Tecnologías de tratamiento de agua en RAS

Introducción

Los sistemas de recirculación de acuicultura (RAS) emplean un conjunto de Tratamiento de agua Tecnologías para mantener los parámetros precisos de calidad del agua requeridos para las operaciones de acuicultura intensiva. La eficacia del sistema depende de abordar cinco áreas críticas de tratamiento: la eliminación de sólidos en suspensión mediante procesos de filtración mecánica y biológica, la eliminación del nitrógeno amoniacal tóxico mediante biofiltración y nitrificación, la extracción del dióxido de carbono acumulado mediante unidades especializadas de intercambio de gases, la desinfección integral mediante radiación ultravioleta u ozonización para controlar patógenos, y técnicas avanzadas de oxigenación para mantener niveles óptimos de oxígeno disuelto.

Estas tecnologías interconectadas trabajan en sinergia para crear un entorno acuático estable que soporta altas densidades de población, a la vez que permite tasas de reutilización de agua superiores al 90%, reduciendo significativamente tanto el consumo de agua como los vertidos al medio ambiente en comparación con los sistemas de acuicultura convencionales. La correcta integración de estos componentes de tratamiento es esencial para mantener la salud de los peces, optimizar su crecimiento y garantizar la viabilidad económica general de las operaciones de RAS.

Cinco tecnologías clave

1. Sólidos suspendidos y tecnologías de tratamiento

Los sólidos en suspensión en los sistemas acuícolas industrializados provienen principalmente de los insumos alimenticios. Dependiendo de la tasa de alimentación, su concentración suele oscilar entre 5 y 50 mg/L. Con un índice de conversión alimenticia (ICA) de 0,9 a 1,0, se generan entre 150 y 200 gramos de sólidos en suspensión por cada kilogramo de aumento de peso del pez. En consecuencia, los sólidos en suspensión se acumulan rápidamente en el sistema de recirculación.Agua para acuicultura.

En condiciones metabólicas normales, los peces excretan residuos sólidos en forma de partículas en suspensión. En aguas de acuicultura en movimiento, la mayoría de los sólidos en suspensión se presentan como partículas menores de 30 micras (μm). Estas partículas tienen una densidad ligeramente superior a la del agua, presentan un tamaño pequeño, alta movilidad y una ligera adhesividad, permaneciendo suspendidas en condiciones de flujo de agua. La eliminación de sólidos en suspensión menores de 30 micras ha sido desde hace tiempo un aspecto crucial en el diseño de sistemas acuícolas industrializados.

La acumulación de sólidos en suspensión aumenta la turbidez del agua, afecta la eficiencia respiratoria de las especies cultivadas, aumenta el estrés ambiental, degrada la calidad del agua y reduce el oxígeno disuelto (OD). Por lo tanto, la eliminación oportuna de los sólidos en suspensión es esencial para mantener las condiciones óptimas del agua en las operaciones de acuicultura industrializada.

①Filtración de lecho fijo

Los filtros de lecho fijo suelen constar de capas de medios filtrantes gruesos, medianos y finos. Según la dinámica del flujo de agua, se clasifican en:

• Filtros tipo spray
• Filtros de tipo presión

Ventajas: La granularidad del medio y el espesor del lecho ajustables permiten la eliminación específica de partículas suspendidas.
Desafíos: Gran tamaño, baja eficiencia, propenso a obstruirse durante un funcionamiento prolongado y difícil retrolavado.

②Filtración de pantalla

La filtración de pantalla utiliza una malla fina (30–100 μm / 0,03–0,1 mm) para eliminar los sólidos suspendidos, con dos tipos principales:

• Pantallas estáticas (planas)
• Pantallas de tambor rotatorio (más eficiente, con retrolavado continuo)

Actuación:

• Elimina 36–67% de sólidos suspendidos; los tamaños de malla más pequeños (

Enfoque de la investigación: Optimización de la geometría de la malla para aumentar el área de superficie, evitar obstrucciones y minimizar el uso de agua de retrolavado.

③Filtración de lecho flotante

Usos esferas de plástico de baja densidad (por ejemplo, 3 mm de diámetro) como medio filtrante flotante.

Eficiencia:

• 100% de eliminación de partículas >30 μm
• 79% de eliminación de partículas

Desafíos: Se requieren retrolavados frecuentes debido a la aglomeración de partículas, lo que aumenta los costos de agua y operativos.

Trabajo futuro: Diseños anti-obstrucción y métodos de retrolavado mejorados.

④Sedimentación natural

Aprovecha los diseños de estanques o tanques de sedimentación para agregar y eliminar sólidos suspendidos.

Parámetros clave:

• Velocidad de flujo: Óptimo ≤1 m/min (máximo 4 m/min)
• Tasa de carga hidráulica: 1,0–2,7 m³/(m²·h)

Eficiencia:Elimina 59–90% de sólidos suspendidos, pero se necesita una gran infraestructura para acomodar los bajos caudales.

5. Flotación por aire disuelto (DAF)

Principio:Las microburbujas (10–100 μm) actúan como una capa de "protección", adsorbiendo sólidos suspendidos a través de la tensión superficial.

Factor crítico:Las burbujas más pequeñas (por ejemplo, nanoburbujas) mejoran significativamente la eficiencia.

Solicitud:Eficaz para sólidos suspendidos con alta carga, pero se basa en tecnología avanzada de generación de burbujas.

2. Nitrógeno amoniacal y sus tecnologías de tratamiento

El nitrógeno amoniacal en los sistemas de recirculación acuícola proviene principalmente del metabolismo de los peces, los residuos de alimento y la descomposición de materia orgánica. Solo entre el 7 % y el 32 % del nitrógeno total excretado por los peces de cultivo se encuentra en sólidos en suspensión, mientras que la mayor parte se disuelve en la columna de agua, presentándose tanto en forma de amonio ionizado (NH₄⁺) como de amoníaco no iónico (NH₃), que se interconvierten según las variaciones de pH y temperatura. La gestión eficaz del nitrógeno amoniacal en el agua de recirculación mediante métodos de tratamiento físico, químico y biológico es crucial para el avance de la acuicultura intensiva.

La acumulación de nitrógeno amoniaco ejerce efectos tóxicos en los peces, siendo el amoniaco no iónico (NH₃) particularmente dañino. En sistemas de acuicultura intensiva, la concentración total de nitrógeno amoniaco no debe superar 1 mg/L, mientras que la concentración de amoniaco no iónico debe mantenerse por debajo de 0,05 mg/L. Dado el equilibrio entre el NH₄⁺ y el NH₃, que depende del pH y la temperatura, es esencial ajustar adecuadamente el pH según las fluctuaciones de temperatura para mantener el amoniaco no iónico en concentraciones mínimas y, al mismo tiempo, controlar la acumulación general de amoniaco.

① Tratamiento de desorción de aire

Principio:

La extracción por aire se basa en el equilibrio gas-líquido y la Ley de transferencia de masa de Henry. Bajo aireación intensa, la presión parcial de los gases disueltos se reduce, lo que permite que el amoníaco del agua se volatilice a través de la interfaz gas-líquido y se transfiera al aire, logrando así la eliminación del nitrógeno amoniacal.

Factores clave:

• Dependencia del pH:

A un pH más alto, la mayor parte del nitrógeno del amoníaco existe como amoníaco no ionizado (NH₃), que es más volátil.

• Condiciones óptimas:

A un pH de 11,5 y con una relación de volumen aire-agua de 1:107, se puede eliminar el 95 % del nitrógeno amoniacal.

Consideraciones operativas:

• Ajuste del pH:

Fundamental para equilibrar la eficacia del tratamiento y la seguridad de los peces (evitando el estrés extremo del pH).

• Requisito de alto flujo de aire:

Se necesitan grandes volúmenes de aire, lo que puede afectar la estabilidad de la temperatura del agua en los sistemas de acuicultura.

②Adsorción por intercambio iónico

La adsorción por intercambio iónico utiliza zeolita o resinas de intercambio para eliminar el nitrógeno amoniacal del agua. La zeolita presenta una capacidad de adsorción de aproximadamente 1 mg/g. Con un diseño adecuado, puede eliminar hasta el 95 % del nitrógeno amoniacal. Una vez saturado, el medio puede regenerarse mediante pulverización durante 24 horas con una solución salina al 10 % para su reutilización. Si bien la zeolita muestra un buen rendimiento en sistemas de acuicultura intensiva, su proceso de regeneración es engorroso y lento.

③Tratamiento bacteriano biológico

El tratamiento biológico emplea bacterias nitrificantes (Nitrosomonas), bacterias oxidantes de nitritos (Nitrobacter) y bacterias desnitrificantes para convertir y eliminar el nitrógeno amoniacal. El proceso implica:

• Oxidación de amoniaco a nitrito por Nitrosomonas
• Oxidación de nitrito a nitrato por Nitrobacter
• Desnitrificación opcional a gas nitrógeno en condiciones anaeróbicas (OD

Características principales:

• El nitrato presenta una baja toxicidad para los peces (algunas especies toleran >200 mg/L)
• Tasa de conversión típica: 380 g/(m³·d) de nitrógeno amoniacal
• Capacidad de carga de alimentación: 32 kg/(m³·d)
• Temperatura óptima >30°C (la actividad disminuye por debajo de los 15°C)

4. Tratamiento de oxidación con ozono

Aunque se utiliza principalmente para la desinfección y la eliminación de sólidos suspendidos, el ozono demuestra una capacidad moderada de oxidación del amoníaco:

• La oxidación directa elimina el 25,8% del nitrógeno amoniacal.
• La oxidación catalítica mejora significativamente la eficiencia

Este enfoque prometedor requiere más investigación para aplicaciones en acuicultura.

5. Tratamiento de plantas acuáticas

El agua de cola pasa a través de canales vegetales hidropónicos donde los sistemas de raíces de las plantas crean ecosistemas microbianos únicos que eliminan de manera rentable el nitrógeno amoniaco, los nitritos y otros compuestos dañinos.

3. Tratamiento de desorción de CO₂

El principal gas nocivo en los sistemas de recirculación de acuicultura es el dióxido de carbono (CO₂), producido por la respiración y el metabolismo de los peces, que se presenta en forma de microburbujas en el agua. Concentraciones elevadas de CO₂ (>20 mg/L) causan estrés por presión de gas en los peces, que se manifiesta como:

• Aglomeración en la superficie cerca de los dispositivos de aireación
• Reducción significativa de la actividad de alimentación

El CO₂ reacciona reversiblemente con el agua para formar ácido carbónico (H₂CO₃), un ácido débil que reduce el pH del sistema y deteriora la calidad del agua. Al ser altamente inestable, el ácido carbónico se descompone fácilmente en agua y CO₂ al exponerse al aire. Por lo tanto, la eliminación eficaz del CO₂ requiere maximizar el contacto agua-aire.

①Extracción mecánica (aireación)

• Utiliza aireadores o difusores para crear circulación de agua vertical.
• Mejora el intercambio atmosférico para la descomposición del ácido carbónico.
• Método estándar en la mayoría de las operaciones RAS

②Eliminación del diseño hidráulico

• Incorpora caídas de elevación entre tuberías de retorno y canales.
• Crea efectos de cascada para maximizar la exposición al aire durante el retorno del agua.
• Enfoque pasivo que requiere una ingeniería hidráulica cuidadosa

③Extracción de microburbujas

• Instala difusores de burbujas finas a lo largo de los canales de agua.
• Aprovecha la coalescencia de burbujas para capturar el CO₂ disuelto
• Las burbujas ascendentes transportan CO₂ a la superficie para su liberación atmosférica.
• Particularmente eficaz para sistemas de alta densidad.

Parámetros clave:

• Umbral crítico: 20 mg/L de CO₂ (estrés conductual observable)
• Rango óptimo:
• Interacción del pH: Cada 10 mg/L de CO₂ ≈ 0,1 unidades de disminución del pH

4. Desinfección y esterilización

En sistemas de acuicultura intensiva, las altas densidades de población y el consumo considerable de alimento favorecen la acumulación de nutrientes en el agua, creando condiciones ideales para el crecimiento bacteriano. Sin una desinfección oportuna, pueden producirse brotes de enfermedades que se propagan rápidamente en condiciones de alta densidad, lo que podría causar pérdidas catastróficas. Por lo tanto, es esencial integrar equipos de esterilización eficaces en el diseño del sistema. Los principales métodos de desinfección incluyenozonización y irradiación ultravioleta (UV).

①Desinfección con ozono

El ozono (O₃) es un agente oxidante altamente inestable y potente que destruye las membranas celulares de bacterias, virus y parásitos en concentraciones específicas. Estudios indican que mantener niveles de ozono entre 0,1 y 0,2 mg/L durante 1 a 30 minutos logra una esterilización óptima.

Beneficios adicionales:

• Precipita sólidos suspendidos
• Oxida el nitrógeno amoniacal (NH₃/NH₄⁺)

Si se mejora su eficiencia multifuncional, el ozono podría tener una aplicación más amplia en la acuicultura intensiva.

②Desinfección ultravioleta (UV)

Las investigaciones confirman que la luz ultravioleta en longitudes de onda específicas (180-300 nm) esteriliza eficazmente los patógenos.

Parámetros clave:

• Intensidad UV requerida: 15.000–30.000 µW/cm²
• A 30.000 µW/cm²La exposición a los rayos UV consigue:
  • Inactivación del 100 % del virus de la mancha blanca del camarón (WSSV) en 2,67 segundos
  • Eliminación de saprolegniasis (moho acuático) y hemorrágicos virales.septicemia (VHS) en 1,60 segundos

Sistemas híbridos UV-ozono:
Algunos estudios han probado generadores de ozono UV, que producen ozono junto con la desinfección UV, lo que permite la esterilización simultánea y la oxidación del amoníaco para una mayor eficiencia.

5. Tecnologías de oxigenación

El oxígeno disuelto (OD) en el agua de acuicultura es esencial para la supervivencia de los peces y la actividad microbiana en los sistemas de tratamiento. En sistemas de acuicultura intensiva, los niveles de OD deben mantenerse en:

• ≥60% de saturación o > 5 mg/L para el crecimiento normal de los peces
• Las bacterias nitrificantes pierden su función oxidante de amoníaco.

Consumidores primarios de oxígeno:

• Respiración de los peces
• Descomposición de desechos metabólicos
• Tratamiento microbiano con amoníaco

La demanda de oxígeno varía según la especie, la densidad de población y las tasas de alimentación, lo que requiere estrategias de oxigenación personalizadas en el diseño del sistema.

①Aireación (oxigenación basada en aire)

Debido al espacio limitado para los aireadores mecánicos, comúnmente se utilizan sistemas de soplador + difusor, generando pequeñas burbujas para la oxigenación.

Características:

• Ventajas: Bajo costo, fácil operación
• Limitaciones:Baja eficiencia (~1,300 kg O₂/kWh a 20 °C; cae a 0,455 kg O₂/kWh a 28 °C)
• Densidad máxima de población:30–40 kg/m³

Métodos comunes de aireación:

• Aireación difusa (por ejemplo, difusores de burbujas finas)
• Aireadores de rueda de paletas
• Agitadores de superficie (por ejemplo, aspiradoras de hélice)

②Inyección de oxígeno puro

Fuentes de oxígeno:

• cilindros de oxígeno comprimido
• Tanques de oxígeno líquido
• Generadores de oxígeno in situ

Desafíos de los métodos tradicionales:

• Baja eficiencia (≤40% de utilización) debido al escape de oxígeno
• Requiere equipo especializado para una disolución óptima.

Método de saturación de presión (solución de alta eficiencia):

• Mezcla a alta presión:El agua y el O₂ se saturan bajo presión.
• Liberación a presión atmosférica:Crea agua DO sobresaturada (utilización de O₂ de aproximadamente el 90%).
• difusión molecular:El oxígeno permea el agua circundante.

Densidad máxima de población:Hasta 100 kg/m³

③Oxigenación con microburbujas

Tecnología:

• La fragmentación ultrasónica de burbujas produce microburbujas de , mejorando la eficiencia de la transferencia de gas.

Ventajas:

• Tasas de absorción de DO más altas
• Utilización mejorada del oxígeno

Limitaciones:

• Altos costos operativos
• complejidad técnica

Conclusión

En resumen, el tratamiento de agua RAS integra múltiples tecnologías para abordar los sólidos en suspensión, los compuestos nitrogenados tóxicos, la acumulación de CO₂, los riesgos microbianos y la demanda de oxígeno. Al optimizar estos sistemas, RAS logra una reutilización eficiente del agua, reduce el impacto ambiental y apoya la acuicultura de alta densidad. Los avances futuros mejorarán aún más su precisión y eficiencia energética.