Los biofiltros bacterianos aeróbicos normalmente realizan la reducción de nitrógeno de las aguas residuales. Los sistemas acuícolas de recirculación (RAS) requieren microorganismos nitrificantes desarrollados en el biofiltro.
A pesar de las ventajas de estos biofiltros, existen desventajas, como el tiempo necesario para madurar, la posible disminución de la concentración de oxígeno, la acumulación de materia orgánica y la dificultad de retrolavado, entre otros.
Por otro lado, las microalgas eliminan de manera efectiva los nutrientes-contaminantes, consumiendo carbono inorgánico, nitrógeno y fósforo y adicionalmente, equilibran el oxígeno soluble, condiciones no atribuibles a los biofiltros nitrificantes.
El estudio actual usó un foto-biofiltro para determinar la capacidad de depuración de un co-cultivo inmovilizado de microalga Tetradesmus dimorphus y bacterias nitrificantes aisladas de un RAS de salmón.
Se identificaron Pseudomonas y bacterias de los géneros Flavobacterium, Microbacterium, Raoultella, Sphingobacterium. Los biofiltros se probaron en lotes secuenciales (a escala de laboratorio 2,85 L) y en modo continuo (planta piloto a escala de 120 L) acoplado a un sistema RAS para la cría de trucha arcoíris.
La estructura de la comunidad alga-bacteriana se estudió utilizando Secuenciación del gen 16S rRNA. Los resultados mostraron que a tasas de carga típicas, la comunidad de algas y bacterias podría simultáneamente eliminar amonio, nitrógeno amónico total (TAN), nitrato y fosfato. Además, el sistema evaluado eliminó TAN diariamente, a un promedio de 1,18 kg por m3 de perlas.
Los sistemas de acuicultura de recirculación (RAS) pueden potencialmente reducir los impactos ambientales de la acuicultura en comparación a los sistemas de flujo abierto utilizados tradicionalmente.
Este último requiere una media de 30 m3 de agua dulce al año por cada kilogramo de trucha de cultivo, mientras que los RAS oscilan entre 0,3 y 3 m3/ kg pescado al año que permite un ahorro de agua del 95,9 al 99,6 %.El tratamiento del agua debe eliminar los compuestos nitrogenados (amonio, nitrito y, opcionalmente, nitrato), cuya acumulación provoca toxicidad, disminución del tamaño corporal, aumento de la mortalidad, anormal comportamientos y deformidades esqueléticas en peces.
El equipo adicional también debe suministrar el oxígeno del sistema consumida por el pescado y la reducción de nitrógeno. amonio y el nitrito son los compuestos más dañinos, comparativamente.
Por este motivo, el tratamiento de nitrificación biológica en «Biofiltros Nitrificantes» ha sido el método más empleado en RAS.
Además de los biofiltros nitrificantes, otros procesos como la ósmosis inversa y la tecnología electroquímica han sido reportado para controlar las concentraciones de nutrientes. Sin embargo, su alto requerimiento de energía es un inconveniente inevitable hasta ahora.
Por otro lado, los biofiltros nitrificantes tienen otros importantes inconvenientes que incluyen una disminución en la concentración de O2 disuelto, aporte de CO2, consumo de alcalinidad, dificultad en el retrolavado del fltro, acumulación de materia orgánica y presencia de microorganismos no deseados.
Las bacterias nitrificantes son autótrofos obligados que usan dióxido de carbono como fuente primaria de carbono y requieren oxígeno para crecer.
En biofiltros RAS, este grupo representa aproximadamente el 15 % de la comunidad bacteriana total. Las bacterias heterótrofas de rápido crecimiento dominan el resto del biofilm.
Se necesita una inoculación con la especie nitrificante deseada para activar un biofiltro nitrificante. El biofiltro que contiene soportes de plástico podría alimentarse mediante un circuito cerrado, o el biofiltro podría usar soportes de un filtro maduro.
El desarrollo de biofilms en los soportes requiere mucho tiempo, ya que las bacterias nitrificantes crecen lentamente.
Las microalgas ya constituyen una posibilidad real para la eliminación de nutrientes de las aguas residuales urbanas, industriales y agrícolas. Se han propuesto fotobiorreactores de algas (PBR) para instalaciones acuícolas como unidades adicionales. Sin embargo, las dos preocupaciones principales son la viabilidad económica y práctica (suministro de luz, tiempos de retención elevados).
El cultivo de microalgas en aguas residuales es fascinante, ya que pueden absorber tanto N como P en su biomasa, lo que eventualmente podría usarse en la agricultura. Las microalgas cultivadas en sistemas RAS también podrían producir biomasa para la alimentación acuícola, contribuyendo así a los enfoques de economía circular.
Además de la eficiencia en la eliminación de nutrientes, estos sistemas pueden reducir signifcativamente los costos relacionados con la oxigenación y la desgasificación de CO2. Las principales limitaciones del uso de microalgas serían sus sistemas de cultivo, que requieren superficies permeables a la luz y áreas de terreno más grandes (en comparación con los biofiltros nitrificantes).
Por otro lado, otra desventaja del uso de algas en suspensión es su inevitable presencia en los estanques de peces que aumentaría la turbidez, dificultando su alimentación. Los sistemas de cultivo de microalgas basados en la inmovilización celular han intentado superar algunos problemas discutidos anteriormente.
La encapsulación de células en una matriz polimérica y la formación de biofilm en una superficie sólida son los métodos estándar para la inmovilización de microalgas. Las matrices poliméricas comunes son el alginato y la carragenina. Al igual que ocurre con las bacterias nitrificantes, es casi imposible mantener un monocultivo de microalgas en estos procesos.
Lejos de ser un problema para la eliminación de nutrientes, varios estudios reportaron las ventajas de utilizar consorcios microalgas-bacterias. Estos consorcios pueden ocurrir naturalmente en el medio ambiente o generarse artificialmente al combinar microorganismos que no necesariamente coexisten para un propósito específico.
Generalmente, los microorganismos fotosintéticos y las bacterias heterótrofas constituyen los consorcios de microalgas y bacterias para el tratamiento de aguas residuales . Antes de diseñar y construir biofiltros a gran escala en RAS, se deben realizar pruebas en unidades a escala piloto para determinar la eficiencia y la precisión del diseño. Estas pruebas a escala piloto también permiten la evaluación del funcionamiento, el rendimiento y la economía del sistema.
El objetivo principal de esta investigación fue desarrollar un sistema de biofiltración a escala piloto que pudiera usarse para realizar pruebas que involucraran la depuración de N y P del agua RAS de salmón.
Los objetivos específcos de este proyecto fueron:
1) Diseñar y construir tres biofiltros a escala de laboratorio y un biofiltro a escala piloto con la capacidad de monitorear varios parámetros como temperatura, irradiación y tasa de fujo, y
2) Probar y comparar el desempeño de los Unidades de biofiltro para la eliminación de nitratos y fosfatos.
La novedad de este estudio también radica en el hecho de que el biofiltro a escala de laboratorio de algas y bacterias probado para la depuración de N y P se escaló con éxito a una unidad piloto conectada a un sistema RAS para la cría de trucha arco iris.
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