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As RAS são sistemas complexos de produção aquática que envolvem uma série de interações físicas, químicas e biológicas (Timmons e Ebeling 2010). Compreender essas interações e as relações entre os peixes no sistema e o equipamento utilizado é crucial para prever quaisquer mudanças na qualidade da água e no desempenho do sistema. Existem mais de 40 parâmetros de qualidade da água que podem ser utilizados para determinar a qualidade da água na aquicultura (Timmons e Ebeling 2010). Destes, apenas alguns (como descrito em Seitas. 3.2.1, 3.2.2, 3.2.3, 3.2.4, 3.2.5, 3.2.6 e 3.2.7 são tradicionalmente controlados na recirculação principal , uma vez que esses processos podem afetar rapidamente a sobrevivência dos peixes e são propensos a mudar com a adição de alimentos para animais ao sistema. Muitos outros parâmetros de qualidade da água não são normalmente monitorados ou controlados porque (1) a análise da qualidade da água pode ser dispendiosa, (2) o poluente a ser analisado pode ser diluído com troca diária de água, (3) fontes potenciais de água que as contêm são excluídas para uso ou (4) porque o seu potencial negativo efeitos não foram observados na prática. Portanto, os seguintes parâmetros de qualidade da água são normalmente monitorados em RAS.

3.2.1 Oxigênio dissolvido (OD)

O oxigênio dissolvido (OD) é geralmente o parâmetro de qualidade da água mais importante em sistemas aquáticos intensivos, uma vez que os baixos níveis de OD podem resultar rapidamente em alta tensão nos peixes, mau funcionamento do biofiltro nitrificante e, na verdade, perdas significativas de peixes. Normalmente, as densidades de estocagem, a adição de alimentos, a temperatura e a tolerância das espécies de peixes à hipóxia determinarão as necessidades de oxigénio de um sistema. Uma vez que o oxigénio pode ser transferido para a água em concentrações superiores à sua concentração de saturação sob condições atmosféricas (isto é chamado de supersaturação), existe uma gama de dispositivos e desenhos para garantir que os peixes recebam oxigénio suficiente.

No RAS, o OD pode ser controlado via aeração, adição de oxigênio puro, ou uma combinação destes. Uma vez que a aeração só é capaz de elevar as concentrações de OD para o ponto de saturação atmosférica, a técnica é geralmente reservada para sistemas levemente carregados ou sistemas com espécies tolerantes como Tilapia ou bagre. No entanto, os aeradores também são um componente importante da RAS comercial, onde o uso de oxigênio técnico caro é reduzido pelo arejamento de água com baixo teor de oxigênio dissolvido de volta ao ponto de saturação antes de supersaturar a água com oxigênio técnico.

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Fig. 3.2 Diagramas de dois exemplos de transferência gás-líquido: aeração difusa e injectores/aspiradores Venturi

Existem vários tipos de aeradores e oxigenadores que podem ser usados em RAS e estes se enquadram em duas grandes categorias: sistemas gás-líquido e líquidos-gás (Lekang 2013). Os aeradores gás-líquido compreendem principalmente sistemas de aeração difusa em que o gás (ar ou oxigênio) é transferido para a água, criando bolhas que trocam gases com o meio líquido (Fig. 3.2). Outros sistemas de gás para líquido incluem gases de passagem através de difusores, tubos perfurados ou placas perfuradas para criar bolhas usando injetores Venturi que criam massas de pequenas bolhas ou dispositivos que prendem bolhas de gás no fluxo de água, como o Speece Cone e o oxigenador de tubo U.

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Fig. 3.3 Diagramas de dois exemplos de transferência de líquido para gás: o aerador de coluna embalado e salpicos de superfície em um tanque fechado. O aerador de coluna embalado permite que a água escorrer por uma embarcação fechada, geralmente embalada com meios estruturados, onde o ar é forçado através de um ventilador ou ventilador. Os salpicos de superfície encontrados na aquicultura de lagoas também podem ser usados em atmosferas fechadas enriquecidas com gases — normalmente oxigênio — para transferência de gás

Os aeradores líquidos a gás baseiam-se na difusão da água em pequenas gotículas para aumentar a área de superfície disponível para contato com o ar, ou na criação de uma atmosfera enriquecida com uma mistura de gases (Fig. 3.3). O aerador de colunas embaladas (Colt e Bouck 1984) e os oxigenadores de cabeça baixa (LHOs) (Wagner et al. 1995) são exemplos de sistemas líquidos-gás utilizados na recirculação da aquicultura. No entanto, outros sistemas líquidos-gás populares em lagoas e fazendas externas, como aeradores de rodas de pás (Fast et al. 1999), também são usados no RAS.

Há literatura considerável disponível sobre a teoria da troca de gás e os fundamentos da transferência de gás em água, e o leitor é incentivado não só a consultar textos de engenharia de aquicultura e aquicultura, mas também a se referir à engenharia de processos e materiais de tratamento de águas residuais para uma melhor compreensão destes processos.

3.2.2 Amoníaco

Num meio aquoso, o amoníaco existe em duas formas: uma forma não ionizada (NHsub3/sub) tóxica para os peixes e uma forma ionizada (NHsub4/subsup+/Sup) com baixa toxicidade para os peixes. Estes dois formam o azoto de amoníaco total (TAN), em que a relação entre as duas formas é controlada pelo pH, temperatura e salinidade. O amoníaco acumula-se na água de criação como produto do metabolismo das proteínas dos peixes (Altinok e Grizzle 2004) e pode atingir concentrações tóxicas se não forem tratadas. Dos 35 tipos diferentes de peixes de água doce estudados, o valor médio de toxicidade aguda para o amoníaco é de 2,79 mg NH3/l (Randall e Tsui 2002).

A amônia tem sido tradicionalmente tratada em sistemas de recirculação com biofiltros nitrificantes, dispositivos que são projetados para promover comunidades microbianas que podem oxidar amônia em nitrato (NoSub3/Sub). Embora o uso de biofiltros nitrificantes não seja novo, a RAS contemporânea viu uma racionalização dos projetos de biofiltro, com apenas alguns projetos bem estudados tendo aceitação generalizada. Outras técnicas altamente inovadoras para o tratamento da amônia foram desenvolvidas nos últimos anos, mas não são amplamente aplicadas comercialmente (exemplos mencionados abaixo).

A amônia é oxidada em biofiltros por comunidades de bactérias nitrificantes. As bactérias nitrificantes são organismos quimiolitotróficos que incluem espécies dos géneros Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrospira, Nitrobacter e Nitrococcus (Prosser 1989). Essas bactérias obtêm sua energia a partir da oxidação de compostos de nitrogênio inorgânicos (Mancinelli 1996) e crescem lentamente (a replicação ocorre 40 vezes mais lenta do que para bactérias heterotróficas) por isso são facilmente superadas por bactérias heterotróficas se o carbono orgânico, principalmente presente em biosólidos suspensos na cultura água, são autorizados a acumular (Grady e Lim 1980). Durante a operação do RAS, um bom gerenciamento do sistema depende muito da minimização de sólidos suspensos por meio de técnicas adequadas de remoção de sólidos (Fig. 3.4).

Os biofiltros nitrificantes ou os reactores de biofiltro foram classificados em duas categorias principais: sistemas de crescimento suspenso e de crescimento ligado (Malone e Pfeiffer 2006). Em sistemas de crescimento suspenso, as comunidades bacterianas nitrificantes crescem livremente na água, formando flocos bacterianos que também abrigam ecossistemas ricos onde protozoários, ciliados, nemátodos e algas estão presentes (Manan et al. 2017). Com mistura e aeração adequadas, algas, bactérias, zooplâncton, partículas de alimentação e matéria fecal permanecem suspensas na coluna de água e naturalmente floculam juntas, formando as partículas que dão o nome aos sistemas de cultura de bioflocos (Browdy et al. 2012). A principal desvantagem dos sistemas de crescimento suspenso é sua tendência a perder sua biomassa bacteriana à medida que a água de processo flui para fora do reator, exigindo assim um meio para capturá-la e devolvê-la ao sistema. Em sistemas de crescimento anexados, formas sólidas (grãos de areia, pedras, elementos plásticos) são usadas como substratos para reter as bactérias dentro do reator e, portanto, não precisam de uma etapa de captura de sólidos pós-tratamento. Geralmente, os sistemas de crescimento anexados fornecem mais área de superfície para fixação bacteriana do que os sistemas de crescimento suspenso, e não produzem sólidos significativos em sua saída, que é uma das principais razões pelas quais os biofiltros de crescimento anexados têm sido tão comumente usados em RAS.

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Fig. 3.4 Bactérias nitrificantes Nitrosomonas (esquerda) e Nitrobacter (direita). (Foto à esquerda: Bock et al. 1983. Foto à direita: Murray e Watson 1965)

Foram feitos esforços para classificar os biofiltros e documentar o seu desempenho, a fim de ajudar os agricultores e designers a especificar sistemas com maior grau de fiabilidade (Drennan et al. 2006; Gutierrez-Wing e Malone 2006). Nos últimos anos, a indústria aquícola optou por projetos de biofiltros que têm sido amplamente estudados e, portanto, podem oferecer desempenho previsível. O biorreator de leito móvel (Rusten et al. 2006), o biorreator de filtro de areia fluidizado (Summerfelt 2006) e o biorreator de leito fixo (Emparanza 2009; Zhu e Chen 2002) são exemplos de projetos de biofiltro de crescimento anexado que se tornaram padrão na RAS comercial moderna. Filtros de gotejamento (Díaz et al. 2012), outro design popular, viram sua popularidade reduzida devido aos seus requisitos de bombeamento relativamente altos e tamanhos relativamente grandes.

3.2.3 Biosólidos

Os biosólidos em RAS são originários de alimentos para peixes, fezes e biofilmes (Timmons e Ebeling 2010) e são um dos parâmetros de qualidade da água mais críticos e difíceis de controlar. Como os biossólidos servem como substrato para o crescimento bacteriano heterotrófico, um aumento na concentração pode eventualmente resultar em aumento do consumo de oxigênio, baixo desempenho do biofiltro (Michaud et al. 2006), aumento da turbidez da água e até mesmo bloqueio mecânico de partes do sistema (Becke et al. 2016; Chen et al. 1994; Couturier et al. 2009).

Na RAS, os biosólidos são geralmente classificados tanto pelo seu tamanho como pela sua capacidade de remoção por determinadas técnicas. Da fração total de sólidos produzidos num RAS, os sólidos reguláveis são geralmente superiores a 100 μm e que podem ser removidos por separação por gravidade. Os sólidos em suspensão, com dimensões compreendidas entre 100 μm e 30 μm, são os que não se estabelecem em suspensão, mas que podem ser removidos por meios mecânicos (isto é, peneiramento). Os sólidos finos, com dimensões inferiores a 30 μm, são geralmente aqueles que não podem ser removidos por peneiramento e devem ser controlados por outros meios, tais como processos físico-químicos, processos de filtração por membrana, diluição ou bioclarificação (Chen et al. 1994; Lee 2014; Summerfelt and Hochheimer 1997; Timmons e Ebeling 2010; Wold et al. 2014). As técnicas de controle de sólidos estabilizáveis e suspensos são bem conhecidas e desenvolvidas, e existe uma extensa literatura sobre o assunto. Por exemplo, o uso de tanques de drenagem dupla, separadores de turbilhão, separadores de fluxo radial e bacias de assentamento é um meio popular para controlar sólidos estabilizáveis (Couturier et al. 2009; Davidson e Summerfelt 2004; De Carvalho et al. 2013; Ebeling et al. 2006; Veerapen et al. 2005). Os filtros de microtela são o método mais popular para o controle de sólidos suspensos (Dolan et al. 2013; Fernandes et al. 2015) e são frequentemente usados na indústria para controlar sólidos reguláveis e suspensos com uma única técnica. Outros dispositivos de captura de sólidos populares são filtros de profundidade, como os filtros de talão (Cripps e Bergheim 2000) e filtros rápidos de areia, que também são populares em aplicações de piscinas. Além disso, as diretrizes de projeto para evitar o acúmulo de sólidos em tanques, tubulações, reservatórios e outros componentes do sistema também estão disponíveis na literatura (Davidson e Summerfelt 2004; Lekang 2013; Wong e Piedrahita 2000). Por último, os sólidos finos em RAS são comumente tratados por ozonização, bioclarificação, fracionamento de espuma ou uma combinação dessas técnicas. Os últimos anos no desenvolvimento do RAS concentraram-se em uma maior compreensão de como controlar a fração de sólidos finos e compreender o seu efeito no bem-estar dos peixes e no desempenho do sistema.

3.2.4 Dióxido de Carbono (COSub2/Sub)

No RAS, o controle dos gases dissolvidos não pára com o fornecimento de oxigênio aos peixes. Outros gases dissolvidos na água de criação podem afetar o bem-estar dos peixes se não forem controlados. As concentrações elevadas de dióxido de carbono dissolvido (COSub2/sub) na água inibem a difusão de COSub2/sub a partir do sangue de peixes. Nos peixes, o aumento do COSub2/sub no sangue reduz o pH do sangue e, por sua vez, a afinidade da hemoglobina pelo oxigénio (Noga 2010). Altas concentrações de COSub2/sub também foram associadas a nefrocalcinose, granulomas sistêmicos e depósitos calcários em órgãos em salmonídeos (Noga 2010). CoSub2/Sub em RAS se origina como um produto da respiração heterotrófica por peixes e bactérias. Como um gás altamente solúvel, o dióxido de carbono não atinge o equilíbrio atmosférico tão facilmente quanto o oxigênio ou o nitrogênio e, portanto, deve ser colocado em contato com grandes volumes de ar com uma baixa concentração de COSub2/Sub para garantir a transferência para fora da água (Summerfelt 2003). Como regra geral, RAS que são fornecidos com oxigênio puro exigirá alguma forma de remoção de dióxido de carbono, enquanto RAS, que são fornecidos com aeração para suplementação de oxigênio, não exigirá cosub2/subremoção ativa (Eshchar et al. 2003; Loyless e Malone 1998).

Em teoria, qualquer dispositivo de transferência/aeração de gás aberto para a atmosfera oferecerá alguma forma de decapagem CoSub2/Sub. No entanto, dispositivos especializados de remoção de dióxido de carbono exigem que grandes volumes de ar sejam colocados em contato com a água do processo. Os projetos de stripper CoSub2/Sub têm se concentrado principalmente em dispositivos tipo cascata, como aeradores em cascata, biofiltros de gotejamento e, mais importante, no aerador de coluna embalado (Colt e Bouck 1984; Moran 2010; Summerfelt 2003), que se tornou um equipamento padrão em RAS comerciais operando com oxigênio puro. Embora o desenvolvimento da tecnologia de aeração de colunas embaladas tenha avançado nos últimos anos, a maior parte da pesquisa feita neste dispositivo tem sido focada na compreensão de seu desempenho sob diferentes condições (ou seja, água doce vs água do mar) e variações de design como alturas, tipos de embalagem e taxas de ventilação . Sabe-se que o efeito da taxa de carga hidráulica (fluxo unitário por unidade de área do desgaseificador) tem um efeito sobre a eficiência de um desgaseificador, mas é necessária uma investigação mais aprofundada para ter uma melhor compreensão deste parâmetro de projeto.

3.2.5 Pressão total do gás (TGP)

A pressão total do gás (TGP) é definida como a soma das pressões parciais de todos os gases dissolvidos numa solução aquosa. Quanto menos solúvel for um gás, mais “espaço” ocupa na solução aquosa e, portanto, mais pressão exerce nele. Dos principais gases atmosféricos (azoto, oxigénio e dióxido de carbono), o azoto é o menos solúvel (por exemplo, 2,3 vezes menos solúvel do que o oxigénio e mais de 90 vezes menos solúvel do que o dióxido de carbono). Assim, o nitrogênio contribui para a pressão total do gás mais do que qualquer outro gás, mas não é consumido por peixes ou bactérias heterotróficas, por isso se acumulará na água a menos que seja descascado. Também é importante notar que o oxigênio também contribuirá para o alto TGP se o processo de transferência de gás não permitir que os gases em excesso sejam deslocados para fora da solução. Um exemplo clássico disso são lagoas com atividade fotoautotrófica neles. Fotoautotróficos (geralmente organismos vegetais que realizam fotossíntese) liberam oxigênio na água, enquanto uma superfície de água silenciosa pode não fornecer troca de gás suficiente para que o excesso de gás escape para a atmosfera e, portanto, pode ocorrer supersaturação.

Os peixes requerem pressões totais de gás iguais à pressão atmosférica. Se os peixes respirarem água com uma alta pressão total do gás, o excesso de gás (geralmente nitrogênio) sai da corrente sanguínea e forma bolhas, com efeitos frequentemente graves para a saúde dos peixes (Noga 2010). Na aquicultura, isto é conhecido como doença da bolha de gás.

Evitar alto TGP requer um exame cuidadoso de todas as áreas do RAS onde a transferência de gás pode ocorrer. A injeção de oxigênio de alta pressão sem gaseificação (permitindo que o excesso de nitrogênio seja deslocado para fora da água) também pode contribuir para um alto TGP. Em sistemas com peixes muito sensíveis ao TGP, a utilização de desgaseadores a vácuo é uma opção (Colt e Bouck 1984). No entanto, manter um RAS livre de áreas de pressurização de gás descontrolada, usando decapadores de dióxido de carbono (que também removerão o nitrogênio) e dosear oxigênio técnico com cuidado, é suficiente para manter o TGP em níveis seguros em RAS comerciais.

3.2.6 Nitrato

Nitrato (NoSub3/Sub) é o produto final da nitrificação e comumente o último parâmetro a ser controlado na RAS, devido à sua toxicidade relativamente baixa (Davidson et al. 2014; Schroeder et al. 2011; van Rijn 2013). Isso é principalmente atribuído à sua baixa permeabilidade na membrana branquial de peixe (Camargo e Alonso 2006). A ação tóxica do nitrato é semelhante à do nitrito, afetando a capacidade das moléculas transportadoras de oxigênio. O controle das concentrações de nitratos em RAS tem sido tradicionalmente alcançado por diluição, controlando efetivamente o tempo de retenção hidráulica ou a taxa de câmbio diária. No entanto, o controle biológico de nitratos usando reatores de desnitrificação é uma área crescente de pesquisa e desenvolvimento em RAS.

A tolerância ao nitrato pode variar consoante as espécies aquáticas e a fase de vida, sendo que a salinidade tem um efeito melhorador sobre a sua toxicidade. É importante que os operadores de RAS compreendam os efeitos crónicos da exposição aos nitratos em vez dos efeitos agudos, uma vez que as concentrações agudas provavelmente não serão atingidas durante a operação normal de RAS.

3.2.7 Alcalinidade

A alcalinidade é, em termos gerais, definida como a capacidade de tamponamento de pH da água (Timmons e Ebeling 2010). O controle da alcalinidade em RAS é importante, pois a nitrificação é um processo de formação de ácido que o destrói. Além disso, as bactérias nitrificantes requerem um suprimento constante de alcalinidade. A baixa alcalinidade na RAS resultará em oscilações de pH e mau funcionamento do biofiltro nitrificante (Summerfelt et al. 2015; Colt 2006). A adição de alcalinidade na RAS será determinada pela atividade de nitrificação nos sistemas, que, por sua vez, está relacionada à adição de alimentos, pelo teor de alcalinidade da água de maquiagem (troca diária) e pela presença de atividade de desnitrificação, que restaura a alcalinidade (van Rijn et al. 2006).


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