Medir e gerenciar derramamentos de esterco
8 de março de 2013 por USDA-ARS
8 de março de 2013 – Os derramamentos de esterco acontecem por vários motivos: um espalhador de esterco tomba, uma mangueira quebra, um tanque de armazenamento transborda após uma chuva torrencial implacável. Seja qual for a causa, estes eventos são uma ameaça tão grande para o ambiente que os estados têm equipas de emergência para lidar com o perigo.
Normalmente, os socorristas constroem barragens para conter o derramamento e depois bombeiam a água contaminada. Embora os esforços de limpeza comecem o mais rápido possível, a morte de um peixe num riacho próximo é muitas vezes a primeira evidência de que ocorreu um derrame.
Outro problema é que os sedimentos no canal de água contaminado podem capturar o fósforo do estrume e libertar o nutriente de volta para a água – por vezes durante meses a fio – em níveis que excedem os critérios da Agência de Protecção Ambiental dos EUA (EPA). Mas havia poucos detalhes disponíveis sobre as ligações entre derramamentos de esterco e fósforo até que o cientista de solos do Serviço de Pesquisa Agrícola, Doug Smith, e o doutorando Shalamar Armstrong começaram a estudar a questão.
Smith, que trabalha no Laboratório Nacional de Pesquisa sobre Erosão do Solo ARS em West Lafayette, Indiana, foi o consultor técnico de Armstrong durante todo o estudo. O cientista de solos da ARS Chi-hua Huang, também em West Lafayette, e a cientista de solos April Leytem, ​​que trabalha no Laboratório de Pesquisa de Solos e Irrigação do Noroeste da ARS em Kimberly, Idaho, também fizeram parte da equipe.
Dimensionando sedimentos
Armstrong coletou sedimentos de duas valas de drenagem na sub-bacia hidrográfica de Cedar Creek da bacia hidrográfica do rio St. Joseph, no nordeste de Indiana. A terra ao redor de cada vala era usada principalmente para cultivo em linha.
Três locais de amostragem foram selecionados para que o estudo incluísse sedimentos de áreas de drenagem que variavam de 768 acres a 10.625 acres. Esta metodologia também garantiu que os cientistas seriam capazes de avaliar os efeitos de diferentes distribuições de tamanho de partículas e propriedades físico-químicas na absorção de fósforo.
A equipe de West Lafayette adicionou os sedimentos a um canal de água artificial chamado “fluvarium” e usou esterco de suíno minimamente diluído em água para criar seu próprio “derramamento” de esterco no pior caso. Então, após 24 horas, eles limparam o local usando protocolos operacionais padrão para remediar locais de derramamento contaminados.
Os pesquisadores descobriram que a simulação do derramamento resultou inicialmente em uma concentração média de fósforo dissolvido na coluna de água de 5,57 miligramas por litro. As concentrações caíram para entre 0,19 e 0,21 miligramas por litro 24 horas depois, mas ainda excederam os padrões da EPA para rios, córregos e valas de drenagem na sub-bacia hidrográfica de Cedar Creek.
Os cientistas também documentaram que após o derramamento, os sedimentos do canal foram capazes de capturar quantidades significativas de fósforo da água, com taxas de adsorção variando de 8,9 a 16,7 miligramas por metro quadrado de sedimento por hora. Os melhores sedimentos argilosos dos locais do canal a montante adsorveram os maiores níveis.
“Esses sedimentos franco-argilosos têm uma área superficial maior disponível para as reações químicas que ligam o fósforo aos sedimentos”, explica Smith. “Esses sedimentos também têm os mais altos níveis de ferro, alumínio e carbono orgânico, o que aumenta a capacidade dos sedimentos de se ligarem ao fósforo.”
No entanto, após a simulação da limpeza do derrame, todos os sedimentos libertaram fósforo de volta à água a taxas que fizeram com que o nível de fósforo na água da vala excedesse o nível máximo da EPA em pelo menos 67 por cento. Embora os sedimentos franco-argilosos de textura fina tenham adsorvido os níveis mais elevados de fósforo, os sedimentos arenosos de textura espessa das maiores áreas de drenagem libertaram a maior parte do fósforo de volta à água após a conclusão da limpeza.
“Estes resultados sugerem fortemente que as abordagens actuais para remediar derrames de estrume precisam de ser melhoradas”, diz Smith.
Uma resposta em Alum
Felizmente, a equipe teve algumas ideias sobre por onde começar a buscar melhorias. Estudos anteriores mostraram que a adição de alume à cama de aves, esterco de suínos e outros subprodutos agrícolas atenua substancialmente a liberação de fósforo. Então, eles realizaram uma série de testes para ver até que ponto os aditivos de alume poderiam impedir, ou pelo menos retardar, a liberação de fósforo depositado nos sedimentos do canal após derramamentos de esterco.
Os pesquisadores adicionaram diferentes níveis de uma mistura de alúmen e carbonato de cálcio aos mesmos sedimentos testados no primeiro estudo. O carbonato de cálcio foi incluído para evitar que o alúmen ácido aumentasse significativamente a acidez da água.
Eles observaram que a alteração dos sedimentos contaminados com 1,6 miligramas de carbonato de alúmen-cálcio por grama de sedimento suprimiu a liberação de fósforo em 92% em sedimentos arenosos e em 72% em sedimentos argilosos e arenosos argilosos. Níveis mais elevados de corretivos suprimiram a liberação de fósforo em todos os três tipos de solo em até 100%.
Em geral, foram necessárias maiores taxas de alúmen para suprimir a liberação de fósforo dos sedimentos franco-argilosos do que da areia argilosa ou dos sedimentos arenosos. Em média, os sedimentos franco-argilosos necessitaram de 54% mais alume para mitigar a libertação de fósforo do que os sedimentos contendo pelo menos 60% de areia.
A adição de carbonato de cálcio ao alúmen não protegeu completamente a coluna de água do aumento da acidificação. Mas a água que flui sobre os sedimentos corrigidos com a mistura de alúmen-carbonato de cálcio era menos ácida do que a água que flui sobre os sedimentos corrigidos apenas com alúmen. Os dados do estudo foram usados ​​para desenvolver modelos para prever a taxa de aplicação de alúmen que seria necessária para mitigar a liberação de fósforo de sedimentos contaminados, com base nas propriedades dos sedimentos.
“Nossos resultados demonstraram que o alume pode ajudar os sedimentos a reter o fósforo após um derramamento de esterco”, diz Armstrong, que agora é professor assistente na Universidade Estadual de Illinois. “Acreditamos que tem potencial para melhorar os métodos atuais de remediação de derramamentos de estrume.” Os resultados de ambos os estudos foram publicados no Journal of Environmental Quality em 2009 e no Journal of Environmental Monitoring em 2012.
“Estes são os primeiros estudos que examinaram detalhadamente como os derramamentos de esterco afetam o destino do fósforo nos rios”, acrescenta Smith.
Esta pesquisa faz parte da Disponibilidade de Água e Gestão de Bacias Hidrográficas, um programa nacional da ARS (#211) descrito em www.nps.ars.usda.gov.
“Medição e Gestão de Impactos de Derramamentos de Estrume” foi publicado na edição de Março de 2013 da revista Agricultural Research.