Figura 31. Visão geral esquemática da logística do aproveitamento da urina humana. Fonte: Adaptado de Jönsson et al., 2000 apud Höglund, 2001.
De acordo com Johansson e Nykvist (2001), se o sistema é projetado de forma adequada, às perdas de nitrogênio são bastante pequenas, representando menos que 1% a partir da bacia sanitária, via tanque de coleta, transporte e armazenamento para aplicação. As perdas associadas com a aplicação nos campos agrícolas são menores que 10% e, se a melhor tecnologia disponível for usada, deve ser ainda menor, entre 1 a 2%.
Apresenta-se a seguir tecnologias colhidas da literatura para cada etapa da logística de aproveitamento da urina humana como fertilizante na produção agrícola. Procura-se apontar os principais aspectos de cada etapa da logística desse processo.
5.1 – COLETA
A etapa de coleta refere-se aos mecanismos para evitar que a urina humana se misture ao esgoto doméstico. Utiliza-se para tanto mictórios ou bacias sanitárias segregadoras e tubulações até o armazenamento temporário.
Atualmente, os mecanismos de segregação são possíveis de ser encontrados tanto para a realidade urbana quanto rural. Assim, nas Figuras 32 e 33 estão apresentados alguns mecanismos disponíveis.
Figura 32. Tecnologias de segregação da urina humana, freqüentemente usadas para a realidade urbana com descarga hídrica.
Fonte: Munch e Winker, 2010.
Figura 33. Tecnologias de segregação da urina humana, freqüentemente usadas para a realidade rural sem descarga hídrica.
Fonte: Munch e Winker, 2010.
A urina pode ser segregada com ou sem o uso de água para o transporte até o armazenamento temporário. Do ponto de vista logístico, o ideal é a segregação sem descarga hídrica. No entanto, para efeito preventivo e para uma realidade urbana, um pequeno volume de descarga tem sido indicado para evitar incrustações nos mecanismos segregadores ou nas tubulações, devido à ocorrência da precipitação de cristais (Figura 34).
Figura 34. Incrustação das válvulas dos mecanismos de segregação pelos cristais. Fonte: Winker e Hartmann, 2010.
Depois da separação nos mictórios e bacias sanitárias, a urina humana ou as águas amarelas, urina com água de descarga, segue por tubulações para os reservatórios do armazenamento temporário. Visando à preservação do nitrogênio na urina ou águas amarelas, dois aspectos devem ser levados em conta, perda por volatilização e precipitação na forma de cristais.
O processo de volatilização do nitrogênio na urina é visto como um problema no sistema de aproveitamento, devido à dificuldade de controle e escapamento da amônia para a atmosfera. No entanto, segundo Hellstrom e outros (1999), experiências a partir de sistemas existentes tem indicado que normalmente as perdas de nitrogênio por volatilização são pequenas durante a coleta e armazenamento.
A urina humana é uma solução muito concentrada e instável. Na urina fresca, a maior parte do nitrogênio é encontrada na forma orgânica, principalmente uréia, a qual se caracteriza pela fórmula CO(NH2)2 ou NH2(CO)NH2.
Segundo Lentner & Geigy (1981) apud Nordin (2010), o nitrogênio excretado do corpo humano via urina é aproximadamente 80% na forma de uréia e 7% como amônia/amônio.
Após a excreção, a enzima urease, que muitos microorganismos produzem, catalisa a hidrólise da uréia para amônia e bicarbonato (STOWA, 2001), de acordo com a equação 14.
CO(NH2)2 + 3H2O → 2NH4+ + HCO-3 + OH- (14)
O íon amônio (NH4+) em uma solução aquosa está sempre em equilíbrio com a
amônia dissolvida (NH3(aq)), dependendo do pH, de acordo com a equação 15:
NH4 + + OH- ↔ NH3(aq) + H2O (15)
A amônia dissolvida por sua vez está em equilíbrio com a amônia gasosa, dependendo da temperatura e pressão parcial na fase gasosa, de acordo com a equação 16:
NH3(aq) ↔ NH3(g) (16)
Assim, após a decomposição total da uréia presente na urina, 92 a 99% do nitrogênio passam a ser amônia. (HEINONEN-TANSKI et al, 2007 e UDERT et al, 2003 apud NORDIN, 2010). A hidrólise completa da uréia na urina humana ocorrem entre 5 a 8 dias em sistemas fechados (STOWA, 2001). A acidificação é um método que ajuda a preservar o nitrogênio na solução. Para manter o nitrogênio na forma de uréia, a urina tem que ser mantida com pH ácido. Vale ressaltar que a acidificação também evita a precipitação de cristais na tubulação e conseqüentemente incrustações.
Um aspecto importante, que deve ser atentamente analisado, é o volume de água para descarga de urina, já que a água favorece a volatilização da amônia, conforme a equação mostrada anteriormente. Segundo STOWA (2001), a taxa de hidrólise da uréia para amônia é proporcional ao valor de diluição.
Uma solução de amônia foi escoada em um tubo reto de esgoto, com 2000 m de comprimento, 0,9 m de diâmetro e uma inclinação média de 0,09%, para estimar a porcentagem de perda de nitrogênio (BURI e SCHILDKNECHT, 1998 apud UDERT et al., 2006). O fluxo de água era 20 l/s e a temperatura 15ºC. O resultado
mostrou que a perda máxima da amônia total, sob essas condições e pH 9, seria 2% por hora.
O projeto do sistema de coleta deve ser projetado para que a urina chegue ao armazenamento temporário no menor tempo possível, o que pode facilitar o controle e preservação das características da urina.
Segundo Jönsson (2004) e Schütze (2005) apud Zhang (2008), as perdas são facilmente eliminadas no projeto do sistema, como reservatório e tubulações sem ventilação e pressão equalizada.
Adicionalmente, devido à urina ser muito corrosiva, os reservatórios e tubulações devem ser feitos de material resistente, como PVC e concreto de alta qualidade, evitando ser de metal (Zhang, 2008).
5.2 – ARMAZENAMENTO TEMPORÁRIO
No armazenamento temporário, logo após a excreção, a atividade da enzima urease ocorre rapidamente na decomposição da uréia. Segundo Hellstrom e outros (1999), a decomposição da uréia provoca um aumento da concentração de nitrogênio amoniacal e pH na urina.
O pH ótimo para a maioria das ureases microbianas está em torno da neutralidade, enquanto que, a desnaturação da urease microbiana ocorre em valores de pH abaixo de 5,0 (Udert et al, 2003).
Experimentos feito por Hellström e outros (1999), mostraram que, 60 mmolH+
de um ácido forte por litro de urina mantém o pH abaixo de 4 por um período maior que 250 dias, o mesmo autor exemplificou 2,9 g de ácido sulfúrico concentrado por litro de urina.
Durante o armazenamento, a urina deve ser mantida em um tanque ou reservatório fechado de forma hermética. O isolamento atmosférico deve ser planejado em todas as etapas do sistema de logística, evitando ao máximo o contato da urina com o ar. Seguem na Figura 35 alguns tipos de armazenamento já usados em projetos de Saneamento Sustentável pelo mundo.
Figura 35. Armazenamentos de urina humana usados em projetos de Saneamento Sustentável. Fonte: Winker e Hartmann, 2010.
Perdas de nitrogênio na forma de amônia, a partir da urina animal, durante o armazenamento em tanque exposto a atmosfera pode ser aproximadamente 40% da quantidade total de nitrogênio, já em tanque fechado, as perdas pode ser reduzida por 90% (MUSKOLUS, 2008).
Experimentos de isolamento da atmosfera da urina armazenada, com folha de isopor, feitos por Cohim e colaboradores (2008), na Universidade Federal da Bahia, mostraram que no armazenamento sem isolamento ocorreu uma redução maior que 70% do nitrogênio total em dois meses e no armazenamento com isolamento, utilizando folha de isopor, a redução foi menor que 30%.
Em nível de dimensionamento, no museu Universeum, em Gothenburg (Alemanha), com 0.5 milhões de visitantes por ano (180 m3 urina/ano), se faz o
armazenamento em dois tanques de 6 m3 e se coleta 15 vezes por ano.
5.3 – PROCESSAMENTO
A etapa de processamento refere-se aos processos de eliminação de microorganismos patogênicos e recuperação de nutrientes. O processo de recuperação de nutrientes, no contexto logístico, tem como objetivos principais a redução do volume a ser transportado e a concentração de nutrientes.
5.3.1 – Processos de eliminação de microorganismos patogênicos
Em um sistema em escala real, como cidades ou regiões, certamente, a urina coletada deve receber algum tipo de tratamento para eliminação de possíveis patogênicos, devido ao receio de transmissão de doenças e aceitação dos cultivos produzidos.
Segundo Strauss (2000), a urina de pessoas saudáveis é livre de microorganismos patogênicos, ocorrendo à contaminação da urina no meio externo, ou seja, através do contato com as fezes.
O método mais simples e econômico de eliminação dos microorganismos patogênicos da urina é o armazenamento, embora numerosas outras opções de tratamento mais avançadas existam, como a exposição à luz ultravioleta. Vale ressaltar que, a depender do cultivo, a possível ocorrência de patogênicos na urina não oferece perigo de contaminação do cultivo. A Tabela 12 mostra a relação do tempo de armazenamento e a eficiência na eliminação dos patogênicos.
Tabela 12. Diretrizes para eliminação de patogênicos da urina humana por tempo de armazenamento.
Temperatura de armazenamento
Tempo de armazenamento
Prováveis patógenos na mistura de urina após o armazenamento
Cultivos recomendados
4ºC ≥1 mês Vírus, protozoários
Cultivos alimentícios e cultivos de forragem que serão processados
4ºC ≥6 mês Vírus Cultivos alimentícios que serão processados, cultivos de forragem 20ºC ≥1 mês Vírus Cultivos alimentícios que serão processados, cultivos de forragem
20ºC ≥6 mês Provavelmente nenhum Todos os cultivos
Fonte: Schönning e Stenström, 2004.
Segundo Johansson (2001), Gajurel (2003), Ganrot (2005) apud Zhang (2008), temperatura alta, pouca diluição, pH alto, e longos períodos de armazenamento são favoráveis ao processo de higienização da urina diluída. No entanto, do ponto de vista da recuperação do nitrogênio, essas características facilitam a volatilização da amônia.
Diversos tratamentos da urina, em relação aos microorganismos patogênicos, existem, mas dois aspectos importantes que devem ser levado em conta para definir um tratamento é a conservação dos nutrientes e facilidade de recuperação.
Em relação à recuperação do nitrogênio, a acidificação mostra-se uma boa alternativa para eliminação de microorganismos patogênicos e prevenção da decomposição da uréia na urina.
Segundo pesquisas de Zancheta e colaboradores (2006), na estocagem de urina por um período curto de 15 dias em temperatura ambiente, os níveis de coliformes termotolerantes e E. Coli tenderam a praticamente nulo, indicando que a estocagem pode ser uma das formas mais viáveis de tratamento microbiológico da urina.
Vale ressaltar que, em países ensolarados, como o Brasil, onde a temperatura média é maior que 20°C, o tempo de armazenamento para higienização da urina tende a ser menor.
5.3.2 – Processos de recuperação de nutrientes
Vários processos de recuperação dos nutrientes da urina humana, em vista ao aproveitamento dos nutrientes, já foram desenvolvidos e podem ser aplicados de acordo com cada realidade. Tratamentos como membranas de osmose reversa, evaporação, nanofiltração, eletrodiálise, precipitação, dentre outros tem como objetivo a redução de volume e concentração de nutrientes.
A escolha do tipo tratamento da urina, para a finalidade de aproveitamento do nitrogênio, freqüentemente associada com a recuperação de fósforo e potássio também, depende de três principais características do sistema de logística de aproveitamento da urina:
• Demanda de nitrogênio no local de aplicação, em relação à taxa de geração; • Tipo de mecanismo de separação da urina, em relação ao volume;
• Distância a ser percorrida até o local de aplicação.
As características do sistema de tratamento da urina devem ser pensadas em termos de eficiência, quando relacionado à realidade e características do projeto. Isso porque aspectos socioeconômicos e ambientais, como o consumo de água e energia, devem ser levados em conta.
A depender do projeto, sistemas de tratamento simples podem ser mais eficientes que a adoção de tratamentos avançados, como em pequenas comunidades rurais, onde a taxa de geração de urina é menor que a demanda por nitrogênio nos campos agrícolas, podendo a urina diluída ou não ser aplicada diretamente, sem ou nenhum tipo de tratamento. Vale ressaltar que a diluição deve ser feita de acordo com a cultura, de acordo com a resistência da planta a alta concentração de sais da urina.
No entanto, para centros urbanos, existe uma necessidade de obter uma máxima eficiência no tratamento da urina, devido ao grande volume gerado e, normalmente, a grande distância a ser percorrida até os campos agrícolas.
Pensando no sistema de logística em centros urbanos, uma estação de processamento, que recebe a urina ou águas amarelas geradas na região, com a função de qualificação do “novo fertilizante” gerado seria uma solução na distribuição para as áreas agrícolas.
Por ser gerado em condições instáveis, levando em conta aspectos qualitativos, o produto fertilizante precisa ser caracterizado. A qualificação do “novo fertilizante” determinará efetivamente o potencial agrícola e a quantidade de nutrientes, estabelecendo assim, um valor a ser comercializado de acordo com as suas características.
5.4 – TRANSPORTE
A urina deve ser armazenada e transportada em reservatórios limpos e fechados a fim de evitar a contaminação, problemas de odor e perda de nitrogênio
na forma de amônia para o ar (WINBLAD et al., 1999). O transporte da urina armazenada para o campo agrícola pode ser feito pelo transporte direto do reservatório de armazenamento ou pela coleta da urina do armazenamento temporário ou externo por um caminhão de sucção.
O transporte do tanque de armazenamento pode não ser uma opção viável devido ao custo da logística. A coleta por caminhão de sucção pode ser uma melhor alternativa por manter a urina isolada do ar e já existir um sistema de prestação de serviço de forma semelhante para o esgoto. Na Figura 36 pode ser observado o sistema de coleta por caminhão de sucção no prédio da GTZ na Alemanha.
Figura 36. Coleta de urina humana por caminhão de sucção em um prédio na Alemanha. Fonte: Winker e Hartmann, 2010.
Se pensado em redução de volume, o caminhão de sucção pode ser adaptado com um sistema de membranas para concentrar os nutrientes. A água “tratada” no sistema de membranas pode ser usada na própria região, o que talvez possa minimizar o tratamento e captação de água para alguns usos não potáveis.
Se pensado no gasto energético, esse processo pode ser comparado com a dessalinização da água. Em Israel, a dessalinização da água do mar mediterrâneo demanda 3,6 kWh/m³ (KIPERSTOK et al., 2010).
Se duas pessoas excretam 8,0 kg N/ano em 1,0 m³ de urina e assumindo que o processo de dessalinização retira 100% do nitrogênio, pode-se imaginar que o consumo energético por kg de nitrogênio seria 0,45 kWh/kg N. Isso seria aproximadamente 30 vezes menor que o consumo energético necessário para produzir um kg de nitrogênio no processo industrial. Vale ressaltar que, através desse processo, a quantidade de nitrogênio permanece em uma solução concentrada de nutrientes, que representa o rejeito do processo de membranas.
O transporte da urina coletada pode ser comparado com a coleta de resíduos sólidos municipais, quando apontado que a geração de urina está entre 1,2 a 1,5 litros/pessoa.dia e a geração de resíduos sólidos municipais está entre 0,8 a 1,5 kg/pessoa.dia. Podendo assim ter uma idéia da logística que seria a coleta e transporte da urina humana.
5.5 – ARMAZENAMENTO EXTERNO
Se a urina, logo após a excreção, for usada diretamente nos campos agrícolas, a etapa de armazenamento externo não é necessária. Porém, essa prática tem sido adotada apenas quando a urina é conhecida higienicamente.
O uso direto está principalmente relacionado a pequenas produções e geração própria da urina pelo produtor agrícola. Isso dependerá da demanda de nitrogênio pelo cultivo e da taxa de geração de urina.
No entanto, em relação ao grande volume gerado em centros urbanos, o armazenamento externo pode ser útil para o planejamento de aplicação do “novo fertilizante” nos campos agrícolas. Por exemplo, segundo Lind (2000), em alguns países a aplicação da urina é restrita para certos períodos do ano.
Experiências com sistemas de separação da urina em criações de gado têm mostrado que perdas de amônia podem ser minimizadas mantendo a temperatura
baixa no armazenamento, tendo um valor baixo de pH e evitando aeração em cima da superfície do líquido no tanque de armazenamento (Rodhe e Johansson, 1996
apud STOWA, 2001). O reservatório de armazenamento enterrado pode ser uma
alternativa para manter uma temperatura mais baixa, porém, pode dificultar a operação do sistema.
5.6 – APLICAÇÃO NOS CAMPOS AGRÍCOLAS
A urina não precisa ser diluída para a aplicação em solos abertos, apenas para a sua utilização em plantas, quando geralmente é reportada a utilização da proporção de 1:2 a 1:10 em água, ou mais, a depender do tipo de planta.
Sua utilização pode ser feita tanto em forma liquida quanto na forma de cristais precipitados, como a estruvita (NOUR et al., 2006). Na Figura 37 pode ser vista a aplicação da urina na produção de cereais e sua colheita.
Figura 37. Aplicação de urina humana no cultivo de cereais na pesquisa de campo na cidade de Bonn, Alemanha.
As perdas de nitrogênio por volatilização nos campos agrícolas são esperadas serem altas. Porém, um estudo, conduzido pela Companhia de Água de Estocolmo usando urina armazenada, mostrou que as perdas de amônia foram apenas de 1 a 10% (UDERT et al., 2006).
A injeção ou gradagem da urina dentro do solo na aplicação nos campos agrícolas pode reduzir as perdas de nitrogênio para a atmosfera (HELLSTROM et
al., 1999).
A redução das perdas por volatilização pode ser alcançada mediante incorporação da uréia ao solo, adição de ácidos e de sais de K, de Ca e de Mg, alteração na granulométrica ou transformação para haver liberação lenta (ALVES et
al., 2007). Para controlar a retenção e a liberação de amônio (NH4+), as perdas de N
podem também ser diminuídas por meio da utilização de zeólitas como aditivo aos fertilizantes (ALVES et al., 2007).
A adição de magnésio ajuda a cristalização da estruvita. Uma das etapas da agricultura é a calagem, a qual adiciona Mg ou Ca no solo para corrigir o pH e neutralizar o alumínio. Em relação à precipitação de cristais, segundo Lind e outros (2000), a urina humana contém um excesso de íons amônio relativo aos íons fosfato, no entanto é deficiente em magnésio, elemento que viabiliza a precipitação de cristais, principalmente estruvita.
A aplicação de uma urina ácida, pós-tratamento por acidificação, com íons, amônio e fosfato, disponíveis, no solo, corrigido com a calagem, é uma alternativa de reduzir as perdas de nitrogênio por volatilização.
Vale ressaltar que, a fixação21 do fósforo no solo tem como principal causa a presença de alumínio e ferro, que formam, com o fósforo, fosfatos de alumínio e de ferro, que são altamente insolúveis. Estima-se que apenas 5 a 20% do fósforo solúvel adicionado ao solo como adubo sejam aproveitados pela cultura que o recebeu e que 95 a 80% deles sejam fixados. Uma das práticas mais fáceis e econômicas de minimizar a fixação de fósforo é a calagem22, que neutraliza o
21
Neste contexto, fixação é a passagem de formas solúveis de nutrientes para formas insolúveis, isto é, não disponíveis às plantas (ALCARDE et al., 1998).
22
Calagem refere-se ao termo usado nas Ciências Agrárias para a etapa do preparo do solo através da aplicação de calcário para elevar os teores de cálcio e magnésio, correção do pH e para a neutralização do alumínio trivalente (LOPES et al., 1991).
alumínio, diminuindo sua ação fixadora sobre o fósforo. Esse processo aumenta a disponibilidade de fósforo do solo (ALCARDE et al., 1998).
Um estudo na Suécia usando a ferramenta de Análise do Ciclo de Vida mostrou que o sistema de produção de trigo utilizando 50% urina e 50% de fertilizante industrial em comparação a outro sistema com 100% de fertilizante industrial foi mais vantajoso, reduzindo mais que 400% do consumo de eletricidade, reduzindo 20% e 50% das emissões de N2O e CH4, respectivamente.
6 – DISCUSSÃO
De acordo com as estimativas feitas neste trabalho, aproximadamente 24 Mt N/ano podem ser recuperadas no aproveitamento da urina humana como fertilizante na produção agrícola. Essa quantidade representa aproximadamente 19% da quantidade global de fertilizante nitrogenado produzido (127 Mt N) e aproximadamente 25% da quantidade de nitrogênio usado como fertilizante na produção de alimentos (100 Mt N).
No entanto, muitas questões ainda têm que ser esclarecidas, os fluxos ainda tem que ser entendidos e quantificados de forma mais precisa para propor um modelo mais eficiente de gestão do nitrogênio reativo nos sistemas antropogênicos e apontar a quantidade de nitrogênio excretada pela população mundial com maior precisão.
No começo do fluxograma, no sistema de produção de fertilizantes nitrogenados, a estimativa da quantidade de nitrogênio encaminhada para os agronegócios alimentar e não alimentar é de fundamental importância para a gestão do nitrogênio.
A IFA (2009a) aponta que 127 Mt N/ano são produzidas, sendo 22 Mt N/ano destinadas como insumo para outros usos industriais e 105 Mt N/ano destinadas para a produção de fertilizantes nitrogenados. Porém, as perdas na produção, transporte e armazenamento não foram indicadas. As estimativas de Smil (2001) apontaram que 7% da amônia sintetizada industrialmente eram perdidas na produção, transporte e armazenamento. No entanto, essa estimativa não foi esclarecida de forma clara.
Seguindo o fluxo de nitrogênio na rota alimentar, estimar a quantidade de nitrogênio encaminhada para cada agronegócio é uma difícil tarefa. O ideal é conhecer quais cultivos recebem os fertilizantes nitrogenados e estimar a quantidade usada nos agronegócio alimentar ou não alimentar. Vale ressaltar que, conhecendo