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8.2 Loop de mineralização

2 years ago

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No RAS, as lamas sólidas e ricas em nutrientes devem ser removidas do sistema para manter a qualidade da água. Ao adicionar um ciclo adicional de reciclagem de lodo, a acumulação de resíduos RAS pode ser convertida em nutrientes dissolvidos para reutilização pelas plantas em vez de descartados (Emerenciano et al. 2017). Dentro dos biorreatores, os microrganismos podem quebrar esse lodo em nutrientes biodisponíveis, que podem ser posteriormente entregues às plantas (Delaide et al. 2018; Goddek et al. 2018; Monsees et al. 2017a, b). Muitos sistemas aquapônicos de um ciclo já incluem digestores aeróbicos (Rakocy et al. 2004) e anaeróbicos (Yogev et al. 2016) para transformar nutrientes que estão presos no lodo de peixe e torná-los biodisponíveis para as plantas. No entanto, a integração desse sistema em um sistema aquaponico acoplado de um loop tem várias desvantagens:

  1. O fator de diluição para efluentes ricos em nutrientes é muito maior quando os descarregam para um sistema de ciclo único em relação à descarga apenas para a unidade hidropônica. Efetivamente, nutrientes diluídos entrando em contato com grandes volumes de água de criação de peixes.

  2. Os peixes são desnecessariamente expostos aos efluentes do reator de mineralização; por exemplo, os efluentes de reatores anaeróbios podem incluir ácidos gordos voláteis (VFAs) e amoníaco que podem potencialmente prejudicar os peixes; esses reatores também representam uma fonte adicional para a introdução potencial de agentes patogênicos.

  3. Cerca de 90% dos nutrientes presos nas lamas podem ser recuperados quando RassLudge é mantido a um pH de 4 (Jung e Lovitt 2011). Um pH tão baixo não é possível quando se operam biorreatores a um pH em torno de 7 (Goddek et al. 2018), que é o valor de pH de troca usual em sistemas aquapônicos de um ciclo.

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Fig. 8.3 PH aproximado da água dentro dos diferentes componentes do sistema, bem como da água de processo. O '~' indicou uma aproximação

Em relação ao pH, a Fig. 8.3 mostra os valores aproximados de pH dos respectivos fluxos de água de processo em um sistema aquaponico multi-loop (por exemplo, conforme apresentado na Fig. 8.1c). A Figura 8.3 também mostra o impacto dos reatores de mineralização no desempenho do sistema como um todo, com base nos reatores anaeróbios propostos por Goddek et al. (2018). Tal sistema representa apenas uma solução possível para o tratamento de lamas, com abordagens alternativas discutidas no Chap. 10. A diminuição do pH da água de processo que flui do subsistema RAS para o circuito hidropônico, como mostrado na Fig. 8.3, demonstra a acidificação no circuito de concentração de nutrientes (isto é, a água desmineralizada tem um pH de 7). Assim, o efluente tem um pH inferior ao da saída RAS, o que reduz a necessidade de ajustar o pH para condições ideais de crescimento da planta.

Quadro 8.1 Visão geral das condições de crescimento ideais para peixes e plantas e condições operacionais preferidas para o tratamento de reciclagem de nutrientes de lamas

tabela cabeça tr class="cabeçalho” Thsubsistema/th thSpecies/ função/th THPH/th oTemperatura (° C) /th Thnitrato (NOSub3/sub) (mg/L) /th /tr /cabeça tbody tr class="ímpar” td ROWSPAN="2"Sistema de aquicultura de recirculação (RAS) /td Tdioreocromis niloticus/i (tilápia do Nilo) /td td7—9 (Ross 2000) /td td27—30 (El-Sayed 2006) /td td<100—200 (Dalsgaard et al. 2013) /td /tr tr class="mesmo” tdionCorhynchus mykiss/i (truta arco-íris) /td td6.5—8.5 (FAO 2005) /td td15 (Coghlan e Ringler 2005) /td td<40 (Davidson et al. 2011; Schrader et al. 2013) /td /tr tr class="ímpar” td ROWSPAN="2"Hidropônicos/TD tdilActuca sativa/i (alface) /td td5.5—6.5 (Resh 2012) /td td21—25 (Resh 2012) /td td730 (Resh 2012) /td /tr tr class="mesmo” tdlycoPersicon esculentum (tomate) /td td6.3—6.5 (Resh 2002) /td td18—24 (Resh 2002) /td td666 (Sonneveld e Voogt 2009) /td /tr tr class="ímpar” td ROWSPAN="2"Reator anaeróbico/td TDmetanogenese/TD td6.8—7-4 (de Lemos Chernicharo 2007) /td td30—35 (Alvarez e Lidén 2008; de Lemos Chernicharo 2007) /td td—/td /tr tr class="mesmo” TDSludge mobilização/td td4.0 (Jung e Lovitt 2011) /td tdn/a/td td—/td /tr /tbody /tabela O sistema de reator de duas fases funciona do seguinte modo:

  • Na primeira fase (pH cerca de 7 para proporcionar condições óptimas para a metanogénese; Tabela 8.1), a matéria orgânica é dividida para sustentar um elevado grau de produção de metano (isto é, remoção de carbono). Mirzoyan e Gross (2013) relataram uma redução total de sólidos suspensos de cerca de 90%, usando tecnologia de reator cobertor de lodo anaeróbio de fluxo ascendente. Isto tem a vantagem de (1) o biogás ser colhido como fonte de energia renovável e (2) serem produzidos menos VFAs na segunda fase. O tempo de retenção de lamas na primeira fase deve ser de vários meses, antes de remover os nutrientes acumulados nas lamas (por exemplo, agregação de fosfato de cálcio) na segunda fase.

  • Na segunda fase, os nutrientes em sólidos em suspensão são mobilizados de forma eficaz e ficam disponíveis para a absorção das plantas. Essa mobilização é a mais eficaz em um ambiente de baixo pH (Goddek et al. 2018; Jung e Lovitt 2011). Uma vez que o pH dos reatores ácidos é diminuído, ele geralmente permanece estável; assim, menos regulação do pH é necessária na unidade hidropônica.

Os efluentes ricos em nutrientes podem exigir algum pós-tratamento, dependendo da quantidade de sólidos suspensos e VFAs medidos. No entanto, é importante ter em mente que o amoníaco pode estimular o crescimento das plantas, por exemplo, folhas verdes, quando representa 5 a 25% da concentração total de azoto (Jones 2005). No entanto, os vegetais de frutas, como tomates ou pimentões doces, são particularmente sensíveis à amônia na solução nutritiva. Seria necessário um tratamento aeróbio pós-efluente ou um reservatório hidropônico bem arejado em sistemas que cultivam esses tipos de culturas.

8.2.1 Determinação dos fluxos de água e nutrientes

Para o dimensionamento do sistema (secção 8.4), é necessário conhecer a quantidade de água que flui do sistema RAS através do (s) reactor (es) para a unidade hidroponia (Qsubmin/sub) (Eq. 8.1):

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

em que nsubfeed/sub é a quantidade de alimento para peixes em kg, ksublama/sub é o coeficiente proporcional de alimentos para peixes que acabam em lamas, e πsublama/sub é a proporção de sólidos totais (isto é, lamas) no fluxo de água das lamas que entram no circuito de mineralização.

A concentração das lamas pode ser aumentada adicionando um dispositivo de separação por gravidade antes dos biorreatores, direcionando o sobrenadante “transparente” para o sistema RAS. Esta fórmula também pode ser usada para obter uma entrada para dimensionar o reator com base no tempo de retenção hidráulica (Cap. 10). Entre 20 e 40% dos alimentos para peixes acabam como sólidos totais suspensos nas lamas derivadas do RAS (Timmons e Ebeling 2013). Como exemplo, verificou-se que o lodo de tilápia contém cerca de 55% de nutrientes que foram adicionados ao sistema via ração (Neto e Ostrensky 2013; Yavuzcan Yildiz et al. 2017), o que representa um recurso valioso para o crescimento das culturas.

Os principais nutrientes que podem ser recuperados através de um processo de mineralização são N e P. Como P (um dos principais componentes do lodo) é o macronutriente mais valioso em termos de custo e disponibilidade para a produção vegetal, deve ser o primeiro elemento a ser otimizado no sistema aquapônico.

A taxa de mineralização do loop de mineralização é calculada da seguinte forma:

$Mineralização (g/dia) = (n_ {feed}\ vezes 1000) π_ {feed}\ vezes π_ {lodo}\ vezes η_ {min} $ (8.2)

em que nsubfeed/sub é a entrada de alimentação para o sistema (em kg); πsubfeed/subé a proporção do nutriente na formulação da alimentação animal; πsubsludge/subé a proporção de um elemento específico derivado da alimentação que termina nas lamas; e ηsubmin/subis a eficiência de mineralização e mobilização do sistema do reator .

O último passo seria determinar a concentração do respectivo elemento no efluente do circuito de mineralização:

$Nutriente\ concentração\ (mg/L) =\ frac {Mineralização\ vezes 1000} {Q_ {MIN}} $ (8.3)

Exemplo 8.1

Nosso sistema RAS é alimentado com 10 kg de ração para peixes por dia. Partimos do princípio de que 25% da ração alimentada acaba como lodo. Em nosso sistema, usamos um Radial Flow Settler (RFS) para concentrar o lodo em 1% de matéria seca. Consequentemente, o fluxo da RAS para a HP através do ciclo de mineralização é calculado do seguinte modo:

$Q_ {MIN}\ (kg/dia) =\ frac {10kg\ vezes\ 0.25} {0.01} =250\ aprox 250kg/dia$

Decidimos dimensionar o nosso sistema em P. O teor de P da nossa alimentação (na maioria dos casos fornecido pelo fabricante da ração) é de 1,5% e 55% acaba no lodo (Neto e Ostrensky 2013). Assumimos que os nossos reactores atingem uma eficiência de mineralização de 90% para este elemento. Portanto, os gramas de P transferidos para a unidade hidropônica todos os dias podem ser determinados:

$Mineralização\ (g/dia) = (10kg\ vezes 1000)\ vezes 0.55\ vezes 0.015\ vezes 0.9=74.25$

A concentração do efluente em conseqüência:

$Nutriente\ concentração\ (mg/L) =\ frac {74,25g\ vezes 1000} {250L} =297\ mg/L $

Esta concentração de P no efluente na caixa de exemplo acima é aproximadamente seis vezes maior do que na maioria das soluções de nutrientes hidropônicos. A pesquisa de Goddek et al. (2018) sustenta esse número teórico, e relatam que seu lodo RAS continha 150 e 200 mg/L de P para dois sistemas independentes, respectivamente (1% de lodo TSS), com um teor de P de 0,83% na ração de matéria seca para este último (200 mg/L).


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