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12 min readBoris Delaide, Hendrik Monsees, Amit Gross y Simon Goddek
Resumen Los sistemas acuícolas de recirculación, como parte de las unidades acuapónicas, son eficaces en la producción de animales acuáticos con un consumo mínimo de agua a través de etapas de tratamiento efectivas. Sin embargo, el lodo concentrado producido después de la fase de filtración sólida, que comprende materia orgánica y nutrientes valiosos, se descarta con mayor frecuencia. Uno de los últimos desarrollos en tecnología acuapónica tiene como objetivo reducir este potencial impacto ambiental negativo y aumentar el reciclaje de nutrientes mediante el tratamiento de lodos in situ. Para ello, los tratamientos microbianos aeróbicos y anaeróbicos, tratados individualmente o en un enfoque combinado, ofrecen oportunidades muy prometedoras para reducir simultáneamente los residuos orgánicos y recuperar nutrientes valiosos como el fósforo. Los tratamientos de lodos anaeróbicos ofrecen además la posibilidad de producción de energía, ya que un subproducto de este proceso es el biogás, es decir, principalmente el metano. Mediante la aplicación de estos pasos adicionales de tratamiento en unidades acuapónicas, se mejora la eficiencia del reciclado de agua y nutrientes y se reduce la dependencia del fertilizante externo, mejorando así la sostenibilidad del sistema en términos de utilización de recursos. En general, esto puede allanar el camino para la mejora económica de los sistemas acuapónicos, ya que los costes de eliminación de residuos y adquisición de fertilizantes disminuyen.
Palabras clave Reciclaje de lodos · Fósforo · Conversión de lodos microbianos · Balance de masas · Reciclaje de nutrientes
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B. Delaide
Developonics asbl, Bruselas, Bélgica
H. Monsees
Leibniz-Instituto de Ecología de Agua Dulce y Pesca Interior, Berlín, Alemania
A. Bruto
Departamento de Hidrología Ambiental y Microbiología, Instituto Zuckerberg para el Agua
Investigación, Institutos Blaustein para la Investigación del Desierto, Universidad Ben-Gurion del Negev, Beersheba (Israel)
S. Goddek
Métodos matemáticos y estadísticos (Biometris), Universidad de Wageningen, Wageningen (Países Bajos)
© El Autor (es) 2019 247
S. Goddek y otros (eds.), Aquaponics Food Production Systems, https://doi.org/10.1007/978-3-030-15943-6_10
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Un efecto Y, Yang F, Wong FS, Chua HC (2009) Efecto de la relación de recirculación sobre la metanogénesis y la eliminación simultánea de nitrógeno utilizando una manta anaeróbica combinada de flujo ascendente — biorreactor de membrana. Environ Esp Sci 26:1047 —1053. https://doi.org/10.1089/ees.2007.0317
Appels L, Baeyens J, Degrève J, Dewil R (2008) Principios y potencial de la digestión anaeróbica de lodos activados por residuos. Combust Prog Energy Sci 34:755. https://doi.org/10.1016/j.pecs. 2008.06.002
Arbiv R, van Rijn J (1995) Rendimiento de un sistema de tratamiento para la eliminación inorgánica de nitrógeno en sistemas acuícolas intensivos. Aquac Esp 14:189. https://doi.org/10.1016/0144-8609(94) P4435-E
Ayre JM, Moheimani NR, Borowitzka MA (2017) Crecimiento de microalgas en digestato anaeróbico no diluido de efluente porcinoso con altas concentraciones de amonio. Alga Res 24:218 —226. https://doi.org/10.1016/j.algal.2017.03.023
Brod E, Oppen J, Kristoffersen AØ, Haraldsen TK, Krogstad T (2017) Secado o digestión anaeróbica de lodos de peces: efectos de fertilización nitrogenada y logística. Ambio 46:852. https://doi. org/10.1007/s13280-017-0927-5
Biorreactores de membrana anaeróbica Chang S (2014) para el tratamiento de aguas residuales. Adv Chem Eng Sci 4:56. https://doi.org/10.4236/aces.2014.41008
Chen SL, Coffin DE, Malone RF (1997) Producción y gestión de lodos para sistemas acuícolas de recirculación. J World Aquac Soc 28:303-315. https://doi.org/10.1111/j.1749-7345. 1997.tb00278.x
Chowdhury P, Viraraghavan T, Srinivasan A (2010) Procesos de tratamiento biológico para el procesamiento de aguas residuales de pescado: una revisión. Bioresour Technol 101:439 —449. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2009.08.065
Conroy J, Couturier M (2010) Disolución de minerales durante la hidrólisis de residuos sólidos de peces. Acuicultura 298:220 —225. https://doi.org/10.1016/j.aquaculture.2009.11.013
Cui ZF, Chang S, Fane AG (2003) El uso de burbujas de gas para mejorar los procesos de membrana. J Memb Sci. https://doi.org/10.1016/S0376-7388(03)00246-1
Delaide B, Goddek S, Gott J, Soyeurt H, Jijakli MH (2016) Lechuga (Lactuca sativa L. var. El rendimiento de crecimiento sucrino) en solución acuapónica complementada supera a la hidropónica. Agua (Suiza) 8. https://doi.org/10.3390/w8100467
Delaide B, Goddek S, Keesman KJ, Jijakli MH (2018) Metodología para cuantificar el rendimiento de la digestión de lodos aeróbicos y anaeróbicos para el reciclaje de nutrientes en acuapónica. Biotechnol Agron Soc Environ 22 adaptador de cable
Deublein D, Steinhauser A (2010) Biogás a partir de residuos y recursos renovables: una introducción. En: Biogás a partir de residuos y recursos renovables: una introducción, 2nd edn. https://doi.org/10.1002/ 9783527632794
Ebeling JM, Timmons MB, Bisogni JJ (2006) Análisis de ingeniería de la estequiometría de la eliminación fotoautotrófica, autotrófica y heterotrófica de nitrógeno amoniaco en sistemas acuícolas. Acuicultura 257:346. https://doi.org/10.1016/j.aquaculture.2006.03.019
Endut A, Jusoh A, Ali N, Wan Nik WB, Hassan A (2010) Estudio sobre la velocidad óptima de carga hidráulica y las relaciones de planta en el sistema acuapónico de recirculación. Bioresour Technol 101:1511 —1517. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2009.09.040
Gander M, Je B, Judd S (2000) MBRs aeróbicos para el tratamiento de aguas residuales domésticas: una revisión con consideraciones de costo. Sept Purif Technol 18:119 —130
Garcia J-L, Patel BKC, Ollivier B (2000) Diversidad taxonómica, filogenética y ecológica de las arqueas metanogénicas. Anaerobe 6:205. https://doi.org/10.1006/anae.2000.0345
Gebauer R, Eikebrokk B (2006) Tratamiento anaeróbico mesófilo de lodos de eclosión de salmón. Bioresour Technol 97:2389 —2401. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2005.10.008
Goddek S, Keesman KJ (2018) La necesidad de la tecnología de desalinización para diseñar y dimensionar sistemas acuapónicos de bucle múltiple. Desalinización 428:76 -85. https://doi.org/10.1016/j.desal.2017. 11.024
Goddek S, Körner O (2019) Un modelo de simulación completamente integrado de acuapónica multi-bucle: un estudio de caso para el dimensionamiento de sistemas en diferentes ambientes. Agric Syst 171:143
Goddek S, Delaide B, Mankasingh U, Ragnarsdottir K, Jijakli H, Thorarinsdottir R (2015) Desafíos de la acuapónica sostenible y comercial. Sostenibilidad 7:4199 —4224. https://doi.org/10.3390/su7044199
Goddek S, Espinal CA, Delaide B, Jijakli MH, Schmautz Z, Wuertz S, Keesman KJ (2016) Navegación hacia sistemas aquapónicos desacoplados: un enfoque de diseño de dinámica de sistema. Agua (Suiza) 8. https://doi.org/10.3390/W8070303
Goddek S, Delaide B, Oyce A, Wuertz S, Jijakli MH, Gross A, Eeding EH, Bläser I, Keizer LCP, Morgenstern R, Körner O, Verreth J, Keesman KJ (2018) Mineralización de nutrientes y reducción de materia orgánica de lodos basados en RAS en reactores UASB-EGSB secuenciales. Aquac Esp 83:10. https://doi.org/10.1016/J.AQUAENG.2018.07.003
Graber A, Junge R (2009) Sistemas aquapónicos: reciclaje de nutrientes a partir de aguas residuales de pescado por producción vegetal. Desalinización 246:147 —156
Huang X, Xiao K, Shen Y (2010) Avances recientes en tecnología de biorreactores de membrana para el tratamiento de aguas residuales en China. Frente Environ Sci Eng China 4:245. https://doi.org/10.1007/ s11783-010-0240-z
Judd S, Judd C (2008) El libro MBR: principios y aplicaciones de los biorreactores de membrana en el tratamiento de aguas y aguas residuales. Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-185617481-7/50005-2
Jung IS, Lovitt RW (2011) Técnicas de lixiviación para eliminar metales y nutrientes potencialmente peligrosos de lodos de granja de truchas. Agua Res 45:5977 —5986. https://doi.org/10.1016/j.watres. 2011.08.062
Khalid A, Arshad M, Anjum M, Mahmood T, Dawson L (2011) La digestión anaeróbica de residuos orgánicos sólidos. Residuos Manag 31:1737. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2011.03.021
Klas S, Mozes N, Lahav O (2006) Desarrollo de un método de desnitrificación de lodos simples para la eliminación de nitratos de efluentes de RAS: resultados a escala de laboratorio vs. predicción del modelo. Acuicultura 259:342. https://doi.org/10.1016/j.aquaculture.2006.05.049
Kumar V, Sinha AK, Makkar HPS, De Boeck G, Becker K (2012) Phytate y fitasa en la nutrición del pescado. J Anim Physiol Anim Nutr (Berl) 96:335. https://doi.org/10.1111/j.1439-0396.2011. 01169.x
Lanari D, Franci C (1998) Producción de biogás a partir de residuos sólidos extraídos de efluentes de piscifactorías. Aquat Living Resour 11:289 —295. https://doi.org/10.1016/S0990-7440(98)80014-4
Licamele JD (2009) Producción de biomasa y dinámica de nutrientes en un sistema acuapónico. Universidad de Arizona
Marchaim U (1992) Procesos de biogás para el desarrollo sostenible. Boletín de servicios agrícolas de la FAO 95. Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación
McDermott BL, Chalmers AD, Goodwin JAS (2001) La ecografía como método de pretratamiento para la mejora de la digestión anaeróbica psicofílica de efluentes de acuicultura. Environ Technol (Reino Unido) 22:823. https://doi.org/10.1080/095933322086180317
McGill SM (2012) ¿Pico de fósforo? Las implicaciones de la escasez de fosfato para los inversores sostenibles. J Sustain Financ Invest. https://doi.org/10.1080/20430795.2012.742635
Mirzoyan N, Gross A (2013) Uso de reactores UASB para la digestión de lodos de acuicultura salobre bajo diferentes condiciones. Agua Res 47:2843 —2850. https://doi.org/10.1016/j.watres.2013.02.050
Mirzoyan N, Parnes S, Singer A, Tal Y, Sembradores K, Gross A (2008) Calidad del lodo de acuicultura salobre y su idoneidad para la digestión anaeróbica y la producción de metano en un reactor de manta anaeróbica de flujo ascendente (UASB). Acuicultura 279:35 —41. https://doi.org/10.1016/j.aquaculture. 2008.04.008
Mirzoyan N, Tal Y, Gross A (2010) Digestión anaeróbica de lodos procedentes de sistemas acuícolas de recirculación intensiva: revisión. Acuicultura 306:1 —6. https://doi.org/10.1016/j.aquaculture.2010. 05.028
Monsees H, Keitel J, Paul M, Kloas W, Wuertz S (2017) Potencial del tratamiento de lodos acuícolas para acuapónica: evaluación de la movilización de nutrientes en condiciones aeróbicas y anaeróbicas. Aquac Environ Interact 9:9 —18. https://doi.org/10.3354/aei00205
Naylor SJ, Moccia RD, Durant GM (1999) Composición química de residuos sólidos de peces (estiércol) de granjas comerciales de trucha arco iris en Ontario, Canadá. North Am J Aquac 61:21 —26
Neto RM, Ostrensky A (2013) Estimación de la carga de nutrientes en los residuos de Nilo Tilapia Oreochromisniloticus (L.) criados en jaulas en condiciones de clima tropical. Aquac Res 46:1309 —1322. https://doi.org/10.1111/are.12280
Nichols MA, Savidov NA (2012) Aquaponics: un sistema de producción eficiente de nutrientes y agua. Acta Hortica:129—132
Peng L, Dai H, Wu Y, Peng Y, Lu X (2018) Revisión exhaustiva de la recuperación de fósforo de aguas residuales mediante procesos de cristalización. Quimiosfera 197:768. https://doi.org/10.1016/j. chemosphere.2018.01.098
Rakocy JE, Bailey DS, Shultz RC, Danaher JJ (2007) Evaluación preliminar de residuos orgánicos de dos sistemas acuícolas como fuente de nutrientes inorgánicos para hidroponía. Acta Hortic 742:201 —208
Ru D, Liu J, Hu Z, Zou Y, Jiang L, Cheng X, Lv Z (2017) Mejora del rendimiento acuapónico a través de la adición de micronutrientes y macro. Environ Sci Pollut Res 24:16328. https://doi.org/ 10.1007/s11356-017-9273-1
Saha S, Monroe A, Day MR (2016) Crecimiento, rendimiento, calidad vegetal y nutrición de albahaca (Ocimumbasilicum L.) bajo sistemas agrícolas sin suelo. Ann Agric Sci 61:181 -186. https://doi.org/10.1016/j.aoas.2016.10.001
Schneider O, Sereti V, Eeding EH, Verreth JAJ (2005) Análisis de flujos de nutrientes en sistemas integrados de acuicultura intensiva. Aquac Eng 32:379-401. https://doi.org/10.1016/j.aquaeng.2004. 09.001
Seo KW, Choi YS, Gu MB, Kwon EE, Tsang YF, Rinklebe J, Park C (2017) Investigación a escala piloto de reducción de lodos en el sistema de digestión aeróbica con bacterias formadoras de endospora. La quimiosfera 186:202 —208. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2017.07.150
Stewart NT, Boardman GD, Helfrich LA (2006) Caracterización de las tasas de lixiviación de nutrientes del lodo asentado de trucha arco iris (Oncorhynchus mykiss). Aquac Eng 35:191 —198. https://doi.org/10. 1016/j.aquaeng.2006.01.004
Tal Y, Schreier HJ, Sowers KR, Stubblefield JD, Place AR, Zohar Y (2009) Acuicultura marina basada en tierra ambientalmente sostenible. Acuicultura 286:28 —35. https://doi.org/10.1016/j. aquaculture.2008.08.043
Techobanoglous G, Burton FL, Stensel HD (2014) Ingeniería de aguas residuales: tratamiento y reutilización, 5º edn. Metcalf y Eddy. https://doi.org/10.1016/0309-1708(80)90067-6
Turcios AE, Papenbrock J (2014) Tratamiento sostenible de efluentes acuícolas - ¿qué podemos aprender del pasado para el futuro? Sustain 6:836 —856
Van Lier JB, Mahmoud N, Zeeman G (2008) Tratamiento anaeróbico de aguas residuales, Tratamiento biológico de aguas residuales: principios, modelización y diseño. https://doi.org/10.1021/es00154a002
Van Rijn J (2013) Tratamiento de residuos en sistemas acuícolas de recirculación. Aquac Eng 53:49 —56. https://doi.org/10.1016/j.aquaeng.2012.11.010
van Rijn J, Fonarev N, Berkowitz B (1995) Tratamiento anaeróbico de efluentes de cultivo intensivo de peces: digestión de piensos para peces y liberación de ácidos grasos volátiles. Acuicultura 133:9 —20. https://doi.org/ 10.1016/0044-8486 (94) 00385-2
Yogev U, Barnes A, Gross A (2016) Análisis de nutrientes y balance energético para un modelo conceptual de tres bucles fuera de la red, Aquaponics. Agua 8:589. https://doi.org/10.3390/W8120589
Yogev U, Sembradores KR, Mozes N, Gross A (2017) Balance de nitrógeno y carbono en un nuevo sistema de recirculación salina de intercambio de agua casi cero. Acuicultura 467:118 —126. https://doi. org/10.1016/j.aquaculture.2016.04.029
Cristalización de estruvita de Zhang X, Hu J, Spanjers H, van Lier JB (2016) bajo una condición de acuicultura marina/salobre. Bioresour Technol 218:1151. https://doi.org/10.1016/j.biortech. 2016.07.088
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