10.3 Tratamientos aeróbicos
El tratamiento aeróbico mejora la oxidación del lodo al apoyar su contacto con el oxígeno. En este caso, la oxidación de la materia orgánica es impulsada principalmente por la respiración de microorganismos heterotróficos. El COSub2/sub, el producto final de la respiración, se libera como se muestra en la Eq. (10.1).
$C_6H_ {12} O_6 + 6\ O_2\ rarr 6\ CO_2+6\ H_2O +energía$ (10.1)
Este proceso en los reactores aeróbicos se logra principalmente inyectando aire en la mezcla de lodo y agua con sopladores de aire conectados a difusores y hélices. La inyección de aire también garantiza una mezcla adecuada del lodo.
Durante este proceso oxidativo, se liberan los macro y micronutrientes ligados a la materia orgánica. Este proceso se denomina mineralización aeróbica. Por lo tanto, se pueden reciclar otros nutrientes durante el proceso de mineralización, mientras que algunos nutrientes, como el sodio y el cloruro, también pueden superar su umbral para la aplicación hidropónica y deben controlarse cuidadosamente antes de su aplicación (Rakocy et al. 2007). La mineralización aeróbica de la materia orgánica, derivada de la unidad de eliminación de sólidos (por ejemplo, clarificador o filtro de tambor) en RAS, es una forma fácil de reciclar nutrientes para su posterior aplicación acuapónica.
Además, durante el proceso de digestión aeróbica, el pH disminuye y promueve la mineralización de los minerales ligados atrapados en el lodo. Por ejemplo, Monsees et al. (2017) mostraron que P se liberó del lodo RAS debido a este cambio de pH. Esta disminución del pH se debe principalmente a la respiración y, en menor medida, probablemente, a la nitrificación.
Debido al suministro constante de oxígeno a través de la aireación de la cámara de mineralización y a la abundancia de materia orgánica, los microorganismos heterotróficos encuentran condiciones ideales para crecer. Esto resulta en un aumento de la respiración y la liberación de COSub2/sub que se disuelve en agua. El COSub2/sub forma ácido carbónico que disocia y reduce así el pH del agua de proceso, como se ilustra en la ecuación siguiente:
$CO_ {2 (g)} +2\ H_2O\ rarr H_3O^++ {HCO_3} ^-$ (10.2)
Las aguas residuales derivadas del RAS suelen contener NHSub4/SubSUP+/SUP y, además, se caracterizan por un pH neutro de alrededor de 7, ya que el pH del RAS debe mantenerse a ese nivel para garantizar la conversión microbiana óptima de NHSub4/SubSUP+/SUP a NOSub3/sub dentro del biofiltro (es decir, nitrificación). El proceso de nitrificación puede contribuir a la disminución del pH en los reactores aeróbicos en la fase inicial mediante la liberación de protones en el agua de proceso, como se puede observar en la siguiente ecuación:
$ {NH_4} ^+ 2\ O_2\ rarr {NO_3} ^- +2\ H^++H_2O+Energía$ (10.3)
Esto es válido al menos para la fase inicial en la que el pH sigue siendo superior a 6. A un pH ≤ 6, la nitrificación podría disminuir significativamente o incluso cesar (Ebeling et al. 2006). Sin embargo, esto no representa un problema para la unidad de mineralización.
La disminución general del pH en la unidad de mineralización aeróbica en el proceso en curso es el principal impulsor de la liberación de nutrientes presentes bajo la forma de minerales precipitados como fosfatos de calcio. Monsees et al. (2017) señalaron que alrededor del 50% del fosfato en el lodo era soluble en ácido, derivado de un Tilapia RAS donde se aplicó un pienso estándar que contenía harina de pescado. Aquí, alrededor del 80% del fosfato dentro del RAS se perdió por la limpieza del decantador y el descarte de la mezcla de lodo y agua. Teniendo en cuenta este hecho, se aclara el gran potencial de las unidades de mineralización para aplicaciones acuapónicas.
Las ventajas de la mineralización aeróbica son el bajo mantenimiento, sin necesidad de personal cualificado y sin reoxigenación posterior. El agua enriquecida se puede utilizar directamente para la fertilización de plantas, gestionada idealmente por un sistema en línea para la preparación adecuada de la solución nutritiva. Una desventaja en comparación con la mineralización anaeróbica es que no se produce metano (Chen et al. 1997) y, como ya se ha mencionado, la mayor demanda de energía debido a la necesidad de aireación constante.
10.3.1 Unidades de mineralización aeróbica
Fig. 10.2 Ejemplo esquemático de una unidad de mineralización aeróbica operada en modo lote. La cámara de mineralización (marrón) está separada de la cámara de salida (azul) por una placa tamiz que está cubierta por una placa de cubierta sólida durante el proceso de mineralización (aireación fuerte) para evitar la obstrucción y la formación de partículas finas. El agua rica en orgánicas procedente de un clarificador o filtro de tambor entra en la unidad de mineralización a través de la entrada. Después de completar un ciclo de mineralización, el agua rica en nutrientes y libre de sólidos sale de la unidad de mineralización a través de la salida y se transfiere directamente a la unidad hidropónica o se mantiene en un tanque de almacenamiento hasta que sea necesario
En la Fig. 10.2 se presenta un ejemplo de diseño de una unidad de mineralización aeróbica. La entrada se conecta a la unidad de extracción de sólidos a través de una válvula, que permite el llenado discontinuo de la cámara de mineralización con una mezcla de lodo y agua. La cámara de mineralización se airea a través de aire comprimido para promover la respiración de bacterias heterotróficas y para mantener los procesos de desnitrificación anaeróbica lo más mínimo posible. Para evitar que el material orgánico salga de la cámara de mineralización, una placa de tamiz podría servir como barrera. Idealmente, se debe utilizar una segunda placa de cubierta impermeable para cubrir el tamiz durante el proceso de mineralización (durante la aireación). Esto debería evitar que la placa del tamiz se obstruya, ya que durante la aireación pesada el material orgánico se movería constantemente contra la placa del tamiz. Antes de transferir el agua rica en nutrientes de la cámara de mineralización a la unidad hidropónica, la aireación se detiene para permitir que las partículas se asienten. Posteriormente, se retira la placa de cubierta y el agua enriquecida con nutrientes puede pasar a través de la placa tamiz y salir de la cámara de mineralización a través de la salida, como se sugiere en la Fig. 10.2. Finalmente, la placa de cubierta se vuelve a colocar, la cámara de mineralización se rellena con mezcla de lodo y agua derivada del RAS, y el proceso de mineralización comienza de nuevo (es decir, proceso por lotes).
La unidad de mineralización debe tener al menos el doble del volumen del clarificador para permitir una mineralización continua. Un ciclo de mineralización puede durar hasta 5-30 días dependiendo del sistema, la carga orgánica y el perfil de nutrientes requerido, y debe elaborarse para cada sistema individual. Para los sistemas que incluyen un filtro de tambor, como ocurre en la mayoría de las RAS modernas, el tamaño de la unidad de mineralización debe ajustarse según la salida diaria o semanal de lodos del filtro de tambor. Dado que hasta ahora no se ha ensayado en una configuración experimental, actualmente no es posible formular recomendaciones específicas.
Implementación ## 10.3.2
En la Fig. 10.3 se presenta un ejemplo de la implementación de una unidad de mineralización aeróbica en un sistema aquapónico desacoplado. Dado que no se requiere tratamiento previo y posterior (por ejemplo, reoxigenación), la unidad de mineralización puede colocarse directamente entre la unidad de eliminación de sólidos y los lechos hidropónicos. Al instalar una válvula antes y después de la unidad de mineralización, es posible una operación discontinua y la entrega de nutrientes a la unidad hidropónica bajo demanda, pero en muchos casos, se requeriría un tanque de almacenamiento adicional. Idealmente, después de dirigir el agua rica en nutrientes a la unidad hidropónica, el agua desplazada se reemplaza con lodos nuevos y agua de la unidad de eliminación de sólidos. Dependiendo del volumen de la unidad de mineralización, es importante tener en cuenta que la recarga con nueva mezcla de lodo y agua puede dar lugar a un aumento del pH de nuevo, por lo que el proceso de mineralización podría interrumpirse. Al aumentar el tamaño de la unidad de mineralización, este efecto sería amortiguado. En el estudio realizado por Rakocy et al. (2007) que investigó residuos orgánicos líquidos de dos sistemas acuícolas, un tiempo de retención de 29 días para la mineralización aeróbica resultó en un éxito sustancial de la mineralización. Sin embargo, esto también depende del contenido de TS dentro de la cámara de mineralización, del alimento aplicado al RAS, de la temperatura y de los requerimientos nutritivos de las plantas que se producen dentro de la unidad hidropónica.
Fig. 10.3 Imagen esquemática de un sistema aquapónico desacoplado que incluye una unidad de mineralización aeróbica. El agua puede transferirse al depósito de nutrientes ya sea desde el bucle de agua RAS o directamente desde la unidad de mineralización