universidade regional integrada do alto uruguai e das missões pró-reitoria de ensino, pesquisa e ...

120 Pages·2017·2.8 MB·Portuguese

UNIVERSIDADE REGIONAL INTEGRADA DO ALTO URUGUAI E DAS MISSÕES
PRÓ-REITORIA DE ENSINO, PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO CÂMPUS DE
ERECHIM
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS AGRÁRIAS
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE ALIMENTOS

RÚBIA MORES

TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUAIS DA SUINOCULTURA POR TÉCNICAS
DE ELETROCOAGULÇÃO E ELETRO-OXIDAÇÃO

ERECHIM, RS
2017
RÚBIA MORES

TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUAIS DA SUINOCULTURA POR
ELETROCOAGULÇÃO E ELETRO-OXIDAÇÃO

Tese apresentada como requisito parcial à obtenção do
grau de Doutora, pelo Curso de Pós-Graduação em
Engenharia de Alimentos, Departamento de Ciências
Agrárias da Universidade Regional Integrada do Alto
Uruguai e das Missões – Câmpus de Erechim.

Orientadora: Dra. Juliana Steffens
Orientador: Dr. Rogério Marcos Dallago
Orientador: Dr. Airton Kunz

ERECHIM, RS
2017
RÚBIA MORES

TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUAIS DA SUINOCULTURA POR
ELETROCOAGULÇÃO E ELETRO-OXIDAÇÃO

Tese apresentada como requisito parcial à obtenção do
grau de Doutora, pelo Curso de Pós-Graduação em
Engenharia de Alimentos, Departamento de Ciências
Agrárias da Universidade Regional Integrada do Alto
Uruguai e das Missões – Câmpus de Erechim.

Erechim, 24 de março de 2017.

Banca Examinadora

Juliana Steffens, D. Sc. Marcelo Mignoni, D.Sc.
(Orientadora) URI –Erechim

Rogério Marcos Dallago, D. Sc. Toni Luis Benazzi, D. Sc.
(Orientador) IFRS – Erechim

Airton Kunz D. Sc. Gean Delise Pasquali Vargas, D. Sc.
(Orientador) UFFS - Erechim

Thiago André Weschenfelder

URI –Erechim
AGRADECIMENTOS

À Universidade Regional Integrada do Alto Uruguai e das Missões de Erechim e ao
programa de Pós-Graduação em Engenharia de Alimentos.
À CAPES pela concessão da bolsa que permitiu a realização dos estudos.
À Embrapa Suínos e Aves pela oportunidade de realizar este trabalho e pela
infraestrutura concedida.
À Empresa RIMA Industrial e a De Nora do Brasil, pela doação dos materiais dos
eletrodos.
Aos professores orientadores Dra. Juliana Steffens e ao Dr. Rogério Marcos Dallago e
ao Pesquisador Dr. Airton Kunz, meu especial agradecimento pela oportunidade concedida,
amizade, incentivo e orientação no decorrer do trabalho.
À minha família e as minhas queridas amigas pelo apoio.
Ao Arlei, o Luizinho e ao Juliano por sempre estarem a disposição quando precisei de
ajuda, MUITO OBRIGADA.
Aos professores dos cursos de Engenharia de Alimentos e Química e em especial ao
professor Claudio Augusto Zakrzevski e a professora Helen Treichel.
À professora Dra. Aline Viancelli e sua aluna Angélica Simas pela confiança, parceria
na realização de alguns trabalhos e pela amizade.
Aos funcionários, estagiários e bolsistas da Embrapa Suínos e Aves e da URI –
Erechim.
RESUMO

A alta concentração de suínos em pequenas propriedades tem acarretado um aumento
significativo de águas residuais. Na busca por uma alternativa de gerenciamento desses
resíduos, os processos eletroquímicos apresentam-se como uma forma de minimizar os
impactos ambientais gerados pelo manejo incorreto dessas águas residuais. Dentre os
processos eletroquímicos destaca-se: a tecnologia de eletrocoagulação (EC), que baseia-se na
dissolução de íons metálicos que, em condições adequadas produzem o agente coagulante ―in
situ‖ responsável pela remoção dos compostos contaminantes; já na tecnologia de eletro-
oxidação onde dois mecanismos de oxidação podem acontecer: a oxidação anódica direta e a
oxidação indireta. Neste contexto, o presente estudo avaliou os processos de eletrocoagulação
e eletro-oxidação como alternativas de tratamento de águas residuais da suinocultura pré-
tratadas por Upflow anaerobic sludge blanket digestion (UASB). Os testes foram realizados
em escala laboratorial utilizando reatores em descontínuo e contínuo. Para a eletrocoagulação
os eletrodos de alumínio e ferro foram avaliados. Neste sistema, investigou-se a remoção
simultânea da turbidez, do carbono orgânico solúvel (COS), do fósforo total (P ) de metais
total ,
e da E. coli. No reator batelada e em contínuo, investigou-se os efeitos do tempo operacional,
densidade de corrente e pH inicial. A remoção da E. coli foi avaliada somente no reator
batelada. A avaliação do sistema de eletro-oxidação como processo de remoção da amônia
reator batelada, estudou os efeitos da densidade de corrente e a dosagem do agente oxidante
cloreto de sódio (NaCl). Os resultados da eletrocoagulação demostraram que os eletrodos de
alumínio e ferro são excelentes para serem aplicados para a remoção dos compostos
avaliados. Os resultados da eletro-oxidação da amônia foram eficientes quando o cloreto de
sódio estava presente no sistema, o estudo também demonstrou que a densidade de corrente
(DC) exerceu maior influência sobre o processo de EC. Portanto, os sistemas propostos neste
trabalho podem ser utilizados como sistemas de tratamento de águas residuais da suinocultura.

Palavras-chave: Eletrocoagulação, Eletrodo, Alumínio, Ferro, Eletro-oxidação
ABSTRACT

The high concentration of pigs on small farms has led to a significant increase in wastewater.
In the search for an alternative of waste management, the electrochemical processes are
presented as a way to minimize the environmental impacts generated by the incorrect
handling of these wastewater. Among the electrochemical processes, we highlight:
electrocoagulation technology (EC), which is based on the dissolution of metallic ions that,
under suitable conditions, produce the coagulant agent "in situ" responsible for the removal of
the contaminating compounds; Already in the electro-oxidation technology where two
mechanisms of oxidation can happen: the direct anodic oxidation and the indirect oxidation.
In this context, the present study evaluated the electrocoagulation and electro-oxidation
processes as alternatives for the treatment of swine wastewater pretreated by Upflow
anaerobic sludge blanket digestion (UASB). The tests were carried out on a laboratory scale
using discontinuous and continuous reactors. For electrocoagulation the aluminum and iron
electrodes were evaluated. In this system, the simultaneous removal of turbidity, soluble
organic carbon (COS), total phosphorus (P ), metals and E. coli was investigated. In the
total
batch and continuous reactor, the effects of operating time, current density and initial pH were
investigated. The removal of E. coli was evaluated only in the batch reactor. The evaluation of
the electro-oxidation system as a process of removal of the ammonia batch reactor, studied the
effects of current density and the dosing of the oxidizing agent sodium chloride (NaCl). The
results of the electrocoagulation showed that the aluminum and iron electrodes are excellent
to be applied for the removal of the evaluated compounds. The results of electro-oxidation of
ammonia were efficient when sodium chloride was present in the system, the study also
showed that current density (DC) exerted greater influence on the EC process. Therefore, the
systems proposed in this work can be used as swine wastewater treatment systems.

Keywords: Electrocoagulation, Electrode, Aluminum, Iron, Electro-oxidation
LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 – Abate de suínos segregados entre os estados do Brasil - 2015 ........................... 22
Figura 2.2 – Síntese da estrutural conceitual da tecnologia de eletrocoagulação ................... 27
Figura 2.3 – Desestabilização e agregação das partículas ....................................................... 28
Figura 2.4 – Interações físico-químicas dentro do reator de eletrocoagulação ....................... 29
Figura 2.5 – Solubilidade do alumínio em função do pH........................................................ 32
Figura 2.6 – Solubilidade do Fe (III) (a) e Fe (II) (b) de acordo com o pH ............................ 34
Figura 2.7 – Processo de eletro-oxidação do nitrogênio ......................................................... 37
Figura 3.1 – Aparato Experimental ......................................................................................... 47
Figura 3.2 - Diagramas de Pareto que mostram a importância dos efeitos T, DC e pH para as
respostas turbidez, COS em P em relação aos eletrodos de alumínio e ferro ...................... 54
total
Figure 3.3 - Formação de precipitados ao redor dos cátodos de eletrodos de ferro e alumíni57
Figura 3.4 – Valores observados nos experimentos versus valores calculados pelo modelo
para a remoção de COS com o eletrodo de Al (a) e P como o eletrodo de Fe (b) ............... 60
total
Figura 3.5 – Superfície de Resposta em 3D para a remoção de P (%); a) Efeito da
total
Densidade de Corrente e do Tempo operacional; b) Efeito do pH inicial e da Densidade de
corrente; c) Efeito do pH inicial e do Tempo Operacional ...................................................... 61
Figura 3.6 – Superfície de Resposta em 3D para a remoção COS (%); a) Efeito da Densidade
de Corrente e do Tempo operacional; b) Efeito do pH inicial e da Densidade de corrente; c)
Efeito do pH inicial e do Tempo Operacional .......................................................................... 62
Figura 4.2 - Superfície de Resposta em 3D para a redução de E. coli .................................... 77
Figura 4.3 - Redução de E. coli em diferentes condições de eletrocoagulação de pH e DC
utilizando eletrodos Al e Fe. ..................................................................................................... 78
Figura 5.1 – Aparato Experimental ......................................................................................... 88
Figura 5.2 – Valores observados nos experimentos versus valores calculados pelo modelo
para a remoção de da turbidez (a) e do P (b) ........................................................................ 92
total
Figura 5.3– Superfície de Resposta em 3D para a remoção Turbidez (%) (a) e do P (b) em
total
função da DC e do TRH ........................................................................................................... 92
Figura 5.4 – Diagramas de Pareto que mostram a importância dos efeitos TRH e DC para as
respostas Turbidez (a), COS (b) e do P (c) .......................................................................... 96
total
Figura 6.1 - Evolução da concentração de amônia (A) e nitrato (B) na solução durante a
eletro-oxidação ....................................................................................................................... 108
Figura 6.2 - Diagramas de Pareto para os efeitos densidade de corrente e concentração de
NaCl para a remoção de amônia (A) e a geração de nitrato (B) ............................................. 109
Figura 6.3 – Variação do pH durante o processo de eletro-oxidação .................................... 111
LISTA DE TABELAS

Tabela 3.1 - Caracterização das águas residuais da saída do UASB ....................................... 46
Tabela 3.2 – Variáveis reais e codificadas do DCCR 23 ......................................................... 48
Tabela 3.3 – Matriz do DCCR 23com valores codificados e (reais) e as respostas em
percentagem de remoção da turbidez, COS, P e os valores de pH final , para os eletrodos de
total
Al e Fe ...................................................................................................................................... 51
Tabela 3.4 – Resultados da ANOVA para as respostas turbidez, COS e P ........................ 59
total
Tabela 3.5 - Comparação do rendimento energético teórico produção de hidrogénio que pode
ser coletado e da energia necessária para o processo de eletrocoagulação .............................. 65
Tabela 4.1 - Caracterização das águas residuais da saída do UASB ....................................... 72
Tabela 4.2 – Variáveis e níveis do Planejamentos Fatorial ..................................................... 73
Tabela 4.3 – Matriz do Planejamento Fatorial 22 com valores codificados e (reais) e as
respostas para os eletrodos de Al e Fe ...................................................................................... 75
Tabela 4.4 – Análise de variância (ANOVA) para a redução da E. coli. ................................ 76
A coleta das amostras foi realizada de acordo com o item 3.2.1. A caracterização das amostras
das águas residuais da suinocultura no momento dos experimentos em reator contínuo seguem
na Tabela 5.1............................................................................................................................. 86
Tabela 5.1 - Caracterização das águas residuais da saída do UASB para os experimentos em
reator contínuo utilizando eletrodos de alumínio e ferro .......................................................... 87
Tabela 5.2 – Variáveis e níveis do DCCR 22 para os eletrodos de alumínio e ferro. .............. 88
Tabela 5.3 – Matriz do DCCR 22 com valores codificados e (reais) para as respostas em
percentagem de remoção da turbidez, do COS e do P o pH final e custo operacional para o
total,
eletrodo de alumínio ................................................................................................................. 90
Tabela 5.4 - ANOVA para remoção da turbidez e do P ..................................................... 91
total
Tabela 5.5 – Matriz do DCCR 22 com valores codificados e (reais) para as respostas em
percentagem de remoção da turbidez, do COS e do P , pH final e custo operacional para o
total
eletrodo de ferro........................................................................................................................ 94
Tabela 6.1 – Variáveis e seus níveis para o Planejamento Fatorial 22 .................................. 105
Tabela 6.2 – Caracterização química das águas residuais pré-tratada por UASB e a mesma
depois de tratada pelo processo de eletrocoagulação ............................................................. 106
Tabela 6.3 – Matriz do planejamento fatorial 22 com valores codificados (reais) e as respostas
da concentração final de amônia, nitrato e nitrito e os valores de consumo de energia ......... 107
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

A – Ampère
A – Concentração inicial
0
A – Concentração Final
t
ANOVA – Análise de Variância
APHA – American public health association
AOAC - Association of official analytical chemists
C – Custo de energia
energia
C – Custo do eletrodo
eletrodo
Cu – Cobre
CO – Custo operacional
CONAMA - Conselho Nacional do Meio Ambiente
COS – Carbono orgânico solúvel
COT – Carbono orgânico total
COTS – Carbono orgânico total solúvel
CR – Cálculo de remoção
DC – Densidade de Corrente
DCCR – Delineamento do composto central rotacional
EC – Eletrocoagulação
EEP – Preço da energia elétrica
EMP – Preço do material do eletrodo
F – Constante de Faraday
Fe – Ferro
H – Hidrogênio
i – Intensidade de corrente
NaCl – Cloreto de sódio
M – Metal
Mel – consumo do eletrodo
Mn – Manganês
mA.cm-2 – Miliampère por metro quadrados negativo
M – Massa molar do eletrodo
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