6 - Compostagem

Prévia do material em texto

1
UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA
CENTRO DE CIÊNCIAS BIOLÓGICAS E DA SAÚDE
DEPARTAMENTO DE MICROBIOLOGIA
MBI 150 – Microbiologia do Solo
COMPOSTAGEM E DIGESTÃO 
ANAERÓBIA (BIODIGESTÃO) DE 
RESÍDUOS ORGÂNICOS
Após o estudo deste capítulo você deverá ser capaz de:
• Diferenciar os processos de compostagem e da 
biodigestão;
• Identificar as vantagens e as desvantagens de cadaIdentificar as vantagens e as desvantagens de cada 
um dos processos;
• Identificar os principais organismos envolvidos nos 
processos;
• Descrever os substratos mais utilizados;
• Descrever os produtos obtidos nos processos;p p
• Caracterizar esses produtos;
• Identificar as etapas envolvidas nos processos;
• Selecionar o processo a ser utilizado para a condição 
em estudo.
(CH(CH22O)nO)n
IntrodIntroduçãoução
RespiraçãoRespiração
F t í tF t í t
COCO22CHCH44
AeróbioAeróbio
AnaeróbioAnaeróbio
Bactérias Bactérias 
heterotróficasheterotróficas
FotossínteseFotossíntese
Bactérias quimiolitotróficasBactérias quimiolitotróficas
FermentaçãoFermentação
ii
BactériasBactérias
Bactérias metanotróficasBactérias metanotróficas
Bactérias metanogênicasBactérias metanogênicas
SedimentaçãoSedimentação
(CH(CH22O)nO)n
Respiração Respiração 
anaeróbiaanaeróbia
FototróficasFototróficas
Comparação dos balanços de carbono e energia entre os 
processo microbianos de digestão aeróbia e anaeróbia da 
matéria orgânica (SAHM, 1984). 
 
BALANÇO AMBIENTE AERÓBIO AMBIENTE ANAERÓBIOBALANÇO AMBIENTE AERÓBIO AMBIENTE ANAERÓBIO
CARBONO 50% concentrado em 
células 
95% transformado em 
biogás 
 50% convertido em CO2 5% transformado em células 
 
ENERGIA 60% armazenado nas 
novas células formadas 
90% da energia da matéria 
orgânica original pode ser 
recuperado no biogásrecuperado no biogás
 40% perdido como calor 5-7% crescimento das 
células 
 3-5% perdido como calor 
 
 
2
Compostagem 
ou Digestão Aeróbia
Compostagem de resíduos orgânicos
conceitos
Compost (Inglês) = compote (Francês)=
mistura  derivado do Latin
it l j tcompositum = colocar junto
Parr & Wilson, 1980 – decomposição aeróbica e
termofílica de resíduos orgânicos por populações
microbianas existentes no próprio resíduo sobmicrobianas existentes no próprio resíduo, sob
condições controladas, que produz um material
estabilizado de lenta decomposição, quando em
condição favorável.
Compostagem de resíduos orgânicos
conceitos
Haug (1993) – decomposição biológica e estabilização
de substratos orgânicos, sob condições que permitem
desenvolver temperaturas termofílicas comodesenvolver temperaturas termofílicas como
resultado da produção biológica de calor, que produz
um produto final estável, livre de patógenos e de
sementes, que pode ser beneficamente aplicado ao
solo.
O processo é caracterizado por um período de rápida
decomposição e auto aquecimento seguido dedecomposição e auto-aquecimento seguido de
resfriamento, com menor taxa de decomposição dos
resíduos orgânicos restante.
Substratos para Compostagem
• Resíduos municipais: resíduos orgânicos de lixo urbanop g
• Biossólidos (sedimentos, lodo de esgoto de indústrias), 
• Dejetos e esterco animal 
• Restos de processamento de restos de cultura
3
Propriedade dos resíduos a serem 
compostados
• Quantidade 
• Qualidade
Ótimas taxas de disponibilidade C, N, P e S
Boa relação C:N (25 a 35:1)
M t i i t HMateriais que compensam-se quanto ao pH
Tamanho das partículas
Conteúdo de água
O processo de compostagem
Processo de 
compostagem
Matéria orgânica 
estável (tipo-humus)
Aquecimento
Gases (CO2, NH3)
Ar
Matéria orgânica 
instável
Água
Biomassa microbiana
Montagem das 
pilhas em buraco
Opções de formato 
de pilhas
Montagem das 
pilhas de composto
Alternância das camadas de esterco e 
de palha durante a montagem das 
pilhas.
Pilha estratificada com camadas 
Umedecimento após cada seqüência 
de camadas é importante para 
umidade homogêneas das pilhas
de diferentes resíduos orgânicos
4
Umedecimento das pilhas sem 
reviramento promove o “selamento” 
superficial dificultando a penetração da 
água.
Montagem das pilhas de composto em 
local protegido de ventos e excesso de sol 
Proteção da pilha com capim
Opções de acondicionamento de resíduos para compostagem
Tijolos deixando frestas para ventilaçãoSistema de 3 recipientes, 
proteção para chuva e 
coleta de chorume
Sistema de 2 recipientes 
e coleta de chorume
Sistema com 3 
recipientes e proteção
p/ chuvas
Opções de acondicionamento de resíduos para compostagem
Disposição 
dos resíduos 
em camada
SiSistemas 
utilizando 
madeira
SistemasSistemas 
utilizando 
arame
FUNGOS TERMOFÍLICOS
TEMPERATURA
FUNGOS MESOFÍLICOS
Mudanças na temperatura (linha continua) e nas populações de fungos
mesofílicos (linha descontínua) e fungos termofílicos (linha pontilhada) em
composto de palha de trigo (adaptado de Chang & Hudson, 1967).
DIAS
5
Características Microbiológicas do 
Processo de Compostagem
temperatura sem controle80
90
pH
temperatura sob controle
30
40
50
60
70
6
7
8
9
Te
m
pe
ra
tu
ra
 (º
C
)
pH
0
10
20
4
5
I II III IV
Fases
Características Microbiológicas do 
Processo de Compostagem
• Substratos Orgânicos portam microorganismos do ambiente
• A população microbiana muda durante o processo de compostagem
Mudança na população microbiana durante a compostagem (Poincelot, 1982)
Organismo Estádio 
mesofílico
Estádio 
termofílico
Estabilização ou 
Cura
Número de 
espécies
Bactérias
Mesofílicas
Termofílicas
Actinomicetos
108
104
106
109
1011
107
6
1
UFC g-1 de matéria seca
Termofílicos
Fungos
Mesofílicos
Termofílicos
104
106
103
108
103
107
105
103
106
14
18
16
Características químicas de compostos 
de diferentes origens
pH Umidade
(%)
Densidade N 
(%)
P
(%)
K
(%)
Esgoto
Resíduos agrícolas
Resíduos de alimentos
6,0 – 6,5
5,8 – 7,2
-
20 – 25
34 – 61
40
772
304 – 400
352
2,21
0,7
0,95
0,97
0 – 0,03
0,13 – 0,46
0,27
0,02 – 0,36
0,58 – 0,86es duos de a e os
Lixo urbano 7,5 – 8,5
0
45
35
354 – 481
0,95
-
0, 3 0, 6
-
0,58 0,86
-
Composto para produção de 
cogumelos 
Compostagem para produção de cogumelos do
gênero Agaricus:gênero Agaricus:
• Fase I: pré-fermentação – degradação de
compostos facilmente degradáveis, mas preserva a
celulose, hemicelulose, etc.
• Fase II: pasteurização – aquecimento até a 70 ºC e
posterior manutenção a 45 ºC e depois à
temperatura ambiente.
6
VERMICOMPOSTAGEM
 Além de bactérias, fungos e actinomicetos, outros
organismos como as minhocas e os artrópodes ajudam
na decomposição.
 Esses organismos produzem enzimas hidrolíticas
extracelulares para despolimerizar os compostos maiores
em partículas orgânicas menores, aumentando a
superfície específica, aumentando, conseqüentemente, op p , , q ,
acesso dos microrganismos aos substratos.
 As minhocas podem favorecer a estabilização dos
compostos.
Eisenia foetida (vermelha califórnia, <10
cm) alimenta-se de resíduos orgânicos em
decomposição.
Composição do “meio de criação”:
40% de esterco
20% de restos de horta (restos vegetais)
20% de palha20% de palha
20% de composto
Umidade: 50-60%
6 kg de minhoca/t de resíduo
A cada 5 dias  ovos 30 a 40 dias até
7 minhocas/ovo
Não recomenda inoculação no
30
cm
100 cm
campo.
Recomendado para produção
de húmus por compostagem e
para alimentação animal (rã,
peixe, aves), ou humana 
rica em proteína (>70%).
Pheretima sp. (colarinho branco ou
pulador <15 cm) alimenta-se de material
em fase adiantada de decomposição
(húmus) e em condições de campo até 20
cm de profundidade, sendo promissora
para inoculação no campo.
Plantio direto onde se incorpora estercoPlantio direto, onde se incorpora esterco,
favorece a sua multiplicação.
Composição do “meio de criação”:
5% de esterco
5% de palha
20% de composto
50% de solo
Utilizada, também, na
alimentação animal e
humana
1. Os fatores determinantes da eficiência da 
processo são:
– A relação C/N
– Temperatura
– Tamanho daspartículasTamanho das partículas
– pH
– Umidade/aeração
2. O planejamento de uma compostagem:
– Simplicidade de instalação
Di ibilid d d á– Disponibilidade de água
– Fonte e tipo de materiais
– Área/sombreamento
– Transporte do composto
7
3. Na construção das Pilhas, Medas ou Leiras, 
observar:
– Comprimento variável
– Camadas C/N larga/estreita
– Umedecimento/temperaturaUmedecimento/temperatura
– Reviramento (dependente da temperatura)
– Maturação
4. Aplicação do composto (15 a 20 dias antes 
do plantio):
– Cobertura
– Incorporado
– Covas
– Quantidade: depende do solo e cultura
• 5. Vantagens da compostagem:
• Baixo risco ao ambiente;
• Eliminação de organismos patogênicos
• Eliminação de larvas e ovos de insetos e parasitas• Eliminação de larvas e ovos de insetos e parasitas 
intestinais
• Eliminação de sementes de plantas invasoras
• Aumento da fertilidade do solo
• Melhora nas características físicas e químicas do solo
• Baixo custo• Baixo custo 
• Reduz a energia biodisponível e volume dos resíduos
• Biorremediação de resíduos contendo hidrocarbonetos 
aromáticos policíclicos, pesticidas e solos contaminados 
com petróleo.
DigestDigestão Anaeróbiaão Anaeróbia
A cadeia alimentar anaeróbiaA cadeia alimentar anaeróbia
POLÍMEROS 
MONÔMEROS 
1
ÁCIDOS GRAXOS 
SUCCINATO 
ÁLCOOIS 
LACTATO 
1
4
DomínioDomínio
EubacteriaEubacteria
CH4 E CO2
ACETATO COMPOSTOS C1
H2
4
5
32
DomínioDomínio
ArchaeaArchaea
8
Sintrofismo e Transferência interespecífica Sintrofismo e Transferência interespecífica 
de Hidrogêniode Hidrogênio
Produtos de fermentação de Selenomonas ruminatium em cultura 
pura e em co cultura com M th b t i utilizando glicosepura e em co-cultura com Methanobacterium utilizando glicose 
como fonte de carbono: 
 
 Moles por 100 moles de glicose 
 
PRODUTOS 
 
Selenomonas 
Selenomonas + 
Methanobacterium 
Lactato 156 68 
Acetato 46 99 
Propionato 27 20p
Formato 4 0 
Metano 0 51 
CO2 42 48 
Substratos do tipo CO2:
•Dióxido de carbono, CO2
Substratos convertidos a metano
pelas Archaeas metanogênicas 
, 2
•Formato, HCOO-
•Monóxido de carbono, CO
Substratos do tipo metil:
•Metanol, CH3COH
•Metilaminas, CH3NH3
•Metilmercaptano, CH3SH
Substratos acetotróficos:
•Acetato, CH3COO-
Bactérias envolvidas na produção de biogás 
e seus produtos
Bactérias envolvidas Substratos 
Methanobacterium M.O.H. 
Methanobacterium thermoautogrophicum
H2 + CO2
Methanobacterium ruminanticum
Methanobacterium formicicum
Methanobacterium hungate H2 + CO2 ou HCOOH
Methanobacterium vannielli
Methanococcus
Methanopirillum
Methanosarcina barkeri H2 + CO2 ou 
CH3OH ou CH3 COOH
MetanogêneseMetanogênese
MF metanofurano
MPTmetanopterina
CoM coenzima M
9
Fatores que afetam a digestão anaeróbiaFatores que afetam a digestão anaeróbia
e produção de biogáse produção de biogás
1. Presença de oxigênio  anaeróbios estritos
2. Temperatura  mesofílico (ótimo 35ºC) mais usado
 termofílico (45 – 60 ºC)  mais rápido
Mesofílico menos sensível às variações das condições ambientais e 
efluente (material residual) mais rica que em digestão termofílica.
Biodigestores Sanitáriosfuncionam à 55 ºC eliminar patógenos.
Biodigestores Rurais  20 – 30 ºC (geralmente são enterrados, o 
que facilita o manejo e também o solo serve como isolante térmicoque facilita o manejo e também o solo serve como isolante térmico.
Sistemas para aquecimento
- aquecedor solar
- biogás
-aquecimento provocado por microrganismos aeróbicos.
Utiliza-se serpentina que circula com água aquecida, vapor d’água ou lodo 
do biodigestor 
Fatores que afetam a digestão anaeróbiaFatores que afetam a digestão anaeróbia
e produção de biogáse produção de biogás
3. Pressão 
Existem poucos dados.
Há necessidade de estudo para maximizar produção de CH4 e 
i i i d ã d COminimizar produção de CO2
Diminuindo-se a pressão interna  há um aumento na produção de 
biogás. Mas há risco de entrar ar no digestor e provocar explosão 
(uma vez que CH4 é combustível em contato com O2 nas razões de 
1/14 a 1/4). 
4. Concentração de nutrientes 
C/N 25 a 35/1C/N  25 a 35/1
NH3 em altas concentrações  inibe as bactérias
NO2 ou NO3  baixa a qualidade do gás (desnitrificaçao)
C/P  100 a 150/1
C/S  100:1 (fontes de S  aminoácidos – met, cistina e cisteína
Fatores que afetam a digestão anaeróbiaFatores que afetam a digestão anaeróbia
e produção de biogáse produção de biogás
3. pH  depende: 
 Concentração de bicarbonato
 Fração de CO2 no biogás
 C t ã d á id lát i Concentração de ácidos voláteis
Obs.: Inicialmente o pH decresce devido à produção de ácidos voláteis,
havendo também formação de CO2 e praticamente nada de CH4. Duas
a 3 semanas após o pH começa a subir e há uma elevação na
concentração de CH4 e diminuição na concentração de CO2.
pH tampão  7,2 a 8,2
pH ótimo substrato alguns autores citam 
que o pH
7,2 - 8,2 
7,0 - 7,5 
esterco bovino
esgoto 
varia de 6,0 a 8,5 
Condição possíveis razões soluções 
muito 
ácido 
pH  6 
carregamento excessivo
grandes flutuações de 
temperaturas 
redução da taxa de alimentação
adição de NH+4 (hidrólise)
Fatores que alteram o pH:
p
presença de substâncias 
tóxicas
formação de crosta
estabilização da temperatura
remoção da crosta; adição de cal ou 
cinzas de plantas
muito 
alcalina 
alimentação muito 
alcalina 
aguardar até que o pH diminua; nunca 
adicionar ácido; adicionar dejetos 
humanos; utilizar maior diluição
Quando há abaixamento do pH, pode-se utilizar:
NaOH (+ eficiente, mas caro e pode fixar o CO2)
Água de cal  o mais barato (mas precipita CaCO3 - fixando também o CO2)
Bicarbonato  o mais indicado.
10
Limite de concentração para inibidores da Limite de concentração para inibidores da 
biometanogênesebiometanogênese
Substância mg L-1
Cál i 8000Cálcio
Cobre
Sódio
Magnésio
Níquel
Zinco
8000
10 – 250
8000
3000
10 – 1000
350 – 1000Zinco
Cromo
Sulfeto
Cianeto
350 – 1000
200 – 2000
200
2
 Tipo vertical x HorizontalTipo vertical x Horizontal
Principais tipos de biodigestoresPrincipais tipos de biodigestores
Tipo vertical x HorizontalTipo vertical x Horizontal
 Carregamento contínuo x bateladaCarregamento contínuo x batelada
 Modelo ChinêsModelo Chinês
•• Utiliza uma câmara de alvenaria pressurizada;Utiliza uma câmara de alvenaria pressurizada;
 Modelo IndianoModelo Indiano
 Utiliza teto flutuante para armazenamento do gásUtiliza teto flutuante para armazenamento do gás
DIGESTOR TIPO 
CHINÊS 
OU 
DE CAMPÂNULA 
FIXAFIXA
Utiliza uma câmara de Utiliza uma câmara de 
alvenaria pressurizadaalvenaria pressurizada
DIGESTOR TIPO 
CHINÊS 
OU 
DE CAMPÂNULA 
FIXAFIXA
11
Teto flutuante para Teto flutuante para 
armazenamento do gásarmazenamento do gás
DIGESTOR TIPO 
INDIANO 
OU 
DE CAMPÂNULA 
MÓVEL
DIGESTORES 
HORIZONTAIS
DIGESTORES VERTICAISDIGESTORES VERTICAIS Tipos de substratos utilizadosTipos de substratos utilizados
Capacidade de geração de biogásCapacidade de geração de biogás
MaterialMaterial Produção de gás (lProdução de gás (l//kg)kg)
Esterco de bovinosEsterco de bovinos 3636
Esterco de suínosEsterco de suínos 5252
Esterco de equinosEsterco de equinos 100100
Esterco de avesEsterco de aves 240240
Resíduos vegetaisResíduos vegetais 2525
12
ComposiçComposição básica do biogásão básica do biogás
50 – 80%
20 – 50%
0 – 5%
CH4
CO2
N2
O poder calorífico médio é de 6.000 Kcal/ 
m3 e pode ser aumentado para 12.000 
Kcal/m3 se se remover:0 5%
0,1 a %
0 -1%
0 -1%
0 -1%
N2
H2
CO
O2
H2S
1. CO2 adição de cal formando CaCO3 
ou K2CO3
2. H2S  pela adição de limalha de ferro 
ou óxido ferroso há formação de Fe2S
3. H2O  pela adição de CaCl2
O gás metano não possui odor, não é tóxico, mas é asfixiante (à 50% v/v)
Biogás  não produz fuligem
Biogás  é altamente explosivo em combinação com o ar (6 - 15%)
O EFLUENTE PODE TER USOS DISTINTOS:
Uso como adubo “in natura”
A fração mineral (fósforo, potássio, cálcio, etc) não é
perdida durante a fermentação e sai toda no efluente.
A matéria orgânicado efluente apresenta melhor relaçãoA matéria orgânica do efluente apresenta melhor relação
C/N do ponto de vista fertilizante.
Este biofertilizante apresenta maior facilidade de
imobilização pelos microrganismos do solo
Uso como adubo após secagem:
Com o objetivo de se reduzir as quantidades de materialCom o objetivo de se reduzir as quantidades de material
a serem trabalhadas, pode-se efetuar a secagem do
efluente para posterior uso em adubações orgânicas 
reduz volume mas favorece perda de parte do nitrogênio
(amoniacal).
Países que utilizam biodigestoresPaíses que utilizam biodigestores
Países Nº de biodigestores
China > 7 milhõesChina
Índia
Coréia do Sul
Tailândia
Filipinas
> 7 milhões
> 1 milhão 
27.000
225
100
Vantagens da digestão anaeróbia
 Produção de biogás (energia)
 Produção de biofertilizante
 Eliminação de parasitas e patógenos
 Redução da poluição ambiental
 Utilização de matérias-primas disponíveis Utilização de matérias primas disponíveis
 Saneamento básico
13
Atividades agrícolas geradoras de metano 
(CH4) Manual de treinamento: http://wp2.oktiva.com.br/ider/files/2010/01/1
6.Manual-de-Treinamento-em-
Biodigestao pdfBiodigestao.pdf
http://www.simpep.feb.unesp.br/anais/anais
_13/artigos/486.pdf
Podemos afirmar?
1. Tem que controlar temperatura da pilha ou leira porque 
acima de 65 ºC ocorre morte de micro-organismos.
2. Não tem micro-organismo no composto pronto.
3. Abridor de latas e tampa de garrafa pet têm metal g
pesado.
4. Um composto pronto pode ficar armazenado 
indefinidamente sem perda de qualidade. 
5. O lodo de esgoto pode ser utilizado como inóculo para 
preparo de silagem.
6 Esterco fresco causa morte da planta porque bactérias6. Esterco fresco causa morte da planta porque bactérias 
geram fungos que mata a planta.
7. Tem que se fazer inoculação para produção de 
composto.
8. Usar lona acelera o processo de produção de 
composto.
Sabatina
14
Sabatina
Tanto a compostagem quanto a biodigestão tem
como finalidade o aproveitamento e oucomo finalidade o aproveitamento e, ou
tratamento do resíduos orgânicos,
principalmente para a produção de
biofertilizantes, no caso de propriedades rurais.
Pergunta-se:
Você, como um consultor, em que tipos de
i d d i i di i tili ã dpropriedades rurais indicaria a utilização de
biodigestores, no lugar de se realizar a
compostagem?
Sabatina
Tanto a compostagem quanto a biodigestão tem
como finalidade o aproveitamento e, oup ,
tratamento do resíduos orgânicos,
principalmente para a produção de
biofertilizantes, no caso de propriedades rurais.
Pergunta-se:
Você, como um consultor, em que tipos de, , q p
propriedades rurais indicaria a utilização de
compostagem, no lugar de construir
biodigestores?