o efeito do processo de digestão anaeróbia sobre o número de microrganismos indicadores de poluição fecal, sobre a ocorrência de ovos e larvas de helmintos parasitas de ruminantes, analisando-se também os teores de sólidos totais e voláteis do afluente e dos efluentes, bem como a produção e a qualidade do biogás produzido. Verificou-se que vinte dias de retenção hidráulica foram suficientes para reduzir significativamente o número de microorganismos indicadores de poluição fecal e a quantidade de ovos de helmintos parasitas de ruminantes. Os resultados obtidos nas análises de sólidos totais e voláteis, bem como a produção de biogás (m³/dia), permitem concluir que o biodigestor modelo Chinês operado com 20 dias de tempo de retenção hidráulica, apresentou mais eficiência. Vale ressaltar que vinte dias de retenção foram insuficientes para impedir a sobrevivência de larvas de helmintos parasitas de ruminantes.

biodigestor; coliformes; dejetos; helmintos; sólidos totais

ARTIGOS CIENTÍFICOS

PRODUÇÃO ANIMAL

Biodigestão anaeróbia de dejetos de bovinos leiteiros submetidos a diferentes tempos de retenção hidráulica

Anaerobic biodigestion of the dairy catle manure with several hydraulic retention time

Cecília Maria Costa do Amaral^I; Luiz Augusto do Amaral^II; Jorge de Lucas Júnior^III; Adjair Antônio do Nascimento^IV; Daniel de Souza Ferreira^V; Márcia Rita Fernandes Machado^VI

^IDoutorando do Departamento de Morfologia e Fisiologia Animal, Faculdade de Ciências Agrárias e Veterinárias, Universidade Estadual Paulista (UNESP), Campus de Jaboticabal. Endereço: Rua 24 de maio, 859 apto. 1001, Centro, 14870-350, Jaboticabal, SP. E- mail: [e-mail]

^IIProfessor Adjunto, Departamento de Medicina Veterinária Preventiva, Faculdade de Ciências Agrárias e Veterinárias, UNESP, Campus de Jaboticabal

^IIIProfessor Titular, Departamento de Engenharia Rural, Faculdade de Ciências Agrárias e Veterinárias, UNESP, Campus de Jaboticabal

^IVProfessor Assistente, Doutor, Departamento de Medicina Veterinária Preventiva, Faculdade de Ciências Agrárias e Veterinarian, UNESP, Campus de Jaboticabal

^VAluno do curso de graduação em Zootecnia, Faculdade de Ciências Agrárias e Veterinárias, UNESP, Campus de Jaboticabal

^VIProfessor Adjunto, Departamento de Morfologia e Fisiologia Animal, Faculdade de Ciências Agrárias e Veterinárias, UNESP, Campus de Jaboticabal.E-mail: [e-mail]

RESUMO

Utilizando-se biodigestores contínuos, abastecidos com dejetos de bovinos leiteiros e operados sob três tempos de retenção hidráulica, avaliou-se o efeito do processo de digestão anaeróbia sobre o número de microrganismos indicadores de poluição fecal, sobre a ocorrência de ovos e larvas de helmintos parasitas de ruminantes, analisando-se também os teores de sólidos totais e voláteis do afluente e dos efluentes, bem como a produção e a qualidade do biogás produzido. Verificou-se que vinte dias de retenção hidráulica foram suficientes para reduzir significativamente o número de microorganismos indicadores de poluição fecal e a quantidade de ovos de helmintos parasitas de ruminantes. Os resultados obtidos nas análises de sólidos totais e voláteis, bem como a produção de biogás (m³/dia), permitem concluir que o biodigestor modelo Chinês operado com 20 dias de tempo de retenção hidráulica, apresentou mais eficiência. Vale ressaltar que vinte dias de retenção foram insuficientes para impedir a sobrevivência de larvas de helmintos parasitas de ruminantes.

Palavras-chave: biodigestor, coliformes, dejetos, helmintos, sólidos totais.

ABSTRACT

Continuous biodigestors filled with dairy cattle manure and operated at different hydraulic retention times, were used to determine the number of coliforms and the presence of helmints eggs and parasite larvae of ruminants and to analyze the total and volatile solid contents and the production and quality of the biogas produced. Twenty days of the retention time were sufficient to reduce the number of coliforms and eggs of ruminant parasites. Analysis of total and volatile solids and biogas production showed that the Chinese biodigester was more efficient at a hydraulic retention time of twenty days. It should be pointed out, however, that twenty days of hydraulic retention time were not sufficient to prevent the survival of larvae of ruminant parasites.

Key words: biodigestor, coliforms, helmints, manure, solid contents.

INTRODUÇÃO

Em sistemas de confinamento de bovinos leiteiros, um volume considerável de dejetos animais são gerados diariamente. O manejo inadequado desses dejetos, os quais são ricos em matéria-orgânica e agentes patogênicos, pode ser responsável pela poluição de águas superficiais e subterrâneas, devido ao carreamento desse material pela ação das chuvas (DORAN & LINN, 1979).

Esses dejetos são compostos orgânicos de alto teor energético, com macro e micronutrientes que oferecem água, abrigo e temperatura, sendo preferido por inúmeros micro e macrovetores de grande importância sanitária, como nicho ecológico. Segundo PEREIRA NETO (1992), esses vetores estão associados à transmissão de inúmeras zoonoses, além de doenças respiratórias, epidêmicas e intestinais. Fezes bovinas tem sido identificadas como o principal reservatório de Escherichia coli, sendo um potente veículo de transmissão para o ambiente, para o gado e para os alimentos (WANG et al., 1996).

A presença de E.coli pode ser usada como indicador para monitorar a redução de patógenos presentes no esterco animal, tratado em biodigestores. LARSEN et al. (1994) observaram que, em dejetos submetidos a pré-tratamento, tanto a digestão termofílica como a mesofílica, resultaram em redução de bactérias patogênicas e parasitas intestinais, encontradas usualmente no esterco animal.

Os dejetos de bovinos também são freqüentemente utilizados como fonte de adubação de forragens, entretanto, a simples aspersão desse material nas pastagens ou capineiras, possibilita a continuidade do ciclo biológico dos nematódeos gastrintestinais, aumentando o potencial de contaminação e colocando em risco a saúde dos animais (DOWNEY & MOORE, 1977). Assim, a adoção de práticas de manejo que visem minimizar a transferência de contaminantes às pastagens, são de fundamental importância dentro de um sistema de produção, ainda que seja necessário observar as técnicas e os tempos de retenção recomendados (FURLONG, 1996).

Portanto, a biodigestão anaeróbia representa uma alternativa para o tratamento de resíduos, pois além de permitir a redução do potencial poluidor e dos riscos sanitários dos dejetos ao mínimo, promove a geração do biogás, utilizado como fonte de energia alternativa e permite a reciclagem do efluente, podendo ser utilizado como biofertilizante.

Assim, o objetivo do estudo foi avaliar o efeito do processo de digestão anaeróbia efetuado em biodigestores (modelo Indiano e modelo Chinês), abastecidos com dejetos de bovinos leiteiros e operados sob três tempos de retenção hidráulica (TRH), sobre o número de microrganismos indicadores de poluição fecal, verificando-se a ocorrência de ovos e larvas de helmintos parasitas de ruminantes e, analisando-se também os teores de sólidos totais e voláteis, bem como a produção e a qualidade do biogás produzido.

MATERIAL E MÉTODOS

O experimento foi conduzido no Departamento de Engenharia Rural da Faculdade de Ciências Agrárias e Veterinárias-UNESP, Campus de Jaboticabal. Foram utilizados dois biodigestores, um modelo Indiano e outro modelo Chinês, que foram concebidos para operar de maneira contínua, um volume útil de substrato em fermentação igual a 5.500 litros (LUCAS JÚNIOR, 1987).

Os dejetos utilizados no carregamento inicial dos biodigestores, assim como para nos abastecimentos diários, foram coletados diariamente dos piquetes cimentados das instalações de Bovinos Leiteiros da FCAV/UNESP, isentos de contato com a água de lavagem. A partir dessa colheita, foram preparados os substratos, utilizando-se água para a diluição e adotando-se teores de sólidos totais em torno de 8%. Após calculadas as quantidades de água e dejetos necessários para o abastecimento dos biodigestores em cada TRH, a mistura foi homogeneizada em um tambor plástico e colocada dentro dos biodigestores.

Os biodigestores foram operados sob três tempos de retenção hidráulica: quarenta, trinta e vinte dias e durante os períodos de coleta de dados, diariamente foram retiradas amostras do afluente e dos efluentes de ambos biodigestores (em cada TRH), para a determinação dos teores de sólidos totais e voláteis (APHA, 1995) e para determinação da produção de gás.

Foram colhidas três amostras do afluente e do efluente em cada TRH para realização das análises microbiológicas e parasitológicas. O número mais provável de coliformes totais e fecais foi determinado segundo metodologia descrita em BRASIL (1993).

A técnica de Willis baseada no princípio da flutuação foi empregada para determinação de ovos de helmintos e a metodologia de Roberts O’ SULLIVAN (1950) para cultivo de larvas de nematódeos gastrintestinais. Utilizou-se a Técnica de Baermann modificada e a chave de Keith (1953), para coleta e identificação de larvas, respectivamente (UENO,1998).

O volume de biogás produzido diariamente nos biodigestores foi determinado medindo-se o deslocamento vertical dos gasômetros e multiplicando-se pelas áreas das seções transversais internas, 2,14m² e 3,50m², respectivamente. A correção do volume de biogás para as condições de 1atm. e 20°C, foi efetuada segundo CAETANO (1985).

Para determinação da temperatura do biogás, utilizou-se termômetro de bulbo de mercúrio, introduzindo o mesmo nos gasômetros pelo orifício da válvula de saída do biogás. As análises da qualidade do biogás foram realizadas mediante determinação dos teores de metano (CH₄) e dióxido de carbono (CO₂) e foram efetuadas em cromatógrafo a gás FINNIGAN, modelo GC-9001, utilizando-se metodologia descrita por CETESB (sd).

O delineamento experimental utilizado foi inteiramente casualizado, em esquema fatorial 2 x 3 (dois modelos de biodigestores e três TRH) com trinta repetições. Para as análises microbiológicas e para a determinação da qualidade do biogás, foram utilizadas três repetições. As comparações de médias foram realizadas pelo teste de Tukey e os dados foram analisados mediante a utilização do programa SAS (1999).

RESULTADOS E DISCUSSÃO

O número mais provável (NMP) de coliformes totais e fecais, obtido nos biodigestores modelo Indiano e Chinês em cada TRH, são apresentados na tabela 1. Verificou-se nos efluentes dos biodigestores modelo Indiano e Chinês, que os valores médios de coliformes se estabilizaram entre 102-106 ufc/ml. Esses valores estiveram próximos aos obtidos por KEARNEY et al. (1994), os quais verificaram reduções rápidas nos números de E.coli e estabilização em 10³-10⁴ ufc/ml, obtendo redução decimal entre 0,8 e 1,2 dias.

Estatisticamente observou-se que o processo de biodigestão anaeróbia, determinou significativas reduções (P<0,05) no número de coliformes totais e coliformes fecais presentes nos efluentes em relação ao afluente. Não houve diferença significativa na redução de NMP entre os biodigestores e entre os TRH também não diferiram (P>0,05).

Sendo que nos biodigestores modelo Indiano e Chinês em todos os TRH estudados a média de redução do NMP foi 99 %, pode-se concluir que vinte dias de TRH, já seriam suficientes para promover reduções significativas (P<0,05) nas bactérias do grupo coliforme presentes nos efluentes dos biodigestores modelo Indiano e Chinês.

Verificou-se redução de 90% no número de bactérias indicadoras de poluição fecal, em dejetos animais submetidos a digestão anaeróbia mesofílica e termofílica durante 1,8 dias (OLSEN & LARSEN, 1987). KUMAR et al. (1999) avaliando a sobrevivência de algumas bactérias patógenas em sistemas de digestão anaeróbia, verificaram que a bactéria E.coli sobreviveu vinte dias em temperatura ambiente (18-25 °C) e apenas dez dias quando submetidas à temperatura de 35 °C.

Os resultados parasitológicos obtidos no presente estudo são apresentados na tabela 2. Nos efluentes dos biodigestores modelo Indiano e Chinês, nos três TRH estudados, não foram detectadas nas condições do experimento, presença de ovos de helmintos parasitas de ruminantes, provavelmente em função da sensibilidade da técnica utilizada, no entanto, utilizando-se a coprocultura, foram obtidos resultados positivos para larvas L3 de Haemonchus spp., Oesophagostomum spp. e Cooperia spp. nos efluentes de ambos biodigestores. Sendo assim, quarenta dias de tempo de retenção, foram insuficientes para impedir a sobrevivência de larvas.

A utilização da Técnica de Willis foi uma ferramenta útil na detecção de ovos de helmintos parasitas de ruminantes, pois permitiu verificar que o processo de biodigestão promoveu redução no número de ovos de helmintos parasitas de ruminantes, no entanto, a utilização da Técnica de Roberts O’ Sullivan (1950) faz-se necessária nesse caso, para a confirmação da inexistência de ovos. No presente estudo, a utilização desta Técnica permitiu verificar ainda a existência de alguns ovos, mediante a presença de larvas encontradas nos efluentes.

De acordo com FALEIROS et al. (1983), o processo de fermentação ocorrido em microbiodigestores durante 57 dias, foi insuficiente para impedir a sobrevivência de ovos e larvas de Bunostomun sp e Oesophagostomun sp. A viabilidade de ovos e larvas de nematódeos gastrintestinais de bovinos, foi analisada por FURLONG & PADILHA (1996), que observaram efeito inativante da anaerobiose próximo a 100 %, acima de 56 dias de TRH. Observou-se que a digestão anaeróbia mesofílica (35°C) e a termofílica (53°C), aceleraram o processo de inativação de nematóides em relação ao tempo de sobrevivência desses parasitos no armazenamento convencional (OLSON & NANSEN, 1987).

Na tabela 3, são apresentados os teores de sólidos totais e voláteis e a produção de biogás, no afluente e nos efluentes dos biodigestores Indiano e Chinês, nos tempo de retenção hidráulica de quarenta, trinta e vinte dias. Verificou-se que os teores de sólidos voláteis, representaram 83,36 %, 81,41 % e 79,10 % dos teores de sólidos totais, nos afluentes dos biodigestores, nos tempos de retenção de quarenta, trinta e vinte dias, respectivamente. Esses dados estiveram próximos aos de BALSARI (1988) e aos dados obtidos na literatura, os quais demonstraram que, em resíduos provenientes de bovinocultura, os teores de sólidos voláteis representavam aproximadamente 80 % dos teores de sólidos totais.

O potencial de produção de biogás por kg de estrume obtido no experimento foi em média 0,025m³, portanto dados inferiores aos valores encontrados por LUCAS JR. (1987), que foram de 0,041m³ de biogás por kg de estrume, adotando-se 50 dias de retenção. TAKIZAWA et al. (1994) encontraram valores de produção de biogás, em m³ por kg de sólidos voláteis adicionados, próximos aos obtido neste estudo.

O melhor fator utilizado para refletir o potencial de determinada biomassa é aquele que expressa a produção de biogás por kg de sólidos totais adicionados, pois elimina a interferência do teor de água presente na biomassa. No presente estudo, foram obtidos valores entre 0,10 e 0,12m³ por kg de sólidos totais adicionados. Já a produção de biogás por kg de sólidos voláteis adicionados esteve entre 0,12 e 0,15m³.

Na tabela 4, são apresentadas as porcentagens de redução dos teores de sólidos totais e voláteis, o potencial de produção de biogás (m³ por dia) e os teores de metano e dióxido de carbono, nos efluentes dos biodigestores modelo Indiano e Chinês, nos tempos de retenção hidráulica de quarenta, trinta e vinte dias.

Estatisticamente, observou-se que houve interação significativa entre modelo de biodigestor e tempo de retenção, quanto as porcentagens de redução dos teores de sólidos totais e voláteis, potencial de produção de biogás (m³ por dia) e para os teores de metano e dióxido de carbono.

Observou-se que o desempenho do biodigestor modelo Chinês foi melhor (P<0,05) que o Indiano na redução dos teores de sólidos totais e voláteis, nos tempos de retenção de trinta e vinte dias. Comparando-se esses dois tempos de retenção, verificou-se que o biodigestor modelo Chinês com tempo de retenção de vinte dias, foi mais eficiente (P<0,05) no processo de redução de sólidos em relação a redução ocorrida com trinta dias.

A produção de biogás em m³/dia no biodigestor modelo Chinês aumentou conforme o tempo de retenção diminuiu e o potencial de produção de biogás nesse biodigestor foi superior (P<0,05) em relação à produção no modelo Indiano, com vinte dias de tempo de retenção. Os teores de CH₄ obtidos no experimento, estiveram próximos aos encontrados por LUCAS JÚNIOR (1987) em biogás produzido a partir do estrume de bovinos, com 50 dias de TRH, próximos a 58,00 %. Verificou-se no biodigestor modelo Chinês, que o teor de CO₂ foi 11,2 % maior (P<0,05) com TRH de 20 dias do que em relação ao obtido com 40 dias.

CONCLUSÕES

Verificou-se que vinte dias de retenção hidráulica foram suficientes para reduzir significativamente o número de microorganismos indicadores de poluição fecal e a quantidade de ovos de helmintos parasitas de ruminantes. Os resultados obtidos nas análises de sólidos totais e voláteis, bem como a produção de biogás (m³/dia), permitem concluir que o biodigestor modelo Chinês, operado com tempo de retenção hidráulica de vinte dias, foi o mais eficiente. Vale ressaltar que vinte dias de retenção foram insuficientes para impedir a sobrevivência de larvas de helmintos parasitas de ruminantes.

Recebido para publicação 03.12.03

Aprovado em 12.05.04

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  22 Nov 2004
• Data do Fascículo
  Dez 2004

Histórico

• Aceito
  12 Maio 2004
• Recebido
  03 Dez 2003