Sistemas RAS : Filtración Biológica en Acuicultura

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En los Sistemas de Recirculación Acuícola (RAS), un componente necesario es el filtro biológico. Estos dispositivos proporcionan la conversión de desechos solubles en sólidos a través del crecimiento bacteriano. Los más notables son los residuos nitrogenados asociados con el amoníaco y la urea. Estos materiales son tóxicos para los animales acuáticos hasta que son oxidados a nitrato por las diversas especies de bacterias quimioautótrofas conocidas colectivamente como nitrificadores.

Hay una gran variedad de filtros biológicos utilizados en la acuicultura. Todos los diseños se esfuerzan por proporcionar un área de superficie grande para que las bacterias se colonicen. Típicamente, estos filtros tienen un lecho estacionario (fijo) o un lecho móvil de material.

Los tipos de materiales utilizados (madera, piedra, arena, formas de plástico) reflejan la intención del diseñador de confinar los materiales (y el agua a tratar) en un espacio que no exigirá una gran huella en la instalación de producción, será una autolimpieza de alto grado, no causará la pérdida de grandes volúmenes de agua en el proceso de limpieza y no consumirá grandes cantidades de energía o mano de obra para funcionar.

Filtro de goteo

Uno de los diseños más antiguos es un filtro de goteo. Los primeros diseños consistían simplemente en un agujero en el suelo relleno de rocas. Era barato y relativamente fácil de construir, pero estaba sujeto a la acumulación de sólidos biológicos y era muy difícil de limpiar.

Con el tiempo, otros materiales, como láminas de madera o plástico o formas estructuradas, reemplazaron las rocas y la estructura se construyó sobre el suelo para facilitar la instalación de tuberías y brindar  protección contra el medioambiente. La ventaja que ofrece el filtro de goteo es la simplicidad del diseño. Los materiales fueron montados en una estructura que permitiera que el agua se moviera  hacia un colector de descarga  el cual generaba el lugar ideal para el confinamiento del agua.

Con el tiempo, se hizo evidente que se requería suficiente espacio (fracción vacía) dentro del diseño del medio filtrante para permitir el enjuague (autolimpieza) de los sólidos bacterianos que se acumulaban a partir del crecimiento de bacterias a medida que consumían los nutrientes en la entrada de agua.

Para la industria de tratamiento de aguas residuales, estos dispositivos se construyeron al aire libre sin importar la mayoría de las condiciones climáticas; por ejemplo las nevadas

Para las instalaciones de RAS, esto se convierte en algo  problemático porque las condiciones ambientales son importantes. El propósito de desarrollar una instalación RAS es proporcionar el control de las condiciones de producción que permita una producción durante todo el año, el control de saneamiento y la protección contra parásitos y enfermedades.

A medida que las instalaciones de producción se vuelven más grandes, el tamaño de los filtros de goteo se convierte en un problema. A medida que aumenta el número de peces (y la cantidad de alimento), el filtro puede requerir una huella más grande.

Sin embargo, el grado en que se trata el agua no aumenta. La única forma de mejorar el rendimiento de un filtro de goteo es hacerlo más alto; por lo que se requieren instalaciones más altas (más costosas) y mayores gastos de bombeo para elevar el agua a la parte superior del filtro. A medida que el filtro es más alto, permite que la bacteria se especialice y cada grupo se alimenta de los desechos de la bacteria que está sobre ellos.

Todos los diseños de filtros biológicos utilizados en acuicultura se basan en principio en diseños que se originan en la industria de aguas residuales. En aguas residuales, se pueden diseñar equipos grandes para garantizar que se capturen los desechos sólidos y se procesen adecuadamente antes de eliminarlos del agua de descarga. El proceso consume mucha energía  y el gasto lo cubre el  municipio. Estos gastos deben ser limitados en acuicultura ya que el costo de producción se pasa  al consumidor.

Además, hay áreas dentro del proceso donde el agua está permitida (deliberadamente o no) para convertirse en anóxica o anaeróbica. Estas son condiciones inaceptables en las instalaciones RAS porque las bacterias que habitan en estas condiciones generan materiales que causan sabores inaceptables en los peces.

Los filtros que agitan deliberadamente el material pequeño para proporcionar una gran área superficial en un espacio pequeño y generar un proceso de autolimpieza también pueden consumir energía y requieren una filtración mecánica especializada después para recoger el material muy fino generado por esta agitación, el cual  destruye la matriz de material manteniendo la bacteria recogida en el floc

Estos dispositivos a menudo utilizan grandes cantidades de agua para eliminar estos sólidos. El medio estacionario fijo  se puede suspender en la columna de agua,  con el agua que pasa hacia arriba o hacia abajo sobre el medio. Esto permite que la matriz cargada de bacterias se acumule en el medio; la cual luego se elimina mientras está más intacta, pero nuevamente  requiere del  desecho  de agua para eliminar los sólidos. Este proceso a menudo también requiere mucha mano de obra.

Contactor biológico giratorio

El contactor biológico giratorio (RBC) se desarrolló en la industria de aguas residuales para abordar los problemas citados anteriormente con el filtro de goteo. A principios de la década de 1970, los RBC se introdujo en instalaciones de tratamiento de aguas residuales con diámetros medios de 3.6 m (12 pies) y longitudes de eje sin soporte de 7.6 m (25 pies).

En muchos casos, estas unidades demostraron no poder soportar las condiciones en las que se instalaron y fallaron. Aunque muchas de las funciones de diseño y aplicaciónes más  débiles se mejoraron más tarde, el RBC no pudo; sin embargo, las mejoras en el rendimiento, superiores al  filtro de goteo, para las que el RBC estaba destinado, siguen siendo deseables.

Considere un filtro de goteo alto colocado al  lado de un canal; ahora considere el medio en un eje central y gire a una lenta revolución por minuto (rpm). El tiempo de contacto que tiene el agua con el medio en un filtro de goteo es corto (medido en segundos). La misma velocidad de flujo a lo largo del canal lleva mucho más tiempo, si la cantidad de medio en el eje es equivalente a la cantidad de medio en el filtro de goteo (medida en minutos).

Debido a que el eje se gira, toda el área de la superficie se moja constantemente. A medida que el eje gira, el agua entra y sale del medio, proporcionando un enjuague constante de exceso de crecimiento bacteriano, aireación y CO2.

Unidad de autolimpieza

Esto se puede remediar en el filtro de goteo proporcionando ventilación forzada en una dirección de contraflujo (costo de energía adicional).

Sin embargo, incluso los filtros de goteo pueden bloquearse localmente por una acumulación de crecimiento biológico. Si esta condición no es grave, el filtro se mantendrá autolimpiante porque las bacterias adheridas al medio perderán nutrientes a medida que la película se espese. Eventualmente mueren y el material superpuesto se desprende.

Prueba lado a lado

En Advanced Aquacultural Technologies Inc hemos apreciado la simplicidad del filtro de goteo, pero también hemos reconocido las mejoras importantes que ofrece el RBC. Entonces, ¿por qué construir la instalación con filtros de goteo? Necesitábamos poner en marcha la instalación y ya sabíamos cómo construir un buen filtro de goteo. Desarrollar un RBC modular iba a llevar un tiempo que no teníamos.

Los filtros de goteo son muy efectivos y muy confiables si se dimensionan y se instalan correctamente. Una vez en funcionamiento, un filtro de goteo nunca debería necesitar cuidado; tenemos filtros de goteo que han estado en operación continua por más de 20 años sin ser reparados o limpiados. Elegimos desarrollar un RBC específicamente para una instalación RAS de tamaño intermedio y  cerrar la brecha entre la granja y una operación comercial completa.

Confeccionar el RBC modular permitió que el filtro se diseñara (o se rediseñase) para adaptarse a la aplicación en lugar de confiar en un producto de fábrica. Seleccionamos un diámetro medio de 1.8 m (6 pies) y un diámetro del canal de 2.1 m (7 pies). Teniendo en cuenta que hemos sido una instalación RAS de róbalos desde 1990 y utilizamos filtros de goteo, decidimos desarrollar el prototipo de RBC para reemplazar uno de los filtros de engorde y probarlo contra un gemelo operativo con 1.8mx 3.7mx 4.9m. (6 pies x 12 pies x 16 pies).

Ambos sistemas operaron a un caudal de 1,7 m3 / min (450 g / min). El medio del filtro de goteo eliminado se reformó y se utilizó en el RBC para acelerar el proceso de acondicionamiento. Se agregó un medio adicional para coincidir con el volumen del filtro de goteo. El tiempo de contacto como el agua pasaba a través del filtro de goteo fue de aproximadamente de 30 segundos (una trayectoria de 1.8 m). El tiempo de contacto en el RBC fue de aproximadamente 30 minutos (una ruta de 22 m; 72 pies).

Hubo 12 etapas que consisten en un eje de 1,8 m (6 pies) con 1,2 metros lineales (4 pies) de medio por etapa. La puesta en escena del flujo de agua brindó la oportunidad a las bacterias de especializarse en el procesamiento de la carga de desecho presentada en cada etapa.

La calidad del agua en el RBC superó a la del filtro de goteo antes de alcanzar una distancia de 11 m (3 pies). ¿Por qué? Debido al tiempo de contacto extendido en comparación con el filtro de goteo. Además, toda la superficie del medio estaba mojada y no estaba tapada por el exceso de material, como puede suceder, aunque solo sea temporalmente, en un filtro de goteo. Inicialmente, el RBC se construyó con una rueda de paletas en cada etapa e impulsado por el agua que se bombeaba a través del sistema y por aire en cada etapa.

Debido a la resistencia causada por la densidad media, la velocidad de rotación no excedió las 1.2 rpm. La vacilación momentánea causada por las paletas en el agua también creó la fricción en los cojinetes. Las ruedas de paleta se reemplazaron con un segmento adicional del medio y los sopladores se reemplazaron con un motor de engranaje de 3 rpm de velocidad variable de 0,75 Kw para cada conjunto de tres etapas (5,5 m; 18 pies).

Esto eliminó los problemas asociados con las ruedas de paletas, duplicó la vida útil de los puntos de desgaste en los cojinetes y aumentó el medio disponible en un 20 por ciento. Ahora operamos la unidad con solo 1.5 rpm. El RBC tiene una huella más grande que un filtro de goteo; de hecho, colocamos el filtro de goteo en su lado. Sin embargo, con dos ensamblajes de tres etapas podemos mantener el nitrógeno total de amoníaco (TAN) en 1,5 mg / l en sistemas que usan 60 kg de dieta rica en proteínas para soportar 120 kg / m3 (1.0 lb / gal).

Si la instalación  de producción se diseña de antemano para el uso de RBC, el cabezal de agua del RBC se puede instalar a unos centímetros por encima de los tanques de producción para un retorno de flujo por gravedad. Con esta pequeña diferencia en el cabezal, el agua se puede transportar  por aire, con una alta velocidad de flujo de regreso al RBC. Esto podría reducir el presupuesto de energía para recircular el agua en un 50 por ciento.

¿Por qué queremos convertir al RBC modular?

1) Para ahorrar energía sobre el filtro de goteo con un proceso eficiente en mano de obra

2) Facilidad de montaje, ya que todas las piezas pueden pasar a través de una puerta manual y ensamblarse con herramientas manuales

3) El filtro está personalizado para adaptarse a la aplicación

4) El tiempo de contacto permite un tratamiento superior y un mejor rendimiento general

5) La segmentación por etapas del filtro permite un mejor rendimiento bacteriano

 

Autor: Gary E. Miller, Presidente de Advanced Aquacultural Technologies, Inc., USA

Fuente: International Aquafeed

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