SALVADOR
2011
FRANCISCO RAMON ALVES DO NASCIMENTO
Saneamento Sustentável na atenuação dos efeitos
da alteração do ciclo global do nitrogênio
UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA
ESCOLA POLITÉCNICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA INDUSTRIAL
FRANCISCO RAMON ALVES DO NASCIMENTO
SANEAMENTO SUSTENTÁVEL NA ATENUAÇÃO DOS
EFEITOS DA ALTERAÇÃO DO CICLO GLOBAL DO
NITROGÊNIO
Salvador Março de 2011
FRANCISCO RAMON ALVES DO NASCIMENTO
SANEAMENTO SUSTENTÁVEL NA ATENUAÇÃO DOS
EFEITOS DA ALTERAÇÃO DO CICLO GLOBAL DO
NITROGÊNIO
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Industrial, Escola Politécnica, Universidade Federal da Bahia, como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Industrial.
Orientador: Profº Dr. Asher Kiperstok Orientador: Profº Dr. Luciano Matos Queiroz
Salvador Março de 2011
N244 Nascimento, Francisco Ramon Alves do
Saneamento sustentável na atenuação dos efeitos da alteração do ciclo global do nitrogênio / Francisco Ramon Alves do Nascimento. – Salvador, 2011.
122 f. : il. color.
Orientador: Prof. Doutor Asher Kiperstok
Prof. Doutor Luciano Matos Queiroz
Dissertação (mestrado) – Universidade Federal da Bahia. Escola Politécnica, 2011.
1. Nitrogênio reativo. 2. Urina humana. 3. Saneamento Sustentável. 4. Ciclo do nitrogênio. Kiperstok, Asher. II. Querioz, Luciano Matos. Universidade Federal da Bahia. II. Título.
FRANCISCO RAMON ALVES DO NASCIMENTO
Dissertac;ao submetida ao corpo docente do programa de p6s-graduac;ao em Engenharia Industrial da Universidade Federal da Bahia como parte dos requisites necessaries para a obtenc;ao ~o grau de niestre em Engenharia Industrial.
Examinada' p·or:
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Doutorado em Engen haria Qufmica ecnologlas, Amb•·Q .f'ttl!t-~.·c:. pela University of Manchester Institute of Scien'ce and :rechnology (1996
EDUARDO COHIM~~~~~~~~~~~~~~~~---
Doutorado em Ener · e (2011).
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09).RICARDO FRANCI GON<;ALVES
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Doutorado em Engenharia" ·do Tratamento Aguas pelo lnstitut National des
• Scie'nces Appliquees Toulouse (1993).
A
Hamilton e Anna, meus pais, meus melhores exemplos e maiores incentivadores. Obrigado pelo amor e dedicação incondicionais, sem os quais não teria conseguido superar mais essa etapa da minha vida e por ter me proporcionado condições de realizar mais uma conquista.
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus, por me abençoar e dar saúde e paz.
Aos meus irmãos, Ana Flávia, Aize e Jean, e cunhados pelo incentivo, força e amor;
À minha namorada Rafaela, pelo amor, apoio e compreensão;
Ao meu orientador Profº Asher Kiperstok, pela confiança, incentivo e ensinamentos valiosos para a realização deste trabalho;
Ao meu orientador Profº Luciano Matos, pelas valiosas contribuições para a realização desta conquista;
Ao “eco-doutor”, Eduardo Cohim, pelas contribuições e incentivos, e por ter me proporcionado a “sede” pela pesquisa científica;
Aos ecoamigos, pela amizade e companheirismo;
Aos meus amigos, especialmente Os Parceiros, pelos momentos vividos e que serão vividos em nossas vidas;
Ao Grupo de Capoeira Porto da Barra, pelos momentos de relaxamento e aprendizados;
À secretaria do TECLIM, especialmente a “Sú”, pelo apoio, atenção e orientações; Aos professores, colegas de turma e toda equipe do PEI, pelo apoio e colaboração; Agradeço a todas as pessoas que de alguma forma contribuíram para a elaboração desse trabalho;
A CAPES, pela concessão da bolsa de estudo, importante para a dedicação no trabalho.
“O importante na ciência não é somente obter fatos novos, mas descobrir caminhos novos de pensar sobre eles.”
RESUMO
A identificação da importância e dificuldades relacionadas ao aproveitamento do nitrogênio excretado pelo seres humanos na agricultura foi o objeto principal nesta dissertação. Uma caracterização dos fluxos antropogênicos de nitrogênio na rota alimentar do ser humano foi feita a partir das concepções da Ecologia Industrial, Análise de Fluxo de Materiais e Saneamento Sustentável, no intuito de apontar a representatividade da quantidade de nitrogênio excretado via urina humana no ciclo global do nitrogênio. O resultado dessa caracterização apontou que uma redução de 19% da produção global de fertilizantes nitrogenados e uma redução de 24 Mt N/ano das perdas de nitrogênio reativo para os sistemas naturais poderia ser obtida com o aproveitamento do nitrogênio excretado, via urina, na agricultura. Uma análise dos aspectos socioeconômicos e ambientais do sistema de logística desse aproveitamento apontou um caminho mais sustentável que o sistema do saneamento convencional na gestão do nitrogênio reativo.
Palavras-Chave: Nitrogênio reativo, urina humana, saneamento sustentável, ciclo do nitrogênio.
ABSTRACT
The identification of importance and difficulties related to the use of nitrogen excreted by humans for application in agriculture is the main objective of this dissertation. A description of anthropogenic nitrogen flows in the human food route was carried out from an Industrial Ecology, Material Flow Analysis and Sustainable Sanitation perspective in order to indicate the representativeness of the amount of nitrogen excreted via human urine in the global nitrogen cycle. The result of this showed that a 19% reduction in global nitrogen fertilizer production and a reduction of 24 Mt N/year of reactive nitrogen losses to natural systems could be achieved with the use of nitrogen excreted via urine applied in agriculture. An analysis of the socioeconomic and environmental aspects of a logistics system of this use offers a more sustainable path than the conventional sanitation system in the management of reactive nitrogen.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 01. Evolução do consumo global de materiais. ... 22 Figura 02. Os noves limites planetários que não deveriam ser ultrapassados pelo
homem para assegurar a sobrevivência humana no planeta Terra... 23 Figura 03. Evolução do crescimento populacional mundial, com projeções para o ano
2050. ... 26 Figura 04. Histórico da geração de nitrogênio reativo pelos sistemas antropogênicos.
... 27 Figura 05. Balanço global de nitrogênio indicado pelos fluxos naturais e
antropogênicos. ... 29 Figura 06. Fluxos de nitrogênio reativo, em Mt N/ano, na produção e consumo de
alimento, em 1996. ... 30 Figura 07. Fluxos de nitrogênio reativo, em Mt N/ano, pós-colheita, em 1996. ... 31 Figura 08. Ilustração da cascata do nitrogênio. ... 33 Figura 09. Intervenções no ciclo do nitrogênio para reduzir a quantidade de Nr
gerada ou a quantidade de Nr perdida para o meio ambiente. ... 35 Figura 10. Tipos de ciclos dos materiais. ... 38 Figura 11. Princípios da Ecologia Industrial aplicados em diferentes níveis de
análise. ... 39 Figura 12. Fluxos de nitrogênio, em Mt N/ano, no fertilizante nitrogenado
comercializado internacionalmente, em 2004. ... 40 Figura 13. Fluxos de materiais dentro do ciclo de vida comercial. ... 44 Figura 14. Modelo do sistema de produção e consumo de alimento para análise de
fluxos de nitrogênio e fósforo. ... 44 Figura 15. Principios gerais do Saneamento Convencional. ... 46 Figura 16. Principios do fluxo linear de nutrientes da agricultura para o saneamento.
... 47 Figura 17. Principios gerais do Saneamento Sustentável. ... 49 Figura 18. Tecnologias possiveis para o Saneamento Sustentável. ... 51 Figura 19. Principios do fluxo cíclico de nutrientes entre a agricultura e o
saneamento. ... 52 Figura 20. Distribuição do volume diário de urina de um suíço adulto. ... 53 Figura 21. Sistema de análise dos fluxos de material orgânico na cidade de Kumasi,
Gana. ... 57 Figura 22. Modelo do fluxograma dos fluxos de nitrogênio reativo para a rota
Figura 23. Fluxograma geral dos fluxos de nitrogênio reativo, em Mt N/ano, na rota alimentar em nível global (Valores referentes ao período 1993 a 2010). . 63 Figura 24. Fluxos de nitrogênio reativo na produção mundial de amônia por tipo de
combustível, em Mt N/ano. ... 64 Figura 25. Fluxos de nitrogênio reativo destinados ao uso industrial e como
fertilizante, em Mt N/ano. ... 67 Figura 26. Fluxos de nitrogênio reativo no sistema Agronegócio Alimentar, em Mt
N/ano. ... 72 Figura 27. Representação das saídas de nitrogênio reativo na agricultura global em
2000. ... 75 Figura 28. Representação esquemática da demanda metabólica por aminoácidos. 83 Figura 29. Consumo per capita dos principais itens alimentares em países em
desenvolvimento no período 1961-2005. ... 84 Figura 30. Fluxos de nitrogênio reativo, em Mt N/ano, no sistema saneamento de
acordo com as opções de saneamento da população global. ... 89 Figura 31. Visão geral esquemática da logística do aproveitamento da urina humana. ... 93 Figura 32. Tecnologias de segregação da urina humana, freqüentemente usadas
para a realidade urbana com descarga hídrica. ... 94 Figura 33. Tecnologias de segregação da urina humana, freqüentemente usadas
para a realidade rural sem descarga hídrica. ... 94 Figura 34. Incrustação das válvulas dos mecanismos de segregação pelos cristais.
... 95 Figura 35. Armazenamentos de urina humana usados em projetos de Saneamento
Sustentável. ... 98 Figura 36. Coleta de urina humana por caminhão de sucção em um prédio na
Alemanha. ... 102 Figura 37. Aplicação de urina humana no cultivo de cereais na pesquisa de campo
LISTA DE TABELAS
Tabela 01. Quantidade de nitrogênio nos reservatórios globais... 24
Tabela 02. Evolução da geração de nitrogênio reativo pelos processos naturais e antropogênicos. ... 28
Tabela 03. Tipos de análise relacionados aos fluxos de materiais. ... 43
Tabela 04. Quantidade necessária de NPK para produzir 250 kg de cereais e a quantidade contida na excreta humana. ... 52
Tabela 05. Variação da concentração de nitrogênio na urina humana em função da dieta. ... 54
Tabela 06. Quantidade de macronutrientes excretada anualmente por uma pessoa via urina humana. ... 54
Tabela 07. Consumo energético e emissão de CO2 na produção de amônia, baseada em diferentes combustíveis e melhor tecnologia disponível. ... 66
Tabela 08. Entradas de nitrogênio reativo no sistema Agricultura Alimentar. ... 74
Tabela 09. Saídas de nitrogênio reativo do sistema Agricultura Alimentar. ... 74
Tabela 10. Entradas de nitrogênio reativo no sistema Pecuária Alimentar. ... 77
Tabela 11. Saídas de nitrogênio reativo do sistema Pecuária Alimentar. ... 78
Tabela 12. Diretrizes para eliminação de patogênicos da urina humana por tempo de armazenamento. ... 99
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ACV Análise de Ciclo de vida AFM Análise de Fluxo de Materiais
DANIDA Agência Dinamarquesa para o Desenvolvimento Internacional
DAP Fosfato diamônico
EFMA Associação Européia dos Fabricantes de Fertilizantes
EI Ecologia Industrial
FAN Fluxo Antropogênico de Nitrogênio
FAO Organização das Nações Unidas para Agricultura e Alimentação FBN Fixação Biológica de Nitrogênio
GTZ Cooperação Técnica Alemã para o Desenvolvimento IFA Associação Internacional de Produtores de Fertilizante INI Iniciativa Internacional do Nitrogênio
IPCC Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas
MAP Fosfato Monoamônico
Nr Nitrogênio reativo
OECD Organização para Cooperação e Desenvolvimento Econômico
PRB Agência de Referência da População
STOWA Fundação de pesquisa aplicada em água
SuSanA Aliança para o Saneamento Sustentável
UNEP Programa das Nações Unidas para o Meio Ambiente
UNESCO Organização das Nações Unidas para a Educação, a Ciência, e a
Cultura
UNICEF Fundo das Nações Unidas para a Infância
WHO Organização Mundial da Saúde
SUMÁRIO LISTA DE ILUSTRAÇÕES
LISTA DE TABELAS
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
1 - INTRODUÇÃO ... 16
2 – CONTEXTUALIZAÇÃO ... 21
2.1 – MUDANÇAS GLOBAIS ... 21
2.2 – CICLO DO NITROGÊNIO ... 24
2.3 – FERRAMENTAS DE APOIO À GESTÃO AMBIENTAL... 36
2.3.1 – Ecologia Industrial ... 37
2.3.2 – Análise de Fluxo de Materiais (AFM) ... 41
2.4 – SISTEMA SANEAMENTO ... 45 2.4.1 – Saneamento Convencional ... 45 2.4.2 – Saneamento Sustentável ... 48 2.4.2.1 – Urina Humana ... 53 3 – MATERIAL E MÉTODOS ... 55 4 – RESULTADOS ... 63
4.1 – PRODUÇÃO DE FERTILIZANTE NITROGENADO ... 64
4.1.1 – Produção de Amônia ... 64
4.1.1.1 – Entradas de nitrogênio ... 65
4.1.1.2 – Saídas de nitrogênio... 65
4.1.2 – Indústria Manufatureira de Produtos Nitrogenados ... 67
4.1.2.1 – Entradas de nitrogênio ... 68
4.1.2.2 – Saídas de nitrogênio... 68
4.2 – PRODUÇÃO DE ALIMENTO OU AGRONEGÓCIO ALIMENTAR ... 70
4.2.1 – Agricultura Alimentar ... 73 4.2.1.1 – Entradas de nitrogênio ... 73 4.2.1.2 – Saídas de nitrogênio... 74 4.2.2 – Pecuária Alimentar ... 77 4.2.2.1 – Entradas de nitrogênio ... 77 4.2.2.2 – Saídas de nitrogênio... 78 4.2.3 – Aquacultura ... 80
4.2.4 – Agroindústria Alimentar ... 81
4.3 – METABOLISMO HUMANO ... 82
4.4 – SANEAMENTO ... 87
5 – LOGÍSTICA DO APROVEITAMENTO DA URINA HUMANA ... 92
5.1 – COLETA ... 93
5.2 – ARMAZENAMENTO TEMPORÁRIO... 97
5.3 – PROCESSAMENTO... 98
5.3.1 – Processos de eliminação de microorganismos patogênicos ... 99
5.3.2 – Processos de recuperação de nutrientes ... 100
5.4 – TRANSPORTE ... 101
5.5 – ARMAZENAMENTO EXTERNO ... 103
5.6 – APLICAÇÃO NOS CAMPOS AGRÍCOLAS ... 104
6 – DISCUSSÃO ... 107
7 – CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES ... 112
1 - INTRODUÇÃO
Os efeitos das mudanças globais nunca foram tão discutidos quanto nas últimas décadas. Os efeitos dos impactos ambientais provocados pelas mudanças abrangem todos os níveis de inter-relação da vida, locais, regionais e globais, alterando, por exemplo, o funcionamento de ciclos biogeoquímicos que antes eram auto-regulados.
O futuro dos ecossistemas da Terra e suas capacidades de fornecer os serviços necessários para manter a sobrevivência humana são questões de grandes preocupações, devido às mudanças, como aquecimento global, provocadas pelas atividades humanas (STEFFEN et al., 2007).
As atividades humanas provocam contínuas mudanças nos processos naturais que equilibram os sistemas da Terra. Após o uso de materiais e energia, ocorre uma devolução de resíduos ao meio ambiente. A adaptação dos sistemas naturais, em relação à capacidade de auto-regulação, para absorver os resíduos é lenta quando comparada à taxa de geração de resíduos.
A razão para a urgente necessidade de uma mudança de paradigma na visão antropogênica sobre a adaptação da natureza é derivada do entendimento mais profundo da capacidade auto-regulatória dos sistemas da Terra (WILDERER, 2009). A tomada de decisões mais eficientes em relação à gestão dos recursos naturais e mitigação das mudanças climáticas são relevantes. Para tanto é preciso ter um melhor conhecimento sobre os princípios naturais que equilibram os sistemas da Terra.
A Ecologia Industrial aponta que a sociedade deveria adaptar seu estilo de vida de forma a equilibrar a busca pela sustentabilidade e sua sobrevivência, semelhantemente ao funcionamento dos sistemas naturais, onde não acontece acúmulo de resíduos.
A estrutura do planeta Terra pode ser vista formada por sistemas naturais e antropogênicos, com diferentes níveis e processos, os quais são interligados através de fluxos de materiais e energia. Pensar em soluções tecnológicas para os sistemas
antropogênicos de forma separada, sem ligação com os sistemas naturais é um erro a ser reparado.
Nove limites planetários, os quais o homem não deveria ultrapassar para evitar uma catástrofe planetária, foram identificados (ROCKSTROM et al., 2009). Destes limites, sete foram quantificados no trabalho. Destas estimativas, três limites já foram ultrapassados, em ordem do grau de excedência estão: a perda de biodiversidade, o fluxo de nitrogênio reativo no ciclo biogeoquímico e as mudanças climáticas.
Os sistemas naturais e antropogênicos relacionados ao ciclo do nitrogênio têm forte relação com a perda de biodiversidade e as mudanças climáticas devido à incorporação e acúmulo de nitrogênio reativo nos reservatórios ambientais, como a atmosfera e o oceano. Além disso, outros problemas ambientais como a poluição dos recursos hídricos, devido principalmente a eutrofização de águas superficiais e acúmulo de nitrato em águas subterrâneas, são provocados principalmente por sistemas antropogênicos, sobretudo aqueles relacionados com a produção e consumo de alimento.
O limite para a quantidade de nitrogênio incorporado ao ciclo biogeoquímico, pela conversão do nitrogênio inerte (N2) em nitrogênio reativo (Nr), é 35 Mt N/ano1
(ROCKSTROM et al., 2009).
No momento atual, 192 Mt N são incorporadas anualmente, destas 127 Mt através da produção industrial de amônia (IFA, 2009a), 25 Mt através da queima de combustíveis fósseis (GALLOWAY et al., 2008) e 40 Mt através da Fixação Biológica de Nitrogênio (FBN) na agricultura (GALLOWAY et al., 2008).
A seqüência de efeitos da incorporação e acúmulo de Nr nos sistemas, tanto natural quanto antropogênico, é conhecida como a Cascata do Nitrogênio. A definição da Cascata do Nitrogênio é entendida como a transferência seqüencial de Nr através dos sistemas, a qual resulta em mudanças ambientais quando o Nr move-se ou acumula-move-se temporariamente dentro de cada sistema (GALLOWAY et al., 2003).
De acordo com uma análise da finalidade do Nr gerado nos sistemas antropogênicos, 192 Mt N/ano, a maior parte é destinada a produção agrícola,
1
principalmente na produção de alimento humano, através dos fertilizantes nitrogenados (105 Mt N/ano) e do nitrogênio fixado na agricultura (40 Mt N/ano).
Idealmente, todo nitrogênio gerado e usado na produção de alimento, deveria ser consumido pelas pessoas, metabolizados e excretados principalmente na urina e fezes. Para tanto, teria que admitir-se uma eficiência máxima nos sistemas, incluindo a reciclagem de todos resíduos cultivares como fonte de nitrogênio e eficiência máxima na logística dos sistemas.
As maiores taxas de ineficiências, perdas, de Nr para os sistemas naturais são justamente na produção agrícola, principalmente quando da aplicação de fertilizantes nitrogenados. A taxa de recuperação do fertilizante nitrogenado aplicado na produção global de cultivos, em forma de alimento, é de aproximadamente 50% (KRUPNIK et al., 2004 e SMIL, 1999 apud EICKHOUT et al., 2006).
A minimização das perturbações antropogênicas no ciclo do nitrogênio a partir da melhoria da eficiência na aplicação de fertilizante nitrogenado, em uma breve análise, deveria ser a principal medida a ser adotada, dependendo do avanço tecnológico. Segundo Schlesinger (2009), com a era da energia barata acabando, os economistas deverão impor uma maior eficiência no uso de fertilizantes.
Porém, não há dúvidas que existem outras soluções que podem ajudar a promover uma maior eficiência na gestão do nitrogênio reativo. Uma das soluções já existentes é o aproveitamento dos nutrientes presentes em águas residuárias, sobretudo o esgoto doméstico, na fertilização dos campos agrícolas.
No entanto, se pensado na questão de sustentabilidade do sistema global, como um todo, o aproveitamento do esgoto doméstico, ainda assim, não seria a solução mais eficiente. Isso devido à gestão, isolada, adotada no saneamento convencional, em relação ao uso contínuo de novos recursos naturais, gasto energético e potencial limitado de aproveitamento do nitrogênio e outros micro e macronutrientes contidos nos esgotos domésticos.
A concepção de Saneamento Sustentável é vista por muitos estudiosos do setor saneamento como uma alternativa mais eficiente de gestão dos recursos, em comparação ao atual modelo adotado no saneamento convencional. O Saneamento Sustentável propõe a segregação de correntes, como as águas cinzas, amarelas, marrons e água de chuva, de acordo com a qualidade do recurso e potencial de
aproveitamento, levando em conta aspectos de praticidade, riscos microbiológicos e gestão eficiente de recursos.
As águas amarelas são constituídas de urina humana e água de descarga. A urina humana se destaca, entre as correntes que constituem o esgoto doméstico, como fertilizante nitrogenado na produção agrícola, pois contém, em média, 85% do nitrogênio contido no esgoto e em escala global, contém aproximadamente 19% (24 Mt N) do nitrogênio global produzido industrialmente. Vale ressaltar que, a substancial presença de outros nutrientes, como fósforo e potássio, e o reduzido risco microbiológico do seu manuseio também são motivos importantes que devem ser levados em conta.
As concepções da Ecologia Industrial (EI) e Análise de Fluxo de Materiais (AFM), ferramentas de apoio à gestão ambiental, visam integrar organicamente os sistemas naturais e antropogênicos de forma que o funcionamento atual do sistema da Terra se assemelhe ao funcionamento de um sistema natural equilibrado.
Nesta perspectiva, essas três concepções, mencionadas anteriormente, foram usadas como metodologia na identificação dos fluxos de nitrogênio, principalmente na rota alimentar, no intuito de indicar a importância da quantidade de nitrogênio que entra no sistema saneamento em relação à quantidade que é produzida para a produção de alimento.
Assim, o objetivo geral deste trabalho é identificar a importância e as dificuldades relacionadas ao aproveitamento na agricultura do nitrogênio excretado, via urina humana, apontando o impacto na gestão do nitrogênio reativo nos ciclos biogeoquímicos.
Os objetivos específicos são:
• Caracterizar os principais fluxos antropogênicos de nitrogênio na rota alimentar do ser humano;
• Correlacionar as possíveis alterações nos sistemas antropogênicos da rota alimentar do ser humano, a partir do aproveitamento da urina humana como fertilizante na produção agrícola;
• Levantar os principais aspectos de cada etapa da logística de aproveitamento da urina humana como fertilizante na produção agrícola;
• Apontar aspectos sócio-econômicos e ambientais dos sistemas que indiquem vantagens para o aproveitamento da urina humana como fertilizante na produção agrícola.
Diante desta introdução e objetivos propostos, apresentados neste capítulo, a dissertação segue estruturada de acordo com os seguintes capítulos.
O capítulo 2 apresenta uma ampla revisão bibliográfica dos quatro principais campos de estudo abordados na dissertação: as mudanças globais, o ciclo do nitrogênio, as ferramentas de apoio a gestão ambiental, Ecologia Industrial e Análise de Fluxo de Materiais, e o Saneamento Sustentável, contextualizando as características de cada campo, utilizadas neste trabalho.
O capítulo 3 apresenta a descrição da metodologia adotada para a análise de fluxo de nitrogênio na rota alimentar. No capítulo 4, os resultados desta análise foram mostrados através de fluxogramas específicos. Os fluxos foram descritos e comentados.
O capítulo 5 apresenta um levantamento de aspectos relacionados à logística do aproveitamento da urina humana como fertilizante nos campos agrícolas. Este inclui as seguintes etapas: coleta, armazenamento temporário, processamento, transporte, armazenamento externo e aplicação nos campos agrícolas.
No capitulo 6, os dados adotados foram discutidos para caracterizar cada fluxo. Além disso, foi realizada uma análise dos aspectos socioeconômicos e ambientais que indicam vantagens para o aproveitamento da urina humana como fertilizante nos campos agrícolas.
O último capítulo, sétimo, apresenta a conclusão e recomendações deste trabalho, bem como uma análise geral dos resultados e contribuições produzidas ao longo da dissertação e as perspectivas para trabalhos futuros.
2 – CONTEXTUALIZAÇÃO
2.1 – MUDANÇAS GLOBAIS
Embora o planeta Terra tenha sofrido muitos períodos de significantes mudanças ambientais, o ecossistema natural do planeta foi surpreendentemente estável durante os últimos 10.000 anos, período nomeado como Holoceno2.
Desde a Revolução Industrial, uma nova era tem surgido, a Antropoceno3, na qual ações humanas tem se tornado as principais causadoras das mudanças ambientais globais (ROCKSTROM et al., 2009).
O sistema natural da Terra sofre constantemente mudanças naturais, já que é dinâmico. O sistema natural tinha um processo auto-regulado que mantinha um funcionamento equilibrado.
Com o surgimento das primeiras civilizações, o meio ambiente tornou-se fundamental para seu desenvolvimento, fornecendo materiais, como energia, água, alimento e nutrientes.
Com o desenvolvimento econômico e conseqüente aumento do padrão de consumo da população, houve um significativo aumento do consumo de recursos naturais. Na Figura 01 é apresentada a evolução do aumento do consumo global de materiais nas últimas décadas.
As perturbações antropogênicas nos ecossistemas naturais, decorrentes das atividades humanas, aceleram as mudanças locais, regionais e globais. A taxa de consumo dos recursos naturais, materiais, e de geração de resíduos são maiores que a capacidade de auto-regulação dos sistemas naturais. O resultado dessa forma de gestão dos recursos é o acúmulo de materiais, resíduos, que provocam mudanças nos sistemas da Terra.
2
Holoceno é a época geológica pós-glacial dos últimos 10 a 12 mil anos, como consentido pelo Congresso Internacional de Geologia (International Geological Congress) em Bologna em 1885 (STEFFEN et al., 2007).
3
Antropoceno é a época geológica atual para enfatizar o papel central da humanidade na geologia e ecologia (STEFFEN et al., 2007).
Figura 01. Evolução do consumo global de materiais. Fonte: Giljum (2007) apud Tanimoto (2010).
“Os sistemas da Terra referem-se ao conjunto de interações físicas, químicas e biológicas em ciclos globais e fluxo de energia que fornecem o sistema de suporte para a vida na superfície do planeta. As mudanças globais significam mudanças socioeconômicas e biofísicas que estão alterando a estrutura e funcionamento dos sistemas da Terra, referindo-se as mudanças, nos ecossistemas costeiros, urbanização, ciclo do nitrogênio, população, entre outras. Essas mudanças são alterações antropogênicas que modificam a estrutura biológica da Terra, os estoques e fluxos dos principais elementos no mecanismo planetário, como o nitrogênio, carbono e fósforo, e o balanço energético na superfície da Terra” (STEFFEN et al., 2007).
Cada sistema natural da Terra tem uma importância fundamental para a sobrevivência dos seres humanos, já que a troca de materiais e energia ocorre continuamente. Em 2009, Rockstrom entre outros pesquisadores afirmaram que “as pressões antropogênicas sobre os sistemas da Terra atingiram um patamar tal que não permite excluir uma mudança ambiental global abrupta”.
Assim, os mesmos autores identificaram nove limites planetários e quantificaram sete, conforme Figura 02, os quais o homem não deveria ultrapassar para evitar uma catástrofe ambiental de escala planetária.
Os limites planetários definem os espaços operacionais seguros para a humanidade, em relação ao sistema global da Terra, e estão associados com os subsistemas ou processos biofísicos do planeta (ROCKSTROM et al., 2009)4.
Figura 02. Os noves limites planetários que não deveriam ser ultrapassados pelo homem para assegurar a sobrevivência humana no planeta Terra.
Fonte: Rockstrom et al., 2009a.
Os noves limites planetários, em ordem decrescente, em relação ao grau de excedência, são: perda de biodiversidade, ciclo do nitrogênio, mudanças climáticas, ciclo do fósforo, acidificação do oceano, mudança do sistema terrestre, uso global de água potável, depleção do ozônio estratosférico e dois que ainda não foram estimados, concentração de aerossol atmosférico e poluição química. Vale ressaltar que uma categoria foi dividida em duas, os ciclos do nitrogênio e fósforo.
Dentre estes limites, estimou-se que ao menos três já tenham ultrapassado seus limites seguros, que são: perda de biodiversidade, fluxo de nitrogênio reativo no ciclo biogeoquímico e as mudanças climáticas.
Para esses três, os limites estimados foram uma taxa anual de extinção (números de espécies por milhões de espécies por ano) da biodiversidade de 10, uma quantidade de N2 removido da atmosfera para uso humano de 35 Mt N/ano e
uma concentração de dióxido de carbono atmosférico (ppm por volume) de 350
4
(ROCKSTROM et al., 2009). Porém, os valores atuais são: uma taxa de extinção de espécies maior que 100, uma conversão antropogênica de 192 Mt N/ano de N2 para
Nr e uma concentração dióxido de carbono de 387 ppm, respectivamente.
O limite planetário apontado como o principal causador dos problemas ambientais da atualidade é as mudanças climáticas. No entanto, no trabalho de Rockstrom e outros (2009), o ciclo de nitrogênio é apresentado numa condição mais crítica do que as bem esclarecidas causadoras das mudanças globais, as mudanças climáticas, conforme Figura 02.
2.2 – CICLO DO NITROGÊNIO
Os reservatórios naturais da Terra contém cerca de 5 x 109 Mt N (MARCKENZIE, 1998; SCHLESINGER, 2003 apud GALLOWAY, 2003). A quantidade de nitrogênio contida em cada reservatório natural está demonstrada na Tabela 01.
Tabela 01. Quantidade de nitrogênio nos reservatórios globais.
Reservatórios Quantidade (Mt N/ ano) Porcentagem do total (%)
Atmosfera (N2) 3,95 x 10 9 79,5 Rochas sedimentares 1,0 x 109 20,1 Oceano N2 20 x 10 6 0,4 NO3 -0,5 x 106 0,0 Orgânicos do solo 0,2 x 106 0,0 Biota terrestre 10 x 103 0,0 Biota marinha 500 0,0
Fonte: Marckenzie, 1998; Schlesinger, 2003 apud Galloway, 2003.
Estimativas atuais da quantidade de nitrogênio contido nos reservatórios apontam que 78% do nitrogênio existente no sistema da Terra estão na atmosfera na forma inerte (N2) (ERISMAN, 2008; FIELDS, 2004). Essa forma de nitrogênio não
é aproveitável pela maioria dos organismos, o que torna necessário a conversão para Nr, forma biologicamente funcional, o qual inclui todos os compostos de nitrogênio ativos biologicamente, fotoquimicamente e radioativamente, para ser aproveitável (ERISMAN, 2008; UNEP e WHRC, 2007; GALLOWAY e COWLING, 2002).
Desta maneira, Nr inclui formas reduzidas do nitrogênio, como NH3 e NH4+,
formas oxidadas inorgânicas, como NOx, HNO3, N2O e NO3-, e compostos orgânicos,
como uréia e proteínas (GALLOWAY et al., 2003). Os processos de conversão do N2
para Nr podem ser naturais ou antropogênicos.
Antes do surgimento dos processos antropogênicos de conversão do N2, os
processos naturais que geravam Nr eram somente as descargas atmosféricas e a Fixação Biológica de Nitrogênio (FBN).
Através das descargas atmosféricas, os compostos de óxido de nitrogênio (NOx) são formados próximo aos relâmpagos, devido a elevada energia produzida, o
que permite a reação entre o N2 e O2 (SHEPON e GILDOR, 2008).
Na década de 80, diversas estimativas sobre a produção de Nr pelas descargas atmosféricas variaram em ordens de magnitude de 1,2 a 220 Mt N/ano, levando a incertezas a respeito do papel das descargas atmosféricas no sistema climático (LIAW et al., 1990 apud SHEPON e GILDOR, 2008). Descargas atmosféricas são uma das fontes de Nr com os maiores índices de incerteza, no entanto, estimativas mais recentes apontam que a geração de Nr varia entre 1 e 20 Mt N/ano (LABRADOR et al., 2005; PRATHER e EHHALT, 2001).
No balanço do ciclo do nitrogênio feito por Galloway e outros (2004), foi considerado um valor fixo de 5,4 Mt N para o ano 1860. Devido às incertezas de quantificação para esse processo de conversão, foi mantido o mesmo valor para o começo da década de 90 e para as estimativas para o ano 2050. Segundo a EFMA (2007), atualmente, as descargas atmosféricas representam aproximadamente 10% da fixação de nitrogênio pelos processos naturais.
A FBN é o processo que um número de espécies de bactérias específicas usa a enzima nitrogenase para converter o N2 atmosférico em amônia (NH3), a forma de
nitrogênio que pode ser incorporado dentro dos componentes orgânicos, como proteínas e ácidos nucléicos, da bactéria e plantas associadas (UNKOVICH et al., 2008). Alguns micróbios, geralmente bactérias, residem em uma relação simbiótica com certos legumes, incluindo soja, e algumas plantas da família leguminosas5 (UNEP e WHRC, 2007).
5
Em 1860, a FBN natural foi estimada ser 120 Mt N/ano, já para o começo da década de 90, as estimativas apontaram 107 Mt N/ano (GALLOWAY et al., 2004). Essa redução da FBN natural deve-se a mudança no uso do solo, sendo projetada, pelo mesmo autor, uma FBN natural de 98 Mt N/ano em 2050.
Um século atrás, o Nr gerado, pelos processos naturais citados acima, não se acumulava nos reservatórios ambientais porque as taxas de fixação de nitrogênio por microorganismos e de desnitrificação6, processo de conversão do Nr para N2,
eram aproximadamente iguais (AYRES et al., 1994 apud GALLOWAY et al., 2003). Um século atrás, a geração de Nr somente pelos processos naturais era uma limitação para suprir a demanda de alimento de uma população que crescia cada vez mais. Segundo Galloway e outros (2004), entre 1860 e 1995, a população mundial cresceu aproximadamente 4,5 vezes, de 1,3 para 5,8 bilhões de pessoas. A evolução do crescimento populacional mundial pode ser observada na Figura 03.
Figura 03. Evolução do crescimento populacional mundial, com projeções para o ano 2050. Fonte: UN, 2009.
6
A desnitrificação refere-se à redução dissimilatória dos íons de óxidos de nitrogênio, nitrito (NO2
-) e nitrato (NO3
-), para óxidos gasosos, óxido nítrico (NO) e óxido nitroso (N2O), que pode ser reduzida
Segundo PRB (2010), 6.892 milhões de pessoas constituem a população global atualmente e projeções apontam que em 2025 e 2050 a população global será 8.108 e 9.485 milhões de pessoas, respectivamente.
Dois acontecimentos que marcaram a evolução da geração de Nr pelos sistemas antropogênicos foram à descoberta do processo Haber-Bosch7, em 1908, e a Revolução Industrial.
Os dois principais sistemas antropogênicos que passaram a incorporar uma quantidade significante Nr nos sistemas naturais foram à produção de alimento, através do uso de fertilizante nitrogenado produzido no processo Haber-Bosch e da FBN pelos cultivos de leguminosas na agricultura, e a produção de energia, através da emissão de NOx na queima de combustíveis fósseis (Figura 04).
Figura 04. Histórico da geração de nitrogênio reativo pelos sistemas antropogênicos. Fonte: UNEP e WHRC, 2007.
7
O processo Haber-Bosch é o processo catalítico industrial, que sob alta temperatura e pressão, provoca a reação entre o nitrogênio (N2) e hidrogênio (H2) para produzir amônia.
Segundo Gruber e Galloway (2008), a contribuição de Nr pelos principais processos de conversão antropogênicos, no começo da década de 90, foram: 100 Mt N/ano através da produção industrial de fertilizantes nitrogenados, 35 Mt N/ano através da FBN pelos cultivos de leguminosas na agricultura e 25 Mt N/ano através da queima de combustíveis fosseis, que libera NOx para a atmosfera.
Na Tabela 02, Galloway e outros (2004) mostraram a perspectiva da evolução da geração e conseqüente incorporação de nitrogênio reativo, a partir da conversão do nitrogênio inerte, pelos processos naturais e antropogênicos, nos sistemas naturais.
Tabela 02. Evolução da geração de nitrogênio reativo pelos processos naturais e antropogênicos.
Fonte de Nr (Mt N/ano) 1860 Início da década de 90 2050 (projeção) Natural (Subtotal) 246 233 224 Descargas Elétricas 5,4 5,4 5,4 FBN terrestre 120 107 98 FBN marinho 121 121 121 Antropogênico (Subtotal) 15 156 267 Haber - Bosch 0 100 165 FBN - Agricultura 15 31,5 50
Queima de combustível fóssil 0,3 24,5 52,2
Total 262 389 492
Fonte: Galloway et al., 2004.
Para Galloway e outros (2004), em 2050, as principais atividades antropogênicas do ciclo do nitrogênio, processo Haber-Bosch, FBN na agricultura e queima de combustível fóssil, disponibilizarão mais nitrogênio reativo que os processos naturais, totalizando aproximadamente 267 Mt N/ano.
Na Figura 05 estão indicados os fluxos naturais, em azul, e antropogênicos, em laranja, de nitrogênio para a atmosfera, sistema terrestre e oceano. A quantidade nitrogênio indicada em cada fluxo aponta a ordem de grandeza que os fluxos antropogênicos representam no balanço global de nitrogênio, na década de 90 e conseqüentemente o potencial de poluição e mudanças dos sistemas naturais.
Figura 05. Balanço global de nitrogênio indicado pelos fluxos naturais e antropogênicos. Fonte: Gruber e Galloway, 2008.
A produção de alimento é a principal responsável pelo aumento da taxa de geração e incorporação de Nr para os sistemas naturais. Isso se deve a maior demanda por alimentos, devido ao crescimento populacional, aumento do consumo
per capita e mudança no padrão de vida.
Segundo estimativas de Smil (2002), em 2000, 40% da população mundial era alimentada a partir do nitrogênio produzido pelo processo Haber-Bosch. Uma estimativa mais recente, feita por Erisman e colaboradores (2008), aponta que, atualmente, cerca de 50% da população são alimentadas pelos fertilizantes nitrogenados.
O número de seres humanos sustentados por hectare de área cultivável tem crescido de 1,9 para 4,3 entre 1908 e 2008, o que foi possível principalmente por causa da aplicação do nitrogênio, produzido através do processo Haber-Bosch, na produção agrícola (ERISMAN et al., 2008).
Na Figura 06 estão indicados os fluxos de Nr na produção e consumo de alimento (GALLOWAY et al., 2003), em meados da década de 90. A entrada anual por fertilizante era de 85 Mt N e pela FBN na agricultura era aproximadamente 35 Mt N, o que totalizava uma entrada de nitrogênio reativo “novo”8 de 120 Mt N/ano. Esses valores foram estimados por Smil (2001).
Perdas para o solo, água e ar Áreas de Cultivos AFO Humanos 120 50 49 16 33
Agroecossistema
121 28 25 Entrada de Nr (Novo) (Existente) A partir de pescados e pastagem 4 5Figura 06. Fluxos de nitrogênio reativo, em Mt N/ano, na produção e consumo de alimento, em 1996. Fonte: Galloway et al., 2003.
8
Cerca de 50 Mt N/ano entravam nos sistemas na forma de nitrogênio existente, como resíduos de cultivos, deposição atmosférica e adubo animal. A entrada total de nitrogênio no sistema de produção e consumo de alimento era 170 Mt N/ano. Dessa quantidade, 121 Mt N/ano eram encaminhadas para o solo, água e ar.
Estimativas de Smil (2001), para meados da década de 90, apontaram detalhadamente os fluxos de nitrogênio no sistema de produção de alimento pós-colheita (Figura 07). Cerca de 60 Mt N/ano eram agregadas aos cultivos colhidos na agricultura global.
Figura 07. Fluxos de nitrogênio reativo, em Mt N/ano, pós-colheita, em 1996. Fonte: Smil, 2001.
Aproximadamente 49 Mt N/ano eram usadas na forma de proteína vegetal para alimentação de animais (33 Mt N/ano) e humanos (16 Mt N/ano). A alimentação animal era através da forragem (10 Mt N), cultivos alimentares (20 Mt N) e resíduos alimentares (3 Mt N).
Diversas perdas de nitrogênio podem ser observadas no sistema de produção de alimento até que seja disponibilizado nos alimentos para consumo humano. No entanto, a quantidade global de nitrogênio disponibilizada nos alimentos para a população mundial era 25 Mt N/ano, sendo 16 Mt N/ano (65%) através das proteínas vegetais e 9 Mt N/ano (35%) através das proteínas animais, incluindo proteínas de pescados e pastagem. Isso significava que, a média per capita de proteínas fornecidas para consumo era 73 g/dia, considerando a população de 5,75 bilhões de pessoas na época.
Com base no fluxograma, Figura 06, de Galloway (2003), ainda em meados da década de 90, na produção de proteína animal, nas operações de alimentação animal em confinamento, 28 Mt N/ano eram perdidas para os sistemas naturais e 5 Mt N/ano eram fornecidas para consumo humano, indicando uma eficiência de produção da proteína animal de aproximadamente 17% por proteína vegetal investida. Isso aponta a ineficiência da produção de proteína animal e, conseqüentemente, do consumo na alimentação humana.
Aproximadamente 15% (25 Mt N/ano) da entrada total de nitrogênio, 170 Mt N/ano, no sistema de produção e consumo de alimento era ingerido e excretado pelos humanos. Assim, pode-se perceber que aproximadamente 85% (149 Mt N/ano) do nitrogênio usado nos campos agrícolas era perdido para os sistemas naturais.
Devido à elevada taxa de geração de Nr nos sistemas antropogênicos, e conseqüente incorporação nos sistemas naturais, devido às ineficiências, os efeitos e mudanças que o Nr gerado pode causar nos sistemas naturais e antropogênicos são motivos de grandes preocupações em relação às mudanças globais. Esses efeitos e mudanças são conhecidos como a Cascata do Nitrogênio.
Na Figura 08, Galloway e outros (2003) ilustraram os fluxos de nitrogênio reativo entre os sistemas antropogênicos e naturais, indicando os possíveis efeitos e mudanças que podem ocorrer nos sistemas.
Atualmente, a incorporação e acúmulo de Nr no ecossistema natural, nos ciclos biogeoquímicos, atingiram todos os níveis, local, regional e global9. Segundo
9
Incorporação refere-se ao Nr adicionado aos fluxos naturais, enquanto que acúmulo refere-se ao tempo de residência do Nr nos sistemas naturais.
Schlesinger (2009), aproximadamente 9 Mt N/ano se acumulam na biosfera terrestre10 com tempos de residência de 10 a algumas centenas de anos.
A Cascata do Nitrogênio
¥ -- Indica potencial de desnitrificação
Atividades Antropogênicas População (alimento; Fibras) Produção de alimento Produção de energia Efeitos no ozônio Efeitos de visibilidade e material particulado Efeitos dos gases efeito estufa Ecossistemas aquático Ecossistemas terrestre ¥ Efeitos nas águas
superficiais
¥ Efeitos nas águas
subterrâneas ¥ Efeitos nas áreas costeiras Efeitos no oceano Efeitos estratosféricos Atmosfera ¥ ¥ Cultivo Efeitos do Agroecossitema Animal Solo Florestas e áreas de pastagem Solo NH3 N2O N2O NO3 NOX Norg NHX NOX
Figura 08. Ilustração da cascata do nitrogênio.11 Fonte: Galloway et al., 2003.
Os sistemas naturais e antropogênicos relacionados ao ciclo do nitrogênio têm forte relação com a perda de biodiversidade e as mudanças climáticas devido à incorporação e acúmulo de nitrogênio reativo nos sistemas naturais. A atmosfera e o oceano são os dois principais destinos finais do nitrogênio reativo, considerando o tempo de residência do nitrogênio nestes reservatórios ambientais.
Na atmosfera, emissões de gases nitrogenados ocorrem de diversas formas, como amônia (NH3) e óxido nitroso (N2O). No começo da década de 90, a emissão
atmosférica de amônia era 56,7 Mt N/ano, com projeções para 2050 de 116 Mt
10
Refere-se ao nitrogênio seqüestrado na biomassa terrestre, como florestas, até a colheita ou mortalidade natural.
11
Abreviações: NH3, amônia; NO3
-, nitrato; NOx, óxidos de nitrogênio; N2O, oxido nitroso; NHx,
N/ano (GALLOWAY et al., 2004). Porém, a deposição da amônia ocorre em horas ou dias, o que significa que não permanece muito tempo na atmosfera.
Recentes estimativas apontaram que as emissões de N2O por todas as
atividades antropogênicas são de aproximadamente 7 a 8 Mt N/ano, sendo 70% dessas emissões resultado da produção agrícola e pecuária (FAO, 2006). Segundo a Associação Européia dos Fabricantes de Fertilizante (EFMA) (2007), o Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC) estima, baseado em Bouwman (1995), que as emissões de N2O a partir do fertilizante mineral são 1,25%
do fertilizante nitrogenado aplicado.
O N2O é continuamente transferido entre a Troposfera e a Estratosfera,
provocando a depleção do ozônio estratosférico e, conseqüentemente, causando o aquecimento global. O tempo de residência troposférico do N2O é aproximadamente
100 anos e a taxa de acúmulo na troposfera está aumentando 0,25% ao ano (PRATHER e EHHALT, 2001). Vale ressaltar que o N2O é aproximadamente 300
vezes mais impactante que o gás carbônico (CO2).
Em relação ao oceano, basicamente, o nitrogênio é transportado pelos rios, que sofrem processo de eutrofização, assim como as águas subterrâneas, que são afetadas pelo acúmulo de nitrato, até zonas costeiras, onde sofre processos de desnitrificação ou são depositados no fundo do oceano.
Na década de 90, aproximadamente 90 Mt N/ano decorrentes das atividades humanas foram encaminhadas para os oceanos, das quais 40 Mt N/ano foram através da deposição atmosférica e 50 Mt N/ano foram através dos fluxos dos rios (GRUBER e GALLOWAY, 2008).
A partir da sedimentação do nitrogênio para o fundo do oceano, a quantidade global de nitrogênio enterrada era aproximadamente 15 Mt N/ano, no começo da década de 90 (GALLOWAY et al., 2004). As estimativas de Gruber e Galloway (2008) já apontam 25 Mt N/ano enterradas no fundo do oceano, conforme Figura 05.
A deposição atmosférica é reconhecida como a maior fonte de nitrogênio reativo causadora de degradação ambiental nas zonas costeiras e talvez no oceano. No fluxo de Nr dos rios para o oceano, a maioria do Nr é desnitrificada na zona costeira, retornando como N2 para a atmosfera (SCHLESINGER, 2009).
Diante de todos os aspectos citados acima, existe evidência que as perturbações antropogênicas no ciclo do nitrogênio estão afetando negativamente a saúde humana e dos sistemas naturais. Quatro intervenções no ciclo do nitrogênio foram apontadas por Galloway e outros (2008) como estratégias para reduzir a incorporação de Nr nos sistemas naturais (Figura 09).
1 4 3 2 1 4 3 2 COMBUSTÍVEL E BIOCOMBUSTÍVEL HABER-BOSCH FBN CULTIVOS ANIMAIS POPULAÇÃO 3
Nr perdido para os sistemas naturais
Nr transferido para o sistema de produção e consumo de alimento
Figura 09. Intervenções no ciclo do nitrogênio para reduzir a quantidade de Nr gerada ou a quantidade de Nr perdida para o meio ambiente.12
Fonte: Galloway et al., 2008.
As estratégias apontaram pontos de intervenção no ciclo do nitrogênio onde os fluxos de nitrogênio estão concentrados e devem ser facilmente atingidos. Dentre as
12
As caixas vermelhas representam subsistemas onde o Nr é gerado. O céu no plano de fundo representa o meio ambiente. Setas saindo das caixas vermelhas também resultam em Nr perdido para o meio ambiente (combustão do combustível fóssil e biocombustíveis) ou entrada para o sistema de produção de alimento (Caixa cinza). A caixa azul claro dentro da caixa cinza representa os subsistemas dentro do sistema de produção de alimento onde o Nr é usado. Nr pode também entrar nesses subsistemas (setas finas vermelhas), ou são perdidos para o meio ambiente (setas grossas vermelhas). Os números representam pontos de intervenções para gestão do nitrogênio. O gráfico mostra a magnitude do Nr controlado por quatro intervenções relativas a quantidade total de nitrogênio gerada (187 Tg N) em 2005.
INTERVENÇÕES
SEM INTERVENÇÕES
quatro intervenções apontadas, a quarta intervenção foi a desnitrificação do nitrogênio excretado e coletado no sistema de tratamento de esgoto através do processo de conversão do Nr para N2.
Os mesmos autores apontaram que, se somente metade de 3,2 bilhões de pessoas que viviam em áreas urbanas tinham acesso ao tratamento de esgoto doméstico, 5 Mt N/ano poderia ser convertido para N2.
Porém, esse processo demanda elevada quantidade de energia. Na concepção de sustentabilidade, essa não seria a alternativa mais sustentável de gerir o nitrogênio reativo.
2.3 – FERRAMENTAS DE APOIO À GESTÃO AMBIENTAL
Em tempos, nos quais a adaptabilidade e vulnerabilidade da humanidade devido às mudanças climáticas são aspectos bastante questionados, é correto pensar que a tomada de decisão para a construção do futuro deve ser diferenciada da praticada atualmente.
A necessidade de compreender a relação entre os sistemas antropogênicos e naturais de forma sistêmica, cíclica, sem geração de resíduos, é claramente apontada pela complexidade de estimar as reais conseqüências futuras das perturbações antropogênicas nos sistemas naturais.
A gestão dos recursos naturais e dos sistemas antropogênicos deve ser estudada de forma mais detalhada em relação à eficiência, evitando-se a geração de resíduos e norteando a sustentabilidade.
Algumas ferramentas de apoio à gestão ambiental, como Ecologia Industrial (EI) e Análise de Fluxo de Materiais (AFM), são indicadas para uma análise de sistemas complexos, a fim de identificar onde ocorrem os maiores impactos e onde estão os maiores potenciais de mudanças.
2.3.1 – Ecologia Industrial
A EI é uma ciência emergente que procura entender e conciliar, de acordo com princípios ambientais, os sistemas naturais e antropogênicos.
Não há uma definição que atenda a todos os aspectos pesquisados e praticados pela EI, porém a maioria das definições (EHRENFELD, 1997 apud TANIMOTO, 2010) enfatiza alguns aspectos:
• Visão sistêmica das interações entre sistemas ecológicos naturais e industriais;
• Estudo dos fluxos materiais e energéticos com suas transformações; • Abordagem interdisciplinar;
• Necessidade de transformação do processo linear para processo cíclico; • Transformação de sistemas industriais seguindo a lógica dos sistemas naturais;
• Estabelecimento de políticas orientadas para o desenvolvimento do sistema industrial.
A EI propõe uma visão sistêmica integrada, cíclica, do setor produtivo, e deste com o meio ambiente, como caminho para otimização do uso dos recursos naturais. A EI visa prevenir a poluição, reduzindo a demanda por matérias-primas, água e energia e a devolução de resíduos à natureza (MARINHO, 2001).
Segundo Bringezu (2003), entender o funcionamento das bases físicas da sociedade, as interligações das redes de cadeias de produtos e processos dentro da Antroposfera13 e as trocas de materiais e energia com o meio ambiente é um dos objetivos da EI.
Os fluxos de materiais e energia nas atividades antropogênicas, produção e consumo, os efeitos que os fluxos ineficientes provocam no meio ambiente e as influências dos fatores econômicos, políticos e sociais do fluxo, uso e transformação,
13
Antroposfera refere-se ao sistema da Terra onde estão inseridas todas as atividades antropogênicas, aqui nomeadas de sistemas antropogênicos.
de recursos são objetos de estudo da EI. Vale ressaltar que, a EI tem uma abordagem interdisciplinar para entender os fluxos nos sistemas.
A concepção da EI, na perspectiva de gestão de recursos, é a que mais se aproxima da perspectiva do sistema natural, pois considera os resíduos de um sistema como produto para outro. Na Figura 10, estão indicados os três tipos de sistema na visão da EI, em relação aos ciclos dos materiais.
Figura 10. Tipos de ciclos dos materiais.
Fonte: Graedel, 1994 apud Kiperstok et al., 2003.
No sistema Tipo I está caracterizado a abundância de recursos naturais, a existência de insumos ilimitados e a geração de resíduos sem nenhum tipo de preocupação. Já no sistema Tipo II, a visão é que os recursos são escassos e que existe a necessidade do uso mais eficiente dos recursos, no entanto, ainda acontece a geração de resíduos de forma moderada.
O sistema Tipo III, ideologicamente abordado na concepção da EI, aponta que os recursos naturais devem ser preservados e quando não, utilizados de forma eficiente, incluindo os produtos gerados no uso, que devem ser adaptados como insumos para outros sistemas.
A análise de um sistema, com a concepção da EI, pode ser feita em diferentes níveis, local, regional e global. Conforme apontadas na Figura 11, algumas ferramentas de análise da gestão ambiental são usadas para caracterizar e identificar elementos importantes de avaliação de um sistema definido, englobando aspectos socioeconômicos e ambientais em todos os níveis.
Figura 11. Princípios da Ecologia Industrial aplicados em diferentes níveis de análise. Fonte: Chertow, 2000; Lowe, 2001 apud Tanimoto, 2010.
Em nível local, a EI preocupa-se com processos unitários, facilidade de operações e firmar procedimentos e organização. A ligação entre sistemas pode ser examinada a partir da simbiose industrial, fluxos de materiais regionais e municipais, e setores industriais.
No nível regional e global, a análise é focada em grandes ciclos de nutrientes (carbono, nitrogênio, enxofre e fósforo), fluxos de recursos internacionais e nacionais (LIFSET, 1999). Na Figura 12, por exemplo, podem ser observados os fluxos internacionais de nitrogênio nos fertilizantes nitrogenados exportados entre as regiões.
Figura 12. Fluxos de nitrogênio, em Mt N/ano, no fertilizante nitrogenado comercializado internacionalmente, em 2004.
Fonte: UNEP e WHRC, 2007.
A partir de uma aplicação combinada das ferramentas da EI, a análise de um sistema definido pode ser obtida com um nível maior de detalhamento. As ferramentas podem ser usadas nas abordagens dos aspectos específicos no sistema local, assim como, e principalmente, na abordagem da inter-relação dos sistemas antropogênicos com aspectos regionais e globais, como no caso das mudanças globais, indicando caminhos mais sustentáveis de gestão dos recursos.
Segundo Bringezu (2003), o entendimento da qualidade e quantidade do metabolismo industrial, entrada e saída dos fluxos entre os sistemas, dependem da Análise de Fluxo de Materiais (AFM), desde a extração dos recursos até a disposição final de resíduos. Assim, as análises podem ser direcionadas em:
• Produtos e serviços com base no ciclo de vida. A Análise do Ciclo de Vida (ACV) fornecem critérios abrangentes e métodos que determinam parâmetros chaves para quantificar a crescente demanda de recursos.
• Empresas. O balanço físico, das entradas e saídas, é usado como parte de um relatório de desempenho ambiental e fornece informações substanciais para a gestão ambiental.
• Setores e negócios regionais. Abordagens ascendentes (bottom-up) e descendentes (top-down) são usadas para analisar os fluxos de materiais dentro do setor industrial.
• Comunidades, regiões e economias nacionais. O metabolismo nestes sistemas fornece uma base para decisões políticas, através de instrumentos de monitoramento com respeito ao fornecimento e uso dos recursos, de um lado, e emissões para o meio ambiente, de outro lado.
2.3.2 – Análise de Fluxo de Materiais (AFM)
Nesta seção do trabalho, será caracterizada a concepção da ferramenta AFM, a qual será usada com a função de auxiliar na identificação e quantificação dos fluxos de Nr na rota alimentar, nos sistemas de produção e consumo de alimento, e apontar os possíveis efeitos provocados aos sistemas naturais pelos sistemas antropogênicos que a compõem.
Segundo Brunner (2004), três perspectivas ilustram o papel da AFM na EI:
• Um melhor entendimento do metabolismo industrial requer uma descrição dos mais relevantes fluxos de materiais dentro da economia industrial, isso inclui a seleção de materiais aos níveis de produtos e substâncias. Um exemplo disto é a substância nitrogênio, que pode ser quantificada na carne, fertilizante, entre outros produtos. Os resultados de uma AFM revelam os mais importantes processos durante o ciclo de vida de um material, detecta relevantes estoques de material na economia e no meio ambiente, mostra as perdas e a disposição final, e rastreia rotas de reciclagem internas.
• No contexto de ciclos fechados, fornecimento de informações sobre a composição dos resíduos para torná-los insumos novamente e sobre as características dos processos tecnológicos envolvidos. O fato dos resíduos serem reciclados ou reusados não garante ser um resultado positivo.
• Abordagem da desmaterialização14
. Esta pode ser realizada pela criação de melhores funções ou serviços para os produtos.
A AFM é um conjunto de ferramentas baseado no princípio de balanço de materiais, que inclui vários caminhos analíticos e ferramentas de medição em diferentes níveis de detalhe e perfeição (OECD, 2008a).
Segundo O’Leary e Cunningham (2001), os balanços de fluxo de materiais são balanços em unidades físicas, usualmente em toneladas por unidade de tempo, da extração, importação, produção, exportação, consumo, reciclagem e disposição de materiais específicos, como água, combustíveis fósseis, minerais, produtos, entre outros, dentro de uma área definida, como um país ou região.
A AFM de um sistema é desenvolvida, primeiramente, pela definição dos produtos, processos, sistema limite e período de tempo. O termo material significa elementos químicos ou seus compostos, como nitrogênio e nitrato, fósforo e fosfato, enquanto que, materiais significam produtos com funções avaliadas pelo homem. As etapas de transporte, transformação, armazenamento, de materiais e produtos, são chamados de processos (BACCINI e BRUNNER, 1991 apud FORSTER et al., 2004).
A identificação do uso ineficiente de recursos naturais, energia e materiais em cadeias de processos ou na economia como um todo, que não é detectado na economia convencional ou em sistemas de monitoramento ambiental, pode ser feita com a AFM (OECD, 2008a).
Segundo Belevi (2002), a AFM estuda os fluxos de recursos usados e transformados, assim como a movimentação em uma região, processo ou combinação de processos.
A depender da análise, processo pode ser um sistema dentro de um sistema global, considerando que dentro de um processo existem vários outros processos. Conhecer qual a rota de um material ou substância dentro de um sistema, entre dois ou mais, ajuda a identificar as melhores oportunidades em cada sistema ou no sistema global como um todo.
14
Desmaterialização apresenta o processo de satisfação das funções da sociedade com uso decrescente de materiais ao longo do tempo (van der VOET et al., 2005).
A abordagem da AFM é caracterizada pela tentativa de identificar e minimizar as trocas indesejáveis de materiais e energia entre os sistemas naturais e sistemas antropogênicos.
Atualmente, entender os fluxos de materiais e energia nos sistemas é algo indispensável, pois, apenas usar recursos naturais e aplicar técnicas de tratamento de resíduos não é o bastante na busca pela sustentabilidade.
Isso porque, não há conhecimento suficiente para saber os reais impactos que poderão ser provocados no futuro pelas atuais soluções aplicadas, o que já pode ser percebido pelas mudanças globais. A redução no uso e consumo de recursos é apontada a partir de uma análise de todas as etapas de uma cadeia de sistemas, como alternativa de minimização da geração de resíduos.
Segundo a concepção de Ayres e Ayres (2002), existem dois tipos básicos de análises relacionadas ao fluxo de materiais, sendo o Tipo I executado a partir de uma perspectiva da engenharia e o Tipo II direcionado as relações socioeconômicas, conforme a Tabela 03.
Tabela 03. Tipos de análise relacionados aos fluxos de materiais.
Tipo de análise I
a b c
Objetivos de interesse principal
Problemas ambientais específicos relacionados a determinados impactos por unidade de fluxo de:
Substâncias:
Ex: Cd, Cl, Pb, Zn, Hg, N, P, C, CO2, CFC
Materiais:
Ex: produtos de madeira, plásticos, biomassa
Produtos: Ex: fralda, baterias, carros Dentro de uma determinada empresa, área ou região
II
a b c
Problemas de impactos ambientais relacionados às transferências: Empresas:
Ex: fábrica isolada,
indústrias de médio e grande porte
Áreas:
Ex: áreas de produção, indústria química, construção
Regiões: Ex: balanços de fluxos de massa Associado com substâncias, materiais, produtos
Fonte: Ayres e Ayres, 2002.
A Figura 13 mostra um modelo esquemático de gestão dos fluxos de materiais dentro do ciclo de vida comercial, o qual será utilizado na abordagem do sistema proposto neste trabalho.
ATMOSFERA, CORPOS D’ÁGUA E SOLO
EXTRAÇÃO DE
RECURSOS PROCESSAMENTO MANUFATURA USO
DISPOSIÇÃO FINAL
RECONDICIONAMENTO REUSO
RECICLAGEM
REDUÇÃO
Figura 13. Fluxos de materiais dentro do ciclo de vida comercial. Fonte: OECD, 2008a.
A AFM analisa do começo ao fim de uma cadeia de processos, incluindo extração ou colheita, transformação química, manufatura, consumo, reciclagem e disposição de materiais (AYRES e AYRES, 2002).
A Figura 14 mostra um modelo desenvolvido por Neset (2005) do sistema de produção e consumo de alimento para analisar o fluxo de nitrogênio e fósforo, entre o período de 1870 a 2000, na cidade de Linköping na Suécia.
PRODUÇÃO ANIMAL PRODUÇÃO VEGETAL PROCESSAMENTO RESIDENCIAL CONSUMO MANEJO DE RESÍDUOS PROCESSAMENTO INDUSTRIAL EMISSÕES EMISSÕES EMISSÕES RESÍDUOS RESÍDUOS ORGANICOS PRODUTOS RESÍDUOS ORGANICOS PRODUTOS LIXIVIAÇÃO RESÍDUOS ORGANICOS EXCRETA FORRAGEM RESÍDUOS ORGANICOS FIXAÇÃO E DEPOSIÇÃO FERTILIZANTES EMISSÕES FERTILIZANTE HUMANO RESÍDUOS ORGANICOS RESÍDUOS ORGANICOS ALIMENTO ALIMENTO EXCRETA LATRINA ATERRO
Figura 14. Modelo do sistema de produção e consumo de alimento para análise de fluxos de nitrogênio e fósforo.
Após todos os sistemas de produção e consumo de alimento, o saneamento é a etapa final do ciclo de vida. Assim, os fluxos de fósforo e nitrogênio do sistema saneamento devem retornar para as etapas iniciais para evitar a poluição do meio ambiente, na concepção da Ecologia Industrial.
2.4 – SISTEMA SANEAMENTO
Para reduzir os impactos ambientais do atual saneamento convencional, o esgoto doméstico tem sido usado principalmente para irrigação dos campos agrícolas. Atualmente, essa prática de troca de materiais, água, principalmente, e nutrientes entre os sistemas saneamento e agricultura, é apontada, numa visão global, como um caminho sustentável de gestão dos recursos naturais, somente pelo fato dos subprodutos do sistema saneamento ser um produto, insumo, para o sistema agricultura.
No entanto, a busca por práticas mais sustentáveis requer além do aproveitamento de um fluxo, a sua otimização. Quando pensado na sustentabilidade de cada sistema individualmente, o sistema convencional de saneamento não adota um modelo de gestão eficiente dos recursos, água, energia e nutrientes, para que o fato de usar o esgoto doméstico nos campos agrícolas seja apontado como um caminho sustentável.
2.4.1 – Saneamento Convencional
O sistema convencional de saneamento, que ainda adota uma tecnologia fim-de-tubo15, tem mostrado não ser a melhor solução para promover a saúde, preservar os recursos hídricos, conservar os recursos, materiais e energia, e gerir de forma
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A expressão fim-de-tubo é definida como uma prática de tratamento de substâncias poluentes no final do processo produtivo, quando todos os produtos e resíduos já foram produzidos e os resíduos são descartados através de tubos, chaminé ou outro ponto de lançamento (GLAVIC E LUKMAN, 2007.
eficiente os recursos do esgoto doméstico, de acordo com a concepção linear de recursos adotada no modelo atual de gestão do setor.
Embora esse sistema tenha obtido sucesso na eliminação de epidemias de doenças de veiculação hídrica, ele adota uma lógica de fim-de-tubo, que se caracteriza pelo fluxo linear dos recursos água e nutrientes, e que não tem condições de atender às demandas atuais do serviço (COHIM, 2006).
Uma avaliação, do ponto de vista, da gestão dos materiais, incluindo nutrientes, e da energia, tem mostrado a forma insustentável de gestão do saneamento convencional, em relação aos gastos energéticos, uso contínuo de novos recursos naturais e geração de resíduos (Figura 15).
Figura 15. Principios gerais do Saneamento Convencional. Fonte: UNESCO/IHP e GTZ, 2006.
Os fluxos de materiais e energia, nas diferentes etapas de prestação de serviço de saneamento, que podem ser otimizados com uma gestão eficiente, em relação aos nutrientes, do sistema saneamento, podem ser analisados na Figura 16.
Figura 16. Principios do fluxo linear de nutrientes da agricultura para o saneamento. Fonte: Berndtsson e Hyvönen (2002).
De acordo com análises feitas por Gijzen (1997) apud Cohim (2006), se aplicado os princípios de produção limpa, cujas intervenções têm alcançado grande sucesso na indústria, no setor saneamento, através da aplicação combinada dos conceitos de prevenção da poluição, reúso da água e ecologia industrial, pode-se entender a necessidade de mudanças, conforme simples comparações a seguir:
Princípio 1: Não utilizar mais material, energia ou outro recurso por unidade de
produto que o absolutamente necessário.
Prática atual: A depender da região, consome-se entre 100 e 350 litros per capita de água potável por dia, enquanto apenas cerca de dois litros são utilizados
realmente para beber.
Princípio 2: Não usar material de qualidade superior ao estritamente necessário
