Caracterização química de resíduos da produção de biodiesel compostados com adição mineral

Chemical characterization of residues from biodiesel production composted with mineral addition

GESTÃO E CONTROLE AMBIENTAL

Caracterização química de resíduos da produção de biodiesel compostados com adição mineral

Chemical characterization of residues from biodiesel production composted with mineral addition

Claudivan C. Lima^I; Eduardo S. Mendonça^II; Ivo R. Silva^II; Luis H. M. Silva^III; Asunción Roig^IV

^IInstituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia de Alagoas, Campus Satuba, CEP 57120-000, Satuba, AL. Fone: (82) 326611000. E-mail: [e-mail]

^IIDepartamento de Solos/UFV, CEP 36570-000, Viçosa, MG. E-mail: [e-mail]; [e-mail]

^IIIDepartamento de Química/UFV, CEP 36570-000, Viçosa, MG. E-mail: [e-mail]

^IIICEBAS-CSIC, Campus Universitario de Espinardo, Apartado de Correos 164, 30100 Espinardo, Murcia, Spain. E-mail: [e-mail]

RESUMO

O objetivo do presente trabalho foi avaliar o efeito de diferentes enriquecimentos minerais na compostagem de resíduos provenientes da produção de biodiesel sobre características químicas do produto final. Foram utilizados os seguintes resíduos: bagaço de cana, cinza de bagaço de cana, esterco de galinha poedeira, torta de filtro e farelo de mamona. Estes materiais foram misturados e enriquecidos com fertilizante mineral NPK, pós de rochas de serpentinito + micaxisto e pó de gnaisse, obtendo-se oito compostos orgânicos distintos. Aos 0, 30, 90 e 120 dias de compostagem, essas misturas foram amostrados e realizadas análises de pH, condutividade elétrica, C, N, cinzas e na última amostragem foram determinados CTC e nutrientes totais. Apenas o composto enriquecido com NPK, sendo o N na forma de sulfato de amônio, atendeu a legislação pertinente a compostos orgânicos, enquanto os compostos contendo torta de filtro e mamona com e sem enriquecimento apresentaram pH abaixo do limite e os demais apresentaram teores de N ou C abaixo do mínimo estabelecido na legislação brasileira. A adição de pós de rochas de serpentinito + micaxisto contribuiu para elevação da CTC dos compostos.

Palavras-chave: resíduos orgânicos, compostagem, CTC, legislação brasileira

ABSTRACT

The aim of this work was to evaluate the effect of different mineral enrichments during composting of biodiesel production residues on chemical characteristics of the end product. The following materials were used: sugar cane bagasse, ashes of sugar cane bagasse, poultry manure, filter cake and castor oil cake. These materials were mixed and enriched with mineral nutrients NPK, serpentinite and micaxist powdered rocks and gneiss powdered rocks, to obtain eight different composts. At 0, 30, 90 and 120 days after starting composting, these materials were sampled to measure pH, electrical conductivity, C, N, ashes, and, at the last sampling, CEC and total nutrients. Only the compost enriched with NPK (with N as ammonium sulphate) comply with the legislation pertinent to compost, while the composts that received filter cake and castor oil cake, with and without, mineral addition presented pH below the accepted limit and had C and N concentrations below the minimum established in the Brazilian legislation. The addition of serpentinite and micaxist powdered rocks contributed to raise the CEC of composts.

Key words: organic residue, compost, CEC, Brazilian legislation

INTRODUÇÃO

Com a crise energética mundial tem se buscado alternativas renováveis para ampliar a matriz energética que possam substituir, gradativamente, o uso de combustíveis fósseis, evitando, com isso, colapsos no abastecimento (Holanda, 2004). No Brasil, o biodiesel (ésteres mono alquila), composto da mistura de óleo vegetal, como o extraido da semente da mamona, e álcool anidro, proveniente da cana-de-açúcar, apresenta-se como excelente alternativa ao óleo diesel, permitindo redução dos níveis de poluição por enxofre em 98%, dos gases de efeito estufa em 78% e os materiais particulados em 50% (Holanda, 2004). A Lei nº 11.097/05 que introduziu o biodiesel na matriz energética brasileira estabelece os percentuais mínimos de 2% e 5% de adição de biodiesel ao óleo diesel mineral, a serem atingidos a partir de janeiro de 2008 e 2013, respectivamente.

Para produção da matéria-prima utilizada na obtenção do biodiesel são gerados grandes volumes de resíduos. No processamento da cana-de-açúcar, por exemplo, são produzidos, para cada tonelada de cana moída, cerca de 30 kg de torta de filtro, 240 kg de bagaço de cana e 0,96 m³ de vinhaça (Dematê, 1992). A extração do óleo de mamona, por sua vez, resulta na obtenção de 1,3 toneladas de resíduos conhecidos como torta ou farelo (Kiehl, 1995). Estes resíduos, quando dispostos em locais inadequados podem ocasionar poluição do meio, entretanto, quando utilizado na formulação de compostos de uso agrícola, podem contribuir para melhoria da fertilidade do solo e aumento da produtividade das culturas.

A melhoria na qualidade de compostos orgânicos pode ser obtida mediante o enriquecimento mineral dos mesmos. Geralmente, as recomendações técnicas para enriquecimento de composto têm enfocado apenas a minimização da perda de N na forma amoniacal pela adição de fontes de P (Kiehl, 1985; Costa, 1985) e sulfato de cálcio (Kiehl, 1985; Prochnow et al., 1995). A adição de fosfatos contribui para formação de compostos estáveis de N como os fosfatos monoamônico e diamônico e a adição de sulfato de cálcio para formação do sulfato de amônio, possibilitando, deste modo, redução das perdas de N das medas e a consequente poluição do ar, bem como a obtenção de composto orgânico com maiores teores de N (Kiehl, 1985). Abordagens associando a elevação da CTC de compostos orgânicos à adição mineral, como a realizada por Perez et al. (2005), ainda são escassas na literatura.

Para serem comercializados, os compostos devem apresentar características mínimas constantes na legislação brasileira pertinente. De acordo com a Instrução Normativa nº 23 de 31 de agosto de 2005, tendo em vista as disposições contidas no Decreto nº 4.954 de 14 de janeiro de 2004, que regulamenta a Lei nº 6.894 de 16 de dezembro de 1980, os compostos orgânicos deverão ter as seguintes garantias e características: C orgânico total mínimo de 15%, N total mínimo de 1%, pH mínimo de 6,0, umidade máxima de 50%, relação C:N máxima de 18, relação CTC:C total de 20 e a soma de NP, NK, PK ou NPK deve ser conforme declarada na embalagem. Já os fertilizantes organo-minerais terão as seguintes garantias e características: C orgânico total com mínimo de 8%, umidade máxima de 25%; CTC mínima de 80 mmolc kg^-1, os macronutrientes primários devem apresentar soma de NP, NK, PK ou NPK de 10%, e os macronutrientes secundários soma de 5%, e a soma de micronutrientes de 4%, cujas tolerâncias destes limites estão explicitadas na referida Instrução Normativa.

O presente estudo tem por objetivo avaliar o efeito de diferentes enriquecimentos minerais de composto orgânico sobre características químicas de compostos orgânicos formulados com resíduos da produção de biodiesel.

MATERIAL E MÉTODOS

Obtenção dos compostos orgânicos

Foram utilizados diferentes materiais (Tabela 1) para obtenção de oito compostos orgânicos distintos, cujos tratamentos foram constituídos das misturas constantes no Tabela 2. A adição de fertilizantes minerais solúveis nos compostos orgânicos foi realizada de acordo com recomendações para adubação da cana-de-açúcar (80 kg ha^-1 de P2O5, 90 kg ha^-1 de K2O e 60 kg ha^-1 de N - CFSEMG, 2002), de modo que com a redução de 2/3 de peso que equivale aproximadamente a 66% do volume (Peixoto, 1984), resultasse na obtenção de um produto cuja aplicação de 20 Mg ha^-1, substituísse a recomendação de NPK para a cultura de cana-de-açúcar. Já a adição dos pós de rochas aos compostos orgânicos foi equivalente à metade do peso seco do esterco de galinha poedeira. As misturas foram acondicionadas em recipientes de 60 L com perfurações laterais, possibilitando sua aeração. Estes recipientes foram colocados em casa de vegetação pertencente ao Departamento de Solos da Universidade Federal de Viçosa, Viçosa-MG, no período de agosto de 2003 a dezembro de 2003.

Os tratamentos foram distribuídos em esquema de parcelas subdivididas com 8 compostos na parcela principal e 4 parcelas subdivididas no tempo, formadas pela amostragem do material, sendo dispostos em blocos casualizados, com três repetições. A amostragem dessas misturas foi realizada, seguindo-se o princípio do quarteamento, aos 0, 30, 90 e 120 dias de compostagem, e posteriormente procedidas análises químicas das mesmas.

Caracterização durante o processo de compostagem

Foram determinados condutividade elétrica em água na relação 1:1 (Simard et al., 1988), pH em CaCl2 0,01 mol L^-1, matéria seca com base na perda de peso a temperatura de 105 ºC (Topp, 1993) e teor de cinzas por ignição em mufla a 550 ºC por 1 h, C orgânico total (Yeomans & Bremner, 1988), N total pelo método Kjeldahl, de acordo com Miller & Keeney (1982).

As determinações dos teores de nutrientes dos compostos, após digestão nitroperclórica (Miyazawa et al., 1999), foram realizadas por meio de espectrometria de emissão óptica em plasma induzido (ICP-OES) e a CTC dos compostos, determinada pela saturação do complexo de troca com solução de cloreto de bário (Lax et al., 1986), foram realizadas apenas na última amostragem.

Análise estatística

Os dados obtidos foram submetidos à análise de variância, correlação linear simples de Pearson, teste de média para a variável qualitativa "CTC" e análise de regressão, utilizando-se o programa SAEG (Sistema de Análise Estatísticas e Genéticas), da Universidade Federal de Viçosa (FUNARBE, 1993).

RESULTADOS E DISCUSSÃO

pH

O comportamento do pH ao longo do processo de compostagem definiu dois grupos de compostos distintos de acordo com sua formulação: os contendo BC + CBC + EGP e os contendo BC + TF ou FM (Figura 1). Os tratamentos do primeiro grupo de compostos (CS, UR, SM e FN) apresentaram tendência de elevação do pH, seguindo-se de redução até sua estabilização em torno de pH 7,0, tal como observado em outros trabalhos em que se utilizaram diferentes tipos de resíduo (Bernal et al., 1998; Tejada et al., 2001). Um conjunto de fatores contribui para alterações do pH ao longo do processo de compostagem. Nesse processo, há formação de ácidos solúveis no início da compostagem, os quais são convertidos a dióxido de carbono pela ação microbiana (Iyengar & Bhave, 2005). À medida que este processo se desenvolve o pH do composto se eleva devido a maior concentração de bases que contribui indiretamente para obtenção de um material mais alcalino (Kiehl, 2002).

No caso dos tratamentos SA, M+G, M-G e TF que se mantiveram com pH ácido durante todo o processo, foram afetados por outros fatores. A não alteração do pH do tratamento SA mantendo-se ácido pode ser atribuída à reação ácida da oxidação do sulfato de amônio, liberando H+ para o meio (Alavarez, et al., 1994). A elevação da acidez nos tratamentos M+G, M-G e TF ao longo do processo de compostagem pode ser conseqüência do processo de nitificação (Moreira & Siqueira, 2002). Como os referidos tratamentos apresentam elevados teores de N orgânico, o mesmo é transformado inicialmente em amônio (NH⁴⁺) pela ação das nitrosomonas, e em seguida em NO₂- pela ação predominante das nitrobactérias, o qual se converte rapidamente a nitrato, sendo este o produto final da degradação do N orgânico (Sanchez-Monedero et al., 2001; Kiehl, 2002). Ocorre que, quando a amônia (NH⁴⁺) é oxidada a NO₃-, verifica-se produção líquida de 2H+ e, consequentemente, há abaixamento do pH. A ausência de inoculantes como o esterco de galinha poedeira pode também contribuir para esta redução do pH (Kiehl, 2002).

Embora o tratamento UR tenha sido enriquecido com uréia - CO(NH₂)2, a mesma não foi efetiva na acidificação do meio, pois a uréia ao entrar em contato com a urease dos resíduos orgânicos sofre hidrólise formando (NH₄)2CO₃ que contribui para elevação do pH ao mesmo tempo que favorece a liberação de amônia (NH₃), conforme observaram Fernandes et al. (1993) em composto à base de lodo de esgoto enriquecido com uréia.

Condutividade elétrica

Em todos os tratamentos verificou-se elevação da CE durante o processo de compostagem (Figura 2). A mineralização dos compostos orgânicos acarreta aumento da concentração de sais solúveis (Campbell et al., 1997). No início da compostagem é possível que o enriquecimento mineral com fertilizantes minerais (SA e UR) tenha contribuído para maior elevação da CE em relação aos demais tratamentos. Entretanto, no decorrer do processo de compostagem, a elevação da CE pode ter sido controlada pela mineralização da MO, sobretudo pelo processo de nitrificação do N orgânico que resulta na elevação do teor de nitrato, conforme observaram Sanchez-Monedero et al. (2001) e Rekha et al. (2005). Embora apresentem elevados teores de N (Tabela 3), os tratamentos M+G e M-G e, principalmente, o TF apresentaram elevação menos pronunciada da condutividade elétrica. Isso se deve ao fato de estes compostos não apresentarem em suas respectivas formulações esterco aminal, o qual contribui significativamente com a elevação da CE devido ao alto nível de ionização dos sais presentes nestes materiais, principalmente o cloreto de sódio e o cloreto de potássio (Watson, 2006).

Carbono orgânico total e nitrogênio total

Em geral, o teor de C orgânico durante o processo de compostagem diminuiu e o de N total aumentou (Figuras 3 e 4). Isso é conseqüência das perdas de C na forma de CO₂ durante a compostagem e manutenção dos teores de N neste processo promovendo o seu aumento relativo. A ação dos microrganismos sobre a decomposição e humificação da matéria orgânica resulta como produto final dióxido de carbono, água, substâncias húmicas estabilizadas, sais inorgânicos, além do desprendimento de energia térmica (Biddlestone & Gray, 1985; Hao et al., 2004), concentrando assim o N no composto orgânico.

Índices de avaliação da maturidade dos compostos orgânicos

O índice de maturidade do composto, dado pela relação C:N, ficou entre 8,3 e 15,9 no final do processo de compostagem, indicando que os compostos encontravam-se praticamente estáveis após 120 dias de compostagem (Figura 5). Segundo Hortenstine & Rothwell (1973), Kropisz & Wojciechowski (1978) e Chanyasak & Kubota (1981), a relação C:N abaixo de 15 expressa estabilidade do composto. Contudo, de acordo com Iglesias-Jimenez & Perez-García (1992), uma relação abaixo de 12 indica alto grau de maturidade do composto. Por outro lado, Hue & Liu (1995), Harada & Inoko (1980) e Harada et al. (1981), afirmam que esta relação pode ser influenciada pela presença de N amoniacal proveniente de esterco de galinha ou pela adição de uréia a compostos crus.

Características químicas dos compostos orgânicos

O enriquecimento mineral da mescla de materiais para obtenção do composto orgânico não garantiu um produto rico em NPK, no caso dos tratamentos UR e SA (Tabela 3), sobretudo em relação ao N. É bem provável que parte destes fertilizantes tenha se perdido via lixiviação quando do umedecimento dos materiais compostados. Periodicamente, adicionava-se a mesma quantidade de água em todos os compostos quando os mesmos se encontravam aparentemente com baixa umidade. Após umedecimento dos materiais compostados, observou-se, por vezes, lixiviação de parte da lâmina de água aplicada.

Ao se proceder ao primeiro revolvimento, aos 15 dias depois de montado o experimento, verificou-se acúmulo de água na parte inferior do recipiente. Por essa razão, nos umedecimentos seguintes procurou-se evitar lixiviações. À medida que o material orgânico foi se humificando, a massa compostada já apresentava aspecto mais uniforme quanto a sua umidade.

Apenas o composto SA, atendeu as normas estabelecidas na legislação brasileira (Instrução Normativa nº 23 de 31 de agosto de 2005) que dispõe sobre especificações e as garantias de fertilizantes orgânicos simples, mistos, compostos, organominerais e biofertilizantes de uso agrícola, comercializados no Brasil. Já os compostos TF, M+G e M-G apresentaram pH abaixo do limite legal e os demais apresentaram teores de N ou C abaixo do mínimo estabelecido na referida legislação. O elevado conteúdo de cinza destes contribuiu para redução relativa da concentração de tais elementos, denotando que a adição de cinzas de bagaço de cana na dose aplicada não é uma boa recomendação. A relação CTC:Ct de 20, estabelecida na legislação brasileira, cuja CTC está expressa em mmolc dm^-3, apresenta-se ligeiramente superior a consagrada como referência do processo de humificação de compostos que é de 1,7 (Roig et al., 1988) a qual tem CTC expressa em cmolc dm^-3, o que equivale, na legislação brasileira, a uma relação CTC:Ct de 17.

Os compostos orgânicos enriquecidos atenderam todas as condições legais para serem considerados fertilizantes organo-minerais, inclusive a CTC que ficou acima de 80 mmolc kg^-1 ou 8 cmolc kg^-1. Contudo, Iglesias-Jimenez & Perez-García (1992) e Solano et al. (2001), sugeriram como indicação de maturidade de composto orgânico CTC acima de 67 cmolc kg^-1. Provavelmente a adição de cinza na formulação dos mesmos contribuiu para que os valores da CTC ficassem abaixo deste limite, uma vez que a CTC dos compostos CS, UR, SA, SM, FN, TF, isentos de cinzas, ficou acima do referido limite:147,52, 165,65, 147,69, 262,17, 150,55, 105,14 cmolc kg^-1 de MO, respectivamente, a CTC dos compostos M+G e M-G, com 63,39 e 50,02 cmolc kg^-1 de MO, respectivamente, ficou abaixo.

As características químicas dos compostos dependem bastante do material utilizado na compostagem e do enriquecimento mineral aplicado. Nesse particular, houve grande contribuição dos pós de rochas para elevação dos teores de P, K, Ca e Mg, (Tabela 1). Contudo, a disponibilidade destes para a planta depende, em parte, da dinâmica de decomposição dos materiais orgânicos e da própria solubilidade dos pós de rocha. Desta forma, não é possível garantir que o enriquecimento mineral dos compostos UR e SA, por exemplo, enriquecidos com base na recomendação da cultura da cana-de-açúcar, irão atender a demanda de nutrientes da cultura, ou que os tratamentos SM e FN enriquecidos com pós de rocha suprirão as demandas das plantas cultivadas. Para tanto, se faz necessário avaliar agronomicamente o potencial de utilização destes compostos orgânicos enriquecidos comparados à adubação química convencional.

CONCLUSÕES

1. Verificou-se que apenas o composto SA, atendeu a legislação brasileira (Instrução Normativa nº 23 de 31 de agosto de 2005) pertinente a compostos orgânicos, enquanto os TF, M+G e M-G apresentaram pH abaixo do limite legal e os compostos CS, UR, SM e FN apresentaram teores de N ou C abaixo do mínimo estabelecido na legislação.

2. Os compostos orgânicos enriquecidos atenderam todas as condições legais para serem considerados fertilizantes organo-minerais, de acordo com a lesgislação brasileira.

3. Os elevados teores de cinza dos compostos CS, UR, SA, SM e FN contribuíram para redução relativa da concentração de C, N, bem com dos teores de CTC destes compostos.

4. A adição de pós de rochas de serpentinito + micaxisto aos compostos orgânicos à base de bagaço de cana, cinza de bagaço de cana e esterco de galinha poedeira contribuiu para elevação da CTC dos mesmos.

5. Os pós de rochas contribuiram para elevação dos teores de P, K, Ca e Mg, contudo, a disponibilidade destes para a planta depende da dinâmica de decomposição dos materiais orgânicos e da solubilidade dos mesmos.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem ao CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico) e a FAPEAL (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Alagoas) pelo suporte financeiro para realização desta pesquisa.

LITERATURA CITADA

Protocolo 107.07- 20/06/2007

Aprovado em 15/10/2008

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  30 Abr 2009
• Data do Fascículo
  Jun 2009

Histórico

• Recebido
  20 Jun 2007
• Aceito
  15 Out 2008