8.3 Bucle de destilación/desalinización
En los sistemas acuapónicos desacoplados, hay un flujo unidireccional desde el RAS hasta la unidad hidropónica. En la práctica, las plantas consumen agua suministrada por RAS, que a su vez se rellena con agua fresca (es decir, grifo o lluvia). La salida necesaria de la unidad RAS es igual a la diferencia entre el agua que sale del sistema HP a través de las plantas (y a través de la unidad de destilación) y el agua que entra en la unidad hidropónica desde el reactor de mineralización, si el sistema incluye un reactor (Fig. 8.4). Un resumen simplificado es que el requisito de flujo de agua a largo plazo de RAS a HP es igual al consumo de agua de los cultivos por evapotranspiración y almacenamiento de agua vegetal en la biomasa vegetal.
Fig. 8.4 Esquema de flujos de agua y diferentes concentraciones de nutrientes en un sistema acuapónico desacoplado, donde Q, volumen de flujo en L; ρ, concentración de nutrientes en mg/L; RAS, sistema de recirculación de acuicultura; MIN, reactor de mineralización; DIS, unidad de destilación; y X, parámetro de flujo desconocido/flexible
Sin embargo, en términos de balance de masa, la cantidad de nutrientes que salen del sistema hidropónico a través de las plantas necesita ser reemplazada para asegurar un equilibrio constante. Esto plantea un dilema, ya que la concentración máxima tolerable de nutrientes en RAS es mucho menor de lo necesario en HP. Por lo tanto, los altos flujos de nutrientes (_ρ_Subras/sub $\ times$ _Q_Subras/Sub) para HP no pueden lograrse con las bajas concentraciones de nutrientes RAS. En cambio, sin un bucle de destilación/desalinización, la concentración de nutrientes aumentaría en el RAS mientras disminuía en el sistema hidropónico. Un posible remedio es descargar agua RAS (y por lo tanto también nutrientes) para disminuir la concentración de nutrientes allí y agregar fertilizante a la solución nutritiva hidropónica. En términos de impacto ambiental y económico, esta solución es menos satisfactoria y no sirve al objetivo de una producción combinada de ciclo cerrado.
La implementación de una unidad de destilación como se muestra en la Fig. 8.3 representa una solución potencial para este dilema. Estas tecnologías de destilación (por ejemplo, la destilación por membrana térmica) tienen el potencial de separar sales y nutrientes disueltos del agua (Shahzad et al. 2017; Subramani y Jacangelo 2015). En el contexto de los sistemas acuapónicos de bucle múltiple, y como alternativa a la fertilización adicional y el sangrado de agua con los costos adicionales correspondientes, esta tecnología no sólo podría proporcionar agua dulce al sistema, sino también lograr las concentraciones de nutrientes deseadas para los subsistemas respectivos (Goddek y Keesman 2018).
Para la implementación (es decir, dimensionamiento) de dicha unidad de destilación, se pueden utilizar ecuaciones simples de balance de masa. El sistema restante, sin embargo, debe ser dimensionado de antemano (ya sea mediante reglas de control o mediante ecuaciones de balance de masas; véase Sect. 8.5), porque los nutrientes que entran en el sistema deben estar en equilibrio con los nutrientes biodisponibles absorbidos por el cultivo (Nota: el punto ideal de los sistemas desacoplados es su flexibilidad. En consecuencia, también se puede sobredimensionar la parte hidropónica del sistema aunque eso requerirá el uso de más fertilizantes). La forma más fácil de estimar la absorción de nutrientes es utilizar la suposición de que los nutrientes son absorbidos o absorbidos de la misma manera que los iones disueltos en el agua de riego (es decir, sin resistencias químicas, biológicas o físicas específicas de los elementos). En consecuencia, para mantener el equilibrio, todos los nutrientes absorbidos por el cultivo como contenidos en la solución nutritiva deben ser añadidos de nuevo al sistema hidropónico (Eq. 8.4).
$\ phi_ {RAS} +\ phi_ {MIN} -\ phi_ {HP} =0$ (8.4)
donde __Subras/sub es el flujo de nutrientes desde el sistema RAS al sistema hidropónico, __submin/sub es el flujo de nutrientes desde la unidad de mineralización al sistema hidropónico y __subhp/sub es la absorción de la planta de nutrientes. Para esta ecuación, se supone que el sistema de destilación tiene una eficiencia cercana al 100%. Por lo tanto, _Q_Subdis/sub vuelve al subsistema hidropónico.
En consecuencia:
$ (\ rho_ {HP}\ veces Q_ {HP}) = (\ rho_ {RAS}\ veces Q_ {RAS}) + (\ rho_ {MIN}\ veces Q_ {MIN}) $ (8.5)
donde Q es el volumen de flujo en L, y ρes la concentración de nutrientes en mg/L.
Como se ha indicado anteriormente, el flujo de RAS a la unidad hidropónica es la diferencia de la suma de los flujos de agua que salen del sistema hidropónico (es decir, QSubHP/Sub + QSubx/Sub) y la entrada del biorreactor (Qsubmin/sub), es decir, QSubras/Sub = QSubHP/Sub + QSubmin/Sub, lo que nos lleva a lo que nos lleva a ecuación:
$ (\ rho_ {HP}\ veces Q_ {HP}) = (\ rho _ {RAS}\ veces Q_ {HP}) + (\ rho _ {RAS}\ veces Q_ {X}) - (\ rho_ {RAS}\ veces Q_ {MIN}) + (\ rho_ {MIN}\ veces Q_ {MIN}) $ (8.6)
La variable objetivo es el flujo de destilación (QSubx/Sub) que se requiere para mantener el equilibrio de concentración de nutrientes en el sistema hidropónico. Para esto, la Eq. 8.6 se resuelve para QSubx/Sub en los siguientes pasos:
$ (\ rho_ {RAS}\ veces Q_ {X}) = (\ rho_ {HP}\ veces Q_ {MIN}) - (\ rho_ {RAS}\ veces Q_ {HP}) + (\ rho_ {RAS}\ veces Q_ {MIN}) $ (8.7)
$Q_ {X} =\ frac {\ rho_ {HP}\ veces Q_ {HP}} {\ rho_ {RAS}} -\ frac {\ rho_ {MIN}\ veces Q_ {MIN}} {\ rho_ {RAS}} -Q_ {HP} +Q_ {MIN} $ (8.8)
Tenga en cuenta que el flujo de destilación QSubx/Sub es altamente dinámico y depende de la tasa de evapotranspiración de las plantas, que depende del clima. El resultado dinámico, sin embargo, se puede utilizar para dimensionar la unidad de destilación. Para calcular la entrada requerida en la unidad de destilación, se puede utilizar la siguiente fórmula:
$Q_ {DIS} =Q_ {X}\ times\ frac {100} {\ eta_ {DIS}} $ (8.9)
donde Q es el volumen de flujo en L y η la eficiencia de desmineralización del dispositivo usado (en%).
Por lo tanto, la tecnología de destilación puede reducir drásticamente la huella hídrica y ambiental (es decir, el uso de fertilizantes) de los sistemas acuapónicos de bucle múltiple. Sin embargo, los sistemas acuapónicos se vuelven aún más complejos al considerar su implementación. Aunque este bucle adicional podría no tener sentido para los sistemas de pequeña escala, tiene el potencial de llevar los sistemas comerciales más grandes a un nuevo nivel. Sin embargo, hay que considerar que la tecnología de destilación térmica requiere grandes cantidades de energía térmica y puede que no sea económicamente razonable en todas partes. Las regiones con altos niveles de radiación solar mundial o fuentes de energía geotérmica podrían ser las más adecuadas para esta tecnología. Por consiguiente, la sostenibilidad económica de estos sistemas depende también de la ubicación.
Otro punto a tener en cuenta es la alta temperatura del agua destilada y la salmuera de la unidad de destilación. Dependiendo de las condiciones ambientales y de las especies de peces utilizadas, el agua de destilación caliente podría utilizarse para calentar el agua de la RAS; sin embargo, la salmuera debe enfriarse antes de volver a entrar en el subsistema HP.