10.3 Tratamentos aeróbicos
O tratamento aeróbio aumenta a oxidação do lodo, apoiando o seu contacto com o oxigénio. Neste caso, a oxidação da matéria orgânica é impulsionada principalmente pela respiração de microorganismos heterotróficos. CoSub2/sub, o produto final da respiração, é liberado como é mostrado na Eq. (10.1).
$C_6H_ {12} O_6 + 6\ O_2\ rarr 6\ CO_2+6\ H_2O +energia$ (10.1)
Este processo em reatores aeróbicos é conseguido principalmente pela injeção de ar na mistura loda-água com sopradores de ar conectados a difusores e hélices. A injeção de ar também garante uma mistura adequada do lodo.
Durante este processo oxidativo, os macro e micronutrientes ligados à matéria orgânica são liberados. Este processo é chamado de mineralização aeróbica. Portanto, outros nutrientes podem ser reciclados durante o processo de mineralização, enquanto alguns nutrientes, por exemplo, sódio e cloreto, podem também exceder o seu limiar para aplicação hidropônica e devem ser cuidadosamente monitorizados antes da aplicação (Rakocy et al. 2007). A mineralização aeróbica da matéria orgânica, derivada da unidade de remoção de sólidos (por exemplo, clarificador ou filtro de tambor) em RAS, é uma forma fácil de reciclar nutrientes para posterior aplicação aquapônica.
Além disso, durante o processo de digestão aeróbica, o pH cai e promove a mineralização de minerais ligados presos nas lamas. Por exemplo, Monsees et al. (2017) mostraram que P foi liberado do lodo RAS devido a essa mudança de pH. Esta diminuição do pH é principalmente impulsionada pela respiração e, em menor grau, provavelmente pela nitrificação.
Devido ao fornecimento constante de oxigénio através da aeração da câmara de mineralização e da abundância de matéria orgânica, os microrganismos heterotróficos encontram condições ideais para crescer. Isto resulta num aumento da respiração e na libertação de COSub2/Sub que se dissolve em água. CoSub2/sub forma ácido carbónico que dissocia e, assim, reduz o pH da água de processo, como ilustrado na seguinte equação:
$CO_ {2 (g)} +2\ H_2O\ rarr H_3O^++ {HCO_3} ^-$ (10.2)
As águas residuais derivadas de RAS contêm frequentemente nHsub4/subsup+/Sup e, adicionalmente, caracterizam-se por um pH neutro de cerca de 7, uma vez que o pH em RAS precisa ser mantido nesse nível para garantir uma conversão microbiana óptima de NHsub4/subSUP+/SUP em NOsub3/sub dentro do biofiltro (isto é, nitrificação). O processo de nitrificação pode contribuir para a diminuição do pH em reatores aeróbicos na fase inicial, liberando prótons para a água de processo, como pode ser visto na seguinte equação:
$ {NH_4} ^+ + 2\ O_2\ rarr {NO_3} ^- +2\ h^+H_2O+energia$ (10.3)
Isto é, pelo menos, válido para a fase inicial em que o pH ainda é superior a 6. Com um pH ≤ 6, a nitrificação pode abrandar ou mesmo cessar significativamente (Ebeling et al. 2006). No entanto, isto não representa um problema para a unidade de mineralização.
A diminuição geral do pH na unidade de mineralização aeróbica no processo em curso é o principal motor da liberação de nutrientes presentes sob a forma de minerais precipitados como fosfatos de cálcio. Monsees et al. (2017) observaram que cerca de 50% do fosfato no lodo era solúvel em ácido, derivado de um RAS Tilapia, onde foi aplicado um alimento padrão contendo farinha de peixe. Aqui, cerca de 80% do fosfato dentro do RAS foi perdido pela limpeza do decantador e pela eliminação da mistura loda-água. Considerando este fato, o grande potencial das unidades de mineralização para aplicações aquapônicas torna-se claro.
As vantagens da mineralização aeróbica são a baixa manutenção, sem necessidade de pessoal qualificado e sem reoxigenação subsequente. A água enriquecida pode ser usada diretamente para fertilização vegetal, idealmente gerenciada por um sistema on-line para a preparação adequada da solução nutritiva. Uma desvantagem em relação à mineralização anaeróbica é que não é produzido metano (Chen et al. 1997) e, como já foi mencionado, a maior demanda de energia devido à necessidade de arejamento constante.
10.3.1 Unidades de Mineralização Aeróbica
Fig. 10.2 Exemplo esquemático de uma unidade de mineralização aeróbica operada em modo de lote. A câmara de mineralização (castanho) é separada da câmara de saída (azul) por uma placa de peneira que é coberta por uma placa de cobertura sólida durante o processo de mineralização (arejamento forte) para evitar o entupimento e a formação de partículas finas. A água rica em organismos provenientes de um clarificador ou filtro de tambor entra na unidade de mineralização através da entrada. Após a conclusão de um ciclo de mineralização, a água rica em nutrientes e isenta de sólidos sai da unidade de mineralização através da saída e é transferida diretamente para a unidade hidropônica ou mantida num tanque de armazenamento até que seja necessário
Um exemplo de projeto de uma unidade de mineralização aeróbica é apresentado na Fig. 10.2. A entrada é conectada à unidade de remoção de sólidos através de uma válvula, que permite o reabastecimento descontínuo da câmara de mineralização com uma mistura de lodo e água. A câmara de mineralização é arejada através de ar comprimido para promover a respiração de bactérias heterotróficas e para manter os processos de desnitrificação anaeróbia o mínimo possível. Para evitar que o material orgânico saia da câmara de mineralização, uma placa de peneira poderia servir de barreira. Idealmente, deve ser utilizada uma segunda placa de cobertura impermeável para cobrir a peneira durante o processo de mineralização (durante o arejamento). Isso deve evitar que a placa de peneira entupa, pois durante o arejamento pesado o material orgânico seria constantemente movido contra a placa de peneira. Antes de transferir a água rica em nutrientes da câmara de mineralização para a unidade hidropônica, a aeração é interrompida para permitir que as partículas se assentem. Posteriormente, a placa de cobertura é removida e a água enriquecida com nutrientes pode passar através da placa peneira e sair da câmara de mineralização através da saída, como sugerido na Fig. 10.2. Finalmente, a placa de cobertura é colocada novamente no lugar, a câmara de mineralização é recarregada com mistura de lama e água derivada de RAS, e o processo de mineralização começa novamente (ou seja, processo em lote).
A unidade de mineralização deve ter pelo menos o dobro do volume do clarificador para permitir uma mineralização contínua. Um ciclo de mineralização pode durar até 5 a 30 dias, dependendo do sistema, da carga orgânica e do perfil de nutrientes necessários, e deve ser elaborado para cada sistema individual. Para os sistemas que incluem um filtro de tambor, como é o caso na maioria das RAS modernas, a dimensão da unidade de mineralização tem de ser ajustada de acordo com a saída diária ou semanal de lamas do filtro de tambor. Uma vez que isso não foi testado em uma configuração experimental até agora, recomendações específicas não são atualmente possíveis.
10.3.2 Implementação
Um exemplo da implementação de uma unidade de mineralização aeróbia num sistema aquapónico dissociado é apresentado na Fig. 10.3. Uma vez que não é necessária pré e pós-tratamento (por exemplo, reoxigenação), a unidade de mineralização pode ser colocada directamente entre a unidade de remoção de sólidos e os leitos hidropónicos. Ao instalar uma válvula antes e depois da unidade de mineralização, é possível uma operação descontínua e entrega de nutrientes à unidade hidropônica sob demanda, mas em muitos casos, seria necessário um tanque de armazenamento adicional. Idealmente, depois de direcionar a água rica em nutrientes para a unidade hidropônica, a água deslocada é substituída por novas lamas e água da unidade de remoção sólida. Dependendo do volume da unidade de mineralização, é importante notar que o reabastecimento com nova mistura de lama-água pode levar a um aumento do pH novamente, pelo que o processo de mineralização pode ser interrompido. Ao aumentar a dimensão da unidade de mineralização, este efeito seria tamponado. No estudo de Rakocy et al. (2007) que investigou os resíduos orgânicos líquidos provenientes de dois sistemas de aquicultura, um tempo de retenção de 29 dias para a mineralização aeróbica resultou em um sucesso substancial na mineralização. No entanto, isso depende também do teor de TS dentro da câmara de mineralização, do alimento aplicado à RAS, da temperatura e das necessidades de nutrientes das plantas produzidas na unidade hidropônica.
Fig. 10.3 Imagem esquemática de um sistema aquapônico dissociado, incluindo uma unidade de mineralização aeróbica. A água pode ser transferida para o reservatório de nutrientes a partir do circuito de água RAS ou directamente da unidade de mineralização