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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS AGRÁRIAS DEPARTAMENTO DE AQUICULTURA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM AQUICULTURA REMOÇÃO DE SÓLIDOS SUSPENSOS TOTAIS DA ÁGUA DO CULTIVO SUPERINTENSIVO DE Litopenaeus vannamei COM BIOFLOCO PELO MÉTODO DE FLOTAÇÃO POR AR DISSOLVIDO Dissertação apresentada ao Programa de Pós-graduação em Aquicultura, da Universidade Federal de Santa Catarina como requisito para obtenção do Título de Mestre em Aquicultura. Orientador: Luis Alejandro Vinatea Arana Helena Lopes Galasso Florianópolis 2014 Remoção de sólidos suspensos totais da água do cultivo superintensivo de Litopenaeus vannamei com biofloco pelo método de flotação por ar dissolvido Por HELENA LOPES GALASSO Esta dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de MESTRE EM AQUICULTURA e aprovada em sua forma final pelo Programa de Pós-Graduação em Aqüicultura. Prof. Alex Pires de Oliveira Nuñer, Dr. Coordenador do Programa Banca Examinadora: Dr. Luiz Alejandro Vinatea Arana Orientador Dr. Alex Pires de Oliveira Nuñer Dr. Eudes de Souza Correia Dr. Flávio Rubens Lapolli À minha família, com muito amor. Agradecimentos Ao Programa de Pós-graduação em Aquicultura na pessoa de seu coordenador, secretário, professores e demais funcionários. Ao Professor Dr. Luis Vinatea pela orientação, interesse e atenção dedicados por todo o período de mestrado. À Professora Dra. Katt Lapa pela coorientação, dedicação e generosidade em repassar seus vastos conhecimentos desde a graduação. A todos os professores, alunos e funcionários do Laboratório Integrado do Meio Ambiente do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental, especialmente ao Professor Dr. Flávio Rubens Lapolli e Dra. Lucila Adriani Coral do Laboratório de Reuso de Águas. Aos técnicos e funcionários do Laboratório de Camarões Marinhos por toda solicitude, em especial Carlos Manoel do Espírito Santo. Aos colegas de curso e laboratório, em especial, ao Bruno e a Isabela. Às alunas de iniciação científica Ana Clara e Ana Carolina. À minha família e amigos que me apoiaram em minhas escolhas e decisões para traçar meu caminho. Ao Gabriel pela confiança, carinho e dedicação durante os bons e maus momentos. Ao REUNI-MEC e CAPES pelo fornecimento da bolsa de estudos. A todos aqueles que de alguma forma contribuíram para a realização deste trabalho. Resumo Na intensificação da carcinicultura, os cultivos vêm se desenvolvendo em sistemas fechados, dispensando as altas taxas de renovação e realizando a recirculação da água. Porém, nestes sistemas, existe um grande acúmulo de material em suspensão dentro das unidades de cultivo; sejam excretas dos animais, restos de ração ou mesmo da biomassa bacteriana (bioflocos). Para que esse acúmulo não seja prejudicial ao crescimento dos camarões é necessário realizar o controle da qualidade da água através da remoção periódica desses sólidos. A flotação por ar dissolvido (FAD) aparece como uma opção para realizar essa função, a qual pode oferecer algumas vantagens sobre outros métodos atualmente utilizados. Por isso, esta pesquisa visou avaliar em escala de bancada os parâmetros de projeto para o dimensionamento de flotadores por ar dissolvido para a retirada de sólidos suspensos totais (SST) da água do cultivo superintensivo de camarões marinhos Litopeneaus vannamei com biofloco e troca zero de água. As condições testadas foram pressão de saturação (4,0, 4,5 e 5,0 bar) e taxa de recirculação (10, 15 e 20%). Os resultados comprovaram que a utilização da flotação apresentou bons índices na remoção de SST, turbidez e DBO 5, chegando a eficiências de remoção em até 60,08%, 89,47% e 91,35% respectivamente. Os valores de velocidade de flotação variaram de 2,99 a 11,74 cm min -1 e a razão ar/sólidos ficou entre 0,005 e 0,016 mg ar mg sólidos -1. Considerando todos os parâmetros de qualidade de água analisados, a flotação por ar dissolvido teve melhor desempenho de remoção quando aplicada a pressão de saturação acima de 4,5 bar e taxa de recirculação acima de 15%, com tempo de saturação de 8 minutos. Palavras-chave: FAD, SST, camarões marinhos, biofloco, recirculação, qualidade de água. Abstract The intensification of shrimp culture has been developed in closed systems, eliminating high rates for exchange and performing water recirculation. However, in this system, there is a large accumulation of suspended material within the ponds; as animal excreta, remains of feed or even bacterial biomass in excess (bioflocs). For this accumulation not be detrimental to the growth of shrimps, is necessary make the control of water quality removing these solids periodically. The dissolved air flotation (DAF) appears as an option to execute this function, which may offer some advantages over other methods currently used. Therefore, this research aimed to evaluate in laboratory scale the design parameters for dimensioning dissolved air floaters to remove total suspended solids (TSS) from water in super intensive culture of marine shrimp Litopeneaus vannamei with biofloc and zero water exchange. The conditions tested were the saturation pressure (4.0, 4.5 and 5.0 bar) and recirculation rate (10, 15 and 20%). Results revealed that the use of dissolved air flotation indices has good removal of TSS, turbidity and BOD 5, reaching efficiencies up to 60.08%, 89.47% and 91.35% respectively. Flotation velocity values ranged from 2.99 to cm min -1 and air/solids ratio was between and mg air mg solid -1. Considering all water parameters analyzed, the dissolved air flotation presented better performances when applied the saturation pressure above 4.5 bar and recirculation rate above 15%, with saturation time of 8 minutes. Keywords: DAF, TSS, marine shrimp, bioflocs, recirculation, water quality. Lista de Tabelas Tabela 1: Configuração dos tratamentos aplicados nos ensaios de bancada no Floteste, pressão de saturação (bar), taxa de recirculação (%) e tempo de flotação (min) Tabela 2: Taxas de remoção (%) expressa por fatores (pressão e taxa de recirculação) dos parâmetros COTd, DBO 5, fosfato, nitrato, nitrito, SST e turbidez (médias ± desvio padrão) Tabela 3: Valores das concentrações obtidas dos clarificados dos parâmetros COTd, DBO 5, fosfato, nitrato, nitrito, SST e turbidez, separados por fatores (pressão e taxa de recirculação), e efluente bruto utilizado nos testes do Floteste (médias ± desvio padrão) Lista de Figuras Figura 1: Esquema ilustrativo do equipamento Floteste utilizado nos ensaios de bancada... 28 Sumário Introdução Objetivos Objetivo geral Objetivos específicos Artigo Resumo Introdução Material e métodos Condições de cultivo Coletas de amostras de água para testes em bancada Procedimentos experimentais Cálculo da razão Ar/Sólidos (A/S) Análises de qualidade de água dos ensaios no Floteste Análise estatística Resultados Análise estatística Velocidade de flotação e razão ar/sólidos (A/S) Qualidade de água Eficiências de remoção Concentrações dos clarificados e amostras brutas Oxigênio dissolvido Discussão Conclusão Agradecimentos Referências Bibliográficas Considerações finais Referências Bibliográficas da Introdução... 48 17 Introdução A aquicultura é um setor produtivo que vem crescendo ano após ano acompanhando a diminuição dos estoques pesqueiros e o aumento do consumo de proteína proveniente dos organismos aquáticos. Segundo a FAO (2012), de 2007 a 2010 houve um decréscimo da produção pesqueira em 1,98% enquanto a aquicultura mundial no mesmo período cresceu 24,32%. Dentro da aquicultura, a produção de camarões vem tomando cada vez mais espaço. De acordo com dados da FAO (2012), no ano de 2010 a carcinicultura mundial produziu cerca de 5,7 milhões de toneladas de crustáceos, sendo que a produção no Brasil neste ano foi de toneladas, gerando uma receita de aproximadamente 213,5 milhões de dólares para o país. Visto a importância da carcinicultura no Brasil e no mundo, se torna importante a busca por novas tecnologias de produção que possam aumentar ainda mais sua eficiência, produtividade e rentabilidade. Para isso, os sistemas de produção vêm se intensificando, produzindo cada vez mais em áreas menores. Ao mesmo tempo em que o aumento da produtividade se faz necessário, existe uma cobrança maior por mudanças nos sistemas produtivos na esfera da sustentabilidade, já que a carcinicultura é considerada uma atividade com grande impacto ambiental (GRÄSLUND e BENGTSSON, 2001; BIAO et al., 2004; SOUSA et al., 2006; ANH et al., 2010; THOMAS et al., 2010; MOLNAR et al., 2013). Desta forma, a produção vem se desenvolvendo em sistemas fechados, dispensando as altas taxas de renovação de água e realizando a recirculação da mesma no cultivo. Consequentemente, esses sistemas vêm diminuindo o volume de água gasto nas grandes produções, reduzindo a quantidade de efluente lançado no meio ambiente e utilizando com mais responsabilidade os recursos naturais. Além disso, ao produzir em sistemas fechados tem-se também maior biosseguridade, melhor controle da qualidade da água, da entrada e saída de patógenos e o desempenho dos animais cultivados (BRATVOLD; BROWDY, 1998; ANDREATTA; BELTRAME, 2004; HARGREAVES, 2006; SAMOCHA et al., 2007; VINATEA et al., 2010). Na busca da intensificação dos cultivos e criação de novas tecnologias surgiu o cultivo com bioflocos. Esta tecnologia se baseia na formação de flocos microbianos que ajudam a manter a qualidade da água (AVNIMELECH, 1999; DE SCHRYVER et al., 2008), além de trabalhar com a recirculação e troca zero de água. Os bioflocos 18 microbianos são aglomerados de diatomáceas, macroalgas, matéria fecal, restos de organismos mortos, bactérias, protistas e invertebrados (DECAMP et al., 2002; BALCÁZAR et al., 2006). Sabe-se que o acúmulo de substâncias nitrogenadas tóxicas na água de cultivo, como NH 3 e NO - 2, é uma das maiores preocupações nos sistemas intensivos (COLT; ARMSTRONG, 1979; AVNIMELECH, 2004). A maior fonte dessas substâncias tóxicas dentro de cultivos aquícolas é a utilização de rações com altos índices de proteína, já que os animais aquáticos precisam dela para a produção de energia (HEPHER, 1988). Além disso, a própria excreção dos animais em forma de amônia também contribui para o aumento da toxicidade nos tanques (AVNIMELECH, 1999). A principal função dos flocos microbianos no cultivo é o consumo de compostos nitrogenados por parte das bactérias nitrificantes, transformando-os em compostos menos tóxicos (AVNIMELECH, 2007; CRAB et al., 2007). O crescimento dos microrganismos componentes dos flocos é estimulado pelo aumento da relação carbono e nitrogênio (C:N) existente na unidade de cultivo. Desta forma, é fundamental realizar a fertilização da água com compostos ricos em carbono, propiciando a incorporação de nitrogênio amoniacal sob a forma de biomassa bacteriana (AVNIMELECH, 1999). Portanto, a manutenção desses flocos se torna muito importante para a conservação da qualidade da água no próprio ambiente de cultivo (BROWDY et al., 2001). O acúmulo de material em suspensão dentro das unidades de cultivo se torna evidente, seja pelas excretas dos animais, restos de ração ou mesmo da biomassa bacteriana excedente (bioflocos) (SCHVEITZER et al., 2013). Por isso, se realiza a manutenção da qualidade da água através da remoção periódica dos sólidos suspensos (ATWOOD et al., 2004; RAY et al., 2010). A retirada deste material permite que as populações de microorganismos mantenham-se sempre em fase exponencial de crescimento (WEIRICH et al., 2003) reduzindo a demanda de oxigênio oriunda dos eventos de alimentação (VAN WYK, 2006). A concentração indicada de sólidos suspensos totais no cultivo de Litopenaeus vannamei com biofloco está entre 400 a 600 mg L -1 (SCHVEITZER et al., 2013). Portanto, a remoção do excesso dos sólidos suspensos totais é um processo imprescindível para o bom funcionamento do sistema de cultivo em biofloco. Atualmente, o método mais usado para a remoção de sólidos suspensos é a sedimentação (BOYD, 1992; TEICHERT- CODDINGTON et al., 1999; NUNES, 2002; JACKSON et al., 2003; CUNHA et al., 2004; DÍAZ, 2007; MAIGUAL et al., 2013). Nesse processo, acontece o fenômeno no qual as partículas em suspensão apresentam movimento descendente no meio líquido de menor massa específica devido à ação da gravidade (DI BERNARDO et al., 2002). Contudo, sólidos suspensos contendo algas ou partículas de baixa densidade dificilmente são removidos pelo processo de sedimentação devido à tendência de flutuação das mesmas (SHAN-PEI et al., 2007). Deste modo, a flotação pode ser uma ótima alternativa para a remoção dos sólidos suspensos totais, já que os flocos microbianos possuem características de flotabilidade por terem em sua composição partículas de baixa densidade. Ao contrário da sedimentação, a flotação por ar dissolvido (FAD) se caracteriza pela ascensão das partículas suspensas pela aderência de microbolhas de ar às mesmas, tornando-as de menor massa específica que o meio onde se encontram, promovendo a separação bifásica e se acumulando na superfície do líquido na forma de lodo para posterior remoção (DI BERNARDO, 1993). Neste processo, as bolhas de ar são geradas pela redução da pressão de um fluxo de água previamente saturado com ar dentro de uma câmara de saturação, o qual é injetado no meio líquido a ser tratado permitindo a remoção das partículas (DI BERNARDDO; DANTAS, 2005). Aplicada inicialmente em tratamento de águas residuárias das indústrias de minério, papel e celulose (REALI, 1991), a tecnologia de flotação por ar dissolvido vem sendo utilizada também no tratamento de efluentes domésticos, principalmente após a década de 50 (OLIVEIRA, 2005). Atualmente, a aplicação da flotação pode ter diversas finalidades e é amplamente utilizada no tratamento de águas de abastecimento e de lazer, no pré-tratamento e pós-tratamento de esgotos domésticos e no tratamento de efluentes industriais, além da remoção de óleos e graxas (BRATBY, 1983; MATIOLO; RUBIO, 2003; COUTINHO, 2007; CORAl, 2009). Contudo, na aquicultura, a tecnologia de flotação por ar dissolvido ainda é pouco explorada, salvo na separação de biomassa de microalgas do seu meio de cultivo (CHEN et al., 1998; CHENG et al., 2011; CHRISTENSON; SIMS, 2011; GARG et al., 2012; ZHANG et al., 2012; BARRUT et al., 2013; SHOW; LEE, 2014). Algumas pesquisas inovadoras vêm sendo desenvolvidas ao longo dos anos, principalmente no caráter ambiental e tratamento de efluentes, investigando tecnologias como reatores em batelada sequenciais (BOOPATHY et al., 2007; FONTENOT et al., 2007; CORRÊA, 2008), 19 20 biorreatores à membrana (VISVANATHAN et al., 2008), entre outros. Porém, o emprego da flotação por ar dissolvido na manutenção da qualidade de água e possível tratamento de efluente ainda é pouco conhecido. No confronto com a tecnologia mais utilizada de separação de sólidos, a sedimentação, o processo de flotação por ar dissolvido apresenta maiores benefícios. Segundo Shan-Pei et al. (2007), em comparação com a sedimentação, o processo de flotação por ar dissolvido tem maior eficiência na remoção de turbidez, carbono orgânico total, algas e bactérias, com valores de 95%, 30%, 94% e 97% respectivamente, resultando em 5% a 40% a mais na remoção dos índices analisados. Jokela et al. (2001) conseguiram a remoção de 70% a 90% de fósforo do efluente de cultivo de trutas com a utilização de flotadores de ar dissolvido em fazendas comerciais na Finlândia. Outras vantagens da FAD são o bom funcionamento com partículas de menor tamanho, a possibilidade de realizar uma partida rápida da unidade de tratamento, a utilização de menor área para implantação, a possibilidade da produção de lodo com alta concentração de sólidos, diminuindo também o custo de tratamento do lodo gerado, além da incorporação de oxigênio no clarificado que retornará para a unidade de cultivo ou mesmo lançado no ambiente (VIITASAARI et al., 1995; METCALF; EDDY, 2003). Desta forma, a utilização da flotação por ar dissolvido para a remoção de sólidos suspensos totais de cultivos de camarão marinho com biofloco pode ser uma solução viável. Porém, ainda faltam estudos que definam os parâmetros de projeto para o dimensionamento e construção de flotadores que possam realizar esta tarefa com eficiência. Assim, torna-se de extrema importância a realização de pesquisas que produzam informações que garantam a implementação dessa nova tecnologia na manutenção da qualidade de água em cultivos superintensivos de camarões marinhos, com troca zero de água e do tratamento das águas residuárias desse sistema, os quais são também relevantes na questão ambiental. 21 Objetivos Objetivo geral Contribuir para os estudos na aplicação de tecnologias na manutenção da qualidade da água de cultivos superintensivos de camarões marinhos Litopeneaus vannamei com biofloco. Objetivos específicos Avaliar os parâmetros de projeto para flotadores utilizando a água de cultivo superintensivo de camarões marinhos (Litopenaeus vannamei) em biofloco para a obtenção da pressão de saturação, do tempo de saturação, da taxa de recirculação, da razão ar/sólidos (A/S) e da velocidade de flotação adequados ao sistema de cultivo. Avaliar a eficiência de remoção de sólidos suspensos totais da água de cultivo de camarões Litopenaeus vannamei em fase de engorda sob os parâmetros de projeto testados em escala de bancada. 22 Artigo Remoção de sólidos suspensos totais da água do cultivo superintensivo de Litopenaeus vannamei com biofloco pelo método de flotação por ar dissolvido Helena Lopes Galasso a, Katt Regina Lapa *, Luis Vinatea a a Laboratório de Camarões Marinhos, Departamento de Aquicultura, Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), Florianópolis, SC, , Brasil * Autor correspondente: Laboratório de Camarões Marinhos, Servidão dos Coroas s/n (fundos), Barra da Lagoa, Florianópolis, SC , Artigo apresentado de acordo com as normas da revista Aquacultural Engineering. QUALIS CAPES A2 na área de Zootecnia e Recursos Pesqueiros e fator de impacto igual a 1,406. 23 Resumo A remoção de sólidos suspensos totais da água é um procedimento chave para o bom funcionamento dos sistemas de cultivo superintensivos de camarões marinhos com bioflocos. Este trabalho visou contribuir na avaliação dos parâmetros de projeto necessários para o dimensionamento adequado de um flotador por ar dissolvido para a remoção de sólidos suspensos totais num sistema de bioflocos com troca zero de água do camarão da espécie Litopeneaus vannamei. Foram avaliadas pressões de saturação de 4,0, 4,5 e 5,0 bar e taxas de recirculação de 10, 15 e 20%. A utilização da flotação por ar dissolvido na remoção de sólidos suspensos totais foi viável, atingindo até 60,08% de remoção. Igualmente, foi observado grande potencial em remoção de outras variáveis, tais como turbidez e DBO 5, com máximos de 89,47% e 91,35%, respectivamente. Ainda, a aplicação por ar dissolvido manteve outros parâmetros essenciais de qualidade de água sem alteração, mas em ótimas condições para o cultivo, como alcalinidade, ph, temperatura e salinidade. As velocidades de flotação variaram entre 2,99 e 11,74 cm min -1 e a razão ar/sólidos ficou entre 0,005 e 0,016 mg ar mg sólidos -1. Considerando todos os parâmetros de qualidade de água analisados, a flotação por ar dissolvido teve melhor desempenho com pressão de saturação acima de 4,5 bar, taxa de recirculação acima de 15% e tempo de saturação de 8 minutos. Palavras-chave: FAD, SST, camarões marinhos, bioflocos, recirculação, efluente. 24 1. Introdução Para acompanhar a demanda do crescimento populacional e da própria atividade da aquicultura, verifica-se um grande aumento das pesquisas e investimentos em sistemas de produção que intensificam os cultivos e produzam cada vez mais em menor espaço (Funge-Smith e Phillips, 2000; Blancheton et al., 2007). Com esse objetivo, os cultivos de animais aquáticos em sistemas fechados com recirculação, que têm menor renovação de água e maior controle de qualidade, ganham espaço e atenção na comunidade de pesquisa e de
