Tecnologias de Tratamento de Água em RAS

Introdução

Os Sistemas de Aquicultura de Recirculação (RAS) empregam um conjunto de sistemas integrados Tratamento de Água tecnologias para manter os parâmetros precisos de qualidade da água necessários para operações intensivas de aquicultura. A eficácia do sistema depende da abordagem de cinco áreas críticas de tratamento: a remoção de sólidos em suspensão por meio de processos de filtração mecânica e biológica, a eliminação de nitrogênio amoniacal tóxico por meio de biofiltração e nitrificação, a remoção do dióxido de carbono acumulado por meio de unidades especializadas de troca gasosa, a desinfecção abrangente por meio de irradiação ultravioleta ou ozonização para controlar patógenos e técnicas avançadas de oxigenação para manter níveis ideais de oxigênio dissolvido.

Essas tecnologias interconectadas trabalham em sinergia para criar um ambiente aquático estável que suporta altas densidades populacionais, permitindo taxas de reuso de água superiores a 90%, reduzindo significativamente o consumo de água e o descarte ambiental em comparação com os sistemas de aquicultura convencionais. A integração adequada desses componentes de tratamento é essencial para manter a saúde dos peixes, otimizar o desempenho do crescimento e garantir a viabilidade econômica geral das operações de aquicultura sustentável.

Cinco tecnologias-chave

1. Sólidos Suspensos e Tecnologias de Tratamento

Os sólidos em suspensão em sistemas de aquicultura industrializados originam-se principalmente de insumos alimentares. Dependendo das taxas de alimentação, sua concentração normalmente varia de 5 a 50 mg/L. Com uma taxa de conversão alimentar (TCA) de 0,9-1,0, 150-200 gramas de sólidos em suspensão são gerados para cada quilograma de ganho de peso dos peixes. Consequentemente, os sólidos em suspensão acumulam-se rapidamente na água de recirculação.Água para aquicultura.

Em condições metabólicas normais, os peixes excretam resíduos sólidos na forma de partículas em suspensão. Na água corrente de aquicultura, a maioria dos sólidos em suspensão se apresenta como partículas menores que 30 mícrons (μm). Essas partículas têm densidade ligeiramente superior à da água, tamanho pequeno, alta mobilidade e leve adesividade, permanecendo suspensas sob condições de fluxo de água. A remoção de sólidos em suspensão abaixo de 30 mícrons tem sido, há muito tempo, um foco crítico no projeto de sistemas de aquicultura industrializados.

O acúmulo de sólidos em suspensão aumenta a turbidez da água, prejudica a eficiência respiratória em espécies cultivadas, eleva o estresse ambiental, degrada a qualidade da água e esgota o oxigênio dissolvido (OD). Portanto, a remoção oportuna dos sólidos em suspensão é essencial para a manutenção das condições ideais da água em operações de aquicultura industrializadas.

①Filtragem de leito fixo

Os filtros de leito fixo geralmente consistem em camadas de meios filtrantes grossos, médios e finos. Com base na dinâmica do fluxo de água, eles são categorizados em:

• Filtros tipo spray
• Filtros de pressão

Vantagens: A granularidade ajustável da mídia e a espessura do leito permitem a remoção direcionada de partículas suspensas.
Desafios: Ocupa grande espaço, é de baixa eficiência, propenso a entupimentos durante operação prolongada e apresenta retrolavagem difícil.

②Filtragem de tela

A filtragem de tela emprega malha fina (30–100 μm / 0,03–0,1 mm) para remover sólidos suspensos, com dois tipos principais:

• Telas estáticas (tela plana)
• Peneiras de tambor rotativo (mais eficiente, com retrolavagem contínua)

Desempenho:

• Remove 36–67% de sólidos suspensos; tamanhos de malha menores (

Foco da Pesquisa: Otimizando a geometria da malha para aumentar a área de superfície, evitar entupimentos e minimizar o uso de água de retrolavagem.

③Filtragem em leito flutuante

Usos esferas de plástico de baixa densidade (por exemplo, 3 mm de diâmetro) como meio filtrante flutuante.

Eficiência:

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

Desafios: Retrolavagem frequente necessária devido à aglomeração de partículas, aumentando os custos de água e operação.

Trabalho futuro: Projetos antientupimento e métodos de retrolavagem aprimorados.

④Sedimentação Natural

Utiliza lagoas de decantação ou projetos de tanques para agregar e remover sólidos suspensos.

Parâmetros principais:

• Velocidade do fluxo: Ótimo ≤1 m/min (máx. 4 m/min)
• Taxa de carga hidráulica: 1,0–2,7 m³/(m²·h)

Eficiência: Remove 59–90% de sólidos suspensos, mas é necessária uma grande infraestrutura para acomodar baixas taxas de fluxo.

⑤Flotação por Ar Dissolvido (FAD)

Princípio: Microbolhas (10–100 μm) atuam como uma camada de "triagem", adsorvendo sólidos suspensos por meio da tensão superficial.

Fator Crítico: Bolhas menores (por exemplo, nanobolhas) melhoram significativamente a eficiência.

Aplicativo: Eficaz para sólidos suspensos de alta carga, mas depende de tecnologia avançada de geração de bolhas.

2. Nitrogênio Amoniacal e suas Tecnologias de Tratamento

O nitrogênio amoniacal em sistemas de aquicultura recirculantes provém principalmente do metabolismo dos peixes, da alimentação residual e da decomposição da matéria orgânica. Apenas 7% a 32% do nitrogênio total excretado por peixes cultivados está contido em sólidos suspensos, enquanto a maior parte se dissolve na coluna d'água, existindo nas formas de amônio ionizado (NH₄⁺) e amônia não ionizada (NH₃), que se interconvertem dependendo das variações de pH e temperatura. O manejo eficaz do nitrogênio amoniacal em águas recirculantes por meio de métodos de tratamento físico, químico e biológico representa um fator crítico para o avanço da produção aquícola intensiva.

O acúmulo de nitrogênio amoniacal exerce efeitos tóxicos sobre os peixes, sendo a amônia não ionizada (NH₃) particularmente prejudicial. Em sistemas de aquicultura intensiva, a concentração total de nitrogênio amoniacal geralmente não deve exceder 1 mg/L, enquanto a concentração de amônia não ionizada deve permanecer abaixo de 0,05 mg/L. Dado o equilíbrio entre NH₄⁺ e NH₃, dependente do pH e da temperatura, o ajuste adequado do pH de acordo com as flutuações de temperatura é essencial para manter a amônia não ionizada em concentrações mínimas, controlando, ao mesmo tempo, o acúmulo geral de amônia.

① Tratamento de remoção de ar

Princípio:

A remoção por ar opera com base no equilíbrio entre as fases gás-líquido e na Lei de Henry de transferência de massa. Sob aeração intensa, a pressão parcial dos gases dissolvidos é reduzida, permitindo que a amônia presente na água se volatiliza através da interface gás-líquido e se transfira para o ar, promovendo assim a remoção do nitrogênio amoniacal.

Fatores-chave:

• Dependência do pH:

Em pH mais alto, a maior parte do nitrogênio da amônia existe como amônia não ionizada (NH₃), que é mais volátil.

• Condições ótimas:

Em pH 11,5 com uma relação de volume ar-água de 1:107, 95% do nitrogênio amoniacal pode ser removido.

Considerações operacionais:

• Ajuste de pH:

Essencial para equilibrar a eficiência do tratamento e a segurança dos peixes (evitando estresse extremo de pH).

• Alto requisito de fluxo de ar:

Grandes volumes de ar são necessários, o que pode afetar a estabilidade da temperatura da água em sistemas de aquicultura.

②Adsorção de troca iônica

A adsorção por troca iônica utiliza zeólita ou resinas de troca para remover o nitrogênio amoniacal da água. A zeólita apresenta uma capacidade de adsorção de aproximadamente 1 mg/g. Com um projeto adequado, pode remover até 95% do nitrogênio amoniacal. Quando saturado, o meio pode ser regenerado por meio de pulverização de 24 horas com solução salina a 10% para reuso. Embora a zeólita demonstre bom desempenho em sistemas de aquicultura intensiva, seu processo de regeneração é trabalhoso e demorado.

③Tratamento bacteriano biológico

O tratamento biológico utiliza bactérias nitrificantes (Nitrosomonas), bactérias oxidantes de nitrito (Nitrobacter) e bactérias desnitrificantes para converter e remover o nitrogênio amoniacal. O processo envolve:

• Oxidação de amônia em nitrito por Nitrosomonas
• Oxidação de nitrito em nitrato por Nitrobacter
• Desnitrificação opcional para nitrogênio gasoso sob condições anaeróbicas (OD

Características principais:

• O nitrato apresenta baixa toxicidade para peixes (algumas espécies toleram >200 mg/L)
• Taxa de conversão típica: 380 g/(m³·d) de nitrogênio amoniacal
• Capacidade de carga de alimentação: 32 kg/(m³·d)
• Temperatura ideal >30°C (atividade diminui abaixo de 15°C)

④Tratamento de oxidação de ozônio

Embora seja usado principalmente para desinfecção e remoção de sólidos suspensos, o ozônio demonstra capacidade moderada de oxidação de amônia:

• A oxidação direta remove 25,8% do nitrogênio amoniacal
• A oxidação catalítica melhora significativamente a eficiência

Essa abordagem promissora requer mais pesquisas para aplicações em aquicultura.

⑤Tratamento de Plantas Aquáticas

A água residual passa pelos canais vegetais hidropônicos, onde os sistemas de raízes das plantas criam ecossistemas microbianos exclusivos que removem, de forma econômica, nitrogênio amoniacal, nitritos e outros compostos nocivos.

3. Tratamento de remoção de CO₂

O principal gás nocivo em sistemas de aquicultura com recirculação é o dióxido de carbono (CO₂), produzido pela respiração e metabolismo dos peixes, que se apresenta na forma de microbolhas na água. Concentrações elevadas de CO₂ (> 20 mg/L) causam estresse por pressão gasosa nos peixes, manifestando-se como:

• Aglomeração de superfície perto de dispositivos de aeração
• Redução significativa na atividade alimentar

O CO₂ reage reversivelmente com a água para formar ácido carbônico (H₂CO₃), um ácido fraco que reduz o pH do sistema e deteriora a qualidade da água. Sendo altamente instável, o ácido carbônico se decompõe facilmente em água e CO₂ quando exposto ao ar. A remoção eficaz do CO₂, portanto, requer a maximização do contato água-ar.

①Remoção Mecânica (Aeração)

• Utiliza arejadores ou difusores para criar circulação vertical de água
• Melhora a troca atmosférica para decomposição do ácido carbônico
• Método padrão na maioria das operações RAS

②Remoção de Projeto Hidráulico

• Incorpora quedas de elevação entre tubos de retorno e canais
• Cria efeitos de cascata para maximizar a exposição ao ar durante o retorno da água
• Abordagem passiva que requer engenharia hidráulica cuidadosa

③Remoção de microbolhas

• Instala difusores de bolhas finas ao longo dos canais de água
• Aproveita a coalescência de bolhas para capturar CO₂ dissolvido
• As bolhas ascendentes transportam CO₂ para a superfície para liberação atmosférica
• Particularmente eficaz para sistemas de alta densidade

Parâmetros principais:

• Limiar crítico: 20 mg/L CO₂ (estresse comportamental observável)
• Faixa ideal:
• Interação de pH: Cada 10 mg/L de CO₂ ≈ 0,1 unidade de pH diminui

4. Desinfecção e Esterilização

Em sistemas de aquicultura intensiva, altas densidades populacionais e aportes substanciais de ração levam ao acúmulo de nutrientes na água, criando condições ideais para o crescimento bacteriano. Sem a desinfecção oportuna, surtos de doenças podem ocorrer e se espalhar rapidamente em condições de alta densidade, causando perdas potencialmente catastróficas. Portanto, a integração de equipamentos de esterilização eficazes no projeto do sistema é essencial. Os principais métodos de desinfecção incluem:ozonização e irradiação ultravioleta (UV).

①Desinfecção por ozônio

O ozônio (O₃) é um agente oxidante altamente instável e potente que destrói as membranas celulares de bactérias, vírus e parasitas em concentrações específicas. Estudos indicam que manter os níveis de ozônio entre 0,1 e 0,2 mg/L por 1 a 30 minutos proporciona a esterilização ideal.

Benefícios adicionais:

• Precipita sólidos suspensos
• Oxida o nitrogênio da amônia (NH₃/NH₄⁺)

Se sua eficiência multifuncional for melhorada, o ozônio poderá ter uma aplicação mais ampla na aquicultura intensiva.

②Desinfecção ultravioleta (UV)

Pesquisas confirmam que a luz UV em comprimentos de onda específicos (180–300 nm) esteriliza patógenos de forma eficaz.

Parâmetros principais:

• Intensidade UV necessária: 15.000–30.000 µW/cm²
• A 30.000 µW/cm², a exposição UV alcança:
  • 100% de inativação do vírus da mancha branca do camarão (WSSV) em 2,67 segundos
  • Eliminação da saprolegniose (bolor aquático) e hemorrágica viralsepticemia (VHS) em 1,60 segundos

Sistemas híbridos de UV-ozônio:
Alguns estudos testaram geradores de UV-ozônio, que produzem ozônio juntamente com a desinfecção UV, permitindo esterilização simultânea e oxidação de amônia para maior eficiência.

5. Tecnologias de Oxigenação

O oxigênio dissolvido (OD) na água de aquicultura é essencial para a sobrevivência dos peixes e a atividade microbiana nos sistemas de tratamento. Em sistemas de aquicultura intensiva, os níveis de OD devem ser mantidos em:

• ≥60% de saturação ou > 5 mg/L para crescimento normal dos peixes
• Bactérias nitrificantes perdem sua função de oxidação de amônia

Consumidores primários de oxigênio:

• Respiração dos peixes
• Decomposição de resíduos metabólicos
• Tratamento com amônia microbiana

A demanda de oxigênio varia de acordo com a espécie, densidade populacional e taxas de alimentação, exigindo estratégias de oxigenação personalizadas no projeto do sistema.

①Aeração (Oxigenação Baseada no Ar)

Devido ao espaço limitado para aeradores mecânicos, sistemas de soprador + difusor são comumente usados, gerando pequenas bolhas para oxigenação.

Características:

• Vantagens: Baixo custo, fácil operação
• Limitações: Baixa eficiência (~1,300 kg O₂/kWh a 20°C; cai para 0,455 kg O₂/kWh a 28°C)
• Densidade máxima de estocagem: 30–40 kg/m³

Métodos comuns de aeração:

• Aeração difusa (por exemplo, difusores de bolhas finas)
• Aeradores de roda de pás
• Agitadores de superfície (por exemplo, aspiradores de pó de hélice)

②Injeção de oxigênio puro

Fontes de oxigênio:

• Cilindros de oxigênio comprimido
• Tanques de oxigênio líquido
• Geradores de oxigênio no local

Desafios dos métodos tradicionais:

• Baixa eficiência (≤40% de utilização) devido à fuga de oxigênio
• Requer equipamento especializado para dissolução ideal

Método de Saturação de Pressão (Solução de Alta Eficiência):

• Mistura de alta pressão: Água e O₂ saturam sob pressão.
• Liberação para pressão atmosférica: Cria água OD supersaturada (utilização de ~90% de O₂).
• Difusão molecular: O oxigênio permeia a água ao redor.

Densidade máxima de estocagem: Até 100 kg/m³

③Oxigenação por microbolhas

Tecnologia:

• A fragmentação de bolhas ultrassônicas produz Microbolhas , melhorando a eficiência da transferência de gás.

Vantagens:

• Maiores taxas de absorção de OD
• Melhor utilização de oxigênio

Limitações:

• Altos custos operacionais
• Complexidade técnica

Conclusão

Em resumo, o tratamento de água RAS integra múltiplas tecnologias para lidar com sólidos em suspensão, compostos tóxicos de nitrogênio, acúmulo de CO₂, riscos microbianos e demanda de oxigênio. Ao otimizar esses sistemas, o RAS alcança o reúso eficiente da água, reduz o impacto ambiental e apoia a aquicultura de alta densidade. Avanços futuros aumentarão ainda mais sua precisão e eficiência energética.