Biofiltros en sistemas de recirculación para la Acuicultura

Tarea n°8 Máquinas y Equipos “

Tipos de filtros biológicos”

Profesor: Sr. Eduardo Padilla Alumno: Alfredo Vásquez

Biofiltración en Acuicultura: Al igual que todos los organismos vivos, los peces requieren un ambiente limpio, para un óptimo crecimiento y supervivencia, dándoles

las

condiciones

más

similares

a

las

que

tienen

en

estado salvaje. Existen una serie de factores que van a afectar a las calidad del

agua

para

el

cultivo

de

peces,

producto

de

las

mismas

características fisiológicas de los organismos del cultivo. Los peces necesitan respirar y metabolizar alimento, liberando producto de esto

metabolitos tóxicos en la columna de agua, en

general moléculas orgánicas derivadas del nitrógeno Para el área ambiental de la acuicultura, el Nitrógeno es la central preocupación como componente de los residuos generados en la crianza de peces. En particular, los peces excretan varios productos nitrogenados residuales por difusión e intercambio iónico a través de las branquias, orina y heces. La descomposición de estos compuestos nitrogenados es especialmente importante en sistemas de recirculación de acuicultura debido a la toxicidad del amoníaco, nitrito y en algún grado el nitrato (Wheaton, 1985). El proceso de la remoción de nitrógeno amoniacal en un filtro biológico se denomina nitrificación, y consiste en la sucesiva oxidación del amoníaco

primero

a

nitrito

y

finalmente

a

nitrato.

También

existe un proceso de reducción anaeróbica de nitrato a nitrógeno molecular gaseoso denominado desnitrificación. En

la

actualidad

existen

varios

tipos

de

biofiltros

desarrollados en al área de la acuicultura, cada uno con sus características operatividad.

propias

y

diseño

particular

para

su

Descripción y características operativas de los Filtros Biológicos en Acuicultura:

a. BIOFILTRO PERCOLANTE b. BIOFILTRO SUMERGIDO c. BIOFILTRO ROTATIVO DE CONTACTO d. BIOFILTRO DE CAMA FLUIDIZADA a) BIOFILTRO PERCOLANTE: Filtros percoladores consisten normalmente en un embalaje o los medios de comunicación contenida en un recipiente. El agua residual fluye hacia abajo por sobre el medio y mantiene la película bacteriana mojada, pero nunca completamente sumergida. La superficie de los medios de comunicación o de embalaje proporciona el sustrato para el crecimiento de una biopelícula. En algunos sistemas, el aire es forzado en el filtro con un ventilador. Sin embargo, la mayoría de los filtros se basan en la convección natural y la difusión para mover el aire a través del filtro. Los filtros percoladores han sido ampliamente utilizados en acuicultura, porque son fáciles de construir y operar, son autoaireantes, muy efectivos para desgasificar dióxido de carbono. Pero hoy en día la mayoría de los filtros usan un medio plástico, por su bajo peso, área específica y alta fracción de hueco. Estos no han sido utilizados en sistemas de agua fría de gran escala, probablemente a las bajas tasas de desnitrificación a esas temperaturas y la relativamente baja superficie específica del soporte. Los FILTROS PERCOLANTES tienen la capacidad para tratar una amplia variedad de niveles de nutrientes. Sistemas diseñados adecuadamente pueden manejar muy bien los sólidos. Una de las grandes ventajas de un filtro percolador es que el agua puede salir con más oxígeno de lo que entró. Debido a que los filtros percoladores tienen un gran - interfaz aire-agua, que también actúan como separadores para eliminar el CO2, H2S, N2 u otros gases volátiles indeseables. El único inconveniente importante para filtros percoladores es el costo de la energía necesaria para bombear el agua a la parte superior del filtro.

Capacidad de filtrado: Los filtros están disponibles para filtrar desde 25um hasta 120um y para unos caudales desde 30 m3/h hasta 2.700 m3/h. 1,250N/ft^3/día.

Esquema de filtro biológico percolador (Timmons, 2002).

b) BIOFILTRO SUMERGIDO: Consiste en un lecho de medio de soporte sobre el cual se desarrollan las bacterias nitrificantes, a través de la cual pasa el agua residual. Este está ubicado fuera de los estanques y es llenado con un sustrato generalmente rocoso. Los sólidos se pueden acumular dentro del filtro sumergido, junto con la masa celular producto del crecimiento de bacterias nitrificantes y heterotróficas, este proceso puede eventualmente bloquear los espacios vacíos, y entonces, en una operación a largo plazo, debe usarse algún mecanismo para desaguar los sólidos del filtro. Tradicionalmente se usan medios de gran tamaño, como roca partida uniformemente por sobre los 5cm de diámetro o de plástico por sobre los 2.5cm de diámetro, para proveer grandes espacios vacíos para prevenir el atascamiento. El agua residual corre a través del sustrato donde las bacterias comienzan a romper y a oxidar los productos de desecho y convertirlos en simples productos inorgánicos. El flujo puede ser desde la superficie hacia abajo, desde el fondo a la superficie o también en sentido horizontal. Los inconvenientes de este tipo de filtros incluyen problemas de bajo OD y acumulación de sólidos, por estar muy recargados de materia orgánica y de la dificultad de retro-enjuague.

Capacidad de filtración: Tiene una eficiencia del 26,8% Aproximadamente 1mg.N/pie^3/Dïa.

c) BIOFILTRO ROTATIVO DE CONTACTO: Estos operan rotando el medio de soporte del filtro, que consiste en discos o tubos, a través de un estanque que contiene el agua residual. La película bacteriana en el medio rotatorio esta expuesta alternativamente el agua residual y a la atmósfera, la que provee el oxígeno. El soporte esta normalmente sumergido a un 40% del diámetro del tambor y es rotado a una velocidad de 1.5 a 2rpm. Un tambor a óptima inmersión debe estar en un rango de 35 a 50 por ciento. La turbulencia del agua creada por la rotación del tambor de forma simultánea airea la columna de biofilm y agua (Wheaton et al., 1994) La velocidad de rotación adecuada se debe mantener para asegurar el mantenimiento de poblaciones viables de bacterias en los medios de comunicación. Si gira demasiado lento, la biopelícula puede llegar a estar sin oxígeno, mientras se gira demasiado rápido puede soltarse gran parte de la biopelícula de la batería (Wheaton et al., 1991b). Cualquiera de estas situaciones tiene el potencial de disminuir la eficiencia del filtro de nitrificación. Los BRT se han usado en sistemas de recirculación total, porque requieren muy poca altura hidráulica, tienen costos bajos de operación, provee intercambio gaseoso, y pueden mantener un tratamiento medioambiental aeróbico consistente. Además tienden a ser más auto-limpiantes que los filtros de lecho-fijo, una desventaja es la naturaleza mecánica de su operación y la ganancia sustancial de peso debida a la biomasa, resultando en una carga adicional en los ejes y rodamientos. Otra de las ventajas del BRT es fácil de observar su funcionamiento y controlar visualmente el biofilm. Ellos sólo tienen una desventaja importante, además de los costos y que se relaciona con la confiabilidad. Si hay una falla de energía o las paradas de cilindro giratorio por cualquier razón, el biofilm se expone al aire se pueden secar. Cuando esto sucede, el cilindro será desequilibrado y se hacen difíciles de convertir.

Capacidad de filtración: En promedio, se convierten de 1,250mg de amoníaco por pie cúbico de los medios de comunicación por día.

d) BIOFILTRO DE CAMA FLUIDIZADA: El agua es bombeada a través de un lecho de arena, "fluidización" los medios de la arena y el suministro de agua tienen un excelente contacto con los medios de comunicación. Biofiltros de lecho fluidizado prácticamente eliminan la necesidad de espacio vacío interno, lo que permite que puedan preparar una gran cantidad de superficie en un espacio pequeño. El filtro de lecho fluidizado asegura que el flujo de agua se expanda por la arena para que las partículas presenten una mayor superficie de contacto como sustrato de las bacterias y efectuar una filtración biológica mas eficiente. Su ventaja principal es que su medio de soporte tiene una superficie específica muy alta, normalmente de arena calibrada o gránulos de plástico muy pequeños. El biofiltro de lecho fluidizado es de fácil escalamiento a tamaños mayores, y su costo por unidad de tratamiento es bajo (Summerfelt y Wade, 1998, Timmons et al., 2000). Las principales desventajas de los biofiltros de lecho fluidizado son su alto costo de bombeo de agua y el que no tiene capacidad de intercambio gaseoso como el de las torres de percolación y CBR. Otras desventajas son que pueden ser más difíciles de operar y tener serios problemas de mantenimiento, normalmente asociado a un pobre control de los sólidos suspendidos y el ensuciamiento biológico. El lecho se fluidiza cuando la velocidad del agua a través de la cama es suficiente para suspender el soporte en la corriente, produciendo la expansión de su volumen. La turbulencia resultante mejora las velocidades de transferencia de masa de oxígeno, amoníaco y nítrico hacia y desde la biopelícula adosada al soporte sólido, también remueve el exceso de biomasa sobre las partículas fluidizadas. El resultado es una alta capacidad de nitrificación, pero un alto gasto energético típico de esta tecnología.

Capacidad de filtración: Los biofiltros se han valorado en 0,8gramos de amoniaco retirado por libra de los medios de comunicación por día. Son eficientes para la remoción del amoníaco; normalmente removiendo el 50 – 90% de este durante cada paso en aplicaciones de acuicultura de agua fría y moderadamente fría (Summerfelt et al., 2001). Las tasas de nitrificación para los sistemas de agua fría van desde 0.2 a 0.4kg de remoción de NAT/día/m3 de volumen de lecho expandido; en los sistemas de agua mas tibia, los rangos de la tasa de remoción de NAT van desde 0.6 a 1kg/día/ m3 de volumen de lecho expandido (Timmons y Summerfelt, 1998). 17,500 N/ftˆ3/día (miligramos de amonio*pie^3*día)

Ejemplos de sistemas de biofiltracion utilizados en Chile a) Biofiltro percolante:

b) Biofiltro Sumergido:

c) Biofiltro Rotativo de contacto:

d) Biofiltro de lecho fluidizado:

Biofiltro de cama fluidizada en un acuario

Parte 2 Averiguar las características del biofiltro utilizado en el Hatchery del Instituto e indicar A QUE TIPO DE FILTRO CORRESPONDE. En el Hatchery de recirculación del IPLA existen dos tipos de filtros biológicos: a) b)

Filtro de goteo o biofiltro percolante Biofiltro sumergido.

Biofiltro de goteo: Este consiste en un enrejado de acero inoxidable, en donde los biobloques son apilados uno encima de otro: Para evitar las pérdidas de agua en el recinto, este es cubierto por una lona plástica. La carga superficial específica para este filtro de goteo debe ser menor de 250metros cúbicos para el área de superficie de filtrote 1 metro cuadrado por día para evitar la acumulación excesiva de bio-película, ya que no es posible el lavado de filtro. El biofiltro está formado en gran parte por dos tipos de bacterias: nitrosomas y nitrobacterias, las que se asientan en el sustrato de los biobloques. Para la alimentación de las bacterias del Hatchery del IPLA: -

Nitrosomas: es necesario alimentarlas con 200 gramos de cloruro de amonio y 50gr. De alimento en polvo para peces. Nitrobacter: Se e suministran 300gr. De nitrito de sodio.

Todo esto en forma diaria. Biofiltro sumergido: El filtro sumergido del IPLA, es una columna de HDP que contiene en su interior los elementos filtrantes o bio-bloques. El agua es bombeada en su interior a través de los elementos, hasta producir un desbordamiento en la parte superior del filtro. Alrededor de un 25 a 30% del flujo de aguas del sistema, es bombeado a través del filtro sumergido, esto ocurre por cada recambio de agua en los estanques. El filtro está relleno con elementos de polietileno en pequeños bloques, compuesto por cilindros perforados especiales con una superficie de área de 200 m^2/ m^3. Su propósito principal es la captura de los sólidos finos suspendidos, no retenidos por el filtro mecánico. En esa etapa, también se dará lugar parte del proceso de la nitrificación y de-nitrificación.