GANHOS AMBIENTAIS E MUDANÇAS NO CICLO DO NITROGÊNIO A PARTIR DA SEPARAÇÃO DA URINA HUMANA DO SISTEMA DE SANEAMENTO

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I Congresso Baiano de Engenharia Sanitária e Ambiental - I COBESA

Salvador, Bahia – 11 a 16 de julho de 2010 1

GANHOS AMBIENTAIS E MUDANÇAS NO CICLO DO NITROGÊNIO A

PARTIR DA SEPARAÇÃO DA URINA HUMANA DO SISTEMA DE

SANEAMENTO

Francisco Ramon Alves do Nascimento(1)

Engenheiro Ambiental, FTC, 2007. Mestrando em Engenharia Industrial – Ênfase em Ecologia Industrial e Ecossaneamento, Universidade Federal da Bahia (UFBA), 2009. Pesquisador da Rede de Tecnologia Limpas e Minimização de Resíduos (TECLIM).

Asher Kiperstok 2

Engenheiro Civil – TECHNION – Israel Institute of Tecnology. MSc. E PhD em Engenheria Química.Tecnologias Ambientais – University of Manchester Institute of Science and Technology (UMIST, Inglaterra). Coordenador da Rede de Tecnologias Limpas e Minimização de Resíduos (TECLIM), Departamento de Engenharia Ambiental, Escola Politécnica, Universidade Federal da Bahia (EP/UFBA).

Tatiane Barduke3

Bióloga, UFBA, 2007. Mestranda em Engenharia Industrial, UFBA, 2010. Pesquisadora do Laboratório de Bioenergia e Catálise (LABEC) - Universidade Federal da Bahia (UFBA).

Endereço(1): Rua Aristides Novis, nº 02, 4º andar. Departamento de Engenharia Ambiental – DEA –

Federação – Salvador – Bahia – CEP: 40210-630 – Brasil - Tel: +55 (71) 3203-9452/32354436 - e-mail: engenheirofranciscoramon@hotmail.com.

RESUMO

A fim de tomar decisões corretas a respeito da gestão dos recursos hídricos e controle das emissões de gases do efeito estufa é relevante ter conhecimento e respeito pelos princípios naturais que governam os sistemas da Terra. Pesquisas apontaram nove (9) limites planetários , que o homem não deveria ultrapassar para evitar uma catástrofe ambiental de escala planetária. O ciclo do nitrogênio foi um dos limites já ultrapassado, limite o qual têm mostrado uma forte relação com as mudanças climáticas. As principais atividades antropogênicas que têm contribuído para o crescente aumento do nitrogênio reativo (Nr) disponível são a produção de energia e produção de alimento. Os agrossistemas utilizam 75% do nitrogênio industrial. As águas amarelas contêm nitrogênio equivalente a 30% do nitrogênio industrial. Portanto, o aproveitamento do nitrogênio das águas amarelas como fertilizante em áreas agrícolas é uma das propostas promissoras para manutenção do ciclo de nitrogênio no ecossistema, pois consome menos água para descarga, a qual gasta energia no bombeamento, tratamento e distribuição de água, evita gastos energéticos no tratamento de esgoto e produção de fertilizantes industriais, os quais demandam elevada quantidade de energia no processo produtivo.

PALAVRAS-CHAVE: Urina, ciclo do nitrogênio, ecossaneamento.

INTRODUÇÃO

A razão para a urgente necessidade de uma mudança de paradigma da visão antropogênica sobre a adaptação da natureza é derivado do entendimento a fundo da capacidade auto-regulatório dos sistemas da Terra. A fim de tomar decisões corretas a respeito da gestão dos recursos hídricos e controle das emissões de gases do efeito estufa é relevante ter conhecimento e respeito pelos princípios naturais que governam os sistemas da Terra.

Na recente publicação da revista Nature, A safe operating space for humanity, foram identificados e quantificados nove (9) limites planetários conforme Fig. (1) a seguir, os quais o homem não deveria ultrapassar para evitar uma catástrofe ambiental de escala planetária. Dentre estes limites, estimou-se que ao menos três já tenham ultrapassado seus limites seguros, que são: perda de biodiversidade, ciclo do nitrogênio e mudanças climáticas. Sendo o último, o limite planetário mais relacionado aos problemas ambientais da atualidade.

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Figura 1: Os noves limites planetários para assegurar a sobrevivência humana na Terra. (ROCKSTROM, 2009).

Contudo, estudos sobre o ciclo do nitrogênio têm mostrado uma forte relação deste com as mudanças climáticas, perda da biodiversidade e demais problemas ambientais, tais como a poluição dos corpos hídricos e a escassez de alimento e água, os quais são provocados pelas atividades humanas. O limite proposto para a quantidade de N2 removido da atmosfera para uso humano é de 35 milhões de toneladas por ano. No entanto,

atualmente cerca de 127 são removidas.

Segundo estimativas de Galloway (2004), as principais atividades antropogênicas do ciclo do nitrogênio, Haber-Bosch, fixação biológica do nitrogênio (Cultivo) e queima de combustível fóssil, disponibilizará mais nitrogênio reativo que os processos naturais em 2050, totalizando aproximadamente 267 Tg N/ano, sendo 165, 50 e 52,2 Tg N/ano respectivamente para as três atividades.

1.1. Ciclo do Nitrogênio

Estudos a respeito do ciclo do nitrogênio e da sua utilização têm crescido desde a segunda metade do século XIX. Atualmente já se sabe que ele é indispensável para o crescimento das plantas, é auto sintetizado por alguns organismos através da fixação biológica, e é muito utilizado como fertilizante para aumentar a produtividade agrícola (Galloway et al. 2004).

A conversão do nitrogênio atmosférico (N2) em nitrogênio reativo têm aumentado em níveis locais, regionais

e globais. São duas as principais atividades antropogênicas que têm contribuído para o crescente aumento do nitrogênio reativo (Nr) disponível: a primeira seria a produção de energia e a segunda grande causa seria o aumento da produção de alimentos.

Analisando essas rotas, percebe-se a cascata de impactos ambientais causados pelas atividades. Se por um lado as pesquisas caminham no sentido de desenvolver fontes alternativas de energia que tornem o mundo menos dependente dos combustíveis fósseis, o que numa primeira análise seria benéfico no sentido de reduzir as emissões de Nr, por outro lado é necessário considerar que os agrossistemas fazem uso de aproximadamente 75% do nitrogênio reativo (fertilizantes) gerado por atividades antropogênicas (Galloway et al. 2004), motivo que torna necessário um estudo detalhado do uso de outras fontes de nitrogênio.

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convencional, o qual atualmente não é tratado adequadamente e são encaminhados para os rios, estuários e ambientes marinhos.

1.2. Ecologia Industrial e Saneamento Sustentável

A necessidade de compreender o comportamento dos sistemas com o meio ambiente de forma sistêmica, cíclica, é claramente apontada pela complexidade de avaliar os impactos ambientais, visto que não se sabe ao certo onde ocorre o maior impacto e onde tem maior potencial de mudanças.

A Ecologia Industrial (EI) propõe uma visão sistêmica integrada do setor produtivo, e deste com o meio ambiente, como caminho para otimização 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.

Assim, o novo modelo de saneamento, Saneamento Sustentável, tem sido desenvolvido de forma semelhante ao ecossistema natural, norteando o fechamento de ciclo dos recursos, podendo ser visto como uma das diretrizes da EI, já que visa fechar o ciclo da água e nutrientes, através das excretas humanas, promovendo a segurança alimentar, preservação dos nutrientes e gestão das águas, que consequentemente reduz o consumo energético.

O Saneamento Sustentável é um sistema de fechamento de ciclo, com todos os fluxos das águas residuárias descentralizados encaminhados para o reuso das águas e reaproveitamento dos valiosos nutrientes e oligoelementos para preservar a fertilidade do solo e assegurar uma fonte de alimentos em longo prazo. Esse sistema fornece elementos para o gerenciamento dos fluxos de matérias/energia dos ciclos de água e nutriente para minimizar o consumo dos recursos, a degradação ambiental e reciclagem dos nutrientes antes perdidos. As águas amarelas que é a mistura de urina e água utilizada para a sua descarga, caracterizam-se como o fluxo do Saneamento Sustentável mais importante como fonte de nitrogênio. Estas águas estão sendo muito utilizadas como fertilizante na agricultura, pois, a urina contém a maior carga de macronutrientes (NPK) das correntes do esgoto e menor risco patogênico.

OBJETIVO DO TRABALHO

O objetivo deste trabalho é avaliar os ganhos ambientais e mudanças no ciclo do nitrogênio a partir da separação da urina humana do sistema de Saneamento.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

As principais atividades humanas dos sistemas que compõem o ciclo antropogênico do nitrogênio são a produção de energia, produção de fertilizante, produção de alimento, metabolismo humano e o saneamento, como mostra a Fig. 2 a seguir. Essas atividades têm disponibilizado o nitrogênio reativo (Nr) de diversas formas ao meio ambiente. A produção de energia libera NOx para a atmosfera através da queima de

combustíveis fosseis, carvão e óleo cru, pela reação de N2 e O2. Essa atividade não será foco de estudo nesse

trabalho, pois não têm relação direta com o saneamento.

Segundo Galloway (2004), entre 1860 e 1995 a população mundial cresceu aproximadamente 4,5vezes, de 1,3 para 5,8 bilhões. Atualmente esse valor aproxima-se de 7 milhões. O nitrogênio atualmente é um elemento essencial para sustentar a vida da população, através dos alimentos. O nitrogênio é a base para a produção de quase 50% dos alimentos consumidos pela humanidade. Devido ao rápido crescimento populacional e padrão de consumo excessivo, a demanda por alimento tem exigido dos agrossistemas uma produtividade muito rápida e elevada. Mas, no entanto, essa tarefa não é tão simples sem os insumos agrícolas industriais. Existe uma estimativa que o número de humanos sustentados por hectare de área cultivável tem crescido de 1,9 para 4,3 entre 1908 e 2008, isso foi principalmente possível por causa do nitrogênio HABER-BOSCH.

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Figura 2: Ciclo Antropogênico do Nitrogênio Proposto Fonte: NASCIMENTO (2009) adaptado de GALLOWAY (2003).

Analisando o ciclo atual com as técnicas fim-de-tubo, podemos apontar os fluxos do nitrogênio fertilizante desde a fixação biológica (cultivo) e industrial como sendo o berço até o saneamento como o túmulo. Atualmente, 100 Tg N de amônia foi produzido para produção de alimento e outras atividades industriais, sendo que 86% (aproximadamente 86 Tg N/ano) foi usado para produzir fertilizantes (Galloway, 2004). A produção de nitrogênio industrial pelo processo HABER-BOSCH, o qual converte N2 para amônia (uma das

formas de nitrogênio reativo), ocorre por altas temperaturas e pressões. Em média, consume aproximadamente 45 MJ ou 12,5 kWh por quilo de nitrogênio, utilizando gás natural (Maurer, 2003). Segundo estudos, aproximadamente 2,48% das emissões dos gases efeito estufa global é relacionado ao ciclo de vida dos fertilizantes. Dessa porcentagem, aproximadamente 1,42% é causado pelo uso de nitrogênio, sendo 1,21% a partir do oxido nitroso (N2O) dos solos e 0,21% CO2 da uréia aplicada. Estudos feitos apontam que até 2030

ocorrerá um aumento de 35-60% dessas emissões. Além disso, 0,07% das emissões são provocadas pelo transporte e distribuição dos fertilizantes.

Outro gasto energético a ser considerado como impacto ambiental é da remoção do nitrogênio do esgoto nas estações de tratamento, pelo tratamento de nitrificação e desnitrificação, o qual requer 42,2 MJ⁄KgN. Países europeus já adotam esse tipo de tratamento devido à poluição dos recursos hídricos e alto investimento no tratamento de água para abastecimento, o que não é o caso do Brasil e países em desenvolvimento.

As três principais rotas de saída do nitrogênio reativo da agricultura para o meio ambiente são em forma de alimento, pela lixiviação no solo e pelas emissões atmosféricas, essas que são um dos aspectos mais relevantes na agricultura em relação às mudanças climáticas. De acordo com as estimativas, menos que 20% do nitrogênio fertilizante aplicado é atualmente consumidos pelos humanos como alimento, enquanto que 80% é perdido para o meio ambiente.

O uso excessivo de fertilizantes nitrogenados para produção agrícola faz com que os agrossistemas liderem as emissões de nitrogênio reativo para o ecossistema, aproximadamente 70%. O impacto desse elemento no ecossistema é feita predominantemente de duas formas: através da lixiviação de nitrito e nitrato para corpos d’água ou da emissão de óxido nitroso (N2O) para a atmosfera. O N2O liberado dos solos de cultivo para a

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O nitrogênio é o quarto elemento mais abundante no corpo humano, e está presente em estruturas bioquímicas de fundamental importância a vida, a exemplo do DNA, RNA e proteínas. Algumas das funções desempenhadas por essas biomoléculas estão relacionadas ao sistema reprodutivo, sistema motor e a regulação bioquímica do corpo humano. A via de entrada do nitrogênio no metabolismo humano é a digestão dos alimentos, mais especificamente das proteínas. Os alimentos apresentam diferentes tipos de proteínas que por sua vez possuem diferentes valores nutricionais. No geral, alimentos de origem animal possuem maior qualidade e quantidade de proteínas. As proteínas não digeridas são eliminadas do corpo através das fezes. As biomoléculas nitrogenadas absorvidas pelo organismo são encaminhadas para diversas rotas metabólicas e após um determinado período são eliminadas do corpo através principalmente da urina. Cada pessoa excreta aproximadamente 11 gN⁄dia ou 4 KgN⁄ano, dependendo da dieta, peso, entre outros fatores. Esta quantidade de nutrientes é suficiente para produzir 250 quilos de cereais, os quais são, em média, a quantidade de alimento consumida por uma pessoa anualmente.

A urina é então encaminhada para o saneamento como águas amarelas. Uma parte relevante da água consumida por uma pessoa/dia é utilizada para descarga de suas excretas. Assumindo que cada pessoa usa o banheiro 5 vezes ao dia, sendo quatro para urina e uma para fezes, e que cada vez utiliza 10 litros de água, pode-se observar que é a descarga de urina consome 40% do consumo de 100 l/per capita/dia ou aproximadamente 27% do consumo de 150 l/per capita/dia. Em média, considera-se que 30% do consumo per capita de água são destinados a descarga da urina. Segundo projeções de pesquisas, o numero de pessoas com risco de escassez de água será entre 0,4 e 1,7 bilhões de pessoas até 2020. Então, como usar uma água, com valor nobre e gasto energético de seu tratamento associado, para descarga de excretas humanas.

CONCLUSÕES

No contexto da Ecologia Industrial, a disponibilidade de Nr no sistema de saneamento, vem sendo considerada uma fonte promissora de nitrogênio. Assim, as águas amarelas se destacam quando relacionadas à redução do consumo de água, potencial fertilizante e redução dos gastos energéticos. Assim, para efeitos globais, a gestão do ciclo antropogênico do nitrogênio seria melhor gerenciado com o uso do nitrogênio contido na urina na produção agrícola, significando uma redução de 30% da geração de nitrogênio industrial, reduzindo a geração de nitrogênio reativo e evitando o avanço do limite planetário do ciclo do nitrogênio, um dos ciclos mais importantes do ecossistema terrestre.

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.

Portanto, o aproveitamento do nitrogênio das águas amarelas como fertilizante em áreas agrícolas é uma das propostas promissoras para manutenção do ciclo de nitrogênio no ecossistema, pois consome menos água para descarga, a qual gasta energia no bombeamento, tratamento e distribuição de água, evita gastos energéticos no tratamento de esgoto e produção de fertilizantes industriais, os quais demandam elevada quantidade de energia no processo produtivo.

REFERÊNCIAS

1. GALLOWAY, J.N. ET AL. The Nitrogen Cascade. BioScience, Vol. 53 No. 4, pp. 341-356. 2003 2. GALLOWAY, J.N. ET AL. Nitrogen cycles: past, present, and future. Biogeochemistry 70, pp. 153–226,

2004.

3. MAURER, M., SCHWEGLER, P., AND LARSEN, T.A., Nutrients in urine: energetic aspects of removal and recovery. IWA, 2003.