XXXI CONGRESO INTERAMERICANO AIDIS Santiago CHILE Centro de Eventos Casa Piedra Octubre de 2008

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1 e XXXI CONGRESO INTERAMERICANO AIDIS Santiago CHILE Centro de Eventos Casa Piedra Octubre de 2008 AVALIAÇÃO DA PERDA DE NITROGÊNIO EM SISTEMA DE ARMAZENAMENTO DE URINA COM ISOLAMENTO DA ATMOSFERA Eduardo Cohim* Engenheiro Sanitarista, 1988; Mestre em Produção Limpa; 2006; Doutorando em Energia e Meio Ambiente. Professor do curso de Engenharia Ambiental (FTC). Pesquisador, Rede de Tecnologias Limpas e Minimização de Resíduos (EP/UFBA). Alice Costa Kiperstok Rede de Tecnologias Limpas e Minimização de Resíduos (TECLIM), Departamento de Engenharia Ambiental, (EP/UFBA) Francisco Ramon do Nascimento Rede de Tecnologias Limpas e Minimização de Resíduos (TECLIM), Departamento de Engenharia Ambiental, (EP/UFBA) Asher Kiperstok Coordenador da Rede de Tecnologias Limpas e Minimização de Resíduos (TECLIM), Departamento de Engenharia Ambiental, (EP/UFBA) Endereço * : Rua Aristides Novis, nº 02, 4º andar. Departamento de Engenharia Ambiental Federação - Salvador Bahia. CEP Brasil. Tel.: +55(71) Fax: +55(71) ecohim@ufba.br RESUMO A reutilização das excretas na agricultura está ressurgindo com o enfoque do saneamento ecológico, visando a preservação dos nutrientes e segurança alimentar. Nessa perspectiva, considera-se águas amarelas uma corrente do esgoto cujos componentes são urina e a água utilizada para a sua descarga, sendo proveniente de dispositivos que garantem a sua separação das fezes. De uma forma geral, a urina contribui com a maior parte dos nutrientes do esgoto em apenas uma pequena parte do seu volume total. A elevada carga nutritiva e o baixo teor de patógenos e metais tornam a separação e reaproveitamento da urina uma alternativa promissora para a utilização como fertilizantes. O armazenamento é a forma mais indicada de tratamento da urina, já que garante a inativação de possíveis patógenos. Porém, está também associado à perda do nitrogênio pela volatilização da amônia. Esse trabalho avaliou o comportamento do nitrogênio, nas formas de nitrogênio total e amônia, além de avaliar parâmetros físicos como ph e condutividade elétrica da urina armazenada pura e diluída, com e sem da atmosfera proporcionado por uma folha de isopor. Após o período de dois meses de armazenamento, foi detectada uma menor perda de nitrogênio nos sistemas que apresentavam o. Portanto, a redução da superfície de contato entre urina e atmosfera propicia uma maior preservação do nitrogênio, fundamental para o reuso da urina. Palavras-Chave: Águas Amarelas, Armazenamento, Reuso de urina, Saneamento Ecológico. INTRODUÇÃO A aplicação de excretas humanas em solos, visando a sua fertilidade, era prática bastante comum no início 1

2 do século XIX, mas se restringiu a determinadas regiões com o passar dos anos. O interesse pela sua utilização na agricultura está ressurgindo principalmente em países europeus, com o enfoque do saneamento ecológico. Este recomenda o aproveitamento de urina e fezes separadas, respeitando as suas características individuais. Nessa perspectiva, águas amarelas são os fluxos residuários líquidos cujos componentes são urina e a água utilizada para a sua descarga, sendo proveniente de dispositivos que garantem a sua separação das fezes (NOUR et al., 2006). De uma forma geral, a urina contribui com 80% do nitrogênio, 40% do fósforo e 70% do potássio do total de nutrientes do esgoto, sendo uma pequena parte do seu volume total (STOWA, 2001). A água utilizada para o seu transporte pode, no entanto, representar uma fração significativa desse total, sendo ideal a utilização de sanitários secos ou de descarga reduzidos. A elevada carga de nutrientes e o baixo teor de patógenos e metais tornam a separação e aproveitamento da urina uma alternativa promissora para a sua utilização como fertilizante. Para tal, a urina pode ser separada das fezes através de mictórios ou vasos sanitários com compartimentos separados para cada excreta. A sua reduzida carga patogênica não exige um tratamento avançado das águas amarelas, sendo este dispensado em sistemas de pequena proporção. No entanto, para o reuso em grande escala é necessário que haja alguma forma de tratamento, sendo o mais utilizado, o armazenamento. Durante esse processo, ocorre a hidrólise da uréia, processo intimamente relacionado à inativação dos patógenos, mas também à perda de nitrogênio. Para alcançar uma reciclagem elevada dos nutrientes é importante que os sistemas de coleta, armazenamento e manuseio da urina humana sejam construídos de forma a minimizar perdas. Uma alternativa para reduzir a perda de nitrogênio que tem sido analisada com sucesso é a adição de ácido à urina armazenada. A perda de nitrogênio por volatilização da amônia pode também ser reduzida utilizando reservatórios fechados e prevenindo a circulação do ar sobre a superfície do líquido (HANAEUS et al., 1996). MATERIAL E MÉTODOS Um sistema de coleta foi montado nos mictórios de dois banheiros masculinos da Escola Politécnica da UFBA (figura 01) para a obtenção de urina humana. Todos os componentes do sistema foram devidamente lavados antes de iniciar a coleta e foi sinalizada a não utilização da descarga e não lavagem do mictório para evitar a diluição da urina. O período de coleta foi de 24 horas, sendo obtido um total de 24L de urina. Esse volume foi homogeneizado e separado em três grupos: urina pura e dois de urina diluída em água, nas proporções de 1:3 e 1:10. Para cada grupo foram utilizados dois reservatórios com um volume total de 8,5L. Em um dos reservatórios, a urina foi mantida em contato direto com a atmosfera, não havendo qualquer. No outro, uma folha de isopor foi colocada flutuando sobre a urina e ocupando toda a sua superfície, reduzindo assim o seu contato com o ar (figura 02-A). Nesses sistemas, a urina e as suas soluções foram armazenadas durante 2 meses. 2

3 Figura 01. Sistema de coleta de urina nos mictórios de banheiros masculinos da Escola Politécnica (UFBA). A evolução de parâmetros físicos e dos macronutrientes na urina armazenada foi acompanhado ao longo de dois meses de armazenamento. Inicialmente foram coletadas duas amostras semanais de cada reservatório e encaminhadas ao laboratório para análises de ph e condutividade elétrica e dosagem de amônia, nitrogênio total, potássio e fósforo total, sendo todas as metodologias de acordo com o Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (figura 02-B). Após o primeiro mês, a freqüência das análises foi reduzida para uma vez por semana, já que os valores não apresentavam diferenças significativas numa mesma semana. A quantificação do potássio durante o primeiro mês foi semanal, tornando-se quinzenal no segundo mês. A B Figura 02. Reservatórios experimentais com e sem da atmosfera (A). Amostras de urina pura e diluída (1:3 e 1:10) encaminhadas para análise. RESULTADOS E DISCUSSÃO A uréia é a forma predominante do nitrogênio na urina recém excretada. Durante o armazenamento, ela é hidrolisada pela enzima urease, presente em inúmeros microrganismos, gerando amônio e bicarbonato (reação 1). A liberação do bicarbonato acarreta um aumento no ph, que se torna alcalino, propiciando a inativação de patógenos. O amônio entra em equilíbrio com a amônia dissolvida (reação 2), e esta, com a amônia gasosa (reação 3) (HANAEUS et al., 1996). Dessa forma, parte do nitrogênio contido na urina se perde para a atmosfera. 3

4 CO urease + ( NH 2 ) 2 + 3H 2O 2NH 4 + HCO3 + OH equação (1) + NH 4 + OH NH 3( aq) + H 2O equação (2) NH aq) NH ( ) equação (3) 3 ( 3 g O ph da urina fresca é usualmente em torno de 6, podendo variar de 4,8-8,2 (STOWA, 2001). Os valores iniciais encontrados nesse trabalho estão acima dessa faixa porque correspondem à urina coletada durante dois dias, já ocorrendo a hidrólise da uréia e aumento do ph durante esse período. O aumento do ph previsto pela liberação de bicarbonato da reação (1) foi detectado ao longo do armazenamento propriamente dito, em todas as diluições dos sistemas com e sem durante o período de armazenamento (Figura 03). Após cerca de 45 dias, observou-se o começo de uma estabilização dos valores. Todos os sistemas contendo o do isopor apresentaram maior elevação do ph quando comparados àqueles sem. ph 10 9,5 9 8, Dias 100% urina com 100% urina sem Diluição 1:3 com Diluição 1:3 sem Diluição 1:10 com Diluição 1:10 sem Figura 03. Variação do ph nos sistemas experimentais durante o período de armazenamento. A condutividade elétrica se manteve sem grandes variações durante todo o armazenamento, apresentando valores maiores para a urina mais concentrada (Figura 04). As medições do reservatório contendo urina pura com variaram dentro da faixa de 40,0-43,3 ms/cm, enquanto a mesma urina sem o registrou valores ligeiramente menores, de 33,8-42,1 ms/cm. Esses valores se aproximam daqueles encontrados por Zancheta e colaboradores (2006) durante 30 dias de armazenamento. Nos sistemas contendo urina diluída, tanto na proporção 1:3 quanto na 1:10, valores ainda mais próximos foram observados quanto à presença e ausência do. Nesse sentido, a urina diluída em 1:3 com isopor variou de 8,6 13,32 enquanto a diluição correspondente sem o oscilou entre os valores 8,22-12,23. Já a diluição de 1:10 registrou valores de condutividade elétrica entre 4,32 8,53 e 3,53 8,17 com e sem o isopor, respectivamente. 4

5 CE (ms/cm) Dias 100% urina com 100% urina sem Diluição 1:3 com Diluição 1:3 sem Diluição 1:10 com Diluição 1:10 sem Figura 04. Comportamento da condutividade elétrica (CE) durante o período de armazenamento. Conforme a reação 3 descrita no processo de conversão da uréia, a amônia dissolvida e gasosa entram em equilíbrio no sistema. Segundo a lei de Henry, a pressão parcial da amônia sobre a superfície do líquido tem importância significativa na quantidade de amônia que se perde para a atmosfera (HVITVED-JACOBSEN, 2002). As medições de amônia confirmam essa tendência de que o contato direto com a atmosfera proporciona uma maior volatilização. Em todas as diluições a ausência do isopor está associada a uma redução de concentração da amônia da urina, indicando a sua perda para a atmosfera. Amônia (mg/l) 6,000 5,000 4,000 3,000 2,000 1,000 0, Dias 100% urina com 100% urina sem Diluição 1:3 com Diluição 1:3 sem Diluição 1:10 com Diluição 1:10 sem Figura 05. Comportamento da amônia na urina durante o período de armazenamento. 5

6 A fim de detectar essas possíveis perdas, foi quantificado o nitrogênio total dos sistemas. Os resultados estão representados na figura 06. Os valores de 16,5g/L encontrados nos primeiros quatro dias de armazenamento da urina pura representam, na realidade, valores acima do indicado, já que este é o limite de detecção do aparelho. Para a medição a partir do oitavo dia, foi realizada uma diluição maior, o que permitiu a obtenção da concentração mais exata. N Total (g/l) Dias 100% urina c/ 100% urina s/ Diluição 1:3 c/ Diluição 1:3 s/ Diluição 1:10 c/ Diluição 1:10 s/ Figura 06. Comportamento do nitrogênio total na urina durante o período de armazenamento. Corroborando com as medições de amônia, após o período de armazenamento, foi detectada uma menor concentração de nitrogênio total nos reservatórios abertos quando comparados aos que apresentavam o isopor, para todas as diluições. Após completados os dois meses, os sistemas contendo urina pura registraram nitrogênio total de 16g/L na presença de e 5,2 g/l na sua ausência. A porcentagem de redução do nitrogênio total nos sistemas experimentais durante os dois meses de armazenamento foi calculada e seus resultados estão organizados na figura 07. Como as primeiras medições da urina pura não foram exatas devido ao limite de detecção do aparelho, os valores de concentração inicial considerados para a construção do gráfico correspondem ao 8º dia de armazenamento, apenas para os sistemas contendo urina pura. Os sistemas sem o apresentaram uma perda de nitrogênio muito maior em relação àqueles em que o isopor proporcionava o da atmosfera. As diferenças das porcentagens de perda do nutriente na presença e ausência de foram de 44, 74 e 50%, para as diluições 100%, 1:3 e 1:10 respectivamente. A diluição da urina acarretou, então, uma maior perda do nitrogênio total (STOWA, 2001). Além disso, para sistemas de reuso, o desvio da urina pura garante economia nos sistemas de transporte. 6

7 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 100% urina c/ 100% urina s/ Diluição 1:3 c/ Diluição 1:3 s/ Diluição 1:10 c/ Diluição 1:10 s/ Figura 07. Porcentagem de redução do nitrogênio total da urina nos sistemas experimentais ao final do segundo mês de armazenamento. Os resultados indicam que a perda de nitrogênio por volatilização da amônia durante o armazenamento pode, de fato, ser reduzida utilizando reservatórios fechados e prevenindo a ventilação do gás sobre a superfície do líquido. Assim, o contato direto de toda a superfície da urina com a atmosfera propicia uma maior volatilização da amônia, acarretando uma maior perda de nitrogênio nos sistemas abertos. CONSIDERAÇÕES FINAIS Considerando o potencial da utilização da urina em sistemas agrícolas, a preservação dos seus nutrientes é de fundamental importância. Como há uma tendência à perda do nitrogênio por volatilização da amônia, sistemas que visem separação e tratamento da urina para o seu reuso devem ser projetados de forma a minimizar perdas. A redução da superfície de contato entre urina e atmosfera representa uma alternativa de preservação do nitrogênio. Nesse trabalho, foi analisada a possibilidade de se utilizar um material de fácil acesso e baixo custo para proporcionar esse. Os resultados indicam uma redução da perda do nitrogênio associada à presença do isopor sobre a superfície da urina, seja ela pura ou diluída. Assim, a urina poderia ser tratada, reduzindo a carga patogênica sem afetar o seu potencial como fertilizante. Isso torna o armazenamento da urina um potencial tratamento e conservação dos nutrientes para utilização como fertilizante na agricultura. AGRADECIMENTOS Ao Programa de Pesquisas em Saneamento Básico PROSAB; às instituições financiadoras, FINEP e CNPq; à FTC Faculdade de Tecnologia e Ciências, ao Professor Marcus Bandeira e Izanete da FTC, pela colaboração nas etapas do experimento e à Thelma Rocha, do laboratório LABDEA. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 7

8 APHA American Public Health Association. (1998) Standard methods for the examination of water and wastewater. 20th. ed.. Washington. Hannaeus, A., Hellstrom, D., Johansson, E. (1996) Conversion of urea during storage of human urine. Vatten. 96 (4) Hvitved-Jacobsen, T. (2002) Air-water equilibrium an mass transfer odors and reaeration in sewers. In: Sewer Processes: Microbial and Chemical Process Engineering of Sewer Networks. CRC Press. Nour, E.A.A. et al. Gerenciamento de águas negras e amarelas. In: Rede 5 Esgoto, Projeto PROSAB STOWA. Separate urine collection and treatment. Options for sustainable wastewater systems and mineral recovery. STOWA report, Zncheta, P.G., Rebouças C.C., Gonçalves, R.F. (2006) Efeitos da estocagem na composição fisico-química e biológica da urina humana objetivando o seu aproveitamento na agricultura. VIII Simpósio Ítalo Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental Setembro. Fortaleza-CE. 8