QUALIFICAÇAO DO POTENCIAL TOXICO DOS GASES DE BIODIGESTORES

 

Autor:  ^1- Alexandre A. Pasqualini - Medico Veterinário

Colaboradores:  ^2- Keila M. R. Duarte e  ^2- Valdinei T. Paulino - Engenheiros Agrônomos

 

1- Pesquisador Mestre em Produção Animal Sustentável (xpasq@yahoo.com)

2- Pesquisadores Doutores do Instituto de Zootecnia APTA/SAA – Nova Odessa, SP

 

 

Resumo

 

            O presente trabalho buscou qualificar o biogás produzido com a cama de frango, com dejetos de bovinos e de suínos, sem o uso de inóculos, em biodigestores de bateladas. Os substratos tiveram 5 repetições distribuídos aleatoriamente e, ao longo de 60 dias, tiveram o biogás aferidos por equipamento eletrônico de detecção de gás chamado Gas Alert. Os resultados aferiram altos teores de CO e H2S, em níveis nocivos à saúde humana, bem como, altas concentrações de CH4 no biogás dos biodigestores com dejetos de bovinos e suínos, contudo, a produção foi praticamente nula de gás metano em substratos de camas de frango.

 

 

Revisão da Literatura      

            Atividades agropecuárias intensivas geram grandes volumes de excretas devido à elevada concentração de animais confinados em áreas delimitadas, e de água, nas excretas e nos processos de higienização, como é o caso do confinamento da pecuária de corte e avicultura comercial e, da suinocultura e pecuária de leite, respectivamente.

            Nestes dejetos ocorre intensa multiplicação de bactérias de origem intestinal e ambiental, e fermentações de compostos orgânicos, resultando em resíduos com alto potencial de contaminação do solo e mananciais se depositados diretamente no ambiente.

            Os biodigestores são processadores destes dejetos e deles se obtém fertilizantes orgânicos, para uso em culturas anuais ou perenes, conforme a legislação local e, biogás que pode ser utilizado como fonte de energia, ou apenas para ser incinerado e reduzir gases deletérios à atmosfera.

            Neste estudo buscou-se identificar e quantificar os gases comumente produzidos por biodigestores através de um detector eletrônico de gases chamado Gas Alert®, bem como, de se estabelecer o potencial risco à saúde dos produtores rurais na exposição do biogás originário de diferentes resíduos de sistemas de produção intensiva de animais.         

            As granjas de suínos são reconhecidas como atividades de grande potenciais poluidor por utilizarem demasiadamente recursos hídricos para higiene das baias e assim, gerarem grande quantidade de efluente e quem tem na sua composição elevado teor de Cu e Zn, originários das rações dos animais (VIVAN, 2010).

            O esterco bovino representa matéria prima de excelência para a produção de biogás pelo fato de já possuir naturalmente microrganismos responsáveis pela fermentação ruminal em ambiente de relativa anaerobiose (COMASTRI Fº, 1981).

            E, um dos maiores entraves enfrentados para utilização da cama de frango na produção de biogás em condições de campo é, provavelmente, a dificuldade operacional para diluição da cama dos aviários em água e o trabalho de fazer uma mistura e formar uma pasta homogênea antes do abastecimento dos biodigestores (AIRES, 2009).

            Os resíduos circulam dentro do biodigestor a cada abastecimento com novos dejetos, mas devem permanecer um período variável dentro dos biodigestores, Tempo de Retenção Hidráulica, (TRH), para que ocorra adequada degradação biológica, essencialmente por atividades bacterianas, contudo, esse tempo varia conforme o tipo, a umidade do material e a temperatura ambiente. Assim, ALVES et al. (2012), descreveram esse processo, sistematicamente, em: hidrólise; acidogênese; acetogênese e metanogênese, resultando em biofertilizantes e biogás.

            O biogás é uma mistura de gases que requer cuidados a sua exposição e armazenamento. A Normativa Regulatória 15 do Ministério do Trabalho e Emprego (NR-15) - Atividades Insalubres, estabelece as normas que regulamenta os níveis de exposição das pessoas aos agentes nocivos à saúde e, em seu anexo 11, estabelece os limites de exposição de gases, onde se tem:

- o dióxido de carbono (CO2) é mais pesado do que o ar, inodoro e asfixiante. A concentração máxima admissível nas edificações é de 3.500 ppm (BENEDI, 1986). A NR-15 classifica o dióxido de carbono como risco relativamente baixo, sendo necessário exposição a concentrações superiores a 3900 ppm ou 7.020mg/m³ para leve grau de intoxicação.

- o metano (CH4) é um gás inodoro, mais leve que o ar, asfixiante, inflamável e explosivo, requerendo extremo cuidado no seu manuseio. Concentrações acima de 500.000 ppm (NR-15) provocam dores de cabeça em humanos (USDA, 1994, citado por PERDOMO et al., 2001).

- o gás sulfídrico (H2S) em baixas concentrações pode causar danos à vegetação além do odor desagradável de ovo podre. Exposições a 8 ppm ou 12mg/m³ já são irritantes a mucosa nasal e oftálmica. Exposições maiores ensejam em vômitos, intoxicações hepáticas e morte (LINS, 2003).

- o monóxido de carbono (CO) é considerado pela NR-15 como o grau máximo de insalubridade. O CO tem o limite máximo de tolerância da exposição 39 ppm ou 43 mg/m³.

            Diversos estudos aferiram a produção de biogás em relação a quantidade e o tipo do efluente com significativos dados sobre os gases metano (CH4) e dióxido de carbono (CO2) e como relataram QUADROS et al. (2010), os gases eram determinados por cromatografia gasosa.

            A técnica de detecção de gases por cromatografia gasosa implica no emprego de um gás carregador na coluna cromatógrafa no detector e, de um sistema computacional para o processamento dos dados, que pode variar para cada gás que se deseja quantificar e ainda, exige que se estabeleça uma faixa de concentração, além de outros componentes que se deseja separar.

            Usualmente, para se analisar os gases num experimento de biodigestão, seria necessário, no caso do CO/CO2, que o cromatógrafo possuísse um detector de condutividade térmico tipo TCD (Thermal Conductivity Detector) ou, de captura de elétrons ECD (Electrons Capture Detector), contudo, o detector TCD tem sua sensibilidade baixa (ppm) e não seria muito adequado para quantificar N2O e CH4, que poderia se apresentar em partes por bilhão (ppb).

            O oxido nitroso é usualmente quantificado por detectores ECD que é eficaz para CO2. Para o CH4, se utiliza um detector de ionização de chama (FID: Flame Induced Detector).

            Para operacionalizar o sistema, a coluna do cromatógrafo, que tem a função de retenção de cada composto em diferentes tempos, tem que ser movido por um gás quimicamente inerte e com baixo teor de contaminação e usualmente se emprega o hélio, o nitrogênio ou o hidrogênio.

            Existe ainda a possibilidade de montar sistemas com colunas capilares “megabore”, ou colunas empacotadas, como por exemplo, PORAPACK-G^®, contudo, o cromatógrafo também tem que ser mais sofisticado, além de um profissional altamente capacitado.

            Neste experimento utilizou-se um detector eletrônico de gases portátil para aferições in loco junto aos biodigestores, chamado Gas Alert®, com sensores específicos e calibrados para o gás que se desejou aferir e se comparou com a literatura as concentrações dos gases produzidos em função do tipo de dejetos: suinocultura, bovinocultura leiteira e avicultura de corte.

 

Materiais e Métodos

            Os biodigestores eram protótipos do tipo batelada, construídos em baldes de 10 litros com tampa, em plástico PEAD, padronizados e atóxicos para alimentos, consequentemente, atóxico para a biota do experimento. Nestes, 5 cm abaixo da borda, próximo a tampa, fez-se um furo de 2cm de diâmetro onde se acoplou uma mangueira flexível de 10 mm de diâmetro e 50 cm de comprimento, conectando cada biodigestor a um gasômetro.

            O gasômetro, foi construído com garrafas PET, que além de serem atóxicas conferiram padronagem para aferição de dados. Eram garrafas de 2 litros, sem o fundo com sua tampa furada e conectada a mangueira dos biodigestores e que ficavam dentro de outra garrafa PET de 3 litros, sem a parte de cima, assemelhando-se a um vaso repleto de água. Conforme os gases dos biodigestores se expandiam dentro da garrafa de 2 litros, estes emergiam da garrafas de 3 litros, sendo possível assim, reter o gás para sua aferição.

 

            O dejetos foram recolhidos diretamente do chão dos respectivos departamentos da Fazenda Escola ETEC Dr. Carolino da Motta e Silva, em Espírito Santo do Pinhal, SP. Cada um dos biodigestores acondicionou 4kg do material previamente homogeneizados. A cama de frango foi umidificada em 30%.

            O experimento foi conduzido em delineamento inteiramente casualizado, composto por três tratamentos: cama de frango, dejetos de bovinos e dejetos de suínos, com cinco repetições, totalizando 15 biodigestores do tipo batelada.

            Após um período de 40 dias de TRH para estabilização biológica, em condições de temperatura ambiente média de 25ºC (CIIAGRO), se iniciou as aferições diárias dos gases nos 15 biodigestores, entre os dias 11/04/2013 e 12/05/2013,  totalizando 28 dias.

            Para não haver interferências de correntes de ar durante as leituras, um saco plástico transparente e grande o suficiente, envolvia a parte superior do gasômetro, a mão e antebraço com o Gas Alert® junto a tampa do gasômetro e, externamente, com outra mão, era aberto o gasômetro para a detecção dos gases.

            O equipamento foi calibrado em 02/03/2013, conforme certificado 48.929, pela empresa Chrompack Instrumentos Científicos Ltda, que é reconhecida e recomendada pelo fabricante BW Technologies Inc e pela Rede Brasileira de Calibração (RBC).

 

RESULTADOS

 

As figuras abaixo ilustram os resultados compilados da produção dos gases conforme o substrato dos biodigestores e suas repetições:

A = cama de frango; B = dejetos de bovinos; S= dejetos de suínos

 

                                  

 

 

 

Discussões

 

            O Gas Alert®  possibilitou identificar de imediato a concentração dos gases dos biodigestores. Logo após os primeiros 30 dias de TRH aguardados para biocenose dos biodigestores, tornava-se evidente a produção de H2S através da coloração rosa, quase avermelhada, nas mangueiras de alguns biodigestores e nos selos de água dos gasômetros. As aferições nos biodigestores B2 e S3 mostraram-se potencialmente tóxicas com a produção do gás sulfídrico, com médias de 7,39 e 12,96 ppm, respectivamente.

            Assim se recomenda estreito cuidado na operacionalização com biogás, bem como no emprego de materiais que venham constituir os queimadores ou, condutores do biogás, devido potencial corrosivo do gás sulfídrico. Neste sentido, FRARE, et al, (2009), desenvolveu protótipos como uma coluna de borbulha em acrílico contendo uma solução de Fe+EDTA, que servia para reação e remoção do gás sulfídrico, tendo a formação de enxofre puro como resíduo.

            No campo, a neutralização do sulfeto de hidrogênio (gás sulfídrico) é possível com o emprego de uma malha ferro oxidada e acoplada dentro do conduíte / mangueira do biogás, mas é necessário especial atenção para um baixo do fluxo de gás, pois a reação é exotérmica, e pode causar incêndio. O resultado dessa reação é a fundição do enxofre ao óxido de ferro, impossibilitando seu posterior reaproveitamento de ambos (PERGHER, 2006).

            As aferições de monóxido de carbono (CO) com substratos de cama de frango apresentaram índices letais ao operador, na média de 23 ppm, quase 3 vezes mais o estipulado pela NR-15. As emissões de CO nos biodigestores alimentados com dejetos bovinos e suínos, por vezes, também apresentavam níveis elevados: B2 – 14,77ppm e S3 – 18.14ppm.

            A constante exposição ao monóxido de carbono pode ser letal. Segundo LACERDA et al. (2005), o CO se torna tóxico ao homem quando entra na corrente sanguínea e compete com o O2, podendo resultar ausência de oxigênio no cérebro. Se prolongada a exposição, pode resultar em lesão cerebral e levar o homem a óbito. Isso ocorre devido a conversão da oxi-hemoglobina em carboxihemoglobina (COHb), pois a afinidade da hemoglobina pelo CO é 240 vezes maior que O2.

            Com a abertura dos biodigestores, a diferença visual entre os biocompostos gerados era evidente. O baixo teor de umidade dos biodigestores com a cama de frangos possibilitou se especular o motivo dos altos índices de CO e baixa produção de CH4.

            Existe uma correlação entre CO2 e CH4, já citada por MALAVOLTA em 1981, e esta se dá em função da umidade conforme a equação:

CH4 +2H2O = CO2 + 4H2.

            Seguindo esse raciocínio, nos biodigestores com cama de frangos, foi constatado altos teores de CO e tal fato poderia ser especulado pela baixa umidade, conforme a equação:

CH4 + H2O = CO + 3H2.

            Diferentemente do que recomendou AIRES, (2010) para obtenção de biogás com substratos de cama de frango, a baixa produção de metanos nos biodigestores poderia se consequência da metodologia empregada, pois neste trabalho buscou-se simular a prática comum nas propriedades rurais de se enleirar este material e não umidificá-los. Contudo, são especulações para balanceamentos de equações da química orgânica.

            Com relação à produção de gás metano (CH4), constatou-se que a porcentagem de gás nos volumes aferidos foi muito superior aos relacionado por diversos pesquisadores. Frequentemente o detector de gás indicava saturação de 100% no volume do gás propelido pelos gasômetros, principalmente nos substratos com dejetos de bovinos e suínos.

            Com exceção do biodigestor A5, os biodigestores alimentados com cama de frangos apresentavam leituras de zero por cento  (0,0%) de CH4, contrastando com a literatura consultada. Contudo, não se empregou inóculos para a partida no processo de biodigestão, como descrito por LUCAS Jr. et al. (1993).

 

Figura 8: Comparativo das médias de produção de gás sulfídrico

 

 

Figura 9: Comparativos das médias da produção de monóxido de carbono.

 

Figura 10: Comparativo das médias de produção de gás metano.

 

CONCLUSÕES

            O experimento aferiu a produção de gás sulfídrico, monóxido de carbono e metano de forma eficiente com o detector de gás portátil Gas Alert ^®.

            A produção de gás sulfídrico e monóxido de carbono ocorreu nos três substratos que alimentaram os biodigestores, corroborando com a literatura consultada, contudo, por vezes, em índices muito acima dos referenciados e, em níveis letais a saúdes das pessoas.

            A produção de gás metano ocorreu preponderantemente nos biodigestores alimentados com dejetos de bovinos e suínos com valores médios equivalentes a literatura consultada, contudo divergentes com os dados obtidos com substrato cama de frango, que foi praticamente nulo.

            Na compilação dos dados, o experimento também mostra que cada biodigestor desenvolve uma biota própria, independentemente de ter o mesmo substrato e mesmas condições de manejo, comprovado pela irregularidade e dispersão das médias dos gases aferidos.

            O emprego dos biodigestores nas atividades com alto potencial poluidor é de relevância contemporânea e sempre deve ser considerado nas medidas mitigadoras em descartes e tratamento de efluentes orgânicos. Soma-se ainda as potencialidades do biofertilizante e do combustível biogás,  bem como mitigador do Efeito Estufa.

 

Bibliografia

 

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