Emissões de NH3 e N2O associadas às descargas de esgotos não tratados e processos de tratamento

de esgoto

William Zamboni de Mello

Programa de Pós-Graduação em GeoquímicaUniversidade Federal Fluminense

Emissões globais de Nr

Fontes: N2O Mosier et al. (1998)/Kroeze et al. (1999)/IPCC (2001) NOx IPCC (2001) NH3 Olivier et al. (1998)

0

10

20

30

40

50

60

N2O NOx NH3

Tg N

ano

-1

Natural Antrópico

54%

46%

79%

21%

80%

20%

N2OCaracterísticas e importância ambiental

Estável na troposfera.

Contribui para o consumo do O3 estratosférico

N2O única fonte estratosférica de NO.

Contribui para o efeito estufa

A força radiativa do N2O é 300 vezes superior a do CO2. Atual contribuição para o efeito estufa é de 6% relativa aos demais

GEE.

Fonte: AGAGE (http://agage.eas.gatech.edu)Fonte: AGAGE (http://agage.eas.gatech.edu)Fonte: IPCC (2001)Fonte: IPCC (2001)

Fonte: Spahni et al. (2005). Science, 310, 1317-1321.

N2OContribuição para o consumo do O3 na estratosfera

Decomposição de N2O na estratosfera

N2O + h N2 + O ( < 300 nm) 90%N2O + O(1D) N2 + O2 6%N2O + O(1D) 2NO 4%

Contribuição no consumo do O3 estratosférico

O3 + h O(1D) + O2 ( < 320 nm) CFCl3 + h Cl + CFCl2

NO + O3 NO2 + O Cl + O3 ClO + O2

NO2 + h NO + O ..............................O3 O2 + O

Evolução dos CFCs nas últimas 3 décadas

CFC-11 CFC-12

CFC-113 Tetracloreto de carbono

Fonte: AGAGE (http://agage.eas.gatech.edu/data.htm)

NH3

Características e importância ambiental Substância básica mais abundante da atmosfera.

Leva a formação de partículas finas de NH4NO3 e (NH4)2SO4 que prejudicam qualidade do ar e a visibilidade aérea.

Contribui indiretamente para a acidificação de ecossistemas naturais:

NH3 + 1,5O2 NO2- + H2O + H+

NH4+ + 1,5O2 NO2

- + H2O + 2H+

Contribui para a eutrofização de ecossistemas costeiros (estuários e plataforma continental) e saturação de N em solos tropicais.

N2OSistemas aquáticos

Seitzinger et al. (2000)

Nitrificação: NH4+ + 1,5O2 NO2

- + H2O + 2H+ (+ N2O)Desnitrificação: CH2O + 2NO2

- + 2H+ CO2 + N2O + 2H2O

Deposições atmosféricas de N e S na RMRJ

0

1

2

3

4

5

6

7

N-NH4 N-NO3 exc-S-SO4

kg h

a-1 a

no-1

1988-89 1998-99

de Mello (2001) e de Mello (2005)

Concentrações de NHx nas águas da baía de Guanabara

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0

pH

NH

3/N

Hx

(%)

Fonte: Guimarães e de Mello (2006)

Fluxo de NH3 na interface ar-água Modelo da micro-camada dupla (two-film model)

Fluxo (F ) de NH3 na interface ar-água:

F = ka(ca,eq – ca)

ka = u/[770 + 45(M )1/3]* *(Duce et al., 1991)

ka = velocidade de transferência (m s-1) u = velocidade do vento (m s-1) M = massa molecular da NH3

ca,eq = concentração de NH3 no ar (µg m-3) em equilíbrio com a concentração de NH3 medida na superfície da água

ca = concentração de NH3 medida no ar (µg m-3)

Emissões de NH3 da baía de Guanabara

Emissão média: 480 g N m-2 h-1 (42 kg N ha-1 ano-1) Guimarães e de Mello (2006)

Aporte atmosférico de NH4+ ~ 5 kg N ha-1 ano-1

de Mello (2005)

Taxa de emissão da B. de Guanabara ~ 3,8 t N dia-1

Emissões de NH3 do complexo industrial de Cubatão

1984 8,7 t N dia-1

1998 0,3 t N dia-1

CETESB (1998)

Fluxo de N2O na interface ar-mar Modelo da micro-camada dupla (two-film model)

Fluxo (F ) de N2O na interface ar-água:

F = kw(cw - cw,eq)

kw = 1,91exp(0,35u)(Sc/600)-1/2* * Raymond e Cole (2001)

kw = velocidade de transferência

cw = concentração de N2O medida na água (nmol L-1)

cw,eq = concentração de N2O na água (nmol L-1) em equilíbrio com a concentração de N2O medida no ar

Concentrações de N2O nas águas da baía de Guanabara

Concentração de N2O

8,2 ± 2,2 nmol L-1

N2O

Média = 33%

Fonte: Guimarães e de Mello (2008)

Quanto do total de N lançado na baía de Guanabara é transferido para a atmosfera?

Descarga diária de N na Baía de Guanabara

130-140 t N dia-1 *

~ 2,8% atm como NH3

~ 0,02% atm como N2O

* JICA (1994) (Japan International Cooperation Agency)

Emissões de N2O no rio Faria-Timbó, Rio de Janeiro, RJ

n = 4 N2O medido(nmol L-1)

N2O eq. ar(nmol L-1)

N2O(%)

Fluxog N m-2 h-1)

Fluxo(kg N ha-1 ano-1)

Média ± DP 322 ± 43 6,7 ± 0,1 4.830 ± 620 199 ± 26 17 ± 2

F = kw ([N2O]água – [N2O]eq,ar)

kw = 1,91exp(0,35u10)(Sc/600)-1/2

u10 = 0

Fonte: Dados não publicados

Comparação de emissões de N2O de estuários e oceanos

Baía de Guanabara 3,1 g N m-2 h-1 Guimarães e de Mello (2006)

Rio Faria Timbó 200 g N m-2 h-1

Dados não publicados

Oceanos (média) 1,3 g N m-2 h-1

Nevison et al. (1995)

Emissões de N2O de uma ETE de lodo ativado com aeração prolongada

Tanque de aeração e digestor de lodo Decantador secundário

Fluxo = h x C/t|t=0

TE = QAR {[N2O]BOLHAS – [N2O]AR}

Fonte: Coelho et al. (2010)

Emissão de N2O de uma ETE de lodos ativados

Unidade da ETE Taxa de emissão g N2O dia-1

Contribuição %

Tanque de aeração 80 90 Recirculação de lodo 4,7 5 Digestor de lodo 2,4 3 Entrada de esgoto bruto-desarenador 1,2 1 Efuente 0,9 1 Decantador secundário <0,1 <<1%

Total 89 100

Fonte: Coelho et al. (2010)

Comparação de FE de N2O com outras ETEs do mundo

Rio de Janeiro FE = 13 g N2O usuário-1 ano-1

Coelho et al. (2010)

Durham (EUA) FE = 3,2 g N2O usuário-1 ano-1

Czepiel et al. (1995)/IPCC (2006)

Tóquio (Japão) FE = 0,6 g N2O usuário-1 ano-1

Hashimoto et al. (1999)

Caminhos a seguir para se atenuar as emissões de NH3 e N2O associados às descargas e tratamento de esgotos

O tratamento de esgotos reduz as emissões de NH3

Promover processos de redução de N nos efluentes de ETEs

Promover processos de tratamento de esgotos que maximizem a transformação do N em N2

CH2O + 2N2O CO2 + 2N2 + H2O