Capítulo 10 Tratamentos aeróbicos e anaeróbicos para redução e mineralização de lamas aquapônicas

**Boris Delaide, Hendrik Monsees, Amit Gross e Simon Goddek

Resumo Os sistemas de aquicultura recirculantes, como parte de unidades aquánicas, são eficazes na produção de animais aquáticos com um consumo mínimo de água através de estágios eficazes de tratamento. No entanto, as lamas concentradas produzidas após a fase de filtração sólida, compreendendo matéria orgânica e nutrientes valiosos, são mais frequentemente descartadas. Um dos mais recentes desenvolvimentos em tecnologia aquapônica visa reduzir este potencial impacto ambiental negativo e aumentar a reciclagem de nutrientes através do tratamento das lamas no local. Para este efeito, os tratamentos microbianos aeróbicos e anaeróbios, tratados individualmente ou numa abordagem combinada, proporcionam oportunidades muito promissoras para reduzir simultaneamente os resíduos orgânicos, bem como para recuperar nutrientes valiosos como o fósforo. Os tratamentos de lamas anaeróbias oferecem adicionalmente a possibilidade de produção de energia, uma vez que um subproduto deste processo é o biogás, ou seja, principalmente o metano. Ao aplicar estas etapas de tratamento adicionais em unidades aquapônicas, a eficiência da reciclagem de água e nutrientes é melhorada e a dependência de fertilizantes externos pode ser reduzida, aumentando assim a sustentabilidade do sistema em termos de utilização dos recursos. Globalmente, isto pode abrir caminho para a melhoria económica dos sistemas aquánicos, uma vez que os custos de eliminação de resíduos e aquisição de fertilizantes diminuem.

Palavras-chave Reciclagem de lamas · Fósforo · Conversão de lamas microbianas · Balanço de massa · Reciclagem de nutrientes

Conteúdo

• 10.1 Introdução
• 10.2 Implementação do Tratamento de Águas Residuais em Aquapônica
• 10.3 Tratamentos aeróbicos
• 10.4 Balanço de Massa: O que acontece aos nutrientes uma vez que eles entram no Sistema Aquapônico?
• 10.5 Metodologia para quantificar a redução das lamas e o desempenho da mineralização
• 10.6 Conclusão
• Referências

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B. Delaide

Developonics asbl, Bruxelas, Bélgica

H. Monsees

Leibniz-Instituto de Ecologia de Água Doce e Pesca Interior, Berlim, Alemanha

A. Bruto

Departamento de Hidrologia Ambiental e Microbiologia, Instituto de Água Zuckerberg

Pesquisa, Institutos Blaustein de Pesquisa no Deserto, Universidade Ben-Gurion do Negev, Beersheba, Israel

S. Goddek

Métodos Matemáticos e Estatísticos (Biometris), Universidade de Wageningen, Wageningen, Países Baixos

© O (s) Autor (es) 2019 247

S. Goddek et al. (eds.), Sistemas de Produção de Alimentos Aquaponics, https://doi.org/10.1007/978-3-030-15943-6_10

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Referências

Um efeito da relação de recirculação Y, Yang F, Wong FS, Chua HC (2009) na metanogênese simultânea e remoção de nitrogênio usando um cobertor de lodo anaeróbio combinado de fluxo ascendente — biorreator de membrana. Environ Eng Sci 26:1047 —1053. https://doi.org/10.1089/ees.2007.0317

Apels L, Baeyens J, Degrève J, Dewil R (2008) Princípios e potencial da digestão anaeróbica de lamas ativadas por resíduos. Prog Energy Combustust Sci 34:755. https://doi.org/10.1016/j.pecs. 2008.06.002

Arbiv R, van Rijn J (1995) Desempenho de um sistema de tratamento para remoção de azoto inorgânico em sistemas de aquicultura intensiva. Aquac Eng 14:189. https://doi.org/10.1016/0144-8609(94) P4435-E

Ayre JM, Moheimani NR, Borowitzka MA (2017) Crescimento de microalgas em digestação anaeróbica não diluída de efluente piggery com altas concentrações de amônio. Algal 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) Secagem ou digestão anaeróbica de lodo de peixe: efeitos de fertilização nitrogenada e logística. Ambio 46:852. https://doi. org/10.1007/s13280-017-0927-5

Chang S (2014) Biorreatores de membrana anaeróbia (AnMBR) para tratamento de águas residuais. Adv Chem Eng Sci 4:56. https://doi.org/10.4236/aces.2014.41008

Chen SL, Coffin DE, Malone RF (1997) Produção e gestão de lamas para sistemas aquícolas de recirculação. J Mundo Aquac Soc 28:303 —315. https://doi.org/10.1111/j.1749-7345. 1997.tb00278.x

Chowdhury P, Viraraghavan T, Srinivasan A (2010) Processos de tratamento biológico para águas residuais de processamento de peixe — uma revisão. Bioresour Technol 101:439 —449. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2009.08.065

Conroy J, Couturier M (2010) Dissolução de minerais durante a hidrólise de resíduos de peixes sólidos. Aquicultura 298:220 —225. https://doi.org/10.1016/j.aquaculture.2009.11.013

Cui ZF, Chang S, Fane AG (2003) O uso de borbulhamento de gás para melhorar os processos 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) Alface (Lactuca sativa L. var. Sucrina) desempenho de crescimento em solução aquapônica complementada supera a hidroponia. Água (Suíça) 8. https://doi.org/10.3390/w8100467

Delaide B, Goddek S, Keesman KJ, Jijakli MH (2018) Metodologia para quantificar o desempenho da digestão de lodo aeróbio e anaeróbio para reciclagem de nutrientes em aquapônica. Biotechnol Agron Soc Environ 22

Deublein D, Steinhauser A (2010) Biogás a partir de resíduos e recursos renováveis: uma introdução. In: Biogás a partir de resíduos e recursos renováveis: uma introdução, 2º edn. https://doi.org/10.1002/ 9783527632794

Ebeling JM, Timmons MB, Bisogni JJ (2006) Análise de engenharia da estequiometria da remoção fotoautotrófica, autotrófica e heterotrófica de amônia-nitrogênio em sistemas aquícolas. Aquicultura 257:346. https://doi.org/10.1016/j.aquaculture.2006.03.019

Endut A, Jusoh A, Ali N, Wan Nik WB, Hassan A (2010) Um estudo sobre a taxa de carga hidráulica ideal e as relações da planta no sistema aquapônico de recirculação. 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 tratamento de águas residuais domésticas: uma revisão com considerações de custo. Set Purif Technol 18:119 —130

Garcia J-L, Patel BKC, Ollivier B (2000) Diversidade taxonômica, filogenética e ecológica de arcaea metanogênica. Anaerobe 6:205. https://doi.org/10.1006/anae.2000.0345

Gebauer R, Eikebrokk B (2006) Tratamento anaeróbio mesofílico de lamas provenientes da eclosão do salmão. Bioresour Technol 97:2389 —2401. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2005.10.008

Goddek S, Keesman KJ (2018) A necessidade da tecnologia de dessalinização para projetar e dimensionar sistemas aquapônicos multi-loop. Dessalinização 428:76 —85. https://doi.org/10.1016/j.desal.2017. 11.024

Goddek S, Körner O (2019) Um modelo de simulação totalmente integrado de aquapônica multi-loop: um estudo de caso para dimensionamento de sistemas em diferentes ambientes. Agric Syst 171:143

Goddek S, Delaide B, Mankasingh U, Ragnarsdottir K, Jijakli H, Thorarinsdottir R (2015) Desafios da aquapônica sustentável e comercial. Sustentabilidade 7:4199 —4224. https://doi.org/10.3390/su7044199

Goddek S, Espinal CA, Delaide B, Jijakli MH, Schmautz Z, Wuertz S, Keesman KJ (2016) Navegando em direção a sistemas aquapônicos dissociados: uma abordagem de projeto de dinâmica do sistema. Água (Suíça) 8. https://doi.org/10.3390/W8070303

Goddek S, Delaide B, Oyce A, Wuertz S, Jijakli MH, Gross A, Eing EH, Bläser I, Keizer LCP, Morgenstern R, Körner O, Verreth J, Keesman KJ (2018) Mineralização de nutrientes e redução de matéria orgânica em reatores sequenciais UASB-EGSB. Aquac Eng 83:10. https://doi.org/10.1016/J.AQUAENG.2018.07.003

Graber A, Junge R (2009) Sistemas aquapônicos: reciclagem de nutrientes de águas residuais de peixes por produção vegetal. Dessalinização 246:147 —156

Huang X, Xiao K, Shen Y (2010) Avanços recentes na tecnologia de biorreator de membrana para tratamento de águas residuais na China. Frente Environ Sci Eng China 4:245. https://doi.org/10.1007/ s11783-010-0240-z

Judd S, Judd C (2008) O livro MBR: princípios e aplicações de biorreatores de membrana no tratamento de águas e águas residuais. Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-185617481-7/50005-2

Jung IS, Lovitt RW (2011) Técnicas de lixiviação para remover metais e nutrientes potencialmente perigosos de lodo de exploração de trutas. Água Resolução 45:5977 —5986. https://doi.org/10.1016/j.watres. 2011.08.062

Khalid A, Arshad M, Anjum M, Mahmood T, Dawson L (2011) A digestão anaeróbica de resíduos orgânicos sólidos. Resíduos Manag 31:1737. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2011.03.021

Klas S, Mozes N, Lahav O (2006) Desenvolvimento de um método de desnitrificação de lodo único para remoção de nitratos de efluentes RAS: resultados em escala de laboratório versus previsão do modelo. Aquicultura 259:342. https://doi.org/10.1016/j.aquaculture.2006.05.049

Kumar V, Sinha AK, Makkar HPS, De Boeck G, Becker K (2012) Fitato e fitase na nutrição de peixes. J Anim Physiol Anim Nutr (Berl) 96:335. https://doi.org/10.1111/j.1439-0396.2011. 01169.x

Lanari D, Franci C (1998) Produção de biogás a partir de resíduos sólidos retirados de efluentes de explorações piscícolas. Aquat Living Resour 11:289 —295. https://doi.org/10.1016/S0990-7440(98)80014-4

Licamele JD (2009) Produção de biomassa e dinâmica de nutrientes em um sistema aquaponico. A Universidade do Arizona

Marchaim U (1992) Processos de biogás para o desenvolvimento sustentável. Boletim de Serviços Agrícolas da FAO 95. Organização das Nações Unidas para a Alimentação e a Agricultura

McDermott BL, Chalmers AD, Goodwin JAS (2001) Ultrassonicação como método de pré-tratamento para o aprimoramento da digestão anaeróbia psicrofílica de efluentes de aquicultura. Environ Technol (Reino Unido) 22:823. https://doi.org/10.1080/095933322086180317

McGill SM (2012) “Pico” de fósforo? As implicações da escassez de fosfato para investidores sustentáveis. J Sustentar Financ Invest. https://doi.org/10.1080/20430795.2012.742635

Mirzoyan N, Gross A (2013) Utilização de reatores UASB para digestão de lodo de aquicultura salobra em diferentes condições. Água Res 47:2843 —2850. https://doi.org/10.1016/j.watres.2013.02.050

Mirzoyan N, Parnes S, Singer A, Tal Y, Semeadores K, Gross A (2008) Qualidade das lamas de aquicultura salobra e sua adequação à digestão anaeróbia e à produção de metano num reator de cobertor de lamas anaeróbias a montante (UASB). Aquicultura 279:35 —41. https://doi.org/10.1016/j.aquaculture. 2008.04.008

Mirzoyan N, Tal Y, Gross A (2010) Digestão anaeróbica de lodo de sistemas aquícolas de recirculação intensiva: revisão. Aquicultura 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 de tratamento de lodo aquacultura para aquaponia: avaliação da mobilização de nutrientes em condições aeróbias e anaeróbias. Aquac Environ Interact 9:9 —18. https://doi.org/10.3354/aei00205

Naylor SJ, Moccia RD, Durant GM (1999) A composição química dos resíduos sólidos de peixe (estrume) de explorações comerciais de trutas arco-íris em Ontário, Canadá. North Am J Aquac 61:21 —26

Neto RM, Ostrensky A (2013) Estimativa da carga de nutrientes nos resíduos do Nilo Tilapia Oreochromisniloticus (L.) criados em gaiolas em condições climáticas tropicais. Aquac Res 46:1309 —1322. https://doi.org/10.1111/are.12280

Nichols MA, Savidov NA (2012) Aquaponics: um sistema de produção eficiente em nutrientes e água. Acta Hortic:129—132

Peng L, Dai H, Wu Y, Peng Y, Lu X (2018) Uma revisão abrangente da recuperação de fósforo de águas residuais por processos de cristalização. Quimosfera 197:768. https://doi.org/10.1016/j. quimioesfera.2018.01.098

Rakocy JE, Bailey DS, Shultz RC, Danaher JJ (2007) Avaliação preliminar de resíduos orgânicos de dois sistemas de aquicultura como fonte de nutrientes inorgânicos para hidropônicos. Acta Hortic 742:201 —208

Ru D, Liu J, Hu Z, Zou Y, Jiang L, Cheng X, Lv Z (2017) Melhoria do desempenho aquapônico através da adição de micro e macro-nutrientes. Environ Sci Poluir Res 24:16328. https://doi.org/ 10.1007/s11356-017-9273-1

Saha S, Monroe A, Dia MR (2016) Crescimento, rendimento, qualidade da planta e nutrição do manjericão (Ocimumbasilicum L.) sob sistemas agrícolas sem solo. Ann Agric Sci 61:181 —186. https://doi.org/10.1016/j.aoas.2016.10.001

Schneider O, Sereti V, Eing EH, Verreth JAJ (2005) Análise dos fluxos de nutrientes em sistemas integrados de aquicultura 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) Investigação em escala piloto da redução de lodo no sistema de digestão aeróbia com bactérias formadoras de endoesporos. Quimosfera 186:202 —208. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2017.07.150

Stewart NT, Boardman GD, Helfrich LA (2006) Caracterização das taxas de lixiviação de nutrientes de lodo de truta arco-íris assentada (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) Aquicultura marinha terrestre ambientalmente sustentável. Aquicultura 286:28 —35. https://doi.org/10.1016/j. aquacultura.2008.08.043

Techobanoglous G, Burton FL, Stensel HD (2014) Engenharia de águas residuais: tratamento e reutilização, 5ª edn. Metcalf e Eddy. https://doi.org/10.1016/0309-1708(80)90067-6

Turcios AE, Papenbrock J (2014) Tratamento sustentável de efluentes aquícolas - o que podemos aprender com o passado para o futuro? Sustentar 6:836 —856

Van Lier JB, Mahmoud N, Zeeman G (2008) Tratamento anaeróbio de águas residuais, Tratamento biológico de águas residuais: princípios, modelização e concepção. https://doi.org/10.1021/es00154a002

Van Rijn J (2013) Tratamento de resíduos em sistemas aquícolas recirculantes. Aquac Eng 53:49 —56. https://doi.org/10.1016/j.aquaeng.2012.11.010

van Rijn J, Fonarev N, Berkowitz B (1995) Tratamento anaeróbio de efluentes intensivos de cultura de peixe: digestão dos alimentos para peixes e libertação de ácidos gordos voláteis. Aquicultura 133:9 —20. https://doi.org/ 10.1016/0044-8486 (94) 00385-2

Yogev U, Barnes A, Gross A (2016) Análise de nutrientes e balanço energético para um modelo conceitual de três loops off grid, Aquaponics. Água 8:589. https://doi.org/10.3390/W8120589

Yogev U, Sowers KR, Mozes N, Bruto A (2017) Balanço de nitrogênio e carbono em um novo sistema de aquicultura salina de troca de água quase zero. Aquicultura 467:118 -126. https://doi. org/10.1016/j.aquaculture.2016.04.029

Zhang X, Hu J, Spanjers H, van Lier JB (2016) Cristalização de estruvite sob condição de aquicultura marinho/salobra. Bioresour Technol 218:1151. https://doi.org/10.1016/j.biortech. 2016.07.088

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