simulaÇÃo de uma composteira de bagaÇo de cana...

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA USP-EEL

LEONARDO DE FARIA PINTO

SIMULAÇÃO DE UMA COMPOSTEIRA DE BAGAÇO DE

CANA-DE-AÇÚCAR EM ESCALA INDUSTRIAL

Lorena

2013

LEONARDO DE FARIA PINTO

SIMULAÇÃO DE UMA COMPOSTEIRA DE BAGAÇO DE CANA-DE-

AÇÚCAR EM ESCALA INDUSTRIAL

Monografia apresentada à Escola de

Engenharia de Lorena da

Universidade de São Paulo para

obtenção do título de engenheiro

químico.

Orientador: Prof. Dr. André Luis Ferraz

Lorena- SP

Junho, 2013

AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE

TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA

FINS DE ESTUDO DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.

CATALOGAÇÃO NA PUBLICAÇÃO

Serviço de Biblioteca

Escola de Engenharia de Lorena

Pinto Leonardo de Faria

Simulação de uma composteira de bagaço de cana-de-açúcar em

escala industrial / Leonardo de Faria Pinto; Orientador André Luis

Ferraz.—Lorena, 2013.

66p..

Monografia apresentada como requisito parcial para a conclusão de Graduação

do Curso de Engenharia Química - Escola de Engenharia de Lorena da

Universidade de São Paulo.

1. Bagaço de cana-de-acúcar 2. Compostagem . I.Título. II Ferraz, André

Luis, Orient.

Aos meus pais, Maria Luci e Carlos Alberto, por ser o seu reflexo de pessoa.

Agradecimentos

Aos meus pais, Maria Luci e Carlos Alberto; aos meus irmãos, Anderson e Antoani. Pelo apoio que sempre me deram.

Aos amigos de república Edson, Maurício, Felipe, Leandro e José Felipe, com o convívio de quatro anos. Ao Rodrigo, novo integrante da casa.

Ao Prof. André Ferraz por me orientar durante esses dois anos.

Aos colegas de trabalho, José Carlos, José Moreira, Thales, Dayelle, Omar, Aline, Maria Fernanda, Fernanda Valadares, Gina, Fernando, Tainã, Angela e Paula, por me ajudarem mesmo com a minha saída do laboratório.

Aos meus familiares, em especial à Maria Elza, por estar ao meu lado.

Aos amigos, Lucas, Michele e Renata pela amizade e companheirismo.

Aos professores que me marcaram, Maria Angélica e Ewerson, por eles eu

me ingressei na engenharia química.

A Deus por me dar forças para continuar.

“Se eu vi mais longe, foi por estar de pé sobre ombros de gigantes.” Isaac Newton.

Resumo

PINTO, L. F. SIMULAÇÃO DE UMA COMPOSTEIRA DE BAGAÇO DE CANA-

DE-AÇÚCAR EM ESCALA INDUSTRIAL. 2013. 66p. Trabalho de conclusão de

curso (Engenharia Química) – Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de

São Paulo, Lorena, 2013.

Este trabalho propõe uma simulação para a construção de uma composteira de

bagaço de cana em escala industrial com base em pesquisas já realizadas e a

agregação de conhecimentos de engenharia. A proposta representa uma

alternativa para a utilização dos sub-produtos originados na indústria sucro-

alcooleira. No caso do bagaço de cana seria encaminhar uma parte do material

gerado na planta industrial para ser compostado ao invés de ser queimado para

produção de vapor e energia elétrica. Com esta abordagem, parte do vinhoto

também gerado como sub-produto da produção de etanol poderia ser aproveitado

na irrigação do bagaço sob compostagem. A monografia aborda uma proposta de

soluções potencialmente viáveis economicamente tomando como base

experimentos já realizados por diversos pesquisadores que desenvolveram e

publicaram estudos feitos em escala de bancada. Um grande desafio da

compostagem em escala ampliada reside no controle eficiente da temperatura na

pilha de bagaço, visto que quanto maior a pilha (leira), maior é a necessidade de

aeração. Os resultados obtidos no presente trabalho indicam que cerca de 91% e

98% de vinhoto produzidos na destilação do álcool poderiam ser consumidos na

compostagem sem ou com inóculo, respectivamente.

Palavras chaves: Bagaço de cana-de-açúcar; compostagem

Abstract

PINTO, L. F. SIMULATION OF A COMPOSTING SYSTEM FOR SUGAR CANE

BAGASSE AT INDUSTRIAL SCALE. 2013. 66p. Work of conclusion course

(Chemical engineering) – Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São

Paulo, Lorena, 2013.

This work proposes the simulation of a composting system used to treat sugar

cane bagasse at industrial scale. The work was based on previously published

papers and some basic knowledge related to process engineering. The proposal

suggests an alternative use for the byproducts produced in the sugar and ethanol

industry. In the case of the sugar cane bagasse, only a part of the produced

material would be used in the composting system in spite of all bagasse be burned

to produce steam and electrical energy. The composting system proposed uses

mostly of the wastewater produced after distillation for watering the composting

pile. The work involves some proposals that could be economically viable with

basis on currently published papers that were developed at the laboratory scale.

The main task for the composting system at a large scale is related to the

temperature control in the bagasse pile, since large bagasse piles require an

efficient control of temperature and humidity. The results obtained suggest that

around 91 and 98% of vinasse produced in the plant mill could be incorporated in

the compost produced without or with inoculum, respectively.

Key words: Sugar cane bagasse; composting

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Representação do caso 1 para diferenças finitas. Cada ponto representa

uma temperatura em distintas coordenadas, e são a distância do ponto em

questão até os outros pontos e T é a temperatura ...............................................27










Figura 5. Representação das leiras sendo montadas e revolvidas, figura adaptada

de Fernandes e Silva (1999)..................................................................................39

Figura 6. A figura representa o quadrado proporcional ao triângulo, e foram

0,1m e em cada intersecção de retas é um ponto de temperatura onde o valor é

representado acima e a esquerda do ponto, o centro está em branco porque são

as temperaturas a serem calculadas.....................................................................49

Figura 7. A figura representa o retângulo proporcional ao triângulo, e foram

0,1m e em cada intersecção de retas é um ponto de temperatura onde o valor é

representado acima e a esquerda do ponto, o centro está em branco porque são

as temperaturas a serem calculadas.....................................................................50

Figura 8. A figura representa o quadrado proporcional ao triângulo, e foram

0,1m e cada intersecção de retas é um ponto de temperatura com o seu valor

respectivo a sua superior à esquerda, o centro está com fundo cinza porque são

as temperaturas que foram calculadas..................................................................54

Figura 9. A figura representa o retângulo proporcional ao triângulo, e foram

0,1m e cada intersecção de retas é um ponto de temperatura com o seu valor

respectivo a sua superior à esquerda, o centro está com fundo cinza porque são

as temperaturas que foram calculadas..................................................................55

LISTA DE TABELAS

Tabela 1. Vantagens e desvantagens dos três sistemas de compostagem

(Adaptado de Massukado (2008) e de Fernandes e Silva (1999))........................42

Tabela 2. Indica as características da máquina de revolvimento e a leira que ela

forma......................................................................................................................57

Tabela 3. Cálculos da densidade inicial com ou sem inóculo...............................57

Tabela 4. Área do terreno utilizada para distintas produções diárias de bagaço de

cana.......................................................................................................................58

Tabela 5. Componentes de cada leira de compostagem, todos em base

úmida.....................................................................................................................58

Tabela 6. Proposta de revolvimento e monitoramento das leiras. Primeira fase de

25 a 35 dias e segunda fase de 50 a 90 dias........................................................60

Tabela 7. O peso, volume e a densidade final do composto sem inóculo. Valores

com base úmida.....................................................................................................61

Tabela 8. O peso, volume e a densidade final do composto com inóculo. Valores

com base úmida.....................................................................................................61

Tabela 9. Tabela de consumo de vinhoto com ou sem inóculo, todos os valores

em base seca.........................................................................................................62

Tabela 10. Consumo de vinhoto com ou sem inóculo e a estimativa de consumo

de vinhoto se caso fosse produção de somente álcool.........................................62

SUMÁRIO

INTRODUÇÃO ......................................................................................................15

1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................16

1.1 Cana-de-açúcar ..............................................................................................16

1.2 Resíduos agroindustriais do setor sucro-alcooleiro ........................................16

1.3 Compostagem de resíduos .............................................................................18

1.4 Fatores que influenciam no processo de compostagem .................................20

1.4.1 Aeração ........................................................................................................20

1.4.2 Temperatura .................................................................................................20

1.4.3 Umidade .......................................................................................................21

1.4.4 Relação C/N .................................................................................................22

1.4.5 Tamanho das partículas ...............................................................................23

1.4.6 pH .................................................................................................................23

1.5 Fatores que ajudam a acelerar o processo de compostagem ........................24

1.6 Perda de massa e volume ..............................................................................25

1.7 Dissipação de calor .........................................................................................26

1.8 Diferenças finitas, equações com várias variáveis e definição de modelos de

cálculo e balanço de energia ................................................................................26

1.9 Dimensionamento da leira de bagaço de cana ...............................................35

1.10 Sistemas de compostagem ...........................................................................37

1.10.1 Sistema de leiras revolvidas (windrow) ......................................................37

1.10.2 Sistema de leiras com aeração forçada .....................................................39

1.10.3 Sistema fechado ou com reatores biológicos ............................................40

1.10.4 Vantagens e desvantagens de cada sistema de compostagem ................41

2. METODOLOGIA ...............................................................................................43

2. 1 Planejamento da composteira ........................................................................43

2.2 Simulação de parâmetros ...............................................................................45

2.3 Simulação da temperatura na leira e tempo necessário para atingir a

temperatura máxima .............................................................................................47

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO ........................................................................52

3.1 Resultado da simulação de temperatura na pilha de compostagem e o tempo

necessário para elevar a temperatura ao valor desejado .....................................52

3.2 Resultado da simulação de parâmetros ..........................................................56

4. CONCLUSÃO ...................................................................................................63

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ....................................................................64

15

INTRODUÇÃO

Um problema na produção de etanol é o vinhoto, um resíduo de difícil

tratamento que não pode ser descartado em lagos e rios por provocar a

eutrofização. A cada litro de etanol produzido são gerados cerca de 13 litros de

vinhoto, o que torna o vinhoto um grande problema para a indústria. Outro sub-

produto produzido no setor sucro-alcooleiro é o bagaço de cana. Atualmente, a

maioria deste material é utilizado pelas indústrias para gerar energia elétrica e

vapor.

O presente trabalho aborda uma alternativa para o emprego do bagaço de

cana que envolve a produção de composto orgânico, utilizando o vinhoto como

material destinado a umidificar a pilha de compostagem. Esta proposta se mostra

atraente do ponto de vista industrial, pois parte do fertilizante químico atualmente

consumido pelo setor poderia ser substituído por composto orgânico à base de

bagaço e vinhoto.

Dentro do contexto apresentado, vale reassaltar que um fator que permite

diminuir o tempo de compostagem é a manutenção adequada dos níveis de

umidade na pilha de compostagem (idealmente mantida em 60%). Alguns estudos

já publicados indicaram, por exemplo, que para cada 1 kg de material seco

(composto por bagaço de cana, torta de filtro, esterco bovino e fosfato natural de

Gafsa (fosfato natural de Gafsa é o nome comercial do produto) foi possível

incorporar 4,9 L de vinhoto. Os dados indicaram ainda que a qualidade do

composto obtido com vinhoto foi similar ao composto produzido com água

(GOMES, 2011).

Como até o momento, os dados disponíveis sobre o tema abordado foram

obtidos em escala de bancada, a presente monografia busca agregar

conhecimentos de engenharia aos estudos disponíveis e propor uma simulação

para uma composteira de bagaço de cana em escala industrial.

16

1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

1.1. CANA-DE-AÇÚCAR

A cana-de-açúcar é uma planta pertencente à família das gramíneas e

cultivadas em países tropicais e subtropicais, originária da Ásia, e foi trazida ao

Brasil em 1532 por Martin Afonso de Souza (OLIVEIRA, 2010). A cana-de-açúcar

passou a ter significativa importância para o país devido ao seu uso na fabricação

de açúcar e álcool.

O Brasil é o maior produtor de cana-de-açúcar, com a previsão do total de

cana moída na safra 2012/13 de 596,63 milhões de toneladas, sendo que 50,42%

do total de cana serão destinados na produção de açúcar, ou seja, 300,82

milhões de toneladas de cana-de-açúcar para uma produção estimada de 38,99

milhões de toneladas de açúcar e o restante, 49,58% do total da cana que

equivale a 295,81 milhões toneladas será destinado para a produção de etanol,

com a estimativa de gerar 23,49 bilhões de litros de etanol (COMPANHIA

NACIONAL DE ABASTECIMENTO, 2012).

Este setor industrial gera resíduos ou sub-produtos que podem ser

sumarizados como bagaço, vinhaça ou vinhoto, torta de filtros (resíduo da

filtragem do caldo de cana) e a cinza do bagaço (produzida pela queima do

bagaço) (OLIVEIRA, 2010). A cada tonelada de cana moída são gerados cerca de

250 kg de bagaço de cana e a cada litro de etanol produzido são gerados cerca

de 13 litros de vinhaça (BERTONINI, 2008). Com as estimativas da safra de

2012/2013 é previsto um total de 149,16 milhões de toneladas de bagaço de cana

e 305,37 bilhões de litros de vinhaça (COMPANHIA NACIONAL DE

ABASTECIMENTO, 2012).

1.2. RESÍDUOS AGROINDUSTRIAIS DO SETOR SUCRO-ALCOOLEIRO

O bagaço é o resultado da moagem da cana-de-açúcar para a extração do

caldo. Esse material apresenta uma relação Carbono/Nitrogênio (C/N) muito alta

devido a baixíssima disponibilidade de nitrogênio. Além de uma relação C/N alta,

17

o carbono disponível neste material é de difícil assimilação pela maioria dos

micro-organismos devido a natureza polimérica e ao fato de se apresentar na

forma de parede celular pouco porosa. Para se usar o bagaço de cana na

compostagem é recomendável a adição de alguma fonte de nitrogênio externa, a

fim de adequar relação C/N para que os microrganismos possam decompor a

matéria de forma mais rápida. Na indústria, esse material tem uma grande

aplicação, pois pode ser utilizado na geração de vapor ou energia para o sistema

produtivo. No entanto, há outras aplicações para o bagaço, além da queima, tais

como a produção de ração animal, a produção de composto orgânico, a produção

de papel e a produção de biomassa microbiana (GOMES, 2011). Atualmente é

comum que as empresas de grande porte utilizem bagaço na produção de vapor

e energia elétrica e, em alguns casos, há algumas empresas que compram

bagaço para aumentar essa produção energia elétrica. Neste contexto a opção de

usar o bagaço de cana para compostagem seria, a princípio, mais adequada para

as empresas de menor porte que não possuem um sistema eficiente de produção

de energia elétrica.

No processo de destilação do etanol, o resíduo líquido não volátil, é

denominado de vinhoto ou a vinhaça. O vinhoto apresenta composição variada de

acordo com a matéria prima, tem pH baixo, forte odor, é rico em matéria orgânica

e apresenta quantidade suficiente de nutrientes para causar a eutrofização de

lagos caso despejado de forma irregular. O uso excessivo desse resíduo no solo

pode causar problemas (GOMES, 2011). Atualmente, o vinhoto é utilizado

principalmente na irrigação dos campos plantados com cana-de-açúcar, porém de

maneira bastante controlada, pois dependo da composição do vinhoto pode haver

dano severo ao solo.

Uma aplicação possível e já avaliada experimentalmente para o vinhoto é a

irrigação de material sob compostagem. Segundo trabalho de Gomes (2011)

foram feitos experimentos com 5 tipos de irrigação na compostagem, cada tipo de

irrigação tinha uma concentração diferente de vinhoto ( 0; 25%; 50%; 75%;100% )

e a cada concentração de vinhoto, o material seco absorvia certa quantidade

vinhoto (0; 1,23L; 2,46L; 3,69L; 4,92L). Em todos os casos, os resultados

indicaram que o composto obtido no final do processo era adequado para uso

agrícola. Como o intuito é de utilizar o máximo possível o vinhoto, o trabalho

18

mencionado anteriormente indica que é possível incorporar até 4,9 L de vinhoto a

cada 1 kg da mistura (base seca).

Um terceiro resíduo gerado no setor sucro-alcooleiro corresponde a um

sub-produto do processo de moagem da cana. O caldo de cana que sai da

moenda é usualmente aquecido e a ele se adiciona uma solução de hidróxido de

cálcio para a floculação de colóides orgânicos. Neste processo ocorre a

precipitação tanto da matéria orgânica como de sais de cálcio e fosfato. A borra

gerada nesta etapa é composta por material orgânico e inorgânico. A borra é

combinada com uma parte do bagaço de cana finamente moído e filtrados a

vácuo, formando a torta de filtro. Essa torta de filtro é utilizada como adubo

orgânico nas lavouras, pois possui alto teor de fósforo (GOMES, 2011).

1.3. COMPOSTAGEM DE RESÍDUOS AGRÍCOLAS

A compostagem é uma técnica antiga. Um dos primeiros registros dessa

técnica foi no império Akkad, na mesopotâmia, porém um estudo detalhado sobre

a compostagem foi realizado somente em 1920 por Albert Howard. Desde então,

vários estudos têm levado ao aperfeiçoamento do processo (OLIVEIRA, 2010). As

técnicas modernas de compostagem podem ser consideradas processos de

biodegradação para conseguir um composto de forma mais rápida.

Existem vários tipos de microrganismos que são classificados de acordo

com as suas temperaturas ótimas. Há os mesófilos e termófilos e suas

temperaturas ótimas de crescimento são de 25 a 40 °C e 50 a 55°C,

respectivamente (FERNANDES; SILVA, 1999).

A compostagem é feita basicamente por bactérias, fungos e actinomicetos.

A função das bactérias é de decompor açúcares, amidos, proteínas e outros

compostos orgânicos de fácil degradação; aumentar a disponibilidade de

nutrientes; agregar partículas no solo e fixar nitrogênio (SILVA, 2007). Já os

fungos e actinomicetos são essenciais para degradar materiais celulósicos e

também fazem a fixação do nitrogênio (MASSUKADO, 2008).

19

Na temperatura ambiente prevalecem os microrganismos mesófilos.

Porém, na biodegradação ocorre a bioxidação exotérmica do material que resulta

na elevação da temperatura de forma que os microrganismos mesófilos são

reduzidos e os microrganismos termófilos se proliferam intensivamente. Ao

aumentar a população de microrganismos ocorre também um aumento de: a)

consumo de matéria orgânica; b) consumo de oxigênio; c) bioxidações

exotérmicas e; d) temperatura do sistema. Assim, os microrganismos mesófilos

diminuem drasticamente ao longo do processo de compostagem.

Quando a maior parte da matéria orgânica foi consumida ocorre o processo

inverso, ou seja, há a diminuição da temperatura do sistema, provocando uma

queda no número de organismos termófilos e um aumento no número de

microrganismos mesófilos. Assim, a compostagem entra na fase de maturação.

Na primeira fase de degradação rápida é possível observar um alto consumo de

O2, redução de massa do material orgânico e aumento da temperatura. Já na fase

de maturação, diminui a atividade biológica e o consumo de oxigênio, mas

também ocorrem as transformações químicas como polimerização de algumas

moléculas, sendo que esta etapa é conhecida como humificação (MASSUKADO,

2008).

A etapa de degradação rápida pode variar de 25 a 60 dias, isso depende

do tipo de material em decomposição e de outros fatores, mas se o meio estiver

nas condições ideais, ou seja, condições que favoreçam o crescimento e

proliferação dos microrganismos, o tempo de compostagem é reduzido. Os

fatores que aceleram esta etapa podem ser sumarizados como: aeração

adequada, temperatura controlada para evitar superaquecimento, umidade

elevada (cerca de 60%), relação C/N balanceada, pH e tamanho das partículas

adequados. Alguns estudos demonstraram que o uso de inóculo e vinhoto na

irrigação reduziu o tempo de compostagem e/ou melhoraram a qualidade do

composto orgânico. Os tópicos a seguir discutem em maiores detalhes o efeito de

cada uma destas variáveis no processo global de compostagem.

20

1.4. FATORES QUE INFLUENCIAM NO PROCESSO DE COMPOSTAGEM

1.4.1. AERAÇÃO

Dependendo do material a ser compostado, de qual fase da compostagem,

do tamanho das partículas e dos tipos de microrganismos presentes, a

necessidade de aeração é diferente (MASSUKADO, 2008). Na fase de

degradação rápida tem-se alto consumo de oxigênio, logo é preciso aerar o

sistema com maior intensidade para que exista O2 suficiente para o metabolismo

microbiano. Isso favorece uma decomposição mais rápida e a não geração de

mau cheiro nem a proliferação moscas, mantendo um meio mais estético e um

local mais recomendável à saúde humana (BERNARDI, 2011). O mau cheiro é

decorrência da criação de um meio anaeróbico, ou seja, baixa concentração de

oxigênio devido ao consumo praticamente total de O2 disponível (OLIVEIRA,

2010). Já na fase de maturação, a necessidade de aeração é menor, pois a

atividade dos microrganismos não é intensa.

O ar introduzido no sistema tem a função de remover calor, umidade e

satisfazer a necessidade de O2 do sistema. A necessidade biológica de oxigênio é

bem menor que a necessidade de dissipação de calor e umidade do material,

logo, se a quantidade de ar injetada satisfizer os requerimentos de controle de

temperatura e umidade, as condições biológicas também serão satisfeitas.

(PAIVA, 2008).

No presente trabalho foram apresentadas três maneiras de se fazer

aeração do sistema: por revolvimento, por aeração forçada e por reatores

biológicos.

1.4.2. TEMPERATURA

A temperatura é um fator importante para as atividades biológicas do meio,

em vista que a temperatura na fase termófila deve estar entre 45-65°C para se

21

obter o menor tempo de compostagem possível (SILVA, 2007). O aumento de

temperatura na pilha é devido ao fato de que a energia liberada pelas bioxidações

dos microrganismos não é dissipada na pilha, pois esse material é um bom

isolante térmico e a área de contato com a superfície externa não é

suficientemente grande para eliminar o calor gerado.

Outro aspecto importante na compostagem é a eliminação de

microrganismos patogênicos. Para tal finalidade, seria ideal manter a temperatura

na faixa de 65-70°C; entretanto esta temperatura pode prejudicar o sistema de

compostagem e por isso o tempo nesta faixa de temperatura não pode ser longo

(MASSUKADO, 2008). Porém o próprio calor produzido no sistema nos primeiros

dias é capaz de eliminar os microrganismos patogênicos (Oliveira, 2010).

Conforme Kiehl apud Massukado (2008), temperaturas acima de 70°C são

desaconselháveis pois restringem a ação dos microrganismos mais sensíveis,

insolubilizam proteínas hidrossolúveis, provocam alterações químicas

indesejáveis e há desprendimento de amônia se o material possuir baixa relação

de C/N.

Após a fase de degradação rápida começa a fase de maturação. Isso

acontece devido a maior parte de matéria orgânica ter sido consumida e há então

uma redução de temperatura (MASSUKADO, 2008).

No trabalho apresentado a temperatura foi controlada por revolvimento e

irrigação, caso a umidade do meio esteja em torno de 65% o revolvimento por si

só é o suficiente para o controle de temperatura.

1.4.3. UMIDADE

A presença de água é fundamental na compostagem, pois é um processo

biológico que necessita de água, porém o nível de umidade deve ser controlado

para uma maior eficiência na compostagem. De um modo geral, a faixa ideal de

umidade na compostagem é de cerca de 60%. Abaixo de 40% de umidade pode

ocorrer a inibição da atividade biológica. Por outro lado, acima de 65% de

umidade começa a haver a formação de zonas de anaerobiose, pois a água

começa a ocupar pontos vazios de maneira que há impedimento da passagem de

22

O2. O excesso de água também pode favorecer a lixiviação de nutrientes (SILVA,

2007). As zonas com excesso de água e consequente anaerobiose são de fácil

detecção, pois há exalação do mau cheiro e possível aparecimento de moscas

(MASSIKADO, 2008).

As reações bioxidativas que ocorrem na compostagem podem liberar água

o que implica na necessidade de monitorar a umidade com frequência, pois esta

não deve ultrapassar os limites desejáveis (60%). O simples revolvimento da pilha

pode ser usado para homogeinizar o composto e assim reduzir os níveis de

umidade. Outros fatores importantes para o controle e manutenção da umidade

são: o tamanho das partículas, pois quanto menor as partículas, maior é a

retenção de água; o tamanho das pilhas, pois quanto menor as pilhas, maior a

tendência de perda água; o estágio de compostagem, pois à medida que a

matéria orgânica vai se humificando ocorre um aumento na capacidade de

retenção de água na matéria (OLIVEIRA, 2010).

1.4.4. RELAÇÃO C/N

Os microrganismos necessitam de carbono como fonte de energia e

nitrogênio para síntese de proteínas (FERNANDES; SILVA, 1999). Por isso, a

relação C/N é essencial para os microrganismos e seu valor ótimo para obter uma

maior eficiência está em torno de 30:1. Na realidade, isso depende do meio que

se encontram os microrganismos, pois depende também da biodegradabilidade

do substrato (FERNANDES; SILVA, 1999). Caso essa relação seja maior do que

30:1, a fermentação não ocorre devido à falta de nitrogênio para sintetizar as

proteínas e os microorganismos terão seu desenvolvimento prejudicado. Por outro

lado se o valor de C/N for menor do que 30, o excesso de nitrogênio pode resultar

na volatilização de amônia (OLIVEIRA, 2010).

Durante a compostagem, parte da matéria orgânica é mineralizada,

resultando em perda de massa, o que acarreta numa redução da relação C/N ao

longo do processo (BERNARDI, 2011). Quando a relação C/N estiver entre 10:1 e

23

15:1 pode se utilizar esse dado como um parâmetro para o fim da compostagem

(SILVA, 2007).

1.4.5. TAMANHO DAS PARTÍCULAS

Quanto menor for o tamanho das partículas do material que sofre

compostagem, maior será a área superficial exposta ao ar e maior será o nível de

oxigenação, o que resulta em um aumento a ação microbiana. Por outro lado,

quando as partículas são demasiadamente pequenas pode haver maior

compactação do material e isso pode acarretar em menores eficiências de

transferência de oxigênio levando à formação de zonas de anaerobiose (SILVA,

2007). Se as partículas forem excessivamente grandes, a superfície de contato

será menor o que pode acarretar em menor ação microbiana de modo que o

tempo de compostagem necessário tende a ser mais longo (BERNARDI, 2011).

De um modo geral, as partículas devem estar entre 25 e 75 mm para se obter

melhores resultados (OLIVEIRA, 2010).

1.4.6. pH

Quando a relação C/N está adequada no substrato, o valor de pH não é

considerado um fator crítico no processo de compostagem, desde que esteja na

faixa ácida (FERNANDES; SILVA, 1999). Em valores de pH acima de 7,5 a perda

de amônia por volatilização passa a ser expressiva (BERNARDI, 2011).

O valor do pH pode ainda fornecer informações sobre o estado de

maturação do processo, sendo que quando o pH é ácido o processo deve se

encontrar na fase termófila devido a geração de ácidos orgânicos. Já o pH neutro

ou alcalino indica que o material se encontra bioestabilizado, pois há liberação de

amônia devido a hidrólise de proteínas. De forma geral, o pH neutro a alcalino

indica que o processo atingiu a fase de umidificação (OLIVEIRA, 2010).

24

1.5. FATORES QUE AJUDAM A ACELERAR O PROCESSO DE

COMPOSTAGEM

Existem fatores que não são cruciais para realizar a compostagem, mas

podem acelerar o processo e podem até melhorar a qualidade do composto final.

A sequência básica de degradação dos componentes dos substratos em

decomposição é a de primeiro serem consumidos os materiais mais simples de

menor massa molar, sendo que os materiais mais complexos de maior massa

molar são degradados ao final do processo. De um modo geral, a degradação tem

início com os açúcares livres e os ácidos orgânicos, seguidos da hemicelulose,

celulose e a lignina (BERNARDI, 2011).

O vinhoto pode ser considerado como um material de fácil assimilação e,

por ser rico em carbono, serve como substrato de partida para o crescimento de

uma massa microbiana expressiva aumentando então a velocidade de

degradação da matéria mais recalcitrante e, com isso, pode reduzir o tempo de

compostagem.

No trabalho de Alfano et al. (2008) foram feitas 4 pilhas com quantidades

diferentes de folhas e cascas de oliveiras e regimes de compostagem

diferenciados. De uma forma geral, duas pilhas que continham inóculos

provenientes de esterco de ovelhas ou de cascas de oliveira previamente

compostadas e as outras duas pilhas não continham inóculo. As pilhas com

inóculo produziram um composto final de boa qualidade em menor tempo de

tratamento em relação as pilhas sem inóculo.

Segundo o trabalho realizado por Ferraz et al. (2008), foram biotratadas 50

toneladas de cavaco de Eucalyptus grandis utilizando Ceriporiopsis

subvermispora para degradar principalmente a lignina e assim reduzir a energia

gasta na polpação deste material. Inicialmente foi a madeira pré-colonizada em

biorreatores de 20 L. Colocou-se 760 kg de madeira não colonizada com 40kg de

madeira pré-colonizada. Os 800 kg colonizados foram utilizados para fazer uma

pilha de 8 toneladas e, por último, essas 8 toneladas foram usadas para inocular

uma pilha de 50 toneladas. Depois desse processo todo, que levou 60 dias de

biodegradação, foi feito o refino do material biotratado e houve uma redução

25

significativa no consumo de energia. Isso significa que parte da lignina do material

foi degradada pelo fungo de forma que foi justificável a utilização de inóculo.

No experimento de Ferraz et al. (2008), a quantidade percentual de inóculo

teve variações ao longo da ampliação de escala: 40 kg para 800 kg

corresponderam a 5%; 800 kg para 8 toneladas corresponderam a 10% e 8

toneladas para 50 toneladas corresponderam a 16%. Esse aumento da carga de

inóculo ao longo da ampliação de escala foi necessário, pois a viabilidade do

inóculo decaiu ao longo do tempo.

1.6. PERDA DE MASSA E VOLUME

Nos processos de compostagem, a porcentagem de redução de massa

inicial foi distinta por causa dos materiais de partida serem distintos; a perda de

massa não acompanha a perda de volume, pois ocorre compactação do material

durante o processos. Por exemplo, Breitenbeck e Schellinger (2004) observaram

que uma mistura de volumes iguais de bagaço de cana e silagem de milho

decompostos por 100 dias perdeu 15,2% da massa original contra um diminuição

de volume de 52,2%. Díaz et al. (2002) fez uma mistura de 56% de restos de

caroço de algodão + 22% de vinhaça de beterraba e após 71 dias de

compostagem adicionou mais 22% de vinhaça de beterraba. Ao término da

compostagem houve uma redução de 26,7% na massa inicial.

Díaz et al. (2002) obteve a conclusão de que quando se faz revolvimento

na pilha de compostagem há uma maior redução de massa no processo em

relação a aeração forçada, ou seja, o sistema de revolvimento foi mais eficiente

do que o de aeração forçada. Foram feitos dois sistemas em seu experimento:

1) Uma mistura de 56% de restos de caroço de algodão + 22% de vinhaça

de beterraba. Após 71 dias de compostagem foram adicionados mais 22% de

vinhaça de beterraba restante e se empregou o sistema de aeração por

revolvimento.

26

2) Uma mistura de 55% de restos de caroço de algodão + 45% de vinhaça

de beterraba. Neste caso, o sistema usado foi o de aeração forçada realizada por

injeção de ar por tubos localizados na parte inferior da pilha de compostagem.

A perda de massa no final do processo foi de 26,7% e 22,6% para os

sistemas 1 e 2, respectivamente. Logo se percebe que há uma diferença de 4,1%

na perda de massa com diferentes sistemas de aeração. Note-se ainda que o

sistema de revolvimento é mais simples e mais barato e, ao longo do processo, o

material se torna mais homogêneo.

1.7. DISSIPAÇÃO DE CALOR

Em compostagem, um dos fatores mais importantes é a produção de calor.

Por isso, é preciso haver uma metodologia eficiente, simples e barata para

dissipar o calor gerado. Os fatores que afetam a dissipação do calor são: umidade

do material; dimensão da leira; condições do ambiente; granulometria do material;

a composição do material compostado no sentido de que se o material está rico

em proteína ou a relação C/N está baixa; a temperatura se eleva mais

rapidamente; o gradiente de temperatura, pois no centro da pilha a temperatura é

maior e há baixa troca de calor no material para distribuir para as periferias pois o

bagaço é um bom isolante térmico (BRENARDI, 2011).

1.8. DIFERENÇAS FINITAS, EQUAÇÕES COM VÁRIAS VARIÁVEIS,

DEFINIÇÃO DE MODELOS DE CÁLCULO E BALANÇO DE ENERGIA

Diferenças finitas correspondem a um método numérico usado para

encontrar soluções de equações mais complexas com sistema mais simples. No

trabalho apresentado foi interessante estimar a temperatura na leira de

compostagem usando esse método. Este sistema é utilizado com maior

simplicidade quando se empregam figuras em que a diferença de espaço de X e

27

Y são iguais. No caso da leira de bagaço de cana, o formato da figura de um corte

na vertical é de um triângulo e para se fazer essa malha na forma de triângulo

seria necessário usar o método de bloqueio para delinear a geometria e isso seria

um processo complexo que foge aos propósitos do presente trabalho. Então

foram feitos duas adaptações para essa situação, ao comparar a área do triângulo

e montar um retângulo com mesma área, porém deve-se adaptar de forma

proporcional, ou seja, reduzir parte da altura e da base proporcionalmente e não

fixar um valor e alterar somente o outro para formar a mesma área. A segunda

adaptação foi para um quadrado de mesma área do triângulo e para determinar o

valor do lado do quadrado foi retirado a raiz quadrada da área do triângulo, e com

esse valor obtido, foi considerado o lado do quadrado.

No presente trabalho, foram ponderadas 4 condições de contorno para

solucionar a questão da dissipação de calor na pilha a partir do emprego do

método das diferenças finitas. Cada condição de contorno foi denominada de

"caso" e as considerações matemáticas estão descritas a seguir.

A fórmula para diferenças finitas e transferência de calor com o ponto

principal no centro foi empregada seguindo Holman (1983) e definido como caso

1 (figura 1).

m,n+1

m-1,n

m,n

m+1,n

m,n-1

Figura 1. Representação do caso 1 para diferenças finitas. Cada ponto representa uma

temperatura em distintas coordenadas, e são a distância do ponto em questão até os outros

pontos e T é a temperatura.

28

Para cada ponto pode ser somado uma unidade em m ou n para

identificação de posição, e o ponto central é m,n.

]

]

]

]

]

]

]

( )

]

]

]

( )

( )

( )

Caso haja geração interna de calor basta adicionar o termo k na

equação geral e resolver.

29

( )

( )

O quadrado tracejado no desenho tem as mesmas medidas de lado assim

logo basta substituí-los na equação, resultando na fórmula final:

( )

No caso 2, o ponto central está na parte superior da superfície da figura de

maneira que não exista o ponto m,n+1( esse caso funciona para o ponto central

na parte inferior da superfície da figura, basta fazer algumas modificações). A

figura 2 é a representação do caso 2 para diferenças finitas.

m+1,n m,n m-1,n

m,n-1




]

30

]

]

]

]

]

]

( )

]

]

]

( )

( )

( )

Observe no retângulo tracejado que a distância de x é o dobro da distância

de Y( ), substituindo temos:

( )

No caso 3, o ponto central está na lateral esquerda da superfície da figura

de maneira que não exista o ponto m-1,n( esse caso funciona para o ponto central

na lateral direita da superfície da figura, basta fazer algumas modificações). A

figura 3 é a representação do caso 3 para diferenças finitas.

31

m,n+1

m,n

m+1,n

m,n-1




]

]

]

]

]

]

]

( )

]

]

]

( )

32

( )

( )

Observe no retângulo tracejado a distância de Y é o dobro da distância de

X( ), substituindo temos:

( )

Já no caso 4, o ponto central está na lateral esquerda da superfície da

figura e sem a parte inferior, está na extremidade da figura, logo não existe os

pontos m-1,n e m,n-1(esse caso funciona para qualquer extremidade da figura,

basta fazer algumas modificações). A figura 4 é a representação do caso 4 para

diferenças finitas.




]

]

33

]

]

]

]

]

( )

]

]

]

( )

( )

( )

Observe no quadrado tracejado que a distância de Y é igual a distância de

X ( ), assim temos:

( )

Entretanto o e são do quadrado tracejado que são metade da

dimensão da figura e para deixar uniforme as medidas de e em todos os

casos será substituído , = :

( )

Nesse tipo de método é comum haver muitas variáveis e, para resolver o

sistema é usual empregar o método de matrizes. Há 2 matrizes: a matriz dos

34

índices de incógnitas (matriz A) e a matriz com a igualdade das incógnitas (matriz

B). Ao multiplicar a inversa da matriz A pela matriz B é possível encontrar o valor

das variáveis, conforme o exemplo:

2a + 1b= 4

1a – 1b= -1

Matriz A (

)

Matriz B ( )

Matriz inversa de A (A-1) (

)

Matriz A-1 x Matriz B (

) x ( )= (

)

a= 1 e b= 2

Uma outra forma de abordar o problema seria utilizar o balanço de massa,

pois aqui fornece o tempo necessário para toda massa atingir uma temperatura

determinada, ou seja não há o gradiente de temperatura.

Acumula = Entra – Sai + Forma – Consumido

Não há entrada e consumo de calor; o calor que sai é muito inferior ao

calor formado, por isso será considerado nulo a saída de calor.

Acumula =

Forma =

Acumula = Forma

35

∫

∫

( )

1.9. DIMENSIONAMENTO DA LEIRA DE BAGAÇO DE CANA

Ao se montar uma leira com grande quantidade de matéria em um pequeno

espaço gera-se alguns problemas para o controle da temperatura. A cana-de-

açúcar é um material lignocelulóscio com baixo coeficiente de condutividade

térmica, ou seja, um material isolante que retém o calor. Qualquer aumento de

temperatura no interior da leira tende a manter o interior aquecido o que faz

necessário revolver a pilha para dissipar o calor.

Além do emprego de bagaço de cana foram simulados a adição de torta de

filtro, esterco, fosfato natural de Gafsa (fosfato natural de Gafsa é o nome

comercial do produto) e inóculo. Os materiais citados anteriormente possuem uma

granulometria baixa, logo estes podem ocupar espaços vazios existentes na pilha

de bagaço de cana, gerando uma dificuldade na passagem do oxigênio pelo

material e o processo começa a trabalhar de forma anaeróbica e gerar mau

cheiro, produzir ácidos orgânicos e aumentar o tempo de compostagem,

necessitando de revolvimento para aerar o sistema e dissipar o calor.

Se a leira tiver uma altura elevada, o peso da leira propriamente dito tende

a compactar o material gerando o mesmo problema de falta de espaços vazios

36

proporcionando uma dificuldade na passagem do oxigênio pelo material e o calor

produzido fica mais retido na leira. Assim é preciso fazer revolvimento com mais

frequência.

É interessante observar que com uma área da base fixa é possível

aumentar o volume da leira. Simplesmente pode-se aumentar o volume da leira

ao aumentar sua altura que seria aumentar a inclinação da leira. Ao se fazer isso

há dois problemas: se a inclinação for muito elevada, a leira tende a desmoronar

o que vai gerar mais tempo e gasto para remontá-la. O segundo problema seria

que o bagaço de cana sofre diminuição de granulometria durante a compostagem

o que diminui a interação do material e assim o limite de inclinação da leira é

menor. Por outro lado o volume e a massa também diminuem com o tempo

minimizando o problema de diminuição da granulometria.

A empresa Backhus Eco Engineers (BACKHUS ECOENGINEERS, 2013)

produz máquinas de revolvimento para pilhas de compostagem. Essas máquinas

montam leiras que ao se fazer um corte vertical da leira tem a figura com formato

de um triângulo em que, praticamente, todos esses triângulos tinham um ângulo

de inclinação variando de 40° a 45°; ou seja, o ângulo limite deve estar próximo

desse valor. Há vários tipos de máquinas de revolvimento e cada um com suas

especificações para montar a leira.

Empregando uma lógica simples, é possível determinar qual é o espaço

necessário para montar composteiras de bagaço de cana. Quanto melhor e maior

a máquina de revolvimento, maior é o volume de material compostado com menor

área na base. Logo, ao se usar uma máquina de revolvimento de grande porte, o

espaço necessário para a composteira será menor do que aquele necessário

quando se empregar uma máquina de revolvimento de menor porte. Entretanto,

deve-se analisar o custo e beneficio da situação. A indústria tem que avaliar a sua

situação para saber se é interessante adquirir uma máquina maior ou menor, pois

há uma diferença significativa de preços entre as máquinas de revolvimento e se

o espaço é ou não escasso para fazer a compostagem. Deve-se também

considerar que ao empregar uma máquina maior deve haver maior frequência de

revolvimento pois as pilhas maiores acumulam mais calor e isso agrega custos ao

processo.

37

1.10. SISTEMAS DE COMPOSTAGEM

Existem vários sistemas para compostagem e, em todos os casos, a

disponibilidade de capital e mão de obra são críticos para definir qual é aquele

mais adequado. No presente trabalho foram apresentados três sistemas de

compostagem, mas o sistema fechado (reatores biológicos) não é atrativo do

ponto de vista econômico, pois o capital necessário e os custos de operação são

significativamente maiores em relação às leiras revolvidas.

O local para realizar a compostagem por revolvimento deve ter o chão de

concreto para evitar a contaminação do solo e também para sustentar o

maquinário que fará o revolvimento e os caminhões que farão o transporte.

Também é necessário haver canaletas nas áreas laterais para recolher o líquido

excedente para ser enviado para uma estação de tratamento de efluentes.

1.10.1. SISTEMA DE LEIRAS REVOLVIDAS (WINDROW)

São leiras revolvidas por máquinas auto-propelidas ou máquinas

tracionadas por trator para controlar a temperatura, umidade e também suprir a

demanda de oxigênio por meio de convecção e difusão do material com o ar. É

comum utilizar retroescavadeiras ou pás carregadeiras, pois é mais fácil de

encontrar no mercado e mais barato do que máquinas específicas para isso.

Esse é o processo mais simples de todos; há uma maior homogeneização

em relação a leiras com aeração forçada, mas menor comparado com reatores

biológicos, porém há uma menor eficiência de controle de temperatura e umidade

se comparado com os outros processos.

A princípio, a quantidade de revolvimento depende do formato da pilha,

mas, em termos gerais, o revolvimento deve ser feito pelo menos três vezes por

semana no primeiro mês e depois a cada 6 dias até começar a fase de

humificação. Essa metodologia é feita para suprir as necessidades como citadas

anteriormente no período de biodegradação rápida (FERNANDES; SILVA, 1999).

38

O tempo para essa fase é muito relativo ao material utilizado para compostagem,

no caso do bagaço de cana é maior o tempo de compostagem por ser material

lignocelulósico, pois é mais difícil degradar o bagaço devido à complexidade das

cadeias poliméricas. Em experimentos já realizados por Magalhães (2006), foi

demonstrado que o tempo de biodegradação rápida foi de 60 dias. Nesse

experimento o bagaço de cana foi usado como filtro para esterco suíno e depois

foi compostado. Em um experimento realizado por Gomes (2011), o tempo da

etapa de biodegradação rápida foi de 45 dias.

Segundo Fernandes e Silva (1999), o revolvimento tem basicamente os

seguintes objetivos:

• Aerar o material

• Aumentar a porosidade do meio, para reduzir a compactação natural

devido ao próprio peso, mas dependendo do caso serve para reduzir a

granulometria

• Homogeneização do material e da temperatura

• Diminuir o teor de umidade do composto

As leiras devem ter espaçamento suficiente para que os equipamentos

auto-propelidos possam passar entre as leiras, sendo que cada máquina tem uma

largura diferente. Segue a abaixo a figura 5 com a representação do sistema de

leiras revolvidas.

No início da compostagem há o problema de mau cheiro principalmente ao

se fazer o revolvimento, mas após 5 ou 6 dias é resolvido esse problema e como

as leiras estão em céu aberto o problema é menos intenso.

39

Figura 5. Representação das leiras sendo montadas e revolvidas, figura adaptada de Fernandes e

Silva (1999)

1.10.2. SISTEMA DE LEIRAS COM AERAÇÃO FORÇADA

Nesse caso há tubulações embaixo das leiras que injetam ou sugam ar

para controlar a temperatura, a umidade e oxigenar o meio. Neste sistema deve-

se colocar materiais com maior granulometria para trabalhar como material

estruturante. Há alguns casos em que foram empregados alguns tipos de mistura

de sistemas, já que na base das leiras havia tubos para injeção de ar e, após

certo período, foi feito o revolvimento do material (FERNANDES; SILVA, 1999).

No sistema de aeração forçada é recomendável colocar uma camada

protetora na tubulação para evitar entupimento da mesma por pequenas

partículas.

Como não é feitos a homogeneização do material é interessante colocar

uma camada de material seco ou já composto para proteger a superfície de

ressecamento; não atrair moscas nos primeiros dias e manter a temperatura

interna do material fixa (PAIVA, 2008). Entretanto o material não fica tão

homogêneo como o sistema de revolvimento porque o material não é revolvido.

40

Há algumas vantagens da injeção de ar em relação à sucção relatadas por

Paiva (2008):

Distribuição de ar é melhor

Não há sucção de impurezas do ar

Menor resistência de fluxo do ar

Perda de nitrogênio é menor

Não tem entupimento dos tubos

Melhor remoção de calor e umidade

O odor pode ser melhor controlado na sucção pois retira-se o mau cheiro

da pilha e envia-se para um sistema de tratamento de odores. Uma maneira para

tratar esse odor seria enviar o ar sugado para uma leira já maturada, pois a leira

maturada tem a capacidade de reter moléculas orgânicas voláteis causadoras do

mau odor (FERNANDES; SILVA, 1999).

Como é feito o controle de temperatura e umidade por injeção de ar, acaba

que a necessidade biológica é suprida, pois a necessidade de oxigênio na parte

biológica é menor que a necessidade de dissipação de calor. O tempo de

biodegradação rápida é menor em comparação com o método de revolvimento,

mas ainda assim o tempo de biodegradação rápida é maior em relação a reatores

biológicos. Já no processo de maturação, a demanda de ar é menor e o material

pode ser misturado com o material de maturação do processo de revolvimento e

seguir o mesmo procedimento o qual é deixar o material a ser compostado em um

pátio com revolvimentos a cada 20 dias (FERNANDES; SILVA, 1999).

1.10.3. SISTEMA FECHADO OU COM REATORES BIOLÓGICOS

É o sistema com maior controle e menor tempo na fase termófila, pois o

trabalho é todo monitorado para suprir qualquer necessidade do composto como

água, oxigênio e a dissipação de calor, porém é um sistema mais caro e com

limitações a quantidade de material a ser compostado (MASSUKADO, 2008).

Segundo Fernandes e Silva (1999) há 3 tipos de sistema fechado de um

modo geral:

41

1) Reatores de fluxo vertical:

São constituídos por sistemas parecidos com silos verticais onde os resíduos geralmente entram pela parte superior e percorrem o reator no sentido descendente. O ar pode ser injetado em vários níveis ou apenas na parte inferior do reator. O dimensionamento é feito de tal forma que quando o composto chega à parte inferior do reator, a fase termófila terminou. O composto então é descarregado e transportado ao pátio de maturação.

2) Reatores de fluxo horizontal:

Apresentam geralmente forma cilíndrica e são dispostos horizontalmente. Por estas características às vezes são conhecidos como túneis. Os resíduos entram por uma extremidade do reator e saem pela outra, com tempo de detenção suficiente para a realização da fase termófila. O ar é injetado sob pressão ao longo do trajeto.

3) Reatores de batelada:

Difere dos anteriores pelo fato do composto ficar confinado no mesmo local, sem se deslocar. O reator geralmente é dotado de um sistema de agitação da massa de resíduos, que pode ser por rotação lenta do reator em torno de seu próprio eixo, ou por um sistema misturador interno. O revolvimento é necessário para limitar os caminhos preferenciais de passagem do ar, porém alguns modelos de reatores, por batelada, não são dotados deste dispositivo.

1.10.4. VANTAGENS E DESVANTAGENS DE CADA SISTEMA DE

COMPOSTAGEM

A escolha do sistema varia muito de empresa para empresa, pois todos os

processos são eficientes na produção de um composto de qualidade. Segue

abaixo a tabela 1 com as vantagens e desvantagens de cada sistema para ajudar

na escolha do melhor processo.

42

Tabela 1. Vantagens e desvantagens dos três sistemas de compostagem

Leira revolvida

Leira aerada

Reator biológico

Investimento inicial Baixo Baixo Alto

Tempo de compostagem Maior Médio Menor

Simplicidade de operação Sim Sim Não

Controle de temperatura, umidade e odor Baixo Moderado Alto

Flexibilidade na quantidade de material compostado

Alto Moderado Baixo

Custo de Operação Menor Médio Maior

Dificuldade para reparos de erro de sistema

Menor Médio Maior

Capacitação do operário Menor Médio Maior

Alta mão de obra para aeração Sim Não Não

Área exigida para compostagem Alta Média Baixa

Facilidade no aumento ou diminuição de umidade Sim Não Sim

Dependente do clima devido às chuvas Sim Sim Não

Necessidade de um bom estudo de dimensionamento Não Sim Sim

Fonte: Adaptado de Massukado (2008) e de Fernandes e Silva (1999)

43

2. METODOLOGIA

2.1. PLANEJAMENTO DA COMPOSTEIRA

O presente trabalho está baseado em pesquisas já realizadas e a

agregação de conhecimentos de engenharia para simular um projeto para uma

composteira supondo que os resultados serão reproduzidos em escala maior.

A simulação dessa composteria foi apresentada a seguir:

O bagaço de cana-de-açúcar é transportado por esteiras e despejado de

maneira que forme pilhas. Por intermédio de escavadeira seria transportado o

bagaço em caminhões com caçamba para serem despejados no pátio da

composteria. Outros caminhões iriam transportar esterco, torta de filtro e fosfato

natural de Gafsa para serem adicionados ao bagaço com o intuito de aumentar o

nitrogênio, microrganismos e fosfato a fim de aumentar a velocidade do processo

de compostagem. A relação de bagaço de cana, esterco, torta de filtro seria de

4:1:1. A essa mistura se propõe a adição de 30kg de fosfato/ton de mistura (em

base seca), como já descrito por GOMES (2011). Essa situação seria empregada

numa primeira compostagem destinada à produção de inóculo. Na segunda

compostagem em diante haveria a utilização de inóculo que seria o próprio

composto preparado na primeira etapa que seria adicionado em 10% da massa

total. Após uma leira ter terminado o processo de compostagem, esta seria

removida em 90% e utilizada na lavoura ou vendida, o novo bagaço seria

colocado em cima dos 10% restantes de composto e então seriam adicionados os

outros elementos e em seguida o revolvimento para homogeneizar o sistema.

No pátio seriam formadas leiras com dimensões específicas conforme as

especificações de cada máquina de revolvimento Backhus, variando essas

especificações de acordo com a produção diária.

O sistema de monitoramento de temperatura seria feito por termopares

colocados em três regiões da pilha: um em cada ponta da leira e outro no meio.

Em cada região seria colocado um termopar no centro da leira. Essas

temperaturas seriam analisadas para indicar se há a necessidade de revolvimento

e também para se ter uma ideia em qual estágio se encontraria a compostagem.

44

Para se determinar a umidade e o pH, seriam retiradas amostras no

mesmo ponto que são analisados as temperaturas. A determinação de umidade

seria feita por uma balança de determinação de umidade e o pH seria medido

pela adição de água destilada e a medida feita em um pHmetro.

Se a temperatura ou a umidade tiverem valores muito acima que dos

parâmetros ideais seria feito o revolvimento para dissipar o calor ou reduzir a

umidade e por consequência aerar o sistema. O vinhoto seria utilizado para

ajustar a umidade, usando canhões de irrigação. A aplicação de vinhoto seria feita

caso a umidade do material esteja abaixo de 50%. Após a adição de vinhoto seria

feito o revolvimento do material para melhorar a homogeneidade. Os líquidos

excedentes nas leiras seriam escoados pelas canaletas e esse líquido seria

enviado para estações de tratamento. No caso das máquinas Backhus, há um

sistema para acoplar um tanque que armazena água ou vinhaça. Ao se fazer o

revolvimento é injetado vinhaça para diminuir a temperatura e umidificar o meio.

Canhões de irrigação seriam utilizados caso a máquina de revolvimento não

tivesse esse sistema de injeção de vinhaça simultânea ao revolvimento.

Na primeira fase, as medições devem se adequar a cada tamanho de leira.

As leiras com maior quantidade de matéria devem ser revolvidas e monitoradas

com mais frequência, devido à rápida elevação de temperatura. Quando a

temperatura da pilha se estabiliza em torno de 40°C, é marco do fim da fase

termófila.

Na fase de maturação a quantidade de revolvimento seria menor e o

monitoramento não seria tão imprescindível como na primeira fase. O

monitoramento e revolvimento teriam frequências diferentes dependo do tamanho

da leira. O término da compostagem seria quando a temperatura se iguala a

temperatura ambiente, pois após a segunda fase a temperatura diminui até a

temperatura ambiente.

O trabalho de Gomes (2011) indicou que a primeira fase levou 45 dias e a

segunda fase se completou após 152 dias de compostagem total. Mas no caso

desse trabalho, foram utilizados condições para se fazer o mais rápido possível a

compostagem, assim o tempo de primeira fase foi estimado em 25 a 35 dias e a

segunda fase de 50 a 90 dias.

45

Um dos problemas que surgem nesse sistema de leiras à céu aberto são

as chuvas que podem alterar o teor de umidade, logo uma das finalidades das

canaletas é de evitar um acúmulo maior de líquido. Assim as chuvas reduzem a

necessidade de vinhoto na irrigação, ou seja, dependendo da época do ano pode

ser que se use mais água da chuva ou mais vinhoto para a irrigação.

2.2. SIMULAÇÃO DE PARÂMETROS

Foram feitas algumas tabelas com comparações de cada máquina com a

área do terreno; volume da leira; a quantidade de cada componente; revolvimento

e monitoramento; a massa e volume final; consumo de vinhoto no processo e a

porcentagem de consumo de vinhoto na produção de álcool. Também foi feito o

calculo da densidade inicial e final com ou sem inóculo.

Foi calculada a quantidade de cada componente em base seca para

10 toneladas de bagaço e caso houvesse inóculo esse seria

baseado em 10% da massa total da mistura úmida. Na simulação se

considerou a umidade de 31% e 69% para esterco e torta de filtro,

respectivamente (GOMES, 2011). Segundo a Petrobras apud Silva e

Morais (2008), o bagaço de cana após processado tem densidade

de 120kg/m3 e umidade de 50%. Como o bagaço de cana tem alta

granulometria, foi mantido o volume da leira, mas o peso aumentava

com acréscimo das novas misturas, assim com o novo peso e o

mesmo volume foi calculado a nova densidade.

Com as especificações da máquina de revolvimento foi feito uma

tabela com as dimensões da máquina e a leira que ela forma; com o

comprimento da leira foi possível determinar o volume do bagaço

para ser compostado e com a densidade do bagaço foi possível

determinar a massa do bagaço a ser compostado diariamente. Os

dados das máquinas de revolvimento foram extraídos da BACKHUS

ECOENGINEERS. BACKHUS 14.28 (2013); BACKHUS

ECOENGINEERS. BACKHUS 16.36 (2013); BACKHUS

46

ECOENGINEERS. BACKHUS 17-series (2013); BACKHUS

ECOENGINEERS. BACKHUS 6-series (2013).

Com a largura da máquina foi calculado o espaço que cada leira tem

que ter para a máquina de revolvimento passar com espaço entre as

leiras, foi utilizado 50 cm para cada lado. Como foram projetadas

120 leiras, basta multiplicar as 120 leiras pelo espaço de cada leira,

assim se tem a largura total. Depois basta multiplicar a largura pelo

comprimento para conhecer a área do terreno.

Pelas produções diárias estabelecidas por máquina de revolvimento

formando leiras de 100 m de comprimento, foi criada uma tabela

com a quantidade de cada componente úmido na mistura com ou

sem inóculo.

Uma tabela com a necessidade de revolvimento e monitoramento

dependendo do tamanho de cada leira e em que fase se encontrava

a leira. Primeira fase demorando em torno de 20 a 35 dias e

segunda fase entre 50 a 90 dias.

Com os valores de redução de massa e volume de 15,2% e 52,2%,

respectivamente (BREITENBECK; SCHELLINGER, 2004), foram

encontrados a massa e volume final e a nova densidade, com ou

sem inóculo.

O consumo de vinhoto foi considerando que para cada 1kg de

mistura seca de bagaço, esterco, torta de filtro e fosfato de Gafsa

seja incorporado 4,9L de vinhoto, mas o consumo de vinhoto pode

variar e isso depende da quantidade de água da chuva (GOMES,

2011). Para o inóculo foi considerada uma umidade de 60%, pois o

processo todo tende a manter a umidade a 60%.

Com a quantidade necessária de vinhoto para cada pilha, foi

calculado qual seria a porcentagem de vinhoto consumido na

produção caso o produto final fosse somente álcool, o setor que

mais gera vinhoto. A cada 250 kg de bagaço de cana são

produzidos 1040L de vinhoto (BERTONCINI, 2008).

47

2.3. SIMULAÇÃO DA TEMPERATURA NA LEIRA E TEMPO NECESSÁRIO

PARA ATINGIR A TEMPERATURA MÁXIMA

Foi feito uma simulação para determinar qual seria a temperatura máxima

no interior da pilha. Para isso foram feito algumas considerações.

A mistura é homogênea tanto em composição, umidade e população

de microrganismos, sendo que a liberação de calor fosse

homogênea também.

Para desconsiderar a perda de calor pelo ar, foi “eliminado” 5% da

área da figura e também para poder considerar que há

homogeneidade na liberação de calor no sistema, pois na superfície

da pilha há ressecamento e nessa área não há reação logo não se

tem liberação de calor.

O formato do triângulo foi transformado em duas figuras para se

realizar as contas com diferenças finitas. 1) Um quadrado: o valor do

lado do quadrado foi resultado das seguintes contas: Retira-se a raiz

quadrada da área do triângulo, desse novo valor reduz 5% que

resultou no valor do lado do quadrado. 2) Um retângulo: Foi

reduzido igualmente o valor da altura e da base de forma que forme

a mesma área do triângulo menos 5%, ou seja, pelas contas foram

reduzidos para 67% tanto na base como na altura.

Foi adotado um valor homogêneo na geração de calor referente a

biopolpação de cavaco, que não deixa de ser uma decomposição de

um material lignocelulósico (q’=160W/m3) (YOUNG; AKHTAR,1997).

No experimento de Young e Akhtar (1997), em um reator foi injetado

ar constantemente e pela temperatura de ar de entrada e a

temperatura de ar de saída e com algumas constantes de

transferência de calor, foi calculado o valor da geração de calor da

base, centro e topo. Esse valor adotado é o da base que é o menor

valor entre eles.

Para mistura de bagaço de cana foi adotado o coeficiente de

condutividade térmica da madeira pinus e como citado

48

anteriormente, a madeira é um material lignocelulósico então serve

como referência (k= 0,15 W/(mK)) (GIGLIO; BARBOSA, 2006).

A temperatura foi considerada 27°C nas arestas das figuras, pois é a

temperatura ambiente e nessa região a temperatura é praticamente

a mesma do ambiente, devido ao ressecamento das arestas.

A primeira leira tem a figura de um triângulo com 2,8 m de base e 1,2 m de

altura, logo a sua área foi de 1,68 m2; usou-se a raiz quadrada desse valor para

determinar o lado do quadrado. O resultado foi 1,296m para o lado do quadrado,

retira-se 5% conforme explicado anteriormente e isso resultou em 1,231m e

aproximou-se para 1,2m, pois e foram adotados como 0,1m, pois esse é

um valor mais simples para os cálculos do que trabalhar com valores com dízima

periódica. Os cálculos então foram para um quadrado de 1,2m de lado e com

0,1m de e .

Essa mesma figura da leira em forma de triângulo foi transmitida para um

retângulo. A área de um triângulo é a metade da área de retângulo, tanto é que a

área do retângulo é base x altura, já a área de um triângulo é base x altura

dividido por 2. Para determinar o valor da redução do triângulo foi feito a raiz de

0,5 (referente a metade de um retângulo) e o resultado foi 70%, retira-se 5% de

70 e conclui-se em 67%. Base vezes 67% foi arredondado para 1,8m e altura

vezes 67% foi 0,8m.

Segue abaixo as figura 5 e figura 6, representando o quadrado e o

retângulo, respectivamente:

49

27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27

27 27

27 27

27 27

27 27

27 27

27 27

27 27

27 27

27 27

27 27

27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27

Figura 6. A figura representa o quadrado proporcional ao triângulo, e foram 0,1m e em cada intersecção de retas é um ponto de temperatura onde o

valor é representado acima e a esquerda do ponto, o centro está em branco porque são as temperaturas a serem calculadas.

50

27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27

27 27

27 27

27 27

27 27

27 27

27 27

27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27

Figura 7. A figura representa o retângulo proporcional ao triângulo, e foram 0,1m e em cada intersecção de retas é um ponto de temperatura onde o

valor é representado acima e a esquerda do ponto, o centro está em branco porque são as temperaturas a serem calculadas.

51

Essas figuras foram a representação do sistema a ser calculado com a utilização

do método de diferenças finitas. No quadrado há 100 incógnitas logo foram

encontrados 100 equações, já no retângulo foram 96 incógnitas e 96 equações.

Após a montagem das equações foram feitas matrizes com os índices de cada

variável, duas matrizes 100 por 100 e 96 por 96 para quadrado e retângulo,

respectivamente. Com os resultados de cada equação também foram feitas duas

matrizes só que foram matrizes 100 por 1 e 96 por 1 para quadrado e retângulo,

respectivamente. Com as matrizes de índices das incógnitas foram encontrados

as matrizes inversas. A multiplicação da matriz inversa com a matriz de resposta

resulta nos valores das variáveis.

Além do conhecimento teórico, os resultados obtidos no método de

diferenças finitas podem ser usados como parâmetro para definir a quantidade

revolvimentos necessário para compostagem.

Para calcular o tempo necessário para que o material a 27°C chegue a

65°C foram feitas as seguintes considerações:

O mesmo calor gerado anteriormente (q’=160W/m3) (YOUNG;

AKHTAR,1997).

A densidade utilizada nos cálculos foi a média aritmética da densidade

inicial com a final (densidade = 300 kg/m3).

O calor específico adotado foi cp= 2300 J/(kg.K) (GIGLIO; BARBOSA,

2006).

A variação de temperatura foi de 38°C ou 38 K.

Desconsiderar a compactação do material, pois quanto maior a pilha maior

é a compactação e o tempo necessário para atingir a temperatura final

aumenta.

52

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

3.1. RESULTADO DA SIMULAÇÃO DE TEMPERATURA NA PILHA DE

COMPOSTAGEM E O TEMPO NECESSÁRIO PARA ELEVAR A

TEMPERATURA AO VALOR DESEJADO

Para encontrar as incógnitas das temperaturas foram feitos os 5 passos

descritos a seguir:

Montar as equações

Montar as matrizes com os índices das incógnitas (matriz A)

Montar as matrizes com o resultado de cada equação (matriz B)

Criar a matriz inversa de A (matriz A-1)

Multiplicar a matriz A-1 por matriz B

Após encontrar os valores de cada ponto, foram feitas as figuras 7 e 8, que

representam a temperatura de cada ponto, o valor da temperatura está a

esquerda superior de cada intersecção de retas.

As temperaturas máximas foram 120°C e 88°C para o quadrado e

retângulo, respectivamente. Conforme Kiehl apud Massukado (2008)

temperaturas acima de 70°C são desaconselháveis por restringem a ação dos

microrganismos mais sensíveis; insolubilizar proteína hidrossolúveis; provocar

alterações químicas indesejáveis; desprendimento de amônia, se o material

possuir baixa relação de C/N. Logo se essa situação acontecesse, seria um

problema grave nesse sistema. No entanto, os valores de temperatura obtidos

pela simulação são incoerentes e inclusive impossíveis, pois o sistema é aberto e

a temperatura não poderia chegar a 120 oC. Alguns motivos para esse valor

incoerente e elevado de temperatura estão descritos a seguir:

A água tende a roubar calor do sistema para entrar em evaporação, essa

evaporação tende a começar por volta de 60°C, o revolvimento ajuda

nesse fenômeno devido ao gradiente de água no meio. A 100°C não há a

necessidade de revolvimento, pois a água entra em ebulição e rouba o

53

calor para si e elimina o calor da leira, assim é impossível a temperatura ter

atingido 120°C.

A geração de calor adotado ( ) foi extraída de um experimento com

sistema mais controlado e com aeração forçada de forma constante, ou

seja, havia dissipação de calor pelo ar injetado enquanto no caso desse

trabalho, o calor era retido na leira, por ser uma leira estática.

A partir de certa temperatura a atividade dos microrganismos diminui.

Assim, quanto maior a temperatura menor é a liberação de calor e no

sistema empregado, foi considerado como constante, resultando em uma

temperatura máxima não esperada e incoerente.

Foi considerado um material maciço, ou seja, como se não houvesse

espaço vazios internos.

Foi simulado o formato de triângulo em um quadrado ou um retângulo e

ambas as figuras obtiveram temperaturas máximas distintas. Logo, no

triângulo a temperatura máxima seria diferente de um quadrado ou

retângulo.

Considerar todo sistema homogêneo, pois há locais com diferente geração

de calor; gradiente de temperatura; a mistura de materiais não é a mesma

em toda pilha.

O coeficiente de condutividade térmica da mistura de bagaço de cana, torta

de filtro, fosfato de Gafsa e esterco foi considerado sendo igual ao da

madeira de pinus. É provável que o valor de coeficiente de condutividade

térmica da mistura e da madeira sejam bem distintos.

O tempo necessário para a mistura elevar a temperatura de 27°C até 65°C

foi de 163.875 segundos o que corresponde a 1,9 dias. Lembrando que foi

desprezada a compactação do material o que influenciaria significativamente

nesse tempo. A sugestão de monitoramento e revolvimento foi plausível. O

problema dessa conta é que a temperatura final seria de 65°C em toda leira o que

na verdade somente ocorre no centro da leira.

54

27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27

27 41 50 56 60 61 61 60 56 50 41 27

27 50 66 77 83 86 86 83 77 66 50 27

27 56 77 91 100 104 104 100 91 77 56 27

27 60 83 100 110 115 115 110 100 83 60 27

27 61 86 104 115 120 120 115 104 86 61 27

27 61 86 104 115 120 120 115 104 86 61 27

27 60 83 100 110 115 115 110 100 83 60 27

27 56 77 91 100 104 104 100 91 77 56 27

27 50 66 77 83 86 86 83 77 66 50 27

27 41 50 56 60 61 61 60 56 50 41 27

27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27

Figura 8. A figura representa o quadrado proporcional ao triângulo, e foram 0,1m e cada intersecção de retas é um ponto de temperatura com o

seu valor respectivo a sua superior à esquerda, o centro está com fundo cinza porque são as temperaturas que foram calculadas.

55

27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27

27 39 47 51 54 56 57 57 58 58 57 57 56 54 51 47 39 27

27 46 58 66 71 74 76 77 78 78 77 76 74 71 66 58 46 27

27 49 64 74 80 84 86 87 88 88 87 86 84 80 74 64 49 27

27 49 64 74 80 84 86 87 88 88 87 86 84 80 74 64 49 27

27 46 58 66 71 74 76 77 78 78 77 76 74 71 66 58 46 27

27 39 47 51 54 56 57 57 58 58 57 57 56 54 51 47 39 27

27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27

Figura 9. A figura representa o retângulo proporcional ao triângulo, e foram 0,1m e cada intersecção de retas é um ponto de temperatura

com o seu valor respectivo a sua superior à esquerda, o centro está com fundo cinza porque são as temperaturas que foram calculadas.

56

3.2. RESULTADO DA SIMULAÇÃO DE PARÂMETROS

A tabela 2 demonstra as características de cada máquina de revolvimento

como: tamanho da máquina; a área do corte vertical da leira; volume da pilha.

Com a densidade do bagaço obtido da indústria foi encontrada a quantidade

diária de matéria a ser compostada. A tabela 3 indica a densidade do material

inicial com ou sem inóculo.

A tabela 4 indica a área necessária para cada quantidade de produção de

bagaço de cana diária e sua respectiva máquina de revolvimento. O aumento do

tamanho da máquina de revolvimento não segue uma linearidade de área

aproveitada por produção de bagaço de cana, entretanto a máquina maior

aproveita melhor o espaço utilizado, porém o custo inicial é maior.

Na tabela 5 foi indicada a quantidade proposta para cada componente na

mistura inicial das leiras com diferentes produções diárias.

57

Tabela 2. Indica as características da máquina de revolvimento e a leira que ela forma

Máquina Largura x Altura

da leira (m) Largura x Altura x Comprimento

da Máquina (m) Área (m2)

Comprimento da leira (m)

Volume (m3)

Massa (t)

BACKHUS 14.28 2,8 x 1,2 2,95 x 1,75 x 2,1 1,68 50 84 10

BACKHUS 14.28 2,8 x 1,2 2,95 x 1,75 x 2,1 1,68 100 168 20

BACKHUS 16.36 3,6 x 1,6 3,8 x 3,1 x 2,77 2,88 100 288 35

BACKHUS 17.43 4,3 x 2,1 6,6 x 4,25 x 5,15 4,515 100 451,5 54

BACKHUS 17.55 5,5 x 2,5 8,05 x 4,65 x 5,15 6,875 100 687,5 82

BACKHUS 6.65 6,5 x 3,0 6,9 x 3,6 x 5,7 9,75 100 975 117

BACKHUS 6.75 7,5 x 3,3 7,9 x 3,6 x 5,7 12,375 100 1237,5 148

Tabela 3. Cálculos da densidade inicial com ou sem inóculo

Material Massa seca(t)

Massa úmida (t)

Fosfato de Gafsa

Massa total (t)

Inóculo (t)

Volume (m3)

Densidade Sem inóculo (kg/m3)

Densidade Com inóculo (kg/m3)

Bagaço de cana

10 20

Esterco 2,5 3,62 0,45 32,13 3,21 166,67 192,7 212,05

Torta de filtro

2,5 8,06

58

Tabela 4. Área do terreno utilizada para distintas produções diárias de bagaço de cana

Máquina Produção

(t/dia) Espaçamento de

uma leira (m) Numero de

leiras Comprimento x largura

do terreno (m) Área (m2)

BACKHUS 14.28 10 4 120 50 x 480 24000

BACKHUS 14.28 20 4 120 100 x 480 48000

BACKHUS 16.36 34 5 120 100 x 600 60000

BACKHUS 17.43 54 6 120 100 x 720 72000

BACKHUS 17.55 82 7 120 100 x 840 84000

BACKHUS 6.65 117 8 120 100 x 960 96000

BACKHUS 6.75 148 9 120 100 x 1080 108000

Tabela 5. Componentes de cada leira de compostagem, todos em base úmida.

Máquina Produção de cana (t/dia)

Esterco (t)

Torta de filtro (t/dia)

Total (t)

Fosfato de Gafsa (t)

Massa total(t)

Inóculo (t)

Massa total(t)

BACKHUS 14.28 10 1,81 4,03 15,84 0,23 16,07 1,61 17,68

BACKHUS 14.28 20 3,62 8,06 31,69 0,45 32,14 3,21 35,35

BACKHUS 16.36 34 6,16 13,71 53,87 0,77 54,63 5,46 60,10

BACKHUS 17.43 54 9,78 21,77 85,56 1,22 86,77 8,68 95,45

BACKHUS 17.55 82 14,86 33,06 129,92 1,85 131,76 13,18 144,94

BACKHUS 6.65 117 21,20 47,18 185,37 2,63 188,01 18,80 206,81

BACKHUS 6.75 148 26,81 59,68 234,49 3,33 237,82 23,78 261,60

59

A tabela 6 apresenta uma proposta com a frequência de revolvimento e

monitoramento na primeira em segunda fase. O tempo das fases foi estimado

como sendo de 25 a 35 dias na primeira fase e 50 a 90 dias na segunda fase.

Com simulações de redução de massa e volume, foram elaboradas as

tabela 7 e tabela 8 com os valores de massa e volume final e com a nova

densidade, usando inóculo ou não. A densidade se eleva significativamente em

relação a densidade inicial, isso é devido a alta perda de volume e baixa perda de

massa.

Na tabela 9 está o valor de quanto de vinhoto seria consumido com ou sem

inóculo.

Na tabela 10 está o valor de base seca de bagaço de cana, com a

proporção de cada composto em base seca; tem-se o consumo de vinhoto com

ou sem inóculo; a estimativa de qual a porcentagem de vinhoto consumido se

caso fosse feito a produção de somente álcool, pois é o setor que mais gera

vinhoto.

Em vista dos valores encontrados de consumo de vinhoto, é possível

perceber que a compostagem é um saída interessante para se eliminar o vinhoto,

mas caso houvesse parte na produção de açúcar ao invés de ser somente álcool

seria notável que consumiria todo o vinhoto, sem contar que parte do vinhoto é

usado na irrigação da plantação de cana-de-açúcar. Ou seja, basicamente todo

vinhoto é eliminado.

60

Tabela 6. Proposta de revolvimento e monitoramento das leiras. Primeira fase de 25 a 35 dias e segunda fase de 50 a 90 dias.

Máquina Produção

(t/dia) Revolvimento

na 1a fase Monitoramento

na 1a fase Revolvimento

na 2a fase Monitoramento

na 2a fase

BACKHUS 14.28 10

A cada 3 dias Diariamente A cada 20 dias A cada 6 dias

BACKHUS 14.28 20


BACKHUS 16.36 34


BACKHUS 17.43 54


BACKHUS 17.55 82


BACKHUS 6.65 117

Diariamente Diariamente A cada 15 dias A cada 4 dias

BACKHUS 6.75 148

Diariamente Diariamente A cada 15 dias A cada 4 dias

61

Tabela 7. O peso, volume e a densidade final do composto sem inóculo. Valores com base úmida.


Massa total inicial (t)

Volume inicial (m3)

Massa final (t)

Volume final (m3)

Densidade final (kg/m3)

BACKHUS 14.28 10 16,07 83,33 13,63 39,83

BACKHUS 14.28 20 32,14 166,67 27,25 79,67

BACKHUS 16.36 34 54,63 283,33 46,33 135,43

BACKHUS 17.43 54 86,77 450,00 73,58 215,10 342,09

BACKHUS 17.55 82 131,76 683,33 111,74 326,63

BACKHUS 6.65 117 188,01 975,00 159,43 466,05

BACKHUS 6.75 148 237,82 1233,33 201,67 589,53

Tabela 8. O peso, volume e a densidade final do composto com inóculo. Valores com base úmida.


Massa total inicial(t)

Volume inicial (m3)

Massa final(t)

Volume final (m3)

Densidade final (kg/m3)

BACKHUS 14.28 10 17,68 83,33 14,99 39,83

BACKHUS 14.28 20 35,35 166,67 29,98 79,67

BACKHUS 16.36 34 60,10 275,00 50,96 131,45

BACKHUS 17.43 54 95,45 416,67 80,94 199,17 406,40

BACKHUS 17.55 82 144,94 666,67 122,91 318,67

BACKHUS 6.65 117 206,81 916,67 175,37 438,17

BACKHUS 6.75 148 261,60 1208,33 221,84 577,58

62

Tabela 9. Tabela de consumo de vinhoto com ou sem inóculo, todos os valores em base seca.


Esterco (t)

Torta de filtro (t)

Fosfato (t)

Total (t)

Vinhoto sem inóculo (m3)

Inóculo (t)

Total (t)

Vinhoto com inóculo (m3)

BACKHUS 14.28 5 1,25 1,25 0,23 7,73 37,85 0,64 8,37 41,00

BACKHUS 14.28 10 2,50 2,50 0,45 15,45 75,71 1,29 16,74 82,00

BACKHUS 16.36 17 4,25 4,25 0,77 26,27 128,70 2,19 28,45 139,41

BACKHUS 17.43 27 6,75 6,75 1,22 41,72 204,40 3,47 45,19 221,41

BACKHUS 17.55 41 10,25 10,25 1,85 63,35 310,39 5,27 68,62 336,22

BACKHUS 6.65 58,5 14,63 14,63 2,63 90,38 442,87 7,52 97,90 479,72

BACKHUS 6.75 74 18,50 18,50 3,33 114,33 560,22 9,51 123,84 606,83

Tabela 10. Consumo de vinhoto com ou sem inóculo e a estimativa de consumo de vinhoto se caso fosse produção de somente álcool.

Máquina Produção de cana

(t/dia) Vinhoto com inóculo (m

3)

Vinhoto com inóculo (m

3)

Produção max de vinhoto (m

3)

Consumo de vinhoto sem inóculo

Consumo de vinhoto com inóculo

BACKHUS 14.28 10 37,85 41,00 41,60

BACKHUS 14.28 20 75,71 82,00 83,20

BACKHUS 16.36 34 128,70 139,41 141,44

BACKHUS 17.43 54 204,40 221,41 224,64 90,99% 98,56%

BACKHUS 17.55 82 310,39 336,22 341,12

BACKHUS 6.65 117 442,87 479,72 486,72

BACKHUS 6.75 148 560,22 606,83 615,68

63

4. CONCLUSÃO

Um dos maiores problemas na simulação da composteira foi a dissipação

de calor e a simulação pelo método de diferenças finitas a qual não foi

satisfatório. A temperatura na leira pode trazer muitos problemas, pois pode haver

uma grande variação na quantidade de revolvimentos dependendo da leira,

variando de 10 a 30 revolvimentos no primeiro mês. Foram sugeridos máquinas

de revolvimento para cada tipo de produção diária, mas nada impede de usar uma

máquina maior para uma produção diária de bagaço de cana menor, a vantagem

é que a área ocupada é reduzida, porém é preciso analisar o custo benefício e o

gasto inicial é maior e precisa se ter mais revolvimentos na leira.

Conforme alguns experimentos foi interessante utilizar o sistema de

revolvimento por gerar um material com maior homogeneidade, com maior perda

de massa e menor custo. Além do mais o uso de vinhoto e inóculo ajudam a

aumentar a velocidade de compostagem.

A compostagem é uma opção interessante para as indústrias sucro-

alcooleiras de menor porte, pois estas além de utilizarem um material que poderia

ser vendido a menor preço, pode-se transformar em algo de maior valor agregado

com a possibilidade de ser utilizado no próprio cultivo de cana-de-açúcar ou

vendido, além do mais consome boa parte do vinhoto, reduzindo custos ao trata-

lo. O fato de reduzir o custo com tratamento de vinhoto pode-se tornar um

processo atrativo para as indústrias de grande porte.

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