10.1 Introducción
El concepto de acuapónica se asocia a ser un sistema de producción sostenible, ya que reutiliza aguas residuales del sistema acuícola recirculante (RAS) enriquecidas en macronutrientes (nitrógeno (N), fósforo (P), potasio (K), calcio (Ca), magnesio (Mg) y azufre (S)) y micronutrientes (es decir, hierro (Fe (Fe)), manganeso (Mn), zinc (Zn), cobre (Cu), boro (B) y molibdeno (Mo)) para fertilizar las plantas (Graber y Junge 2009; Licamele 2009; Nichols y Savidov 2012; Turcios y Papenbrock 2014). Una cuestión muy debatida es si este concepto puede igualar su propia ambición de ser un sistema de bucle casi cerrado, ya que grandes cantidades de nutrientes que entran en el sistema se desperdician al descargar los lodos de peces ricos en nutrientes (Endut et al. 2010; Naylor et al. 1999; Neto y Ostrensky 2013). De hecho, para mantener una buena calidad del agua en sistemas RAS y aquapónicos, el agua debe filtrarse constantemente para su eliminación. Las dos técnicas principales para la filtración de sólidos son retener las partículas en una malla (es decir, filtración de malla como filtros de tambor) y permitir que las partículas se decanten en clarificadores. En la mayoría de las plantas convencionales, los lodos se recuperan de estos dispositivos mecánicos de filtración y se descargan como aguas residuales. En el mejor de los casos, el lodo se seca y se aplica como fertilizante en terrenos (Brod et al. 2017). Cabe destacar que hasta el 50% (en materia seca) de los piensos ingeridos se excreta como sólidos por los peces (Chen et al. 1997), y la mayoría de los nutrientes que entran en los sistemas acuapónicos a través de piensos para peces se acumulan en estos sólidos y así en los lodos (Neto y Ostrensky 2013; Schneider et al. 2005). Por lo tanto, una filtración sólida eficaz elimina, por ejemplo, más del 80% de la valiosa P (Monsees et al. 2017) que de otro modo podría utilizarse para la producción de plantas. Por lo tanto, reciclar estos valiosos nutrientes para aplicaciones acuapónicas es de gran importancia. El desarrollo de un tratamiento adecuado de lodos capaz de mineralizar los nutrientes contenidos en los lodos para su reutilización en la unidad hidropónica parece ser un proceso necesario para contribuir a cerrar el bucle nutritivo a un mayor grado y reducir así el impacto ambiental de los sistemas acuapónicos (Goddek et al. 2015; Goddek y Keesman 2018; Goddek y Körner 2019).
Se ha demostrado en estudios experimentales que la solución nutritiva acuapónica complementada (es decir, después de la adición de nutrientes carentes) promueve el crecimiento de la planta en comparación con la hidropónica (Delaide et al. 2016; Ru et al. 2017; Saha et al. 2016). Por lo tanto, la mineralización de lodos es también una forma prometedora de mejorar el rendimiento del sistema acuapónico, ya que los nutrientes recuperados se utilizan para complementar la solución acuapónica. Además, las unidades de mineralización in situ también pueden aumentar la autosuficiencia de las instalaciones acuapónicas, especialmente con respecto a los recursos finitos como P, que es esencial para el crecimiento de las plantas. P es producido por actividades mineras, por lo que los yacimientos no se distribuyen equitativamente en todo el mundo. Además, su precio ha subido hasta un 800% en la última década (McGill 2012). Por lo tanto, las unidades de mineralización aplicadas en sistemas acuapónicos también pueden aumentar su éxito económico futuro y su estabilidad.
El tratamiento de lodos en acuapónica debe abordarse de manera diferente a lo que se ha hecho en el pasado. De hecho, en el tratamiento de aguas residuales convencionales, el objetivo principal es obtener un efluente descontaminado y limpio. Los resultados del tratamiento se expresan en términos de eliminación de contaminantes (por ejemplo, sólidos, nitrógeno (N), fósforo (P), etc.) de las aguas residuales y cuantificando los efluentes con respecto a la calidad alcanzada (Techobanoglous et al. 2014). Utilizando este enfoque convencional, varios estudios han proporcionado evidencia cuantitativa de que una proporción consistente de la demanda química de oxígeno (DQO) y de sólidos suspendidos totales (SST) puede eliminarse mediante la digestión de las aguas residuales de RAS en condiciones aeróbicas, anaeróbicas y secuenciales (Goddek et al. 2018; Chowdhury et al. 2010; Mirzoyan et al. 2010; Van Rijn 2013). Sin embargo, en los sistemas acuapónicos, las aguas residuales de los peces se consideran una valiosa fuente de fertilizantes. Dentro de un enfoque de ciclo cerrado, es necesario minimizar la parte sólida descargada (es decir, maximizar la reducción orgánica) y maximizar el contenido de nutrientes en los efluentes (es decir, maximizar la mineralización de nutrientes). Por lo tanto, el rendimiento del tratamiento de aguas residuales en acuapónica ya no necesita expresarse en términos de eliminación de contaminantes, sino en términos de reducción de contaminantes y capacidad de mineralización de nutrientes.
Algunos estudios han demostrado la capacidad funcional de digerir lodos de peces con tratamientos aeróbicos y anaeróbicos con fines de reducción orgánica (Goddek et al. 2018; van Rijn et al. 1995). Con el tratamiento anaeróbico en biorreactor, se puede lograr un alto rendimiento de reducción de la materia seca (es decir, TSS) (por ejemplo, superior al 90%), mientras que también se puede producir metano (van Lier et al. 2008; Mirzoyan y Gross 2013; Yogev et al. 2016).
El tratamiento aeróbico de lodos es también una forma muy eficaz de reducir la materia orgánica, que se oxida a COSub2/sub durante la respiración (ver Eq. 10.1). Por ejemplo, se reportaron tasas de reducción del 90% (aquí determinados como sólidos suspendidos, DQO y DBO) desde una instalación de recuperación de recursos hídricos (Seo et al. 2017). Los procesos aeróbicos son más rápidos que los anaeróbicos, pero pueden ser más caros (Chen et al. 1997) ya que una aireación constante de la mezcla de lodo y agua requiere bombas o motores intensivos de energía. Además, las fracciones significativas de los nutrientes se convierten en biomasa microbiana y no permanecen disueltas en el agua.
Aunque estos estudios han demostrado el potencial de reducción orgánica de lodos de peces, sólo unos pocos autores han examinado la liberación de nutrientes específicos (por ejemplo, para N y P) de lodos de peces. La mayoría de estos estudios fueron para experimentos breves in vitro por lotes (Conroy y Couturier 2010; Monsees et al. 2017; Stewart et al. 2006) y de un RAS operativo (Yogev et al. 2016), en lugar de una configuración acuapónica. Aunque se discute hasta cierto punto en teoría (Goddek et al. 2016; Yogev et al. 2017), la investigación tiene que comenzar ahora para investigar sistemáticamente la reducción orgánica y el rendimiento de la mineralización de nutrientes de lodos de peces tanto para reactores aeróbicos como anaeróbicos y su efecto sobre la composición del agua y la planta crecimiento. Por lo tanto, este capítulo tiene como objetivo dar una visión general de los diversos tratamientos de lodos de peces que pueden integrarse en configuraciones acuapónicas para lograr la reducción orgánica y la mineralización de nutrientes. Se destacarán algunos enfoques de diseño. Se discutirá el enfoque del balance de masa de nutrientes en el contexto del tratamiento de lodos acuapónicos y se desarrollará una metodología específica para cuantificar el rendimiento del tratamiento de lodos.