mestrado em engenharia industrial francisco ramon alves do...
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SALVADOR
2011
MESTRADO EM ENGENHARIA INDUSTRIAL
FRANCISCO RAMON ALVES DO NASCIMENTO
MAEI
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
2
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.
CDD.: 628
"SANEAMENTO SUSTENTAVEL NA ATENUACAO DOS EFEITOS DA - . I A
,_, AL TERACAO DO CICLO GLOBAL DO NITROGENIO"
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:
"r
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).
LUCIANO MATOS QU EIRciZ--'--~-'-· ·-t--.v___,..~:_. a~u£!~~....;...::;._=---f-7---"""""''\------~----~ 09).
RICARDO FRANCI GON<;ALVES ~'-1--~-~ Doutorado em Engenharia" ·do Tratamento Aguas pelo lnstitut National des
• Scie'nces Appliquees Toulouse (1993).
L Salvador, BA- BR'ASIL
Mar¢o/2011
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.
6
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.”
William Bragg
8
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.
Keywords: Reactive nitrogen, human urine, sustainable sanitation, nitrogen cycle.
10
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 alimentar. .................................................................................................. 59
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 na cidade de Bonn, Alemanha. .............................................................. 104
12
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
WHRC Centro de Pesquisa Woods Hole
14
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
REFERÊNCIAS .............................................................................................. 114
16
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
17
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-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 Milhões de toneladas de nitrogênio por ano.
18
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
19
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;
20
• 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.
21
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).
22
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.
23
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 Relevância do artigo “A safe operating space for humanity” publicado na revista Nature em 2009.
24
(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 109 79,5 Rochas sedimentares 1,0 x 109 20,1 Oceano N2 20 x 106 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).
25
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 Feijão, lentilha, ervilha e alfafa.
26
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 para nitrogênio inerte (N2) (KNOWLES, 1982).
27
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.
28
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.
29
Figura 05. Balanço global de nitrogênio indicado pelos fluxos naturais e antropogênicos. Fonte: Gruber e Galloway, 2008.
30
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
AFOHumanos
120
50
49
16
33
Agroecossistema
121 28 25
Entrada de Nr
(Novo)
(Existente)
A partir de pescados e pastagem
4 5
Figura 06. Fluxos de nitrogênio reativo, em Mt N/ano, na produção e consumo de alimento, em 1996. Fonte: Galloway et al., 2003.
8 “Novo” refere-se ao nitrogênio que é convertido de N2 para Nr.
31
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).
32
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.
33
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 estratosféricosAtmosfera
¥ ¥
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, nitrogênio amoniacal; Norg, proteínas e aminoácidos.
34
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).
35
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
21
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
N2
36
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.
37
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.
38
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.
39
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.
40
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.
41
• 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.
42
• 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).
43
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.
44
ATMOSFERA, CORPOS D’ÁGUA E SOLO
EXTRAÇÃO DE RECURSOS PROCESSAMENTO MANUFATURA USO DISPOSIÇÃO
FINAL
RECONDICIONAMENTO REUSORECICLAGEM
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
EMISSÕESEMISSÕES
EMISSÕESRESÍDUOS
RESÍDUOS ORGANICOS
PRODUTOS
RESÍDUOS ORGANICOS
PRODUTOS
LIXIVIAÇÃO
RESÍDUOS ORGANICOS
EXCRETA
FORRAGEM
RESÍDUOS ORGANICOS
FIXAÇÃO E DEPOSIÇÃO
FERTILIZANTESEMISSÕES
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. Fonte: Neset (2005).
45
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
15 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.
46
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.
47
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
para o processo produtivo.
48
Prática atual: Usa-se água de alta qualidade para dar descarga em vasos
sanitários, limpar o piso, lavar o carro e molhar os jardins.
Princípio 3: Não misturar diferentes correntes de resíduos.
Prática atual: No interior do domicílio, vários fluxos são misturados. Misturam-
se urina e fezes formando as denominadas águas negras e águas de chuveiro, de
lavatórios, de lavagem de roupas formando as denominadas águas cinza. Sob a
denominação genérica de esgotos domésticos, é lançado na rede coletora e
misturado com efluentes industriais e, freqüentemente, com águas de chuva.
Princípio 4: Avaliar outras funções e usos econômicos de subprodutos antes de
considerar seu tratamento e disposição final.
Prática atual: o esgoto é descarregado em corpos d’água com ou sem
tratamento prévio.
2.4.2 – Saneamento Sustentável
Uma solução para mudar a forma de gestão do sistema de saneamento
convencional é adotar a concepção do Saneamento Sustentável, que visa fornecer
elementos para o gerenciamento dos fluxos de materiais/energia dos ciclos de água
e nutrientes, preservando os recursos hídricos, evitando o consumo dos recursos
naturais e minimizando a geração de impactos ambientais, como pode ser
observado na Figura 17.
A abordagem do Saneamento Sustentável é usada regularmente para fechar o
ciclo dos nutrientes entre o saneamento e agricultura, material orgânico e águas
residuárias do sistema de saneamento convencional (UNESCO/IHP e GTZ, 2006).
Algumas das características do Saneamento Sustentável (Adaptado de
SCHLICK e WERNER, 2001) são:
• Aproveitamento seguro dos nutrientes;
• Conservação de recursos (menor consumo de água, substituição de
fertilizantes, minimização da poluição dos recursos hídricos)
• Soluções econômicas apropriadas;
• Preservação da fertilidade do solo;
49
• Segurança alimentar;
• Abordagem interdisciplinar
Figura 17. Principios gerais do Saneamento Sustentável. Fonte: UNESCO/IHP e GTZ, 2006.
O objetivo principal de um sistema de saneamento é proteger e promover a
saúde humana, assegurando um ambiente saudável e neutralizando o ciclo de
disseminação de doenças. Para ser sustentável, um sistema de saneamento não
deve ser apenas economicamente viável, mas socialmente aceitável e apropriado do
ponto de vista tecnológico e institucional. Deve, adicionalmente, proteger o ambiente
e os recursos naturais. Quando se melhora um sistema existente ou se projeta um
novo sistema de saneamento, devem-se considerar os critérios de sustentabilidade
relacionados com os seguintes aspectos (SuSanA, 2008):
50
• Saúde e higiene: inclui o risco de exposição aos patógenos e substâncias
tóxicas que poderia afetar a saúde pública em todos os níveis do sistema de
saneamento: desde o sanitário, passando pela coleta e o sistema de tratamento até
o ponto de reúso ou disposição final.
• Meio ambiente e recursos naturais: este aspecto trata dos recursos
necessários (matérias-primas, energia, água, etc.) para a construção, operação e
manutenção do sistema, assim como as emissões potenciais ao meio ambiente,
resultantes do seu uso. Isto inclui adicionalmente o grau de reciclagem e reúso, e a
conservação de recursos não-renováveis, através da produção de energias
renováveis, como o biogás.
• Tecnologia e operação: compreende a funcionalidade e a facilidade com que
o sistema completo, incluindo as etapas de coleta, transporte, tratamento e reúso
e/ou disposição final podem ser construídos, operados e monitorados,
pela comunidade local ou uma equipe de técnicos da localidade.
• Aspectos econômicos e financeiros: este item refere-se à capacidade dos
moradores e comunidades de pagarem pelo saneamento, incluindo a construção,
operação, manutenção e re-investimentos ao bom funcionamento.
• Aspectos culturais e institucionais: os critérios nesta categoria avaliam a
aceitação sócio-cultural, a adequação do sistema à comunidade, a percepção da
sociedade ao sistema, questões de gênero e impactos com a dignidade humana, a
contribuição à economia de subsistência e segurança alimentar, e o cumprimento
dos aspectos legais e institucionais.
Diante desses aspectos, o modelo de gestão adotado no Saneamento
Sustentável é baseado na separação das correntes que compõem o esgoto
doméstico (Figura 18). Isso porque, cada corrente é avaliada de acordo com o tipo
de tratamento e destino final desejado, de forma a aproveitar o mais eficientemente
possível os recursos.
51
Figura 18. Tecnologias possiveis para o Saneamento Sustentável. Fonte: UNESCO/IHP e GTZ, 2006.
Em relação ao aproveitamento dos nutrientes, inúmeras pesquisas consideram
o uso do esgoto como fertilizante na agricultura uma alternativa sustentável de
gestão dos recursos do sistema saneamento. Dentre as correntes do esgoto, a urina
humana se destaca principalmente pelo volume reduzido a ser manuseado e pela
quantidade de nutrientes em sua composição, principalmente nitrogênio.
Em média, a maioria dos nutrientes, 85% do nitrogênio, 55% do fósforo e 55%
do potássio estão presentes na urina (OTTERPOHL, 2002; MUNCH e WINKER,
2009; UNESCO/IHP e GTZ, 2006), a qual representa apenas 1% do volume total de
esgoto doméstico (JÖNSSON et al., 2000 apud BERNDTSSON e HYVÖNEN, 2002).
Segundo Guzha e outros (2005) e Heinonen-tanski e Wijksijbesma (2005),
cada indivíduo é capaz de produzir fertilizante suficiente para a sua própria demanda
alimentar, produzindo 250 kg de cereais anualmente.
A produção da quantidade de cereais demandada por uma pessoa adulta por
ano, 250 kg, necessita de 7,5 kg de NPK. A quantidade de NPK excretada por uma
pessoa anualmente é 6,3 kg, sendo que 84% está contido na urina humana,
conforme Tabela 04.
52
Tabela 04. Quantidade necessária de NPK para produzir 250 kg de cereais e a quantidade contida na excreta humana.
Nutrientes Urina (500 l/ano)
Fezes (50 l/ano)
Total de nutrientes
nas excretas humanas
Nutriente necessário para
250 kg de cereais
Nitrogênio (N) 4,0 kg 0,5 kg 4,5 kg 5,6 kg Fósforo (P) 0,4 kg 0,2 kg 0,6 kg 0,7 kg Potássio (K) 0,9 kg 0,3 kg 1,2 kg 1,2 kg
Quantidade total de NPK 5,3 kg 1,0 kg 6,3 kg 7,5 kg
Fonte: Drangert, 1998.
Na Figura 19, pode ser analisada a perspectiva do Saneamento Sustentável
em busca da sustentabilidade do setor, através da redução do consumo de novos
recursos e do aproveitamento dos fluxos de materiais, as correntes do sistema de
saneamento.
Figura 19. Principios do fluxo cíclico de nutrientes entre a agricultura e o saneamento. Fonte: Berndtsson e Hyvönen (2002).
53
2.4.2.1 – Urina Humana
A urina humana é a principal saída de nitrogênio do metabolismo humano. Em
24 horas, são filtrados aproximadamente 180 litros de líquido pelo rim, para formar
de 1 a 2 litros de urina (SOUSA e ELIAS, 2006). A diurese mínima, capaz de manter
a adequada eliminação de resíduos do metabolismo, equivale a aproximadamente
720 a 960 ml/dia para os adultos (SOUZA e ELIAS, 2006).
Segundo Munch e Winker (2009), a Organização Mundial da Saúde (OMS)
assume que a quantidade de urina produzida por um adulto varia entre 0,8 a 1,5
l/pessoa.dia, dependendo principalmente da quantidade de líquido que uma pessoa
ingere líquido e da transpiração. Crianças produzem aproximadamente metade da
produção de urina de um adulto.
Um valor de projeto bastante usado, baseado em dados da Suécia, é 1.5
l/pessoa.dia ou 550 l/pessoa.ano. Segundo Raunch e outros (2003), a oscilação
diária do volume de urina excretada ocorre entre 1,0 e 2,5 L/pessoa (Figura 20).
Figura 20. Distribuição do volume diário de urina de um suíço adulto. Fonte: Raunch et al., 2003.
Segundo Nour e outros (2006), a quantidade de nutrientes excretados varia
devido à influência por características regionais e culturais de uma população. Na
54
questão qualitativa da urina, a quantidade e distribuição do nitrogênio excretado
diariamente, em suas diversas formas e para dois tipos de dieta, podem ser
observadas na Tabela 05.
Tabela 05. Variação da concentração de nitrogênio na urina humana em função da dieta. Dieta rica em nutrientes 24
horas Dieta pobre em nutrientes 24
horas Volume 1170 mL 385 mL N- total 16,8 g 3,6 g N – uréia 14,7 g 2,2 g N – NH4
+ 0,49 g 0,42 g N – ácido úrico 0,18 g 0,09 g N – creatina 0,58 g 0,6 g N – não determinado 0,85 g 0,29 g Fonte: Cantarow & Schepartz, sd apud Bueno et al., 2005.
Nos projetos de Saneamento Sustentável, freqüentemente, adota-se que uma
pessoa excreta, através da urina e fezes, aproximadamente 12,3 g N/dia, ou seja,
4,5 kg N/ano. Na Tabela 06 é apresentada a quantidade dos principais
macronutrientes excretada na urina humana, reportada por diversos pesquisadores.
Tabela 06. Quantidade de macronutrientes excretada anualmente por uma pessoa via urina humana. Autor Nitrogênio Fósforo Potássio
Kvarnstrom et al., 2006. 2,0 - 4,0¹ 0,2 - 0,37¹ -* Drangaert, 2005 apud Nour et al., 2006. 5,6 0,4 1,0
Jonsson, 1997 apud Winblad et al., 1999. 4,0 0,4 0,9
Munch e Winker, 2009. 4,0 0,36 1,0 ¹ Depende da dieta. * Valor de potássio não informado pelo autor.
Diante da significativa quantidade dos macronutrientes presentes na urina
humana, em relação às demais correntes do esgoto doméstico, a separação e
aproveitamento na agricultura é uma alternativa para buscar a sustentabilidade do
setor saneamento.
55
3 – MATERIAL E MÉTODOS
A partir de pesquisas sobre saneamento sustentável, principalmente o
aproveitamento da urina humana como fertilizante nitrogenado nos campos
agrícolas, na Universidade Federal da Bahia (UFBA), fomentou-se uma série de
questionamentos sobre a real representatividade da quantidade de nitrogênio que
poderia ser recuperada com a separação dessa corrente do sistema saneamento,
em relação à quantidade de nitrogênio que é produzida industrialmente.
A partir de um valor médio da quantidade de nitrogênio excretada por uma
pessoa anualmente, 4,5 kg N, adotado em diversos projetos de Saneamento
Sustentável, e uma população atual de aproximadamente sete bilhões de pessoas,
foi calculado a quantidade global de nitrogênio excretada, via urina e fezes
humanas, de aproximadamente 31 Mt N/ano. Esse valor representou
aproximadamente 25% da quantidade total de nitrogênio (127 Mt N/ano) produzida
industrialmente.
Diante da significância desse valor, inicialmente, foi realizada uma breve
revisão bibliográfica sobre o ciclo global do nitrogênio para conhecer a ordem de
grandeza de participação que o sistema saneamento representa no ciclo global do
nitrogênio. Nessa revisão, apresentada na seção 2.2, foi encontrado o trabalho de
Galloway e outros (2004), intitulado como “Ciclo do Nitrogênio: passado, presente e
futuro”, trabalho esse que é uma das mais importantes referências sobre a situação
do ciclo do nitrogênio no passado (1860) e presente (início da década de 90), com
projeções para 2050.
A partir desse trabalho, foi encontrado outro trabalho de Galloway e outros
(2003), intitulado como “A Cascata do Nitrogênio”, o qual apontou os possíveis
impactos da cascata do nitrogênio nos sistemas naturais, em relação ao Nr gerado
pelas atividades antropogênicas, conforme Figura 05, mostrada anteriormente.
Depois de uma análise da Figura 05, a identificação das principais atividades
humanas, aqui nomeadas como sistemas antropogênicos, foi apontada como a
primeira etapa para a caracterização da representatividade do sistema saneamento
no ciclo global do nitrogênio.
56
Uma ampla revisão bibliográfica foi feita para entender e caracterizar os
sistemas antropogênicos. Buscas foram feita em sites da Associação Internacional
de Produtores de Fertilizante (IFA), Iniciativa Internacional do Nitrogênio (INI),
Programa das Nações Unidas para o Meio Ambiente (UNEP), Associação Européia
dos Fabricantes de Fertilizantes (EFMA), Organização das Nações Unidas para
Agricultura e Alimentação (FAO), Organização para Cooperação e Desenvolvimento
Econômico (OECD), Agência de Referência da População (PRB), Cooperação
Técnica Alemã para o Desenvolvimento (GTZ), Aliança para o Saneamento
Sustentável (SuSanA) e Organização Mundial da Saúde (WHO). Além de periódicos,
livros técnicos, dissertações e teses, no âmbito nacional e internacional.
Em paralelo a revisão bibliográfica sobre o ciclo do nitrogênio, foi realizada uma
revisão bibliográfica sobre Ecologia Industrial, a fim de entender como essa
ferramenta de apoio à gestão ambiental poderia ajudar a melhorar a eficiência dos
sistemas antropogênicos que influenciam no ciclo do nitrogênio.
A partir da revisão bibliográfica sobre Ecologia Industrial, a ferramenta Análise
de Fluxo de Materiais (AFM) foi identificada como a mais indicada, dentre as
ferramentas da Ecologia Industrial, para auxiliar na identificação e quantificação dos
fluxos de materiais entre sistemas antropogênicos, a qual, posteriormente, seria
usada, neste trabalho, para apontar a representatividade do sistema saneamento no
ciclo global do nitrogênio.
Dentre os estudos de casos encontrados, um estudo com uma aplicação da
ferramenta AFM realizada por Belevi (2002), intitulado como “Análise de Fluxo de
Materiais como uma ferramenta de planejamento estratégico para a gestão regional
dos resíduos sólidos e águas residuárias”, visou responder a três questionamentos.
Qual o volume de nutrientes contido nos resíduos orgânicos da cidade de
Kumasi poderia suprir a demanda de nutrientes na região foi um desses
questionamentos. A partir desse estudo, realizou-se uma análise dos sistemas
antropogênicos que influenciam no fluxo de nitrogênio em uma região, de acordo
com modelo esquemático mostrado na Figura 21.
57
ATMOSFERA
ÁGUAS SUPERFICIAIS E SUBTERRÂNEAS SOLO
Agricultura Peri - urbana
Agricultura urbana
Transporte/ distribuição
Residências
Tratamento das excretas
Compostagem
Aterro Sanitário
Indústria
SerrariasCervejarias
Granjas
FERTILIZANTE
ALIMENTOFERTILIZANTE
PRODUTOS
MATÉRIA-PRIMA
ALIMENTO
ALIMENTO
LIMITE DO SISTEMA
EXC
RET
A
PRODUTOS
MADEIRA
MADEIRA
ALIMENTO
COMPOSTO
COMPOSTO
LIXI
VIA
DO
LIXI
VIA
DO
EXCRETA
EXC
RET
A
Figura 21. Sistema de análise dos fluxos de material orgânico na cidade de Kumasi, Gana. Fonte: Belevi, 2002.
Assim, a partir do modelo desenvolvido no trabalho de Belevi (2002), da
ilustração da Cascata de Nitrogênio (Galloway et al., 2003) e outros trabalhos
incluídos na revisão bibliográfica, foram identificados os principais sistemas
antropogênicos relacionados ao Fluxo Antropogênico de Nitrogênio (FAN)16. Os
sistemas são: a produção de energia, produção de fertilizante nitrogenado, produção
de alimento, metabolismo humano e o saneamento.
A metodologia deste trabalho foi baseada em três concepções, das quais, duas
são ferramentas de apoio a gestão ambiental e tomada de decisão, Análise de
Fluxos de Materiais (AFM) e Ecologia Industrial. A terceira concepção, o
Saneamento Sustentável, pode ser entendida como um modelo tecnológico de
gestão integral dos recursos naturais do sistema saneamento.
16 O FAN refere-se ao conjunto de fluxos de nitrogênio gerados ou dominados nos sistemas antropogênicos.
58
Para atender ao objetivo do trabalho, a quantificação do FAN foi principalmente
limitada à rota alimentar humana, já que tem relação com a quantidade de nitrogênio
ingerida e excretada na urina humana.
A rota alimentar humana foi destacada em todos os sistemas antropogênicos,
que têm interferência direta com a produção e consumo de alimentos, incluindo os
sistemas naturais que absorvem, acumulam e sofrem constantes perturbações do Nr
gerado. Assim, o sistema de produção de energia foi separado.
A quantificação do FAN na rota alimentar humana foi feita a partir da AFM, que
se baseia no conceito de balanço de massa. Devido aos valores dos fluxos não
serem do mesmo período, vale ressaltar que, os fluxos foram apontados para
mostrar a ordem de grandeza no sistema global da rota alimentar, não sendo
possível fechar os balanços dos sistemas específicos.
A integração entre os sistemas saneamento e agricultura, através do fluxo de
uma substância, neste caso o nitrogênio, visou apontar alternativas relacionadas
com a concepção da Ecologia Industrial, na qual um subproduto de um sistema pode
ser aproveitado como produto para outro.
Conceitos do Saneamento Sustentável foram usados para identificar as
melhores opções de fluxo de recurso, dentre todos os fluxos do esgoto doméstico, a
fim de apontar a urina humana como a alternativa mais eficiente como fertilizante
nitrogenado para os campos agrícolas.
Na Figura 22, os sistemas antropogênicos foram inseridos no compartimento
“Antroposfera”, separadamente, dos sistemas naturais da Biosfera17, no intuito de
mostrar o limite do sistema no qual o homem tem domínio, ou seja, o sistema que
pode ser gerido pelo homem.
17 A Biosfera compreende a atmosfera, os ecossistemas terrestres e os ecossistemas aquáticos.
59
Figura 22. Modelo do fluxograma dos fluxos de nitrogênio reativo para a rota alimentar. Nota: O compartimento vermelho representa a Antroposfera, sistema que inclui todos os sistemas antropogênicos. O compartimento cinza representa o sistema natural Atmosfera. O compartimento verde representa todos os sistemas naturais da Biosfera, incluindo os Ecossistemas Terrestres (em laranja) e Aquáticos (em azul). Os quadrados representam os sistemas antropogênicos. Os cilindros caracterizam os produtos transferidos entre os sistemas. A seta cinza aborda os principais sistemas antropogênicos na rota alimentar. A seta vermelha representa o fluxo eficiente de nitrogênio, o qual percorre os sistemas antropogênicos através dos produtos e que desempenham sua função, ou seja, não são resíduos. A seta preta representa o fluxo de nitrogênio que entra ou sai da atmosfera, através das emissões ou deposições atmosféricas. A seta verde compreende o fluxo de nitrogênio inerte (N2), através das conversões nos processos de fixação e desnitrificação, que entra ou sai dos sistemas. A seta laranja indica o fluxo de nitrogênio que entra ou sai do sistema terrestre natural, ou seja, fluxo que perpassa pelo solo. A seta azul representa o fluxo de nitrogênio que entra ou sai do sistema aquático natural, ou seja, fluxo que perpassa pelos recursos hídricos.
60
Cada sistema antropogênico específico, que participa do FAN na rota
alimentar, foi descrito, em ordem seqüencial, conforme mostrado a seguir:
• Sistema de Produção de Fertilizante Nitrogenado, que se inicia com a
produção de amônia, e a indústria manufatureira que produz e distribui os diversos
fertilizantes nitrogenados;
• Sistema de Produção de Alimento, ou Agronegócio Alimentar, formado pela
Agricultura Alimentar, como sistema de produção de proteína vegetal, Pecuária
Alimentar, como sistema de produção de proteína animal, a Aquacultura, como
sistema de produção de proteínas vegetais e animais de origem aquática, e a
Agroindústria18 Alimentar, caracterizada neste trabalho como o sistema de
processamento, distribuição e comercialização de alimentos;
• Metabolismo Humano, neste trabalho, é o sistema que engloba a gestão dos
alimentos nos domicílios ou estabelecimentos, o qual recebe os alimentos para
serem consumidos, metabolizados e excretados na urina e fezes. Além disso, este
sistema também engloba a geração de resíduos sólidos, que aponta para
ineficiências no processo de gestão dos alimentos dentro das residências;
• Sistema de Saneamento, sistema que recebe os fluxos de produtos
metabolizados e excretados, em urina e fezes, assim como os resíduos alimentares
gerados nas residências e estabelecimentos, fluxos esses que tem como destino
final as opções de tratamento e gestão de recursos do sistema saneamento, numa
abordagem das práticas atuais de gestão. Isso engloba, por exemplo, a opção de
saneamento de um indivíduo que excreta ao ar livre.
O sistema de produção industrial de fertilizante nitrogenado foi adotado como o
“berço” do FAN na rota alimentar e o sistema de Saneamento como o “túmulo”, isso
do ponto de vista das tecnologias fim-de-tubo do atual modelo de gestão do
nitrogênio na Antroposfera, quando pensado na terminologia ACV19. O fluxograma
proposto na Figura 22 refere-se aos fluxos de nitrogênio no sistema global do
planeta Terra como um todo. 18 O sistema Agroindústria refere-se ao sistema de transformação ou não dos produtos do agronegócio, incluindo a distribuição e comercialização dos alimentos processados ou in natura. 19 Análise do Ciclo de Vida (ACV) inclui o ciclo de vida completo do produto, processo ou atividade, englobando a extração e processamento de matérias-primas, fabricação, transporte, e distribuição, uso e reuso, manutenção, reciclagem, e disposição final (Shen, 1995 apud Kiperstok et al., 2002).
61
Nos capítulos posteriores, foram detalhados em fluxogramas específicos de
cada sistema antropogênico, os fluxos “eficientes”, em vermelho, em relação ao
papel do nitrogênio na alimentação humana, que são efetivamente transportados de
um sistema antropogênico para outro, a fim de apontar claramente a
representatividade da quantidade excretada na urina humana.
Os valores nas setas do fluxograma indicam a quantidade de nitrogênio, em
milhões de toneladas por ano, derivados de dados no período entre 1993 e 2010, os
quais são provenientes de organizações mundiais e estudos técnicos, presentes na
revisão bibliográfica. A largura das setas foi colocada de acordo com a quantidade
de nitrogênio, com exceção da seta cinza, representada pela rota alimentar,
conforme a Figura 23, mostrada no capítulo “Resultados”.
Dessa maneira, foi possível fazer uma caracterização de quanto nitrogênio
percorre entre os sistemas específicos. Vale ressaltar que as entradas e saídas de
cada sistema antropogênico nos fluxogramas específicos estão indicadas na mesma
posição do fluxograma geral, a fim de facilitar o entendimento da rota de nitrogênio.
Devido à dificuldade de dissociação de valores, falta de referências
bibliográficas e um entendimento claro dos valores encontrados nas referências,
alguns fluxos não foram quantificados, mas, foram indicados por setas pontilhadas e
descritos detalhadamente em cada capítulo do sistema específico correspondente.
As larguras das setas pontilhadas não expressam a quantidade de nitrogênio.
Nos fluxogramas, do sistema global da rota alimentar e dos sistemas
específicos, as cores das setas representam o papel e destino de cada fluxo. A
seguir está a descrição adotada de cada seta:
• Seta cinza: “Rota Alimentar”, aborda os principais sistemas antropogênicos na
produção e consumo de alimento;
• Seta vermelha: “N Eficiente”, fluxo eficiente de nitrogênio, o qual percorre os
sistemas antropogênicos através dos produtos e que desempenham sua
função, ou seja, não são resíduos;
• Seta preta: “N Reativo Atmosférico”, fluxo de nitrogênio que entra ou sai da
atmosfera, através das emissões ou deposições atmosféricas;
62
• Seta verde: “N Inerte (N2)”, fluxo de nitrogênio inerte através das conversões
nos processos de fixação e desnitrificação, que entra ou sai dos sistemas;
• Seta laranja: “N Reativo Terrestre”, fluxo de nitrogênio que entra ou sai do
ecossistema terrestre, ou seja, fluxo que perpassa pelo solo;
• Seta azul: “N Reativo Aquático”, fluxo de nitrogênio que entra ou sai do
ecossistema aquático, ou seja, fluxo que perpassa pelos recursos hídricos.
Algumas estimativas foram feitas para caracterizar a situação atual de alguns
fluxos. Portanto, quando mencionada à população mundial atual, o valor adotado foi
6.892 milhões de pessoas, de acordo com as estimativas do PRB (2010).
Depois de concluída a fase de caracterização do fluxograma geral proposto e
identificada à relevância da quantidade de nitrogênio que entra no sistema
saneamento e da quantidade global de nitrogênio excretada na urina humana,
realizou-se um levantamento dos aspectos sócio-econômicos e ambientais da
logística do aproveitamento da urina humana como fertilizante nos campos
agrícolas.
63
4 – RESULTADOS
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).
64
A produção de energia libera para a atmosfera aproximadamente 25 Mt N/ano
(GALLOWAY et al., 2008), no entanto, não tem relação direta com a rota alimentar.
Uma análise mais detalhada do ciclo do nitrogênio pode indicar, talvez, a quantidade
de nitrogênio que entra nos campos agrícolas, na forma de deposição atmosférica,
que foi originada pela produção de energia.
A seguir, os fluxos de nitrogênio na rota alimentar serão quantificados em cada
sistema específico, a fim de apontar claramente a representatividade da quantidade
de nitrogênio excretada na urina humana.
4.1 – PRODUÇÃO DE FERTILIZANTE NITROGENADO
4.1.1 – Produção de Amônia
Os fluxos de nitrogênio no sistema de produção de amônia, em 2007, estão
representados na Figura 24.
Figura 24. Fluxos de nitrogênio reativo na produção mundial de amônia por tipo de combustível, em Mt N/ano.
65
4.1.1.1 – Entradas de nitrogênio
A entrada total de nitrogênio no sistema de produção de amônia (EPA) é
quantificada a partir da quantidade total de nitrogênio na saída do sistema de
produção de amônia (SPA). Assim, EPA e SPA são iguais.
4.1.1.2 – Saídas de nitrogênio
A saída total de nitrogênio no sistema de produção de amônia (SPA) é
representada pela equação 1.
SPA = Apro + Eata + Eefa (1)
onde, em Mt N/ano:
SPA saída total de nitrogênio no sistema de produção de amônia; Apro quantidade total de nitrogênio contida na amônia total produzida; Eata emissão atmosférica de nitrogênio no processo produtivo da amônia; Eefa emissão via efluente industrial no processo produtivo da amônia.
Segundo IFA (2009a), em 2007, foram produzidas 154,3 milhões de toneladas
(Mt) de amônia através do processo Haber-Bosch, o que representa uma quantidade
total de nitrogênio contida na amônia total produzida (Apro) de 127 Mt N/ano. Esta
quantidade de nitrogênio é encaminhada para a Indústria Manufatureira de Produtos
Nitrogenados, conforme Figura 24.
Desta quantidade total de amônia produzida, 67% (103,4 Mt) foi produzida a
partir do hidrogênio (H2) proveniente do gás natural e 23% (50,9 Mt) foi produzida a
partir do hidrogênio proveniente do carvão, óleo combustível, nafta ou outros
combustíveis. Segundo a FAO (2006), em 1995, a indústria de amônia representava
aproximadamente 5% do consumo mundial de gás natural.
66
Aproximadamente 85 Mt N/ano eram agregadas a quantidade de amônia
produzida a partir do gás natural e 41,9 Mt N/ano eram agregadas a quantidade de
amônia produzida a partir dos demais combustíveis.
O processo produtivo de amônia consome elevada quantidade de energia, em
média, 36,6 GJ por tonelada de amônia (IFA, 2009a). Segundo IFA (2009b), a
produção de amônia mundial tem um valor energético agregado de 1,5% do
fornecimento comercial mundial de energia primária. A Tabela 07 mostra o consumo
de energia e emissão de CO2 na produção de amônia por tipo de combustível usado.
Tabela 07. Consumo energético e emissão de CO2 na produção de amônia, baseada em diferentes combustíveis e melhor tecnologia disponível.
Fonte de energia Processo Energia GJ/t amônia
Emissão de CO2 t/t de amônia
Gás natural Reforma a vapor 28 1,6 Nafta Reforma a vapor 35 2,5 Óleo combustível pesado Oxidação parcial 38 3,0 Carvão Oxidação parcial 42 3,8
Fonte: IFA, 2009b
As emissões médias de CO2 equivalente na produção de amônia por gás
natural atualmente são 2,1 toneladas de CO2/t de amônia produzida e nos demais
combustíveis são 4,1 toneladas de CO2/t de amônia produzida (IFA, 2009a). A
produção de amônia baseada em carvão produz 2,4 vezes mais CO2/t de amônia
que a produção baseada em gás natural (IFA, 2009b).
Os produtos finais nitrogenados têm como principal matéria-prima à amônia, no
entanto, alguns produtos são provenientes do ácido nítrico, classificado como
produto intermediário. Segundo a IFA (2009a), a produção mundial anual de ácido
nítrico é de 59 Mt de produto, as quais contém 13,1 Mt N.
Em média, 6 a 8 kg de óxido nitroso (N2O) são emitidos para cada tonelada
produzida de ácido nítrico (IFA, 2009a), o que totaliza uma emissão de 78,6 mil
toneladas de óxido nitroso anualmente. Isso considerando uma emissão de 6 kg de
N2O/t de ácido nítrico produzido e a produção mundial de ácido nítrico.
Não foram encontrados dados sobre as perdas via efluente industrial (Eefa) e
das perdas por emissão atmosférica (Eata) do sistema de produção da amônia,
67
porém a existência desses fluxos foi indicada no fluxograma específico deste
sistema.
4.1.2 – Indústria Manufatureira de Produtos Nitrogenados
Os produtos nitrogenados produzidos na Indústria Manufatureira são
destinados ao uso industrial, como nas indústrias alimentícias, de cosméticos,
farmacêuticas, de materiais de limpeza, entre outras, e como fertilizantes
nitrogenados nos campos agrícolas.
Os fluxos de nitrogênio no sistema da Indústria Manufatureira de Produtos
Nitrogenados estão representados na Figura 25.
Figura 25. Fluxos de nitrogênio reativo destinados ao uso industrial e como fertilizante, em Mt N/ano. Fonte: IFA, 2009a.
68
4.1.2.1 – Entradas de nitrogênio
A entrada total de nitrogênio no sistema da Indústria Manufatureira de Produtos
Nitrogenados (EIM) é a quantidade total de nitrogênio agregada à amônia produzida
(Apro), 127 Mt N/ano.
4.1.2.2 – Saídas de nitrogênio
A saída total de nitrogênio do sistema Indústria Manufatureira de Produtos
Nitrogenados (SIM) é representada pela equação 2. As perdas não foram indicadas
no fluxograma, mas devem ser consideradas.
SIM = Sind + Sfer (2)
onde, em Mt N/ano:
SIM saída total de nitrogênio do sistema Indústria Manufatureira de Produtos Nitrogenados;
Sind saída total de nitrogênio para uso industrial; Sfer
saída total de nitrogênio para uso agrícola.
A SIM é a soma da quantidade total de nitrogênio agregado aos produtos
nitrogenados produzidos, uréia (U), amônia (A), nitrato amônio (NA), nitrato de
amônio do cálcio (NAC), nitrogênio amoniacal (Nam), sulfato de amônio (SA),
nitrogênio nitrato (Nni), fosfato monoamônico (MAP) e fosfato diamônico (DAP),
conforme a Figura 25.
A saída total de nitrogênio para uso industrial (Sind) é de 22,0 Mt N/ano,
representada pela equação 3.
Sind = A + NAind + Uind (3)
69
onde, em Mt N/ano:
Sind saída total de nitrogênio para uso industrial; A quantidade de nitrogênio na amônia total produzida; NAind quantidade de nitrogênio no nitrato amônio para uso industrial; Uind quantidade de nitrogênio na uréia para uso industrial.
A amônia (A) representa 50% (11 Mt N) do nitrogênio destinado anualmente ao
uso industrial, a uréia (Uind) representa 30% (7 Mt N) e o nitrato de amônio (NAind)
representa 20% (4 Mt N). Estes produtos nitrogenados participam em 17% do total
de nitrogênio produzido industrialmente (IFA, 2009a).
Pensando na quantidade de nitrogênio encaminhada para a rota alimentar, a
saída total de nitrogênio para uso agrícola (Sfer), como fertilizantes nitrogenados,
representada pela equação 4, é a soma da quantidade de nitrogênio nos produtos
nitrogenados usados nos agronegócios. A quantidade corresponde a 83% (105 Mt
N) dos produtos nitrogenados comercializados (IFA, 2009a).
Sfer = Ufer + NAfer + NAC + Nam + SA + Nni + MAP + DAP (4)
onde, em Mt N/ano:
Sfer saída total de nitrogênio para uso agrícola; Ufer quantidade de nitrogênio na uréia para uso agrícola; NAfer quantidade de nitrogênio no nitrato amônio para uso agrícola; NAC quantidade de nitrogênio no nitrato de amônio do cálcio total
produzido; Nam quantidade de nitrogênio no nitrogênio amoniacal total produzido; SA quantidade de nitrogênio no sulfato de amônio total produzido; Nni quantidade de nitrogênio no nitrogênio nitrato total produzido; MAP quantidade de nitrogênio no fosfato monoamônico total produzido; DAP quantidade de nitrogênio no fosfato diamônico total produzido.
Os fertilizantes nitrogenados mais utilizados são: uréia (59,3 Mt N/ano),
nitrogênio amoniacal (16 Mt N/ano) e o nitrato de amônio (10,6 Mt N/ano). Estes três
fertilizantes nitrogenados totalizam aproximadamente 82% (85,9 Mt N) do nitrogênio
total usado como fertilizante nitrogenado.
70
4.2 – PRODUÇÃO DE ALIMENTO OU AGRONEGÓCIO ALIMENTAR
Os fertilizantes nitrogenados produzidos podem ter dois destinos, o
agronegócio alimentar e o não alimentar. O agronegócio é toda relação comercial e
industrial envolvendo a cadeia produtiva da agricultura e pecuária, incluindo a
agroindústria e a aquacultura.
O agronegócio alimentar foi aqui denominado como sistema de produção de
alimento. Este é constituído pela Agricultura Alimentar (que produz proteína vegetal
para alimentação dos humanos e animais, os quais se tornam alimento humano
também), pela Pecuária Alimentar (que produz proteína animal para alimentação dos
humanos), pela Aquacultura (que produz proteína vegetal e animal de origem
aquática para alimentação de humanos) e pela Agroindústria Alimentar (que são as
indústrias alimentícias que processam ou beneficiam os produtos in-natura em
produtos para consumo, incluindo a comercialização).
O agronegócio não alimentar inclui culturas como eucalipto e flores, as culturas
da soja e cana-de-açúcar na produção de biocombustíveis e a pecuária não
alimentar, principalmente a Eqüinocultura, sistema de criação de cavalos, que não
produz proteína animal para consumo humano.
De acordo com as estimativas de Smil (2001), em meados da década de 90,
aproximadamente 95% do nitrogênio fertilizante total produzido industrialmente era
usado na produção de alimento e cultivos alimentares. Assim, a entrada total de
nitrogênio através dos fertilizantes nitrogenados no sistema Agronegócio Alimentar
(Fer) é representada pela equação 5.
Fer = 0,95 x Sfer (5)
onde, em Mt N/ano:
Fer entrada total de nitrogênio através dos fertilizantes nitrogenados no sistema Agronegócio Alimentar;
Sfer saída total de nitrogênio para uso agrícola.
71
Portanto, foi assumido neste trabalho que, 100 Mt N/ano, aproximadamente
95% da quantidade de nitrogênio nos fertilizantes nitrogenados encaminhada aos
agronegócios, 105 Mt N/ano, são utilizadas para a produção de proteína animal e
vegetal, formas de nitrogênio contidas nos alimentos e que são produtos finais para
o consumo humano.
Conseqüentemente, cerca de 5 Mt N/ano são usadas no agronegócio não
alimentar, as quais não são aproveitadas no metabolismo humano, ou seja, os
cultivos produzidos não interferem na quantidade de nitrogênio excretada na urina
ou fezes humanas. Segundo Maene e Heffer (2008), em 2007/2008, 2,1% das
aplicações mundiais de fertilizantes nitrogenados eram destinadas aos cultivos de
biocombustíveis. Este valor foi considerado incluso nas 5 Mt N/ano usadas no
agronegócio não alimentar.
Os fluxos de nitrogênio no sistema Agronegócio Alimentar estão representados
na Figura 26. Somente os fertilizantes nitrogenados não são capazes de produzir
alimento para alimentar a população mundial. Atualmente, 50% da população
mundial é alimentada pelos fertilizantes nitrogenados (ERISMAN et al., 2008).
Assim, outras fontes de nitrogênio são contabilizadas como entrada de
nitrogênio no Agronegócio Alimentar, como FBN na agricultura (FBNag), deposição
atmosférica (Dat), sedimentação (Sd), alimentação na pastagem (Pas) e forragem (For)
proveniente do Agronegócio não Alimentar. A entrada total de nitrogênio no sistema
Agronegócio Alimentar (Eaga) foi estimada ser 250 Mt N/ano, representada pela
equação 6.
Eaga = Fer + FBNag + Dat + Sd + Pas + For (6)
onde, em Mt N/ano: Eaga entrada total de nitrogênio no sistema Agronegócio Alimentar; Fer entrada total de nitrogênio através dos fertilizantes nitrogenados no
sistema Agronegócio Alimentar; FBNag entrada total de nitrogênio via fixação biológica de nitrogênio na
agricultura; Dat entrada total de nitrogênio via deposição atmosférica; Sd entrada total de nitrogênio via sedimentação; Pas entrada total de nitrogênio via alimentação na pastagem; For entrada total de nitrogênio via forragem.
72
Figura 26. Fluxos de nitrogênio reativo no sistema Agronegócio Alimentar, em Mt N/ano.
73
Cerca de 40 Mt N/ano são fixadas através da FBN na agricultura (GALLOWAY
et al., 2008). A deposição atmosférica fornece 14 Mt N/ano (LIU et al., 2008). O
ecossistema Terrestre fornece 86 Mt N/ano, sendo 3 Mt N/ano através da
sedimentação (LIU et al., 2008) e 83 Mt N/ano através da alimentação na pastagem
(VAN DER HOEK, 1998). Segundo Smil (2002), 10 Mt N/ano são destinadas a
alimentação animal através de forragem.
Em relação à quantidade de nitrogênio fixado pela FBN na agricultura,
sedimentação e deposição atmosférica, uma parte certamente deve ser
encaminhada para o Agronegócio não alimentar, como a FBN da soja colhida para
produção de biocombustíveis.
Para um melhor entendimento do fluxograma do Agronegócio Alimentar, a
seguir foi feita a descrição das entradas e saídas de nitrogênio para os sistemas
Agricultura Alimentar, Pecuária Alimentar, Aquacultura e a Agroindústria Alimentar.
4.2.1 – Agricultura Alimentar
4.2.1.1 – Entradas de nitrogênio
A entrada total de nitrogênio na produção de alimento atualmente é estimada
ser 185 Mt/ano. Destas, 140 Mt são nitrogênio reativo novo, 100 Mt através dos
fertilizantes nitrogenados e 40 Mt através da FBN na agricultura. As outras 45 Mt
N/ano são provenientes de fontes já existentes para os campos agrícolas.
Na Tabela 08 são mostradas, detalhadamente, todas as entradas de nitrogênio
no sistema Agricultura Alimentar. O valor da entrada de nitrogênio através das
excretas humanas não foi encontrado, no entanto, foi indicada sua existência.
74
Tabela 08. Entradas de nitrogênio reativo no sistema Agricultura Alimentar. FLUXOS Mt N/ano Fonte dos dados Observações
Fertilizantes Nitrogenados 100 (IFA, 2009a) Ano de referência 2007. Fixação N2 40 (GALLOWAY et al., 2008) Ano de referência 2005. Excretas Animais 17 (LIU et al., 2010) Ano de referência 2000. Deposição Atmosférica 14 (LIU et al., 2010) Ano de referência 2000. Reciclagem de resíduos culturais 11 (LIU et al., 2010) Ano de referência 2000.
Sedimentação 3 (LIU et al., 2010) Ano de referência 2000. Reciclagem das excretas humanas * - -
TOTAL 185 * Dado não encontrado.
4.2.1.2 – Saídas de nitrogênio
Na Tabela 09 são mostradas, detalhadamente, todas as saídas de nitrogênio
(149 Mt N/ano) do sistema Agricultura Alimentar.
Tabela 09. Saídas de nitrogênio reativo do sistema Agricultura Alimentar. FLUXOS Mt N/ano Fonte dos dados Observações
Perdas totais para o Ecossistema Terrestre 76
− Resíduos culturais 29 (LIU et al., 2010) Ano de referência 2000. − Lixiviação 23 (LIU et al., 2010) Ano de referência 2000. − Erosão 24 (LIU et al., 2010) Ano de referência 2000. Cultivos e resíduos para alimentação animal 23
− Cultivos alimentares 20 (SMIL, 2001) Ano de referência 1996. − Resíduos culturais 3 (SMIL, 2001) Ano de referência 1996. Emissão atmosférica 20 (LIU et al., 2010) Ano de referência 2000. Alimento humano 19 (FAO, 2010) Ano de referência 2007. Reciclagem das excretas humanas 11 (LIU et al., 2010) Ano de referência 2000.
Desnitrificação * - - TOTAL 149 * Dado não encontrado.
Para a agricultura, em escala global, estimativas das porcentagens de perdas
de nitrogênio e o que foi realmente colhido nos cultivos a partir de todas as entradas
de nitrogênio, para o ano de 2000, são mostradas na Figura 27.
A quantidade de nitrogênio contida nos cultivos colhidos foi de 51,65 Mt N/ano,
o que representa 35% da entrada total de nitrogênio (136,6 Mt N/ano) neste sistema.
Esta quantidade foi estimada por Liu e outros (2010). Este valor da quantidade de
75
nitrogênio contida nos cultivos colhidos foi abaixo do valor estimado (60 Mt N/ano)
por Smil (2002), para o começo da década de 90.
Diversas perdas ocorrem, desde a colheita até o consumo humano. As perdas
de nitrogênio para o ecossistema terrestre totalizaram 76 Mt N/ano. Destas, os
resíduos culturais representam 20% (29 Mt N/ano), a lixiviação representa 16% (23
Mt N) e a erosão representa 15% (24 Mt N/ano). Além dessas perdas para o
Ecossistema Terrestre, 14% (20 Mt N/ano) são emissões atmosféricas. Em nível de
comparação, estimativas de Smil (1999) apontaram que, em 1995, 17 Mt N/ano
eram perdidas por lixiviação e 20 Mt N/ano eram perdidas por erosão.
Figura 27. Representação das saídas de nitrogênio reativo na agricultura global em 2000. Fonte: Liu et al., (2010)
Parte das perdas por lixiviação e erosão é encaminhada para o ecossistema
aquático. Esta perda foi indicada no fluxograma geral pela seta azul do Ecossistema
Terrestre para o Ecossistema Aquático. Porém não foi encontrado um valor para
esse fluxo.
Segundo Smil (2002), 23 Mt N/ano são destinadas a alimentação animal, sendo
20 Mt N/ano através dos cultivos alimentares e 3 Mt N/ano através dos resíduos
76
culturais. Através dos resíduos culturais reciclados, 11 Mt N/ano entram no sistema
Agricultura Alimentar.
No entanto, no balanço global de nitrogênio na agricultura feito por Liu e outros
(2010), não é claro se a produção total de resíduos culturais é 40 Mt N/ano, e que
destas 11 Mt N/ano são recicladas. Talvez a parte reciclada já esteja incluso na
saída “Resíduos Culturais”, 29 Mt N/ano.
Em 1994, o consumo global de nitrogênio através das proteínas vegetais foi
15,20 Mt (VAN DER HOEK, 1998). Segundo a FAO (2010), ano base 2007, 47,32
g/dia de proteínas vegetais são disponibilizadas para consumo por pessoa, ou seja,
aproximadamente 7,6 g N/dia (Nveg). Essa conversão foi feita assumindo que 16% da
proteína é nitrogênio.
A nível global, a quantidade global de nitrogênio disponibilizada para consumo,
através das proteínas vegetais (Pveg), é aproximadamente 19 Mt N/ano, sendo
representada pela Equação 7.
Esta quantidade de nitrogênio, através dos produtos de origem vegetal, é a
saída total de nitrogênio para o sistema Agroindústria Alimentar. O número 365
refere-se ao número de dias no ano.
Pveg = Pop x Nveg x 365 (7)
onde:
Pveg quantidade global de nitrogênio disponibilizada para consumo, através das proteínas vegetais (Mt N/ano);
Pop população global atual (bilhões de pessoas); Nveg quantidade de nitrogênio disponibilizado diariamente para consumo por
pessoa através dos alimentos de origem vegetal (g N/pessoa.dia).
77
4.2.2 – Pecuária Alimentar
4.2.2.1 – Entradas de nitrogênio
Na Tabela 10 são mostradas, detalhadamente, todas as entradas de nitrogênio
(116 Mt N/ano) na Pecuária Alimentar, para produzir proteína animal para consumo
humano.
Tabela 10. Entradas de nitrogênio reativo no sistema Pecuária Alimentar. FLUXOS Mt N/ano Fonte dos dados Observações
Pastagem 100 (VAN DER HOEK, 1998) Ano de referência 1994. Cultivos e resíduos para alimentação animal 23
− Cultivos alimentares 17 (SMIL, 2001) Ano de referência 1996. − Resíduos culturais 14 (SMIL, 2001) Ano de referência 1996. Forragem 11 (SMIL, 2001) Ano de referência 1996. TOTAL 116
Segundo a FAO (2006), 33% da produção mundial de proteína vegetal são
encaminhadas para a pecuária, para a produção de proteína animal, no entanto, a
pastagem fornece a maior parte. A quantidade total de nitrogênio proveniente da
pastagem para alimentação animal foi 83 Mt N/ano, em 1996 (VAN DER HOEK,
1998).
Segundo estimativas de Smil (2002), para meados da década de 90, 23 Mt
N/ano eram encaminhadas para alimentação animal, através dos cultivos
alimentares (20 Mt N/ano) e resíduos culturais (3 Mt N/ano). A forragem,
provavelmente produzida no sistema Agronegócio não Alimentar, fornece 10 Mt
N/ano para alimentação animal.
78
4.2.2.2 – Saídas de nitrogênio
Na Tabela 11 são mostradas, detalhadamente, todas as saídas de nitrogênio
(145 Mt N/ano) da Pecuária Alimentar. A maior perda de nitrogênio neste sistema é
a excreção animal.
Tabela 11. Saídas de nitrogênio reativo do sistema Pecuária Alimentar. FLUXOS Mt N/ano Fonte dos dados Observações
Excretas animais 95 (FAO, 2006)
A quantidade total de nitrogênio excretado pelos animais (135 Mt N/ano) foi subtraída da quantidade usada como fertilizante na agricultura (17 Mt N/ano) e da emissão atmosférica de NH3 através das excretas animais (23 Mt N/ano).
Emissão atmosférica 23 (GALLOWAY et al., 2004) Referente à emissão de amônia. Ano de referência 1993.
Reciclagem das excretas animais 17 (LIU et al., 2010) Ano de referência 2000.
Alimento humano 10 (FAO, 2010) Ano de referência 2007. TOTAL 145
Estimativas de diversas pesquisas para a quantidade total de nitrogênio
excretada na pecuária variam entre 75 e 138 Mt N/ano (OENEMA e TAMMINGA,
2005). A quantidade global de nitrogênio excretada na pecuária, em 1996, foi de
93,6 Mt (SHELDRICK et al., 2003). Segundo estimativas recentes da FAO (2006), a
excreção global de nitrogênio é de 135 Mt N/ano. Esta estimativa foi adotada neste
trabalho. A FAO aponta que literaturas recentes (ex: Galloway et al., 2003) ainda cita
uma estimativa de 75 Mt N/ano, derivada de meados da década de 90.
A quantidade de nitrogênio disponível para uso na agricultura, ou seja, a
quantidade de nitrogênio nas excretas coletadas era 34,4 Mt N, em 1996
(SHELDRICK et al., 2003). Estimativas da quantidade de nitrogênio excretada pelos
animais aplicada nos campos agrícolas variam entre 18 e 50 Mt N/ano (SMIL, 1999;
MOSIER et al., 1998 apud OENEMA e TAMMINGA, 2005). A quantidade de
nitrogênio aplicada nos campos agrícolas, em 1996, era 26,5 Mt N (SHELDRICK et
al., 2003).
79
A quantidade de nitrogênio da excreta animal aplicada nos campos agrícolas,
adotada neste trabalho, foi de 17 Mt N/ano (LIU et al., 2010). Vale ressaltar que,
parte das excretas animais coletadas e aproveitadas nos campos agrícolas provém
da criação de cavalos, que não fazem parte do Agronegócio Alimentar.
Assim, assumindo que, na pecuária, a quantidade global de nitrogênio na
excreção animal é 135 Mt N/ano e que 17 Mt N/ano são aproveitadas nos campos
agrícolas e 23 Mt N/ano é a quantidade total de nitrogênio emitida para a atmosfera
a partir das excretas animais em 1993 (Galloway et al., 2004), foi estimado que 95
Mt N/ano são perdidas diretamente para o Ecossistema Terrestre. As emissões de
N2O a partir das excretas animais, depois da aplicação nos campos agrícolas, são
de 3,69 Mt N/ano (FAO, 2006).
Em 1990, na pecuária, a quantidade de nitrogênio emitida através da
volatilização da amônia das excretas animais para a atmosfera foi de 21,6 Mt N,
sendo 7 Mt N no sistema de pastagem, 9 Mt N no sistema de confinamento e 5 Mt N
nos campos agrícolas com aplicação das excretas animais. (BOUWMAN et al., 1997
apud OENEMA, 2006).
Em 1994, o consumo global de nitrogênio através das proteínas animais foi 8,5
Mt (VAN DER HOEK, 1998). Segundo a FAO (2010), ano base 2007, 24,92 g/dia de
proteínas animais, da pecuária, são disponibilizadas para consumo por pessoa, ou
seja, aproximadamente 4,0 g N/dia (Nanl). Essa conversão foi feita assumindo que
16% da proteína é nitrogênio.
A nível global, a quantidade global de nitrogênio disponibilizada para consumo,
através das proteínas animais (Panl), é aproximadamente 10 Mt N/ano, sendo
representada pela Equação 8.
Esta quantidade de nitrogênio, através dos produtos de origem animal, é a
saída total de nitrogênio para o sistema Agroindústria Alimentar. O número 365
refere-se ao número de dias no ano.
Panl = Pop x Nanl x 365 (8)
80
onde:
Panl quantidade global de nitrogênio disponibilizada para consumo, através das proteínas animais (Mt N/ano);
Pop população global atual (bilhões de pessoas); Nanl quantidade de nitrogênio disponibilizado diariamente para consumo por
pessoa através dos alimentos de origem animal (g N/pessoa.dia).
4.2.3 – Aquacultura
Aquacultura é o sistema de produção de alimento de origem aquática, como:
peixes, moluscos, crustáceos, anfíbios e plantas aquáticas.
Segundo a FAO (2010), ano base 2007, aproximadamente 4,9 g/dia de
proteínas, da Aquacultura, são disponibilizadas para consumo por cada pessoa, ou
seja, aproximadamente 0,79 g N/dia. Essa conversão foi feita assumindo que 16%
da proteína é nitrogênio.
A nível global, a quantidade global de nitrogênio disponibilizada para consumo
através das proteínas provenientes da Aquacultura (Paqu) é aproximadamente 2 Mt
N/ano, sendo representada pela Equação 9. Esta quantidade de nitrogênio, através
dos produtos de origem animal, é a saída total de nitrogênio para o sistema
Agroindústria Alimentar. O número 365 refere-se ao número de dias no ano.
Paqu = Pop x Naqu x 365 (9)
onde:
Paqu quantidade global de nitrogênio disponibilizada para consumo, através das proteínas vegetais e animais de origem aquática (Mt N/ano);
Pop população global atual (bilhões de pessoas); Naqu quantidade de nitrogênio disponibilizado diariamente para consumo por
pessoa através dos alimentos de origem aquática (g N/pessoa.dia).
81
No fluxograma deste sistema, foi indicada somente a quantidade de nitrogênio
de saída através dos produtos. Porém, para pesquisas futuras, as entradas e
emissões devem ser levadas em conta.
4.2.4 – Agroindústria Alimentar
A Agroindústria é definida como o conjunto de atividades relacionadas à
transformação de matérias-primas provenientes da agricultura, pecuária, aquacultura
ou silvicultura. Neste trabalho, todas as etapas, incluindo, a logística, desde a
produção na agricultura, pecuária ou aquacultura, até as indústrias de
processamento de alimentos, além da comercialização, foram consideradas parte do
sistema Agroindústria Alimentar. Silvicultura foi considerada um sistema do
Agronegócio não Alimentar.
Segundo a FAO (2010), considerando as perdas na produção e logística até as
residências, a quantidade global de nitrogênio disponibilizada através dos alimentos
para consumo humano é aproximadamente 31 Mt N/ano, sendo 19 Mt N/ano a
contribuição da Agricultura Alimentar (Pveg), 10 Mt N/ano a contribuição da Pecuária
Alimentar (Panl) e 2 Mt N/ano a contribuição da Aquacultura (Paqu). Esta quantidade
de nitrogênio, 31 Mt N/ano, é encaminhada ao sistema Metabolismo Humano.
Os valores dos fluxos de perdas do sistema Agroindústria Alimentar para os
ecossistemas não foram encontrados, porém foram indicados a existência. Vale
ressaltar que, a entrada de nitrogênio no sistema deve ser maior que 31 Mt N/ano,
levando em conta as perdas.
Como o sistema de distribuição e comercialização foram inseridos no sistema
Agroindústria, a saída total de nitrogênio do sistema Agronegócio Alimentar (Saga) é
representada pela equação 10.
Saga = Pveg + Panl + Paqu (10)
82
onde, em Mt N/ano:
Saga saída total de nitrogênio do sistema Agronegócio Alimentar; Pveg quantidade global de nitrogênio disponibilizada para consumo, através
das proteínas vegetais; Panl quantidade global de nitrogênio disponibilizada para consumo, através
das proteínas animais; Paqu quantidade global de nitrogênio disponibilizada para consumo, através
das proteínas vegetais e animais de origem aquática.
4.3 – METABOLISMO HUMANO
Como dito anteriormente, este sistema aborda o metabolismo do corpo
humano, que metaboliza os diversos tipos de alimento e excreta como urina e fezes,
como também a geração de resíduos sólidos, que significa a má gestão dos
alimentos intradomiciliar e nos estabelecimentos.
O nitrogênio é um componente insubstituível dos aminoácidos, que são
necessários para biossíntese das proteínas e formação dos tecidos e enzimas
(SMIL, 2002).
Algumas funções dessas biomoléculas estão relacionadas ao sistema
reprodutivo, motor e a regulação bioquímica do corpo humano. A ingestão das
proteínas vegetais e animais dos alimentos fornecem todos os aminoácidos
essenciais ao corpo humano, sendo a principal forma de entrada do nitrogênio no
metabolismo humano.
Como citado acima, o nitrogênio pode ser de origem animal ou vegetal. Os
alimentos apresentam diferentes tipos de proteínas que, por sua vez, possuem
diferentes valores nutricionais.
As proteínas vegetais são geralmente deficientes em lisina, triptofano, ou
metionina (FOLLETT e FOLLETT, 2008). No geral, alimentos de origem animal
possuem maior qualidade e quantidade de proteínas.
Por causa disso, o consumo de proteína animal é indicado fundamentalmente
para obter um balanço de todos os aminoácidos essenciais. Segundo a FAO (2009),
a pecuária contribui com 25% da proteína consumida numa dieta.
83
No entanto, feijão (baixo teor de metionina e triptofano, mas elevado teor de
lisina) pode ser combinado com arroz (baixo teor de lisina, mas elevado teor de
metionina e triptofano) para obter um balanço de todos os aminoácidos essenciais
(FOLLETT e FOLLETT, 2008).
Após a ingestão e metabolismo dos alimentos, as duas principais saídas de
nitrogênio do corpo humano são através das excretas, fezes e, principalmente, urina,
conforme indicado nas maiores setas na Figura 28, além de outras saídas como
pele, cabelo e suor.
Figura 28. Representação esquemática da demanda metabólica por aminoácidos. Fonte: WHO (2007).
Os aminoácidos não absorvidos pelo sistema digestivo são excretados nas
fezes. O principal produto final do metabolismo do nitrogênio no corpo humano é a
uréia.
Segundo Munch e Winker (2009), adultos, com peso estável, excretam a
mesma massa de nutrientes que ingerem na dieta, assim não há retenção de
84
nitrogênio ou fósforo no corpo humano, exceto para crianças onde pequena
quantidade é retida para o crescimento do corpo.
A quantidade de nitrogênio excretado na urina e fezes varia de um indivíduo
para outro, em função da idade, de hábitos alimentares, da ingestão de líquidos, das
atividades físicas e do clima.
Em relação à quantidade excretada de nitrogênio, os alimentos de origem
vegetal possuem menor digestibilidade que os alimentos de origem animal, isso
porque as fibras vegetais atrapalham a digestão e absorção das proteínas, ou seja,
alimentos de origem animal tendem a gerar uma excreção de nitrogênio maior via
urina e alimentos de origem vegetal tendem a gerar uma excreção de nitrogênio
maior via fezes.
Na Figura 29, pode-se observar o crescimento do consumo per capita dos
principais itens alimentares em países em desenvolvimento entre 1961 a 2005, a
qual aponta um aumento do consumo de alimentos de origem animal, ovos, carne e
leite, assim como uma redução, por exemplo, do consumo de cereais.
Figura 29. Consumo per capita dos principais itens alimentares em países em desenvolvimento no período 1961-2005. Fonte: FAO (2009b).
85
Vale ressaltar que, mesmo em jejum, o corpo tende a uma perda inevitável de
nitrogênio, que permanecem razoavelmente constante na vida adulta, sendo entre
41 e 69 mg N excretado a cada kg (massa corpórea) de uma pessoa.
A média assumida é 53 mg, assim, para uma pessoa de 70 kg seria 3,7 g N.
Além disso, outras perdas devem adicionar cerca de 0,6 g N (SMIL, 2002). Isso pode
explicar a redução de peso de uma pessoa desnutrida, a qual consome sua própria
massa corpórea, que é constituída de proteínas.
Em 1985, a OMS estabeleceu que para os adultos, a necessidade de proteína
por kg de peso é considerado ser o mesmo para ambos os sexos em todas as
idades e pesos, dentro da faixa aceitável. O valor assumido para um nível seguro de
consumo de proteína foi 0,75 g/kg/dia, em termos de proteínas com a digestibilidade
do leite e ovo.
Para uma pessoa de 70 kg, esse valor representa aproximadamente 53 g/dia
de ingestão de proteína ou aproximadamente 8,5 g N/dia, adotando que 16% da
proteína é nitrogênio.
A ingestão recomendada é expressa em termos de proteína ideal, que é a
ingestão contendo quantidades adequadas de todos os aminoácidos essenciais e de
fácil digestão (SMIL, 2002).
Estimativas da FAO (2010), para o ano de 2007, mostraram que são
disponibilizadas em média 77,12 g de proteínas diariamente, ou seja,
aproximadamente 12,34 g N/dia. O valor anual de nitrogênio ingerido é de 4,5 kg N.
Segundo McELROY e Wang (2005), em 2001, a quantidade global de
nitrogênio excretado foi 24,6 Mt N. Neste trabalho, considerando a população
mundial atual e o valor anual de nitrogênio disponibilizado para consumo humano
através dos alimentos, a entrada total de nitrogênio no sistema Metabolismo
Humano (Emta) é aproximadamente 31 Mt N/ano, representada pela equação 11.
Emta = Pveg + Panl + Paqu (11)
86
onde, em Mt N/ano:
Emta entrada total de nitrogênio do sistema Metabolismo Humano; Pveg quantidade global de nitrogênio disponibilizada para consumo, através
das proteínas vegetais; Panl quantidade global de nitrogênio disponibilizada para consumo, através
das proteínas animais; Paqu quantidade global de nitrogênio disponibilizada para consumo, através
das proteínas vegetais e animais de origem aquática.
Nas residências existe a geração de resíduos de alimento intradomiciliar, que
depende de alguns aspectos, como hábitos alimentares, manuseio e preparo dos
alimentos, condições de armazenamento, entre outros.
Segundo estimativas de Smil (2002), 10% (2 Mt N) da quantidade de alimento
disponibilizado para consumo (25 Mt N), em meados da década de 90, eram
perdidos através dos resíduos alimentares intradomiciliares20. Essa estimativa
apontava que 23 Mt N eram efetivamente consumidos pela população mundial.
Assumindo o mesmo percentual de geração de resíduos em relação à atual
quantidade total de nitrogênio disponibilizada nos alimentos (31 Mt N), cerca de 3 Mt
N/ano são estimadas serem perdidas através do resíduos alimentares intradomiciliar
(Rain). Assim, aproximadamente 28 Mt N foi estimada ser a quantidade de nitrogênio
efetivamente consumida e excretada pela população global através das fezes e
principalmente na urina.
Segundo Otterpohl e outros (2002), UNESCO/IHP e GTZ (2006), e Munch e
Winker (2009), entre 80 a 90% do nitrogênio excretado por uma pessoa é via urina.
Então, assumido uma média de 85% do nitrogênio excretado na urina, atualmente, a
aproximadamente 24 Mt N/ano são excretadas via urina pela população global (Nuri)
e 4 Mt N/ano são excretadas via fezes humanas (Nfez). A saída total de nitrogênio do
sistema Metabolismo Humano (Smta) é representada pela equação 12.
Smta = Nuri + Nfez + Rain (12)
20 Resíduos alimentares intradomiciliares referem-se às perdas de alimento durante armazenamento, preparo, e alimentação nas residências e estabelecimentos.
87
onde, em Mt N/ano: Smta saída total de nitrogênio do sistema Metabolismo Humano; Nuri quantidade global de nitrogênio excretada via urina humana; Nfez quantidade global de nitrogênio excretada via fezes humanas; Rain resíduos alimentares intradomiciliar.
4.4 – SANEAMENTO
O sistema de saneamento neste trabalho engloba as opções de gestão, das
excretas e dos resíduos sólidos, disponíveis aos indivíduos, não sendo somente
relacionado à infra-estrutura construída para o manejo e tratamento do saneamento
convencional (Figura 30).
Segue abaixo, segundo a WHO/UNICEF (2010), a situação global do sistema
saneamento em 2008:
• 2,6 bilhões de pessoas, 39% da população global, não têm acesso ao
saneamento adequado, sendo que 72% vivem na Ásia;
• 1,1 bilhões de pessoas ainda defecam ao ar livre, destas 638 milhões de
pessoas vivem na Índia e 13 milhões de pessoas vivem no Brasil;
• 751 milhões de pessoas dividem suas instalações sanitárias;
• 11% da população global não têm acesso a instalações sanitárias adequadas;
• 61% da população global têm acesso ao saneamento adequado, ou seja,
assegura a separação das excretas humanas do contato humano;
• 76% da população global que em áreas urbanas tem acesso ao saneamento
adequado;
• 55% da população global que em áreas rurais não tem acesso ao
saneamento adequado.
A entrada total de nitrogênio no sistema Saneamento (Esan), provenientes das
excretas humanas e resíduos alimentares, é aproximadamente 31 Mt N/ano,
88
representada pela mesma quantidade de nitrogênio da saída total de nitrogênio do
sistema Metabolismo Humano.
A partir da situação atual do saneamento global e da entrada global no sistema,
o fluxograma do saneamento foi construído a fim de apontar o destino do nitrogênio
excretado pela população global. Segue abaixo a explicação das entradas e saídas
de nitrogênio dos seguintes sistemas do saneamento: sistema de gestão dos
resíduos sólidos, sistema de coleta de esgoto e sistema de tratamento de esgoto.
As duas principais entradas de nitrogênio no sistema Saneamento são as
excretas humanas e os resíduos intradomiciliares gerados. No fluxograma proposto,
28 Mt N/ano são destinadas a este sistema através das excretas humanas e 3 Mt
N/ano através dos resíduos alimentares intradomiciliares gerados.
A partir da quantidade de nitrogênio nas excretas humanas (28 Mt N/ano),
aproximadamente 23 Mt N/ano percorrem as residências e estabelecimentos,
enquanto que, 5 Mt N/ano são encaminhadas diretamente para os sistemas naturais,
devido a 1,1 bilhões de pessoas ainda defecarem ao ar livre.
De acordo com a classificação de saneamento, adequado ou inadequado, feita
pela WHO/UNICEF, o objetivo deste trabalho para o sistema saneamento é apontar
a quantidade de Nr encaminhada diretamente do saneamento para os sistemas
naturais, considerando as práticas atuais de saneamento, e a quantidade de Nr
encaminhada para os sistemas de coleta e tratamento. Isso é relevante para indicar
a infra-estrutura necessária e gastos econômicos para viabilizar a concepção do
Saneamento Sustentável.
Assim, segundo estimativas de Drecht e outros (2009), em 2000, o percentual
de cobertura global do sistema convencional de coleta de esgoto (tcob) era
aproximadamente 30% da população global tinham acesso ao sistema de coleta de
esgoto. Assumindo essa porcentagem para a situação atual, metade de 61% da
população global que têm acesso ao saneamento adequado utiliza outras
tecnologias, que apesar de serem consideradas como saneamento adequado, como
a destinação no próprio lote, para a gestão do nitrogênio reativo não são alternativas
viáveis. Isso devido ao transporte direto para os sistemas naturais.
89
Figura 30. Fluxos de nitrogênio reativo, em Mt N/ano, no sistema saneamento de acordo com as opções de saneamento da população global.
90
Portanto, a quantidade total de nitrogênio encaminhada para o sistema
convencional de coleta de esgoto (Nsce) é 8,5 Mt N/ano, conforme a equação 13,
sendo 85% (7 Mt N/ano) via urina humana e 15% (1,5 Mt N/ano) via fezes humanas.
Certamente parte desta quantidade de nitrogênio não recebe nenhum tipo
tratamento de esgoto.
Nsce = tcob x (Nuri + Nfez) (13)
onde:
Nsce quantidade total de nitrogênio encaminhada para o sistema convencional de coleta de esgoto;
Nuri quantidade global de nitrogênio excretada via urina humana; Nfez quantidade global de nitrogênio excretada via fezes humanas; tcob percentual de cobertura global do sistema convencional de coleta de
esgoto.
Segundo estimativas de Galloway e outros (2008), 1,6 bilhões de pessoas que
vivem em áreas urbanas tem acesso ao tratamento de esgoto, o que representa,
segundo os mesmos autores, uma alternativa de converter 5 Mt N/ano para N2. Isso
seria possível com a aplicação do processo de nitrificação-desnitrificação. Porém,
isso demanda mais energia.
O restante das excretas humanas (14,5 Mt N/ano), apesar de percorrer as
residências e estabelecimentos, são encaminhadas diretamente para os sistemas
naturais, isso porque, 8,5 Mt N/ano são encaminhadas para tecnologias de
destinação no próprio lote e 6 Mt N/ano recebem um saneamento inadequado, o que
significa que são encaminhadas diretamente para os ecossistemas terrestre e
aquático.
Certamente esse valor deve ser maior, devido a quantidade de nitrogênio
encaminhada ao sistema de coleta de esgoto não ser totalmente conectada a um
sistema de tratamento de esgoto, e também, por não ser, ou pouco, tratada com
processo de desnitrificação.
Perdas de nitrogênio, através das emissões, para a Atmosfera, Ecossistema
Terrestre e Aquático ocorrem em todas as opções de saneamento, porém, devido a
91
falta de referências, estes fluxos não foram apontados no fluxograma proposto, mas
indicado sua existência. Vale ressaltar que, existe um fluxo de nitrogênio
desnitrificado para a forma inerte (N2) no sistema de tratamento de esgoto.
Parte da quantidade de nitrogênio excretada já é aproveitada nos campos
agrícolas na forma de esgoto, porém não foi encontrado um valor que representasse
esse fluxo.
92
5 – LOGÍSTICA DO APROVEITAMENTO DA URINA HUMANA
Nos capítulos anteriores foi mostrada uma estimativa da representatividade da
quantidade de nitrogênio excretada via urina humana no sistema saneamento. Este
capítulo procura-se contribuir na resposta a pergunta sobre a viabilidade técnico-
econômica da logística do aproveitamento da urina humana como fertilizante nos
campos agrícolas.
O potencial de aproveitamento dos nutrientes da urina ou águas amarelas no
sistema agrícola tem sido bastante estudado e se mostra muito promissor quando
comparado com o uso do fertilizante industrial.
No entanto, um dos grandes questionamentos discutidos atualmente é como
será o sistema de logística desse recurso, principalmente, em centros urbanos, com
alta densidade populacional, para os campos agrícolas. Segundo a OECD (2008b),
em 2030, 60% da população mundial estará vivendo em áreas urbanas.
Certamente, além das pressões ambientais, fatores econômicos, de infra-
estrutura, e energéticos, serão dois principais aspectos que definirão a
sustentabilidade do sistema e incentivarão a substituição de fertilizantes
nitrogenados pelo nitrogênio, sobretudo uréia, proveniente da urina humana. Isso
porque, esses aspectos citados acima refletem diretamente no valor monetário do
“novo fertilizante”.
Assim, uma nova estrutura urbana e rural deve ser projetada para viabilizar o
modelo de gestão de recursos do Saneamento Sustentável. A logística do
aproveitamento da urina humana abrange desde a bacia sanitária até a aplicação
nos campos agrícolas, como pode ser visto esquematicamente na Figura 31.
As etapas da logística são: coleta, armazenamento temporário, processamento,
transporte, armazenamento externo e aplicação nos campos agrícolas. Uma dúvida
freqüente dos profissionais do setor saneamento sobre o aproveitamento da urina
humana na produção agrícola é a eficiência do sistema para evitar perdas do
nitrogênio por volatilização.
93
URINA
ARMAZENAMENTO TEMPORÁRIO
TRANSPORTE APLICAÇÃO NOS CAMPOS AGRÍCOLAS
FEZES E ÁGUAS CINZAS
OUTROS USOS
ARMAZENAMENTO EXTERNO
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.
94
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).
95
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.
96
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
97
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.
98
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.
99
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.
100
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;
101
• 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
102
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.
103
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
104
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. Fonte: Winker e Hartmann (2010)
105
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).
106
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.
107
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
os cultivos que são fertilizados ajudaria a estimar de forma mais clara as perdas e
eficiências globais do uso de fertilizantes na produção agrícola. Os dados dos fluxos
dentro de cada sistema que compõem os agronegócios são de difícil dissociação, e
108
talvez, por falta de literatura disponível, para alguns fluxos, a identificação e
quantificação ainda devem ser pesquisadas.
No entanto, assumindo que a maioria (95%) do nitrogênio produzido no
processo Haber-Bosch é usada na produção de alimentos, torna o agronegócio
alimentar em um dos principais pontos de intervenção na gestão global do nitrogênio
reativo.
O sistema de produção de alimento foi onde ocorreram as maiores dificuldades
para quantificar os fluxos que são transferidos entre os sistemas que o compõem. O
uso de dados da década de 90, pode não mostrar claramente o nível de eficiência
atual de alguns fluxos, como por exemplo, o uso das excretas de animais nos
campos agrícolas.
A FAO estima que aproximadamente 77,34 g/dia de proteína por pessoa são
disponibilizadas para consumo humano, as quais contêm aproximadamente 12,4 g
N. O valor global de nitrogênio disponibilizado para consumo, através dos alimentos,
é de 31 Mt N/ano. Essa estimativa, apesar de pouco precisa, parece ser um dos
dados mais confiáveis em relação ao ciclo do nitrogênio, juntamente com os dados
de produção de fertilizantes nitrogenados estimados pela IFA.
Essa estimativa da FAO pode indicar um potencial reduzido do aproveitamento
da urina humana como fertilizante nos campos agrícolas, já que as taxas de geração
de resíduos alimentares intradomiciliar (10 a 50%) conhecidas, talvez, sejam muito
altas para a realidade atual, em relação às perdas no armazenamento e
alimentação. No entanto, por falta de referências sobre a gestão global de resíduos,
foi assumida a taxa de geração de resíduos alimentares intradomiciliar de 10%,
usada por Smil (2002).
A quantidade de nitrogênio excretado é outro aspecto que deve ser
pesquisado. O uso da taxa de 85% do nitrogênio excretado via urina certamente não
é uniforme para a população mundial, já que a excreção é diretamente relacionada
com as características de cada região. Porém, com a tendência ao aumento do
consumo de proteínas de origem animal, a taxa de excreção de nitrogênio via urina
deve aumentar.
Dois ganhos sociais podem ser esperados com a separação e aproveitamento
da urina humana do sistema saneamento, segurança alimentar e hídrica. Em relação
109
à segurança alimentar, para áreas rurais, a urina humana pode ser uma alternativa
de insumo, devido ao custo elevado dos fertilizantes, na produção agrícola e em
áreas urbanas, uma alternativa de produzir alimento próximo aos centros urbanos,
através da agricultura urbana.
Em relação à segurança hídrica, que já é uma preocupação atual, a redução do
consumo de água na descarga de urina é uma alternativa de minimizar os conflitos
do uso da água. Devido às mudanças climáticas, estudos estimam que água para
beber e outros usos domésticos iram competir com outros setores, como indústria,
energia, recreação e o meio ambiente (WHO, 2010). Conflitos deveram ser
minimizados, como o uso de água com boa qualidade e energia agregada para
descarga de excretas humanas.
Uma parte relevante da água consumida por uma pessoa/dia é utilizada para
descarga de suas excretas. A urina é encaminhada para o sistema de saneamento
como águas amarelas. Assumindo que cada pessoa usa o banheiro cinco vezes ao
dia, sendo quatro para urina e uma para fezes, e que cada vez utiliza 10 litros de
água, pode-se observar que 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. Vale ressaltar que sistemas antigos de descarga consomem
muito mais que 10 litros por descarga.
Questionamentos sobre a resiliência do sistema de saneamento aos efeitos as
mudanças climáticas foram discutidos pela WHO (2010), apontando adaptabilidade
e vulnerabilidade do atual modelo de saneamento como um dos grandes problemas
no futuro.
A relação entre escassez de água e descarga hídrica para transporte das
excretas humanas no sistema convencional de saneamento será um risco à saúde
pública devido às mudanças climáticas. Locais com risco de escassez de água, que
antes não eram, serão afetados pela poluição das águas subterrâneas por lixiviação
do nitrato proveniente das excretas e em locais com riscos de inundações, que antes
não eram, sofreram com a contaminação por microorganismos patogênicos, isso
quando pensado nas atuais tecnologias de saneamento adotadas nas regiões
vulneráveis as mudanças climáticas.
110
Uma vez contestado os possíveis ganhos econômicos em relação à separação
ou não da urina humana do sistema de saneamento convencional, o valor
econômico dos nutrientes encontrados, principalmente, na urina e fezes é de
aproximadamente 15 bilhões de dólares/ano, quando correlacionado ao valor
comercial de fertilizante (HEEB, 2006).
Segundo o Danida (2010), a Global Water Partnership (GWP) estimou que para
satisfazer Os Objetivos de Desenvolvimento do Milênio para saneamento básico é
preciso gastar 17 bilhões de dólares/ano, valor esse próximo ao valor econômico
dos nutrientes encontrados na urina e fezes.
O custo do transporte dos fertilizantes industriais é normalmente o maior item
unitário no custo total de comercialização, sendo em muitos países 50% do total. O
segundo maior custo é o de armazenamento. No oeste europeu foi estimado que os
custos de logística, incluindo manejo, transporte e armazenamento, representam
aproximadamente 20% do preço pago pelo fertilizante por um agricultor (IFA, 2000).
Como a urina gerada é distribuída de acordo com a população e região, esse custo
de transporte e armazenamento talvez seja mais barato.
Adicionalmente, a redução de gastos energéticos e econômicos de outros
sistemas, como o sistema de abastecimento de água, pode também ser obtida. No
abastecimento de água, o volume de água bombeada para ser usada como
descarga de urina e o valor econômico gasto em mega estruturas do saneamento
convencional já deve ser pensado positivamente na viabilidade econômica do
sistema de aproveitamento da urina humana nos campos agrícolas.
Segundo a IFA (2009a), o consumo energético na produção total dos produtos
fertilizantes nitrogenados, os quais estão contidos 127 Mt N, foi de 5609,4 PJ de
energia em 2007.
Assumido o valor nutricional nos produtos fertilizantes nitrogenados somente
do nitrogênio, podemos calcular que se houvesse o aproveitamento total do
nitrogênio da urina, aproximadamente 20% da energia (1065,8 PJ/ano) gasta na
produção industrial de nitrogênio fertilizante poderia ser evitada.
Os fertilizantes são responsáveis por 2,48% (1240 Mt) da emissão global de
CO2 equivalente. Somente as emissões de óxido nitroso e aplicação de uréia, devido
liberar CO2 na sua decomposição, na agricultura contabilizam 57% (710 Mt) dessa
111
porcentagem (IFA, 2009a). Adicionalmente, segundo estimado por Bogner (2007),
as emissões de N2O do esgoto, para o ano de 2010, são 100 Mt CO2 equivalente.
Isso significa que as emissões do esgoto representam aproximadamente 14% das
emissões na agricultura.
O alto investimento requerido na infra-estrutura logística para o sistema de
saneamento convencional existente pode desfavorecer a substituição do fertilizante
industrial pelo produto gerado na segregação da urina humana. Porém, como
mencionado anteriormente, apenas 30% da população mundial tem acesso ao
sistema de coleta de esgoto, o que pode indicar a oportunidade de reduzir custos
econômicos para atingir Os Objetivos de Desenvolvimento do Milênio e maximizar a
população acessada a um sistema de saneamento adequado. Isso pensando que os
custos econômicos da implantação de sistemas de saneamento convencional e de
Saneamento Sustentável não são iguais. Pesquisas têm apontado que os sistemas
de Saneamento Sustentável são mais baratos que os sistemas do saneamento
convencional, principalmente devido a não utilização de grandes redes de
tubulações.
O transporte de grandes volumes de urina humana, acentuado pelas águas de
descargas, dos centros urbanos para os campos agrícolas será eventualmente
apontado no contexto de eficiência do sistema. No entanto, estimativas já apontam
uma perda menor que 10% do total.
112
7 – CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES
No contexto da Ecologia Industrial, a disponibilidade de Nr no sistema de
saneamento, vem sendo considerada uma fonte promissora de nitrogênio. Assim, a
gestão da urina se destaca no referente à redução do consumo de água, potencial
fertilizante e redução dos gastos energéticos nos sistemas antropogênicos do ciclo
do nitrogênio, aspectos importantes na discussão da sustentabilidade do modelo de
gestão proposto.
A gestão do nitrogênio na rota alimentar, com o aproveitamento do nitrogênio
contido na urina nos campos agrícolas, pode permitir uma redução de 19% da
produção de fertilizante nitrogenado e uma redução de 24 Mt N/ano das perdas de
nitrogênio para os sistemas naturais, atenuando a taxa de avanço da incorporação
de nitrogênio reativo no ciclo biogeoquímico, um dos problemas planetários
anteriormente discutidos.
Podem ser discutidas vantagens nos aspectos ambientais, econômicos e
sociais a partir da segregação e aproveitamento da urina humana do sistema de
saneamento. Os gastos econômicos com a implantação das tecnologias do
Saneamento Sustentável podem ser amortizados pelo valor econômico dos
nutrientes, principalmente nitrogênio, contidos na urina.
Os aspectos sociais devem ser vistos principalmente quando se analisa a
realidade de regiões rurais e/ou menos favorecidas a partir da segurança alimentar e
saúde pública, quando a aplicação de urina na agricultura proporciona um aumento
na produção agrícola e evita poluição ambiental.
No cenário atual e futuro, a segregação da urina humana e aproveitamento do
nitrogênio na produção agrícola é um caminho que deve ser considerado na busca
do desenvolvimento sustentável. Evitar a incorporação de nitrogênio reativo nos
sistema naturais é claramente necessário, sendo que uma vez incorporado, a
possibilidade de reverter os efeitos se tornam mais difícil e caro, através da
transformação o Nr para N2, a qual consome similar gasto energético da produção
industrial de fertilizante nitrogenado.
113
Certamente, a maior ineficiência do uso de nitrogênio nos sistemas
antropogênicos ocorre na produção de alimento. No entanto, devido aos efeitos já
sofridos por causa das mudanças climáticas, mudanças nos modelos atuais de
gestão de cada sistema devem ser efetivamente avaliadas e implantadas de forma a
obter uma resposta rápida para o sistema global. A segregação da urina do sistema
de saneamento e seu aproveitamento agrícola devem ser considerados uma
alternativa para tal.
Tecnologias para separação da urina humana já existem para os cenários
urbanos e rurais. A viabilidade econômica, para as mudanças no sistema de
saneamento, deve ser considerada no contexto mais amplo, que inclua o valor
econômico de mega estruturas dos sistemas convencionais e de gastos energéticos
nos sistemas antropogênicos da rota alimentar, os quais refletem em gastos
econômicos.
Portanto, a redução da geração de nitrogênio reativo e da incorporação no
meio ambiente a partir do aproveitamento da urina humana no sistema de produção
de alimento aponta um caminho promissor para a sustentabilidade dos sistemas
antropogênicos da rota alimentar.
114
REFERÊNCIAS
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