BR102012021219B1 - processo de obtenção de fertilizante a partir da fase sólida de efluentes - Google Patents

Abstract

PROCESSO DE OBTENÇÃO DE FERTILIZANTE E CONDICIONADOR DE SOLO A PARTIR DE LODO DE EFLUENTE SEMI-LÍQUIDO DERIVADO DE BIODIGESTORES. Trata-se de processo de produto com características fertilizantes e/ou corretivas por pirólise do lodo resultante de efluentes semi-líquidos provenientes de biodigestores. O processo apresenta as vantagens do aproveitamento do lodo e sua transformação termoquímica para um produto contendo grande concentração de nutrientes, alto valor agregado, fixação de CO2 atmosférico, reduzindo os gases de efeito estufa, livre de patógenos e não poluente. Além disto, aumenta o pH e a capacidade de troca catiônica do solo, com liberação lenta de nutrientes, aumento da matéria orgânica, melhoria da diversidade biológica do solo, resultante em ganhos de produtividade na agropecuária.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção refere-se ao campo de tratamento de águas residuárias e o desenvolvimento de um fertilizante orgânico a partir da fase sólida de efluentes in natura ou biodigeridos, por pirólise. Mais especificamente, a presente invenção diz respeito ao processo de tratamento de efluentes da suinocultura em que há remoção de matéria orgânica e aproveitamento de biogás. O lodo é submetido à pirólise, resultando em um produto com propriedades agronômicas, e classificado como fertilizante ou condicionador de solos. O processo da invenção também é aplicável à transformação da fase sólida de efluentes orgânicos resultantes de processos industriais, agroindustriais e urbanos em geral.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[002] A matéria orgânica do solo apresenta um importante papel no incremento da capacidade de retenção de nutrientes, estruturação e retenção de umidade em solos tropicais, além de representar um importante compartimento para a fixação do carbono atmosférico. Porém, devido ao manejo agrícola, esses compostos podem ser degradados, perdendo sua função como condicionador das propriedades físicas e químicas, além de liberar gases causadores do efeito estufa. Portanto a estabilidade e a reatividade da matéria orgânica são fatores fundamentais na escolha de um adubo orgânico, tanto sob o ponto de vista agrícola quanto sob o ponto de vista das mudanças climáticas globais.

[003] O produto sólido resultante da pirólise é normalmente produzido com a função de reduzir o volume e massa de determinada matéria-prima, a temperaturas de 300 a 600 °C. Esse material termicamente alterado se degrada muito mais lentamente, criando um grande estoque de carbono no solo de longo prazo, sendo cerca de 1500 a 2000 vezes mais estável do que a matéria orgânica não pirolisada. A partir da pirólise dos resíduos da agricultura como madeira, restos de plantas, resíduos de animais e seus subprodutos e também resíduos industriais e urbanos, é possível sintetizar substâncias húmicas de alta estabilidade e de alta reatividade, capazes de agirem como condicionadores de solos, melhorando as propriedades físicas e nutricionais.

[004] Os produtos de pirólise podem ser derivados de subprodutos de origem vegetal, animal e humano e demonstraram possuir compostos nitrogenados e minerais como cálcio, magnésio, potássio e fósforo. As substâncias nocivas, como metais pesados geralmente mostram-se presentes em concentrações muito pequenas.

[005] O lançamento de efluentes não tratados de suínos no solo, rios e lagos, constituem riscos potenciais para o aparecimento ou recrudescimento de doenças, proliferação de insetos, mau cheiro e degradação dos recursos naturais com a morte de peixes e animais, toxicidade em plantas, eutrofização de recursos hídricos. As perdas e os desperdícios de água na granja aumentam o volume dos efluentes produzidos, agravando o problema da poluição e elevando os custos de armazenamento, tratamento, transporte e distribuição dos dejetos. O volume de dejetos líquidos depende do manejo, mas de uma forma geral, Oliveira em seu artigo intitulado “Uso racional da água na suinocultura” (EMBRAPA- CNPSA. Documentos, 27, 1993. 188p.) relata uma estimativa de produção de dejetos em 100 litros por matriz por dia em ciclo completo e 60 litros por matriz por dia para as unidades de produção de leitões e 7,0 litros por terminado por dia. A composição química dos dejetos também está associada ao sistema de manejo adotado e apresenta grandes variações na concentração dos elementos componentes, dependendo da diluição a qual foram submetidos e do sistema de armazenamento.

[006] Os resíduos animais geralmente são processados por processos aeróbios (compostagem) ou anaeróbios (biodigestão), sendo o produto final (composto aeróbio ou efluente líquido anaeróbio) posteriormente distribuído no solo. Apesar das lagoas apresentarem uma remoção razoável de material orgânico carbonáceo, o nitrogênio permanece no efluente em concentrações bastante elevadas, sendo necessárias outras etapas de tratamento de modo a atender aos padrões de emissão de efluentes líquidos previstos em legislações ambientais.

[007] A maioria dos documentos existentes no estado da arte diz respeito ao tratamento do lodo de esgoto, que é um resíduo caracterizado por possuir uma grande quantidade de carga orgânica e patógenos no efluente, possuindo odor muito forte. Esse material deve ser tratado, resultando em produto com potencial fertilizante podendo ser utilizado em solos. São várias as técnicas disponíveis para o tratamento do lodo de esgoto: espessamento, desidratação e secagem, estabilização, condicionamento, descontaminação, calagem, compostagem, pasteurização, incineração, pirólise, gaseificação, etc. Geralmente esses tratamentos são realizados estações de tratamento especializadas, o que gera alto custo de armazenamento e transporte.

[008] A patente US6171499 com data de prioridade de 06/01/1997 relata um método para o tratamento do lodo de esgoto, associando a digestão anaeróbica e a incineração, em alguns passos: a digestão anaeróbica com produção de biogás, a desidratação mecânica do lodo digerido, a combustão do biogás enriquecido com gás natural para o aparelho operar em pelo menos 88% de rendimento, para a secagem do lodo desidratado há dois aparatos ligados em série, onde o primeiro funciona com uma caldeira de circulação de óleo e o segundo um secador de leito fluidizado e refrigerador, ligado a um ciclone. O método de acordo com esta invenção é aplicável ao tratamento e transformação de efluentes agrícolas como os estercos, em fertilizantes granulados e ensacados.

[009] Alguns estudos sobre a pirólise de resíduos animais são relatados. Shinogi et al., em seu artigo intitulado "Basic Characteristics of Low-Temperature Carbon Products from Waste Sludge" (Adv. Environ. Res., 2003, 7, 661-665) prepararam um produto de pirólise de esterco bovino por aquecimento a 380°C numa atmosfera de ar limitada e relataram as propriedades do produto, que possuía baixa superfície específica de 2,2 m2/g, 25,6% de cinzas e 49,2% de carbono elementar. Os autores descreveram a utilização principal para o produto de pirólise como condicionador de solo devido ao alto conteúdo de íons nitrato, fosfato e potássio. Em um segundo estudo, intitulado "Pyrolysis of Plant, Animal and Human Waste: Physical and Chemical Characterization of the Pyrolytic Products" (Bioresource Technol. 2003, 90, 241-247), Shinogi et al. descreveram a produção de esterco pirolisado através da faixa de temperatura de 250-800°C em recipientes fechados, sendo que nessa temperatura a superfície específica foi baixa (<20 m2 /g), neste intervalo de temperatura. O esterco pirolisado também tinha elevado teor de cinzas (até 60%), um pH elevado (> 10) e um conteúdo total de carbono de menos de 40%.

[010] Bilitewski em um artigo intitulado "Production and Possible Applications of Activated Carbon from Waste" (Recycling Berlin, 79 Int. Recycling Cong. Thome- Kozimiensky, Ed, Berlin V1, 1979, 714-721), relatou um produto pirolisado a partir de cama-de-frango em um reator de leito fluidizado. Ele relatou que os excrementos de aves produziram um produto com uma superfície específica de 60,5 m2/g, 27,5% de carbono elementar e 52,4% de teor de cinzas.

[011] O pedido de patente RU2447045 com data de prioridade de 26/10/2010 diz respeito à transformação de cama de frango por pirólise a 500-550°C, com o objetivo de se obter um resíduo mineral com alto teor de carbono e a fase gasosa. Neste caso a cama de frango foi misturada a resíduos contendo celulose na proporção de 1:1 ou 1:0,7 em peso.

[012] Embora várias metodologias existam para a produção de fertilizantes por pirólise a partir de resíduos de plantas, animais e industriais, torna-se necessário aproveitar o potencial representado pela grande quantidade de efluente produzido na suinocultura de modo geral, a fim de se produzir um produto com alto valor agregado a partir de uma fonte alternativa. Dessa forma, um produto fertilizante com propriedades agronômicas e ambientais potencializadas e diferenciadas pode ser produzido com baixo custo, produzindo energia e reduzindo a carga orgânica do efluente, resultando em biomassa rica em nutrientes e com elevado teor de matéria orgânica, altamente estabilizada.

[013] Assim, uma das vantagens do processo reside em uma etapa de conversão termoquímica após a biodigestão, o que promove o aproveitamento da fase sólida (lodo) proveniente do efluente suinícola, altamente rico em nutrientes essenciais para o crescimento e desenvolvimento das plantas, como nitrogênio, fósforo, potássio, cálcio, magnésio, e micronutrientes, não contendo metais pesados, além de valorizar o resíduo por resultar em um novo tipo de fertilizante de liberação lenta de nutrientes. O processo pode ser feito na propriedade do suinocultor, evitando assim custos com transporte e armazenamento, demonstrando ser viável técnica e economicamente.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[014] A presente invenção diz respeito ao processamento de efluentes para produzir materiais e composições úteis, a um custo aceitável, sem a produção de odores malcheirosos, e com alta eficiência energética. Em particular, a invenção diz respeito a um processo multi-etapas para a produção de fertilizante com base no lodo oriundo de águas residuárias suinícolas: o efluente biodigerido tem sua fase sólida separada e submetida à conversão termoquímica a 600°C em tambor rotativo. O produto final possui liberação lenta de nutrientes. As matérias-primas que têm pouco valor comercial são convertidas em um fertilizante com alto valor agregado e com características diferenciadas, possuindo alto teor de nitrogênio, fósforo, potássio.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[015] Figura 1: Características visuais dos fertilizantes obtidos a partir do lodo suíno biodigerido e pirolisado a 600°C (A: 15 rpm por 5 horas; B: 22 rpm por 7 horas; C: 25 rpm por 4 horas; D: 40 rpm por 5 horas).

[016] Figura 2: Potencial hidrogeniônico (pH) dos fertilizantes obtidos a partir do lodo suíno biodigerido e pirolisado a 600°C.

[017] Figura 3: Condutividade elétrica dos fertilizantes obtidos a partir do lodo suíno biodigerido e pirolisado a 600°C.

[018] Figura 4: Nitrato (NO3-) liberado em água deionizada pelos fertilizantes obtidos a partir do lodo do efluente suíno biodigerido e pirolisado a 600°C.

[019] Figura 5: Fosfato (PO4-3) liberado em água deionizada pelos fertilizantes obtidos a partir do lodo suíno biodigerido e pirolisado a 600°C.

[020] Figura 6: Potássio (K+) liberado em água deionizada pelos fertilizantes obtidos a partir do lodo suíno biodigerido e pirolisado a 600°C.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[021] O termo “efluente” pode ser definido como águas residuárias resultante de processos industriais, agroindustriais, de sistemas produtivos de animais confinados e esgotos domésticos, que são lançados no meio ambiente. Preferencialmente para a presente invenção o termo “efluente” diz respeito a águas residuárias oriundas de sistemas produtivos de animais confinados suinícolas (SPACs).

[022] O efluente, especialmente de SPACs suinícolas é submetido ao tratamento comumente realizado que é a digestão prévia do resíduo, como a biodigestão, que pode ser realizada em lagoas de estabilização ou biodigestores anaeróbicos, que digerem a matéria orgânica em condições anaeróbicas (isto é, em ausência de oxigênio).

[023] O efluente líquido resultante da biodigestão é submetido a uma etapa de separação da fase sólida contida no efluente, o lodo, que pode ser realizado por um ou mais processos de separação, como por exemplo, peneiramento, flotação, decantação, filtração, centrifugação, sedimentação. O efluente líquido que sobra após esta separação com baixo teor de sólidos pode ser reutilizado na lavoura, como fertirrigação.

[024] O lodo que foi separado da parte líquida do efluente é submetido ao tratamento de conversão termoquímica, o qual pode ser por combustão, incineração, e mais especificamente, à conversão termoquímica por pirólise. A temperatura para a conversão termoquímica pode variar entre 300-1200°C, mas é preferencialmente realizada a 600°C. O tambor de conversão termoquímica é preferencialmente rotativo, variando de 10 a 50 rpm. O tempo de residência varia entre 2-10 horas, dependendo do resíduo a ser processado e das características desejadas do produto.

[025] O produto final possui características fertilizantes por possuir altos teores de macronutrientes essenciais às plantas como nitrogênio, fósforo, potássio, cálcio, magnésio, e micronutrientes como ferro, manganês, zinco e cobre. O produto final se caracteriza por possuir nutrientes de liberação lenta para a solução do solo, e os metais pesados se existirem, ficam retidos na matriz do fertilizante. A esta fase sólida podem ser adicionados outros tipos de resíduos, como resíduos de matadouros e frigoríficos, biomassa algal ou outro tipo de matéria prima de origem terrestre ou aquática. Também podem ser adicionados fertilizantes sintéticos, visando o equilíbrio da fórmula química do fertilizante produzido. O fertilizante pode ser utilizado no solo in natura ou granulado.

[026] O exemplo a seguir é descrito apenas para melhor entender a invenção, não estando a mesma limitada às características colocadas nos exemplos.

EXEMPLO

[027] Os dejetos suinícolas são digeridos por processos anaeróbios (biodigestão), sendo o produto final o efluente líquido anaeróbio. O efluente obtido da digestão dos dejetos suínos passa por um tubo de entrada e é bombeado para uma unidade de separação constituído por um conjunto de peneiras rotativas em série, com tela de aço inox com malha cilíndrica de abertura de 4 mm, com rotação de dois motores de até 15 cv cada, ambos em baixa rotação, com angulação de trabalho horizontal. O sistema piloto possui uma bomba hidráulica à vácuo de 20 cv que admite no sistema uma vazão de 40 metros cúbicos por hora de efluente biodigerido, separando aproximadamente 500 kg de lodo por hora de trabalho. O rendimento do processo de separação em peneiras rotativas é na faixa de 10 a 20% do efluente úmido separado (fase sólida úmida, ou lodo). A fase líquida pode ser aplicada como fertirrigação, e o lodo é utilizado para a produção do fertilizante.

[028] A unidade de separação possui uma lâmina de raspagem para distribuir o lodo em um reservatório móvel, acoplado a um tubo transportador com furos em sua parte inferior, de modo que ocorra uma maior eficiência de separação da parte líquida, objetivando-se com isso que o lodo que é transportado para o tambor de conversão termoquímica contenha menor quantidade de líquidos, aumentando a eficiência do processo.

[029] O tambor para a conversão termoquímica para a pirólise do lodo que foi utilizado é rotativo e com inclinação de trabalho regulável. O lodo foi pirolisado utilizando-se três tempos de residência de 4, 5 e 7 horas e quatro taxas de rotação do tambor de conversão termoquímica que foram de 15, 22, 25, 40 rpm, sob pressão atmosférica e a uma temperatura de pirólise ao redor de 600°C. A taxa de rotação do tambor define a granulometria do produto, e pode ser ajustada até 50 ciclos por minuto. Quanto maior a taxa de rotação menor será a granulometria do produto final. A inclinação de trabalho do tambor rotativo de conversão termoquímica foi de 10° com um eixo interno de 50 mm. Com isso, pouco menos da metade do volume do tambor, cerca de 400 litros, foi preenchido com o lodo, o que conferiu o processamento de cerca de 500 a 600 kg de sólidos úmidos por etapa de conversão termoquímica.

[030] O produto final é obtido a partir de ajustes do tempo de funcionamento, da rampa de temperatura, da temperatura final de processo e da taxa de rotação do tambor rotativo de conversão termoquímica. O tempo de residência do material dentro do tambor (6) geralmente depende do tipo de biomassa, e pode permanecer pelo tempo necessário para o preaquecimento da massa e a evaporação da água. A flexibilidade do controle de funcionamento do sistema permite um ajuste fino entre taxa de rotação, elevação da temperatura e temperatura final que reduz as perdas de carbono voláteis, isto é, aumenta a taxa de conversão termoquímica de carbonos voláteis e, consequentemente, aumenta a quantidade de carbono fixo e rendimento e qualidade do produto final. A taxa de rotação do tambor também deve ser ajustada de modo a obter padronização na granulação do produto.

[031] A Tabela 1 mostra os dados das características analisadas de cada fertilizante produzido em quatro combinações de rotação do tambor de pirólise e tempo de residência testados (A: 15 rpm por 5 horas; B: 22 rpm por 7 horas; C: 25 rpm por 4 horas; D: 40 rpm por 5 horas), e sua comparação com o dejeto de lodo suíno seco ao ar, sem tratamento termoquímico (Controle).

[032] As combinações de taxa de rotação do tambor/carbonizador e de tempo de residência podem ser verificadas na Figura 1, com detalhe das características físicas de cada produto testado (A: 15 rpm por 5 horas; B: 22 rpm por 7 horas; C: 25 rpm por 4 horas; D: 40 rpm por 5 horas). A Tabela 1 mostra os dados das características analisadas de cada fertilizante produzido em quatro combinações de rotação do tambor de pirólise e tempo de residência, e sua comparação com o dejeto de lodo suíno seco ao ar, sem tratamento termoquímico (Controle).

[033] Tabela 1. Caracterização dos fertilizantes produzidos, submetidos a diferentes rotações e tempos de residência no tambor rotativo de pirólise a 600°C (A: 15 rpm por 5 horas; B: 22 rpm por 7 horas; C: 25 rpm por 4 horas; D: 40 rpm por 5 horas).

*Lodo seco ao ar, sem tratamento termoquímico.

[034] As combinações de taxa de rotação do tambor/carbonizador e de tempo de residência podem ser verificadas na Figura 1, com detalhe das características físicas de cada produto testado. Na Figura 2 tem-se o gráfico de pH e na Figura 3 o gráfico de condutividade elétrica do fertilizante quando sua liberação foi feita em água. Nas Figuras 4, 5, e 6 têm-se respectivamente os teores acumulados de Nitrato, Potássio e Fósforo liberado em água para cada um dos fertilizantes produzidos (A, B, C e D). As diferentes granulometrias para os produtos A, B, C e D se devem especialmente à taxa de rotação do tambor, de modo que uma menor granulometria é obtida para maiores taxas de rotação (Figura 1). Nas Figuras 2 e 3 têm-se respectivamente os gráficos de pH e de condutividade elétrica de 150 mL de água usada como solvente para 1 g de produtos A, B, C e D. Os valores de pH convergem para em torno de 8 ao longo dos vinte dias analisados, sem diferenças visíveis entre cada produto (Figura 2). Por outro lado, a evolução diária da condutividade elétrica do produto B foi diferente dos demais, evidenciando processo de liberação lenta de íons, muitos dos quais são fertilizantes importantes para as plantas como Nitrato (NO3-), Potássio (K+) e Fosfato (PO4-3).

[035] Nas Figuras 4, 5 e 6 têm-se respectivamente os teores acumulados de Nitrato, Potássio e Fosfato liberados acumuladamente em água ao longo de 20 dias para cada um dos fertilizantes produzidos (A, B, C e D). A partir da análise conjunta das figuras 1, 3, 4, 5 e 6 verifica-se que o produto B representa um fertilizante de baixa granulometria e com propriedades de liberação lenta de íons nutrientes para as plantas. Complementarmente, a Figura 7 mostra que a liberação de dióxido de carbono, ou seja, a ocorrência de degradação do carbono é menor para o produto B, indicando que o carbono remanescente no produto B é mais estável e menos susceptível à decomposição física, química e/ou biológica. Portanto, o produto fertilizante B obtido pelo processo aqui descrito, com maior tempo de residência e relativamente maior taxa de rotação, reúne características singulares de aplicação agronômica e ambiental, transformando o lodo em produto de elevado valor agregado.

Claims (2)

1. Processo de obtenção de fertilizante e/ou condicionador de solo utilizando como material de partida biomassa biodigerida originária de sistemas de produção de animais confinados suinícolas caracterizado por ser obtido através das etapas de: i. Separação da fase sólida úmida através do bombeamento do material de partida para uma unidade de separação constituído por um conjunto de peneiras rotativas em série e lâminas de raspagem; ii. Conversão termoquímica da fase sólida úmida obtida em (i) em tambor rotativo de conversão termoquímica inclinado preferencialmente a 10°; em faixas de temperatura de 300 a 1200°C, preferencialmente 600°C; com rotação do tambor na faixa de 15 a 40 rpm, preferencialmente 22 rpm com tempo de residência do material no tambor na faixa de 4 a 7 horas; iii. Opcionalmente, a adição de biomassa algal, resíduos de matadouros ou frigoríficos e/ou qualquer outro tipo de matéria orgânica de origem vegetal na etapa (ii); iv. Opcionalmente, adição de nutrientes e granulação do produto.

2. Fertilizante e/ou condicionador de solo obtido de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por apresentar liberação lenta de nutrientes.

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