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UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO
CENTRO TECNOLÓGICO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA AMBIENTAL
THAIS CARDINALI REBOUÇAS
Estabilização e higienização de fezes humanas através
de compostagem em regime de batelada
VITÓRIA
2010
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THAIS CARDINALI REBOUÇAS
Estabilização e higienização de fezes humanas através de
compostagem em regime de batelada
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-
Graduação em Engenharia Ambiental da
Universidade Federal do Espírito Santo, como
requisito parcial para obtenção do Grau de
Mestre em Engenharia Ambiental, área de
concentração em Saneamento.
Orientador: Prof. Dr. Ricardo Franci Gonçalves.
VITÓRIA
2010
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THAIS CARDINALI REBOUÇAS
Estabilização e higienização de fezes humanas através de
compostagem em regime de batelada
Dissertação apresentada ao programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental da
Universidade Federal do Espírito Santo do Centro Tecnológico da Universidade Federal do
Espírito Santo, como requisição parcial para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia
Ambiental.
Aprovada em 26 de fevereiro de 2010
COMISSÃO EXAMINADORA
Prof. Dr. Ricardo Franci Gonçalves
Universidade Federal do Espírito Santo
Orientador
____________________________________________________
Prof. Dr. Sérvio Túlio Alves Cassini
Universidade Federal do Espírito Santo
Examinador Interno
Profª. Dr
a
Paula Loureiro Paulo
Universidade Federal de Mato Grosso do Sul
Examinador Externo
Dados Internacionais de Catalogação-na-publicação (CIP)
(Biblioteca Central da Universidade Federal do Espírito Santo, ES, Brasil)
Rebouças, Thais Cardinali, 1982-
R292e
Estabilização e higienização de fezes humanas através de
compostagem em regime de batelada / Thais Cardinali
Rebouças. – 2010.
103 f. : il.
Orientador: Ricardo Franci Gonçalves.
Dissertação (mestrado) – Universidade Federal do Espírito
Santo, Centro Tecnológico.
1. Fezes. 2. Compostagem. 3. Biodegradação. 4.
Saneamento ecológico. I. Gonçalves, Ricardo Franci. II.
Universidade Federal do Espírito Santo. Centro Tecnológico. III.
Título.
CDU: 628
Aos meus pais, Nuno e Leonor
e ao meu irmão, Caio
Agradecimentos
Aos meus pais, Nuno e Leonor, e ao meu irmão Caio pelo apoio incondicional, pelo
carinho, pela confiança e pelo incentivo em todos os momentos da minha vida.
Ao professor Ricardo pela oportunidade e orientação.
À banca examinadora: Prof
ª
Paula Loureiro Paulo e Prof. Sérvio Túlio Alves Cassini pela
disponibilidade e prontidão para contribuir com o trabalho.
Ao Laboratório Bioclínico e ao Laboratório Central da Secretaria Municipal de Saúde
de Vitória por cederem às amostras e colaborarem com o trabalho.
Aos bolsistas e estagiários do projeto, Karla Santos Limoeiro, Gabriel Hector Fontana,
Leonardo Zandonadi Moura, Thiago Nelo Morais, Gabriela Bianchi dos Santos e Camila
Procópio, pela coragem e pela valiosa ajuda.
Ao Núcleo de Bioengenharia aplicada ao Saneamento (Núcleo Água) e ao Laboratório
de Saneamento (LabSan) pelo suporte dado a esta pesquisa.
Ao PROSAB 5 pelo apoio financeiro concedido.
A CAPES pela bolsa de estudos.
Ao INCAPER – Instituto Capixaba de Pesquisa, Assistência Técnica e Extensão Rural
pela colaboração nas análises físico-químicas.
A Universidade Federal do Espírito Santo pelo apoio institucional.
“We can't solve problems by using the same kind of thinking
we used when we created them”.
Albert Einstein
Sumário
Capítulo 1
1 INTRODUÇÃO ......................................................................................................
18
2 OBJETIVOS ...........................................................................................................
19
2.1 Objetivo geral ...............................................................................................
19
2.2 Objetivos específicos .....................................................................................
19
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ....................................................................................
20
3.1 Saneamento básico no mundo ......................................................................
20
3.2 O problema nas áreas urbanas ......................................................................
22
3.3 As metas do milênio da ONU e o esforço a ser empreendido globalmente ....
24
3.4 As dificuldades de se atingir as metas do milênio com a tecnologia
convencional ............................................................................................................
25
3.5 Saneamento ecológico ..................................................................................
27
3.6 O ciclo hidrológico e o ciclo dos alimentos sob a ótica ECOSAN .....................
28
3.7 Gerenciamento de fezes no Saneamento Ecológico .......................................
31
3.7.1 Fezes: quantidade, composição e características ...............................................
31
3.7.2 Taxa de geração das fezes ...................................................................................
31
3.7.3 Nutrientes nas fezes ...........................................................................................
32
3.7.4 Outros componentes das fezes ...........................................................................
34
3.7.5 Organismos patogênicos nas fezes .....................................................................
35
3.7.6 Fatores que afetam o decaimento dos microrganismos .....................................
38
3.7.8 Processamento das fezes ....................................................................................
39
3.8 Diferentes opções para coleta, tratamento e aproveitamento agrícola de
fezes humanas .........................................................................................................
40
3.8.1 Opções de coleta de fezes humanas ...................................................................
41
3.8.2 Tratamento .........................................................................................................
47
3.8.2.1 Estocagem ...............................................................................................
47
3.8.2.2 Tratamento químico ................................................................................
48
3.8.2.3 Incineração ..............................................................................................
49
3.8.2.4 Compostagem .........................................................................................
49
Parâmetros de influência no desempenho da compostagem ............................
50
Temperatura ...................................................................................................................
50
Aeração ...........................................................................................................................
51
Umidade .........................................................................................................................
51
pH ...................................................................................................................................
52
Granulometria/ Estrutura ...............................................................................................
52
Relação Carbono/Nitrogênio ..........................................................................................
52
3.8.3 Aproveitamento agrícola das fezes .....................................................................
53
Capítulo 2
4 MATERIAIS E MÉTODOS ......................................................................................
55
4.1 Caracterização quali-quantitativa das fezes humanas ....................................
55
4.1.1 Coleta e amostragem ..........................................................................................
55
4.1.2 Análises físico-químicas e microbiológicas .........................................................
55
4.1.3 Análises estatísticas ............................................................................................
56
4.2 Compostagem ...............................................................................................
56
4.2.1 Coleta, amostragem e preservação das amostras ..............................................
56
4.2.2 Procedimento .....................................................................................................
56
4.2.3 Monitoramento da compostagem e análises físico-químicas .............................
58
4.2.4 Cálculo das taxas de energia ( ) e de evaporação da água ( ) .........................
60
4.2.5 Análises físico-químicas do composto final ........................................................
60
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO .................................................................................
61
5.1 Caracterização das fezes humanas .................................................................
61
5.1.1 Aspectos quantitativos ........................................................................................
61
5.1.2 Aspectos qualitativos ..........................................................................................
63
5.2 Comportamento da temperatura e microrganismos ......................................
64
5.3 Relação Carbono/Nitrogênio .........................................................................
72
5.4 Nitrogênio e pH .............................................................................................
73
5.5 Fósforo ..........................................................................................................
76
5.6 Umidade .......................................................................................................
76
5.7 Valores de e e degradação da matéria orgânica .....................................
78
5.8 Atividade biológica em termos de sólidos totais e sólidos voláteis ................
80
5.9 Características físico-químicas do composto produzido .................................
83
5.10 Observações visuais ......................................................................................
84
5.11 Inferência prática dos resultados obtidos para o reator 3 ..............................
85
6 CONCLUSÃO ........................................................................................................
87
7 RECOMENDAÇÕES ..............................................................................................
89
8 REFERÊNCIAS .......................................................................................................
90
ANEXOS ...............................................................................................................
97
RESUMO
O Saneamento Ecológico (Ecosan) se refere ao sistema de gestão de águas residuárias
focalizado no princípio de reciclar ao máximo a água e os nutrientes de volta a fonte
geradora. As fezes humanas obtidas após a segregação da urina possuem qualidades valiosas
para a melhoria do solo, entretanto, a principal preocupação na reciclagem dos seus
nutrientes é a associação desta fração a agentes patogênicos de origem entérica. A
compostagem é o tratamento mais comum para se obter a desinfecção das fezes quando se
tem por objetivo sua aplicação como condicionante do solo. Diante desta perspectiva, este
trabalho teve por objetivo estudar as características físico-químicas e biológicas das fezes
humanas, assim como caracterizar a sua produção e estudar o seu tratamento através da
compostagem buscando o desenvolvimento de soluções tecnológicas de saneamento
ecológico para as cidades. Para isso, a metodologia utilizada foi dividida em duas etapas: I.
caracterização quali-quantitativa das fezes e II. compostagem das fezes com aplicação de
três diferentes proporções de serragem. Os resultados da caracterização mostraram que a
produção per capita de fezes foi de 130 g/pessoa.dia, sendo observado que a média de
excreção de fezes entre homens e mulheres foi próxima. Em relação à caracterização físico-
química, a umidade média foi de 75% e 85% de sólidos voláteis e para os nutrientes como
nitrogênio e fósforo, as médias foram de 13 e 3,2 g/kg de fezes, respectivamente. No
aspecto microbiológico as concentrações de coliformes totais, termotolerantes e Escherichia
coli foram de 10
7
, 10
6
e 10
5
NMP/g, respectivamente. Quanto ao processo de compostagem,
foram obtidas temperaturas acima de 50°C e redução de E. coli a níveis não detectáveis. A
proporção de fezes e serragem de 30%, com uma relação C/N de 30/1 e teor de umidade na
faixa de 50%, foi a que apresentou melhor desempenho no processo, permanecendo 16 dias
em temperaturas termofílicas e 7 dias em temperatura de desinfecção (≥ 50°C). Além disso,
obteve as melhores porcentagens na redução de sólidos totais e voláteis, 64 e até 76%,
respectivamente. Conclui-se que as fezes humanas constituem um recurso de nutrientes
como N, P e K e apresentam potencial de reutilização podendo ser tratadas de forma mais
sustentável que nos tratamentos utilizados pelos sistemas convencionais de saneamento. A
compostagem com serragem mostrou-se uma alternativa viável para o tratamento e a
estabilização desse material.
ABSTRACT
Ecological Sanitation (Ecosan) refers to a system of wastewater management that focuses on
recycling water and nutrients back to their original source. The human faeces from urine
segregation contain valuable qualities to soil improvement, however the main concern of
this recycling process is the presence of a potential enteric pathogen found in faeces. For
this reason, composting is the most common treatment used to disinfect faeces and is used
as a soil conditioner. In this prospective, the objective of this paper is to study the physical
chemistry and biological characteristics of human faeces. Furthermore, this paper has
examined the production and treatment of composting and look into potential technological
solutions of ecosanitation in cities. This research has presented the methodology in two
phases: I. Faeces qualitative and quantitative characterization and II. Composting of faeces in
three different matrices with sawdust. The results have demonstrated a fecal production of
130 g/person/day with a comparable excretion average between men and women. The
results of the physical chemistry characterization demonstrated that the average content of
moisture was 75%, 85% of total solids and averages for nutrients such as nitrogen and
phosphorus were 13 and 3,2 g/kg of faeces respectively. The microbiologic test results
showed a concentration of total coliforms, thermotolerants and Escherichia coli at, 10
7
, 10
6
and 10
5
NMP/g respectively. Regarding the composting process, the temperatures were over
50°C and E.coli reduction was not recorded at detectable levels. The faeces and sawdust
proportion of 30% proved to be the best process performance, when kept in thermophilic
temperature for over 16 days and disinfected for 7 days at a temperature greater than 50°C.
Furthermore, these results indicated the best reduction in total and volatile solid content,
64% and up to 76%, respectively. Finally the human faeces are a nutrient source of N, P and
K and hence for this reason, demonstrate a potential to be reusable through sustainable
treatment as opposed to the conventional sanitation system currently under use.
Composting with sawdust as a raw material establishes a viable alternative to the treatment
and compost stabilization.
LISTA DE FIGURAS
Capítulo 1
Figura 1: Porcentagem de cobertura dos serviços de saneamento por região em 2006
(WHO, 2008) ...................................................................................................................
20
Figura 2: Porcentagem de cobertura de saneamento na área urbana e na área rural
em 2006 (Fonte: WHO, 2008) .........................................................................................
21
Figura 3: Porcentagem da população urbana e rural que praticam defecação a céu
aberto por regiões em 2006 (Fonte: WHO, 2008) ..........................................................
22
Figura 4: Separação das substâncias e exemplos de possíveis elementos do Ecosan
(adaptação GTZ, 2002) ....................................................................................................
28
Figura 5: Fluxo linear de nutrientes nos sistemas convencionais de tratamento de
esgotos (Fonte: GTZ) .......................................................................................................
29
Figura 6: Fluxo circular de nutrientes no Saneamento Ecológico (Fonte: GTZ) ..............
30
Figura 7: Esquema dos principais componentes de um sanitário de compostagem
(adaptado de Lopez Zavala et al., 2005). Legenda: 1- circulação de ar; 2- sanitário; 3-
tubo de exaustão; 4- exaustor de ar; 5-ventilador acionado a motor; 6- motor; 7-
reator de compostagem e 8- mecanismo de mistura .....................................................
41
Figura 8: Esquema de um Arborloo (adaptado de Morgan, 2007) ..................................
42
Figura 9: Esquema de uma Fossa Alterna (adaptado de Morgan, 2007) ........................
43
Figura 10: Câmaras do sanitário de desidratação das fezes (Fonte: ESF) .......................
44
Figura 11: Sanitário desidratador de câmara dupla do Vietnã .......................................
44
Figura 12: Sanitário com separação de fezes e urina. Ao lado esquerdo, o modelo
alemão e ao lado direito, o modelo sueco (Foto: L. Ulrich, 2009,
http://www.flickr.com/photos/gtzecosan) ....................................................................
45
Figura 13: Sanitário seco auto-coletor de câmara única, pré-fabricado e de uso
contínuo. Modelo da Sun Mar (Fonte: www.sun-mar.com) ...........................................
46
Figura 14: Sanitário seco centralizador, pré-fabricado e de uso contínuo. Modelo da
Sun Mar (Fonte: www.sun-mar.com) .............................................................................
46
Figura 15: Sanitário seco de construção local na cidade de Lima, no Peru (América
Latina) (Fonte: www.flickr.com/photos/gtzecosan) .......................................................
46
Figura 16: Sanitário seco de construção local na cidade de Ouagadougou, em Burkina
Faso (África) (Fonte: www.flickr.com/photos/gtzecosan) ..............................................
46
Figura 17: Modelo de sanitário seco pré-fabricado, do tipo centralizador, da EcoTech
Carousel (Fonte: www.ecological-engineering.com) ......................................................
47
Figura 18: Detalhe interno das múltiplas câmaras de compostagem do modelo de
Ecotech Carousel .............................................................................................................
47
Figura 19: Curva padrão da variação da temperatura durante o processo de
compostagem. Fonte: Fernandes; Silva, 1999 ................................................................
50
Capítulo 2
Figura 1: (a) Vaso sanitário seco utilizado para a coleta segregada das excretas e (b)
Vista interna do sanitário seco segregador de fezes e urina ..........................................
55
Figura 2: Detalhes do reator de compostagem. (1) Vista interna do reator; (2) tubo de
PVC instalado na base do reator e (3) tela para prevenir a entrada de insetos (Fotos:
Thais C. Rebouças, 2009) ................................................................................................
57
Figura 3: Preparação do material (fezes e serragem) para compostagem. (1) Pesagem
e mistura das fezes humanas; (2) mistura das fezes com a serragem; (3) transferência
da mistura para o reator de compostagem; (4) reator com o composto; (5) reator em
cima da bancada e (6) reatores utilizados no experimento (Fotos: Thais C. Rebouças,
2009) ...............................................................................................................................
58
Figura 4: Variação da temperatura ao longo do tempo para o reator 1 e da
temperatura ambiente (média, mínima e máxima dos cinco pontos de medição
dentro do reator para cada tomada) ..............................................................................
65
Figura 5: Variação da temperatura ao longo do tempo para o reator 2 e da
temperatura ambiente (média, mínima e máxima dos cinco pontos de medição
dentro do reator para cada tomada) ..............................................................................
66
Figura 6: Variação da temperatura ao longo do tempo para o reator 3 e da
temperatura ambiente (média, mínima e máxima dos cinco pontos de medição
dentro do reator para cada tomada) ..............................................................................
66
Figura 7: Mudanças para Coliformes total (log10 NMP/g) ao longo do tempo nos três
reatores ...........................................................................................................................
70
Figura 8: Mudanças para Escherichia coli (log10 NMP/g) ao longo de tempo nos três
reatores ...........................................................................................................................
70
Figura 9: Variação do pH durante a compostagem de fezes humanas ...........................
75
Figura 10: Aparência inicial do composto depois de misturar a serragem com as fezes
e o composto após 30 dias de compostagem (Fotos: Thais C. Rebouças, 2009) ............
77
Figura 11: Valores calculados da relação de energia (cal/g) e relação de água . As
linhas pontilhadas são os valores limites para compostos não funcionais .....................
79
Figura 12: Aparência do composto dos reatores 1 (a), 2 (b) e 3 (c) após 30 dias de
compostagem (Fotos: Thais C. Rebouças, 2009) ............................................................
85
Figura 13: Presença de fungos de cor esbranquiçada no reator 3 F/S 30% na terceira
semana do processo de compostagem (Foto: Thais C. Rebouças, 2009) .......................
85
Figura 14: Composição teórica das fezes e sua transformação durante o processo de
compostagem. Legenda: são os sólidos fixos; são os sólidos voláteis não
biodegradáveis; são sólidos voláteis biodegradáveis; são sólidos voláteis
biologicamente inertes e é a produção de sólidos fixos .........................................
86
LISTA DE TABELAS
Capítulo 1
Tabela 1: Taxa de geração de fezes humana (peso úmido), g/pessoa.dia, em
diferentes regiões e países .............................................................................................
32
Tabela 2: Estimativa de concentração de nutrientes excretados por ano por pessoa
em diferentes países (Fonte: adaptado de Jönsson e Vinnerås, 2004) ...........................
32
Tabela 3: Concentração de parâmetros físico-químicos de fezes humanas (em
g/p/dia) ...........................................................................................................................
33
Tabela 4: Concentração de metais pesados nas fezes humanas ....................................
34
Tabela 5: Principais organismos patogênicos excretados nas fezes humanas ...............
35
Tabela 6: Fatores que afetam o decaimento de microrganismos entéricos (adaptado
de Schönning e Stenström, 2004) ...................................................................................
38
Tabela 7: Quantidade de nutrientes (N, P e K) requerida (em kg/ano) para produzir
250 kg de milho (Wolgast, 1993) ....................................................................................
54
Capítulo 2
Tabela 1: Condições experimentais dos três testes de compostagem de fezes
humanas com serragem ..................................................................................................
57
Tabela 2: Parâmetros, métodos, referências, frequência de análise e observações
referentes à compostagem .............................................................................................
58
Tabela 3: Taxa de geração de fezes humana (peso úmido), g/pessoa.dia ................
61
Tabela 4: Taxa de geração de fezes humana (peso úmido), g/pessoa.dia, em
diferentes países e regiões ......................................................................................
61
Tabela 5: Valores médios da caracterização físico-química das fezes coletadas nos
sanitários segregadores (valor médio ± desvio padrão) comparados aos dados da
literatura .........................................................................................................................
63
Tabela 6: Concentração de coliformes total e Escherichia coli (NMP/g) nos reatores 1,
2 e 3 durante 4 semanas de compostagem ....................................................................
68
Tabela 7: Valores de para o decaimento de patógenos durante 30 dias de
compostagem de fezes humanas ....................................................................................
69
Tabela 8: Relação C/N inicial e após 30 dias de compostagem para três proporções de
serragem estudadas ........................................................................................................
72
Tabela 9: Concentração inicial e final de nitrogênio no composto para as três relações
de F/S, em porcentagem e concentração, e a porcentagem de perda do nutriente
durante a compostagem de fezes humanas comparado com a literatura .....................
74
Tabela 10: Características físico-químicas iniciais dos compostos provenientes das
três relações de F/S estudadas (o tempo inicial foi considerado os sete primeiros
dias) .................................................................................................................................
78
Tabela 11: Valores médios da variação dos parâmetros físico-químicos durante o
tempo de compostagem para os reatores 1, 2 e 3 com diferentes porcentagens de
serragem .........................................................................................................................
81
Tabela 12: Características físico-químicas do composto obtido para as três
proporções de F/S estudadas após o processo de compostagem comparado com a
literatura .........................................................................................................................
84
LISTA DE QUADROS
Capítulo 1
Quadro 1: Objetivo, metas e indicadores para a sustentabilidade ambiental do
planeta ............................................................................................................................
25
Quadro 2: Revisão de literatura sobre a relação temperatura-tempo na inativação de
patógenos .......................................................................................................................
37
LISTA DE SIGLAS
ANA
Agência Nacional das Águas
C/N
Relação Carbono / Nitrogênio
CT
Coliformes total
DQO
Demanda química de oxigênio
DBO
5
Demanda bioquímica de oxigênio em cinco dias
ECOSAN
Saneamento Ecológico
Eq.
Equação
ES
Espírito Santo
ETE-UFES
Estação de Tratamento de Esgotos da Universidade Federal do Espírito Santo
F/S
Relação fezes/serragem
GTZ
Sede Social de Cooperação Técnica Alemã
g
Grama
g/kg
Grama/Kilograma
h
Hora
IBGE
Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística
kg
Kilograma
LABSAN
Laboratório de Saneamento da Universidade Federal do Espírito Santo
L
Litro
mm³
Milímetro cúbico
mm
Milímetro
Min
Mínimo
Max
Máximo
NMP/g
Número mais provável por grama
NMP/100mL
Número mais provável por 100 mL
NTK
Nitrogênio total
Núcleo Água
Núcleo de Bioengenharia aplicada ao Saneamento da UFES
ONU
Organização das Nações Unidas
PESB
Parque Experimental de Saneamento Básico da UFES
PNSB
Pesquisa Nacional de Saneamento Básico
pH
Potencial hidrogeniônico
PROSAB
Programa de Pesquisa em Saneamento Básico
ST
Sólidos Totais
SV
Sólidos Voláteis
SF
Sólidos Fixos
SUS
Sistema Único de Saúde
T
Temperatura
Temp Mín
Temperatura Mínima, °C
Temp Máx
Temperatura Máxima, °C
Temp Média
Temperatura Média, °C
Temp Amb
Temperatura Ambiente Média, °C
UNICEF
Fundo das Nações Unidas para a Infância
UFES
Universidade Federal do Espírito Santo
WHO
Organização Mundial de Saúde
LISTA DE SÍMBOLOS
%
Porcentagem
°C
Grau Celsius
18
Capítulo 1
________________________________________________________
1 Introdução
A falta de acesso a instalações sanitárias adequadas e a eliminação de forma imprópria das
excretas humanas geram sérias implicações para a saúde humana e o meio ambiente. Em
todo o mundo, estima-se que 2,5 bilhões de pessoas defecam a céu aberto ou em locais
insalubres (WHO, 2008).
Várias conferências e reuniões têm sido realizadas para buscar soluções que possam atenuar
o problema. Nesse sentido, destaca-se a Cúpula do Milênio, reunião realizada pela
Organização das Nações Unidas em setembro de 2000, da qual se originou a Declaração do
Milênio. Dentre as metas estabelecidas no documento para fomentar o desenvolvimento
sustentável, destaca-se o objetivo de fornecer até 2015 o acesso à água potável e ao
saneamento básico a pelo menos metade da população do mundo sem essas condições em
1990. Para alertar quanto ao cumprimento das metas, a ONU declarou 2008 como o Ano
Internacional do Saneamento, buscando a atenção global para o tema.
O sanitário compostável (composting toilet), também conhecido por banheiro seco (dry
toilet), é amplamente discutido como uma opção adequada para cumprir a meta firmada
pela ONU, em função de ser uma tecnologia simples e de baixo custo. Além disso, o relatório
da WHO (2008) aponta o sanitário compostável como uma das melhorias aos serviços de
saneamento que asseguram a separação higiênica das excretas do contato humano.
As características básicas do sanitário compostável são a segregação entre as fezes e a urina
e a posterior coleta das fezes, permitindo a ciclagem de nutrientes e prevenindo a dispersão
descontrolada de patógenos e de contaminantes. Enquanto a urina contém poucos
patógenos e pode ser facilmente desinfetada por estocagem (Höglund, 2001; Schönning;
Stenström, 2004), as fezes apresentam risco higiênico por conter possíveis organismos
patogênicos. Uma vez separadas, é possível mitigar as impurezas e aproveitar todos os
nutrientes presentes nas excretas.
Os riscos à saúde pela deficiência de sistemas de saneamento básico são principalmente
provocados pela falta de tratamento das fezes. Portanto, a sua coleta e o seu tratamento
são de grande importância para a conservação da saúde de qualquer comunidade,
sobretudo daquelas que utilizam as excretas humanas na agricultura.
A compostagem é o tratamento mais comum para se obter a desinfecção das fezes. Consiste
em um processo de bio-oxidação de um composto orgânico por um conjunto de
microrganismos, que tem por resultado final água, CO
2
e matéria orgânica estabilizada.
Pesquisas demonstram que o calor gerado pelas bactérias durante a oxidação decompõe o
composto orgânico e desativa patógenos derivados do trato intestinal de humanos
(Vinnerås, 2007; Niwagaba et al., 2009). No entanto, até a presente data, dados sobre
19
tratamentos eficazes, simples e de baixo custo para reúso de fezes humanas com segurança
são escassos na literatura.
2 Objetivos
2.1 Objetivo Geral
Estudar as características físico-químicas e biológicas das fezes humanas, assim como
caracterizar a sua produção e estudar o seu tratamento através da compostagem buscando
o desenvolvimento de soluções tecnológicas alternativas de saneamento ecológico para as
cidades.
2.2 Objetivos específicos
Caracterizar quantitativamente as fezes humanas e qualitativamente sob o ponto de
vista físico-químico e biológico.
Estudar a influência das relações C:N:P e da umidade na higienização de patógenos e
na estabilização do composto.
Avaliar as características do composto produzido a partir do tratamento de fezes
humanas por compostagem.
Estimar parâmetros de dimensionamento e de operação de bacias compostadoras de
fezes.
20
3 Revisão bibliográfica
3.1 Saneamento básico no mundo
O saneamento básico é de vital importância para a saúde humana e além de gerar benefícios
econômicos e sociais, ainda previne a poluição ambiental. No entanto, apenas 62% da
população mundial têm acesso adequado ao saneamento, ou seja, utilizam uma instalação
de saneamento básico que garante a separação higiênica das excretas do contato humano.
Dos 38% da população mundial que não têm acesso, ou seja, 2,5 bilhões de pessoas, 8%
dividem as mesmas instalações com uma ou mais famílias, outros 12% têm acesso a formas
de saneamento que não garantem a separação higiênica das excretas humanas do seu
contato e os 18% restantes da população praticam a defecação a céu aberto (WHO, 2008). O
problema é mais grave em países como a Índia, em muitos países da África e em alguns da
América Latina (Figura 1).
Figura 1: Porcentagem de cobertura dos serviços de saneamento por região em 2006 (WHO, 2008).
Cerca de 90% do esgoto gerado no mundo todo são despejados no meio ambiente com
pouco ou nenhum tratamento (Esrey et al., 2001). Mais de 40 mil pessoas morrem toda
semana por consumirem água poluída pela contaminação das fezes. No ano de 2006, a taxa
de mortalidade relacionada a doenças causadas pela falta de saneamento atingiu 2,2
milhões de pessoas. Mais de 2 bilhões de pessoas foram infectadas com vermes parasitas,
em sua maioria crianças com menos de 5 anos e com 300 milhões dessas sofrendo de
doenças (Werner et al., 2004).
Entre 1990 e 2006, a porcentagem de pessoas sem saneamento básico diminuiu apenas 8
pontos. Com base nas tendências atuais, até 2015 o mundo não atingirá a meta proposta
0
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40
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Comunidade dos
Estados Independentes
Ásia Ocidental
América Latina e Caribe
África do Norte
Sudeste da Ásia
Ásia Oriental
Oceania
Sul da Ásia
África Subsaariana
Regiões em
desenvolvimento
Regiões desenvolvidas
Mundo
89
84
79
76
67
65
52
33
31
53
99
62
% de cobertura
21
pela Declaração do Milênio e terá diminuído ligeiramente desde 1990 para 2,4 bilhões o
número de pessoas que não têm acesso adequado ao saneamento. Para atingir a meta, em
média, 173 milhões de pessoas por ano teriam que começar a utilizar os serviços de
saneamento (WHO, 2008).
Em relação às diferenças entre a cobertura em áreas urbanas e rurais, a cobertura do
saneamento em áreas urbanas no mundo todo aumentou para 79%, enquanto nas áreas
rurais atingiu 45%. A discrepância entre a cobertura de saneamento nas áreas urbanas em
relação às áreas rurais é grande (Figura 2). Ela não atende nem à metade da cobertura das
áreas urbanas, sendo que 80% das pessoas que necessitam de saneamento apropriado
habitam as áreas rurais. A maior disparidade entre a cobertura de saneamento urbano e
rural é encontrado na Oceania, na América Latina e Caribe e sul da Ásia. A diferença entre as
duas zonas é menor na Ásia Oriental, mas mesmo assim a diferença chega a 15%.
Entre os anos 90 e 2006, o número de pessoas com acesso aos serviços de saneamento
aumentou bastante. Aproximadamente 815 milhões conseguiram acesso ao abastecimento
de água e 747 milhões conseguiram acesso a instalações de saneamento, entretanto, os
aumentos percentuais de cobertura parecem modestos devido ao crescimento da população
mundial (WHO, 2008).
O rápido crescimento populacional nas áreas urbanas representa um desafio, pois o número
de habitantes urbanos com saneamento básico aumentou, porém não acompanhou o ritmo
de crescimento da população urbana de 956 milhões de pessoas. Essa situação ocorre,
sobretudo, nos cinturões de misérias das grandes cidades, onde ocorre a aglomeração de
pessoas em espaços mínimos com higiene deficiente e precária.
Figura 2: Porcentagem de cobertura de saneamento na área urbana e rural em 2006 (Fonte: WHO, 2008).
0
20
40
60
80
100
Comunidade dos
Estados Independentes
Ásia Ocidental
África do Norte
América Latina e Caribe
Oceania
Sudeste da Ásia
Ásia Oriental
Sul da Ásia
África Subsaariana
Regiões em
desenvolvimento
Regiões desenvolvidas
Mundo
94
81
94
64
90
59
86
52
80
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58
74
59
57
23
42
24
71
39
100
96
79
45
% de cobertura
Urbano
Rural
22
A defecação a céu aberto é a maior rota de contaminação de doenças entéricas e
parasitárias e é o último recurso para aquelas pessoas sem qualquer forma de saneamento
básico. Além disso, a prática representa um risco sanitário para quem vive nas proximidades,
outros indivíduos e o meio ambiente podem ser afetados através do contato direto e
também por caminhar descalço. Adicionalmente, as fontes de água superficial podem ser
altamente afetadas. Essa prática diminuiu nas regiões em desenvolvimento, passando de
31% em 1990 para 23% em 2006 (Figura 3). Apesar da queda em termos percentuais, o
crescimento da população significa que o número de pessoas que hoje praticam a defecação
a céu aberto pouco mudou desde 1990 (WHO, 2008). A relativamente alta proporção da
população rural na América Latina e Caribe (23%) e na Ásia Oriental (14%) é notável
especialmente em contraste com as áreas urbanas destas regiões.
Figura 3: Porcentagem da população urbana e rural que praticam defecação a céu aberto por regiões em
2006 (Fonte: WHO, 2008).
Em todo o mundo são 1,2 bilhões de pessoas sem acesso a banheiro de forma adequada,
sendo que o Brasil ocupa o oitavo lugar no ranking mundial com cerca de 18 milhões de
pessoas vivendo nessas condições, ficando atrás de países como Índia, China, Etiópia e
Paquistão (WHO, 2008).
3.2 O problema nas áreas urbanas
Nas próximas décadas, estima-se que a população mundial alcançará mais de 8 bilhões de
pessoas, das quais 5 bilhões viverão em áreas urbanas. A previsão é que mais da metade da
população mundial sofrerá com escassez de água e 40% da população urbana poderão estar
vivendo em favelas (Esrey et al., 2004).
0
20
40
60
80
Sul da Ásia
África
Subsaariana
Sudeste da Ásia
América Latina e
Caribe
Ásia Ocidental
África do Norte
Ásia Oriental
Regiões em
desenvolvimento
Mundo
15
63
8
39
10
24
2
23
0
14
0
9
4
2
7
35
5
31
% de cobertura
Urbano
Rural
23
A consequência do crescimento populacional, sobretudo do crescimento urbano, é o
possível aumento drástico do uso de água para consumo humano e a consequente geração
de esgotos, que, destinados inadequadamente a mananciais, causam a degradação
progressiva dos corpos d’água e geram problemas de saúde pública.
De acordo com estudos feitos pelo WHO e pelo UNICEF (2001), o número de residentes em
áreas urbanas sem acesso a fontes de água aumentou de 113 milhões em 1990 (5% da
população urbana mundial) para 173 milhões em 2000 (6% da população urbana mundial).
Existem grandes diferenças nos modelos de cidades distribuídos ao redor do mundo. As
áreas urbanas variam de grandes metrópoles a pequenos centros de comércio. Por isso,
generalizações entre elas são complicadas, pois cada uma tem seu próprio cenário social,
político e econômico.
O desenvolvimento de cidades sem adequado planejamento ambiental acarreta prejuízos
significativos para a sociedade. O crescimento urbano tem ainda como consequência o
aumento da poluição doméstica e industrial, levando a condições ambientais inadequadas e
proporcionando o desenvolvimento de doenças e a contaminação das águas subterrâneas,
entre outras consequências.
No Brasil, de acordo com dados do último censo (IBGE, 2007), da população de quase 185
milhões de pessoas existentes, perto de 149 milhões vivem nas cidades. Os efeitos desta
realidade são sentidos sobre todo o aparato urbano relativo aos recursos hídricos, ao
abastecimento de água e ao tratamento de esgotos, entre outros.
Segundo o Atlas de Saneamento do IBGE, que teve como base os dados da Pesquisa
Nacional de Saneamento Básico (PNSB), divulgado em 2002, combinado com informações do
Censo de 2002 e de instituições do governo e das universidades, cerca de 80% da população
brasileira é atendida por rede de abastecimento de água, 60% da população brasileira não
tem acesso à rede coletora de esgotos e apenas 20% do esgoto gerado no País recebe algum
tipo de tratamento. Sendo que apenas 40% do volume de esgoto coletado são tratados. O
panorama apresentado é comum a outros países em desenvolvimento, onde a infraestrutura
de água e esgoto urbana não atende a maior parcela da população (Kansiime e Nalubega,
1999; Baumeyer, 2003; Barreto Dillon, 2005; Gibbs, 2005; Früh, 2006; GTZ, 2008).
O crescimento urbano localiza-se, quase sempre, em assentamentos irregulares onde os
municípios não desejam ou não podem fornecer serviços de água potável, esgoto, drenagem
e coleta de lixo. O tratamento efetivo das águas residuárias é tão caro que em raras vezes se
realiza, sobretudo em áreas urbanas em crescimento dos países em desenvolvimento.
Os líderes e as comunidades enfrentam atualmente duas opções: expandir os sistemas de
saneamento existentes, com todas as suas limitações e debilidades, ou buscar soluções
inteiramente novas. Os enfoques atuais de saneamento não são todos viáveis e acessíveis
para a grande maioria das pessoas, nem oferecem uma solução orientada para tornar uma
sociedade sustentável.
24
3.3 As metas do milênio da ONU e o esforço a ser empreendido globalmente
As condições resultantes de sistemas de saneamento centralizados levaram a partir da
década de 60 do século XX a um considerável desenvolvimento da consciência ambiental das
pessoas e à promoção de novas medidas e abordagem para a destinação e o tratamento dos
resíduos humanos. Os primeiros eventos internacionais voltados para a discussão sobre a
relação homem-ambiente, como é o caso da Conferência das Nações Unidas sobre Meio
Ambiente e Desenvolvimento, ocorrida em 1992 no Rio de Janeiro – ECO-92 e em setembro
de 2002, a Conferência RIO+10, realizada em Johannesburgo, na África do Sul foram
fundamentais neste processo.
A preocupação com o saneamento foi reiterada pelas Metas de Desenvolvimento do Milênio
em uma das metas que propõem que cada pessoa deve ter o acesso à água adequada e
segura, saneamento e higiene apropriada até 2025 (Quadro 1).
A Agenda do Milênio resulta de um compromisso focado no desenvolvimento humano
global, assumido entre 189 líderes mundiais durante a realização da Cúpula do Milênio das
Nações Unidas, em setembro de 2000. Tal compromisso resultou na Declaração do Milênio
das Nações Unidas, documento que consolidou várias metas estabelecidas nas conferências
mundiais ocorridas ao longo dos anos 90, estabelecendo um conjunto de objetivos para o
desenvolvimento e a erradicação da pobreza no mundo – os chamados Objetivos de
Desenvolvimento do Milênio (ODM) – que devem ser adotados pelos estados membros das
Nações Unidas e serem atingidos até 2015.
Oito objetivos gerais foram identificados: 1- erradicar a extrema pobreza e a fome; 2- atingir
o ensino básico universal; 3- promover a igualdade de gênero e a autonomia das mulheres;
4- reduzir a mortalidade infantil; 5- melhorar a saúde materna; 6- combater o HIV/AIDS, a
malária e outras doenças; 7- garantir a sustentabilidade ambiental; 8- estabelecer uma
parceria mundial para o desenvolvimento. A partir destes oito objetivos internacionais
comuns, 18 metas e 48 indicadores foram definidos para possibilitar uma avaliação uniforme
dos ODM nos níveis global, regional e nacional.
Para se alcançar os Objetivos do Milênio, é necessário somar esforços em todos os setores:
nos três níveis de governo, na iniciativa privada e na sociedade civil. E para solucionar o
problema é preciso encorajar iniciativas e lideranças locais e promover sistemas de
saneamento descentralizados. Várias são as medidas e tecnologias que podem ser utilizadas
neste processo, sendo algumas destas os sanitários segregadores de fezes e urina e os
sanitários que utilizam o processo de compostagem para o tratamento das excretas (Werner
et al., 2004).
25
Quadro 1: Objetivo, metas e indicadores para a sustentabilidade ambiental do planeta.
Objetivo
Metas
Indicadores
7- Garantir
Sustentabilidade
Ambiental
Integrar os princípios do
desenvolvimento sustentável
nas políticas e programas
nacionais e inverter a perda de
recursos ambientais.
7.1 Proporção de áreas terrestres cobertas por
florestas
7.2 Emissão de CO
2
per capita
7.2 Emissão de CO
2
por cada dólar PPC do PIB
7.3 Consumo de substancias que degradam a
camada de ozônio
7.4 Proporção de peixes dentro de limites biológicos
seguros
7.5 Proporção do total de recursos hídricos utilizada
Reduzir a perda de diversidade
biológica e alcançar, até 2010,
uma redução significativa na
taxa de perda.
7.6 Proporção de áreas terrestres e marinhas
protegidas
7.7 Proporção de espécies ameaçadas de extinção
Reduzir pela metade, até 2015,
a proporção da população sem
acesso permanente e
sustentável a água potável
segura e esgotamento sanitário.
7.8 Proporção da população com acesso a uma
fonte de água tratada
7.9 Proporção da população com acesso a melhores
condições de esgotamento sanitário
Até 2020, ter alcançado uma
melhora significativa nas vidas
de pelo menos 100 milhões de
habitantes de bairros
degradados.
7.10 Proporção da população urbana vivendo em
assentamentos precários
3.4 As dificuldades de se atingir as metas do milênio com a tecnologia convencional
As estações de tratamento centralizado de esgoto são uma solução eficiente para os graves
problemas de poluição relacionados ao despejo de esgoto sem tratamento e requerem uma
capacidade relativamente pequena de tratamento por habitante (Otterpohl et al., 1997).
Entretanto, o desperdício do recurso hídrico do sistema convencional (centralizado) é muito
alto. Estima-se que 99,9% do esgoto doméstico são constituídos por água e apenas 0,1% por
sólidos grosseiros, sedimentáveis e dissolvidos, estes últimos contendo os nutrientes (Von
Sperling, 2005). Apesar de esta fração ser pequena, a disposição “in natura” dos esgotos nos
corpos hídricos causa eutrofização, devido ao conteúdo de nutrientes como fósforo e
26
nitrogênio, e leva à contaminação, por conta de efluentes industriais que contenham
elementos tóxicos. Porém o tratamento convencional é insuficiente para a remoção dos
nutrientes presentes no esgoto.
As estações de tratamento centralizado de esgoto têm sido bem sucedidas no escoamento
das excretas, entretanto, são poucas as pessoas que têm acesso aos serviços de rede
coletora. O modelo de saneamento baseado no escoamento das excretas humanas foi
projetado e construído com a premissa de que esses materiais são resíduos para serem
eliminados e que o ambiental natural é capaz de assimilar este desperdício.
No entanto, esses modelos não conseguiram resolver as necessidades sanitárias dos países
em desenvolvimento. Os investimentos anuais para esses sistemas de esgoto têm sido
estimados em 30 bilhões de dólares e até 2015 podem chegar a 75 bilhões de dólares. Esses
valores não incluem os custos de manutenção. Isso custaria de 150 a 215 bilhões de dólares
para garantir a cobertura integral dos serviços de saneamento até 2010 na União Europeia e
nos Estados Unidos pode custar para controlar a poluição, nos próximos 20 anos, 325
bilhões com 200 bilhões para tratamento de esgotos sanitários (Esrey et al., 2001). Portanto,
os sistemas convencionais de tratamento de esgoto estão se tornando cada vez mais caros e
menos aplicáveis aos países em desenvolvimento. Essas cifras são inviáveis para os países
pobres.
Além da questão financeira, existem também problemas quanto à questão ambiental. O
abastecimento de água regular é necessário para a descarga. Para descartar cerca de 35 kg
de fezes e 500 litros de urina que cada indivíduo produz por ano, são gastos 15 mil litros de
água potável e tratada por pessoa por ano, consumidos na utilização de bacias sanitárias
dotadas de descarga convencional. Este alto volume de água é desaconselhável para os
países que enfrentam a escassez de água, sendo que aproximadamente 20 a 40% do
consumo de água em cidades que utilizam o sistema centralizado de esgoto são devidos as
descargas sanitárias (Gardner, 1997). Sabe-se ainda que 90% dos esgotos nos países em
desenvolvimento são despejados sem tratamento nos corpos d’água, poluindo rios, lagos e
regiões costeiras, causando dessa forma a propagação de doenças.
Os números expressam que o sistema centralizado e convencional de tratamento de esgotos
é insustentável sob os pontos de vista financeiro e ambiental, sobretudo para cidades onde a
água é um recurso escasso e para os países em desenvolvimento.
A solução convencional para as pessoas de baixa renda nos países em desenvolvimento são
as fossas, que também apresentam deficiências, especialmente em áreas densamente
povoadas, onde o espaço é limitado. Elas não podem ser utilizadas em áreas com solo
impermeável, lençol freático alto, nem em locais onde as enchentes são um problema, pois
há um risco evidente de que as águas subterrâneas sejam contaminadas com organismos
patogênicos provenientes das excretas humanas, ameaçando o abastecimento de água
(Esrey et al., 1998). Além disso, como em outras soluções de saneamento que não são
devidamente construídas e gerenciadas, as fossas são desprezadas por conta dos maus
odores e da presença de moscas.
No entanto, deve-se reconhecer que o saneamento convencional combinado com a
melhoria do abastecimento de água e educação para a saúde, milhões de vida foram salvas e
27
o número de doenças foi reduzido nas áreas rurais e peri-urbana da África, Ásia e América
Latina.
Entretanto, os sistemas convencionais de redes de esgotos e as estações de tratamento
centralizado não devem ser considerados como única solução tecnológica possível para o
saneamento. Os sistemas que possuem controle na fonte podem reduzir os problemas da
tecnologia “fim de tubo”, através da avaliação das diferentes qualidades do efluente nas
fontes e aplicando o tratamento apropriado com vistas ao reúso (Otterpohl et al., 1997).
3.5 Saneamento ecológico
Os conceitos convencionais centralizados para o abastecimento de água e esgoto, utilizados
por anos em países industrializados, implicam em altos custos e elevado consumo de água,
os quais não são apropriados como solução sustentável em países em desenvolvimento.
Alternativas aos sistemas convencionais estão se tornando cada vez mais indispensáveis por
razões ecológicas, econômicas e sociais. Essas novas alternativas devem considerar o reúso
da água, bem como a reciclagem dos nutrientes.
Assim, nas últimas décadas, recursos e esforços têm sido investidos ao redor do mundo em
uma nova abordagem em relação à questão do saneamento. Nesse sentido, possui destaque
o Saneamento Ecológico, ou ECOSAN, que consiste em um conjunto de tecnologias e
procedimentos baseados em alguns princípios fundamentais, como (Werner et al., 2003):
Economizar água;
Prevenir a contaminação das águas superficiais e subterrâneas;
Converter as excretas humanas em material seguro;
Utilizar na agricultura as excretas convertidas em material seguro.
O termo Saneamento Ecológico ainda não está totalmente definido. De qualquer forma,
alguns autores concordam que sistemas de saneamento ecológico são aqueles que incluem
tratamento de excreta e seu manuseio seguro para produzir fertilizantes naturais e reúso
dos nutrientes das excretas para a produção de alimento (Esrey et al., 2004; EcosanRes,
2005; Morgan, 2005; Schönning e Stenström, 2005).
Idealmente, esses sistemas permitem a recuperação completa de todos os nutrientes das
fezes e da urina. Dessa forma, o Saneamento Ecológico é frequentemente usado para se
referir ao ciclo fechado, que inclui a reutilização dos nutrientes, ao contrário do saneamento
convencional de fluxo linear.
Para a aplicação do Saneamento Ecológico, deve-se inicialmente separar os fluxos dos
diferentes tipos de efluentes domésticos de acordo com suas características, visando
reutilizá-los ou minimizá-los para reduzir sua liberação ao meio ambiente (Esrey et al., 1998).
Segundo Otterpohl (2001), o esgoto sanitário gerado nas residências pode ser segregado da
seguinte forma:
Águas negras (blackwater): efluente proveniente dos vasos sanitários, incluindo
fezes, urina e papel higiênico;
28
Água cinza (greywater): águas servidas, excluindo o efluente dos vasos sanitários;
Águas amarelas: representando somente a urina.
Águas marrons: representando somente as fezes.
A Figura 4 apresenta um diagrama de soluções de tratamento e disposição final para os
efluentes domésticos citados.
Figura 4: Separação das substâncias e exemplos de possíveis elementos do Ecosan (adaptação GTZ, 2002).
A caracterização desses diferentes tipos de águas residuárias domésticas é de fundamental
importância para o sucesso dos projetos de reúso, pois, quanto mais informações forem
obtidas do efluente, mais adequada será a decisão em relação ao tratamento que atenda
aos requisitos de qualidade exigidos para o fim desejado.
Para Esrey et al. (2001), existem duas características básicas nos projetos de saneamento
ecológico. Uma delas é a separação da urina, evitando-se que ela se misture com as fezes, e
a outra combina a urina com as fezes e as transforma em húmus através do processo de
compostagem. Em ambos os casos, é possível gerenciar a excreta com pouca ou nenhuma
água, além de mantê-la longe do solo e das águas superficiais e subterrâneas. Se as fezes
forem separadas da urina, facilita o tratamento de forma ecológica, sem o uso de agentes
químicos poluidores e sem necessidade de processos caros nem de estações de tratamento
dispendiosas. Em outras palavras, estes projetos estão relacionados a dois princípios básicos
do tratamento dos resíduos: (1) lidar com o problema o mais próximo possível da fonte e (2)
evitar efluentes diluídos, isto é, em um lugar onde seja possível manter o material
nitrogenado em uma forma suficientemente sólida ou concentrada para ser utilizado em
alguma atividade humana apropriada, como a agricultura (Davison et al., 2006).
3.6 O ciclo hidrológico e o ciclo dos alimentos sob a ótica ECOSAN
Atualmente, o sistema convencional de uso da água apresenta um ciclo imperfeito. Os
sistemas convencionais de saneamento produzem um fluxo linear de materiais, causando
acumulação e mistura do ciclo da água com o ciclo de alimentos (Figura 5) (Otterpohl et al.,
29
1997). Esse sistema adota a premissa de que os nutrientes eliminados nas excretas humanas
são resíduos sem valor e, por isso, devem ser descartados (Esrey et al., 1998).
Figura 5: Fluxo linear de nutrientes nos sistemas convencionais de tratamento de esgotos (Fonte: GTZ).
Outra desvantagem do sistema convencional é a utilização de grandes volumes de água para
o transporte dos resíduos nas redes de coleta. O sistema mistura quantidades
comparativamente pequenas de substâncias potencialmente prejudiciais com grandes
quantidades de água, aumentando a magnitude do problema (Langergraber e Muellegger,
2005).
Se por um lado os problemas urgentes relacionados à higiene são solucionados, por outro,
os impactos ambientais nos recursos hídricos utilizados para o suprimento de água potável
são enormes (Otterpohl et al., 2004).
30
O saneamento ecológico é um caminho alternativo para evitar as desvantagens de um
sistema convencional de esgoto. O paradigma do Saneamento Ecológico é baseado nos
caminhos naturais dos ecossistemas e no ciclo fechado de materiais (Figura 6). No ECOSAN,
as excretas humanas, fezes e urina, bem como as demais águas residuárias domésticas, são
reconhecidas como um recurso, e não como um resíduo, e podem ser disponibilizadas para
o reúso (Langergraber e Muellegger, 2005).
Figura 6: Fluxo circular de nutrientes no Saneamento Ecológico (Fonte: GTZ).
A segregação das águas negras, sobretudo com baixa diluição e, idealmente, o tratamento
das fezes secas é parte integrante do ciclo, pois essa prática promove a preservação das
águas de melhor qualidade para fins potáveis, fornece o potencial para a conversão em
fertilizante natural seguro ou condicionador de solo, diminui o uso dos produtos sintéticos, e
reduz a poluição no meio ambiente, prevenindo a disseminação de patógenos e outros
poluentes nas águas receptoras.
31
3.7 Gerenciamento de fezes no Saneamento Ecológico
3.7.1 Fezes: quantidade, composição e características
As fezes contêm principalmente água, bactérias, nutrientes e resíduos alimentares. Elas
também podem conter elevadas concentrações de vírus patogênicos, cistos de protozoários
e ovos de helmintos (Faechem et al., 1983).
Em condições normais, as fezes consistem em cerca de ¾ de água e ¼ de substâncias sólidas.
A fração sólida é constituída por cerca de 30% de bactérias mortas, 10 a 20% de gordura, 10
a 20% de matéria inorgânica, 2 a 3% de proteína e 30% de resíduos não-digeridos (fibras de
celulose, hemicelulose e pectinas) e constituintes secos dos sucos digestivos, como
pigmentos biliares e células epiteliais descamadas (Guyton e Hall, 2002; Aires, 2008).
3.7.2 Taxa de geração das fezes
As fezes em peso é a menor das frações de resíduos biodegradáveis produzidos em uma
residência. A quantidade de fezes excretadas diariamente pelo corpo humano depende da
composição do alimento consumido, da idade do indivíduo, do metabolismo, da saúde física,
dentre outros. Por exemplo, carne e outros alimentos com pouca fibra produzem menor
volume (e massa) que alimentos com elevada quantidade de fibras (Guyton, 1992). A taxa de
geração de fezes também varia de acordo com a região e a condição econômica da
população em estudo, dentre outros fatores.
A produção anual de fezes situa-se entre 30 e 40 kg (em massa úmida) por pessoa em países
desenvolvidos, o que corresponde a uma fração de matéria seca de 10 a 15 kg (Schouw et
al., 2002; Jönsson e Vinnerås, 2004; Jönsson et al., 2005; Vinnerås et al., 2006). Otterpohl
(2002) amplia a faixa e cita que cerca de 25 a 50 kg de fezes (base para peso úmido) são
produzidos por pessoa por ano.
Em termos diários, há amplas faixas. A produção de fezes situa-se entre 70-520 g/pessoa.dia
em peso úmido (Missar, 1997; Wijst e Groot-Marcus, 1998, apud Nordin, 2007).
A Tabela 1 apresenta dados de taxa de geração de fezes obtidos em diferentes países por
diversos autores.
32
Tabela 1: Taxa de geração de fezes humana (peso úmido), g/pessoa.dia, em diferentes regiões e países.
País ou Região
Produção (g/pessoa.dia)
Referências
Média mundial
150
Del Porto; Steinfeld (1999)
100 - 150
Aires (2008)
Reino Unido
134
Almeida et al. (1999)
1
América e Europa
100 - 200
Niwagaba (2007)
Países em desenvolvimento
350 (áreas rurais)
Feachem et al. (1983)
2
250 (áreas urbanas)
China
315
Gao et al. (2002)
3
Quênia
520
Pieper (1987)
3
Sul da Tailândia
120 - 400
Schouw et al. (2002)
Suécia
140
Vinnerås et al. (2006)
Vietnã
130 - 140
Polprasert et al. (1981)
2
Japão e China
116 - 200
Polprasert et al. (1981)
2
Legenda: 1- valor excretado foi medido apenas durante a semana 2- apud Schouw et al. (2002); 3- apud
Niwagaba (2007).
3.7.3 Nutrientes nas fezes
Nas fezes encontram-se nutrientes como fósforo, nitrogênio e potássio. Esses nutrientes têm
origem na composição do alimento ingerido e, assim como acontece com a taxa de geração,
varia de indivíduo para indivíduo, conforme seu metabolismo, idade, dentre outros fatores e
também conforme a região e condição econômica da população em estudo. Varia mesmo
entre os diferentes estratos sociais dentro de um mesmo país, e também entre homens,
mulheres e crianças (Jönsson e Vinnerås, 2004). A Tabela 2 mostra os valores excretados
para os nutrientes em diferentes países, calculados a partir da absorção de alimentos. Nos
países em desenvolvimento, por exemplo, no Haiti, os nutrientes excretados por pessoa são
muito menores em comparação aos países industrializados (Langergraber e Muellegger,
2005).
Tabela 2: Estimativa de concentração de nutrientes excretados por ano por pessoa em diferentes países
(adaptado de Jönsson e Vinnerås, 2004).
País
Nutrientes
Nitrogênio (kg/hab.ano)
Fósforo (kg/hab.ano)
Potássio (kg/hab.ano)
Total
Fezes
Total
Fezes
Total
Fezes
China
4,0
0,5
0,6
0,2
1,8
0,5
Haiti
2,1
0,2
0,3
0,1
1,2
0,3
Índia
2,7
0,3
0,4
0,1
1,5
0,4
África do Sul
3,4
0,4
0,5
0,2
1,6
0,4
Uganda
2,5
0,3
0,4
0,1
1,4
0,4
33
Estima-se que a distribuição dos nutrientes na fração fecal seja encontrada na seguinte
proporção: 10-20% de nitrogênio, 20-50% de fósforo e 10-20% de potássio, enquanto o
restante é encontrado na urina.
Do nitrogênio fecal, cerca de 17% estão contidos na fração bacteriana e cerca de 10%
(Kujawa-Roeleveld e Zeeman, 2006) a 20% (Vinnerås, 2002) são encontrados como amônia
devido à degradação de ureia, peptídeos e aminoácidos. A porção remanescente de
nitrogênio é encontrada em diversos compostos orgânicos, como ácido úrico, e em
diferentes enzimas ou peptídeos. O nitrogênio das fezes é cerca de 50% solúvel em água
(Vinnerås, 2002).
O fósforo é principalmente encontrado como fosfatos granulares de cálcio, mas também
pode ser encontrado em compostos orgânicos e em menor quantidade como íons solúveis
de fósforo. O cálcio é responsável por regular a quantidade de fósforo disponível para
absorção no sistema digestivo (Fraústo da Silva; Williams, 1997, apud Niwagaba, 2007;
Vinnerås, 2002). Já o potássio é encontrado, principalmente, em formas iônicas solúveis.
(Fraústo da Silva; Williams, 1997, apud Salas, 2005).
Na Tabela 3, encontram-se dados da literatura sobre as características físico-químicas das
fezes humanas. Observa-se que, entre os parâmetros apresentados, os nutrientes são os que
apresentam maior variação entre os autores estudados.
Tabela 3: Concentração de parâmetros físico-químicos de fezes humanas (em g/hab.dia).
Parâmetros
Compilação
de dados
europeus
1
Del Porto
(1999)
Esrey
et al.
(2001)
Schouw et al.
(2002)
Vinnnerås
(2002),
Vinnerås et al.
(2006)
Jönsson
et al.
(2005)
Yadav
et al.
(2010)
ST
30,1
30,1
SST
25,0
SV
23,9
26,6
DQO*
45,7 - 54,5
37,4
DBO
7
14 - 33,5
22,6
Nitrogênio*
1,5 - 2
2,0
1,5
12 - 19
1,5
1,5
1,3
Fósforo*
0,3 - 0,7
0,6
0,5
1,8 - 3,7
0,5
0,5
0,35
Potássio*
0,8 - 1,0
0,6
1,0
0,2 - 0,3
1,0
0,9
0,9
Cálcio*
0,53
1,5 - 2,1
1,0
Magnésio*
0,18
0,3 - 0,5
0,27
Sódio
0,28
Ferro
0,12
S
tot
0,16
Legenda: 1- Kujawa-Roeleveld e Zeeman (2006); * total.
34
As fezes contêm nutrientes solúveis em água e nutrientes que estão contidos em grandes
estruturas não solúveis em água. Assim, a disponibilidade para as plantas é menor quando
comparada à urina. Isto é explicado pelo fato de que uma grande proporção de nitrogênio e
fósforo de origem fecal é proveniente de matéria não digerida no organismo. Portanto, para
utilização das fezes como fertilizante, o nitrogênio e o fósforo devem ser degradados no solo
para que fiquem na forma solúvel e assim disponíveis às plantas. Além disso, as fezes
também contêm material rico em carbono recalcitrante.
O particionamento dos nutrientes entre urina e fezes depende da digestão do organismo. Os
nutrientes que entram no metabolismo são excretados na urina, enquanto a fração não
digerida é excretada com as fezes.
Em pesquisas realizadas na Suécia foram encontradas concentrações médias de 10,7 g de
N/kg fezes e 3,6 g de P/kg fezes (Jönsson et al., 2005). Em termos anuais, foram encontradas
taxas de 550 g de N/pessoa.ano, 183 g de P/pessoa.ano e 365 g de K/pessoa.ano (Otterpohl,
2002; Vinnerås et al., 2006).
3.7.4 Outros componentes das fezes
O teor de metais pesados nas fezes é maior que na urina, mas as concentrações de cádmio,
por exemplo, são inferiores aos fertilizantes químicos, bem como as concentrações de
cromo e chumbo encontradas em esterco (Jönsson et al., 2005). Hormônios, disruptores
endócrinos e resíduos farmacêuticos podem estar presentes na urina e nas fezes, porém as
concentrações desses compostos são geralmente muito baixas. Na Tabela 4 são
apresentadas as concentrações de metais pesados contidos nas fezes humanas segundo a
literatura.
Tabela 4: Concentração de metais pesados nas fezes humanas.
Metal pesado
Compilação de
dados
europeus
1
Schouw et al.
(2002)
Jönsson et al.
(2005)
Vinnerås et al.
(2006),
Vinnnerås
(2002)
mg/hab.ano
Cu
400
252 - 324
360
396
Cr
7,3
-
44,6
7,2
Ni
27
29 - 32
67,7
25,2
Zn
3900
3240 - 5400
3852
3845
Pb
7,3
11 - 22
13,7
7,2
Cd
3,7
3,6 - 10,8
3,6
3,6
Hg
3,3
-
3,2
3,2
Legenda: 1- Kujawa-Roeleveld e Zeeman (2006).
35
3.7.5 Organismos patogênicos nas fezes
As fezes são a fração das excretas humana que contém a maior parte dos microrganismos,
portanto devem ser higienizadas antes da sua utilização como fertilizante natural ou
condicionador de solos. A presença dos organismos causadores de doenças na excreta
humana é resultado da infecção dos indivíduos. Sendo que a prevalência de infecções é um
espelho da situação de higiene da sociedade, portanto, as infecções são sempre uma
exceção e não um estado comum do indivíduo.
A partir de uma perspectiva de risco, a exposição às fezes não tratadas é sempre
considerada insegura, em função da presença potencial de organismos patogênicos. Os
principais organismos patogênicos que podem ser encontrados nas fezes humanas estão
listados na Tabela 5. Além desses organismos, mais de 120 tipos de vírus podem ser
encontrados nas fezes, sendo os mais comuns enterovírus, rotavírus, adenovírus (Salas,
2005) e os vírus da hepatite A e E (Guardabassi et al., 2003).
Tabela 5: Principais organismos patogênicos excretados nas fezes humanas.
Bactérias
Helmintos
Protozoários
Salmonella spp.
Taenia saginata (cestóide)
Cryptosporidium parvum
Eschericha coli (patogênica)
Taenia solium (cestóide)
Entamoeba histolytica
Campylobacter jejuni/coli
Hymenolepsis nana (cestóide)
Giardia lamblia
Shigella spp.
Ascaris lumbricoides (nemátodo)
Balantidium coli
Vibrio cholera
Stongyloides stercoralis (nemátodo)
Yersinia enterocolitica
Enterobius vermicularis (nemátodo)
Leptospira icterohaemorrhagiae
Trichuris trichiura (nemátodo)
Ancylostoma duodenale (nemátodo)
Necator americanus (nemátodo)
No processo de compostagem, vários mecanismos, como a concorrência entre organismos
indígenas e patógenos, a ação de antibióticos produzidos por certos fungos e actinomicetos,
o decaimento natural no ambiente de compostagem (o que não é considerado ideal para os
patógenos entéricos), o esgotamento de nutrientes e a destruição térmica, podem inativar
organismos patogênicos (Pereira-Neto et al., 1987; Haug, 1993; Epstein, 1997; Wichuk e
McCartney, 2007).
Como a temperatura pode ser facilmente medida pelos usuários ou operadores dos
sanitários compostáveis, a destruição térmica através de elevadas temperaturas é
considerado o método mais confiável para se verificar a higienização do composto produzido
(Feachem et al., 1983; Vinnerås et al., 2003).
As temperaturas elevadas inativam de maneira irreversível as enzimas de bactérias,
protozoários e helmintos e causam danos na estrutura viral através da desnaturação das
proteínas (Madigan e Martinko, 2006; Wichuk e McCartney, 2007). O grau de inativação
térmica dos patógenos é uma função tanto da temperatura quanto do tempo de exposição.
36
Todos os organismos patogênicos têm uma relação temperatura-tempo próprios capaz de
destruir sua viabilidade (Martinko e Madigan, 2006). Vários autores têm estudado essa
relação temperatura-tempo, conforme apresenta o Quadro 2.
Observa-se conforme os dados do Quadro 2 que a maior parte da literatura relata que
temperaturas superiores a 50 e 55°C promovem a desinfecção do composto em tratamento
e, quanto maior a temperatura além dessa faixa, menor será o tempo de inativação. É
importante ressaltar que as temperaturas de desinfecção (≥ 50°C) devem ser alcançadas em
todo o composto para que o material seja higienizado com segurança.
37
Quadro 2: Revisão de literatura sobre a relação temperatura-tempo na inativação de patógenos.
Organismos
Feachem
et al.
(1983)
Beauford &
Westerberg
(1969)
Lung et al.
(2001);
Hess et al.
(2004)
USEPA (1999)
Schönning &
Stenström
(2004)
3
e WHO
(2006)
Cornell Waste
Management Institute
(2005)
Grewal et al.
(2006)
4
SP (2009)
5
Salmonella spp.
1 hora em
≥ 62°C
-
> 50°C dentro
de 24 horas são
inativados ou
indetectáveis
55°C mantida
por 3 dias
consecutivos
durante a
compostagem
de pilha
estática aerada
ou em reatores
fechados,
enquanto que
para leiras
temperaturas
superiores a
55°C por pelo
menos 15 dias
para todos os
organismos
≥ 50°C por uma
semana para
todos os
organismos
Improvável sobreviver em
temperatura que
excedam 50°C durante
alguns dias a 2 semanas
Compostagem
a 55°C elimina
em 3 dias
Em sistemas
fechados,
exigem 55°C
durante 7 dias
ou 65°C
durante 3 dias.
Além disso, o
composto deve
curar por pelo
menos 6 meses
antes de ser
utilizado
Salmonella newport
1 dia em ≥
50°C
60-70°C no
período de 3
dias
1
-
-
-
Coliformes fecais
1 semana
em ≥ 46°C
-
Podem ser mais
resistentes a altas
temperaturas
Escherichia coli
> 50°C dentro
de 24 horas são
inativados ou
indetectáveis
Improvável sobreviver em
temperatura que
excedam 50°C durante
alguns dias a 2 semanas
Compostagem
a 55°C elimina
em 3 dias
Listeria
-
-
Compostagem
a 55°C elimina
em 3 dias
Enterococcus spp.
Podem ser mais
resistentes a altas
temperaturas
-
Ascaris lumbricoides
60-70°C no
período de 3
dias
2
-
Candida albicans
Poliovírus tipo 1 A
1- Combinação letal entre temperatura e tempo para todos os patógenos excretados nas fezes, inclusive Ascaris.
2- Compostagem aeróbia de lodo de esgoto.
3- Compostagem termofílica de fontes segregadoras de fezes e urina ≥ 50°C para mais de 1 semana para garantir higienização segura.
4- Compostagem de esterco.
5- apud Niwagaba, 2009.
38
3.7.6 Fatores que afetam o decaimento dos microrganismos
De uma maneira geral, a concentração de microrganismos em fezes humanas diminui com o
tempo à medida que aumenta o tempo de excreção. As bactérias podem se multiplicar fora
do hospedeiro em condições ambientais favoráveis, mas normalmente a concentração
declina. Por outro lado, protozoários e vírus não são capazes de crescer fora do hospedeiro,
enquanto os helmintos podem necessitar de um período de latência após a excreção e antes
de serem infecciosos e, assim como as bactérias, tendem a diminuir em número com o
tempo após a excreção.
Os principais fatores que afetam a sobrevivência dos microrganismos no ambiente são o
tempo e as condições ambientais que prevalecem no local (Feachem et al., 1983; Schönning
e Stenström, 2004; Esrey et al., 2004). Os fatores mais importantes que desempenham papel
na redução de microrganismos entéricos são apresentados na Tabela 6. Esses fatores são
importantes, pois servem de referência para o desenvolvimento de meios eficientes para
desativá-los. Por razões de segurança dos usuários e operadores de sanitários compostáveis,
é preferível que todos os organismos patogênicos sejam eliminados antes das fezes serem
manipuladas e usadas como fertilizantes ou condicionador de solo. Pode haver risco de
recrescimento de bactérias se as condições favoráveis são restabelecidas, mesmo se apenas
uma única bactéria sobrevive (Schönning e Stenström, 2004). Os patógenos que sobrevivem
em produtos fecais tratados aplicados aos solos são, eventualmente, fora de competição
pela microbiota do solo mais resistente e, portanto, são reduzidos no ambiente terrestre,
mas, para alguns patógenos, longos tempos de sobrevivência são relatados em solos (WHO,
2006).
Tabela 6: Fatores que afetam o decaimento de microrganismos entéricos (adaptado de Schönning e Stenström,
2004).
Fator
Reação
Temperatura
A maioria dos microrganismos patogênicos sobrevive bem a baixas temperaturas e
rapidamente morrem a temperaturas elevadas (> 40°C - 50°C). Este é o caso da água,
solo, águas residuais e nas plantações. Por exemplo, para assegurar a inativação de
processos de compostagem, as temperaturas em torno de 55 - 65°C são necessárias
para matar todos os tipos de patógenos (exceto esporos bacterianos) dentro de horas
(Haug, 1993).
pH
Muitos microrganismos patogênicos estão adaptados ao pH neutro. As condições
altamente ácidas ou alcalinas terão um efeito de inativação. Adição de cal para dejetos
em latrinas e seco para lodo de esgoto aumenta o pH e pode inativar microrganismos. A
velocidade de inativação depende de valor do pH, por exemplo, é muito mais rápida em
pH 12 do que em pH 9.
Amônia
Em ambientes naturais, amônia (NH
3
) quimicamente hidrolisada ou produzida por
bactérias podem ter efeito deletério para outros organismos. Adicionar amoníaco
também facilita a inativação de patógenos, por exemplo, em excretas ou lodo de esgoto
(Ghiglietti et al., 1997; Vinnerås et al., 2003).
Umidade
A umidade está relacionada com a sobrevivência dos organismos no solo e nas fezes.
Um solo úmido favorece a sobrevivência de microrganismos e um processo de secagem
pode diminuir o número de agentes patogênicos, por exemplo, nas latrinas.
39
Tabela 6: Fatores que afetam o decaimento de microrganismos entéricos (adaptado de Schönning e
Stenström, 2004) (continuação).
Fator
Reação
Radiação solar e
Luz UV
A radiação UV reduz o número de patógenos. É utilizado em tratamento de água
potável e esgotos sanitários.
Presença de
outros
microrganismos
A sobrevivência dos microrganismos é geralmente mais longa em material que tenha
sido esterilizado do que em uma amostra contendo outros organismos do ambiente. Os
organismos podem afetar uns aos outros pela predação, liberação de substâncias
antagonistas ou concorrência.
Nutrientes
As bactérias podem crescer no meio ambiente se nutrientes estiverem disponíveis e
outras condições forem favoráveis. As bactérias entéricas adaptadas ao trato
gastrointestinal não são capazes de competir com os indígenas organismos para os
escassos nutrientes, limitando sua capacidade de se reproduzir e sobreviver no
ambiente.
Outros fatores
A atividade microbiana depende da disponibilidade de oxigênio. No solo, a
granulometria e a permeabilidade influenciam a sobrevivência dos microrganismos. No
solo, bem como nos ambientes de esgoto e água, diversos compostos químicos
orgânicos e inorgânicos podem afetar a sobrevivência dos microrganismos.
3.7.8 Processamento das fezes
A concentração de microrganismos nas fezes depois de excretadas, incluindo qualquer
patógeno que possa estar presente, diminui com o tempo no ambiente natural (Schönning e
Stenström, 2004; WHO, 2006). São variadas as formas de tratamento de fezes, como
estocagem por períodos específicos, tratamentos químicos e tratamentos térmicos, que
incluem compostagem e incineração (Vinnerås, 2002; Schönning e Stenström, 2004; Jönsson
et al., 2004).
O processamento das fezes é realizado em duas etapas. O processamento primário tem
como propósito reduzir o volume e peso do material fecal para facilitar o armazenamento,
transporte e tratamento posterior. O decaimento dos patógenos nesta etapa é devido a
alguns fatores como tempo de armazenamento, decomposição, desidratação (se são usados
ventilação e adição de material seco) e aumento do pH (quando são adicionados cinzas, cal
ou ureia).
Já o processamento secundário tem como objetivo tornar as fezes humanas seguras o
suficiente para retorná-las ao solo. As alternativas para realizá-lo são compostagem a alta
temperatura ou aumento de pH por adição de ureia ou cal, aliado a um tempo maior de
armazenamento.
São dois os principais processos empregados no saneamento seco com reúso (Peasey, 2000;
Esrey, 2004). A desidratação, que significa reduzir o nível de umidade do conteúdo da
câmara de tratamento a menos de 25%, pela evaporação ou adição de material secante
como cinzas, serragem ou terra após cada defecação. A adição dos absorventes é necessária
para reduzir insetos e eliminar maus odores. Os banheiros baseados no processo de
40
desidratação, geralmente, não misturam as fezes e a urina. A urina é segregada e coletada
ou escoada através de um soak-pit.
As fezes são coletadas em uma ou duas câmaras instaladas abaixo do vaso sanitário. Após o
preenchimento de uma das câmaras, essa então é fechada e a outra passa a ser utilizada,
revezando-as entre si. Ao se preencher a segunda câmara, o material da primeira câmara
pode ser removido. O volume não é muito reduzido devido à agregação do material secante
e também por ser mínima a decomposição da matéria orgânica. A desidratação é uma
maneira efetiva de destruir patógenos, sobretudo os ovos de helmintos que não sobrevivem
em baixos teores de umidade. Os banheiros com desidratação são recomendados para locais
de clima seco, mas também funcionam em climas úmidos, com aquecedores solares simples.
Por último, a compostagem é o processo baseado na decomposição biológica por bactérias,
minhocas e outros organismos, produzindo um composto fino que pode ser usado como
condicionador de solo e fertilizante natural. Muitos desenhos permitem ou recomendam a
adição de outros materiais orgânicos, como restos de vegetais, palha, serragem ou casca de
coco. Além disso, a temperatura e a aeração devem ser cuidadosamente controladas para
otimização das condições favoráveis à compostagem. É importante a aeração ser suficiente
para manutenção das condições aeróbias da pilha de fezes. Usualmente, a urina não é
segregada.
3.8 Diferentes opções para coleta, tratamento e aproveitamento agrícola de fezes
humanas
O sanitário compostável (composting toilet) é definido como um sistema de disposição das
excretas humana sem utilização da água como meio de transporte e, portanto, sem conexão
com a rede de captação de águas residuárias. Todos eles compartilham dos mesmos
problemas, que são eliminar os odores e evitar a entrada de moscas nos tanques de coleta. É
muito importante que as moscas sejam impedidas de entrar em contato com as fezes, já que
é uma rota comum para a propagação de doenças.
Os principais componentes do sanitário seco são: câmara de armazenamento conectada ao
vaso sanitário, sistema de exaustão, sistema de ventilação, porta de acesso a câmara (Figura
7).
41
Figura 7: Esquema dos principais componentes de um sanitário de compostagem (adaptado de Lopez
Zavala et al., 2005). Legenda: 1- circulação de ar; 2- sanitário; 3- tubo de exaustão; 4- exaustor de ar; 5-
ventilador acionado a motor; 6- motor; 7- reator de compostagem e 8- mecanismo de mistura.
Os equipamentos modernos diferenciam-se dos utilizados no passado porque as excretas
não vão diretamente para o solo. As excretas são depositadas em uma câmara, onde a
matéria orgânica se decompõe e o produto final pode ser utilizado como adubo. Como o
sanitário seco não utiliza água no seu funcionamento para diluir e transportar as fezes,
consequentemente não contamina as águas subterrâneas nem os cursos d’água e os
resíduos gerados são utilizados como nutrientes.
3.8.1 Opções de coleta de fezes humanas
Os três tipos básicos de sanitários secos são: privada convencional com fossa seca e privada
com fossa seca ventilada (pit latrine), sanitário desidratador e sanitário compostável (BGR,
2003).
A privada convencional com fossa seca compreende a fossa seca escavada no solo. É um
meio de eliminar as fezes diretamente dentro de um buraco no chão, destinado somente a
receber excretas, ou seja, não dispõe de veiculação hídrica. Quando o poço está cheio, o
banheiro é movido para um novo buraco e o antigo é coberto. Em alguns casos, as fezes são
removidas do poço. As fezes retidas no interior se decompõem ao longo do tempo pelo
processo de digestão anaeróbia.
42
Ao contrário dos mais bem desenvolvidos métodos utilizados para secagem das fezes e
banheiros compostáveis, as fezes em fossas secas não são armazenados em um sistema
fechado. Isto significa que existe um risco de que a fossa possa contaminar as águas
subterrâneas. Portanto, as fossas devem ser localizadas distantes de poços e fontes e em
cota inferior a esses mananciais, a fim de evitar a contaminação dos mesmos. A distância
varia com o tipo de solo e deve ser determinada localmente.
Não é indicado o lançamento de água em seu interior. Devem ser lançados apenas as
excretas e o papel higiênico. Entretanto, se ocorrer mau cheiro, recomenda-se empregar
pequenas porções de sais alcalinizantes, como sais de sódio, cálcio e potássio, sendo comum
o uso de cal ou cinza.
Existem algumas variações do sistema de fossa secas, conhecidas como Arborloo, Fossa
Alterna e Skyloo, que apresentam algumas diferenças na sua composição física, mas que têm
o mesmo objetivo. O Arborloo é um dos nomes utilizados para designar um sistema de
sanitário seco no qual as excretas humanas são aproveitadas para a adubação das árvores. É
aberta uma cova com 60 cm de diâmetro e 1,0 m a 1,5 m de profundidade (Morgan, 2007). A
estrutura ao redor do banheiro é construída com bambu e telhado de palha. Após um
período de alguns meses, antes do buraco ficar completamente cheio, são removidas a
estrutura e a placa, a cova é preenchida com terra e uma árvore é plantada no local. Outra
cova é feita próxima ao local e a estrutura do banheiro é transportada (Figura 8). O Arborloo
é a técnica mais simples e implica em menores mudanças para a comunidade. Quanto à
manutenção do banheiro, é recomendado adicionar serragem, cinzas ou folhas para evitar a
proliferação de moscas e o mau cheiro.
Figura 8: Esquema de um Arborloo (adaptado de Morgan, 2007).
A Fossa Alterna requer que sejam escavados dois poços rasos e ao lado um do outro, com
cerca de 1,5 m de profundidade. Em um dos poços é instalado o sanitário, enquanto no
outro as excretas maturam até se transformarem em composto (Figura 9). Os poços são
utilizados alternadamente. Com uma família de tamanho médio, o poço leva em média 12
meses para ser preenchido.
43
Figura 9: Esquema de uma Fossa Alterna (Morgan, 2007).
O Skyloo trabalha com o mesmo princípio, porém utilizando câmaras feitas com azulejos.
São usadas em rodízio como na Fossa Alterna e, após determinado período, o composto
resultante é levado para a plantação. Todos eles são soluções de baixo custo.
Os sanitários desidratadores (dehydrating toilet) podem ser instalados tanto em áreas
externas quanto em áreas internas. A desidratação geralmente ocorre em temperaturas
elevadas. A ventilação é elemento necessário para eliminar a condensação e a urina e as
fezes normalmente são segregadas.
A câmara de processamento pode ser equipada com uma tampa que se abre quando alguém
senta sobre o assento sanitário. A câmara de processamento e a forma como a urina será
recolhida, separadamente, pode ter muitas formas e desenhos. Eles são dependentes de
vários fatores, tais como o tipo de solo e as diferenças regionais.
Os sanitários desidratadores geralmente são construídos em alvenaria ou em madeira pelos
proprietários do local. Por via de regra, as câmaras geralmente são muito grandes, pois
permitem a completa secagem, e o conteúdo pode ser diretamente espalhado em campos
como fertilizantes sem qualquer armazenagem intermediária (Figuras 10 e 11).
A tampa da câmara, para retirar as fezes, é feita com chapa metálica pintada de preto para
promover o aquecimento solar. É instalada para o lado exposto ao sol, reforçando a secagem
do material. Materiais como cinza e serragem são adicionados cada vez que se utiliza o
sanitário para auxiliar a secagem da matéria fecal.
44
Figura 10: Câmaras do sanitário de desidratação das
fezes (Fonte: ESF).
Figura 11: Sanitário desidratador de câmara dupla
do Vietnã.
Os sanitários compostavéis (composting toilet) são sistemas que tratam as excretas humanas
através de processos biológicos, transformando o material em composto orgânico que pode
ser utilizado para fertilizar o solo.
A urina raramente é segregada. Recomenda-se adicionar algum material estruturante, rico
em carbono orgânico, como serragem, folhas secas e resíduos orgânicos provenientes da
cozinha, que também podem ser compostados junto com as fezes.
Os chineses utilizam os banheiros compostáveis há centenas de anos, mas somente em 1960
que eles se tornaram populares para o restante do mundo.
Existem muitos tipos diferentes de sanitários compostáveis que vão desde desenhos simples
até os modelos comerciais mais avançados, que utilizam alta tecnologia.
Outros autores classificam os sanitários de diferentes formas. Segundo Castillo (2002), o
banheiro seco se divide basicamente em dois tipos, o que separa a urina das fezes (urine
diversion dry toilets – UDDT) e aquele que não separa. Os modelos separadores consistem
em um dispositivo que auxilia na separação das fezes e da urina conforme apresenta a
Figura 12.
45
Figura 12: Sanitário com separação de fezes e urina. Ao lado esquerdo, o modelo alemão e ao lado direito, o
modelo sueco (Foto: L. Ulrich, 2009). Fonte: http://www.flickr.com/photos/gtzecosan.
Segundo Jenkins (1999), existem três tipos de sistemas de banheiros secos: (1) sistema com
recipientes móveis (coleta das excretas em pequeno tonel sobre uma estrutura, na qual está
a bacia sanitária); (2) sistema Caroussel (possui vários compartimentos, que, depois de
utilizados, são girados para posicionar outro compartimento sobre o sanitário); (3) sistemas
com duas câmaras (sistema acima do nível do solo, para que as excretas desçam sobre uma
rampa metálica até uma câmara, utilizando-se uma de cada vez).
Entretanto, Del Porto e Steinfeld (1999) classificam os modelos de banheiros como: (a) auto-
coletor (self-contained) contra centralizados, (b) industrializados contra construção local e
(c) múltiplas câmaras contra contínuo (câmara única).
Os sanitários auto-coletores (self-contained) são aqueles que o sanitário e um pequeno
reator de compostagem (câmara de compostagem) formam uma única unidade
(normalmente modelos pequenos para casa de campo ou de verão) (Figura 13). Os modelos
centralizados (centralized) ou remotos (remote) são aqueles em que o sanitário se conecta
através de uma tubulação a um reator de compostagem que está instalado em algum outro
local (por exemplo, no subsolo da casa) (Figura 14). Existem ainda modelos com câmaras
duplas e sistemas para compostagem juntos a resíduos orgânicos da cozinha.
46
Figura 13: Sanitário seco auto-coletor de câmara
única, pré-fabricado e de uso contínuo. Modelo da
Sun Mar (Fonte: www.sun-mar.com)
Figura 14: Sanitário seco centralizador, pré-
fabricado e de uso contínuo. Modelo da Sun Mar
(Fonte: www.sun-mar.com).
Os modelos industrializados (manufactured) ou pré-fabricados são aqueles que podem ser
comprados e obedecem a normas e padrões, enquanto o construído no local (site-built)
pode estar sujeito a dificuldades de se obter permissão do órgão e de agentes de saúde local
(Figuras 15 e 16).
Figura 15: Sanitário seco de construção local na
cidade de Lima, no Peru (América Latina) (Fonte:
www.flickr.com/photos/gtzecosan).
Figura 16: Sanitário seco de construção local na
cidade de Ouagadougou, em Burkina Faso (África)
(Fonte: www.flickr.com/photos/gtzecosan).
Por último, a maioria dos sistemas de banheiros de compostagem utiliza uma das duas
abordagens para gerenciar o processo de compostagem: câmara única (single-chamber) com
compostagem contínua ou multi-câmaras (multi-chamber batch) para compostagem em
lotes.
Um compostador contínuo (como o das marcas CTS, Clivus Multrum, Phoenix, BioLet, Sun-
Mar) apresenta uma única câmara na qual as excretas são adicionadas no topo e o produto
final é removido pelo fundo.
Um batch composter (tais como o EcoTech Carousel, todos os sistemas de Vera, BioLet NE,
Rota-Loo e muitos site-built composters) utiliza dois ou mais reatores de compostagem
47
intercambiáveis. Alguns são montados sobre uma rotação em carrossel, na qual cada um
deles é preenchido por vez. Enquanto um dos recipientes está sendo utilizado, o outro já
preenchido fica em cura, assim como nos estaleiros de compostagem (Figuras 17 e 18).
Figura 17: Modelo de sanitário seco pré fabricado,
do tipo centralizador, da EcoTech Carousel (Fonte:
www.ecological-engineering.com).
Figura 18: Detalhe interno das múltiplas câmaras de
compostagem do modelo de Ecotech Carousel.
Os modelos comerciais têm funcionalidades mais avançadas, tais como sistemas de
ventilação elétrica, exaustor, injeções de oxigênio, ou mecanismos de mistura e
aquecimento para facilitar e acelerar a decomposição das excretas humanas (bons para
climas frios). No entanto, também existem modelos de baixa tecnologia que usam sistemas
de ventilação passiva para evitar odores agressivos, design que promove o aquecimento do
composto através da luz solar, e revolvimento manual (hand-turning) para aumentar
aeração.
Os sistemas com baldes são os mais simples e baratos dos tipos de banheiros
compostadores. Um balde é colocado sob o assento e as fezes são sempre cobertas com
material rico em carbono orgânico, como serragem, para evitar mau cheiro, absorver a urina
(quando esta não é segregada) e prevenir as moscas. Quando o balde está cheio, o material
é depositado em uma pilha do composto na parte externa da residência.
Em adição, os banheiros secos ainda podem ser classificados como passivos e ativos. Os
sistemas passivos normalmente são reatores simples de decomposição nos quais a mistura
da excreta, papel higiênico e aditivo é coletada e colocada para se decompor em ambientes
frescos sem ser controlada por processos ativos, que são aquecimento, mistura e aeração. Já
os sistemas ativos podem apresentar misturados automáticos e aquecedores acrescidos de
termostatos e ventiladores (Del Porto e Steinfeld, 1999).
3.8.2 Tratamento
3.8.2.1 Estocagem
A estocagem é a forma mais simples de tratamento para as fezes. A estocagem de fezes por
determinado período de tempo resulta na redução de microrganismos patogênicos devido à
48
morte natural (WHO, 2006). A redução da concentração dos organismos depende de
condições de armazenamento e tipos de organismos presentes, sendo que a temperatura
ambiente, o pH, a umidade e a competição biológica afetam a inativação (Schönning e
Stenström, 2004).
Esse tipo de tratamento é mais eficiente em regiões de clima seco e quente, já que a
dessecação do material em tratamento e a baixa umidade são o que promovem a inativação
dos organismos patogênicos. A estocagem em baixa umidade, em torno de 5 a 25%, resulta
na destruição mais rápida (Feachem et al., 1983) e reduz o odor e a presença de moscas
(Esrey et al., 1998; Carlander e Westrell, 1999). Em locais onde a temperatura alcança 20°C,
é desejado um tempo total de estocagem de 1,5 a 2 anos e, em locais de altas temperaturas
ambiente (até 35°C), o período de estocagem é reduzido para 1 ano, obtendo-se o mesmo
resultado (Schönning e Stenström, 2004; WHO, 2006). Portanto, a inativação dos patógenos
por estocagem geralmente é lenta.
A dessecação não é um processo de compostagem e a adição de umidade a compostos
orgânicos facilmente metabolizados facilita o crescimento de bactérias como, por exemplo,
Escherichia coli e Salmonella, mesmo que baixas concentrações desses organismos estejam
presentes no material (Schönning e Stenström, 2004).
Vinnerås (2007) relatou que a estocagem de fezes a 20°C reduziu a presença de coliformes
fecais, enquanto Enterococcus spp. não foi reduzido. Durante a estocagem em temperatura
de 4°C, não foi notada redução de Salmonella spp. em 50 dias de tratamento.
Dessa forma, é difícil determinar quanto tempo é suficiente para atingir a higienização do
material por estocagem. No entanto, Schönning e Stenström (2004) recomendam que em
combinação com outras barreiras de segurança, a estocagem pode ser aplicada.
3.8.2.2 Tratamento químico
Os produtos químicos utilizados no tratamento de fezes incluem ácidos, bases e agente
oxidantes. Segundo Vinnerås (2002) a utilização de produtos químicos que possam adicionar
valor agronômico ao substrato como Ca(OH)
2
, NH
3
, KOH e PO
4
-3
, são recomendados para os
substratos que serão reutilizados como fertilizantes, pois o teor de nutrientes do
desinfetante aumenta o valor fertilizante do produto. As cinzas de madeira, ricas em K e Ca,
e a cal são dois exemplos de substâncias que normalmente são aplicadas como material de
cobertura sobre as fezes após o uso do sanitário.
A adição de cinzas ou cal no tratamento primário das fezes é recomendada, pois irá facilitar
a inativação dos patógenos e diminui o risco de transmissão de doenças durante o
tratamento e a reutilização do material. Além disso, também reduz o odor e a presença de
moscas. Os aditivos podem influenciar na escolha das opções para tratamento secundário do
material (Schönning e Stenström, 2004).
A ureia também tem sido investigada não somente para a higienização das fezes (Vinnerås,
2002), como também das águas negras, de esterco e estrume de suínos (Vinnerås, 2005a, b).
A ureia é responsável por elevar o pH e a concentração de amônia, além de adicionar valor
fertilizante ao material e inativar patógenos (Schönning e Stenström, 2004). A ureia química
49
também é fácil de manusear e se o recipiente onde o tratamento é realizado for mantido
fechado, a amônia produzida permanecerá no material tratado até sua aplicação no solo,
assim, além de prevenir o recrescimento de patógenos, reduz o risco de contaminação
(Vinnerås, 2007).
Esse tipo de tratamento é considerado como uma opção secundária para os sistemas de
larga escala e necessita preferencialmente de profissional treinado para manipular os
produtos químicos (Schönning e Stenström, 2004).
3.8.2.3 Incineração
A incineração como método térmico de tratamento ainda é pouco estudada (Niwagaba et
al., 2006). A incineração como tratamento primário ainda envolve riscos higiênicos, pois não
há sistemas de incineração em ligação direta com o sanitário (Schönning e Stenström, 2004).
Como na incineração a temperatura alcançada é muito elevada (> 800°C), a exposição de
curta duração parece ser suficiente para inativar eventuais organismos patogênicos que
estejam presentes. Além disso, os incineradores são de baixo custo e, após a incineração, a
quantidade de material é muito reduzida, podendo chegar a 90% quando apenas fezes e
papel higiênico. Isso faz do método um processo compacto e rápido (Niwagaba et al., 2006).
Do ponto de vista ambiental, a incineração é frequentemente associada a emissões de
poluentes atmosféricos como as dioxinas, furanos e outros poluentes tóxicos (WHO, 2004).
Embora o nitrogênio seja perdido durante a incineração (Niwagaba et al., 2006; Niwagaba,
2007), as cinzas podem ser um bom fertilizante por reterem fósforo e potássio.
3.8.2.4 Compostagem
A compostagem é um processo de bio-oxidação aeróbia, exotérmica, de um substrato
orgânico heterogêneo no estado sólido, realizada por uma população complexa de
microrganismos, caracterizada por ter como produto final água e CO
2
, com simultânea
liberação de matéria orgânica que se estabiliza após a maturação. A higienização do
substrato é função da elevação da temperatura durante o processo de fermentação e do
tempo de exposição do substrato (Haug, 1993; Fernandes, 2000; Tsutiya, 2001).
A compostagem é um processo natural que tem sido considerado uma opção viável para o
tratamento das fezes segregada da urina e é o tratamento mais comum para se obter a
desinfecção das fezes quando se tem como objetivo sua aplicação como condicionante do
solo (Vinnerås, 2007). No entanto, até a presente data, dados sobre tratamentos eficazes,
simples e de baixo custo para reúso de fezes humanas com segurança são escassos na
literatura.
Os estudos sobre a compostagem de fezes separadas da urina na fonte têm demonstrado
que uma temperatura suficientemente elevada para desinfecção (> 50°C) é difícil de
alcançar, já que normalmente só aumentam em 10-15°C acima da temperatura ambiente
(Karlsson e Larsson, 2000; Björklund, 2002). As fezes nesses estudos foram compostadas
com cinzas e nenhum isolamento térmico foi fornecido ao sistema. Vinnerås et al. (2003)
em experimentos controlados de compostagem, em reatores bem isolados em pequena
escala, obtiveram temperaturas de 65°C com margens de segurança satisfatórias para a
50
destruição de patógenos. Em testes de laboratório, a compostagem de fezes com palha
também resultou em temperaturas elevadas durante alguns dias (Vinnerås, 2002).
Niwagaba et al. (2007) estudaram a compostagem de fezes humanas com resíduos
alimentares em reatores de madeira de 78 litros revestidos de isopor e obtiveram
temperaturas acima de 50°C, que resultaram na redução de E. coli e Enterococcus spp. a
níveis aceitáveis para aplicação do material compostado no solo.
Na prática, a compostagem de fezes dos sanitários segregadores de urina registrou apenas
uma pequena elevação de temperatura, provavelmente devido a um isolamento insuficiente
e a adição de cinzas, que resultou em uma redução da degradação biológica e perda de calor
(Karlsson e Larsson, 2000; Björklund, 2002).
Parâmetros de influência no desempenho da compostagem
Os principais parâmetros que afetam o processo de compostagem são: a umidade, a
aeração, a temperatura, a relação C/N, o tamanho das partículas e o pH (Pereira Neto,
1996).
Temperatura
A temperatura é um fator indicativo do equilíbrio biológico, sendo um dos principais fatores
para controle e eficiência da compostagem. O valor da temperatura varia conforme a fase
em que se apresenta o processo de compostagem, alterando de acordo com a curva-padrão
da variação da temperatura mostrada na Figura 19.
Figura 19: Curva padrão da variação da temperatura durante o processo de compostagem. (Fonte: Fernandes;
Silva, 1999).
A temperatura passa a exercer influência no processo em um intervalo de aproximadamente
24 horas após a mistura, podendo ser observado com a sua elevação no meio. Caso não haja
aumento de temperatura neste período, existe a possibilidade do processo aeróbio estar
comprometido por insucesso de fatores como a concentração de oxigênio, umidade,
granulometria e relação carbono/nitrogênio (Fonseca, 2000).
Com base no desenvolvimento da temperatura, a compostagem pode ser dividida em três
fases principais: (1) a fase mesofílica, que é caracterizada por alcançar temperaturas até
51
cerca de 40
o
C; (2) a transição entre a fase mesofílica e a fase termofílica, que ocorre entre os
40-45
o
C; e por último (3) a fase termofílica, que é definida por temperaturas entre 45-70
o
C,
como pode ser verificado na Figura 3.
A compostagem aeróbia pode ocorrer tanto em regiões de temperatura termofílica (45 a 60
°C) como mesofílica (30 a 45°C). Em temperaturas maiores que 50°C ocorre a inativação dos
patógenos (Schönning; Stenström, 2004; WHO, 2006). A temperatura durante o processo
deve manter-se entre 40 e 60°C no maior espaço de tempo possível, a fim de se obter maior
eficiência no processo de desinfecção (Pereira Neto, 1989).
A fase mesofílica é caracterizada pelo crescimento e atividade de organismos mesófilos,
bactérias, fungos e leveduras (Miller, 1993; Bertoldi, 1998; Ryckeboer et al., 2003). A
atividade das bactérias produtoras de ácido é inicialmente alta e resulta em uma diminuição
do pH. Durante esta fase, a temperatura aumenta.
Na fase termófila, a temperatura ultrapassa 45°C. Nessa temperatura, o crescimento e a
atividade dos organismos não-termotolerantes incluindo patógenos e parasitas é inibida. Os
organismos adaptados a temperaturas acima de 45°C dominam o processo (Strom, 1985,
apud Niwagaba, 2007). Durante, ou pouco antes desta fase, o pH aumenta e estabiliza-se
com o esgotamento da oferta de ácidos orgânicos de cadeia curta (Beck-Friis et al., 2001).
À medida que a temperatura novamente diminui, inicia-se a fase de cura e um conjunto de
microrganismos mesofílicos, incluindo fungos e actinomicetos, normalmente reaparece. Na
fase de cura, os microrganismos devem ser capazes de degradar compostos mais complexos
menos suscetíveis a mineralização, como celulose, hemicelulose e lignina.
Aeração
Como a compostagem é um processo aeróbio, o fornecimento de ar é de primordial
importância à atividade microbiana. Além disso, contribui para o aumento da velocidade de
oxidação do material orgânico e para a diminuição da emanação de odores produzidos pelos
subprodutos da degradação.
Alguns autores (Pereira Neto, 1996; Tsutiya et al., 2001) indicam que o ideal seria que a
massa de compostagem tivesse entre 5 e 15% de oxigênio para que haja a transformação
adequada da matéria orgânica. Com níveis inferiores a 5%, observar-se-ia a condição de
anaerobiose, pois passariam a predominar reações cujo receptor final não é mais o oxigênio
e sim outra molécula orgânica.
Umidade
A decomposição da matéria orgânica depende da umidade para garantir a atividade
microbiológica. Portanto, a umidade também é considerada importante parâmetro para o
controle do processo de compostagem. O teor ótimo de umidade, de maneira geral,
compreende-se entre 50 a 60% (Tsutiya et al., 2001; Lopez Zavala, 2004). Misturas com
umidade inferior a 40% poderão ter taxa de compostagem lenta, sendo que a lentidão do
processo resulta na redução da atividade biológica, bem como a taxa de estabilização (Kiehl,
1985; Tchobanoglous, 1993; Pereira neto, 1996). Umidades elevadas (acima de 65%) fazem
com que a água ocupe os espaços vazios da massa, impedindo a livre passagem do oxigênio,
52
o que poderá provocar anaerobiose com produção de gases e o desenvolvimento de odor
agressivo (Fonseca, 2000; Andreoli, 2001).
O ajuste de umidade pode ser feito por mistura de componentes. Na prática verifica-se que
o teor de umidade depende da eficácia da aeração (manual ou mecânica), da massa em
compostagem, das características físicas dos resíduos (estrutura e porosidade) e das
características microbiológicas (Andreoli, 2001).
pH
O pH da massa em compostagem é inicialmente baixo, devido à formação de gás carbônico e
de ácidos orgânicos. Os ácidos orgânicos são produzidos pela fermentação da matéria
orgânica facilmente degradável e, durante este processo, o principal produto é
normalmente o ácido láctico ou o acético. O pH deve variar entre 5 e 6 e após, em função da
decomposição de proteínas e pela eliminação do gás carbônico, o meio torna-se básico, com
o pH variando entre 8 e 8,5 (Bidone, 2003).
Uma relação C/N baixa, próxima de 6:1, apresenta níveis de pH mais elevados, em virtude da
liberação de nitrogênio na forma de amônia (Fernandes; Silva, 1999).
Ao final do processo, o composto orgânico apresenta, normalmente, pH entre 7,5 e 9.
(McKenney, 1962; Pereira Neto, 1996).
Quando o pH está abaixo de 6, há a inibição do crescimento bacteriano, afetando a
compostagem. Já os fungos e actinomicetos são tolerantes a pH ácido, enquanto algumas
bactérias são selecionadas para maior atividade em pH alcalino (Tsutiya et al., 2001).
Granulometria/ Estrutura
O tamanho das partículas interfere de maneira intensa no processo de compostagem. O
tamanho recomendado pela literatura é entre 1 e 4 cm. Quanto mais fina é a granulometria,
maior é a área exposta à atividade microbiana. Por outro lado, uma granulometria muito fina
deixa pouco espaço intersticial entre as partículas, dificultando a circulação do ar. A
diminuição do tamanho das partículas promove o aumento das reações bioquímicas durante
o processo de compostagem, dado que aumenta a área superficial em contato com o
oxigênio.
Como consequência do controle da granulometria recomendada, o resultado pode ser a
obtenção de massa mais homogênea, melhor porosidade e menor compactação (McKinney,
1962; Pereira Neto, 1996).
Relação Carbono/Nitrogênio
Os microrganismos necessitam de carbono como fonte de energia e de nitrogênio para a
síntese de proteínas. A relação carbono/nitrogênio é usada para determinar a taxa de
decomposição do material, além de ser um fator limitante do processo.
Para alta eficiência da compostagem, a literatura recomenda como valores ótimos para a
relação C/N a variação em torno de 25 a 35 para 1. Valores em torno de 18/1 são
53
apresentados para o composto semicurado ou bioestabilizado e 8/1 a 12/1 para composto
humificado (Pereira Neto, 1996).
Uma relação inicial elevada de C/N, em torno de 60 a 80/1, fará com que o tempo de
compostagem seja maior devido à deficiência de nitrogênio para os microrganismos,
enquanto o carbono será eliminado na forma de gás carbônico. Por outro lado, com uma
relação inicial baixa, em torno de 6/1, ocorrerá perda de nitrogênio através da volatilização
da amônia, que poderá ser identificada pelo aparecimento de odores característicos.
3.8.3 Aproveitamento agrícola das fezes
As excretas humanas são frequentemente utilizadas na agricultura em países como a China,
Japão e também tem sido praticada comumente na Finlândia e nos Países Baixos sem
quaisquer problemas para a agricultura, embora o uso inadequado desse recurso possa
acarretar em riscos à saúde (Heinonen-Tanski e Wijk-Sijbesma, 2004). No Vietnã, a prática de
utilizar fezes na agricultura é muito comum, porém está associada ao aumento dos casos de
infecção por helmintos, pois são utilizadas fezes ainda frescas (Humphries et al., 1997). Isso
ressalta que as fezes podem e tem potencial para serem aproveitadas na agricultura seja
como fertilizante ou como condicionador de solos, mas isso precisa ser feito de forma
cuidadosa a fim de prevenir a transmissão de doenças. Ainda no Vietnã, as mulheres que
relataram tratar as fezes antes de utiliza-las como adubo apresentaram contagens de ovos de
ancilostomídeos significativamente menor do que as mulheres que relataram uso de fezes
frescas (Humphries et al., 1997).
Os dois elementos mais críticos de nutrientes para a agricultura e horticultura em todo o
mundo são o nitrogênio e o fósforo. O terceiro principal nutriente é o potássio (Heinonen-
Tanski e Wijk-Sijbesma, 2004). As fezes humanas são ricas em fósforo e potássio, que são
importantes nutrientes, e também contém carbono, o que pode aumentar a fração de
matéria orgânica nos solos. Deve-se salientar que os números apresentados na Tabela 7
dependem do peso corporal, das pessoas envolvidas, do clima, da quantidade de ingestão de
água e características da dieta, especialmente do teor de proteínas, conforme apresentado
anteriormente.
Por ano, uma pessoa produz aproximadamente 500 kg de urina, em comparação com 50 kg
de fezes. Estas fezes contêm cerca de 10 kg de matéria seca. Assim, uma pessoa produz cerca
de 5,7 kg de nitrogênio, 0,6 kg de fósforo e 1,2 kg de potássio por ano (Tabela 7). Portanto, a
quantidade excretada de excretas por ano corresponde a quantidade necessária de
fertilizante para produzir 250 kg de cereal por ano.
54
Tabela 7: Quantidade de nutrientes (N, P e K) requerida (em kg/ano) para produzir 250 kg de milho (Wolgast,
1993).
Parâmetros
Unidade
Urina
Fezes
Total
Milho
Nitrogênio total (N)
kg/hab.ano
4
0,55
4,55
5,6
Fósforo total (P)
kg/hab.ano
0,37
0,18
0,55
0,7
Potássio (K)
kg/hab.ano
1
0,4
1,4
1,2
N + P + K
kg/hab.ano
5,37
1,13
6,5
7,5
A compostagem e os sanitários compostáveis segregando as excretas humanas, permitem a
recuperação e a utilização dos nutrientes contidos nelas como fertilizantes e condicionador
do solo. As práticas e recomendações de uso agrícola para fezes humanas dependerão do
tratamento aplicado. Mesmo se um tratamento está direcionado para eliminar o risco de
transmissão de patógenos e tenham potencial, as etapas do processo podem falhar,
resultando em um fertilizante que não é higienicamente seguro. Consequentemente, devem
ser tomadas medidas adicionais para minimizar o risco de transmissão de doenças. Dentre
elas, o equipamento utilizado para transportar as fezes não higienizadas não deve ser o
mesmo utilizado para transportar o produto tratado; quando for aplicar o produto ao solo
precauções com a manipulação do material devem incluir a proteção pessoal e higiene; as
fezes devem ser trabalhadas no solo o quanto antes e não devem ser deixadas na superfície
do solo e finalmente, as fezes higienizadas inadequadamente não devem ser usada para
cultivo de hortaliças, frutas ou tubérculos que serão consumidos crus, exceção para árvores
frutíferas (Schönning e Stenström, 2004).
O teor de nutrientes e qualidade higiênica do composto gerado nos sanitários de
compostagem tem sido pouco estudado, o que torna esses resíduos mais difíceis de usar. A
maneira usual de utilizar o composto dos sanitários é difundi-lo no quintal, debaixo de
arbustos ou em terreno baldio. Devido ainda a aversão que as fezes provocam e o
desconhecimento em relação aos benefícios que pode proporcionar a compostagem de
fezes, as pessoas raramente utilizam as fezes como condicionador de solo ou adubo para
cultivo (Malkki et al., 1997). As fezes compostadas eram vistas com pouca importância como
fertilizante ou condicionador do solo para as famílias (Hagalund e Olofsson, 1997; Malkki et
al., 1997).
Porém, atualmente, a recuperação de nutrientes ganha importância devido à finitude dos
recursos minerais como fósforo (Driver et al., 1999) e, devido ao aumento dos preços da
energia como para a produção de adubos nitrogenados. Essas tendências acarreta no
aumento contínuo dos preços dos fertilizantes, que colocam os agricultores, especialmente
nos países mais pobres sob pressão financeira grave e alto grau de dependência (Winker,
2009).
55
Capítulo 2
________________________________________________________
4 Materiais e métodos
4.1 Caracterização quali-quantitativa das fezes humanas
4.1.1 Coleta e amostragem
Para coletar as amostras de fezes e realizar a caracterização das fezes humanas sob os
pontos de vista físico-químico e biológico e determinar a taxa de excreção por pessoa, foram
construídos vasos sanitários que não utilizam água para descarga e possuem sistema de
segregação entre as fezes e a urina. O sistema consiste em suporte de aço com sacola
plástica e contêiner, conectado a um reservatório temporal através de uma mangueira
(Figura 1). Os sanitários foram instalados nos banheiros feminino e masculino do Parque
Experimental de Saneamento Básico da UFES (PESB-UFES) e, para garantir seu uso
adequado, confeccionou-se um guia de uso.
As coletas eram feitas logo após a utilização do sanitário pelo usuário e realizadas dentro do
horário de funcionamento do prédio (08:00 às 18:00h). Após coletadas, as amostras de cada
indivíduo eram imediatamente encaminhadas ao laboratório para pesagem e análise dos
parâmetros físico-químicos e microbiológicos. Para tal efeito, contou-se com a participação
de voluntários, entre eles estudantes e pesquisadores do Núcleo Água, homens e mulheres
de faixas etárias variadas.
(a)
(b)
Figura 1: (a) Vaso sanitário seco utilizado para a coleta segregada das excretas e (b) Vista interna do
sanitário seco segregador de fezes e urina.
4.1.2 Análises físico-químicas e microbiológicas
Após a conclusão da coleta e da pesagem, as amostras de fezes acondicionadas em sacos
plásticos eram encaminhadas para as análises físico-químicas e microbiológicas.
56
Os seguintes parâmetros foram analisados: pH, NTK, fósforo total, sólidos totais, sólidos
voláteis e fixos, carbono orgânico, DQO, coliformes totais, termotolerantes, Escherichia coli e
ovos de helmintos. As técnicas de análises laboratoriais obedeceram aos procedimentos
recomendados pelo Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater – 19º
Edição (APHA et al., 1995) e encontram-se referenciadas no Anexo V.
4.1.3 Análises estatísticas
A análise estatística dos resultados de caracterização quali-quantitativa foi realizada
utilizando o software Excel para obtenção da estatística descritiva dos parâmetros
analisados (média, desvio padrão, máximos, mínimos e coeficiente de variação).
4.2 Compostagem
4.2.1 Coleta, amostragem e preservação das amostras
Para a coleta de fezes para a realização do experimento de compostagem, também se
utilizou os vasos sanitários segregadores secos instalados nos banheiros do PESB-UFES
mantendo-se a mesma rotina de amostragem. Porém, devido à necessidade de maior
volume de amostra para a realização dos experimentos de compostagem, a coleta de fezes
também foi feita em parceria com o Laboratório Central da Secretaria Municipal de Saúde.
Este laboratório atende aos pacientes encaminhados pelo SUS – Sistema Único de Saúde,
residentes do município de Vitória-ES, de ambos os sexos, variadas faixas etárias, situações
econômicas e graus de escolaridade diversos. Em momento posterior, as fezes foram
coletadas em um laboratório particular da cidade de Vitória. Dados epidemiológicos foram
fornecidos por ambos os laboratórios durante o período da pesquisa que compreendeu a
coleta de material (Anexo).
A coleta de fezes no Laboratório Central da Secretaria Municipal de Saúde estava
condicionada a disponibilidade do transporte veicular da Universidade, pois foi por este
exigido que o transporte do material biológico em questão fosse feito em carro oficial e
adequado para tal finalidade. Enquanto no laboratório particular, as coletas foram realizadas
de duas a três vezes por semana de acordo com a quantidade de material recebido para
exames. O transporte das amostras de fezes até o laboratório era feito em caixas de isopor e
as coletas eram feitas no fim do dia para ambos os laboratórios.
A preservação das amostras foi feita em freezer a -4°C por alguns dias, até que a quantidade
necessária para montar um reator do experimento fosse obtida (Vinnerås, 2003; Hotta,
2007). O material fecal era retirado dos frascos de coleta individuais e eram misturados
compondo uma única mistura de fezes.
4.2.2 Procedimento
A compostagem foi realizada em reatores com volume de 40 litros, que foram
confeccionados em fibra de vidro e revestidos com poliestireno expandido (isopor) com
espessura de 25 mm. Cada um dos reatores possui a dimensão interna de 395x305x350
mm
3
. O isolamento térmico proporcionado pelo isopor, mesmo na região geográfica dos
57
trópicos, é recomendado pela literatura para compostagem em pequena escala para evitar a
perda por condução do calor gerado internamente.
Os reatores foram protegidos da chuva. Para proporcionar aeração, foi colocado na base do
reator um tubo de PVC com 30 mm de diâmetro com várias perfurações de
aproximadamente 3 mm de diâmetro. O intuito era permitir a difusão do ar exterior no
material em compostagem. A tampa do reator ainda contou com um furo de 20 mm de
diâmetro para a saída do ar. A Tabela 1 apresenta as condições experimentais estudadas. A
Figura 2 apresenta o reator de compostagem e os seus detalhes. A Figura 3 apresenta um
fluxograma demonstrando como eram realizadas as misturas dos componentes da
compostagem. As amostras eram retiradas do freezer e em seguida, as fezes de cada frasco
de coleta utilizado pelos laboratórios eram retiradas e misturadas em um balde para compor
uma única mistura. A pesagem da quantidade de fezes e serragem era feita em balança e
após a mistura dos dois componentes, estes eram colocados dentro dos reatores para o
início do ensaio.
(1)
(2)
(3)
Figura 2: Detalhes do reator de compostagem. (1) Vista interna do reator; (2) Tubo de PVC instalado na base
do reator e (3) Tela para prevenir a entrada de insetos (Fotos: Thais C. Rebouças, 2009).
Tabela 1: Condições experimentais dos três testes de compostagem de fezes humanas com serragem.
Reator
F/S (%)
Fezes (kg)
(1)
ST
(2)
fezes (kg)
Serragem
(kg)
(1)
ST
(2)
serragem
(kg)
1
60
4,0
0,73
1,4
1,25
2
40
4,0
0,73
2,0
1,79
3
30
4,0
0,73
2,6
2,33
Legenda: (1) peso úmido; (2) ST é sólidos totais.
O número de repetições realizadas foi: reator 1 e 2 com n= 3 e reator 3 com n= 6.
A serragem utilizada foi adquirida em uma madeireira da cidade de Vitória-ES e era
proveniente de madeira não tratada, para evitar a presença de componentes químicos que
pudessem interferir na atividade microbiana. Foi realizado também ensaio granulométrico
da serragem utilizada na mistura segundo a norma NBR-7181/ABNT (Anexo IV).
58
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
Figura 3: Preparação do material (fezes e serragem) para compostagem. (1) Pesagem e mistura das fezes
humanas; (2) mistura das fezes com a serragem; (3) transferência da mistura para o reator de
compostagem; (4) reator com o composto; (5) reator em cima da bancada e (6) reatores utilizados no
experimento (Fotos: Thais C. Rebouças, 2009).
4.2.3 Monitoramento da compostagem e análises físico-químicas
Durante todo o experimento, os reatores de compostagem foram monitorados e avaliados,
com registro de todas as características físicas do composto, a frequência de revolvimento, a
temperatura, o pH e relação C/N. O acompanhamento destes parâmetros é descrito
detalhadamente na Tabela 2. O período de monitoramento compreendeu 30 dias e as
amostras para análise foram coletadas de diferentes partes do reator e misturadas para a
obtenção de uma amostra final mais homogênea e representativa.
Tabela 2: Parâmetros, métodos, referências, frequência de análise e observações referentes à compostagem.
Parâmetros
Métodos
Referências
Frequência
de análise
Observações
pH
Determinação
em água
KIEHL, 1985
Diária
-
Temperatura
Termômetro
digital
---
Diária
Medição feita em 5 pontos do
reator (nos cantos e no centro).
Sólidos totais (ST) a
103 - 105°C
Método
gravimétrico
STANDARD
METHODS
2540 B, 1995
Semanal
O parâmetro forneceu o teor de
umidade do material
Sólidos voláteis
(SV) e sólidos fixos
(SF) a 550°C
Método
gravimétrico
STANDARD
METHODS
2540 E, 1995
Semanal
Os parâmetros forneceram dados
para analisar a degradação da
matéria orgânica.
59
Tabela 2: Parâmetros, métodos, referências, frequência de análise e observações referentes à compostagem
(Continuação).
Parâmetros
Métodos
Referências
Frequência
de análise
Observações
Carbono Orgânico
-
KIEHL, 1985
Semanal
O parâmetro forneceu três
informações: teor de matéria
orgânica compostável, de matéria
orgânica resistente à
compostagem e a Demanda
Química de Oxigênio.
Fósforo total (P
t
)
Método do
ácido
ascórbico
pela oxidação
em meio
ácido
STANDARD
METHODS
4500-P F, 1995
Inicial e
final
-
NTK
Método Semi-
Micro Kjeldahl
STANDARD
METHODS
4500-N
org
C, 1995
Semanal
-
Ovos de helmintos
-
STANDARD
METHODS
10750 B, 1995
Inicial e
final
-
Escherichia coli
Método da
determinação
do número
mais provável
(NMP)
-
Semanal
Utilizado meio cromo-
fluorogênico (LMX), com
quantificação por meio de
cartelas
Escherichia coli foi o parâmetro microbiológico escolhido para analisar a redução de
organismos indicadores fecais e, assim, a eficiência do processo na higienização do material,
conforme sugere Niwagaba (2007). Também foi analisada a concentração de coliformes
totais.
Foram feitos revolvimentos manuais diários durante o experimento, visando garantir o
fornecimento de oxigênio a todo o composto. Em relação à temperatura do composto no
reator, como as alterações poderiam ser muito rápidas, foram feitas medidas a cada duas
horas, nos seguintes horários: 08h00, 10h00, 12h00, 14h00, 16h00, 18h00, 20h00 e 22h00.
Já a temperatura ambiente foi acompanhada durante todos os dias até o fim do
experimento através da Estação Meteorológica Automática, localizada na própria Instituição.
O teor de matéria orgânica encontrado pela análise de medição de sólidos voláteis
possibilitou calcular a porcentagem de carbono no composto e em seguida a relação
carbono/nitrogênio, conforme descrito por Kiehl (1985), da seguinte maneira: % C = teor de
matéria orgânica/1,8.
A degradação do material foi calculada a partir do aumento da porcentagem de sólidos fixos
na matéria seca da compostagem conforme descrito por Haug (1993):
60
(Eq. 1)
onde é a porcentagem de matéria orgânica degradada durante o tratamento;
é a
porcentagem de sólidos fixos ao final do experimento e
é a porcentagem de sólidos
fixos da mistura, inicial.
4.2.4 Cálculo das taxas de energia () e de evaporação da água ()
As taxas de energia () e de evaporação da água () para estimar as condições do
composto para a realização da compostagem foram calculadas de acordo com as equações 2
e 3, respectivamente (Haug, 1993).
(Eq. 2)
onde
é igual a ;
é a fração volátil dos sólidos totais;
são sólidos totais do
substrato;
é peso úmido da amostra.
(Eq. 3)
onde
é o calor liberado por grama de sólidos voláteis biodegradados, sendo
estimado
em 23,24 MJ/g degradados de
(5550 cal/g degradados de
).
4.2.5 Análises físico-químicas do composto final
Os parâmetros físico-químicos utilizados para analisar as características do composto obtido
foram pH, relação C/N, porcentagem de umidade e de matéria orgânica, porcentagem dos
macronutrientes (N, P, K, Ca, Mg e S) e as concentrações de micronutrientes (Zn, Fe, Mn, Cu,
B) e também de metais pesados como cádmio, cromo, chumbo e níquel. As análises do
composto final foram realizadas em parceria com o Instituto Capixaba de Pesquisa,
Assistência Técnica e Extensão Rural do Espírito Santo – Incaper.
61
5 Resultados e Discussão
5.1 Caracterização das fezes humanas
5.1.1 Aspectos quantitativos
A produção per capita de fezes para homens e mulheres está especificada na Tabela 3.
Observou-se que há variação do peso de fezes excretadas por dia por indivíduo. Neste
aspecto, o peso médio de fezes por pessoa encontrado foi de 130 g/dia, variando entre 55 e
386 gramas. Sendo que para homens e mulheres, a média foi respectivamente de 134 e 104
g/dia.
Tabela 3: Taxa de geração de fezes humana (peso úmido), g/pessoa.dia.
Amostra
Média
(g/pessoa.dia)
Desvio
padrão
Máx
Mín
Coef. Variação
Masculino
(n= 38)
134
66,75
386
69
49,8%
Feminino
(n= 8)
104
48,71
218
55
46,9%
Total
(n = 46)
130
64,12
386
55
49,2%
Na Tabela 4 são apresentados valores encontrados por diversos autores para a taxa de
geração em diferentes países. O valor médio de 130 gramas foi semelhante às médias
mundiais relatadas pela literatura.
Tabela 4: Taxa de geração de fezes humana (peso úmido), g/pessoa.dia, em diferentes países e regiões.
País ou Região
Produção (g/pessoa.dia)
Referências
Média mundial
150
Del Porto; Steinfeld (1999)
100 - 150
Aires (2008)
Reino Unido
134
Almeida et al. (1999)
1
América e Europa
100 - 200
Niwagaba (2007)
Países em desenvolvimento
350 (áreas rurais)
Feachem et al. (1983)
2
250 (áreas urbanas)
China
315
Gao et al. (2002)
3
Quênia
520
Pieper (1987)
3
Sul da Tailândia
120 - 400
Schouw et al. (2002)
Suécia
140
Vinnerås et al. (2006)
Vietnã
130 - 140
Polprasert et al. (1981)
2
Japão e China
116 - 200
Polprasert et al. (1981)
2
Legenda: 1- o valor excretado foi medido apenas durante a semana; 2- apud Schouw et al. (2002); 3- apud
Niwagaba (2007).
62
Comparando com estudos similares feitos em outros países da Ásia (como Japão, China e
Vietnã) e com a América e a Europa há consistência nos resultados encontrados (Tabela 4).
No entanto, como, muitas vezes, os métodos de amostragem não estão claramente
descritos, isso dificulta qualquer comparação mais direta. Em geral, populações de países em
desenvolvimento mostram taxas de geração bem mais amplas (130 a 520 gramas de peso
úmido) que na América e na Europa (100 a 200 gramas de peso úmido).
Almeida et al. (1999) observaram que não se espera que os valores médios sejam os totais
diários durante a semana, pois a população passa parte do dia de trabalho fora da
residência.
A variação na quantidade de fezes excretadas diariamente pelo corpo humano ocorre devido
a diferenças na composição do alimento consumido, da idade do indivíduo, do metabolismo,
da saúde física, entre outros fatores.
Em geral vegetarianos apresentam excreções diárias de fezes maiores que outros grupos, e a
quantidade de fezes excretadas em áreas rurais é maior que nas cidades, como apresentado
na Tabela 4. Segundo Franceys et al. (1992), dieta com altos teores de proteína em clima
temperado produzem 120 g/hab.dia enquanto dietas vegetarianas em climas tropicais
produzem 400 g/hab.dia.
Segundo Schouw et al. (2002), a menor taxa de geração de fezes na Tailândia pode ser
devido ao maior consumo de alimentos contendo altos teores de fibra, como as verduras.
Em relação ao peso seco, de acordo com a literatura, esse pode variar entre 70 e 170
g/pessoa.dia (Roeleveld, 2001). O teor de água nas fezes varia com seu peso e é diretamente
proporcional a ele. Por exemplo, uma comunidade em que o peso médio de fezes é de 100-
150 g/dia, o teor de água seria em torno de 75%. Enquanto com um peso de 500 g/dia, o
teor de água subiria para cerca de 90%. Vários autores relataram valores variando entre 66 e
80% (Gotaas, 1956; Geigy, 1981; Naudascher, 2001 apud Shalabi, 2006).
Assim, parece que a quantidade de excretas produzidos (sólidos totais secos) em várias
partes do mundo é razoavelmente constante, porém, o teor de água é um pouco diferente
(peso úmido total de fezes e urina) (Schouw et al., 2002).
A frequência de defecação também varia com o peso das fezes. Na Europa e América do
Norte, onde o peso das fezes geralmente é menor que 200 gramas por dia, a frequência
média é de uma defecação por dia. Enquanto em áreas rurais de países em
desenvolvimento, especialmente onde a dieta é vegetariana e o peso das fezes é maior, é
comum que a frequência de defecação seja de duas a três vezes ao dia (Faechem et al.,
1983; Schouw et al., 2002).
A frequência de utilização da descarga sanitária é de 4 a 6 vezes por habitante ao dia
(Tomaz, 2000), podendo assumir que uma pessoa utiliza o vaso sanitário uma vez para fezes
e 5 vezes para urina num período de um dia (Kujawa-Roeleveld et al., 2006; Luostarinen et
al., 2007).
De acordo com os registros feitos pelos usuários do banheiro, onde foram instalados os
sanitários secos segregadores, a frequência obtida na pesquisa foi de uma vez ao dia por
63
pessoa para fezes. No mesmo sanitário, Zancheta (2007) estudou a frequência de utilização
para urina e os resultados corroboraram com os valores apresentados na literatura.
5.1.2 Aspectos qualitativos
Existe uma grande variabilidade do conteúdo das fezes de acordo com a pessoa e com o
lugar geográfico, devido a fatores como clima local, alimentação, saúde, idade e estilo de
vida do indivíduo. A Tabela 5 apresenta os resultados médios da caracterização físico-
química das fezes humanas de amostras coletadas nos vasos sanitários segregadores da
pesquisa e os valores obtidos por outros autores.
Pela Tabela 5, pode-se notar que as concentrações de nitrogênio foram as que apresentaram
diferença mais acentuada entre si, variando de 4,9 a 15,4 gN/kg de fezes, com a menor
concentração encontrada por Chaggu et al. (2003). Durante a pesquisa, os resultados da
concentração de nitrogênio encontrada nas amostras também apresentaram grande
variação, com valor mínimo de 5,3 e máximo de 29,8 gN/kg de fezes. Isso pode ser explicado
com base em uma eventual diferença dos hábitos alimentares, uma vez que uma dieta com
maior ingestão de proteínas implica em maior excreção de nitrogênio pelo organismo
(Kirchmann e Petterson, 1995).
Aproximadamente 50% do nitrogênio fecal são solúveis em água e dessa porcentagem, 20%
é amônia proveniente da degradação da ureia, peptídeos e aminoácidos. Cerca de 17% do
nitrogênio total é encontrado em bactérias vivas e o restante é principalmente encontrado
como nitrogênio orgânico combinado em moléculas como ácido úrico e enzimas (Kujawa e
Zeeman, 2006).
Quanto ao fósforo, comparando a média obtida na pesquisa de 3,2 gP/kg de fezes com os
resultados de outros autores, observa-se que essa concentração é relativamente menor que
os valores relatados na literatura.
Tabela 5: Valores médios da caracterização físico-química das fezes coletadas nos sanitários segregadores
(valor médio ± desvio padrão) comparados aos dados da literatura.
Parâmetros
Esta
pesquisa
Del Porto
(1999)
Esrey et al.
(2001)
Chaggu et al.
(2003)
Jönsson et
al. (2005)
Rujawa e
Zeeman
(2006)
pH
6,7 ± 0,2
-
-
-
-
-
Umidade, em %
75,3 ± 3,1
-
-
66 - 85
70
-
SV, em %
85 ± 4,1
-
-
88 - 97
79,4
-
Fósforo
(gP/kg fezes)
3,2 ± 1,1
4
5,4
8,1 - 9,9
3,8
2,3 - 5,4
Nitrogênio
(gN/kg fezes)
12,9 ± 7,8
13,3
10,7
10,5 - 16,5
11,5
11,5 - 15,4
DQO
(gDQO/kg fezes)
450 ± 141
-
-
105 - 522
288
351 - 419
C
org
(gC
org
/kg fezes)
161,5 ± 2,0
-
152,8
-
-
-
64
Conforma a Tabela 5, o valor de pH para fezes encontrado foi próximo ao neutro, enquanto
os valores relatados na literatura variaram de 5,3 a 7,2 (Choi et al., 2003; Yadav et al., 2010).
Quanto a elementos causadores de doenças, é importante ressaltar que, das excretas
humanas, enquanto a urina contém relativamente poucos patógenos, as fezes têm alta
concentração desses organismos, sendo, portanto, necessária uma atenção maior a esses
dados de concentração. Uma pessoa normalmente excretará grandes quantidades de
microrganismos na matéria fecal. Os números estão na faixa de 10
11
-10
13
/g (Schönning e
Stenström, 2004).
Nas amostras analisadas, as concentrações de coliformes totais, termotolerantes e E. coli
foram de 10
7
, 10
6
e 10
5
NMP/g, respectivamente, e ovos de helmintos não foram
detectados. Tal resultado se justifica pelo alto nível socioeconômico dos colaboradores, já
que as doenças parasitárias estão relacionadas a práticas inadequadas de higiene e
deficiência nos sistemas de saneamento, comuns para níveis sociais mais baixos. Yadav et al.
(2010), ao caracterizarem fezes humanas, encontraram a concentração de coliformes totais
de 10
9
NMP/g, maior que a encontrada no presente estudo.
Considerando todas as fontes geradoras de resíduos numa residência, como água cinza,
urina, fezes e resíduos de cozinha, as fezes são responsáveis por cerca de 31% a 44% da
DQO, 28% do fósforo, 13% do nitrogênio e 18% do potássio (Almeida et al., 1999; Kujawa e
Zeeman, 2006). De acordo com as concentrações obtidas para DQO e carbono, vê-se que a
contribuição das fezes para a DQO é significativa e maior do que a sua participação nos
elementos inorgânicos. Portanto, as fezes têm importante contribuição de matéria orgânica
no esgoto sanitário.
Assim, por serem ricas em matéria orgânica e em nutrientes como nitrogênio e fósforo, as
fezes humanas têm alto potencial como condicionador de solo e como fonte de nutrientes
para a agricultura. A compostagem, ao higienizar e estabilizar o composto, respectivamente
eliminando os organismos patógenos e transformando os nutrientes presentes na matéria
orgânica bruta em aproveitáveis para a agricultura, é uma boa opção para tratar o material
para depois aplicá-lo no solo (Kakimoto e Funamizu, 2007).
5.2 Comportamento da temperatura e microrganismos
A aeração do sistema é parâmetro de fundamental importância para a realização da
compostagem. O revolvimento do composto, ao mesmo tempo em que introduz novo ar,
rico em oxigênio, libera o ar contido no composto, saturado de gás carbônico gerado pela
respiração dos microrganismos.
Na primeira rodada do experimento, a temperatura não atingiu 50°C em nenhum dos
sistemas analisados. O revolvimento manual era realizado a cada três dias, fator que parece
justificar o insucesso do procedimento. Portanto, em diante, a frequência de revolvimento
foi alterada, sendo realizadas duas vezes por dia.
Além das limitações encontradas para o aumento da temperatura no que diz respeito ao
revolvimento, limitações em relação à massa de fezes utilizada no reator também foram
encontradas. Foram testadas massas de fezes de 0,5, 1,0 e 3,0 kg. Temperaturas acima de
65
50°C foram alcançadas utilizando estas massas, porém foram mantidas por menos de uma
hora.
As Figuras 4, 5 e 6 mostram as mudanças de temperatura ao longo do tempo nos reatores 1,
2 e 3, respectivamente. O aumento médio máximo da temperatura em relação à
temperatura ambiente foi de cerca de 20°C, 30°C e 35°C, respectivamente, para os reatores
1, 2 e 3.
As temperaturas aumentaram rapidamente após a mistura no início da compostagem,
sobretudo nos reatores 1 e 3. Para o reator 1, a temperatura atingiu 41°C após 48 horas e,
no reator 3, alcançou 40°C em 36 horas.
O reator 1 permaneceu com temperaturas superiores a 40°C até 96 horas. A partir daí
apresentou queda de quase 10°C na temperatura, para finalmente retornar à faixa
termofílica após 156 horas e permanecer com temperaturas nessa faixa até 252 horas. Deste
modo, manteve-se cerca de 6 dias com temperaturas na fase termofílica (Figura 4).
Figura 4: Variação da temperatura ao longo do tempo para o reator 1 e da temperatura ambiente (média,
mínima e máxima dos cinco pontos de medição dentro do reator para cada tomada).
10
20
30
40
50
60
70
0
36
72
108
144
180
216
252
288
324
360
396
432
468
504
540
576
612
648
684
720
Temperatura (°C)
Tempo (horas)
Temp Mín
Temp Máx
Temp Média
Temp ambiente
66
Figura 5: Variação da temperatura ao longo do tempo para o reator 2 e da temperatura ambiente (média,
mínima e máxima dos cinco pontos de medição dentro do reator para cada tomada).
Figura 6: Variação da temperatura ao longo do tempo para o reator 3 e da temperatura ambiente (média,
mínima e máxima dos cinco pontos de medição dentro do reator para cada tomada).
10
20
30
40
50
60
70
0
36
72
108
144
180
216
252
288
324
360
396
432
468
504
540
576
612
648
684
720
Temperatura (°C)
Tempo (horas)
Temp Mín
Temp Máx
Temp Média
Temp ambiente
10
20
30
40
50
60
70
0
36
72
108
144
180
216
252
288
324
360
396
432
468
504
540
576
612
648
684
720
Temperatura (°C)
Tempo (horas)
Temp Mín
Temp Máx
Temp Média
Temp ambiente
67
Por outro lado, o reator 2, embora tenha alcançado temperaturas superiores a 40°C mais
lentamente que os demais experimentos, em 72 horas, manteve-se na fase termofílica por
cerca de 216 horas (9 dias) (Figura 5).
O melhor desempenho foi apresentado pelo reator 3, que manteve temperaturas superiores
a 40°C por 384 horas, ou seja, cerca de 16 dias (Figura 6). O reator 3 também foi o
responsável por alcançar as maiores temperaturas, pois registrou picos de temperatura de
58°C (216 horas) e atingiu temperaturas de 67°C em outras rodadas, enquanto os demais
experimentos registraram 46°C (192 horas) e 53°C (180 horas), respectivamente, reator 1 e
2.
O reator 1 não atingiu temperaturas de desinfecção (≥ 50°C), apenas alcançou a fase
termofílica e permaneceu por poucas horas até se igualar à temperatura ambiente. O reator
2 alcançou a fase termofílica após 84 horas do início do processo e atingiu temperatura de
desinfecção, porém permaneceu nessa por poucas horas (156 a 192 horas), depois declinou
bruscamente até se igualar à temperatura ambiente. Ao contrário dos demais, o reator 3
alcançou a fase termofílica em 60 horas e a temperatura subiu progressivamente até atingir
50°C em 84 horas, mantendo-se superior até cerca de 240 horas (~ 7 dias). A partir daí,
permaneceu na fase de transição até por volta de 396 horas e, após isso, a temperatura foi
declinando rapidamente, fato que indica que a matéria orgânica mais facilmente degradável
poderia ter sido rapidamente esgotada (Yu et al., 2008).
O aumento da temperatura até a fase termofílica (> 45°C) em algumas horas indica que a
mistura está funcionando bem (Haug, 1993; Chiumenti et al., 2005). No reator 3, esse
aumento ocorreu em pouco mais de dois dias e foi mais rápido do que nos demais reatores,
onde levaram quase 4 dias. A velocidade com que a temperatura aumenta depende,
portanto, da composição do substrato quando à umidade inicial, pH e nutrientes não são
fatores limitantes. A temperatura aumenta no composto como resultado da atividade dos
microrganismos.
Niwagaba et al. (2009), estudando compostagem de fezes e cinzas, também obtiveram
temperaturas elevadas em apenas dois dias, que se mantiveram superiores a 50°C de 4 a 12
dias, depois declinaram rapidamente a temperaturas inferiores a 50°C. Quando a
compostagem de fezes foi combinada com resíduos alimentares, as altas temperaturas se
mantiveram por um período mais longo (> 2 semanas).
O conteúdo facilmente disponível de matéria orgânica nas fezes parece ser demasiado baixo
para manter a temperatura elevada durante maior período de tempo em compostagem.
Assim, alguns autores (Vinnerås et al., 200X; Niwagaba, 2007; Niwagaba et al., 2009)
sugerem a utilização de resíduos alimentares para manter por mais tempo as altas
temperaturas. Caso os resíduos de alimentos não sejam utilizados, o problema ainda poderia
ser contornado pela utilização de maiores massas de composto contendo apenas fezes ou
ainda utilizar a serragem ao invés de cinzas poderia atenuar o problema.
Em todos os reatores, as concentrações iniciais de coliformes totais foram de 10
6
- 10
7
NMP/g, enquanto as concentrações de E. coli foram entre 10
5
- 10
7
NMP/g conforme mostra
a Tabela 6. Niwagaba et al. (2009b) relataram concentrações iniciais de E. coli menores entre
10
3
- 10
5
NMP/g e, para Germer et al. (2010), a carga inicial foi de 10
5
NMP/g. As
68
concentrações de coliformes total e E. coli medidas nos compostos são encontradas na
mesma magnitude que nos sanitários segregadores de urina e nos sanitários compostáveis
em condições ambientais semelhantes (Peasey, 2001; Redlinger et al. 2001). Poucos
resultados de estudos quantitativos desses microrganismos nas câmaras de coleta dos
sanitários estão disponíveis.
Tabela 6: Concentração de coliformes total e Escherichia coli (NMP/g) nos reatores 1, 2 e 3 durante 4 semanas
de compostagem.
Organismos
Experimento
F/S (%)
Inicial
7º dia
14º dia
21º dia
28º dia
Coliformes
totais
60
7,2E+06
9,8E+05
2,3E+04
3,0E+03
1,4E+05
40
9,1E+06
2,1E+05
1,6E+03
1,1E+03
9,8E+02
30
7,3E+07
3,6E+04
9,5E+01
n.d.
n.d.
E. coli
60
1,1E+05
2,6E+04
1,7E+03
2,1E+02
1,1E+03
40
6,2E+05
3,1E+04
1,1E+03
4,8E+02
2,9E+02
30
4,6E+07
9,7E+03
2,0E+01
n.d.
n.d.
n.d. = não detectado. Limite de detecção do método é 1 NMP/g.
Usando a lei de Chick (1908) e também a referência de Kansiime e Nalubega (1999), o
decaimento de bactérias corresponde a uma equação de decaimento de primeira ordem,
como se segue na Eq. 4:
(Eq. 4)
onde é a constante de decaimento (d
-1
),
é a concentração inicial de bactérias no tempo
= 0 e
é a concentração de bactérias no tempo . O cálculo da taxa de decaimento
(valores de ) de coliformes totais e E. coli para diferentes proporções de serragem
estudadas e os valores relatados na literatura são apresentados na Tabela 7 .
A taxa de decaimento foi maior para o reator 3 quando comparada aos reatores 1 e 2 para
as diferentes proporções de serragem. Para todos os reatores, a maior redução foi
observada na primeira semana e a taxa foi diminuindo gradualmente com o tempo. Tal
observação está de acordo com a literatura, que afirma que os microrganismos não morrem
a uma taxa constante (Easton et al., 2005; Madigan e Martinki, 2006).
69
Tabela 7: Valores de para o decaimento de patógenos durante 30 dias de compostagem de fezes humanas.
Easton et al.
(2005)
Niwagaba et
al. (2009)
1
F/S (%)
60
40
30
Duração
(dias)
CT
E. coli
E. coli
CT
E. coli
CT
E. coli
CT
E. coli
1-7
0,31
0,33
0,29
0,29
0,21
0,54
0,43
1,09
1,21
8-14
0,20
0,18
-
0,27
0,19
0,35
0,24
0,42
0,44
15-21
0,10
0,12
0,15
0,10
0,10
0,02
0,04
0,33
0,25
Legenda: 1- serragem; CT- coliformes totais.
Os valores de obtidos são maiores que os alcançados por Niwagaba et al. (2009b) ao
estudar o impacto da utilização de cinza de madeira e serragem nas câmaras de
compostagem dos urine diversion dry toilets (UDDTs) em Uganda e maiores também que os
obtidos por Easton et al. (2005) em um estudo sobre higienização da matéria fecal.
Niwagaba et al. (2009b) justificam que essas variações provavelmente são atribuídas a
diferenças no método de higienização, que incluem o armazenamento de matéria fecal em
condições de chuva (como em Easton et al., 2005) e o armazenamento em condições secas
reforçado por aditivos como cinza de madeira ou serragem.
As Figuras 7 e 8 apresentam, respectivamente, o decaimento de coliformes totais e
Escherichia coli durante quatro semanas de experimento para os três reatores estudados. O
reator 3 manteve temperaturas superiores a 50°C por 7 dias e neste composto não foi
detectado E. coli em 3 semanas (Figura 8). Os valores acima de 50°C foram bastante
elevados, atingiram picos de 67°C e houve temperaturas maiores que 60°C durante pelo
menos 1 dia, sugerindo que a relação tempo-temperatura é muito importante e que a
higienização pode ser realizada durante períodos mais curtos a temperaturas mais elevadas,
conforme relatam Feachem et al. (1983). Esses resultados também concordam com outros
estudos que relataram que a compostagem a 50-55°C resulta em um decaimento de E. coli
em 3 dias a 2 semanas (Jepsen, 1997).
No reator 2, temperaturas maiores que 50°C foram mantidas por apenas 2 dias e E. coli foi
detectada em concentrações de 10
2
NMP/g. Por outro lado, o reator 1 registrou uma
máxima de 46°C, não atingindo portanto temperatura de desinfecção e, mesmo assim, teve
redução de 10
5
para 10
2
NMP/g ao longo de 21 dias. Entretanto, no 28° dia foi detectado
aumento na concentração de coliformes totais e E. coli (Figuras 7 e 8), sugerindo que ou
houve recrescimento ou, como a mistura não é homogênea e a temperatura pode variar de
um ponto para o outro dentro do reator, houve sobrevivência de organismos em alguma
parte do composto.
70
Figura 7: Mudanças para Coliformes total (log10 NMP/g) ao longo do tempo nos três reatores.
Figura 8: Mudanças para Escherichia coli (log10 NMP/g) ao longo de tempo nos três reatores.
Os resultados obtidos foram similares aos de Niwagaba et al. (2009a), nos quais, em
compostos em que as temperaturas de desinfecção (≥ 50°C) foram mantidas por curtos
períodos (< 4 dias), E. coli foi detectada em todas as amostras em concentrações >10
3
NMP/g. Em outros compostos, nos quais a temperatura ≥ 50°C foi mantida por mais de 4
dias, E. coli não foi detectada, mas depois reapareceu no final do experimento. Por fim, nos
compostos onde ≥ 50°C foi mantida de 4 a 8 dias, foi realizada redução maior que 3log10
para E. coli e coliformes totais abaixo do limite de detecção.
Vinnerås et al. (2007) relatam que, apesar de atingir temperaturas ideais de higienização,
não há garantia de que os organismos patogênicos foram erradicados do composto. Esse
potencial de sobrevivência é largamente atribuído à natureza heterogênea do substrato em
0
2
4
6
8
10
0
1
2
3
4
Log 10 (Coliformes total, NMP/g)
Tempo (semanas)
Reator 1
Reator 2
Reator 3
0
2
4
6
8
10
0
1
2
3
4
Log 10 (E. coli, NMP/g)
Tempo (semanas)
Reator 1
Reator 2
Reator 3
71
compostagem e ressalta a importância do revolvimento durante o processo (Niwagaba,
2009).
O recrescimento ou mesmo sobrevivência de alguns microrganismos em compostos, mesmo
após obter as condições ideais indicadas pela literatura, poderia ser resultado de uma
mistura incompleta do composto e/ou a sobrevivência em zonas de baixa temperatura, pois
dentro dos reatores a temperatura comumente não é a mesma em todos os pontos, dada a
característica heterogênea do material. Isso pode ser ainda mais complicado quando os
reatores são de grandes dimensões. Tal fato mostra a importância de um bom design e uma
manipulação planejada do material em compostagem e também a importância do
revolvimento tanto para manutenção da aeração quanto para homogeneização do material.
Ao analisar outro microrganismo indicador fecal, Niwagaba (2007) atribuiu a dificuldade de
realizar com a mesma eficiência o revolvimento em reatores de maiores escalas. Não
detectou Enterococcus spp. após manter por 8 dias temperaturas ≥ 50°C em reatores de 78
litros, mas não obteve o mesmo desempenho em reatores de 216 litros, mesmo mantendo
as temperaturas ≥ 50°C por 12 dias, ou seja, por mais tempo.
Outros parâmetros como umidade, pH e competição entre microrganismos podem
contribuir para a redução ou destruição de organismos patogênicos nos compostos,
justificando a redução da concentração de E. coli nos reatores 1 e 2, mesmo sem atingir
temperaturas superiores a 50°C.
A combinação letal para todos os patógenos excretados nas fezes, incluindo o mais
resistente Ascaris, é 1 hora ≥ 62°C, 1 dia a ≥ 50°C e 1 semana a ≥ 46°C. Outros autores
(Schönning, Stenström, 2004; Niwagaba, 2007) recomendam que cerca de duas semanas de
compostagem a temperatura superior a 50°C podem ser suficientes para um bom
desempenho e higienização dos compostos. Niwagaba (2007) em menos de 12 dias não
detectou E. coli. De acordo com o Cornell Waste Management Institute (2005), a 70°C, o
tempo de sobrevivência para a maior parte dos patógenos é muito curto.
Conforme se constatou com os resultados obtidos através da análise microbiológica de E.
coli, cerca de uma semana de compostagem em temperatura superior a 50°C pode ser
suficiente para obter bom desempenho na higienização do composto. Para a estabilização
do composto, é necessário maior tempo para concluir o processo.
Análises de ovos de helmintos também foram realizadas, mas nenhum ovo foi encontrado
nas amostras, o que dificultou a análise de eficiência do processo em relação a esses
organismos, citados pela literatura como os mais resistentes. O fato é justificado pela origem
das amostras utilizadas nos experimentos. O laboratório onde as amostras foram coletadas
atende a população de bairros de classe média e alta e a incidência de parasitos é baixa,
sendo a maior positividade registrada para protozoários (com. pessoal). No laboratório em
questão, entre os meses de abril e novembro de 2009, período que compreendeu a coleta
de material, de um total de 5317 pacientes atendidos, apenas 87, ou seja, cerca de 2%, foi
positivo para helmintos. Quando se analisou a positividade apenas para Ascaris, os valores
encontrados foram ainda menores, cerca de 0,24%.
72
O mesmo ocorreu quando a coleta foi realizada no Laboratório Municipal de Saúde. Embora
este atenda pacientes do SUS (Sistema Único de Saúde) cujo perfil compreende todas as
classes sociais, a porcentagem de resultados positivos para Ascaris lumbricoides referente
aos meses de janeiro a junho de 2008, período de coleta do material, foi de 5,5% num total
de 23 mil pacientes analisados.
Então, ao misturar as amostras para montar o reator e ainda com a inclusão da serragem, o
material sofreu o efeito da diluição, que acaba por prejudicar a análise nesse sentido. Os
dados de ambos os laboratórios são apresentados em Anexo.
5.3 Relação Carbono/Nitrogênio
A relação C/N é um dos mais importantes parâmetros utilizados para avaliação da eficiência
do processo de compostagem e na determinação da maturidade do composto. Os
microrganismos necessitam de carbono como fonte de energia e de nitrogênio para a
síntese de proteínas. De uma maneira geral, para alta eficiência da compostagem, a
literatura recomenda como valores ótimos para a relação C/N, a variação em torno de 25 a
35 para 1.
Para identificar a maturidade do composto, uma grande variação da relação C/N tem sido
relatada na literatura. Este valor depende dos tipos de resíduos, de sua taxa de degradação e
do destino do carbono e do nitrogênio durante a compostagem. Yadav et al. (2010) relata
que isto indica que a relação C/N não deve ser usada como critério de maturidade para a
compostagem de resíduos, sobretudo se o resíduo em questão é rico em nitrogênio (Joseph
1999).
Entretanto, para Kiehl (1985) e Pereira Neto (1996), os compostos semi maturados
apresentam uma relação final de C/N de 18/1. Para compostos maturados, Pereira Neto
(1987; 1996) relatam uma relação C/N entre 8/1 a 15/1, enquanto para Kiehl (1985) a
relação C/N é menor que 18/1 até valores de 10/1.
A relação C/N inicial para as três proporções de serragem analisadas foi em um intervalo
entre 20 e 30, conforme apresenta a Tabela 8. Sendo que a maior relação C/N inicial foi do
composto com maior percentual de serragem (reator 3).
Tabela 8: Relação C/N inicial e após 30 dias de compostagem para três proporções de serragem estudadas.
Reator
F/S
C/N inicial
C/N final
1
60
20
19
2
40
25
13
3
30
30
16
A relação C/N diminuiu com o tempo em todos os reatores. A queda gradual da relação C/N
durante o processo de compostagem indica que o carbono está sendo consumido pela
respiração e eliminado na forma de CO
2
(Jahnel et al., 1999).
73
A biodegradabilidade do carbono fecal no processo de compostagem foi avaliada através da
redução da massa do carbono no material fecal em compostagem. Para cada proporção F/S
analisada foram encontradas diferentes porcentagens de biodegradação do carbono fecal.
Para o reator 1 e 2 a degradação foi de 56% e 23%, respectivamente, enquanto para o reator
3, a degradação do carbono fecal em CO
2
variou entre 66 e 75%. Comparando os resultados
com a literatura, porcentagens maiores de biodegradação do carbono fecal foram
observadas por Lopez Zavala et al. (2002) que relataram 80% de biodegradação do carbono
fecal inicial no processo de compostagem e Hotta e Funamizi (2007) que encontraram uma
porcentagem um pouco maior, de 85%.
As relações C/N finais foram na faixa entre 13 e 19, mostrando uma diminuição total de 35 e
37% após 30 dias de compostagem a partir dos valores iniciais (Tabela 8).
Durante o processo de compostagem das fezes com serragem, a relação C/N diminuiu de 25
para 13 no reator 2 e de 30 para 16 no reator 3, enquanto para o reator 1, este valor
praticamente não foi alterado, conforme apresenta a Tabela 8.
Portanto, de acordo com as relações C/N indicadas pela literatura (Kiehl, 1985; Pereira Neto,
1987, 1996), apenas os compostos dos reatores 2 e 3 podem ser considerados estabilizados.
Germer et al. (2010) não identificou impacto das diferentes relações C/N variando entre 10 a
23 no desenvolvimento da temperatura, enquanto segundo os resultados obtidos a relação
C/N de 30 foi a que apresentou as maiores temperaturas e além de atingir as temperaturas
de desinfecção (≥ 50°C), as manteve por mais tempo.
Os resultados obtidos indicam que ao realizar a compostagem de fezes com serragem na
proporção de F/S de 30%, obteve-se uma relação C/N de 30 que promoveu o aumento de
temperatura alcançando temperaturas de desinfecção e as mantendo por mais tempo
(Figura 6). O que como consequência acarretou na eliminação dos microrganismos
indicadores fecais em 21 dias e a estabilização do composto em 30 dias. Segundo Terazawa
(1997) (apud Lopez Zavala et al., 2005), as relação F/S em banheiros secos normalmente é de
10%.
5.4 Nitrogênio e pH
Conforme já discutido, as relações entre carbono e nitrogênio influenciam na estabilização e
na higienização dos compostos. Em relação ao nitrogênio, no sanitário compostável, assim
como em outros sistemas de compostagem, as transformações deste nutriente são
importantes sob dois pontos de vista. Um deles é o valor agronômico do composto que é
concedido pela presença de macronutrientes, como N, P e K e o outro, as emissões de
amônia para a atmosfera que pode ser consideradas uma ameaça ao ambiente. Portanto, as
emissões de amônia devem ser limitadas ao sanitário para melhorar a qualidade agronômica
do produto da compostagem e evitar impactos ambientais adversos.
As concentrações inicial e final dos compostos dos reatores 1, 2 e 3 são apresentadas na
Tabela 9. Yadav et al. (2010) pesquisando o tratamento de fezes através da
vermicompostagem na Índia, obteve um composto final com concentração de nitrogênio de
74
28 g/kg, muito similar as concentrações obtidas no presente estudo com compostagem de
fezes com serragem.
A maior perda de nitrogênio foi registrada no reator 1 e 2, sendo a perda de 37% em base
seca, enquanto no reator 3 a perda foi de 16%. Sendo assim, entre 63-84% do nitrogênio
fecal se acumulam no reator como tipo biologicamente inerte de matéria orgânica que pode
ser reutilizado. Embora geralmente a concentração de nitrogênio durante a biodegradação
aumente devido à mineralização da matéria orgânica, no presente estudo, o nitrogênio foi
perdido.
Outros estudos com compostagem de fezes e serragem (Lopez Zavala et al., 2005; Hotta e
Funamizu, 2007) tiveram reduções de nitrogênio total ainda maiores que as registradas no
presente estudo (Tabela 9). Além disso, Lopez Zavala et al. (2005) encontraram que as
reduções de nitrogênio total foram equivalentes as concentrações de NH
3
liberado nos
reatores e não detectou a formação de nitritos e nitratos no composto produzido durante os
ensaios.
Tabela 9: Concentração inicial e final de nitrogênio no composto para as três relações de F/S, em porcentagem
e concentração, e a porcentagem de perda do nutriente durante a compostagem de fezes humanas comparado
com a literatura.
Reator
% N*
inicial
N*
(g/kg
composto)
% N*
final
N*
(g/kg
composto)
% Perda
de N
Lopez Zavala
et al.
(2002, 2005)
Hotta e
Funamizu
(2007)
Yadav
et al.
(2010)
1
4,21
42,1
2,71
27,1
36,6
94%
66%
32%
2
5,32
53,2
3,46
34,6
36,2
3
3,47
34,7
2,94
29,4
15,5
*Valores em peso seco.
As reduções de nitrogênio total nos reatores de compostagem são causados por
amonificação do nitrogênio orgânico contido nas fezes e por volatilização da amônia nos
reatores de compostagem devido aos altos valores de pH durante o processo (> 8) e as altas
temperaturas atingidas (Lopez Zavala et al., 2005).
A produção de amônia aumenta os valores de pH, que associados as altas temperaturas do
processo de compostagem ocasionam a volatilização da amônia.
Os valores iniciais de pH foram semelhantes para as três proporções de serragem nas
amostras de fezes estudadas, sendo em média 6,5. Logo, conclui-se que a variação na
proporção de serragem nas fezes não exerceu influência sobre o parâmetro. Além disso,
segundo Sundberg et al. (2004), o valor indicado de pH do substrato para iniciar o processo é
entre 6,5 e 9,0, o que torna o valor médio de 6,5 adequado para o início do experimento.
Na evolução do pH ao longo da compostagem, notou-se que o pH diminuiu durante os
primeiros dias e posteriormente aumentou. Valores de pH 9,0 foram alcançados entre o
nono e o décimo dias para os três sistemas, com as três proporções diferentes de serragem.
75
Depois foi observada uma tendência à estabilização, com valores de pH em torno de 8,9 e
9,1 para todos os sistemas, conforme mostra a Figura 9. Por fim, entre o 50º e o 60º dias, os
compostos apresentaram queda do pH para valores entre 6,5 a 7,0.
Figura 9: Variação do pH durante a compostagem de fezes humanas.
Em uma descrição mais detalhada, no início do processo, o pH normalmente declina, como
mostrado na Figura 9. Esse comportamento foi notado até o segundo dia, quando o pH
apresentou aumento. Bidone (2001) esclarece que esse fenômeno inicial de declínio do pH é
provocado pela formação de ácidos orgânicos, que logo são degradados, gerando então o
posterior aumento do pH.
Os ácidos orgânicos, formados no início do processo e que provocam o declínio do pH, são
produzidos através da fermentação da matéria orgânica facilmente degradável. Durante esta
etapa, o principal produto é geralmente o ácido lático ou acético, abaixando o pH. Em
seguida, os ácidos são consumidos e ocorre produção de amônia e ácidos húmicos, elevando
o pH. A estabilização acontece entre 7,5 a 8,5. Outros autores relataram resultados similares
(Niwagaba, 2007; Yadav et al., 2010).
Niwagaba (2009), realizando compostagem de fezes misturadas com cinzas, serragem e
resíduos de alimentos, obteve valores de pH que variaram de 6,9 a 9,4, com a estabilização
observada após três semanas, permanecendo entre 8,5 e 9,7. O autor ainda relata que
compostos com pH inicial inferior a 6,5 não se auto-aqueceram.
Vinnerås (2007) mostrou que o processo de compostagem foi prejudicado ao incluir mais
cinzas no processo e ter um pH superior a 10. Portanto, ter cinzas no substrato pode
melhorar a velocidade do processo de compostagem das fezes, mas, se o sistema se tornar
muito básico, a compostagem é afetada.
5
6
7
8
9
10
0
48
96
144
192
240
288
336
384
432
480
528
576
624
672
720
pH
Tempo (horas)
Reator 1
Reator 2
Reator 3
76
Quanto aos organismos patogênicos, o pH é o fator limitante mais importante na
determinação da viabilidade de ovos de helmintos; quanto mais alto o pH, menor a
concentração de ovos (Peasey, 2000).
Então, conforme discutido anteriormente, durante a compostagem, o pH aumentou para
valores superiores a 8, logo nos primeiros dias e depois se manteve constante em torno de
8,0 e 9,0 em todos os compostos. Portanto, durante o período inicial o nitrogênio pode ter
sido perdido na forma de amônia.
Entre outros fatores, a temperatura tem uma grande importância na compostagem, não só
como fator para eliminação de microrganismos patogênicos, mas também associado ao pH,
como fator que influencia a conservação ou perda de nutrientes. Como o comportamento
do pH observado para os três sistemas foi bem parecido, a maior porcentagem de perda de
nitrogênio para o composto do reator não parece associado as maiores temperaturas
alcançadas pelo sistema como também o maior tempo mantido em temperaturas na fase
termofílica. A maioria dos sistemas de compostagem enfrenta volatilização da amônia em
temperaturas termofílicas.
5.5 Fósforo
O conteúdo inicial de fósforo para todos os compostos variou em uma faixa de 4,5 a 17,5
g/kg (peso seco) enquanto ao final da compostagem, a faixa de variação foi de 4,2 a 30,0
g/kg (peso seco) nos diferentes compostos. Após 30 dias de compostagem, os compostos
apresentaram um aumento de 0,9 a 1,4 vezes na concentração de fósforo total no composto
final comparado a sua concentração de fósforo inicial.
A oxidação da matéria orgânica para CO
2
, realizada microbiologicamente pelo processo de
compostagem, faz com que ocorra relativo aumento nos teores de nutrientes. Porém, outro
fator pode influenciar o aumento da concentração de fósforo nos compostos está associado
à redução da umidade ao longo do tempo em todos os reatores.
Dessa forma, o fósforo parece não influenciar no processo quanto à higienização do
composto, porém o aumento da concentração do nutriente no composto indica que o
processo está em estabilização.
5.6 Umidade
O controle da umidade é um fator importante no manejo do sanitário compostável. Em
média, o teor de umidade inicial para os três reatores foi de 60%, 56% e 53%,
respectivamente, para 1, 2 e 3. Essa diferença inicial está relacionada à diferentes
quantidades de serragem utilizada em cada reator, que é a responsável pela absorção da
elevada umidade que as fezes apresentam.
O reator 1 não atingiu temperatura de desinfecção (≥ 50°C), sugerindo que a umidade no
limite do teor ótimo provavelmente influenciou negativamente o início do processo de
compostagem. O reator 2 atingiu temperatura de desinfecção, porém com atraso em relação
ao reator 3. O reator 2 atingiu 50°C próximo ao sétimo dia, quando o valor de umidade foi
reduzido para 51,5%, enquanto o reator 3 com pouco mais de três dias já tinha alcançado
77
essa temperatura. Sendo assim, valores próximos a 50% de umidade se apresentaram como
mais adequados ao sucesso do processo.
Os compostos com umidade inicial maior que 63% não atingem temperatura de desinfecção
e, com 63% de umidade inicial, essas temperaturas são alcançadas, porém lentamente
(Niwagaba, 2007). O teor ótimo de umidade, de maneira geral, compreende-se entre 50 a
60% (Tsutiya et al., 2001; Lopez Zavala, 2004), mas alguns autores ampliam essa faixa para
entre 40-60%. Embora todos os compostos tenham iniciado o processo entre a faixa
considerada ótima pela literatura, o teor de umidade próximo a 50% parece o mais
adequado ao bom desempenho do processo.
A mais rápida ascensão da temperatura no reator 3 indica que pode ser melhor iniciar o
processo de compostagem com menor umidade, pois a alta umidade parece inibir ou
retardar o processo. Os altos teores de umidade fazem com que a água ocupe os espaços
vazios da massa, impedindo a livre passagem do oxigênio (Fonseca, 2000, Andreoli, 2001).
Esse fato é uma provável razão para o reator 1 não ter alcançado temperaturas de
desinfecção.
A umidade em todos os reatores apresentou uma tendência à redução nas suas
porcentagens ao longo do tempo. Entretanto, no início do processo de compostagem, as
células ainda estão intactas e, ao longo do processo, quando as células se desintegram, mais
umidade é liberada e, muitas vezes, isso acarreta em aumento nos teores de umidade, como
pode ser observado na Tabela 11 (item Umidade). Na Figura 10 este fato é visualmente
perceptível por conta da alteração na estrutura física do composto ao longo do processo.
(a)
(b)
Figura 10: Aparência inicial do composto depois de misturar a serragem com as fezes e o composto após 30
dias de compostagem (Fotos: Thais C. Rebouças, 2009).
A compostagem em reatores fechados facilita a gestão da umidade, pois não é necessário
adicionar água ao processo; já na compostagem aberta, ocorre mais perda de água, devido à
evaporação.
A redução da umidade variou de 6 a 15% para o reator 1, foi de 15 a 20% para o reator 2 e
de 8 a 29% para o reator 3. Durante a primeira semana, a maior redução foi de 28,5%,
apresentada pelo reator 3, ocasionada pelo maior aumento de temperatura, que acarreta
maior evaporação e portanto, maior perda de água do composto.
O odor associado aos sanitários secos é a principal preocupação dos usuários. Quando o teor
de umidade é baixo (< 40%), odores desagradáveis (ou agressivos) foram significativamente
menos perceptíveis (Redlinger et al., 2001). O odor é uma medida subjetiva, mas foi avaliado
78
quando eram realizados revolvimentos e coleta das amostras e era agressivo apenas nos
primeiros dois dias após as misturas, quando se tem a produção dos ácidos orgânicos.
À medida que ocorria a estabilização do composto, foi notado que o odor do material era
muito parecido ao de terra molhada. Entretanto, na segunda semana, foram percebidos
odores de amônia, devido ao processo de volatilização da amônia que ocorreu no composto.
Com exceção desse momento, emissões anaeróbias e odores estiveram ausentes. Isso
significa que o oxigênio atinge zonas interiores e que a serragem mantém um ambiente
completamente aeróbio para os microrganismos que atuam, principalmente, sobre o
substrato constituído por fezes.
Os resultados de Redlinger et al. (2001) mostraram que 64,5% dos sanitários compostáveis
estudados não apresentaram odor desagradável.
Observando os resultados obtidos, a umidade não variou muito durante o período de
compostagem, com exceção do reator 3, e, portanto, seus efeitos sobre a redução de
patógenos não poderiam ser facilmente quantificados. Assim, a umidade em reatores
fechados parece não influenciar a redução de coliformes totais e E. coli.
Dessa forma, a compostagem aeróbia seria o mecanismo primário de desinfecção do
composto. Redlinger (2001) concluiu que nos dry-composting toilets o mecanismo primário
para redução de coliformes fecais foi a desidratação e não a compostagem aeróbia.
5.7 Valores de e e degradação da matéria orgânica
Segundo Haug (1993), os compostos com uma relação favorável entre a energia ( > 700
cal/g) e a taxa de água ( < 8) satisfazem os requisitos termodinâmicos para a elevação da
temperatura e da evaporação da água.
Das três proporções de serragem analisadas, apenas o reator 3 reuniu esses requisitos para
o bom funcionamento da compostagem. Os valores obtidos para e para todos os
compostos são apresentados na Tabela 10. Os valores de variaram bastante para o reator
3, entre 868 e 1422 cal/g, enquanto o valor de variou bem menos, entre 4 e 6.
Tabela 10: Características físico-químicas iniciais dos compostos provenientes das três relações de F/S
estudadas (o tempo inicial foi considerado os sete primeiros dias).
Parâmetros
Reator 1
Reator 2
Reator 3
F/S 60
F/S 40
F/S 30
pH
inicial
6,6
6,3
6,6
% SF
inicial
10,9
9,3
9,8
T
máx
(°C)
46
52
63,8
1
15,5
23,5
61,8
, cal/g
2
265
418
1131
29
14
5
Legenda: 1- Porcentagem (%) de degradação da matéria orgânica; 2- Para calcular , o valor adotado de H foi
de 5550 cal/g (Haug, 1993). Obs.: reator 1 e 2 n = 3; reator 3 n = 6.
79
Os requisitos termodinâmicos sugeridos por Haug (1993) foram coerentes com as
temperaturas alcançadas nos três reatores. O reator 1, que obteve os menores valores de
e os mais elevados de , não alcançou temperatura de desinfecção e o reator 2, que obteve
valores mais próximos ao sugerido pela literatura, alcançou temperatura de desinfecção
porém a manteve por um tempo muito reduzido. Já o reator 3, que reuniu os requisitos
ideais, alcançou a temperatura de desinfecção e a manteve por mais tempo.
As equações para determinar os valores de e são sensíveis a pequenas alterações na
porcentagem de sólidos fixos e, ademais, apenas um valor da literatura foi utilizado para ,
que é o valor liberado quando a matéria orgânica é degradada.
Na Figura 11 são plotados os valores de e calculados para todos os compostos
estudados e é mostrado que a regra para e concorda bem com os resultados obtidos
em relação ao comportamento da temperatura e da umidade. Todos os compostos que
atingiram temperaturas termofílicas tinham > 700 cal/g e < 8, demonstrando que esses
critérios são importantes. Isso realça a força de que os cálculos de e são valiosos para
prever o desempenho do composto. Mesmo assim, mais estudos são necessários.
Figura 11: Valores calculados da relação de energia (cal/g) e relação de água . As linhas pontilhadas são
os valores limites para compostos não funcionais.
A degradação da matéria orgânica () na primeira semana para o reator 1 foi de apenas
10% e a do reator 2 não alcançou 30%. No reator 3, a degradação variou de 50-76%,
registrando porcentagens maiores que as obtidas por Niwagaba (2007).
Niwagaba (2007) obteve melhores valores de e ao compostar fezes com resíduos de
alimentos que fezes com cinzas. Além da maior degradação do composto com resíduos de
alimentos, cerca de 1,5 a 2 vezes maior que aqueles compostados apenas com cinzas, a
temperatura de desinfecção foi mantida durante mais tempo. A porcentagem inicial elevada
de sólidos fixos (SF) parece ter comprometido o desempenho do processo de compostagem
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
0 10 20 30 40 50
E, cal/g
Taxa de água (W)
T > 50°C
T < 50°C
80
quando cinzas são utilizadas. O problema que não ocorreu na utilização da serragem, visto
que esta possui elevada porcentagem de sólidos voláteis (cerca de 85%).
Portanto, compostos com teores elevados de matéria inorgânica (SF) podem ter seu
desempenho no processo prejudicado. Neste caso, a utilização de 40-50% de serragem (peso
úmido) mesmo naqueles compostos com cinzas de madeira pode atingir temperaturas de
desinfecção (Niwagaba, 2007). Uma vantagem da serragem em relação a cinza é que não é
necessário peneirá-la para remover o excesso no composto. Ao se utilizar cinzas de madeira,
pode ser necessário o peneiramento do composto para reduzir a fração inorgânica e esse
procedimento, além de não ser higiênico, expõe o usuário do sanitário e traz riscos a saúde.
5.8 Atividade biológica em termos de sólidos totais e sólidos voláteis
A eficiência do processo de compostagem (biodegradabilidade) pode ser medida através da
quantificação das reduções de sólidos totais e voláteis, que permitem medir a quantidade de
resíduo acumulado no reator e, portanto, funcionando como parâmetros para auxiliar seu
dimensionamento.
O conhecimento da quantidade e qualidade do composto produzido durante a
biodegradação aeróbia das fezes possibilita o adequado modelo e operação de todo sistema
do sanitário compostável, visto que a quantidade de resíduo remanescente aumenta com o
tempo e a composição dos resíduos determina a qualidade do composto gerado (Lopez
Zavala et al., 2002).
Lopez Zavala et al. (2005), estudando a atividade biológica em reatores de compostagem
para diferentes cargas orgânicas (fezes/serragem: 5, 10, 15, 20 e 25%), observaram que
redução de ST aumentou linearmente com o aumento da quantidade de fezes e obteve uma
taxa de redução de ST de aproximadamente 56%. A tendência é semelhante à redução de
SV, porém com reduções próximas a 70%. Para ambos os parâmetros, a redução é
independente da carga orgânica. Conforme os resultados obtidos por Lopez Zavala et al.
(2005), a carga orgânica (F/S) não seria um fator limitante para a biodegradação aeróbia das
fezes utilizando serragem como matriz, pelo menos no intervalo de tempo analisado (entre
15 e 30 dias) e nas condições ambientais fixadas durante o experimento, como a
temperatura dos reatores mantida a 55°C e aeração. Os resultados de Lopez Zavala et al.
(2005) mostram que a biodegradação de fezes em termos de ST e SV, sob condições
termofílicas, é mantida constante independentemente da carga orgânica até a relação de
F/S igual a 25%
Entretanto, no presente estudo, a redução de ST e de SV foi diferente para cada relação F/S
estudada, ou seja, relações F/S maiores que 25%. Para ST, a degradação foi de 48%, 34% e
até 64% para os reatores 1, 2 e 3, respectivamente. Concluindo que a partir da relação de
F/S de 30% e diante de condições ambientais e práticas diferentes, a carga orgânica parece
influenciar na biodegradação aeróbia das fezes. Além disso, as limitações para aumentar a
carga orgânica serão impostas também por restrições relacionadas ao aumento nos teores
de umidade do que somente na carga orgânica em si, já que o aumento da quantidade de
fezes para ser compostada implica necessariamente em elevados teores de umidade na
matriz de compostagem, a serragem.
81
Além do aumento das proporções F/S, outras duas condições devem ser levadas em
consideração. A temperatura ao longo do processo não foi controlada, portanto apresentou
variações, ao contrário do trabalho de Lopez Zavala et al. (2005) no qual os reatores
permaneceram sob temperatura constante na fase termofílica. E a outra limitação está
associada à manutenção das condições aeróbias na matriz de serragem, pois a aeração e o
revolvimento, utilizado no presente trabalho, podem ter efeitos diferentes no processo de
biodegradação das fezes, devido a heterogeneidade do composto, a eficácia da mistura, a
quantidade de ar (oxigênio) transportado através das zonas interiores do composto e o
modelo de aeração associado a cada processo.
Os resultados apresentados na Tabela 10 demonstram a degradação da matéria orgânica
() na primeira semana. Na Tabela 11, os valores apresentados são para a degradação dos
sólidos voláteis ao longo do tempo, no qual ainda se observou aumento na porcentagem de
degradação, principalmente para F/S 30. A redução significativa dos sólidos voláteis é um
dos indicativos utilizados para medir a maturidade do composto (Yardav et al., 2010).
Tabela 11: Valores médios da variação dos parâmetros físico-químicos durante o processo de compostagem
nos reatores 1, 2 e 3 com diferentes porcentagens de serragem.
Reator
F/S (%)
Amostra
(dias)
pH
Umidade
(%)
SV (%)
SV
red
(%)
1
60
1
6,6
57,4
90,1
0,0
7
9,0
57,2
88,5
17,0
14
9,1
53
89,2
35,1
21
8,9
56,3
82,8
31,2
2
40
1
6,2
55,4
90,6
0,0
7
8,6
52,9
87,9
23,6
14
9,0
52,4
91,6
36,7
21
9,0
50,9
81,3
33,6
3
30
1
6,6
53,3
91,1
0,0
7
8,9
48,6
82,5
62,0
14
89,0
46,4
88,3
64,5
21
7,9
49,5
86,8
51,0
28
7,3
45,9
81,2
74,5
Segundo Lopes Fernandes (1999), um processo de compostagem eficiente deve reduzir o
teor de sólidos voláteis para cerca da metade de seu valor inicial considerando, contudo, que
reduções entre 30 e 35% são suficientes.
As maiores reduções ocorreram até a terceira semana para os reatores 1 e 2, enquanto no
reator 3 ainda observou-se reduções dos sólidos voláteis até o trigésimo dia (Tabela 11).
82
As reduções dos sólidos voláteis parecem associadas às altas temperaturas, sobretudo
porque as maiores reduções foram alcançadas pelo reator 3, que obteve as maiores
temperaturas e que permaneceu nelas por um período mais longo. Sendo que as maiores
porcentagens de degradação estão associadas as misturas que alcançaram as maiores
temperaturas. Segundo Lopez Zavala et al. (2004), o ótimo de temperatura do ponto de vista
da biodegradabilidade das fezes compreende a faixa termofílica próxima a 60°C.
Para o reator 3 que obteve o melhor desempenho do processo, as reduções de sólidos
voláteis variaram entre 50% e 76% para os primeiros trinta dias de compostagem. O alto
grau de decomposição do composto faz com que esse método seja eficaz também para
reduzir o volume do resíduo.
A serragem tem propriedades importantes como alta porosidade, alta retenção de ar e água
e capacidade de drenagem, características que criam um bom ambiente aeróbio para o
crescimento e atividade de microrganismos, especialmente notável nas fases iniciais da
compostagem (Lopez Zavala et al., 2004).
Além de ter a finalidade de material estruturante e para controle de umidade, a serragem
apresentou bons resultados aumentando a carga orgânica do composto e assim,
minimizando o efeito da escala para reatores pequenos operados em batelada. Além das
proporções de F/S com 4 kg de fezes (peso úmido), foram testados reatores com 0,5 kg, 1,0
kg e 3,0 kg de fezes (peso úmido) para a relação F/S de 30% e não foram alcançadas
temperaturas de desinfecção.
Kitsiu e Terazawa (1999) observaram que as bactérias são os microrganismos responsáveis
pela biodegradação das fezes no reator de compostagem. É importante mencionar que a
serragem não é biodegradada por bactérias sob condições experimentais de alta
temperatura e curto período de tempo (entre 6 e 11 dias) (Lopez Zavala et al. 2002; 2005).
Dessa forma, a biodegradação ocorre somente nas fezes.
Os microrganismos responsáveis pela degradação da serragem são os actinomicetos e
fungos, que param de crescer em temperaturas termofílicas (Kaiser, 1996). Foi observado o
aparecimento de fungos após o resfriamento por volta 26º dia de compostagem em alguns
reatores 3.
Vinnerås et al. (2003), em escala piloto utilizando reatores de 90 litros, obtiveram 74% da
matéria orgânica degradada e convertida em água e CO
2
após 35 dias de compostagem e o
conteúdo inorgânico do material aumentou de 14,3% para 39,3%, indicando o alto grau de
degradação da matéria orgânica.
Durante 18 dias de compostagem em escala de laboratório, Vinnerås et al. (2003) obtiveram
53% de degradação da matéria orgânica para a mistura de fezes e resíduo de comida, 39%
para a mistura de fezes, urina e resíduo de comida e 21% e 11% para compostagem de fezes
e palha e compostagem de fezes e urina, respectivamente. Portanto, a maior elevação de
temperatura ocorreu nos substratos que continha fezes e resíduos de alimentos e apenas
fezes com resíduo palhoso. Sendo que fezes e resíduos de alimentos foram a melhor mistura
para desinfecção de fezes por compostagem térmica.
83
Niwagaba (2007) não atingiu temperaturas de desinfecção ao compostar apenas fezes com
cinzas em reatores de 78 litros, mas em reatores de 216 litros demonstrou que isso é
possível, sendo as temperaturas sustentadas entre 4 e 12 dias. Isso ocorre provavelmente
porque a mistura de fezes e cinzas não continha bastante material orgânico facilmente
degradável e assim, este foi rapidamente esgotado.
5.9 Características físico-químicas do composto produzido
Os compostos derivados de fezes humanas, algumas vezes misturadas aos resíduos
orgânicos de alimentos, tem menor teor de nutrientes que a urina, principalmente no que
diz respeito à concentração de nitrogênio disponível para as plantas. Devido à baixa
disponibilidade de nitrogênio do composto derivado de fezes, eles são normalmente usados
como condicionadores de solo ao invés de usados como adubo (Winker, 2009). Os
condicionadores de solo particularmente melhorar a estrutura do solo e aumentam sua
capacidade de retenção de água (Kiehl, 1985).
As excretas humanas possuem menor concentração de metais pesados que estrume animal
e menos cádmio que os fertilizantes artificiais. No entanto, informações mais detalhadas
sobre os compostos produzidos a partir de fezes humanas de sanitários segregadores ainda
são pouco conhecidos (Winker, 2009). Valores semelhantes do tratamento fezes também
são obtidos para a vermicompostagem, que normalmente resulta em um composto rico em
nutrientes entre 2 e 4 meses de tratamento (Shalabi, 2006; Gupta e Garg; 2009; Yadav et al.,
2010).
A Tabela 12 apresenta as características físico-químicas do composto obtido após 30 dias de
compostagem de fezes humanas com diferentes proporções de serragem estudadas
comparadas com a literatura.
A taxa de crescimento de uma planta, de modo genérico, é afetada pelo teor de nutrientes
no seu tecido. A concentração dos elementos essenciais nas plantas pode exceder a
concentração crítica, a concentração mínima necessária para o crescimento e pode haver
alguma variação de uma espécie para outra de planta. Entretanto, Bonner (1976) fornece
informações sobre as necessidades gerais das plantas (Tabela 12). Em termos gerais, a
porcentagem de nitrogênio obtida no estudo para as três porcentagens estudadas de
serragem foi bem superior, podendo ser o dobro, da concentração mínima necessária para o
crescimento das plantas indicada pela literatura. Os valores são ainda maiores quando se
compara a outros macronutrientes como P, K, Ca e Mg.
Os valores obtidos nos compostos provenientes do reator 3 (F/S 30) para os metais Zn, Cu,
Cd, Cr, Pb e Ni estão bem abaixo dos valores estabelecidos pela resolução CONAMA nº
375/2006, que define critérios e procedimentos para o uso agrícola de lodos de esgoto
gerados em estações de tratamento de esgoto sanitário.
As práticas e recomendações de uso agrícola para fezes humanas dependerão do
tratamento aplicado. De uma maneira geral, as fezes não devem ser usadas para fertilizar
hortaliças, frutas ou tubérculos de consumo cru, excluindo árvores frutíferas (Schönning e
Stenström, 2004).
84
Tabela 12: Características físico-químicas do composto obtido para as três proporções de F/S estudadas após o
processo de compostagem comparado com a literatura.
Parâmetros
F/S
Conama
375/2006
Yadav
et al.
(2010)
1
Bonner
(1976)
2
60
40
30
Fezes, kg
4,0
4,0
4,0
-
-
Serragem, kg
1,4
2,0
2,6
Umidade (%)
59
52
51
43
Matéria orgânica (%)
92
79
94
pH
9,0
9,0
8,1
8,0
pH após 60 dias
6,7
7,0
6,8
Relação C/N
19/1
13/1
17/1
7/1
N (%)
2,7
3,5
2,3
2,8
1,5
P (%)
0,43
0,8
0,68
2,35
0,2
K (%)
0,87
6,5
1,0
Ca (%)
0,95
6,25
0,5
Mg (%)
0,24
1,95
0,2
S (%)
0,10
-
0,1
Zn (mg/kg)
158
2800
480
20
Fe (mg/kg)
778
8000
100
Mn (mg/kg)
92
540
50
Cu (mg/kg)
14
1500
-
6
B (mg/kg)
12
-
20
Cd (mg/kg)
0,7
39
-
Cr (mg/kg)
3,3
1000
-
Pb (mg/kg)
8,0
300
-
Ni (mg/kg)
5,3
420
20
Coliformes totais, NMP/g
1,4E+05
9,8E+02
< 1,0
< 3,6
Legenda: 1- tempo de 1 ano de compostagem; 2- concentração mínima necessária para o crescimento das
plantas.
5.10 Observações visuais
O aspecto visual do composto após 30 dias de compostagem foi excelente, apresentando cor
e odor característicos de terra mofada. Todas as três proporções de F/S estudadas
assemelharam-se muito quando a textura, mesmo o composto F/S 30% tendo apresentado
melhor desempenho ao longo do processo.
Houve pouco odor exalado pela massa em compostagem. Em todas as relações F/S, por volta
do 10º dia, o material começou a apresentar um leve odor de amônia, posteriormente
tornou-se um odor agressivo e logo depois suavizou até não ser mais perceptível ao final de
trinta dias.
Antes mesmo do 30º dia de análise, todos os compostos apresentaram coloração mais
escura, aparência homogênea e não possuíam odor de fezes, mas sim de terra molhada. Na
Figura 12 é apresentada a aparência do composto para os três sistemas utilizados após 30
dias de compostagem.
85
(a)
(b)
(c)
Figura 12: Aparência do composto dos reatores 1 (a), 2 (b) e 3 (c) após 30 dias de compostagem (Fotos:
Thais C. Rebouças, 2009).
A presença de fungos de cor esbranquiçada foi observada no reator 3 na terceira semana do
experimento quando a temperatura começou a resfriar até atingir a temperatura ambiente
(Figura 13). Segundo Pereira Neto (1996), as colônias de actinomicetos são visíveis a olho nu
através da sua cor esbranquiçada.
Figura 13: Presença de fungos de cor esbranquiçada no reator 3 F/S 30% na terceira semana do processo de
compostagem (Foto: Thais C. Rebouças, 2009).
Ainda em relação às observações visuais, a serragem em si não se aparentou degradada.
Apenas a presença de Drosophila foi observada em volta da entrada e saída de ar dos
reatores e não foi observada presença de moscas domésticas em nenhum dos compostos.
Ao final da última semana em diante, foi observada a presença de formigas e outros
organismos invertebrados no composto como ácaros.
5.11 Inferência prática dos resultados obtidos para o reator 3
A inferência prática dos resultados obtidos com a caracterização quali-quantitativa das fezes
e como funciona a biodegradação do material em compostagem pode ser verificado a
seguir.
A taxa de produção de fezes por adulto por dia encontrada foi de 130 gramas (em peso
úmido) e as fezes são constituídas por 75% de água, sendo assim cerca de 32,1 g de sólidos
totais são excretados por adulto/dia. Como já discutido, o reator 3 com uma relação F/S de
30% foi o que obteve melhor desempenho no processo de compostagem e por isso os dados
utilizados para os cálculos foram realizados com os obtidos por essa relação.
Dessa forma, a degradação de sólidos totais obtida para o reator 3 foi de 64%, portanto 36%
dos sólidos totais permanecem no reator de compostagem após a biodegradação, de modo
que, espera-se que a cada dia 11,6 gramas de sólidos totais se tornem parte da matriz de
serragem no reator de compostagem.
86
Quanto à serragem, esta pode ser usada como uma matriz por um longo tempo, sendo
sugerido que seja por um tempo de 6 meses a 1 ano ou um pouco mais.
Considerando uma residência composta por uma família de 4 pessoas utilizando o sanitário
compostável, a quantidade de sólidos totais acumulados no reator de compostagem será de
aproximadamente 8,5 kg em 6 meses e 16,7 kg em 12 meses. Essa massa ocupa um volume
no reator de compostagem que deve ser considerada durante o processo de concepção e
funcionamento do sanitário. Devido a outros fatores que envolvem a concepção de qualquer
modelo, os resultados apresentados devem ser geridos com cuidado e sua aplicação é
limitada as condições nas quais foram determinados.
Uma análise complementar sobre a biodegradação das fezes baseada em sua caracterização
em unidades de massa foi realizada conforme metodologia investigada por Lopez Zavala et
al. (2002). Como demonstra a Tabela 3, as fezes são constituídas por aproximadamente 85%
de sólidos voláteis, por essa razão, a fração de sólidos fixos, que é biologicamente inerte foi
calculada como 15%. Por outro lado, como já discutido, foi obtido a degradação de sólidos
voláteis do composto em torno de 76% durante a compostagem para o reator 3 e também
foi obtido que a porcentagem de sólidos totais remanescente do composto, ou seja, que
permaneceram no reator foi de aproximadamente 36%.
Baseado nesses dados, a Figura 14 apresenta esquematicamente os resultados obtidos na
aplicação do método de Lopez Zavala et al. (2002) nos quais as fezes foram caracterizadas
em três frações, sólidos fixos e sólidos voláteis não biodegradáveis e biodegradáveis. Dessa
forma, a caracterização de fezes em unidade de massa é um método acessível para avaliar a
quantidade e a composição do material, que se acumula no reator de compostagem e
interfere na concepção e funcionamento do sanitário compostável.
Figura 14: Composição teórica das fezes e sua transformação durante o processo de compostagem.
Legenda:
são os solidos fixos;
são os sólidos voláteis não biodegradáveis;
são sólidos voláteis
biodegradáveis;
são sólidos voláteis biologicamente inertes e
é a produção de sólidos fixos.
87
6 Conclusão
Com relação à caracterização quali-quantitativa das fezes humanas:
1. A quantidade média de fezes excretadas por pessoa encontrada entre homens e
mulheres foi próxima. Porém, foram registrados valores mínimos e máximos bem
distantes, o que permite concluir que características físicas e comportamentais de
cada indivíduo são responsáveis por essa diferença.
2. As fezes humanas constituem um recurso de nutrientes como N, P e K e apresentam
potencial de reutilização podendo serem tratadas de forma mais sustentável que nos
tratamentos utilizados pelos sistemas convencionais de saneamento.
3. As concentrações de nitrogênio apresentaram grandes variações mostrando que
diferenças nos hábitos alimentares, entre outros fatores como idade e saúde física do
indivíduo, podem influenciar na qualidade do material em compostagem.
Com relação ao processo de compostagem com as diferentes proporções de serragem:
1. A compostagem de fezes humanas com serragem mostrou-se uma alternativa viável
para o tratamento e a estabilização desse material. Sendo o melhor desempenho
obtido na estabilização do composto e redução de Escherichia coli para a proporção
F/S de 30%.
2. Mesmo o reator 1 não tendo alcançado a temperaturas de desinfecção e o reator 2
apresentado uma fase termofílica de duração limitada, a concentração de E. coli foi
reduzida, o que demonstra que outros fatores contribuem para tal, dentre eles o
aumento do pH e possivelmente relações ecológicas presentes nos sistemas.
3. Teores de umidade na faixa de 50%, no início do processo, parecem garantir a melhor
eficiência na degradação aeróbia das fezes, já que em teores próximos a 60% a
eficiência da degradação diminuiu. Entretanto, em relação à higienização do
composto, os efeitos da umidade não puderam ser quantificados. Assim, a umidade
em reatores fechados parece não influenciar a redução de coliformes totais e E. coli.
4. As reduções mais elevadas em parâmetros como sólidos totais e sólidos voláteis são
determinadas a umidade de 50%. Esse nível de umidade não pode ser considerado a
umidade crítica, pois taxas razoáveis de degradação são obtidas a entre 55 e 60% de
umidade sem detectar odores agressivos.
5. Com uma relação C/N de 30/1 e o teor de umidade próximo a 50% obtêm-se uma
curva de temperatura adequada para eliminar organismos indicadores fecais do
composto permanecendo 16 dias em temperaturas termofílicas e 7 dias em
temperatura de desinfecção (≥ 50°C). Permitindo a estabilização do composto em 30
dias.
6. Na proporção F/S 30% pode-se atingir temperaturas e duração suficientes para
promover a higienização do composto. As temperaturas de desinfecção (≥ 50°C)
foram mantidas por cerca de 6 dias e coliformes totais e E. coli não foram detectados
após 21 dias do processo resultando em sua completa eliminação.
7. O teor de umidade e da relação C/N situados no limite considerado ideal pela
literatura foram provavelmente fatores limitantes ao prolongamento da fase
termofílica no processo de compostagem para a proporção F/S de 60%.
88
8. Teores de umidade inferiores a 50% devem ser evitados para garantir um ambiente
propício aos microrganismos e, consequentemente, a mais rápida e completa
estabilização da matéria orgânica.
9. A compostagem no sanitário compostável é caracterizada pela resposta biológica de
microrganismos, dependendo do teor de umidade em que o processo é conduzido e
da relação C/N em que é iniciado o processo.
Com relação às características do composto produzido:
1. Apresentaram presença de metais pesados em baixas concentrações.
2. Os teores de macro e micronutrientes são, de uma maneira geral, bem maiores que
as concentrações mínimas recomendadas para o crescimento das plantas.
Com relação aos parâmetros de dimensionamento:
1. O controle da umidade e a gestão no reator de compostagem no sanitário
compostável devem levar em conta não somente o desempenho na biodegradação
das fezes, mas também os problemas com odor e emissões anaeróbias, além da
necessidade de manutenção e auxílio, associado com a frequência de reposição da
serragem.
2. Devido à ausência de odores nos três sistemas estudados conclui-se que não
ocorreram condições anaeróbias até 60% de umidade.
3. São esperadas reduções de ST nos reatores de compostagem da ordem de 48, 34 e
64%, para os reatores 1, 2 e 3, respectivamente e reduções de SV de cerca 33, 44 e
de até 76%, para os reatores 1, 2 e 3, respectivamente. Mesmo que esses resultados
tenham sido obtidos em reatores experimentais, se forem gerenciados corretamente
e devidamente operados, podem ser de grande importância não só para concepção e
funcionamento do sanitário, mas também para a avaliação de outros sistemas de
compostagem termofílica.
4. A proporção de F/S 30% foi a que apresentou melhor desempenho no processo de
compostagem e isso significa que após a utilização do sanitário, considerando os
valores médios de excreção por pessoa, o usuário deverá adicionar
aproximadamente 430 gramas de serragem após a utilização do sanitário.
89
7 Recomendações
1- Avaliar outros materiais como fonte de carbono para testar no lugar da serragem.
2- Avaliar a utilização do composto velho no desempenho do processo.
3- Efetuar o balanço de massa dos principais nutrientes para analisar as perdas de
amônia por volatilização.
4- Estudar a aplicação do composto obtido em culturas agrícolas.
5- Medir continuamente a temperatura nos reatores em estudo através de medidor
automático.
6- Realizar análises de organismos parasitológicos do composto gerado.
7- Finalmente, também é necessário realizar estudos para determinar a aceitabilidade
social e cultural da utilização do sanitário compostável e do tratamento das fezes,
bem como impedimentos relativos à utilização do composto produzido.
8- Analisar os efeitos ambientais associados aos diferentes métodos de tratamento de
fezes humanas.
90
8 Referências
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97
Anexos
________________________________________________________
Anexo I Incidência de verminoses no município de Vitória – ES segundo dados
fornecidos pelo Laboratório Central da Secretaria Municipal de Saúde durante
os meses de janeiro a junho de 2008.
Organismos
Número de amostras
positivas
% de amostras
positivas
Giardia lamblia
654
2,84
A. lumbricoides
1269
5,52
Entamoeba coli
1853
8,06
E. vermiculares
175
0,76
E. histolytica
59
0,26
Positivos
4010
17,43
Negativos
18992
82,57
Total de amostras analisadas
23002
100,0
98
Anexo II Dados parasitológicos fornecidos pelo laboratório particular durante o
período de coleta de abril a dezembro de 2009.
Mês/2009
Total de
amostras
analisadas
Número de
amostras
positivas para
helmintos
% de amostras
positivas para
helmintos
Abril
506
7
1,4
Maio
588
9
1,5
Junho
623
7
1,1
Julho
793
12
1,5
Agosto
766
16
2,1
Setembro
674
13
1,9
Outubro
700
7
1,0
Novembro
667
16
2,4
Total
5317
87
1,6
99
Anexo III Dados parasitológicos fornecidos pelo laboratório particular durante o
período de coleta de abril a dezembro de 2009.
Abril/2009
Número de amostras
positivas
Strongyloides stercoralis
2
Ancylostomideo
3
Shistosoma mansoni
1
Enterobius vermicularis
1
Total
7
Maio/2009
Número de amostras
positivas
Strongyloides stercoralis
2
Ancylostomideo
1
Shistosoma mansoni
3
Enterobius vermicularis
1
Hymenolepis diminuta
1
Ascaris lumbricoides
1
Total
9
Julho/2009
Número de
amostras positivas
Strongyloides stercoralis
5
Ancylostomideo
3
Enterobius vermicularis
1
Ascaris lumbricoides
3
Total
12
100
Anexo III Dados parasitológicos fornecidos pelo laboratório particular durante o
período de coleta de abril a dezembro de 2009 (Continuação).
Agosto/2009
Número de
amostras positivas
Strongyloides stercoralis
5
Ancylostomideo
6
Enterobius vermicularis
1
Ascaris lumbricoides
3
Trichocephalus trichiurus
1
Total
16
Setembro/2009
Número de
amostras positivas
Strongyloides stercoralis
7
Ancylostomideo
3
Ascaris lumbricoides
2
Shistosoma mansoni
1
Total
13
Outubro/2009
Número de
amostras positivas
Strongyloides stercoralis
1
Trichocephalus trichiurus
3
Ascaris lumbricoides
1
Ancylostomideo
2
Total
7
101
Anexo III Dados parasitológicos fornecidos pelo laboratório particular durante o
período de coleta de abril a dezembro de 2009 (Continuação).
Novembro/2009
Número de
amostras positivas
Strongyloides stercoralis
6
Ancylostomideo
9
Ascaris lumbricoides
1
Total
16
102
Anexo IV Curva granulométrica da serragem utilizada nos experimentos.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0,010,1110
Porcentagem que passa
Diâmetro em mm
103
Anexo V Metodologia dos parâmetros físico-químicos analisados na caracterização
qualitativa de fezes humanas.
Parâmetros
Métodos
Referências
pH
Método eletrométrico
STANDARD METHODS
4500-H+ B, 1995
Sólidos totais (ST) a 103-105°C
Método gravimétrico
STANDARD METHODS
2540 B, 1995
Sólidos voláteis (SV) e sólidos
fixos (SF) a 550°C
Método gravimétrico
STANDARD METHODS
2540 E, 1995
Demanda química de oxigênio
(DQO)
Oxidação por dicromato de
potássio em meio ácido
STANDARD METHODS
5220 D,1995
Fósforo total
Método do ácido ascórbico
pela oxidação em meio ácido
STANDARD METHODS
4500 P, 1995
Nitrogênio total (NTK)
Método Semi-Micro Kjeldahl
STANDARD METHODS
4500 C, 1995
Carbono orgânico
-
KIEHL, 1985
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