Poluição de nutrientes - Nutrient pollution

Poluição de nutrientes causada pelo escoamento superficial do solo e fertilizantes durante uma tempestade

A poluição por nutrientes, uma forma de poluição da água , refere-se à contaminação por entradas excessivas de nutrientes . É a principal causa da eutrofização das águas superficiais , nas quais o excesso de nutrientes, geralmente nitrogênio ou fósforo , estimula o crescimento de algas . Fontes de poluição de nutrientes incluem escoamento superficial de campos agrícolas e pastagens, descargas de fossas sépticas e confinamentos e emissões de combustão. O esgoto bruto é um grande contribuinte para a eutrofização cultural, uma vez que o esgoto é rico em nutrientes. Lançar esgoto bruto em um grande corpo d'água é conhecido como despejo de esgoto e ainda ocorre em todo o mundo. O excesso de compostos reativos de nitrogênio no ambiente está associado a muitas preocupações ambientais em grande escala. Isso inclui a eutrofização das águas superficiais , proliferação de algas nocivas , hipóxia , chuva ácida , saturação de nitrogênio nas florestas e mudanças climáticas .

Desde o boom agrícola na década de 1910 e novamente na década de 1940 para atender ao aumento da demanda por alimentos, a produção agrícola depende fortemente do uso de fertilizantes. O fertilizante é uma substância natural ou quimicamente modificada que ajuda o solo a se tornar mais fértil. Esses fertilizantes contêm grandes quantidades de fósforo e nitrogênio, o que resulta em quantidades excessivas de nutrientes que entram no solo. Nitrogênio , fósforo e potássio são os "três grandes" nutrientes primários em fertilizantes comerciais, cada um desses nutrientes fundamentais desempenha um papel fundamental na nutrição das plantas. Quando o nitrogênio e o fósforo não são totalmente utilizados pelas plantas em crescimento, eles podem ser perdidos dos campos agrícolas e impactar negativamente a qualidade do ar e da água a jusante. Esses nutrientes podem acabar nos ecossistemas aquáticos e contribuem para o aumento da eutrofização. Quando os agricultores espalham seu fertilizante, seja ele orgânico ou sintético, a maior parte do fertilizante se transforma em escoamento que é coletado a jusante, gerando eutrofização cultural.

As abordagens de mitigação para reduzir as descargas de nutrientes poluentes incluem a remediação de nutrientes, comercialização de nutrientes e distribuição de fontes de nutrientes.

Nutrientes

A agricultura é a principal fonte de poluição por nutrientes no Golfo do México . Na Baía de Chesapeake , a agricultura é a principal fonte, junto com as áreas urbanas e a deposição atmosférica.
Emissões médias de eutrofização (medidas como equivalentes de fosfato) de diferentes alimentos por 100g de proteína
Tipos de comida Emissões de eutrofização (g PO 4 3- eq por 100g de proteína)
Carne
365,3
Peixes de viveiro
235,1
Crustáceos cultivados
227,2
Queijo
98,4
Cordeiro e carneiro
97,1
Carne de porco
76,4
Aves
48,7
Ovos
21,8
Amendoim
14,1
Ervilhas
7,5
tofu
6,2
Um exemplo no Tennessee de como o solo de campos fertilizados pode rapidamente se transformar em escoamento, criando um fluxo de nutrientes que flui para um corpo de água local.

Azoto

O uso de fertilizantes sintéticos , queima de combustíveis fósseis e produção de animais agrícolas , especialmente operações de alimentação animal concentrada (CAFO), adicionaram grandes quantidades de nitrogênio reativo à biosfera . Globalmente, os balanços de nitrogênio são distribuídos de forma bastante ineficiente, com alguns países tendo superávits e outros déficits, causando especialmente uma série de problemas ambientais no primeiro. Para a maioria dos países ao redor do mundo, o trade-off entre fechar lacunas de rendimento e mitigar a poluição por nitrogênio é pequeno ou inexistente

Fósforo

A poluição do fósforo é causada pelo uso excessivo de fertilizantes e esterco , principalmente quando agravada pela erosão do solo . O fósforo também é descarregado por estações de tratamento de esgoto municipais e algumas indústrias.

A humanidade aumentou a taxa de ciclagem de fósforo na Terra em quatro vezes, principalmente devido à produção e aplicação de fertilizantes agrícolas. Entre 1950 e 1995, cerca de 600 milhões de toneladas de fósforo foram aplicadas à superfície da Terra, principalmente em áreas de cultivo.

Impactos ambientais

O excesso de nutrientes foi resumido como potencialmente levando a:

Fontes de alto escoamento de nutrientes

A (s) principal (s) fonte (s) de poluição por nutrientes em uma bacia hidrográfica individual depende dos usos prevalecentes da terra . As fontes podem ser fontes pontuais , fontes não pontuais ou ambas:

A poluição por nutrientes de algumas fontes de poluição do ar pode ocorrer independentemente dos usos locais do solo, devido ao transporte de longa distância de poluentes do ar de fontes distantes.

A fim de avaliar a melhor forma de prevenir a ocorrência de eutrofização, fontes específicas que contribuem para a carga de nutrientes devem ser identificadas. Há duas fontes comuns de nutrientes e matéria orgânica: ponto e difusas fontes.

Fontes pontuais

As fontes pontuais são diretamente atribuíveis a uma influência. Em fontes pontuais, os resíduos de nutrientes viajam diretamente da fonte para a água. Fontes pontuais são relativamente fáceis de regular.

Fontes não pontuais

Poluição de fonte difusa (também conhecida como poluição 'difusa' ou 'escoamento') é aquela que vem de fontes difusas e mal definidas. Fontes difusas são difíceis de regular e geralmente variam espacial e temporalmente (com estação , precipitação e outros eventos irregulares ).

Foi demonstrado que o transporte de nitrogênio está correlacionado com vários índices de atividade humana em bacias hidrográficas, incluindo a quantidade de desenvolvimento. A lavoura na agricultura e o desenvolvimento são atividades que mais contribuem para o carregamento de nutrientes.

Retenção de solo

Os nutrientes das atividades humanas tendem a se acumular no solo e lá permanecer por anos. Foi demonstrado que a quantidade de fósforo perdido nas águas superficiais aumenta linearmente com a quantidade de fósforo no solo. Assim, grande parte da carga de nutrientes no solo acaba por chegar à água. O nitrogênio, da mesma forma, tem um tempo de renovação de décadas.

Escoamento para águas superficiais

Os nutrientes das atividades humanas tendem a viajar da terra para as águas superficiais ou subterrâneas. O nitrogênio, em particular, é removido por meio de bueiros , canos de esgoto e outras formas de escoamento superficial . As perdas de nutrientes no escoamento e no lixiviado são frequentemente associadas à agricultura . A agricultura moderna freqüentemente envolve a aplicação de nutrientes nos campos para maximizar a produção. No entanto, os agricultores freqüentemente aplicam mais nutrientes do que são absorvidos pelas lavouras ou pastagens. As regulamentações destinadas a minimizar as exportações de nutrientes da agricultura são normalmente muito menos rigorosas do que aquelas colocadas em estações de tratamento de esgoto e outras fontes pontuais de poluição. Deve-se observar também que os lagos em áreas florestadas também estão sob a influência do escoamento superficial. O escoamento pode lavar o nitrogênio mineral e o fósforo dos detritos e, em consequência, abastecer os corpos d'água, levando à eutrofização natural e lenta.

Deposição atmosférica

O nitrogênio é liberado no ar devido à volatilização da amônia e à produção de óxido nitroso. A combustão de combustíveis fósseis é um grande contribuinte de origem humana para a poluição atmosférica de nitrogênio. O nitrogênio atmosférico atinge o solo por dois processos diferentes, o primeiro sendo a deposição úmida, como chuva ou neve, e o segundo, a deposição seca, que consiste em partículas e gases encontrados no ar. A deposição atmosférica (por exemplo, na forma de chuva ácida ) também pode afetar a concentração de nutrientes na água, especialmente em regiões altamente industrializadas.

Outras fontes

Qualquer fator que cause aumento nas concentrações de nutrientes pode levar à eutrofização. Na modelagem da eutrofização, a taxa de renovação da água desempenha um papel crítico; água estagnada pode coletar mais nutrientes do que corpos com abastecimento de água reabastecido. Também foi demonstrado que a secagem de áreas úmidas causa um aumento na concentração de nutrientes e subsequentes florações de eutrofização.

Mitigação de descargas de nutrientes poluentes

Remediação de nutrientes

Mexilhões são exemplos de organismos que atuam como bioextratores de nutrientes

Soluções inovadoras foram concebidas para lidar com a poluição por nutrientes em sistemas aquáticos, alterando ou melhorando os processos naturais para desviar os efeitos dos nutrientes dos impactos ecológicos prejudiciais. A remediação de nutrientes é uma forma de remediação ambiental, mas diz respeito apenas a nutrientes biologicamente ativos, como nitrogênio e fósforo . “Remediação” refere-se à remoção da poluição ou contaminantes, geralmente para a proteção da saúde humana. Na remediação ambiental, as tecnologias de remoção de nutrientes incluem a biofiltração , que usa material vivo para capturar e degradar biologicamente os poluentes. Os exemplos incluem cinturões verdes, áreas ribeirinhas , pântanos naturais e construídos e lagoas de tratamento. Essas áreas geralmente capturam descargas antropogênicas, como águas residuais, escoamento de águas pluviais ou tratamento de esgoto, para recuperação de terras após a mineração, atividade de refinaria ou desenvolvimento de terras. A biofiltração utiliza a assimilação biológica para capturar, absorver e, eventualmente, incorporar os poluentes (incluindo nutrientes) no tecido vivo. Outra forma de remoção de nutrientes é a biorremediação , que usa microorganismos para remover poluentes. A biorremediação pode ocorrer por si só como atenuação natural ou biorremediação intrínseca ou pode ser estimulada pela adição de fertilizantes, uma estratégia chamada bioestimulação.

A bioextração de nutrientes é a biorremediação envolvendo plantas e animais cultivados. A bioextração ou bioextração de nutrientes é a prática de cultivar e colher crustáceos e algas marinhas com o objetivo de remover nitrogênio e outros nutrientes de corpos d'água naturais. Foi sugerido que a remoção de nitrogênio pelos recifes de ostras poderia gerar benefícios líquidos para fontes que enfrentam restrições de emissão de nitrogênio, semelhante a outros cenários de comércio de nutrientes. Especificamente, se as ostras mantiverem os níveis de nitrogênio nos estuários abaixo dos limites que levariam à imposição de limites de emissão, as ostras efetivamente economizam para as fontes os custos de conformidade que, de outra forma, incorreriam. Vários estudos mostraram que ostras e mexilhões têm a capacidade de impactar dramaticamente os níveis de nitrogênio nos estuários. Além disso, estudos demonstraram o potencial das algas marinhas para melhorar os níveis de nitrogênio.

Negociação de nutrientes

O comércio de nutrientes é um tipo de comércio de qualidade da água , um instrumento de política baseado no mercado usado para melhorar ou manter a qualidade da água. O comércio da qualidade da água surgiu por volta de 2005 e se baseia no fato de que diferentes fontes de poluição em uma bacia hidrográfica podem enfrentar custos muito diferentes para controlar o mesmo poluente. O comércio de qualidade da água envolve a troca voluntária de créditos de redução de poluição de fontes com baixos custos de controle de poluição para aquelas com altos custos de controle de poluição, e os mesmos princípios se aplicam ao comércio de nutrientes de qualidade da água. O princípio subjacente é o “ poluidor-pagador ”, geralmente vinculado a uma exigência regulatória para participação no programa de comércio.

Um relatório de 2013 do Forest Trends resumiu os programas de comércio de qualidade da água e encontrou três tipos principais de financiadores: beneficiários da proteção de bacias hidrográficas, poluidores compensando seus impactos e "contribuintes do bem público" que podem não se beneficiar diretamente, mas financiar os créditos de redução da poluição em nome de um governo ou ONG . Em 2013, os pagamentos foram iniciados em grande parte por contribuintes públicos, como governos e ONGs.

Distribuição da fonte de nutrientes

A distribuição da fonte de nutrientes é usada para estimar a carga de nutrientes de vários setores que entram nos corpos d'água, após a atenuação ou tratamento. A agricultura é normalmente a principal fonte de nitrogênio em corpos d'água na Europa, enquanto em muitos países as famílias e as indústrias tendem a ser os contribuintes dominantes de fósforo. Onde a qualidade da água é afetada pelo excesso de nutrientes, os modelos de repartição da fonte de carga podem apoiar a gestão proporcional e pragmática dos recursos hídricos, identificando as fontes de poluição. Existem duas abordagens amplas para modelagem de repartição de carga, (i) abordagens orientadas para carga que repartem a origem com base em dados de monitoramento in-stream e (ii) abordagens orientadas para a fonte onde as quantidades de poluição difusa ou de fonte difusa , as emissões são calculadas usando modelos tipicamente baseado em coeficientes de exportação de bacias com características semelhantes. Por exemplo, o Source Load Apportionment Model (SLAM) adota a última abordagem, estimando a contribuição relativa das fontes de nitrogênio e fósforo para as águas superficiais nas bacias irlandesas sem dados de monitoramento in-stream integrando informações sobre as descargas pontuais (águas residuais urbanas, indústria e sistemas de fossa séptica), fontes difusas (pastagens, áreas aráveis, silvicultura, etc.) e dados de captação, incluindo características hidrogeológicas.

Exemplos de países

Estados Unidos

A poluição de fonte difusa agrícola (NPS) é a maior fonte de comprometimento da qualidade da água em todos os Estados Unidos, com base em pesquisas de agências ambientais estaduais. A poluição de NPS não está sujeita a licenças de descarte de acordo com a Lei de Água Limpa (CWA) federal . A EPA e os estados têm usado subsídios, parcerias e projetos de demonstração para criar incentivos para que os agricultores ajustem suas práticas e reduzam o escoamento superficial .

Desenvolvimento de política de nutrientes

Os requisitos básicos para os estados desenvolverem critérios e padrões de nutrientes foram determinados pela Lei de Água Limpa de 1972. A implementação deste programa de qualidade da água tem sido um grande desafio científico, técnico e de uso intensivo de recursos para a EPA e os estados, e o desenvolvimento continua até o século XXI.

A EPA publicou um regulamento de gestão de águas residuais em 1978 para começar a abordar o problema nacional de poluição por nitrogênio, que vinha aumentando por décadas. Em 1998, a agência publicou uma Estratégia Nacional de Nutrientes com foco no desenvolvimento de critérios de nutrientes.

Entre 2000 e 2010, a EPA publicou critérios de nutrientes em nível federal para rios / córregos, lagos / reservatórios, estuários e áreas úmidas; e orientações relacionadas. Critérios "ecorregionais" de nutrientes para 14 ecorregiões nos Estados Unidos foram incluídos nessas publicações. Embora os estados possam adotar diretamente os critérios publicados pela EPA, em muitos casos os estados precisam modificar os critérios para refletir as condições específicas do local. Em 2004, a EPA declarou suas expectativas para critérios numéricos (em oposição a critérios narrativos menos específicos) para nitrogênio total (TN), fósforo total (TP), clorofila a (chl-a) e clareza, e estabeleceu "mutuamente acordado nos planos "para o desenvolvimento de critérios estaduais. Em 2007, a agência afirmou que o progresso entre os estados no desenvolvimento de critérios de nutrientes foi desigual. A EPA reiterou suas expectativas para os critérios numéricos e prometeu seu apoio aos esforços do estado para desenvolver seus próprios critérios.

Depois que a EPA introduziu a licença NPDES baseada em bacias hidrográficas em 2007, o interesse na remoção de nutrientes e na obtenção de limitações regionais de Carga Diária Máxima (TMDL) levou ao desenvolvimento de esquemas de comercialização de nutrientes.

Em 2008, a EPA publicou um relatório de progresso sobre os esforços do estado para desenvolver padrões de nutrientes. A maioria dos estados não desenvolveu critérios numéricos de nutrientes para rios e riachos; lagos e reservatórios; zonas húmidas e estuários (para os estados que têm estuários). No mesmo ano, a EPA também estabeleceu um Grupo de Tarefas de Inovações em Nutrientes (NITG), composto por especialistas estaduais e da EPA, para monitorar e avaliar o progresso da redução da poluição por nutrientes. Em 2009, o NTIG publicou um relatório, "Um Chamado Urgente à Ação", expressando a preocupação de que a qualidade da água continuasse a se deteriorar em todo o país devido ao aumento da poluição por nutrientes e recomendando o desenvolvimento mais vigoroso de padrões de nutrientes pelos estados.

Em 2011, a EPA reiterou a necessidade de os estados desenvolverem plenamente seus padrões de nutrientes, observando que as violações da água potável para nitratos dobraram em oito anos, que metade de todos os riachos em todo o país tinham níveis médios a altos de nitrogênio e fósforo e a proliferação de algas prejudiciais estava aumentando . A agência estabeleceu uma estrutura para os estados desenvolverem prioridades e metas de redução de nutrientes em nível de bacia hidrográfica.

Autorizações de descarga

Muitos descarregadores de fonte pontual nos EUA, embora não necessariamente as maiores fontes de nutrientes em suas respectivas bacias hidrográficas, são obrigados a cumprir as limitações de efluentes de nutrientes em suas licenças, que são emitidas por meio do Sistema Nacional de Eliminação de Descargas de Poluentes (NPDES), de acordo com o CWA. Algumas grandes estações de tratamento de esgoto municipais , como a estação avançada de tratamento de águas residuais Blue Plains em Washington, DC, instalaram sistemas de remoção biológica de nutrientes (BNR) para cumprir os requisitos regulamentares. Outros municípios fizeram ajustes nas práticas operacionais de seus sistemas de tratamento secundário existentes para controlar os nutrientes.

Descargas de grandes instalações pecuárias (CAFO) também são regulamentadas por licenças NPDES. O escoamento superficial de campos agrícolas, a principal fonte de nutrientes em muitas bacias hidrográficas, é classificado como poluição NPS e não é regulamentado por licenças NPDES.

Programa TMDL

A Carga Diária Máxima Total (TMDL) é um plano regulatório que prescreve a quantidade máxima de um poluente (incluindo nutrientes) que um corpo d'água pode receber enquanto atende aos padrões de qualidade da água CWA. Especificamente, a Seção 303 da Lei exige que cada estado gere um relatório TMDL para cada corpo de água prejudicado por poluentes. Os relatórios TMDL identificam os níveis de poluentes e estratégias para cumprir as metas de redução de poluentes. A EPA descreveu os TMDLs como estabelecendo um "orçamento de poluentes" com alocações para cada uma das fontes de poluentes. Para muitos corpos d'água costeiros, a principal questão poluente é o excesso de nutrientes, também denominado sobre-enriquecimento de nutrientes.

Um TMDL pode prescrever o nível mínimo de oxigênio dissolvido (OD) disponível em um corpo de água, que está diretamente relacionado aos níveis de nutrientes. ( Veja Hipóxia aquática .) Em 2010, 18 por cento dos TMDLs em todo o país estavam relacionados aos níveis de nutrientes, incluindo enriquecimento orgânico / esgotamento de oxigênio, plantas nocivas, crescimento de algas e amônia.

Os TMDLs identificam todos os poluentes de origem pontual e difusa em uma bacia hidrográfica. Para implementar TMDLs com fontes pontuais, as alocações de wasteload são incorporadas em suas licenças NPDES. As descargas de NPS geralmente ocorrem em um cenário de conformidade voluntária.

Em Long Island Sound , o processo de desenvolvimento TMDL permitiu que o Departamento de Energia e Proteção Ambiental de Connecticut e o Departamento de Conservação Ambiental do Estado de Nova York incorporassem uma meta de redução de nitrogênio de 58,5% em uma estrutura regulatória e legal.

Veja também

Referências