8.3 Laço de destilação/dessalinização

Em sistemas aquapônicos dissociados, há um fluxo unidirecional da RAS para a unidade hidropônica. Na prática, as instalações absorvem água fornecida pela RAS, que por sua vez é coberta com água fresca (ou seja, torneira ou chuva). A saída necessária da unidade RAS é igual à diferença entre a água que sai do sistema HP através de instalações (e através da unidade de destilação) e a água que entra na unidade hidropônica a partir do reactor de mineralização, se o sistema incluir um reactor (Fig. 8.4). Um resumo simplificado é que o requisito de fluxo de água a longo prazo de RAS para HP é igual ao consumo de água da cultura por evapotranspiração e armazenamento de água da planta na biomassa da planta.

Fig. 8.4 Esquema de fluxos de água e diferentes concentrações de nutrientes em um sistema aquapônico dissociado, onde Q, volume de fluxo em L; ρ, concentração de nutrientes em mg/L; RAS, sistema de aquicultura recirculante; MIN, reator de mineralização; DIS, unidade de destilação; e X, parâmetro de fluxo desconhecido/flexível

No entanto, em termos de balanços de massa, a quantidade de nutrientes que saem do sistema hidropônico através das plantas precisa ser substituída para garantir um equilíbrio constante. Isso representa um dilema, uma vez que a concentração máxima tolerável de nutrientes em RAS é muito menor do que a necessária em HP. Os fluxos elevados de nutrientes (_ρ_Subras/sub $\ vez$ _Q_Subras/sub) para HP não podem, portanto, ser realizados pelas baixas concentrações de nutrientes RAS. Em vez disso, sem um ciclo de destilação/dessalinização, a concentração de nutrientes aumentaria no SRA enquanto diminuiria no sistema hidropônico. Um possível remédio é descarregar água RAS (e, portanto, também nutrientes) para diminuir a concentração de nutrientes lá e adicionar fertilizante à solução de nutrientes hidropônicos. Em termos de impacto ambiental e económico, esta solução é menos satisfatória e não serve o objectivo de uma produção combinada de ciclo fechado.

A implementação de uma unidade de destilação como mostrado na Fig. 8.3 representa uma solução potencial para este dilema. Tais tecnologias de destilação (por exemplo, destilação por membrana térmica) têm potencial para separar sais e nutrientes dissolvidos da água (Shahzad et al. 2017; Subramani e Jacangelo 2015). No contexto de sistemas aquapônicos multi-loop, e como alternativa à fertilização adicional e sangramentos de água com custos extras correspondentes, esta tecnologia não só poderia fornecer água doce ao sistema, mas também alcançar as concentrações de nutrientes desejadas para os respectivos subsistemas (Goddek e Keesman 2018).

Para a implementação (isto é, dimensionamento) de uma unidade de destilação, podem ser utilizadas equações simples de balanço de massa. O sistema restante, no entanto, deve ser dimensionado previamente (seja através de regras de polegar ou através de equações de balanço de massa; ver [Seção 8.5](/comunidade/artigos/8-5-monitoramento e controle)), porque os nutrientes que entram no sistema devem estar em equilíbrio com os nutrientes biodisponíveis absorvidos pela cultura (Nota: o ponto ideal dos sistemas dissociados é a sua flexibilidade. Consequentemente, pode-se também sobredimensionar a parte hidropônica do sistema, embora isso exija o uso de mais fertilizante). A maneira mais fácil de estimar a absorção de nutrientes é utilizar o pressuposto de que os nutrientes são absorvidos/absorvidos da mesma forma que os íons dissolvidos na água de irrigação (isto é, sem resistências químicas, biológicas ou físicas específicas de elementos). Consequentemente, para manter o equilíbrio, todos os nutrientes absorvidos pela cultura, tal como contidos na solução nutritiva, precisam ser adicionados de volta ao sistema hidropônico (Eq. 8.4).

$\ phi_ {RAS} +\ phi_ {MIN} -\ phi_ {HP} =0$ (8,4)

em que __Subras/sub é o fluxo de nutrientes do sistema RAS para o sistema hidropônico, __submin/sub é o fluxo de nutrientes da unidade de mineralização para o sistema hidropônico e __subHP/sub é a absorção de nutrientes. Para esta equação, presume-se que o sistema de destilação tem uma eficiência próxima de 100%. Assim, _Q_subdis/sub remonta ao subsistema hidropônico.

Consequentemente:

$ (\ rho_ {HP}\ vezes Q_ {HP}) = (\ rho_ {RAS}\ vezes Q_ {RAS}) + (\ rho_ {MIN}\ vezes Q_ {MIN}) $ (8.5)

onde Q é o volume de fluxo em L, e ρis a concentração de nutrientes em mg/L.

Como indicado acima, o fluxo de RAS para a unidade hidropônica é a diferença entre a soma dos fluxos de água que saem do sistema hidroponia (isto é, QsubHP/Sub + QSubx/Sub) e a entrada do biorreator (Qsubmin/Sub), ou seja, QSubras/Sub = QSubHP/Sub + QSubx/Sub - QSubmin/Sub, o, o que nos equação:

$ (\ rho_ {HP}\ vezes Q_ {HP}) = (\ rho _ {RAS}\ vezes Q_ {HP}) + (\ rho _ {RAS}\ vezes Q_ {X}) - (\ rho_ {RAS}\ vezes Q_ {MIN}) + (\ rho_ {MIN}\ vezes Q_ {MIN}) $ (8.6)

A variável visada é o fluxo de destilação (QSubx/Sub) necessário para manter o equilíbrio da concentração de nutrientes no sistema hidropônico. Para isso, o Eq. 8.6 é resolvido para QSubx/Sub nas seguintes etapas:

$ (\ rho_ {RAS}\ vezes Q_ {X}) = (\ rho_ {HP}\ vezes Q_ {MIN}) - (\ rho_ {RAS}\ vezes Q_ {HP}) + (\ rho_ {RAS}\ vezes Q_ {MIN}) $ (8.7)

$Q_ {X} =\ frac {\ rho_ {HP}\ vezes Q_ {HP}} {\ rho_ {RAS}} -\ frac {\ rho_ {MIN}\ vezes Q_ {MIN}} {\ rho_ {RAS}} -Q_ {HP} +Q_ {MIN} $ (8.8)

Note-se que o fluxo de destilação QSubx/Sub é altamente dinâmico e depende da taxa de evapotranspiração das plantas, que é dependente do clima. O resultado dinâmico, no entanto, pode ser usado para dimensionar a unidade de destilação. Para calcular a entrada necessária na unidade de destilação, pode ser utilizada a seguinte fórmula:

$Q_ {DIS} =Q_ {X}\ vezes\ frac {100} {\ eta_ {DIS}} $ (8.9)

em que Q é o volume de fluxo em L e η a eficiência de desmineralização do dispositivo utilizado (em%).

A tecnologia de destilação pode, portanto, reduzir drasticamente a pegada hídrica e ambiental (ou seja, o uso de fertilizantes) de sistemas aquapônicos multi-loop. No entanto, os sistemas aquapônicos tornam-se ainda mais complexos quando se considera sua implementação. Embora este ciclo adicional possa não fazer qualquer sentido para sistemas de pequena escala, tem o potencial de levar sistemas comerciais maiores a um novo nível. No entanto, é preciso considerar que a tecnologia de destilação térmica requer altas quantidades de energia térmica e pode não ser economicamente razoável em todos os lugares. Regiões com altos níveis globais de radiação solar ou fontes de energia geotérmica podem ser as mais adequadas para esta tecnologia. A sustentabilidade econômica de tais sistemas também depende da localização.

Outro ponto a ter em mente é a alta temperatura da água destilada e da salmoura da unidade de destilação. Dependendo das condições ambientais e das espécies de peixes utilizadas, a água quente de destilação pode ser utilizada para aquecer a água RAS; no entanto, a salmoura precisa de arrefecer antes de voltar a entrar no subsistema HP.