Modelagem e otimização de sistemas de lagoas de estabilização para tratamento de dejetos suinos

Tese (Doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia de ProduçãoOs sistemas de tratamento de dejetos de suínos se revestem de grande importância sanitária, tendo em vista o intenso crescimento da atividade suinícola, principalmente na Região Oeste Catarinense, e a modernização dos sistemas de confinamento dos animais, face ao aumento crescente no uso de água para higienização das baias. Dessa forma, a criação de suínos em grande escala trouxe como conseqüência a intensa produção de dejetos nas propriedades rurais, os quais são altamente poluentes e causadores da degradação ambiental, como contaminação dos corpos receptores e desenvolvimento de odores. Os elevados volumes de dejetos produzidos nas granjas, carregados com nitrogênio e fósforo, na maioria das situações, não são aplicáveis por apresentar áreas reduzidas e com limitações topográficas, dificultando o seu aproveitamento como fertilizante do solo. Assim, tanto os médios quanto os grandes produtores têm excedentes de resíduos orgânicos que precisam ser tratados eficientemente para eliminar, ou pelo menos, minimizar os problemas ambientais decorrentes da atividade suinícola. Várias alternativas de tratamento têm sido propostas para tratar a fração líquida. As lagoas de estabilização para tratamento de dejetos suínos são consideradas entre os métodos de tratamento de águas residuárias e industriais como sendo os mais fáceis, econômicos e eficientes. Suas vantagens em relação a outros tipos de tratamento têm sido destacadas, uma vez que apresentam um excelente desempenho quanto à eficácia na remoção de matéria orgânica, dos sólidos, dos nutrientes e de coliformes fecais; além dos baixos custos de implantação e manutenção. Contudo, a grande dificuldade é como dimensionar essas lagoas para tratamento desses resíduos, já que em nível de Brasil pouco se tem a respeito de parâmetros de projeto. Este trabalho apresenta resultados obtidos de um sistema de tratamento composto por decantador de palhetas e quatro lagoas de estabilização, em escala real, dispostas em série: duas anaeróbias seguidas de uma facultativa e uma de aguapés, em operação durante 20 (vinte) meses, tendo o objetivo de buscar parâmetros reais de funcionamento das lagoas para ajustamento de equações. Além disso, busca-se, também, a obtenção dos dados de custos de capital e operacional para “a modelagem e a otimização de sistemas”, aplicados no tratamento de resíduos orgânicos de suínos, dentro de concepções econômicas. O sistema de tratamento foi monitorado através de amostras coletadas nos afluentes e efluentes do decantador e das lagoas e ao longo dos fluxos das mesmas; foram analisados os seguintes parâmetros: Sólidos Totais (ST), Sólidos Fixos (SF), Sólidos Voláteis (SV), Demanda Química de Oxigênio (DQO), Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO), Nitrogênio Total (NT), Fósforo Total (PT), Coliformes Fecais (CF), pH e temperatura, de acordo com métodos estabelecidos pelo “Standard Methods” (APHA - AWWA - WEF, 1992). Uma das principais vantagens de se utilizar o modelo “otimização do sistema’'’ no tratamento de dejetos suínos está ligada, justamente, à redução da matéria orgânica (DBO) e de nitrogênio. Ou seja, o sistema pode ser operado de tal forma que regule as quantidades desses compostos que serão introduzidos nos corpos receptores, levando-se em consideração o capital disponível. Os resultados obtidos com a otimização do sistema de lagoas permitem concluir que: quando se deseja apenas a remoção da matéria orgânica (DBO), o modelo determina que se construam as lagoas anaeróbias maiores do que as facultativas, e quando se desejar a remoção de ambos os parâmetros: DBO e Nitrogênio, em porcentagens iguais, o modelo determina a construção das lagoas facultativas maiores do que as anaeróbias. No primeiro caso, para uma produção de 3.000 suínos, com remoção de 98% de DBO e taxa de fluxo de 30 m3/dia (admitindo-se 1 suíno = 10 litros/dias), e considerando-se uma taxa de juros de 15% ao ano durante 10 anos, o custo unitário é da ordem de R$1,62 por suíno/ano. A medida que o número de suínos aumenta, o custo unitário decresce em função das economias de escala. No segundo caso, para uma remoção de aproximadamente 98$ 1,84 por suíno/ano.ABSTRACT Systems for treating waste from hogs have taken on a great importance in terms of sanitation, in view of the growth in the intensity of hog raising, mainly in the western region of Santa Catarina, and the modernization of the systems for confining the animals, due to the increasing use of water for depolluting the bays. For this reason, large scale hog raising has resulted in an intense production of waste in rural areas. This waste matter is highly pollutant and has caused environmental degradation, with contamination of the area receiving it and the emission of noxious odors. The high volume of waste produced on farms, containing large quantities of nitrogen and phosphorus is unfeasible for restricted areas with topographic limitations - a fact which makes it difficult to utilize it as a fertilizer for the soil. In this way, both medium and large-scale producers have an excess of organic residue that must be treated efficiently in order to eliminate, or at least minimize, the environmental problems stemming from the hog raising activity. Various alternatives have been proposed for treating the liquid portion. Stabilization ponds for treating hog waste are considered the easiest, the most economical and the most efficient methods for treating residual and industrial waters. Their advantages over other kinds of treatment have been pointed out, since it has shown an excellent performance in terms of efficacy of removing organic material, solids, nutrients and fecal coliforms, in addition to the low cost for the installation and maintenance of the system. However, there seems to be a great difficulty in dimensioning these ponds for the treatment of residues, inasmuch as in Brazil parameters for such a project have not yet been well defined. This study presents the results obtained from a system of treatment, composed of a slat decanter and four stabilization ponds, on a real scale, laid out in series: two anaerobic ones, followed by an facultative one and one with water lilies, in operation for 20 (twenty) months, with the aim of establishing the real parameters for the functioning of the ponds, in order to adjust the equations. Furthermore, data are sought concerning capital and operating costs for the “modeling and optimization o f systems”, applied to the treatment of organic and hog residues, in terms of economic conceptions. The treatment system was monitored by means of samples collected from the affluents and effluents of the decanter and from water flowing in the ponds. The following parameters were analyzed: Total Solids (ST), Fixed Solids (SF), Volatile Solids (SV), Chemical Demand for Oxygen (DQO), Biochemical Demand for Oxygen (DBO), Total Nitrogen (NT), Total Phosphorus (PT), Fecal Coliforms (CF), pH and temperature, according to the methods established by the “Standard Methods” (ALPHA - AWWA - WEF, 1992). One of the main advantages in the utilization of the model “system optimization” in the treatment of hog waste is closely linked to the reduction of organic material (DBO) and of nitrogen. This means that the system can be operated so as to regulate the quantities of these compounds to be introduced into the receiving bodies, taking into consideration the amount of capital available. From the results obtained with the optimization of the system of ponds, it can be concluded that: when only the removal o f organic material (DBO) is desired, the model determines the building o f larger anaerobic ponds than facultative ones, and when the removal of both parameters is desired - DBO and Nitrogen - in equal proportion, the model determines the building of larger facultative ponds than anaerobic ones. In the first case, for a production of 3,000 hogs, with a removal 98% of DBO and a flow rate of 30m3m per day (assuming 1 hog = 10 liters/days), and considering an interest rate of 15% a year during ten years, the unitary cost will be R$1.62 per hog per year. As the number of hogs increases, the unitary cost decreases, due to the economy of scale. In the second case, for a removal of approximately 98$ 1.84 per hog per year

Plano probabilístico de amostragem para o controle da qualidade bacteriologica da água em redes de abastecimento

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 1993.O controle da potabilidade da água se reveste de grande importância sanitária, tendo em vista a facilidade de veiculação de um grande número de doenças infecciosas através da água. Um sistema de distribuição e abastecimento tem a responsabilidade da certificação da qualidade que envolve as ações que visam assegurar, ao consumidor, a conformidade de qualidade de um dado produto, para aumentar a confiabilidade do processo que prepara esse produto para a distribuição. Neste trabalho, são analisados vários modelos relevantes de plano de amostragem para o controle da qualidade da água potável e é apresentado um modelo alternativo, que se baseia na amostragem de pontos representativos, dados por critérios empíricos, para verificação da presença (ou não) de contaminação da água por coliformes totais. O objetivo do trabalho é apresentar um plano mensal de amostragem de água, com base em critérios estatísticos e pontos estratégicos que sejam representativos do sistema público de abastecimento de água a ser avaliado, através do monitoramento dos resultados da inspeção que é acompanhado por meio de gráficos de contaminações cumulativas e de controle, obedecendo a portaria do Ministério do Estado da Saúde 36/GM, de 19 de janeiro de 1990

A Mathematical Model for the Removal of Organic Mater in Stabilization Ponds

This work presents an application to systemize the construction of ponds systems for treatment of domestic sewage. It consisted of two anaerobic ponds operated in parallel during May/97 to April/99. These were connected in series with a chicaned facultative pond. The treatment system was controlled with samples collected from the crude sewage (compound sample), in the affluents and effluents of the ponds and along the flux of the anaerobic and facultative ponds. The following parameters were analyzed: pH, Biochemical Oxygen Demand, Chemical Oxygen Demand, Total Solids, Sedimentable Solids, Total Coliforms, Oxygen Consumed in Acid Medium (OCAM) and temperature

Optimization of pond systems for the treatment of swine waste

Este artigo apresenta os resultados do monitoramento de três sistemas de lagoas para tratamento de dejetos suínos, realizado durante 12 meses, com o objetivo de encontrar os parâmetros operacionais para otimização do sistema de tratamento. O primeiro sistema é composto de duas lagoas anaeróbias e uma facultativa, o segundo e o terceiro sistemas consistem de duas lagoas anaeróbias, duas facultativas e uma de maturação, em séries, com eficiência de remoção, em média, dos três sistemas de 90% da DQO e 76% para o nitrogênio total. Um modelo matemático de minimização de custos para tratamento destes resíduos foi desenvolvido considerando os conceitos econômicos

Taguchi loss function applied in the tilapia, Oreochromis niloticus fed with different additions of yeast in the diet

Foram utilizados 72 juvenis de tilápia do Nilo, Oreochromis niloticus, sexualmente revertidos, com peso médio inicial de 37,27 ± 4,92 g, distribuídos num delineamento inteiramente casualizado, durante 112 dias. Este trabalho avaliou o efeito da introdução de gaiolas com cultivo de tilápias alimentados com 0% (controle), 20%, 40% e 60% (grupos teste) de levedura em substituição à ração de fontes tradicionais sobre o peso, a sobrevivência e conversão alimentar e também verificou se há diferença entre a função perda de Taguchi para a produção total, para os peixes mortos e descartados e as quatro rações balanceadas. A análise de variância foi aplicada mostrando que não houve diferenças estatísticas (p > 0,05) entre os efeitos dos tratamentos sobre a sobrevivência e conversão alimentar, mas houve efeito quadrático sobre o ganho de peso das tilápias (Y = 73,39 + 0.173X – 0.0034X2; R2 = 0,9986), concluindo que o melhor nível de inclusão de levedura como fonte protéica na dieta para juvenis revertidos é de 25,44%. As perdas de Taguchi para os custos de produção e para os peixes mortos nos tratamentos T2 = 20%, T3 = 40% e T4 = 60% foram menores que o grupo controle (T1 = 0%). Este resultado confirma o direcionamento da inclusão de levedura de destilaria em substituição a ração de origem tradicional.The experiment was based on observations of 72 juveniles of tilapias of Nile, Oreochromis niloticus, sexually reverted, with an initial medium weight of 37.27 ± 4.92 g, distributed in a completely randomized design for 112 days. This work has evaluated the effect of the introduction of cages with cultivation of tilapia fed 0% (control), 20%, 40% and 60% (groups test) of yeast replacing the traditional sources of diet on weight, survival and feed conversion and also there is no difference between the loss function of Taguchi to the total for the dead fish and discarded and the four balanced rations. The analysis of variance was applied showing that there were no statistical differences (p > 0.05) between the effects of treatments on the survival and feed conversion, but there was a quadratic effect on weight gain of tilapia (Y = 73.39 + 0.173X – 0.0034X2, R2 = 0.9986), concluding that the best level of inclusion of yeast as protein source for juvenile is reversed 25.44%. Taguchi’s loss for the cost of production and for the dead fishes in the treatment T2 = 20%, T3 = 40% and T4 = 60% were lower the group control (T1 = 0%). This result confirms the direction of inclusion of distillers yeast in place of traditional feed source

Modelling and Optimisation of Stabilisation Ponds System for the Treatment of Swine Wastes: organic Matter Evaluation

O modelo de produção adotado na suinocultura brasileira, principalmente na Região Oeste de Santa Catarina, é feita com os animais confinados em pequenas áreas, trazendo como conseqüência grande produção de dejetos. Este é diluído, através do uso de água para a limpeza das baias, aumentando seu volume. Seu lançamento nos cursos d’água da região está comprometendo a qualidade dos mananciais devido a contaminação bacteriológica e poluição por compostos químicos. Dessa forma, há necessidade de processos de tratamento para minimizar os problemas ambientais gerados por essa atividade. As lagoas de estabilização têm sido utilizadas, por apresentar um excelente desempenho quanto à eficiência de remoção da matéria orgânica, dos nutrientes e de coliformes fecais; além dos baixos custos de implantação e de manutenção. Este trabalho apresenta o monitoramento numa série de quatro lagoas de estabilização, em escala real, tratando dejetos suínos em Concórdia/SC, Brasil. O sistema de lagoas foi avaliado durante 20 meses, tendo o objetivo de buscar os parâmetros principais de funcionamento das mesmas, bem como a obtenção dos dados de custos de capital e operacional, para ajustamento de equações para a modelagem e otimização de sistemas quanto à remoção da matéria orgânica. O modelo desenvolvido é flexível, sua aplicação é válida para utilização como adubo dos despejos tratados em plantações de milho e outros cereais

A model for cost estimation of system for piggery wastes treatment ponds: a case study

This article presents the results from the monitoring of a system of ponds for the treatment of piggery wastes, carried out during a 20 months period, with the objective to determine design parameters for the optimization of the treatment system. A series composed of two anaerobic ponds, one facultative pond and one water hyacinth pond, gave an efficiency of 97% in the removal of BOD5, 93% for total phosphorus, 91% for total Kjeldahl nitrogen and a removal of 7 log units for fecal coliforms. A model of the optimization incurred in the treatment of these wastes was developed, within economic concepts.<br>Este artigo apresenta resultados do monitoramento de um sistema de lagoas para tratamento de dejetos suínos, realizados durante um período de 20 meses, com o objetivo de encontrar parâmetros operacionais para otimização do sistema de tratamento. O sistema é composto por duas lagoas anaeróbias, uma facultativa e uma de aguapés, em séries, com uma eficiência de 97% na remoção da DBO5, 93% para o fósforo total, 91% para o nitrogênio total e uma redução de 7 unidades log para os coliformes fecais. Um modelo de otimização para tratamento destes resíduos foi desenvolvido usando os conceitos econômicos