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8.2 Bucle de mineralización

2 years ago

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En RAS, los lodos sólidos y ricos en nutrientes deben eliminarse del sistema para mantener la calidad del agua. Mediante la adición de un bucle adicional de reciclaje de lodos, los residuos acumulados de RAS pueden convertirse en nutrientes disueltos para su reutilización por las plantas en lugar de descartarse (Emerenciano et al. 2017). Dentro de los biorreactores, los microorganismos pueden descomponer este lodo en nutrientes biodisponibles, que posteriormente pueden ser entregados a las plantas (Delaide et al. 2018; Goddek et al. 2018; Monsees et al. 2017a, b). Muchos sistemas acuapónicos de un bucle ya incluyen digestores aeróbicos (Rakocy et al. 2004) y anaeróbicos (Yogev et al. 2016) para transformar los nutrientes atrapados en el lodo de los peces y hacerlos biodisponibles para las plantas. Sin embargo, la integración de dicho sistema en un sistema acuapónico acoplado de un bucle tiene varias desventajas:

  1. El factor de dilución para los efluentes ricos en nutrientes es mucho mayor cuando se descargan a un sistema de bucle único en relación con su descarga solo a la unidad hidropónica. Efectivamente, los nutrientes se diluyen al entrar en contacto con grandes volúmenes de agua de cría de peces.

  2. Los peces están expuestos innecesariamente a los efluentes del reactor de mineralización; por ejemplo, los efluentes de los reactores anaeróbicos pueden incluir ácidos grasos volátiles (VFA) y amoníaco que podrían dañar a los peces; dichos reactores también representan una fuente adicional para la posible introducción de patógenos.

  3. Alrededor del 90% de los nutrientes atrapados en el lodo pueden recuperarse cuando RassLudge se mantiene a un pH de 4 (Jung y Lovitt 2011). Un pH tan bajo no es posible cuando se utilizan biorreactores a un pH de alrededor de 7 (Goddek et al. 2018), que es el valor de pH de compensación habitual dentro de los sistemas acuapónicos de un bucle.

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Fig. 8.3 PH aproximado del agua dentro de los diferentes componentes del sistema, así como del agua de proceso. El '~' indica una aproximación

Con respecto al pH, la Fig. 8.3 muestra los valores aproximados de pH de los flujos de agua de proceso respectivos en un sistema acuapónico de bucle múltiple (por ejemplo, como se presenta en la Fig. 8.1c). La figura 8.3 también muestra el impacto de los reactores de mineralización en el rendimiento del sistema en su conjunto, basado en los reactores anaeróbicos propuestos por Goddek et al. (2018). Este sistema representa sólo una solución posible para el tratamiento de lodos, con enfoques alternativos examinados en el capítulo 10. La disminución del pH del agua de proceso que fluye desde el subsistema RAS al bucle hidropónico, como se muestra en la Fig. 8.3, demuestra la acidificación en el bucle de concentración de nutrientes (es decir, el agua desmineralizada tiene un pH de 7). Por lo tanto, el efluente tiene un pH más bajo que la salida RAS, lo que reduce la necesidad de ajustar el pH para condiciones óptimas de crecimiento de la planta.

Cuadro 8.1 Descripción general de las condiciones óptimas de crecimiento de peces y plantas y de las condiciones operativas preferidas para el tratamiento de reciclaje de nutrientes de lodos

tabla tead tr class="encabezado» THSubsistema/th ThSpecies/ función/th THPH/th Temperatura (˚C) /ésima Tnitrato (noSub3/sub) (mg/L) /a /tr /thead tbody tr class="impar» td rowspan="2"Sistema acuícola de recirculación (RAS) /td Tdioreochromis niloticus/i (tilapia del Nilo) /td td7—9 (Ross 2000) /td td27—30 (El-Sayed 2006) /td td<100—200 (Dalsgaard y otros 2013) /td /tr tr class="incluso» TdionCorhynchus mykiss/i (trucha arco iris) /td td6.5-8.5 (FAO 2005) /td td15 (Coghlan y Ringler 2005) /td td<40 (Davidson y otros 2011; Schrader y otros 2013) /td /tr tr class="impar» td rowspan="2"Hidroponica/TD tDilactuca sativa/i (lechuga) /td td5.5—6.5 (Resh 2012) /td td21—25 (Resh 2012) /td td730 (Resh 2012) /td /tr tr class="incluso» tdlycoPersicon esculentum (tomate) /td td6.3—6.5 (Resh 2002) /td td18—24 (Resh 2002) /td td666 (Sonneveld y Voogt 2009) /td /tr tr class="impar» td rowspan="2"Reactor anaeróbico/td TDmetanogénesis/TD td6.8—7-4 (de Lemos Chernicharo 2007) /td td30—35 (Álvarez y Lidén 2008; de Lemos Chernicharo 2007) /td td—/td /tr tr class="incluso» Movilización tdSludge td4.0 (Jung y Lovitt 2011) /td tdn/a/td td—/td /tr /tbody /tabla El sistema de reactores de dos etapas funciona de la siguiente manera:

  • En la primera etapa (pH alrededor de 7 para proporcionar condiciones óptimas para la metanogénesis; cuadro 8.1), la materia orgánica se desglosa para mantener un alto grado de producción de metano (es decir, eliminación de carbono). Mirzoyan y Gross (2013) reportaron una reducción total de sólidos suspendidos de alrededor del 90%, utilizando la tecnología de reactores de manta de lodos anaeróbicos de flujo ascendente. Esto tiene la ventaja de que (1) el biogás se cosecha como fuente de energía renovable y (2) se producen menos VFA en la segunda etapa. El tiempo de retención de lodos en la primera etapa debe ser de varios meses, antes de eliminar los nutrientes acumulados en el lodo (por ejemplo, agregación de fosfato de calcio) en la segunda etapa.

  • _En la segunda etapa, los nutrientes de los sólidos en suspensión se movilizan eficazmente y están disponibles para la absorción de las plantas. Esta movilización es la más efectiva en un entorno de pH bajo (Goddek et al. 2018; Jung y Lovitt 2011). Una vez disminuido el pH de los reactores ácidos, por lo general permanece estable; por lo tanto, se requiere una menor regulación del pH en la unidad hidropónica.

Los efluentes ricos en nutrientes pueden requerir un postratamiento dependiendo de la cantidad de sólidos suspendidos totales medidos y VFA. Sin embargo, es importante tener en cuenta que el amoníaco puede estimular el crecimiento de las plantas, por ejemplo, hojas verdes, cuando representa entre el 5 y el 25% de la concentración total de nitrógeno (Jones 2005). Sin embargo, los vegetales de frutas como los tomates o los pimientos dulces son particularmente sensibles al amoníaco en la solución nutritiva. Se requeriría un tratamiento aeróbico post-efluente o un sumidero hidropónico bien aireado en los sistemas que cultivan esos tipos de cultivos.

8.2.1 Determinación de los flujos de agua y nutrientes

Para el dimensionamiento del sistema (Sect. 8.4), debe conocerse la cantidad de agua que fluye desde el sistema RAS a través de los reactores a la unidad hidropónica (Qsubmin/sub) (Eq. 8.1):

$Q_ {MIN} (kg/día) =\ frac {n_ {feed}\ veces k_ {lodo}} {\ pi_ {lodo}} $ (8.1)

donde nsubfeed/sub es la cantidad de alimento para peces en kg, ksubsludge/sub es el coeficiente proporcional de los piensos para peces que terminan como lodo, y πsublodo/sub es la proporción de sólidos totales (es decir, lodos) en el flujo de agua del lodo que entra en el bucle de mineralización.

La concentración de lodos puede aumentarse añadiendo un dispositivo de separación por gravedad antes de los biorreactores, dirigiendo el sobrenadante «claro» de vuelta al sistema RAS. Esta fórmula también se puede utilizar para obtener una entrada para dimensionar el reactor en función del tiempo de retención hidráulica (Cap. 10. Entre el 20 y el 40% de los piensos para peces terminan como sólidos suspendidos totales en el lodo derivado del RAS (Timmons y Ebeling 2013). Como ejemplo, se ha encontrado que el lodo de tilapia contiene alrededor del 55% de los nutrientes que se agregaron al sistema a través del pienso (Neto y Ostrensky 2013; Yavuzcan Yildiz et al. 2017), lo que representa un valioso recurso para el crecimiento de los cultivos.

Los principales nutrientes que se pueden recuperar a través de un proceso de mineralización son N y P. Como P (uno de los principales componentes del lodo) es el macronutriente más valioso en términos de costo y disponibilidad para la producción de cultivos, debe ser el primer elemento a ser optimizado en el sistema aquapónico.

La tasa de mineralización del bucle de mineralización se calcula de la siguiente manera:

$Mineralización (g/día) = (n_ {feed}\ veces 1000) π_ {feed}\ veces π_ {lodo}\ veces η_ {min} $ (8.2)

donde nsubfeed/sub es la entrada de alimentación al sistema (en kg); πsubfeed/subes la proporción del nutriente en la formulación del pienso; πsubsludge/subes la proporción de un elemento derivado de alimentación específico que termina en el lodo; y ηsubmin/subes la eficiencia de mineralización y movilización del sistema del reactor .

El último paso sería determinar la concentración del elemento respectivo en el efluente del bucle de mineralización:

$Nutriente\ concentración\ (mg/l) =\ frac {Mineralización\ veces 1000} {Q_ {MIN}} $ (8.3)

Ejemplo 8.1

Nuestro sistema RAS se alimenta con 10 kg de alimento para peces al día. Asumimos que el 25% del alimento alimentado termina como lodo. En nuestro sistema, utilizamos un sedimentador de flujo radial (RFS) para concentrar el lodo a 1% de materia seca. En consecuencia, el flujo del RAS a HP a través del bucle de mineralización se calcula de la siguiente manera:

$Q_ {MIN}\ (kg/día) =\ frac {10kg\ veces\ 0.25} {0.01} =250\ aprox 250kg/dí$

Decidimos dimensionar nuestro sistema en P. El contenido de P de nuestro pienso (en la mayoría de los casos proporcionado por el fabricante de piensos) es del 1,5% y el 55% termina en el lodo (Neto y Ostrensky 2013). Asumimos que nuestros reactores logran una eficiencia de mineralización del 90% para este elemento. Por lo tanto, los gramos de P transferidos a la unidad hidropónica cada día se pueden determinar:

$Mineralización\ (g/día) = (10kg\ veces 1000)\ veces 0.55\ veces 0.015\ veces 0.9=74.25$

La concentración del efluente en consecuencia:

$Nutriente\ concentración\ (mg/l) =\ frac {74,25g\ veces 1000} {250L} =297\ mg/L$

Esta concentración de P en el efluente en el cuadro de ejemplo anterior es aproximadamente seis veces mayor que en la mayoría de las soluciones nutritivas hidropónicas. La investigación de Goddek et al. (2018) sustenta este número teórico, y reportan que su lodo RAS contenía 150 y 200 mg/L de P para dos sistemas independientes, respectivamente (1% de lodo TSS), con un contenido P de alimento para peces de 0.83% en materia seca para este último (200 mg/L).


Aquaponics Food Production Systems

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