da escola pÚblica paranaense 2009 - … · do esterco, pela ação de bactérias, o que diminui o...
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O PROFESSOR PDE E OS DESAFIOSDA ESCOLA PÚBLICA PARANAENSE
2009
Produção Didático-Pedagógica
Versão Online ISBN 978-85-8015-053-7Cadernos PDE
VOLU
ME I
I
SECRETARIA DE ESTADO DA EDUCAÇÃO
PROGRAMA DE DESENVOLVIMENTO EDUCACIONAL
CLÁUDIO PEREIRA DE JESUS
PRODUÇÃO DIDÁTICO-PEDAGÓGICA
CASTRO
2010
CLÁUDIO PEREIRA DE JESUS
PRODUÇÃO DIDÁTICO-PEDAGÓGICA
UNIDADE DIDÁTICA
Produção Didático Pedagógica, constituída na forma de Unidade Didática, apresentada à Secretaria de Estado da Educação – SEED como requisito parcial de participação no Programa de Desenvolvimento Educacional – PDE 2009/2010 na área de Disciplinas Técnicas.
Orientadora: Profª Dra. Akemi Teramoto de Camargo
CASTRO
2010
1. DADOS DE IDENTIFICAÇÃO
Professor PDE: CLÁUDIO PEREIRA DE JESUS
Área PDE: Disciplinas Técnicas
NRE: Ponta Grossa
Professora Orientadora IES: Profª. Drª. Akemi Teramoto de Camargo
IES vinculada: Universidade Estadual de Ponta Grossa – UEPG
Escola de Implementação: Centro Estadual de Educação Profissional Olegário
Macedo
Público objeto da intervenção: Discentes da 2ª Série do Curso Técnico em
Agropecuária modalidade Integrado
2. TEMA: A Sustentabilidade Ambiental no Ensino Agrícola de Nível Médio
3. TÍTULO: Manejo Sustentável de Dejetos na Agropecuária.
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ......................................................................................................... 6
2. JUSTIFICATIVA ....................................................................................................... 6
3. CONCEITOS ............................................................................................................ 7
3.1. RESÍDUOS ORGÂNICOS .................................................................................. 7
3.1.1. Decomposição de resíduos orgânicos ................................................................. 7
3.2. MATÉRIA ORGÂNICA ....................................................................................... 9
3.2.1. Efeitos da adição da matéria orgânica ao solo ................................................... 9
3.3. HÚMUS ............................................................................................................ 10
3.4. BIOGÁS ........................................................................................................... 11
3.5. BIOFERTILIZANTE.......................................................................................... 12
3.6. TEMPO DE RETENÇÃO HIDRÁULICA (TRH) ................................................ 13
4. SISTEMAS DE TRATAMENTO DE DEJETOS ...................................................... 12
4.1. ESTERQUEIRAS ............................................................................................. 13
4.1.1. Definição ................................................................................................................. 13
4.1.2. Vantagens ............................................................................................................... 13
4.1.3. Desvantagens ........................................................................................................ 14
4.1.4. Dimensionamento.................................................................................................. 14
4.1.5. Metodologia de construção .................................................................................. 16
4.2. COMPOSTAGEM ............................................................................................ 17
4.2.1. Definição ................................................................................................................. 17
4.2.2. Vantagens ............................................................................................................... 18
4.2.3. Desvantagens ........................................................................................................ 18
4.2.4. Dinâmica do processo .......................................................................................... 18
4.2.5. Fatores que afetam o processo de compostagem ........................................... 20
4.2.6. Dimensionamento.................................................................................................. 20
4.2.7. Etapas da produção .............................................................................................. 23
4.3. VERMICOMPOSTAGEM ................................................................................. 24
4.3.1. Definição ................................................................................................................. 24
4.3.2. Vantagens ............................................................................................................... 24
4.3.3. Desvantagens ........................................................................................................ 25
4.3.4. Dinâmica do processo .......................................................................................... 25
4.3.5. Dimensionamento.................................................................................................. 25
4.4. BIODIGESTOR ................................................................................................ 25
4.4.1. Definição ................................................................................................................. 25
4.4.2. Etapas do processo .............................................................................................. 26
4.4.3. Vantagens ............................................................................................................... 27
4.4.4. Desvantagens ........................................................................................................ 28
4.4.5. Dinâmica do processo .......................................................................................... 28
4.4.6. Dimensionamento.................................................................................................. 29
4.4.7. Metodologia de construção .................................................................................. 34
5. ATIVIDADES .......................................................................................................... 35
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................... 36
ANEXOS .................................................................................................................... 39
6
1. INTRODUÇÃO
Este material tem por objetivo servir como instrumento de apoio à
aprendizagem na construção de sistemas de armazenamento e/ou tratamento
de dejetos de animais que podem ser utilizados em uma propriedade rural.
Além dos aspectos puramente técnicos necessários para o entendimento dos
fenômenos químicos, físicos e biológicos que afetam os resíduos orgânicos e
da construção desses sistemas, procura provocar uma reflexão sobre aspectos
atinentes à responsabilidade que os profissionais da agropecuária e os
produtores rurais devem ter frente às questões ambientais e a sustentabilidade
da atividade, nos aspectos social, ambiental e econômico.
O local para a implantação do projeto denominado
“Aproveitamento de Dejetos na Atividade Agropecuária: uma perspectiva
à sustentabilidade” é o Centro Estadual de Educação Profissional Olegário
Macedo - CEEPOM, em Castro, PR. A intervenção será realizada no setor de
Bovinocultura de Leite dessa escola, que conta com 30 vacas em lactação e
que pretende ampliar em curto prazo seu plantel para 70 vacas em lactação.
Tendo em vista que há uma elevada produção de dejetos (fezes,
urina, água de higienização, resíduos de ração) nesse setor, pretende-se
adotar medidas para diminuir o impacto ambiental dessa atividade e implantar
sistemas que propiciem o aproveitamento racional dos resíduos como fontes de
nutrientes para as culturas e para a geração de energia.
2. JUSTIFICATIVA
A destinação inadequada dos resíduos de animais não é um
processo inócuo ao meio ambiente e acarreta vários inconvenientes na
propriedade rural.
O principal problema relacionado ao manejo inadequado dos dejetos
é, sem dúvida, a poluição do meio ambiente. Essa poluição se dá na forma de
lixiviação de nutrientes para o lençol freático, rios e lagos (diminuindo a
potabilidade da água) e através da liberação de gases nocivos na atmosfera,
7
como o dióxido de carbono e o metano, que provocam o efeito estufa. Além
disso, conforme afirma Votto (2004), permitem a formação de condições ideais
para a proliferação de moscas e de agentes causadores de infecções, como a
meningite e a cólera.
Uma das estratégias para minimizar o impacto ambiental é a adoção
da reciclagem desses resíduos, de forma a permitir geração de energia
renovável e/ou a estabilização da matéria orgânica, por meio da fermentação,
antes do uso como adubo.
Assim, serão adotados os seguintes sistemas de tratamento de
dejetos no CEEPOM: esterqueira, compostagem, vermicompostagem e
biodigestor.
3. CONCEITOS
3.1. RESÍDUOS ORGÂNICOS
São materiais provenientes de plantas, animais ou descarte de
indústrias ou residências em sua forma natural ou estágio inicial de
decomposição.
3.1.1. Decomposição de resíduos orgânicos
A decomposição de resíduos orgânicos consiste na transformação
de compostos orgânicos complexos em compostos mais simples. Pode ser
aeróbica ou anaeróbica. A decomposição aeróbica é realizada por
microorganismos que vivem exclusivamente na presença de oxigênio. A
decomposição ou fermentação anaeróbica é um processo pelo qual algumas
espécies de bactérias, que atuam na ausência de oxigênio, atacam a estrutura
de materiais orgânicos complexos, para produzir compostos simples: metano,
dióxido de carbono e água, extraindo simultaneamente, a energia e os
compostos necessários para seu próprio crescimento. A fermentação ou
8
digestão anaeróbica é uma decomposição biológica natural de matéria
orgânica em um ambiente controlado, na ausência de oxigênio (MATTEW et al,
2004). Nesse processo, as bactérias fazem a decomposição das matérias
protéicas e carbonadas, produzindo biogás e biofertilizante (MORTLEY, 1986).
3.2. MATÉRIA ORGÂNICA
São compostos orgânicos provenientes de vegetais ou animais que
sofreram ou não a ação de microorganismos, não dependendo, portanto, do
grau de decomposição em que se encontram. É formada pelos seguintes
componentes: húmus, gorduras, resinas, ceras, sacarídeos, nitrogênio orgânico
e compostos de fósforo (MANAHAN, 1997).
3.2.1. Efeitos da adição da matéria orgânica ao solo
A matéria orgânica interfere nas propriedades físicas, químicas e
biológicas do solo.
De acordo com Manahan (2005), ao ser adicionada ao solo, sofre
ação de um grande número de seres vivos nele existentes, que fazem a sua
biodegradação. Desses, os mais importantes são as bactérias, principalmente
dos gêneros Agrobacterium, Arthrobacteri, Bacillus, Flavobacterium e
Pseudomonas. Actinomicetos e fungos também são importantes na
degradação de resíduos vegetais. Outros organismos unicelulares presentes
no solo são protozoários e algas.
As propriedades físicas afetadas pela aplicação de matéria orgânica
ao solo são: aumento da agregação e estruturação; redução da densidade;
aumento da aeração dos solos argilosos; aumenta a liga dos solos arenosos;
diminuição da aderência e plasticidade dos solos argilosos; aumento da
friabilidade; aumento da capacidade de retenção de água.
As seguintes propriedades químicas do solo são influenciadas pela
matéria orgânica: Aumenta a capacidade de troca de cátions (CTC); aumenta a
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disponibilidade de nutrientes ao sofrer mineralização; diminui perdas de
nutrientes por lixiviação; promove a solubilização de minerais que contêm
nutrientes; reduz a fixação do fósforo aplicado na forma de fosfato solúvel;
diminui a toxicidade de elementos como o Fe e Mn; aumenta o poder de
tamponamento; contribui para corrigir o pH.
Também as propriedades biológicas são influenciadas pela adição
de matéria orgânica ao solo: aumenta a atividade de microorganismos e
minhocas; facilita a penetração de raízes; estimula a absorção de nutrientes.
3.3. HÚMUS
O húmus é a fração mais significativa da matéria orgânica. Resulta
da biodegradação de resíduos orgânicos, que pode ocorrer na presença de
oxigênio (processo oposto à fotossíntese) ou na ausência deste, conforme
demonstram as reações:
{CH2O} + O2(g) � CO2 + H2O (respiração aeróbica)
2{CH2O} � CO2(g) + CH4(g) (respiração anaeróbica)
O húmus é resultante da biodegradação da matéria orgânica (Figura
1). É composto de frações solúveis chamados ácidos húmicos e fúlvicos, e uma
fração insolúvel chamada humina (BARRETO et al.).
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Figura 1. Representação esquemática do processo de humificação da matéria Orgânica. Fonte: adaptada de Scheffer & Ulrich (1960).
3.4. BIOGÁS
É um gás natural resultante da fermentação anaeróbica (na ausência
de oxigênio) de dejetos animais, resíduos vegetais e lixo industrial ou
residencial em condições adequadas (COLDEBELLA, 2006).
O biogás é composto por uma mistura de gases que têm sua
concentração determinada pelas características dos resíduos e as condições
de funcionamento do processo de digestão. É constituído principalmente por
metano (CH4) e dióxido de carbono (CO2), conforme a Tabela 1.
O metano existente no biogás apresenta elevado poder calorífico e
pode ser utilizado nos estabelecimentos rurais na iluminação com lampião,
aquecimento de fogões a gás, combustível para motores de combustão interna,
geladeiras, chocadeiras, secadores de grãos, campânulas, geração de energia
elétrica, entre outros usos. O metano é um gás incolor e inodoro. O poder
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calorífico do biogás está diretamente relacionado à quantidade de metano
existente na mistura gasosa.
Tabela 1. Composição média do biogás
Gás Símbolo Concentração no biogás
Metano CH4 50-80
Dióxido de carbono CO2 20-40
Hidrogênio H2 1-3
Nitrogênio N2 0,5-3
Gás sulfídrico e outros H2S, CO, NH3 1-5
Fonte: La Farge (1979).
3.5. BIOFERTILIZANTE
É o efluente do processo de digestão anaeróbica de biodigestores.
Esse material apresenta elevado valor como fertilizante. Devido a condição de
anaerobiose do processo e do tempo de retenção no biodigestor ocorre morte
da maioria dos organismos, incluindo os parasitas intestinais, que podem
causar doenças. Desta forma, o esterco é melhorado quimicamente, bem como
biologicamente através do processo de fermentação.
3.6. TEMPO DE RETENÇÃO HIDRÁULICA (TRH)
Tempo médio em que qualquer partícula (líquida ou sólida) de
esterco permanece em tratamento ou em estrutura de armazenamento
(KRAMER, 2002).
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4. SISTEMAS DE TRATAMENTO DE DEJETOS
Existem diversas alternativas que podem ser aplicadas no sentido de
procurar soluções para utilização do esterco, as quais possibilitam o seu
aproveitamento e a diminuição do impacto ambiental. Entre as soluções
preconizadas, biodigestores, composteiras, sistemas de vermicompostagem e
esterqueiras posicionam-se como alternativas interessantes, dado seu baixo
custo e simplicidade em termos tecnológicos, permitindo ainda a obtenção de
fertilizantes naturais, cuja aplicação possibilita devolver às lavouras os
nutrientes retirados pelas culturas.
A Figura 2 apresenta a produção média anual de esterco das
diferentes espécies animais.
Figura 2 – Produção anual média de esterco das diversas criações animais por 450 Kg de Peso Vivo. Fonte: adaptada de Ensminger (1990).
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Considerando-se as quantidades de esterco constantes da Figura 2,
a produção diária de animais adultos das diversas espécies encontram-se na
Tabela 2.
Tabela 2 – Produção média diária de esterco de animais domésticos.
Espécie Esterco/450 Kg PV/ano
(Kg)
Pesos Adulto (Kg)
Produção diária de esterco fresco
(Kg) Bovino de corte 8500 500 26
Bovino de leite 12000 600 44
Ovino 6000 50 1,8
Suíno 16000 90 8,7
Eqüino 8000 350 17
Frango 4500 3 0,08
Fonte: elaborado pelo autor (2010).
4.1. ESTERQUEIRAS
4.1.1. Definição
A esterqueira é um reservatório que permite a fermentação aeróbica
do esterco, pela ação de bactérias, o que diminui o seu potencial poluidor e
possibilita o aproveitamento como fertilizante em lavouras, pastagens e
pomares.
4.1.2. Vantagens
• Produção de fertilizante orgânico, possibilitando economia com
fertilizantes e corretivos convencionais;
• A matéria orgânica incorporada age como condicionador do solo,
interferindo positivamente na porosidade, manutenção da umidade,
drenagem e equilíbrio térmico do solo;
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• Melhora a estrutura do solo pelo fato de, em sua decomposição, produzir
substâncias agregantes e estabilizantes para os grumos;
• Aumento da atividade biológica do solo;
• Elevação do pH na fase final de decomposição (KIEHL, 1985);
• Durante a fase de curtimento, a elevada temperatura proveniente da
fermentação, promovida por bactérias, destrói a maioria das sementes
de pragas e germes causadores de doenças;
• Baixa utilização de mão de obra;
• Liberação de trator e implementos para outras atividades.
4.1.3. Desvantagens
• Custo inicial de construção elevado;
• Capacidade de carga limitada;
• Não permite o revolvimento da massa;
• Liberação de mau cheiro;
• Atração de moscas.
4.1.4. Dimensionamento
A capacidade de armazenamento dos tanques é função do tamanho
do rebanho, sistema de produção, diluição dos dejetos, tempo de retenção
hidráulica e quantidade de chuva que o sistema pode suportar.
Assim, tomando como exemplo o rebanho do CEEPOM, estabilizado
em 70 vacas em lactação, com produção per capita diária de 40 litros de
esterco (porém, como o regime é de semiconfinamento, o valor de referência
será um pouco mais da metade, portanto 25 litros), geração de efluentes
líquidos (água + urina) per capita diária de 30 litros e um acréscimo de 15% em
função da precipitação pluviométrica, adotando-se um tempo de retenção
hidráulica de 120 dias, pode-se proceder ao dimensionamento da esterqueira
da seguinte forma:
15
• Volume de esterco/vaca/dia: 25 L
• Volume de água+urina/vaca/dia: 30 L
• Volume de dejetos (esterco+água+urina)/vaca/dia: 25 L + 30 L
= 55 L
• Volume de dejetos/dia: 55 L x 70 vacas = 3850 L � 3,85 m3
• Volume de dejetos em 120 dias: 462 m3
• Acrescendo-se 15% em função da precipitação pluviométrica:
531,3 m3
Logo, a esterqueira deverá ter pelo menos 531,3 m3, e, portanto,
serão adotadas as seguintes dimensões:
• Comprimento à superfície (C1): 20 m;
• Comprimento de fundo (C2): 16 m;
• Largura à superfície (L1): 14 m;
• Largura de fundo (L2): 10 m;
• Profundidade (P): 2,5 m
Figura 3 – Formato que deverá ter o fosso da esterqueira após feita a escavação.
Fonte: Elaborado pelo autor (2010).
20
16
14
10
2,5
16
O volume pode ser calculado pela fórmula a seguir:
V = [(C1+C2)/2 . (L1+L2)/2] . P
V = [(20+16)/2 . (14+10)/2] . 2,5
Com essas dimensões perfaz 540 m3 e poderá acondicionar o
volume de dejetos gerado em 120 dias.
4.1.5. Metodologia de construção
A construção da esterqueira começa pela escavação do local onde a
mesma será instalada. No caso do CEEPOM, esse procedimento foi realizado com
uma retroescavadeira, de modo a manter as dimensões acima mencionadas
(superfície: 20 m X 14 m; fundo: 16 m X 10 m). As paredes devem ser adequadas para
que se formem taludes com inclinação de 45º, através de sistematização manual.
Uma vez feita a escavação, coloca-se uma lona plástica, ajustando-a ao
fundo e às paredes da esterqueira e deixando uma sobra de 1,5 m em todo o contorno
da mesma, onde o plástico deverá ser coberto com terra, para sua fixação. Essa lona
plástica deve ter pelo menos 3 mm de espessura para resistir à carga da massa de
dejetos e tem por finalidade impermeabilizar a esterqueira a fim de que não haja
infiltrações no solo.
Na esterqueira do CEEPOM, construiu-se na entrada e na lateral do free
stall uma canaleta de alvenaria (Figura 4) para onde será empurrado todo esterco
gerado no dia. Nesse local, o esterco será misturado com a água armazenada em uma
caixa d’água alimentada por um poço semi-artesiano e/ou proveniente das calhas do
free stall, nos dias de chuva. Nessa canaleta, os dejetos são contidos por 4 a 5 dias,
para se ter gradiente hidráulico suficiente para que sejam conduzidos por gravidade
até a esterqueira, através de tubos de PVC de 150 mm.
17
Figura 4 – Croqui esquemático contemplando o free stall (1); canaleta (2); caixa d’água (3); tubulação subterrânea (4) e esterqueira (5). Fonte: Elaborado pelo autor (2010).
4.2. COMPOSTAGEM
4.2.1. Definição
Compostagem é o processo de decomposição biológica da matéria
orgânica contida em resíduos animais ou vegetais. É feita por muitas espécies
de microorganismos e animais invertebrados que em presença de umidade e
oxigênio, se alimentam dessa matéria e propiciam que seus elementos
químicos e nutrientes voltem à terra.
18
O produto da transformação desses resíduos orgânicos são o
húmus, gás carbônico, calor e água, através da ação dos microorganismos,
responsáveis pela ciclagem de nutrientes no solo, ocorrendo todo o tempo na
natureza (NEGRÃO, 2000 apud CÂMARA, 2001).
4.2.2. Vantagens
• Redução de massa e volume;
• Redução do odor;
• Destruição de patógenos;
• Melhora a transportabilidade;
• Condicionador do solo;
• Fornecimento de nutrientes;
• Redução de poluentes;
• O húmus pode ser comercializado;
• Aumenta a retenção de água no solo.
4.2.3. Desvantagens
• Perdas de nitrogênio na forma de amônia;
• Demanda tempo e trabalho para sua confecção;
• Pode liberar gases do efeito estufa (CO2, NH4 e NO2) durante o
processo.
4.2.4. Dinâmica do processo
O processo de compostagem é realizado em duas fases principais:
uma fase ativa (mesofílica e termofílica) e uma fase de cura (Figura 5).
Tão logo os materiais adequados sejam misturados na pilha, sofrem
ataque dos microorganismos e inicia o processo de compostagem.
19
As bactérias e fungos mesofílicos e termotolerantes dominam a
primeira fase do processo. A fase de aquecimento tem temperaturas entre 20 a
40 ºC. Nesta fase ocorre a degradação microbiológica de compostos de
carbono mais simples (açúcares solúveis, ácidos orgânicos, etc), o que provoca
um aumento de temperatura.
Na fase ativa da compostagem, microorganismos consomem
oxigênio (O2) enquanto se alimentam da matéria orgânica do esterco e
produzem calor, dióxido de carbono (CO2) e vapor d’água. Durante esta fase, a
maioria da matéria orgânica degradável é decomposta. Um plano de manejo é
necessário para manter temperatura, oxigênio e umidade adequados para os
microorganismos. O monitoramento da temperatura, conteúdo de umidade e
níveis de oxigênio, pode ajudar na tomada de decisões sobre as atividades a
serem realizadas, tais como revirar, aerar ou adicionar água. Nessa fase, a
temperatura atinge 45 a 65ºC, aumentando a eficiência do processo e
eliminando microorganismos patogênicos (JEONG & KIM, 2001). Essas
temperaturas podem eliminar também o poder germinativo de sementes de
plantas daninhas. As elevadas temperaturas atingidas promovem o
desenvolvimento de bactérias termofílicas/termotolerantes, actinomicetos e
fungos, ao mesmo tempo que inativam os microrganismos mesofílicos.
Temperaturas superiores a 60ºC reduzem consideravelmente a população
microbiana, permitindo apenas o desenvolvimento de algumas bactérias
termofílicas. Patógenos comumente mortos nesta fase são a Escherichia coli,
Staphylococcus aureus, Bacillus e Clostridium botulinum. Nesta fase a fração
orgânica dos resíduos é quase totalmente degradada.
Após um primeiro ciclo de metabolização da matéria orgânica dá-se
um decréscimo de temperatura (fase de arrefecimento), o que provoca um
repovoamento do material em compostagem. Nesta fase a diversidade de
bactérias é muito pequena, sendo os actinomicetos mesofílicos/termotolerantes
e os fungos os microrganismos mais comuns. Logo a seguir ocorre a fase de
maturação, onde compostos como lignina, hemicelulose, celulose, amido e
outros polímeros são posteriormente decompostos lentamente pela ação
destes microrganismos (COOPERBAND, 2002). Na fase de cura a atividade
microbiana é lenta e o processo se aproxima do final, o material se equilibra
20
com a temperatura ambiente. Esta etapa é caracterizada como mesofílica
devido a temperatura manter-se na faixa de 30 a 45ºC, durante grande parte da
fase, caindo para 25 a 30ºC, no final do processo. Concluída a compostagem,
o material resultante permanece com muitas características do húmus da
fração orgânica do solo. O material reduzirá em 20 a 60% do volume original, o
conteúdo de umidade em 40% e o peso em mais de 50%.
Figura 5. Comportamento da temperatura e pH em função do tempo em uma pilha de compostagem. Fonte: adaptada da UERGS (2005).
21
4.2.5. Fatores que afetam o processo de compostagem
Vários fatores têm o potencial de afetar significativamente o
processo natural de compostagem. Alguns dos fatores mais importantes
encontram-se na Tabela 3.
Tabela 3. Fatores que afetam o processo de compostagem e faixas aceitáveis.
Fator Faixa aceitável
Temperatura 54 – 60ºC
Relação carbono-nitrogênio (C:N) 25:1 a 30:1
Aeração, % de oxigênio > 5%
Umidade 50 – 60%
Porosidade 30 – 36%
pH 6,5 – 7,5
Fonte: North Carolina State University, s/d.
4.2.6. Dimensionamento
As leiras para a compostagem devem ter forma trapezoidal, com
largura entre 1,0 e 2,0 m, comprimento variável (normalmente menor que 10,0
m) e altura em torno de 1,5 m. No dimensionamento do pátio, deve-se prever
espaço entre as leiras para a circulação de pessoas, máquinas e
equipamentos.
Exemplo: Supondo-se uma quantidade gerada de 8000 Kg/mês, com
densidade de 450 Kg/m3, largura inferior de 2,0 m, largura superior de 1,5 m e
altura de 1,6 m (Figura 6). Determinar o comprimento da pilha.
22
Figura 6. Desenho esquemático da pilha de compostagem. Fonte: Elaborado pelo autor (2010).
Cálculos:
1) Volume de esterco gerado por mês.
450 Kg - 1 m3
8000 Kg - X X = 17,8 m3
2) Seção transversal da pilha (área do trapézio):
S = (B + b) . h onde: B = base maior (inferior) � 2,0 m
2 b = base menor (superior) � 1,5 m
h = altura � 1,6 m
S = (2,0 + 1,5) . 1,6
2 S = 2,8 m2
3) Comprimento da pilha:
Considerando que volume é o produto da área e comprimento (V= S.L), o
volume de dejetos é igual a seção transversal multiplicada pelo comprimento:
17,8 = 2,8 . L
L = 17,8 / 2,8 L = 6,35 � L ≈ 6,5 m
Logo, a pilha deverá ter 6,5 m de comprimento.
23
4.2.7. Etapas da produção
a) Formação da pilha
Para o preparo do composto, deve-se sobrepor camadas alternadas
de restos vegetais (folhas secas, sabugos de milho triturados, restos de podas,
palhadas, gramas cortadas do jardim, etc.) e resíduos ricos em nitrogênio
(estercos frescos, resíduos de frigorífico, camas de animais, etc.), na proporção
de 3:1 (por exemplo, 15 cm de resíduos vegetais e 5 cm de esterco). Cada
camada deve ser bem irrigada. De acordo com Kiehl (1998), a compostagem
rápida e eficiente é favorecida por materiais que depois de misturados resultem
em uma relação carbono/nitrogênio entre 26 e 35. Se for muito maior que esta
faixa, o material irá demorar a se decompor, se for menor, parte do N será
perdida. A altura da pilha não deve ser inferior a 1,5 m, caso contrário não
haverá volume de massa suficiente para manter uma temperatura adequada.
Alturas maiores que 1,8 m devem ser evitadas porque o excesso de peso
provoca compactação e a aeração fica comprometida. A primeira e a última
camada devem ser de resíduos vegetais.
b) Manejo da pilha de compostagem
Molhar o material pelo menos uma vez por semana, para manter a
umidade na faixa de 50 a 60%. Abaixo de 35% ocorre diminuição da atividade
microbiana e acima de 65% começa a haver comprometimento da aeração da
massa, provocando condições anaeróbicas e conseqüente liberação de odores
desagradáveis. No caso de excesso de umidade (após chuvas), deve-se fazer
o revolvimento do material para provocar a evaporação.
Revolver o material a cada 30 dias, formando uma nova pilha para
evitar o aquecimento exagerado, acima de 70ºC, o que diminuiria a diversidade
microbiológica, e levaria à formação de esporos, retardando o processo. Nos
primeiros 15 dias, deve-se revirar a pilha uma vez por semana. A temperatura
pode ser monitorada através de termômetro ou de uma barra de ferro
24
introduzida no meio da massa. O momento de se revirar o material é quando
não for possível tocar essa barra de ferro, devido à elevada temperatura,
Deixar o material curtir por 90 dias ou até estabilizar a temperatura
com a temperatura ambiente e o material assumir cor escura e consistência
friável quando apertado entre as mãos.
4.3. VERMICOMPOSTAGEM
4.3.1. Definição
Vermicompostagem é o processo através do qual se introduz
minhocas no material em fase final da compostagem (cura). As minhocas mais
utilizadas nesse processo são a vermelha-da-califórnia (Eisenia foetida e E.
andrei), dependentes de elevado conteúdo de matéria orgânica em sua dieta.
O papel dessas minhocas é acelerar a maturação do composto. A
vermicompostagem é vista como um complemento ao processo tradicional de
compostagem.
4.3.2. Vantagens
• Aumenta a concentração de nutrientes, quando comparada à
compostagem convencional (em função do volume de matéria excretada
pela minhoca ser muito inferior ao ingerido);
• Aumento acentuado no conteúdo de matéria orgânica humificada (ácidos
fúlvicos, húmicos e huminas);
• Redução da acidez do solo;
• Incremento na proliferação de bactérias, protozoários e outros
microorganismos, inclusive de bactérias fixadoras de nitrogênio;
• Melhora a estrutura do solo;
• Aumenta a capacidade de troca de cátions do solo.
25
4.3.3. Desvantagens
• Requer mais mão de obra.
4.3.4. Dinâmica do processo
Adicionar 1 litro de minhocas por metro quadrado de composto,
quando este estiver com a temperatura arrefecida (aproximadamente aos 30
dias do início da compostagem). O único manejo a ser adotado é a irrigação
dos canteiros, quando necessário. O processo leva cerca de 30 dias para
concluir, dependo da época do ano. O vermicomposto estará pronto quando
adquirir aspecto de pó de café, momento em que as minhocas tornam-se mais
lentas devido a falta de alimento. As minhocas poderão ser separadas do
vermicomposto através de peneiramento. Outra forma de separar é a utilização
de iscas com resíduos orgânicos frescos colocados diretamente sobre o
composto ou sobre uma tela plástica com malha de 5 mm. Colocar uma vez por
semana a isca até que todas as minhocas sejam retiradas.
4.3.5. Dimensionamento
Os minhocários podem ser canteiros construídos de materiais
diversos, como tábuas, pedras, tijolos, bambu rachado ao meio, entre outros. A
largura deve ser de 1,0 m, altura de 40 a 50 cm e comprimento variável.
4.4. BIODIGESTOR
4.4.1. Definição
Biodigestor é um reservatório hermético construído a partir de
diversos materiais que, devido suas condições de estanqueidade, propicia
condições favoráveis à ação de bactérias anaeróbicas na fermentação de
26
excrementos para a produção de biogás e biofertilizante. Nesse
compartimento, a massa sólida permanece no fundo e o biogás na parte
superior. A massa sólida fermentada, após um tempo de retenção, sai por uma
abertura na extremidade e passa a denominar-se biofertilizante. O biogás
existente sobre a massa sólida é canalizado, através de uma válvula de saída,
para o local onde será utilizado. O tempo de retenção hidráulica (TRH) define a
carga diária do biodigestor. Normalmente, para biodigestores, adota-se um
TRH de 20 a 30 dias.
4.4.2. Etapas do processo
No aproveitamento de dejetos utilizando biodigestores devem ser
observados os passos ilustrados na Figura 7 e discriminados a seguir:
• Coleta dos dejetos;
• Mistura dos dejetos com água em tanque de carregamento;
• Abertura do cano de entrada para que os dejetos sejam introduzidos no
interior do biodigestor;
• Acomodação dos dejetos no interior do biodigestor (dentro de uma
câmara plástica ou de outro material) por um determinado período
(tempo de retenção hidráulica – TRH);
• Saída do biofertilizante, material já fermentado, através da tubulação de
saída e armazenamento em caixa de saída;
• Saída do biogás através de tubulações para posterior aproveitamento.
Figura 7. Fluxograma das etapas de fermentação anaeróbica em um biodigestor: 1 – free stall; 2 – saída de dejetos; 3 – caixa de alimentação; 4 – biodigestor; 5 – dejetos em fermentação; 6 – biogás; 7 - biofertilizante. Fonte: Winrock International Brasil (2008), adaptado pelo autor.
27
Quanto a forma de abastecimento, os biodigestores podem ser
classificados em: batelada e contínuos. Os biodigestores em batelada recebem
o carregamento de matéria orgânica, que somente é substituído após o período
adequado à digestão de todo o lote. Os biodigestores contínuos são
construídos de tal forma que podem ser abastecidos diariamente, permitindo
que a cada entrada de substrato orgânico a ser processado, exista saída de
material já tratado.
O emprego do biodigestor permite que o esterco recolhido
diariamente nos estábulos e que frequentemente são jogados nos rios ou
amontoados em um local qualquer da propriedade, ganhem um novo destino: a
produção de biogás e biofertilizante. Dessa forma, além de ser um elemento de
geração de energia e renda, resolve um problema de saneamento da
propriedade, evitando a proliferação de moscas, eliminando o mau cheiro e
diminuindo a poluição dos mananciais de água.
Comparado ao esterco “in natura”, o biofertilizante apresenta maior
concentração de nutrientes para a adubação do solo.
4.4.3. Vantagens
• Substituição parcial ou total do GLP (gás liquefeito de petróleo), óleo
diesel e lenha;
• Gás canalizado;
• Redução dos odores do esterco;
• Ausência de moscas;
• Redução do efeito poluente por gás metano (convertido em CO2);
• Redução da relação C/N;
• Potencial para gerar energia;
• Potencial fertilizante do biofertilizante;
• Solubilização parcial de alguns nutrientes;
• Eliminação de parasitas intestinais.
28
4.4.4. Desvantagens
• Emissão de CO2 (porém, este é 21 vezes menos nocivo para o
incremento do efeito estufa que o metano);
• Flutuações na produção de biogás, em função das variações de
temperatura ambiente;
• Esterco com resíduo de antibióticos pode ocasionar redução na
população de bactérias dentro do biodigestor.
4.4.5. Dinâmica do processo
Henriques (2004), afirma que a digestão anaeróbica é consequência
de uma série de interações metabólicas entre vários grupos de
microorganismos anaeróbios. Isso ocorre em três estágios: (a)
hidrólise/liquefação, (b) acetanogênese e (c) metanogênese.
Na primeira fase, bactérias hidrolíticas, através da ação de enzimas,
convertem compostos insolúveis em substâncias solúveis:
Lipídios � ácidos graxos
Polissacarídeos � monossacarídeos
Proteínas � aminoácidos
Ácidos nucléicos � purinas e pirimidinas
Na segunda fase, as bactérias acetanogênicas transformam o
produto da primeira fase em ácidos orgânicos (acético, propiônico e butírico),
etanol, dióxido de carbono e hidrogênio.
C6H12O6 � 2C2H5OH + 2CO2
(glicose) (etanol) (dióxido de carbono)
Na terceira fase, o metano é produzido por uma bactéria conhecida
como formadora de metano de duas maneiras: ou por meio da quebra do ácido
29
acético gerando dióxido de carbono e metano, ou pela redução do dióxido de
carbono em hidrogênio.
CH3COOH � CH4 + CO2
(ácido acético) (metano) (dióxido de carbono)
2C2H5OH + CO2 � 2CH3COOH
(etanol) (dióxido de carbono) (ácido acético)
CO2 + 4H2 � CH4 + H2O
(hidrogênio) (metano) (água)
4.4.6. Dimensionamento
Para se dimensionar o biodigestor, três perguntas básicas devem
ser feitas:
• Quanto gás eu necessito?
• Quanto material eu necessito para produzir essa quantidade de gás?
• Que dimensões deve ter o biodigestor para produzir e armazenar essa
quantidade de gás?
Em uma propriedade onde se pretende utilizar todos os dejetos no
biodigestor, o dimensionamento deve considerar o volume total gerado, a
frequência de recarga, o volume de recarga e o tempo de retenção hidráulica.
No caso do biodigestor do CEEPOM, serão considerados os
seguintes parâmetros:
• Produção diária de esterco/vaca/dia: 25 Kg (como o sistema de
produção é de semiconfinamento, adotaremos 25 Kg, ao invés de 44 Kg,
como aparece na Tabela 2);
• Estabilização do plantel: 70 vacas em lactação;
• Produção de biogás por Kg de esterco de bovinos leiteiros: 0,049 m3/Kg
(Tabela 4);
• Consumo de gás para cozimento: 0,23 m3/pessoa/dia (Tabela 5);
• Tempo de retenção hidráulica adotado: 30 dias.
30
Tabela 4. Produção média de biogás das diversas criações.
Espécies m3 de biogás/Kg de esterco
Bovinos de corte 0,040
Bovinos de leite 0,040 - 0,049
Suínos 0,075 – 0,089
Frangos de corte 0,090
Poedeiras 0,100
Codornas 0,049
Caprinos/ovino 0,040 - 0,061
Fonte: FCAV UNESP de Jaboticabal, s/d.
Assim, considerando-se a Tabela 4, para se produzir 1 m3 de biogás,
são necessárias as seguintes quantidades de esterco:
Bovino de corte: 25 Kg; bovino de leite: 20-25 Kg; suínos: 11-13 Kg;
frango de corte: 11 Kg; poedeiras: 10 Kg; codornas: 20 Kg e caprinos: 16-25
Kg.
Tabela 5 – Demonstrativo de consumo de gás por equipamento.
Equipamento ou Aplicação Características Consumo
Lampião Camisa de 100 velas 0,13 m3/lampião/hora
Fogão Queimador 2”
Forno
0,32 m3/hora
0,44 m3/hora
Geladeira Porte médio 2,20 m3/geladeira/dia
Motor Ciclo Otto 0,45 m3/HP/hora
Chuveiro a gás 0,80 m3/banho
Incubadeira Volume interno 0,60 m3/hora
Campânula para pintos 1500 Kcal 0,162 m3/hora
Cozimento 0,23 m3/pessoa/dia
Geração de eletricidade 0,62 m3/KW/hora
Fonte: Nogueira (1986).
31
a) Consumo de gás no refeitório (cozimento):
1 pessoa � 0,23 m3
250 alunos � Z Z = 57,5 m3
b) Produção diária de esterco:
1 vaca � 25 Kg/dia
70 vacas � X X = 1.750 Kg/dia
c) Produção potencial de biogás/dia:
1 Kg esterco vaca � 0,049 m3 biogás
1750 Kg � Y Y = 85,75 m3 biogás/dia
Portanto, a quantidade produzida de biogás atende a demanda do
refeitório, havendo ainda um excedente de produção que poderá suprir as
necessidades da Unidade Didático Produtiva da escola.
d) Dimensionamento do tanque do biodigestor
Para se dimensionar o volume do biodigestor, pode-se utilizar a
fórmula:
VB = VC . TRH
Onde: VB = volume do biodigestor;
VC = volume de carga diária (fezes +água);
TRH = tempo de retenção hidráulica.
32
A Tabela 6 apresenta uma planilha analítica para o
dimensionamento da fossa do biodigestor, bem como a relação fezes:água
recomendada para as diferentes espécies animais.
Tabela 6 - Cálculo do volume de carga diária de animais em confinamento.
Espécie Fezes por
animal/dia (Kg)
Qtde animais
Total de fezes/dia
(Kg)
Relação fezes:água
(m3)
Volume de
água/dia (L)
Volume de
carga diária
(L) A B C=A.B D E=C.D F=C+E Suíno 8,7 1:1,3 Bezerro 2 1:1 Ovino/caprino 1,8 1:4 a 5 Bovino de corte 26 1:1 Bovino de leite 44 1:1 Bovinos de leite CEEPOM*
25 70 1750 1:1 1750 3500
* Semiconfinamento
Fonte: adaptada de Winrock International Brasil (2008).
Adotando-se um TRH de 30 dias, temos:
VB = 3500 . 30 ���� VB = 105.000 L ���� VB = 105 m3
Na Tabela 7 pode-se selecionar as dimensões que mais se
aproximam do VB calculado.
Tabela 7 – Determinação do volume do biodigestor em função das suas dimensões.
VB m3 Profundidade P (m)
Comprimento maior C1 (m)
Comprimento menor C2 (m)
Largura maior L1
(m)
Largura menor L2
(m) 3 1,0 3,5 3,0 1,2 0,7 7 1,0 6,0 4,8 2,0 0,8 15 1,4 7,0 5,5 2,5 1,0 20 1,5 8,0 6,0 3,0 1,0 30 1,5 10,0 8,0 3,5 1,5 50 2,0 10,0 8,0 3,5 2,0 70 2,5 10,0 8,5 3,5 2,5 100 2,5 12,0 11,0 4,0 3,0 107 2,5 12,0 11,0 4,5 3,0
Fonte: adaptada de Winrock International Brasil (2008).
Assim, as dimensões com 2,5 m de profundidade; comprimento
maior (superior) de 12,0 m; comprimento menor (fundo) de 11,0 m; largura
33
maior (superior) de 4,5 m e largura menor (fundo) de 3,0 m atendem
satisfatoriamente a produção 105 m3 de dejetos (esterco + água) geradas pelo
vacas leiteiras do CEEPOM. A Figura 8 apresenta a planta baixa com essas
dimensões.
Figura 8. Planta baixa do biodigestor do CEEPOM. Fonte: Elaborado pelo autor (2010).
Outra forma de calcular o volume do tanque é a seguinte:
• estabelecer valores para comprimentos superior e de fundo e
para larguras superior e de fundo, bem como para a
profundidade;
• Determinar a média aritmética entre os comprimentos
superior e de fundo;
• Determinar a média aritmética entre as larguras superior e de
fundo;
• Multiplicar as duas médias pela profundidade.
VB = [(C1 + C2)/2 . (L1 + L2)/2] . P
Onde: C1 = comprimento superior do biodigestor (à superfície);
C2 = comprimento do fundo do biodigestor;
L1 = largura superior do biodigestor (à superfície);
L2 = largura de fundo do biodigestor;
P = profundidade da fossa.
Exemplo: estabelecendo-se os seguintes valores:
C1 = 12,0 m
34
C2 = 11,0 m
L1 = 4,5 m
L2 = 3,0 m
P = 2,5 m
VB = [(12,0 + 11,0)/2 . (4,5 + 3,0)/2 . 2,5 .: VB = 107,81 m3
4.4.7. Metodologia de construção
Abertura da fossa: A fossa será aberta com retroescavadeira e terá as
seguintes dimensões na parte superior: 12,0 m x 4,5 m, para comprimento e
largura. As dimensões no fundo da fossa serão de 11,0 m x 3,0 m. Terá
profundidade de 2,5 m. Com essas dimensões, o reservatório de dejetos será
de 107 m3.
Construção de canaleta lateral: Será construída uma canaleta de alvenaria
no contorno da fossa com profundidade de 20 cm para a fixação da lona
plástica.
Instalação do recipiente de carga: Próximo a uma das extremidades será
instalado uma manilha de concreto com 1 m de diâmetro para receber a carga
diária de dejetos. Em seu fundo, será colocada uma curva que encaixará em
um tubo de PVC de 100 mm e conduzirá os dejetos acrescentados diariamente
à fossa do biodigestor.
Instalação do recipiente de biofertilizante: Na extremidade oposta ao
recipiente de alimentação, será colocada uma caixa d’água de 500 litros, de
modo que sua parte superior permaneça à superfície do terreno. Essa caixa
será ligada a um tubo de PVC de 100 mm que estará imerso nos dejetos dentro
da fossa e será receptor dos efluentes que fluirão por este.
Instalação da lona de fundo: Para que haja impermeabilização da fossa, será
colocada uma lona plástica ajustada ao fundo e às paredes desta. Essa lona
será fixada com porcas, parafusos e sarrafos de madeira na canaleta, onde
ficará imersa em água.
Instalação da lona superior: Será fixada à canaleta, uma segunda lona, que
ficará submersa em água. Esta lona tem por objetivo a contenção do gás
35
produzido no biodigestor. Contém um orifício, onde se ajustará a tubulação
para a saída do gás.
A Figura 9 demonstra o biodigestor instalado e em funcionamento.
Figura 9. Representação esquemática da estrutura do biodigestor. Fonte: Elaborado pelo autor (2010).
5. ATIVIDADES
• Levantamento da quantidade de esterco produzido pelas vacas em
lactação;
• Baseados nos anexos 1 e 2, os alunos deverão fazer o monitoramento
das propriedades químicas e físicas dos sistemas de tratamento
utilizados, elaborar gráficos representativos das variações observadas e
responder um questionário.
• Avaliação do funcionamento da esterqueira, respondendo um
questionário.
• Os alunos participarão na construção do biodigestor, dos sistemas de
compostagem e vermicompostagem e desenvolverão um relatório sobre
as atividades realizadas.
36
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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(Graduação em Agronomia) – Escola Superior de Agricultura de Mossoró,
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39
ANEXOS
Anexo 1 – Resultado de análise laboratorial dos dejetos nos sistemas de
tratamento adotados.
Sistema g.dm-3 mg.dm-3 mmolc.dm-3 % % g.kg-1 g.cm-3
pH CaCl2 M.O. P Melich H+Al Al K Ca Mg SB T V m U D
EBN
EST
COMP
VERM
BIO
EBN = esterco fresco de bovino; EST = esterco após 3 meses de fermentação em esterqueira; COMP = composto orgânico após 3 meses de fermentação em composteira; VERM = composto orgânico após 30 dias de fermentação em composteira e 60 dias sob a atividade das minhocas; BIO = biofertilizante proveniente do biodigestor após período de retenção de 40 dias.
40
Anexo 2 – Ficha de monitoramento da variação de parâmetros físicos e químicos da composteira a intervalos definidos.
Dia
Mês
Data
Dia
Temperatura
ºC
Umidade
g/kg
pH
0 Agosto 2
7 9
14 16
21 23
28 30
35 Setembro 6
42 13
49 20
56 27
63 Outubro 4
70 11
77 18
85 25
92 Novembro 1
99 8
106 15
113 22
120 29