10.1 Introdução
O conceito de aquaponia está associado a ser um sistema de produção sustentável, uma vez que reutiliza as águas residuais do sistema de aquicultura recirculante (RAS) enriquecidas em macronutrientes (isto é, nitrogênio (N), fósforo (P), potássio (K), cálcio (Ca), magnésio (Mg) e enxofre (S)) e micronutrientes (i.e. ferro (Fe ferro (Fe Fe manganês (Mn), zinco (Zn), cobre (Cu), boro (B) e molibdênio (Mo)) para fertilizar as plantas (Graber e Junge 2009; Licamele 2009; Nichols e Savidov 2012; Turcios e Papenbrock 2014). Uma questão muito debatida é se este conceito pode corresponder à sua própria ambição de ser um sistema quase fechado, uma vez que grandes quantidades de nutrientes que entram no sistema são desperdiçadas pela descarga do lodo de peixe rico em nutrientes (Endut et al. 2010; Naylor et al. 1999; Neto e Ostrensky 2013). De fato, para manter uma boa qualidade de água em sistemas RAS e aquapônicos, a água precisa ser constantemente filtrada para remoção de sólidos. As duas principais técnicas de filtração de sólidos são reter as partículas em uma malha (ou seja, filtração de malha como filtros de tambor) e permitir que as partículas decantem em em clarificadores. Na maioria das plantas convencionais, o lodo é recuperado desses dispositivos mecânicos de filtração e é descarregado como esgoto. Nos melhores casos, o lodo é seco e aplicado como fertilizante em campos terrestres (Brod et al. 2017). Notavelmente, até 50% (na matéria seca) da ração ingerida é excretada como sólidos pelos peixes (Chen et al. 1997), e a maioria dos nutrientes que entram nos sistemas aquapônicos através da ração para peixes acumulam-se nestes sólidos e, assim, nas lamas (Neto e Ostrensky 2013; Schneider et al. 2005). Assim, a filtração sólida eficaz remove, por exemplo, mais de 80% do valioso P (Monsees et al. 2017) que, de outra forma, poderia ser usado para a produção de plantas. Portanto, a reciclagem desses nutrientes valiosos para aplicações aquapônicas é de grande importância. O desenvolvimento de um tratamento adequado das lamas capaz de mineralizar os nutrientes contidos nas lamas para reutilizá-las na unidade hidropônica parece ser um processo necessário para contribuir para o fechamento mais alto do ciclo de nutrientes e, assim, reduzir o impacto ambiental dos sistemas aquapônicos (Goddek et al. 2015; Goddek e Keesman 2018; Goddek e Körner 2019).
Foi demonstrado em estudos experimentais que complementou a solução de nutrientes aquapônicos (isto é, após adição de nutrientes em falta) promove o crescimento da planta em comparação com hidroponia (Delaide et al. 2016; Ru et al. 2017; Saha et al. 2016). Assim, a mineralização das lamas é também uma forma promissora de melhorar o desempenho do sistema aquapónico, uma vez que os nutrientes recuperados são utilizados para complementar a solução aquapónica. Além disso, as unidades de mineralização no local também podem aumentar a auto-suficiência das instalações aquapônicas, especialmente no que diz respeito aos recursos finitos como P, que é essencial para o crescimento das plantas. P é produzido por atividades de mineração, em que os depósitos não são distribuídos igualmente em todo o mundo. Além disso, seu preço subiu até 800% na última década (McGill 2012). Assim, as unidades de mineralização aplicadas em sistemas aquánicos também poderão aumentar o seu sucesso económico futuro e a sua estabilidade.
O tratamento de lamas em aquapônica precisa ser abordado de forma diferente do que foi feito no passado. Com efeito, no tratamento convencional de águas residuais, o principal objetivo é obter um efluente descontaminado e limpo. Os desempenhos do tratamento são expressos em termos de remoção de contaminantes (por exemplo, sólidos, azoto (N), fósforo (P), etc.) das águas residuais e quantificando os efluentes em relação à qualidade alcançada (Techobanoglous et al. 2014). Usando essa abordagem convencional, vários estudos forneceram evidências quantitativas de que uma proporção consistente de demanda química de oxigênio (CQO) e sólidos totais suspensos (TSS) podem ser removidos por digerir as águas residuais RAS em condições aeróbias, anaeróbias e anaeróbias sequenciais (Goddek et al. 2018; Chowdhury et al. 2010; Mirzoyan et al. 2010; Van Rijn 2013). No entanto, em sistemas aquapônicos, as águas residuais dos peixes são consideradas uma fonte valiosa de fertilizantes. No âmbito de uma abordagem de ciclo fechado, a parte sólida descarregada tem de ser minimizada (isto é, a redução orgânica maximizada) e o teor de nutrientes nos efluentes tem de ser maximizado (isto é, a mineralização de nutrientes maximizada). Portanto, o desempenho do tratamento de águas residuais na aquapônica não precisa mais ser expresso em termos de remoção de contaminantes, mas em termos de redução de contaminantes e capacidade de mineralização de nutrientes.
Alguns estudos demonstraram a capacidade funcional de digerir lodo de peixe com tratamentos aeróbicos e anaeróbicos para fins de redução orgânica (Goddek et al. 2018; van Rijn et al. 1995). Com o tratamento anaeróbio em biorreator, pode-se alcançar um elevado desempenho de redução da matéria seca (ou seja, TSS) (por exemplo, superior a 90%), enquanto o metano também pode ser produzido (van Lier et al. 2008; Mirzoyan e Gross 2013; Yogev et al. 2016).
O tratamento aeróbio das lamas é também uma forma muito eficaz de reduzir a matéria orgânica, que é oxidada em CoSub2/Sub durante a respiração (ver Eq. 10.1). Por exemplo, foram relatadas taxas de redução de 90% (aqui determinadas como sólidos em suspensão, CQO e redução da CBO) a partir de uma instalação de recuperação de recursos hídricos (Seo et al. 2017). Os processos aeróbicos são mais rápidos do que os anaeróbios, mas podem ser mais caros (Chen et al. 1997), pois uma aeração constante da mistura loda-água requer bombas ou motores intensivos em energia. Além disso, frações significativas dos nutrientes são convertidas em biomassa microbiana e não permanecem dissolvidas na água.
Embora esses estudos tenham demonstrado o potencial de redução orgânica do lodo de peixe, apenas alguns autores examinaram a liberação de nutrientes específicos (por exemplo, para N e P) de lodo de peixe. A maioria destes estudos foi para experimentos em lote in vitro curtos (Conroy e Couturier 2010; Monsees et al. 2017; Stewart et al. 2006) e de um RAS operacional (Yogev et al. 2016), em vez de uma configuração aquapônica. Embora discutido em certa medida em teoria (Goddek et al. 2016; Yogev et al. 2017), a pesquisa tem que começar agora para investigar sistematicamente a redução orgânica e o desempenho de mineralização de nutrientes de lodo de peixe para reatores aeróbios e anaeróbios e seu efeito na composição da água e na planta crescimento. Portanto, este capítulo tem como objetivo dar uma visão geral sobre os diversos tratamentos de lodo de peixe que podem ser integrados em configurações aquapônicas para alcançar redução orgânica e mineralização de nutrientes. Algumas abordagens de design serão destacadas. Será discutida a abordagem do balanço de massas de nutrientes no contexto do tratamento de lamas aquapônicas, e será desenvolvida uma metodologia específica para quantificar o desempenho do tratamento de lamas.