Sin embargo, su capacidad para producir peces de tamaño comercial, como el salmón, sigue siendo objeto de debate
En un sistema de acuicultura de recirculación (RAS) típico se utilizan una serie de procesos de tratamiento para mantener el nivel de calidad del agua necesario para sustentar las especies cultivadas, al tiempo que se mantiene una tasa de intercambio de agua muy baja. Un aspecto clave del proceso de tratamiento es la biofiltración.
Cómo funcionan los biofiltros
Los biofiltros utilizan bacterias nitrificantes para convertir el amoníaco en nitrato y para descomponer aún más la materia disuelta y las partículas sobrantes. La actividad de los biofiltros depende de muchos factores, como el tipo de sustrato y la calidad del agua. Afortunadamente, la mayoría de los sistemas contemporáneos están automatizados para mantener estos factores clave en los niveles predeterminados correctos y evitar cualquier cambio rápido.
Las bacterias forman un biofiltro
Las bacterias forman una biopelícula en la superficie de un soporte, denominado biomedia. El tamaño de la abertura, el área de superficie específica, la resistencia mecánica al cizallamiento y la fracción de llenado (porcentaje de un volumen de biofiltro vacío) son una parte importante del rendimiento del biofiltro.
Para aumentar la eficacia del biofiltro, los sólidos se eliminan primero del agua de proceso, reduciendo la demanda bioquímica de oxígeno y la carga de nitrógeno y fósforo del sistema. Entre los métodos de eliminación rápida de sólidos se encuentran el cribado, la sedimentación, la flotación, la floculación y la adsorción. Estas técnicas reducen la obstrucción de los biomedios y la acumulación de partículas sedimentables y en suspensión en el biofiltro.
Limpieza rápida de sólidos
Adopción de la filtración biológica en acuicultura
La filtración biológica ha sido ampliamente utilizada en las últimas décadas debido a su mantenimiento relativamente sencillo y a su eficacia en la eliminación de contaminantes nitrogenados del agua de proceso en acuicultura.
La técnica se ha adaptado de las plantas de tratamiento de aguas residuales, donde se utiliza un cultivo floculante de microorganismos llamado lodo activado para procesar el agua. En la acuicultura, en lugar de lodos activados, se suelen utilizar biomedios artificiales como portadores bacterianos. Los biomedios tienen muchas formas y tamaños y suelen estar hechos de polietileno o polipropileno de calidad alimentaria. La forma y el tamaño de las aberturas de los biomedios vienen dictados por la tasa de carga orgánica y el tipo de biofiltro en el que se utilizan.
Los biomedios artificiales se fabrican con polietileno o polipropileno de calidad alimentaria
Las dos formas más comunes de biofiltros de biomedia utilizados en los SAR son los biorreactores de lecho móvil (MBBR) y los biorreactores de lecho fijo (FBBR). Los FBBR se jactan de un menor uso de energía y mayores tasas de fósforo y desnitrificación, mientras que los MBBR tienen mayores tasas de carga volumétrica y menor acumulación de sólidos (Choi, Lee, & Lee, 2012).
Otros tipos de biofiltros biológicos utilizados en los SAR son los biorreactores de lecho móvil (MBBR) y los de lecho fijo (FBBR)
Otros tipos de filtraciones biológicas se han utilizado en acuicultura como biofloc, humedales, acuicultura multitrófica integrada, lechos de arena fluidizada y biorreactores de membrana de intercambio iónico. Sin embargo, hasta la fecha ninguno de ellos se ha aplicado con éxito en la acuicultura industrial, principalmente porque tienden a elevar los costes de explotación y entrañan mayores riesgos de fracaso.
La acuicultura industrial es una de las tecnologías más avanzadas del mundo
Limitaciones y retos de los biofiltros tradicionales
Uno de los principales obstáculos de los biofiltros de biomedia es que su eficacia cambia con el tipo de sustrato, y depende de los niveles de oxígeno disuelto, materia orgánica, temperatura, pH, alcalinidad, turbulencia y salinidad (Qi, Skov, de Jesus Gregersen, & Pedersen, 2022). Cualquier cambio rápido de estos factores afecta a las comunidades bacterianas y, a su vez, a la eficacia de la filtración. Además, los biomedios también pueden albergar patógenos y bacterias productoras de mal sabor.
Además, las bacterias de los biofiltros utilizan una cantidad considerable de la demanda total de oxígeno en los SRA (20-30 por ciento) y excretan CO2 y otros metabolitos. Esto aumenta la capacidad requerida de los equipos de desgasificación y oxigenación, así como el coste operativo en términos de demanda de energía y mantenimiento.
Alberto Monteleone
Alberto Monteleone, director de las instalaciones de I+D del grupo AquaBioTech en Malta, que supervisa los ensayos de investigación en más de 30 instalaciones RAS -lo que significa que tiene más de 30 biofiltros que mantener y reiniciar regularmente- explica que el intercambio de agua, las fluctuaciones de temperatura y los cambios de pH tienen un efecto adverso en el tiempo de recuperación de los biofiltros.
"Uno de los grandes problemas es el largo e impredecible periodo de puesta en marcha, que hace que la planificación de los ensayos de investigación sea excepcionalmente difícil, pero crucial para el éxito", observa.
Monteleone espera que se disponga de sensores de calidad del agua más fiables para identificar problemas que puedan provocar el colapso de las comunidades bacterianas en los biofiltros.
Los biofiltros también plantean grandes retos desde el punto de vista de la ingeniería. A menudo, los diseños deben integrarse en estructuras existentes, lo que conlleva limitaciones como cargas estructurales y restricciones dimensionales. Esto puede afectar negativamente a la eficacia final de los biofiltros. Otro problema es que los acuicultores pueden cambiar las tasas de alimentación y la densidad de población, lo que dificulta el diseño de un biofiltro estable y eficaz.
Michele Gallo, responsable de diseño de instalaciones de investigación acuática en AquaBioTech, explica: "Para hacer frente a las limitaciones espaciales, se utilizan simulaciones de dinámica de fluidos computacional con el fin de ofrecer diseños que ofrezcan el perfil hidrodinámico más adecuado para las salidas necesarias y el espacio disponible."
Además, la filtración de micropartículas mediante métodos como el desnatado de proteínas se utiliza en el diseño de instalaciones de investigación acuática
Además, la filtración de micropartículas, a través de métodos como el desnatado de proteínas, se utiliza para mejorar el rendimiento del biofiltro.
Para complementar el diseño, es necesario optimizar los planes de producción de forma que se proporcionen transiciones suaves entre los distintos periodos de cultivo y se minimicen las fluctuaciones de carga del biofiltro.
Gallo también señala que ha observado un rápido crecimiento de las tecnologías de IA que se están implementando en el software de gestión agrícola, donde los datos recogidos por los sistemas de monitorización se analizan con modelos de IA para mejorar los procesos de toma de decisiones de los operadores y los sistemas de control.
© Apria Systems
La electro-oxidación promete un bajo consumo de energía en los sistemas de acuicultura marina, incluso con altas densidades de población.
"Alcanzamos una capacidad de desinfección superior a 3 log (reducción del 99,9 por ciento de la población microbiana) incluso para bacterias con un nivel de patogenicidad más elevado", afirma Germán Santos Bregel, ingeniero superior de I+D de Apria Systems, empresa especializada en tecnologías de electrooxidación en el sector de la acuicultura.
© Apria Systems
La ventaja más significativa de la electro-oxidación es que puede iniciarse y detenerse sin un impacto notable en el ciclo de producción en un SRA.
"La electro-oxidación es un proceso que puede funcionar a pleno rendimiento incluso con temperaturas bajas de 5 °C", afirma Bregel
"Una ventaja notable es la posibilidad de que el proceso funcione a pleno rendimiento, incluso con temperaturas tan bajas como 5 °C", afirma Bregel. La eliminación de múltiples contaminantes en un solo proceso también significa que los gastos de capital pueden reducirse para los SRA, ya que la necesidad de tratamiento con ozono y rayos UV puede reducirse en gran medida o incluso eliminarse.
Uno de los mayores inconvenientes de este proceso es la formación de trihalometanos (THM), subproductos tóxicos para los organismos acuáticos. Se necesita un pH bajo durante la electrólisis para impedir la formación de THM (Ben-Asher & Lahav, 2016). Se necesitan dos procesos de postratamiento, la desgasificación y la adsorción de subproductos. La desgasificación ya existe en los SRA convencionales, mientras que el proceso de adsorción se realiza con carbón activado granular y es un componente adicional que hay que poner en consideración en términos de inversión y operación.
"No tenemos suficientes referencias de nuestra tecnología porque el sector sigue dependiendo de los métodos de filtración tradicionales, y debido a la falta de financiación para seguir mejorando, desarrollando e integrando esta tecnología para los SRA", señala Bregel. Este sistema parece más prometedor para los SRA marinos, ya que su eficacia viene dictada por el nivel de salinidad del agua.
2. Electrocoagulación
El proceso fundamental en la electrocoagulación es la corriente eléctrica que pasa a través de electrodos hechos del mismo material y sumergidos en agua procesada o algún otro electrolito. En este proceso se forman óxidos metálicos, hidrógeno y oxígeno. Los óxidos metálicos atraen a los contaminantes y tienen una gran tendencia a formar flóculos con ellos. Los flóculos más ligeros flotan hacia la parte superior de la columna de agua con la ayuda del hidrógeno y el oxígeno gaseosos que se producen en el proceso de electrólisis. A continuación, los flóculos pueden retirarse fácilmente mediante espumación. Los flóculos más pesados se hunden hasta el fondo y luego se eliminan como lodo con sedimentación o incluso filtración mecánica (Boinpally, Kolla, Kainthola, Kodali, & Vemuri, 2023).
En el ámbito de la producción de biocombustibles, la producción de biocombustibles es una de las actividades más importantes
En el ámbito de los SRA, la electrocoagulación es interesante desde dos puntos de vista: ayuda a eliminar las partículas y oxida los contaminantes solubles como varios compuestos de azufre y nitrógeno amoniacal. Otra ventaja es que la célula de electrólisis puede adaptarse fácilmente a condiciones variables, como la velocidad de alimentación y los cambios de temperatura, aplicando menos o más corriente a los electrodos
El método tiene sus dificultades, que se manifiestan en la variación de la eficacia de eliminación de contaminantes debido a diversos factores como el pH, la temperatura, la velocidad del agua y la densidad de corriente en la célula.
La electrolisis es un método de tratamiento de aguas residuales que se basa en la utilización de un electrolito para la eliminación de contaminantes
© NaturalShrimp Inc
En un desarrollo reciente esta tecnología fue implementada en un RAS de camarones por una empresa llamada NaturalShrimp. Su principal objetivo era aumentar el tamaño de los sólidos suspendidos totales para poder eliminarlos con filtros de microtambor. El proceso también ha aumentado la eficiencia de eliminación de la demanda química de oxígeno, amoníaco y nitrito (Ben-Asher & Lahav, 2016). Para hacer frente al entorno siempre cambiante del agua de acuicultura, miden la turbidez del agua y, a continuación, varían la corriente aplicada a los electrodos en consecuencia.
El objetivo de la empresa es llevar a cabo un estudio sobre la turbidez del agua en la acuicultura
La empresa pretende realizar varios ensayos más pequeños con empresas locales de cría de camarones para validar aún más su tecnología.
3. Reactores UASB
Otro proceso potencial que se ha desarrollado recientemente para los SAR es el reactor anaerobio de manto de lodos de flujo ascendente (UASB, por sus siglas en inglés). Se utiliza para tratar las aguas residuales que salen de la instalación RAS (tratamiento al final de la tubería) o como un paso de pulido para el agua que será devuelta al sistema.
El UASB integra un biorreactor y un tanque de sedimentación, lo que lo hace muy compacto en el ámbito de los reactores anaerobios.
"El alto volumen de carga y los tiempos de retención hidráulica relativamente cortos hacen que se adapte bien a la alta rotación del agua en los SRA
"La alta carga volumétrica y los tiempos de retención hidráulica relativamente cortos hacen que se adapte bien a la alta rotación de agua en los RAS y favorece la producción de ácido orgánico, lo que es beneficioso en algunos sistemas que favorecen condiciones ligeramente ácidas (por ejemplo, la acuicultura multitrófica integrada)", afirma Carlos Espinal, director de innovación de Landing Aquaculture, una empresa de ingeniería y consultoría centrada en la piscicultura intensiva en tierra.
El UASB es un reactor anaeróbico con una alta carga volumétrica y tiempos de retención hidráulica relativamente cortos
Al mismo tiempo, es posible disponer de un alto tiempo de retención de sólidos para favorecer la desnitrificación. Estos reactores también se caracterizan por ser fáciles de manejar y relativamente baratos de construir.
El rendimiento del reactor depende de la temperatura. Si se opera a temperaturas subóptimas (por debajo de 20 y por encima de 35°C), la comunidad bacteriana cambia y una comunidad más adaptada a la temperatura dada puebla el manto de lodos. Para mantener las tasas de eliminación de nitrógeno, la temperatura debe estar en el rango óptimo y los cambios de temperatura deben ser graduales. Esto puede conseguirse mediante un buen aislamiento y el uso de fuentes de calor residual (si se dispone de ellas)
Además, Espinal destaca el problema del abultamiento de los lodos en los reactores de agua dulce y el elevado coste inicial de los equipos de automatización que se necesitan para un control y seguimiento adecuados. Para evitarlo, Landing Aquaculture utiliza el lavado automático y un diseño de salida específico. En los casos en los que el coste de la automatización adicional sea prohibitivo, se puede realizar un control y funcionamiento manual de estos reactores.
A diferencia de la electrooxidación, el UASB ya se está implantando en el sector.
"Estos sistemas se han utilizado en Holanda como tratamiento de final de tubería en piscifactorías y se encuentran entre las prácticas recomendadas por la Norma Holandesa para la Acuicultura Sostenible", señala Espinal.
Perspectivas de futuro
Así las cosas, parece que la biofiltración convencional ha llegado para quedarse, por su larga tradición y probada eficacia. La electrooxidación y la electrocoagulación tienen potencial para sustituir a los biofiltros o, al menos, atenuar las deficiencias de los métodos de filtración utilizados en los SRA. Ninguna otra tecnología parece poder competir con el papel tan específico que desempeñan las bacterias nitrificantes en los biofiltros. Se esperan mejoras en los biofiltros tradicionales en forma de biomedios perfeccionados y mejores perfiles de flujo de los biofiltros.
Los reactores UASB son los más adecuados para la filtración de las bacterias nitrificantes
Los reactores UASB encontrarán muy probablemente su lugar como tratamiento de final de tubería a medida que las normas medioambientales se vuelvan más estrictas y las granjas RAS crezcan, haciendo más viables este tipo de reactores. Nuevos avances en los sensores de calidad del agua ofrecerán una mejor visión del bienestar de las bacterias y darán a los agricultores más oportunidades de emplear medidas correctoras.
Los reactores UASB se convertirán en un elemento clave en el tratamiento de aguas residuales
