¿Qué son los Sistemas de Recirculación de Agua RAS?
Durante el desarrollo de la sociedad, han habido muchas transformaciones y mejoras en aspectos tecnológicos, sociales, educativos y de producción. Logramos pasar de recolectar bayas en el bosque, y luchar contra mamuts a producir comida en sótanos y balcones. Y es, precisamente en este aspecto de la producción en el cual nos vamos a enfocar; te contaremos la historia de cómo pasamos de pescar peces con lanzas a producirlos en cantidades exorbitantes, en sitios donde ni siquiera hay abundante agua.
Al principio, la humanidad dependía de lo que encontraba en su camino, éramos nómadas y nuestros alimentos los encontrábamos en los árboles, enterrados en el suelo y una que otra vez, en ríos poco profundos y llanuras calurosas. La vida era simple: caminas, encuentras comida, comes, descansas, caminas de nuevo.
No se sabe bien cómo pasó, pero un día alguien sembró una semilla y vio que de esta crecía una planta, y se preguntó, ¿Si puedo hacer esto con cualquier planta, y tener mucha comida en el mismo lugar, para qué demonios me muevo? Y nació la agricultura, nos hicimos sedentarios y le dimos forma a la civilización. Poco a poco la agricultura fue perfeccionándose, tuvimos mejores cosechas, pero aún salíamos a cazar y a pescar con palos y lanzas, porque el sabor de la carne es único.
Hasta que llegó el día en que otro curioso se preguntó, ¿por qué no cultivar la carne así como lo hacemos con las plantas? Y nació la domesticación; y nos aliamos con más de 1000 especies de animales para mejorar nuestras capacidades y fuentes de alimentación, desde aves hasta grandes mamíferos.
Primero, producir animales implicaba sólo alimentarlos, luego, mejorar las razas para que fueran más grandes, pesados, resistentes, y finalmente, cuando las razas llegaron a niveles muy altos, se comenzó a mejorar los espacios donde vivían y la cantidad de animales por unidad de espacio.
En el campo acuícola, primero se producían peces en estanques derivando agua de un cauce , de máximo 4 a 10 peces por m3, luego, se cultivaban peces en el mismo río resguardados en jaulas, llegando a producir 50–80 peces por m3, y finalmente, en los años 50 surgieron los sistemas RAS, donde se pueden producir 150-200 peces por m3. En todo este proceso, la tecnología ha sido un factor clave para aumentar los números y los beneficios ambientales.
Dos problema muy grandes de los sistemas de producción en estanques son el flujo constante de agua y los desechos de los peces, ya que los altos niveles de nitrógeno pueden disminuir el oxígeno en el agua, y asfixiar toda la vida presente en ríos cercanos. En los sistemas RAS, ese reto se soluciona con sistemas de filtración que incluyen tecnología y biología, porque hay grupos de bacterias especializadas en comer compuestos nitrogenados y convertirlos en abonos.
Y aquí surge la duda, ¿Qué son los Sistemas RAS puntualmente?
Podemos explicarlo todo en 3 ideas principales:
- Son sistemas de recirculación, parecidos a un Ying Yang en donde todos los efluentes de los peces son transformados en abonos por microorganismos. Están conformados por elementos como sedimentadores, mineralizadores, biofiltros, intercambiadores de gas, tanques de cultivo, desinfectadores, desnatadoras, entre otros.
- Los microorganismos filtran y purifican el agua, lo que permite usar la misma agua por mucho tiempo.
- Obtienes subproductos aprovechables, como abonos y lodos deshidratados.
Un sistema RAS, comienza por un tanque de cultivo de peces (La especie influye en la eficiencia del sistema); de ese tanque de peces, salen heces fecales de los peces, CO2, restos de alimentos, orina, células muertas y detritos. Estos componentes saturan el agua con amoniaco, nitritos, gases sulfurados y dióxido de carbono, principalmente. Cuando el agua recibe estos compuestos, se torna contaminante para la vida, por eso deben sacarse del tanque, para no matar a los peces allí dentro. Justo después de que el agua contaminada sale del tanque, pasa a un sistema de clarificación, filtración mecánica o sedimentación en donde todos los residuos pesados (más densos que el agua) se colectan en el fondo, y los residuos más livianos toman otro camino, a un sistema de biofiltrado (esa biofiltración puede ser con bacterias nitrificantes, plantas, algas o flóculos vivos). Lo que hacen estos sistemas de biofiltración es convertir los contaminantes en sustancias estables que no afecten la vida de los peces. Tales sustancias, son fertilizantes y abonos, los cuales sirven para mejorar suelos y cultivos. Por otro lado, todos los residuos pesados colectados en el fondo de los clarificadores forman lodos que pueden mineralizarse para hacer abonos también, o se pueden deshidratar y usar como materia prima para fertilizantes y mejoradores de cultivos. Adicionalmente, sistemas de desinfección permiten mejorar la calidad del agua, los sistemas de intercambio de gases permiten eliminar el CO2 y algunos gases sulfurados y las desnatadoras hacen más eficiente la remoción de los componentes nitrogenados en contra de la gravedad.
Los sistemas RAS han tenido mucho auge en los últimos 30 años, sobre todo porque se pueden instalar en zonas donde hay muy poca agua, y funcionar bien. Y lo mejor, si en el sistema de biofiltrado ponemos plantas, podemos obtener un subproducto adicional derivado de la producción de peces ¡Toda una maravilla de la ingeniería! Los aztecas lo realizaban desde el siglo 10 en lo que hoy es ciudad de México.
Los RAS son sistemas de producción acuáticos complejos que involucran una variedad de interacciones físicas, químicas y biológicas. Comprender estas interacciones y las relaciones entre los peces en el sistema y el equipo utilizado es crucial para predecir cualquier cambio en la calidad del agua y el rendimiento del sistema. Hay más de 40 parámetros de calidad del agua que se pueden utilizar para determinar la calidad del agua en la acuicultura De estos, solo unos pocos se controlan tradicionalmente en los principales procesos de recirculación, dado que estos procesos pueden afectar rápidamente la supervivencia de los peces y son propensos a cambiar con la adición. de alimento al sistema. Muchos otros parámetros de la calidad del agua normalmente no se monitorean o controlan porque (1) los análisis de la calidad del agua pueden ser costosos, (2) el contaminante que se va a analizar se puede diluir con el intercambio diario de agua, (3) las posibles fuentes de agua que los contienen se descartan por uso o (4) porque sus posibles efectos negativos no se han observado en la práctica. Por lo tanto, los siguientes parámetros de calidad del agua se monitorean normalmente en RAS:
Oxígeno disuelto OD
El oxígeno disuelto (OD) es generalmente el parámetro de calidad del agua más importante en los sistemas acuícolas intensivos, ya que los niveles bajos de OD pueden provocar rápidamente un alto estrés en los peces, un mal funcionamiento del biofiltro nitrificante y pérdidas significativas de peces. Comúnmente, la densidad de población, la adición de alimento, la temperatura y la tolerancia de las especies de peces a la hipoxia determinarán los requisitos de oxígeno de un sistema. Como el oxígeno puede ser
transferido al agua en concentraciones superiores a su concentración de saturación en condiciones atmosféricas (esto se llama sobresaturación), existe una gama de dispositivos y diseños para garantizar que los peces reciban suficiente oxígeno.
Hay varios tipos de aireadores y oxigenadores que se pueden usar en RAS y se incluyen en dos categorías amplias: sistemas de gas a líquido y de líquido a gas. Los aireadores de gas a líquido comprenden principalmente sistemas de aireación difusa donde el gas (aire u oxígeno) se transfiere al agua, creando burbujas que intercambian gases con el medio líquido. Otros sistemas de gas a líquido incluyen el paso de gases a través de difusores, tuberías perforadas o placas perforadas para crear burbujas utilizando inyectores Venturi que crean masas de pequeñas burbujas o dispositivos que atrapan burbujas de gas en la corriente de agua, como el cono Speece y el tubo en U oxigenador.
Los aireadores de líquido a gas se basan en difundir el agua en pequeñas gotas para aumentar la superficie disponible para el contacto con el aire, o en crear una atmósfera enriquecida con una mezcla de gases. El aireador de columna empaquetada y los oxigenadores de baja carga (LHO) son ejemplos de sistemas de líquido a gas utilizados en la acuicultura recirculante. Sin embargo, otros sistemas de líquido a gas populares en granjas al aire libre, como los aireadores de ruedas de paletas, también se utilizan en RAS.
Amoniaco
En un medio acuoso, el amoníaco existe en dos formas: una forma no ionizada (NH3) que es tóxica para los peces y una forma ionizada (NH4) que tiene baja toxicidad para los peces. Estos dos forman el nitrógeno amoniacal total (TAN o NAT), en el que la relación entre las dos formas está controlada por el pH, la temperatura y la salinidad. El amoníaco se acumula en el agua de cultivo como producto del metabolismo de las proteínas de los peces y puede alcanzar concentraciones tóxicas si no se trata.
El amoníaco se ha tratado tradicionalmente en sistemas de recirculación con biofiltros nitrificantes, dispositivos que están diseñados para promover comunidades microbianas que pueden oxidar el amoníaco en nitrato (NO3).
El amoníaco se oxida en biofiltros por comunidades de bacterias nitrificantes. Las bacterias nitrificantes son organismos quimiolitotróficos que incluyen especies de los géneros Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrospira, Nitrobacter y Nitrococcus . Estas bacterias obtienen su energía de la oxidación de los compuestos con nitrógeno inorgánico, y crecen lentamente (la replicación ocurre 40 veces más lenta que para las bacterias heterótrofas) por lo que son fácilmente superadas por las bacterias heterótrofas si se permite que se acumule carbono orgánico, principalmente presente en los biosólidos suspendidos en el agua de cultivo. Durante la operación de RAS, la buena gestión del sistema se basa en gran medida en minimizar los sólidos en suspensión mediante técnicas adecuadas de eliminación de sólidos.
Los biofiltros nitrificantes o reactores de biofiltro se han clasificado aproximadamente en dos categorías principales: crecimiento suspendido y sistemas de crecimiento adjunto . En los sistemas de crecimiento suspendido, las comunidades bacterianas nitrificantes crecen libremente en el agua, formando flóculos bacterianos que también albergan ecosistemas ricos donde están presentes protozoos, ciliados, nematodos y algas. Con mezcla y aireación adecuadas, las algas, bacterias, zooplancton, partículas de alimento y materia fecal permanecen suspendidas en la columna de agua y floculan juntas de forma natural, formando las partículas que dan nombre a los sistemas de cultivo de biofloc. La principal desventaja de los sistemas de crecimiento suspendidos es su tendencia a perder su biomasa bacteriana a medida que el agua de proceso fluye fuera del reactor, por lo que se
requiere un medio para capturarlo y devolverlo al sistema.
En los sistemas de crecimiento adjuntos, las formas sólidas (granos de arena, piedras, elementos plásticos) se utilizan como sustratos para retener las bacterias dentro del reactor y, por lo tanto, no necesitan un paso de captura de sólidos posterior al tratamiento. Generalmente, los sistemas de crecimiento adheridos proporcionan más superficie para la unión bacteriana que los sistemas de crecimiento suspendidos y no producen sólidos significativos en su salida, que es una de las principales razones por las que los biofiltros de crecimiento adheridos se han utilizado tan comúnmente en RAS.
Biosólidos
Los biosólidos en RAS se originan a partir de alimentos para peces, heces y biopelículas y son uno de los parámetros de calidad del agua más críticos y difíciles de controlar. Como los biosólidos sirven como sustrato para el crecimiento bacteriano heterótrofo, un aumento en su concentración puede eventualmente resultar en un mayor consumo de oxígeno, un pobre desempeño del biofiltro, una mayor turbidez del agua e incluso un bloqueo mecánico de partes del sistema.
En RAS, los biosólidos generalmente se clasifican tanto por su tamaño como por su capacidad de eliminación mediante determinadas técnicas. De la fracción total de sólidos producidos en un RAS, los sólidos sedimentables son aquellos generalmente mayores de 100 μm y que pueden eliminarse mediante separación por gravedad. Los sólidos en suspensión, con tamaños que van desde 100 μm a 30 μm, son aquellos que no sedimentan de la suspensión, pero que pueden eliminarse mecánicamente, (es decir, tamizar). Los sólidos finos, con tamaños inferiores a 30 μm, no se pueden eliminar por tamizado, y deben controlarse por otros medios como procesos físico-químicos, procesos de filtración por membranas, dilución o bioclarificación.
Las técnicas para controlar sólidos sedimentables y en suspensión son bien conocidas y desarrolladas. Por ejemplo, el uso de tanques de drenaje doble, separadores de remolino, separadores de flujo radial y depósitos de sedimentación son un medio popular para controlar los sólidos sedimentables. Los filtros de micropantalla son el método más popular para el control de sólidos en suspensión y se utilizan a menudo en la industria para controlar sólidos sedimentables y suspendidos con una sola técnica. Otros dispositivos de captura de sólidos populares son los filtros de profundidad, como los filtros de perlas y los filtros rápidos de arena, que también son populares en aplicaciones de piscinas. Por último, los sólidos finos en RAS se tratan comúnmente mediante ozonización, bioclarificación, fraccionamiento de espuma o una combinación de estas técnicas.
Dióxido de carbono CO2
En RAS, el control de los gases disueltos no se detiene con el suministro de oxígeno a los peces. Otros gases disueltos en el agua de cría pueden afectar el bienestar de los peces si no se controlan. Las altas concentraciones de dióxido de carbono (CO2) disuelto en el agua inhiben la difusión de CO2 de la sangre de los peces. En los peces, el aumento de CO2 en la sangre reduce el pH de la sangre y, a su vez, la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno.
Las altas concentraciones de CO2 también se han asociado con nefrocalcinosis, granulomas sistémicos y depósitos calcáreos en órganos en salmónidos. El CO2 en RAS se origina como producto de la respiración heterotrófica de peces y bacterias. Como gas altamente soluble, el dióxido de carbono no alcanza el equilibrio atmosférico tan fácilmente como el
oxígeno o nitrógeno y, por lo tanto, debe ponerse en contacto con grandes volúmenes de aire con una baja concentración de CO2 para asegurar la transferencia fuera del agua.
En teoría, cualquier dispositivo de transferencia / aireación de gas abierto a la atmósfera ofrecerá alguna forma de extracción de CO2. Sin embargo, los dispositivos de extracción de dióxido de carbono especializados requieren que se pongan en contacto grandes volúmenes de aire con el agua de proceso. Los diseños de extractores de CO2 se han centrado principalmente en dispositivos de tipo cascada, como aireadores en cascada, biofiltros de goteo y, lo que es más importante, el aireador de columna empaquetada.
Presión total de gas PTG
La presión total del gas (TGP o PTG) se define como la suma de las presiones parciales de todos los gases disueltos en una solución acuosa. Cuanto menos soluble es un gas, más “espacio” ocupa en la solución acuosa y, por tanto, más presión ejerce en ella. De los principales gases atmosféricos (nitrógeno, oxígeno y dióxido de carbono), el nitrógeno es el menos soluble (por ejemplo, 2,3 veces menos soluble que el oxígeno y más de 90 veces menos soluble que el dióxido de carbono). Por lo tanto, el nitrógeno contribuye a la presión total del gas más que cualquier otro gas, pero no es consumido por peces ni bacterias heterótrofas, por lo que se acumulará en el agua a menos que se elimine. También es importante señalar que el oxígeno también contribuirá a un PTG alto si el proceso de transferencia de gas no permite que el exceso de gases sea desplazado fuera de la solución. Un ejemplo clásico de esto son los estanques con actividad fotoautotrófica en ellos. Los fotoautótrofos (generalmente organismos vegetales que realizan la fotosíntesis) liberan oxígeno en el agua, mientras que una superficie de agua tranquila puede no proporcionar suficiente intercambio de gas para que el exceso de gas escape a la atmósfera y, por lo tanto, puede ocurrir sobresaturación.
Los peces requieren presiones totales de gas iguales a la presión atmosférica. Si los peces respiran agua con una presión de gas total alta, el exceso de gas (generalmente nitrógeno) sale del torrente sanguíneo y forma burbujas, con efectos a menudo graves para la salud de los peces. En acuicultura, esto se conoce como enfermedad de las burbujas.
Evitar un PTG alto requiere un examen cuidadoso de todas las áreas del RAS donde puede ocurrir la transferencia de gas. La inyección de oxígeno a alta presión sin emisión de gases (lo que permite que el exceso de nitrógeno sea desplazado fuera del agua) también puede contribuir a un TGP alto. En sistemas con peces muy sensibles a TGP, el uso de desasificadores no es una opción.
Nitratos
El nitrato (NO3) es el producto final de la nitrificación y comúnmente el último parámetro en controlarse en RAS, debido a su toxicidad relativamente baja. Esto se atribuye principalmente a su baja permeabilidad en la membrana branquial del pez . La acción tóxica del nitrato es similar a la del nitrito, afectando la capacidad de las moléculas transportadoras de oxígeno. El control de las concentraciones de nitrato en RAS se ha logrado tradicionalmente mediante dilución, controlando eficazmente el tiempo de retención hidráulica o la tasa de recambio diaria. La tolerancia al nitrato puede variar según la especie acuática y la etapa de vida, y la salinidad tiene un efecto mejorador sobre su toxicidad.
Alcalinidad
La alcalinidad se define, en términos generales, como la capacidad colchón del pH del agua. El control de la alcalinidad en RAS es importante ya que la nitrificación es un proceso de formación de ácido que lo destruye. Además, las bacterias nitrificantes requieren un suministro constante de alcalinidad. La baja alcalinidad en RAS provocará cambios de pH y un mal funcionamiento del biofiltro nitrificante. La adición de alcalinidad en RAS estará determinada por la actividad de nitrificación en los sistemas, que a su vez está relacionada con la adición de alimento, por el contenido de alcalinidad del agua de reposición (intercambio diario) y por la presencia de actividad desnitrificante, que restaura la alcalinidad.
Los sistemas RAS cada vez toman más fuerza en el mundo, y se espera que el desarrollo de técnicas como la eficiencia en la difusión del oxígeno, la biofiltración annamox, la remoción química de amonio, el desarrollo de filtros para sólidos finos, la ozonización, la desnitrificación, la modificación microbiana, la eficiencia energética y otras permitan dar pasos agigantados a la industria. Se espera que, para 2050 los niveles de producción en sistemas RAS superen la pesca en el océano y en estanques a cielo abierto. De igual manera, la acuaponía al ser parte de un esquema RAS, será una de las herramientas más poderosas con que contará la humanidad para afrontar los retos de la sobrepoblación y la pérdida de áreas para la agricultura.
Y para ello, estaremos nosotros escribiendo, aplicando y enseñando al respecto.
#SomosSostenibilidad
#AFOAcuaponía
Fuentes:
Recirculating Aquaculture Technologies (2019). Carlos A. Espinal and Daniel Matulić.
Terhune JM, Friars GW, Bailey JK, O’Flynn FM (1990) Noise levels may influence Atlantic salmon smolting rates in tanks. J Fish Biol 37:185–197. https://doi.org/10.1111/j.1095-8649. 1990.tb05939.x
Timmons MB, Ebeling JM (2010) Recirculating aquaculture, 2nd edn. Cayuga Aqua Ventures, Ithaca
Timmons MB, Losordo TM (1994) Aquaculture water reuse systems — engineering design and management. Elsevier, Amsterdam
