8.1 Introdução

Conforme discutido em Chaps. 5 e [7](/comunidade/artigos/sistemas aquapônicos acoplados com capítulos 7), os sistemas aquapônicos de circuito único são bem pesquisados, mas esses sistemas têm uma eficiência geral inferior (Goddek et al. 2016; Goddek e Keesman 2018). À medida que a aquapônica se expande para a produção industrial, tem havido ênfase no aumento da viabilidade econômica de tais sistemas. Uma das melhores oportunidades para otimizar a produção em termos de rendimento de colheita pode ser alcançada desacoplando os componentes dentro de um sistema aquaponico para garantir condições de crescimento ideais para peixes e plantas. Os sistemas dissociados diferem dos sistemas acoplados na medida em que separam os laços de água e nutrientes da unidade de aquicultura e hidroponia uns dos outros e, assim, fornecem um controle da química da água em ambos os sistemas. A Figura 8.1 fornece uma visão geral esquemática de um sistema acoplado tradicional (A), um sistema dissociado de dois ciclos (B) e um sistema multi-loop dissociado (C). No entanto, há um debate considerável sobre se os sistemas aquaponicos dissociados são economicamente vantajosos em relação aos sistemas mais tradicionais, uma vez que exigem mais infra-estruturas. Para responder a essa pergunta, é necessário considerar diferentes projetos de sistemas para identificar seus pontos fortes e fracos.

O conceito de um sistema aquaponico acoplado de um ciclo, tal como mostrado na Fig. 8.1a, pode ser considerado como a base tradicional de todos os sistemas aquánicos em que a água circula livremente entre as unidades de aquicultura e hidropônica, enquanto as lamas nutrientrich são descarregadas. Uma das principais desvantagens de tais sistemas é que é necessário fazer compensações nas condições de criação de ambos os subsistemas em termos de pH, temperatura e concentrações de nutrientes (Quadro 8.1).

Fig. 8.1 A evolução dos sistemas aquapônicos. a) Apresenta um sistema aquaponico tradicional de uma alça, b) um sistema aquaponico simples dissociado e c) um sistema aquaponico multiciclo dissociado. A fonte azul significa entrada, saída e fluxos de água e o vermelho para produtos residuais

Em contrapartida, os sistemas aquánicos dissociados ou de duas alças separam as unidades aquacultura e aquapônica umas das outras (Fig. 8.1b). Aqui, o dimensionamento da unidade hidropônica é um aspecto crítico, pois idealmente ela precisa assimilar os nutrientes fornecidos pela unidade de peixe diretamente ou por mineralização de lodo (por exemplo, extraindo nutrientes do lodo e fornecendo-o às plantas de forma solúvel). De fato, tanto o tamanho da área da planta como as condições ambientais (por exemplo, superfície, índice de área foliar, umidade relativa, radiação solar, etc.) determinam a quantidade de água que pode ser evapotranspired e são os principais fatores que determinam a taxa de substituição da água RAS. Consequentemente, a água enviada da RAS para a unidade hidropônica é substituída por água limpa que reduz as concentrações de nutrientes e melhora a qualidade da água (Monsees et al. 2017a, b). A quantidade de água que pode ser substituída depende da taxa de evapotranspiração das plantas que é controlada pela radiação líquida, temperatura, velocidade do vento, umidade relativa e espécies de culturas. Notavelmente, há uma dependência sazonal, com mais água evaporada nas estações mais quentes e ensolaradas, que é também quando as taxas de crescimento das plantas são mais altas. Essa abordagem tem sido sugerida por Goddek et al. (2015) e Kloas et al. (2015) como uma abordagem para melhorar o projeto de sistemas de um loop e utilizar melhor a capacidade para garantir o desempenho ideal do crescimento da planta. O conceito foi adoptado, nomeadamente, pelo ECF_ em Berlim, na Alemanha, e o actual “UrbanFarmers_” falido em Haia, Países Baixos.

Apesar dos benefícios potenciais, os experimentos iniciais com um design de loop único dissociado tiveram sérios inconvenientes. Isso resultou das altas quantidades de nutrientes adicionais que precisavam ser adicionados ao loop hidropônico, uma vez que a água de processo que flui do RAS para o circuito hidropônico é puramente dependente da evapotranspiração (Goddek et al. 2016; Kloas et al. 2015; Reyes Lastiri et al. 2016). Os nutrientes também tendiam a se acumular nos sistemas RAS quando as taxas de evapotranspiração eram menores, podendo atingir níveis críticos, exigindo sangramento periódico da água (Goddek 2017).

A superação dessas desvantagens exigiu a implementação de loops adicionais para reduzir a quantidade de resíduos produzidos no sistema (Goddek e Körner 2019). Esses sistemas multi-loop são descritos na Fig. 8.1c e melhoram a abordagem de dois ciclos (8.1b) com duas unidades que serão exploradas mais de perto nos próximos dois subcapítulos, bem como Chaps. [10](/comunitário/artigos/capítulos 10-tratamentos aeróbico-para-aquapônica-redução-e-mineralização) e [11 ](/comunidade/artigos/capítulo 11-aquaponics-modelagem de sistemas):

1. Mineralização e mobilização eficientes de nutrientes, usando um sistema de reator anaeróbio de dois estágios para reduzir a descarga de nutrientes do sistema através de lodo de peixe

2. Tecnologia de destilação/dessalinização térmica para concentrar a solução de nutrientes na unidade hidropônica, a fim de reduzir a necessidade de fertilizantes adicionais

Tais abordagens foram parcialmente implementadas por vários produtores de aquaponia, como a empresa espanhola NerBreen (Fig. 8.1) (Goddek e Keesman 2018), bem como Kikaboni AgriVentures Ltd. em Nairobi, Quénia, (van Gorcum et al. 2019) (Fig. 8.2).

Fig. 8.2 Imagens do sistema multi-loop existente em (1) Espanha (NerBreen) e (2) Quénia (Kikaboni AgriVentures Ltd.). Enquanto o Sistema NerBreen está localizado em um ambiente controlado, o Sistema Kikaboni está usando um sistema de túnel de folha semi-aberto

Em termos de vantagens econômicas (Goddek e Körner 2019; Delaide et al. 2016), a otimização das condições de crescimento em cada ciclo de sistemas aquapônicos desacoplados tem vantagens inerentes tanto para as plantas como para os peixes (Karimanzira et al. 2016; Kloas et al. 2015), reduzindo a descarga de resíduos, bem como melhorando a recuperação e fornecimento de nutrientes (Goddek e Keesman 2018; Karimanzira et al. 2017; Yogev et al. 2016). Em seu trabalho, Delaide et al. (2016), Goddek e Vermeulen (2018) e Woodcock (pers. Comm.) mostram que os sistemas aquapônicos dissociados alcançam um melhor desempenho de crescimento do que seus respectivos grupos de controle de hidropônicos e aquapônicos de um ciclo. Apesar disso, há vários problemas que ainda precisam ser resolvidos, incluindo questões técnicas como escalonamento de sistemas, otimização de parâmetros e escolhas de engenharia para tecnologias de efeito estufa para diferentes cenários regionais. No restante deste capítulo, vamos nos concentrar em alguns dos desenvolvimentos atuais para fornecer uma visão geral dos desafios em curso, bem como desenvolvimentos promissores no campo.